智能工廠的各個(gè)要素到底長(zhǎng)什么樣？德國(guó)聯(lián)邦政府的Autonomik研究項(xiàng)目試圖回答智能工具和系統(tǒng)的問題。

　　工業(yè)4.0項(xiàng)目的寵兒

　　Autonomik是德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部（BMWi）的一個(gè)戰(zhàn)略性研究項(xiàng)目，是BMWi重點(diǎn)資助的六大數(shù)字化技術(shù)項(xiàng)目之一。這個(gè)看上去有點(diǎn)奇怪的德文詞，字面上顯示出“自主、自治”的含義，但實(shí)際內(nèi)涵則要更加豐富。

　　事實(shí)上，早在2010年（“工業(yè)4.0”尚未提出），德國(guó)就已經(jīng)啟動(dòng)了相關(guān)的項(xiàng)目，名為“Autonomik-自主和基于仿真的系統(tǒng)服務(wù)于中小企業(yè)”。在“工業(yè)4.0“正式提出之后，此項(xiàng)目被升級(jí)為“Autonomik fuer Industrie 4.0”，從而將其與工業(yè)4.0進(jìn)程緊密地結(jié)合在了一起。

　　工四100術(shù)語解讀

　　目前，Autonomik項(xiàng)目是德國(guó)面向未來的科技創(chuàng)新項(xiàng)目，目標(biāo)是為中小企業(yè)開發(fā)新一代的智能工具和系統(tǒng)。這些工具和系統(tǒng)能夠自主地聯(lián)網(wǎng)、識(shí)別周圍環(huán)境、適應(yīng)外界條件的變化，并且能夠與用戶（以及其它對(duì)象）融為一體。

　　Autonomik的語境與定義包含了這樣的關(guān)鍵詞

　　1、工具與系統(tǒng)

　　這給Autonomik的研發(fā)目標(biāo)定了性。研發(fā)的成果是拿來給人用的，而不是要取代人類的。

　　2、中小企業(yè)

　　這是德國(guó)工業(yè)4.0不厭其煩強(qiáng)調(diào)的關(guān)鍵詞。德國(guó)政府推動(dòng)4.0的最主要目的之一，是讓廣大中小企業(yè)從轉(zhuǎn)型升級(jí)中受益。

　　Autonomik

　　3、自主

　　這是Autonomik工具/系統(tǒng)的最主要特點(diǎn)。在其設(shè)計(jì)思想之下，工具能夠在感知外界情況之后通過通信和計(jì)算來自行作出決策，不需外界干預(yù)。

　　4、人機(jī)一體

　　自主的工具和用戶/環(huán)境有機(jī)地結(jié)合，成為整個(gè)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一部分。

　　Autonomik項(xiàng)目作為德國(guó)工業(yè)4.0計(jì)劃的資助重點(diǎn)，目前有十五個(gè)子項(xiàng)目正在進(jìn)行之中，其牽頭單位包括阿迪達(dá)斯、奧迪等公司及慕尼黑工業(yè)大學(xué)等科研院所（如圖2所示）。這些項(xiàng)目涉及生產(chǎn)、物流、機(jī)器人等領(lǐng)域，具體研究領(lǐng)域包括工廠架構(gòu)設(shè)計(jì)、物流自動(dòng)化、產(chǎn)品研發(fā)等，內(nèi)容很豐富。德國(guó)聯(lián)邦政府也很積極地對(duì)外宣傳這些項(xiàng)目的進(jìn)展，在2016年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)、2016慕尼黑國(guó)際機(jī)器人及自動(dòng)化博覽會(huì)（Automatica 2016）上面都設(shè)置了專門的展臺(tái)，對(duì)Autonomik的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行介紹。

　　實(shí)例1： InventAiry飛行機(jī)器人項(xiàng)目

　　Fraunhofer IML（弗朗恩霍夫-物流研究所）在Autonomik的資助下開展了名為”InventAiry”的項(xiàng)目，目標(biāo)是在倉(cāng)庫環(huán)境中用自主飛行的機(jī)器人來清點(diǎn)庫存。這樣的機(jī)器人體積甚小，憑借其攝像/探測(cè)設(shè)備可以在飛行中感知和分析周圍環(huán)境，并自行決定飛行的路線。在飛行過程中，機(jī)器人會(huì)探測(cè)和記錄每件物品上的條形碼/RFID標(biāo)簽信息，從而完成庫存清點(diǎn)的過程。

