1.1　智慧工厂概述

1.1.1　智慧工厂的产生

2005年，“智慧工厂计划”由欧盟、德国联邦教育与研究部等部门和机构共同发起，参与者包括弗劳恩霍夫（Fraunhofer）协会以及西门子（Siemens）、博世（Bosch）、费斯托（FESTO）、菲尼克斯（Phoenix）等知名企业。计划中的“智慧工厂”是一个独立的制造演示验证与研究平台，创新的信息和通信技术及其应用在一个现实的工业生产环境中进行测试和开发，功能电气组件柔性联网，无线通信系统在系统内和全部控制层级中运行，可以从一件到批量地生产定制化的产品。“智慧工厂计划”旨在将工厂自动化与复杂的信息技术集成，日常生活中的消费电子设备和应用将在工业中拓展传统的加工方法，让未来工厂的运行变得更柔性和更高效。

自2009年IBM公司发布“智慧地球”的构想理念后，IBM一直利用其技术推动这个理念的切实落地，因此也不断涌现出“智慧交通”“智慧能源”“智慧建筑”“智慧工厂”等概念。智慧工厂（Smart Factory）是IBM“智慧地球”理念在制造业的实践，是指在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和设备监控技术并融合绿色智能手段和智能系统等新兴技术，构建的高效节能、绿色环保、环境舒适的人性化工厂。从上述智慧工厂的内涵可以看出，智慧工厂凝结了三大方面的智慧结晶：首先是数字工厂，其次是利用物联网等新兴技术，最后是加上绿色智能手段。

“智慧工厂”概念已在国际上被广泛接受，美国通用电气（GE）公司提出“工业互联网”的概念，中国科技自动化联盟提出“智慧工厂1.0”的概念。无论是“智慧工厂计划”“工业互联网”，还是“智慧工厂1.0”，都旨在利用新兴技术，推动工业智能化，从而构建一个绿色的人性化的工厂。

1.1.2　物联网

“物联网（Internet of Things）”一词是1999年由麻省理工学院（MIT）自动识别中心（Auto-ID Center）主任阿什顿（Kevin Ashton）发明的，该中心创建了第一个公司间RFID基础设施。根据阿什顿的设想，计算机应该能够独立于人为因素提供信息；计算机应该了解世界而不是由人操作。十多年后，这个想法被转移到了一些物品和日常用品上。同时，物联网的概念超越了最初提出的概念，它设想了一种数字网络，从熟知的互联网上扩展到真实的物理世界。随着这个新的互联网与“人际互联网”相关，它逐渐发展成为一种全球性的、永恒存在的信息、通信、娱乐和经济媒介。在这一蓝图中，不仅传统的计算机和移动设备被纳入互联网基础设施，而且专业技术升级的物理对象也将被整合。

物联网是一个智能网络，将所有东西连接到互联网上，以便通过信息传感设备进行信息交换和通信。它能够智能地识别定位、跟踪监控和管理对象。它是基于互联网的延伸和扩展，扩展了人与人之间或物与物之间的通信。在物联网里，我们周围的许多物体将以一种或另一种形式连接到网络中。物联网的技术核心是智能对象，任何物体，如一张票、一个工件、一个家用电器、一个交通工具都可成为计算对象。无论是彼此靠近还是远隔重洋，任何信息都可以交换，但必须在互联网上提供关于位置、状态和历史等的信息。物联网不仅涉及信息交换和处理，还使对象能够感知其物理环境。这种感知能力与信息交换和逻辑处理能力一起赋予对象技术智能，使它们能够自主行动。通过集成传感器实现新对象的环境感知能力，并且考虑了这些对象是在环境中普遍存在的，通过具有独特寻址方案的无线或有线网络连接，这使对象能够进行交互并与其他人合作以创建新的信息、应用程序和服务。通过信息技术的集成，将新互联网的对象升级转化为“智能对象”。

智能对象的主要功能包括：

（1）识别和其他相关数据的存储；

（2）感知其物理条件和所处环境；

（3）启动内部或外部设备；

（4）决策和参与控制其他设备或系统；

（5）通过无线网络连接、接收信息。

智能对象是通过嵌入式技术实现超出其原始功能的任何对象。该对象的主要功能是感知其状态和环境，并以自我控制的方式进行。智能对象代表了物联网的核心元素，它们的联网使物联网得以兴起。物联网作为一种新的技术范式，影响着社会的方方面面，改变着人们的思维方式。凭借智能对象的能力，生活的新领域变得智能。

1.1.3　工业4.0

“工业4.0”（Industry 4.0）研究项目由德国联邦教育与研究部、德国联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等的建议和推动下形成，已上升为国家级战略，并在2013年的汉诺威工业博览会上正式推出。德国政府投入达2亿欧元，目的是提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，弗劳恩霍夫协会将在其下属的6～7个生产领域的研究所中引入工业4.0的概念，西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统。

工业4.0是基于工业发展的不同阶段做出的划分：工业1.0是蒸汽机时代，包括使用水和蒸汽动力的机械化；工业2.0是电气化时代，通过电力和装配线进行大规模生产；工业3.0是信息化时代，采用信息技术的自动化进入了市场；工业4.0则是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代。如图1-1-1所示为工业革命年表。

“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化、数字化的产品生产与服务模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。工业4.0旨在通过充分利用信息通信技术与网络空间虚拟系统——信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）相结合的手段，将制造业向智能化转型。

工业4.0在本质上是指将信息物理系统集成到制造业和物流中，并在工业生产过程中使用物联网和服务。工业4.0项目主要分为两大主题：

一是“智慧工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。

二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动，以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该主题将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。

工业4.0通过数据流动自动化技术，将规模经济转向范围经济，以同质化、规模化的成本，构建出异质化、定制化的产业。对产业结构改革，起着至关重要的作用。工业4.0驱动新一轮工业革命，核心特征是互联。互联网技术降低了产销之间的信息不对称，加速两者之间的相互联系和反馈，因此，催生出消费者驱动的商业模式，而智能生产是实现这一模式的关键环节。工业4.0代表了“互联网+制造业”的智能生产，孕育大量的新型商业模式，真正能够实现“C2B2C（Customer to Business to Customer）”。