　　InventAiry這樣的系統(tǒng)，具有相當(dāng)大的靈活性：首先，此機(jī)器人的應(yīng)用不需要其它的硬件布署作前提，因此能夠迅速投入使用；其次，它能夠動(dòng)態(tài)地識(shí)別周圍環(huán)境的變化，不依賴于已有的地圖。因此，即使是飛行過程中出現(xiàn)了新的障礙物，或是移到一個(gè)全新的倉(cāng)庫中，機(jī)器人也能夠很快地適應(yīng)。

　　這種自主飛行機(jī)器人的應(yīng)用，可以大幅節(jié)省庫存盤點(diǎn)所需人力資源，將勞動(dòng)者從簡(jiǎn)單的體力勞動(dòng)中解放出來。同時(shí)，它使得庫存監(jiān)控成為一個(gè)常態(tài)化的、可連續(xù)運(yùn)行的過程，有助于庫存準(zhǔn)確度的提高。

　　Autonomik

　　圖4 自動(dòng)飛行器進(jìn)行庫存盤點(diǎn)

　　來源：Fraunhofer IML

　　實(shí)例2：SPEEDFACTORY項(xiàng)目

　　SPEEDFACTORY是阿迪達(dá)斯的創(chuàng)新性生產(chǎn)戰(zhàn)略，也是Autonomik最知名的子項(xiàng)目之一。其意在將相關(guān)產(chǎn)能從亞洲遷回德國(guó)，重振其本土運(yùn)動(dòng)鞋/服裝產(chǎn)業(yè)。

　　SPEEDFACTORY模式的一大亮點(diǎn)是生產(chǎn)的全自動(dòng)化，制鞋加工過程中不再有工人的參與（如圖5所示）。其生產(chǎn)設(shè)備占據(jù)的面積很小，便于靈活布局，以及在必要的時(shí)候移至它處。通過3D打印等技術(shù)，SPEEDFACTORY最大限度地壓縮了庫存和相關(guān)的原材料物流環(huán)節(jié)，并且可以以最快的速度來制作出成品。

　　Autonomik

　　圖5 SPEEDFACTORY場(chǎng)景

　　SPEEDFACTORY項(xiàng)目的另一大亮點(diǎn)是貼近客戶。每一雙鞋都可以為顧客量身定做：他/她只需在跑步機(jī)上試跑一段時(shí)間，系統(tǒng)便可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)確定生產(chǎn)參數(shù)，制作定制化跑鞋。生產(chǎn)設(shè)備將被搬到本地的阿迪達(dá)斯專賣店里面，從而讓德國(guó)顧客親眼看到自己專屬運(yùn)動(dòng)鞋的誕生過程。

　　“體驗(yàn)-生產(chǎn)-購(gòu)買”的過程融為一體，使得生產(chǎn)設(shè)備成為客戶體驗(yàn)的一部分，而客戶也成為了生產(chǎn)的參與者。

　　按阿迪達(dá)斯的說法，這種“所需即所得”的高效靈活生產(chǎn)方式，將開啟制鞋業(yè)的新時(shí)代。

　　阿迪達(dá)斯計(jì)劃SPEEDFACTORY今年進(jìn)入預(yù)運(yùn)行，試做500雙鞋投入市場(chǎng)進(jìn)行銷售測(cè)試。鞋類生產(chǎn)是SPEEDFACTORY項(xiàng)目的第一階段，并且實(shí)現(xiàn)私人訂制，即對(duì)用戶的個(gè)性化需求進(jìn)行迅速反饋，這將成為阿迪達(dá)斯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　這一項(xiàng)目已經(jīng)作好了商業(yè)化的前期準(zhǔn)備，將于2017年在德國(guó)本土實(shí)現(xiàn)全面量產(chǎn)。

　　實(shí)例3：設(shè)計(jì)生產(chǎn)線的平臺(tái)OPAK

　　在OPAK項(xiàng)目中，以液壓氣動(dòng)系統(tǒng)而聞名的Festo公司，正在開發(fā)一種面向功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，來簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程（如圖6所示）。現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)往往有著大量的零部件、傳感器、控制器等等，其協(xié)調(diào)、管理和維護(hù)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，而且其軟件架構(gòu)的開發(fā)和維護(hù)也帶來了很大的挑戰(zhàn)。Festo的目標(biāo)是通過可插拔式的生產(chǎn)系統(tǒng)組件和可視化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“即插即生產(chǎn)”的目標(biāo)。

　　Autonomik

　　圖6 借助“即插即生產(chǎn)”理念，來簡(jiǎn)化生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　來源：OPAK官網(wǎng)

　　在OPAK項(xiàng)目框架下，生產(chǎn)系統(tǒng)具有高度的靈活性和兼容性：通過接口和模塊的標(biāo)準(zhǔn)化，來自不同制造商的機(jī)電元件可以較為容易地結(jié)合在一起，而不用作特殊的調(diào)整。即使整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)了，也還可以再插入新的元件，輕松實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。OPAK系統(tǒng)可以應(yīng)用在各種環(huán)境，不依賴于特定的行業(yè)，也不依賴于特定的生產(chǎn)者。

　　此項(xiàng)目的成果可以大大解放生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師：他們可以更加專注于要實(shí)現(xiàn)的具體功能，而不必過度糾結(jié)于相應(yīng)軟件架構(gòu)、硬件標(biāo)準(zhǔn)等約束。當(dāng)新的機(jī)電設(shè)備/組件被納入系統(tǒng)時(shí)，相應(yīng)的后臺(tái)軟件代碼生成都將自動(dòng)完成，不需人為干預(yù)。設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)可以像可視化編程一樣，在電腦/移動(dòng)設(shè)備的屏幕上輕松完成，“所見即所得”。設(shè)計(jì)人員在減少了不必要?jiǎng)趧?dòng)之后，可以更好地發(fā)揮自己的創(chuàng)造潛力，以及綜合考慮跨學(xué)科的因素。

　　制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　從Autonomik項(xiàng)目的實(shí)例中，可以體會(huì)到德國(guó)工業(yè)4.0對(duì)于工具和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想：

　　Autonomik

　　圖7 Autonomik蘊(yùn)含的設(shè)計(jì)思想

　　A、基于感知的反饋

　　控制如前所述：研發(fā)出的工具可以在沒有接到外界指令的情況下，自發(fā)地完成一些功能（如庫存盤點(diǎn)機(jī)器人的自主飛行、OPAK系統(tǒng)機(jī)電元件的自動(dòng)接入）。并且，完成這些功能是基于“認(rèn)知”，即借助傳感器、攝像頭等對(duì)外界情況進(jìn)行識(shí)別和判斷。在實(shí)時(shí)感知的前提下，可以通過計(jì)算機(jī)的分析計(jì)算來作出最優(yōu)的決策，并且反饋給工具的控制設(shè)備來執(zhí)行命令。這和賽博信息系統(tǒng)（CPS）的理念是契合的。實(shí)時(shí)感知和分析計(jì)算的實(shí)現(xiàn)，有賴于先進(jìn)的信息與通信技術(shù)（ICT）與工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的融合。這也是Autonomik眾多研發(fā)項(xiàng)目的重心之所在。

　　B、應(yīng)變和調(diào)整能力

　　Autonomik強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是：當(dāng)周圍環(huán)境/顧客需求發(fā)生變化的時(shí)候，工具和系統(tǒng)要能夠及時(shí)調(diào)整自身，去較快地適應(yīng)新的環(huán)境。這一理念在現(xiàn)代供應(yīng)鏈管理中也是非常重要的：由于經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的外界環(huán)境日趨復(fù)雜，運(yùn)營(yíng)面臨著各種風(fēng)險(xiǎn)，所以在供應(yīng)鏈外部環(huán)境發(fā)生變化的情況下，每個(gè)環(huán)節(jié)要能夠迅速適應(yīng)，恢復(fù)正常運(yùn)作。具體到工廠環(huán)境中，各個(gè)生產(chǎn)/物流環(huán)節(jié)也要具備調(diào)整和適應(yīng)的能力。當(dāng)接受新的任務(wù)的時(shí)候，生產(chǎn)系統(tǒng)和工具要能夠“快速學(xué)習(xí)”，及時(shí)應(yīng)對(duì)。

　　例如下圖中，在接受簡(jiǎn)單的“初期培訓(xùn)”之后，永恒力叉車可以自行完成指定任務(wù)。

　　Autonomik

　　圖8 智能無人叉車

　　來源：永恒力叉車

　　如果將“自主性”和“應(yīng)變與調(diào)整能力”結(jié)合起來看，Autonomik理念下的工具和系統(tǒng)顯然初步具備一定的智能特征：除了認(rèn)知、決策和應(yīng)變之外，它還具有“進(jìn)化”的能力，可以通過擴(kuò)充自身功能來延長(zhǎng)生命周期。

　　C、易于上手

　　使用如前文所述，Autonomik的主要服務(wù)對(duì)象是中小企業(yè)。所以，系統(tǒng)的成本要盡可能低廉，使用時(shí)所占用的土地和人力要盡可能少；它要能夠比較容易地布署在一個(gè)新環(huán)境中，而不需要太多前提條件。

　　如果傳統(tǒng)的大型制造企業(yè)可以比作“集團(tuán)軍”，那么Autonomik理念下的生產(chǎn)系統(tǒng)則可以比作“特種部隊(duì)”：人數(shù)不多，但靈活精干。局部爆發(fā)力超強(qiáng)，招招見血。

　　D、多領(lǐng)域知識(shí)融合

　　對(duì)于有自主性的人機(jī)交互系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程會(huì)涉及到很多領(lǐng)域的知識(shí)，包括：機(jī)械、電子、人工智能、心理學(xué)、甚至法律知識(shí)（關(guān)于IT安全等話題）。所以，未來的制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)必然是一個(gè)跨學(xué)科的綜合項(xiàng)目，需要設(shè)計(jì)師/項(xiàng)目經(jīng)理具有系統(tǒng)工程的思想，去協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)整體框架。這個(gè)過程中的跨學(xué)科交流討論也是德國(guó)聯(lián)邦政府部門所希望促成的。

　　E、以人為本

　　這個(gè)理念在德國(guó)工業(yè)哲學(xué)中是不可動(dòng)搖的。無論硬件和軟件進(jìn)化到何種程度，人類既不會(huì)被淘汰，也不會(huì)成為機(jī)器的附屬。充滿智能的機(jī)器將會(huì)幫助人類，和人類協(xié)同工作、和諧并存。

　　后 記

　　入選這樣一個(gè)詞，似乎并不太符合一般“術(shù)語”的解讀。然而，Autonomik項(xiàng)目的確是德國(guó)工業(yè)4.0項(xiàng)目的一顆夜明珠，中國(guó)工業(yè)界一窩蜂打著火把的歡快路上，似乎并尚未感受到它堅(jiān)定而溫和的光澤。

　　我們相信，它燦爛的光芒很快會(huì)讓人驚訝的?！豆に?00術(shù)語》編寫組入選該詞的目的，就是想提醒工業(yè)4.0和智能制造都需要扎扎實(shí)實(shí)、在全面思考的前提下推動(dòng)落地。

　　德國(guó)對(duì)于4.0在本土的實(shí)施有若干極其清晰的理念，如“服務(wù)中小企業(yè)”、“以人為本”、“全面考慮各方面影響”（比如法律影響、青少年教育）等。這些理念在德國(guó)各個(gè)層級(jí)、各種機(jī)構(gòu)都反復(fù)強(qiáng)調(diào)，并且付諸實(shí)施。

　　相比而言，中國(guó)制造2025需要俯下身來，用更細(xì)微的筆觸，描畫工業(yè)的根節(jié)。

　　“工業(yè)新概念”誠(chéng)征解讀

　　面向智能制造和工業(yè)4.0的100個(gè)經(jīng)典術(shù)語，已經(jīng)由知識(shí)自動(dòng)化《工四術(shù)語組》面向社會(huì)進(jìn)行眾包解讀。歡迎業(yè)內(nèi)人士供稿。不求學(xué)術(shù)最精確，但求認(rèn)知最大公約數(shù)。

　　本詞條編者：馮維(北京聯(lián)訊動(dòng)力咨詢公司特邀研究員，個(gè)人微信號(hào)iesouth615),編審:林雪萍（北京聯(lián)訊動(dòng)力咨詢公司研究員）鳴謝：周錦碚、繆其浩