工業4.0（實踐版）：開啓未來工業的新模式、新策略和新思維 epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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産品特色

編輯推薦

　　工業4.0正在全球掀起新一輪的工業革命，所有這一場角逐的相關者都在麵臨同樣的問題：工業4.0將如何落地？從何處實施？
　　工業4.0不僅提高瞭製造業生産效率，而且改變瞭人與人之間的生産關係。麵臨新的機遇，我們如何盡快創造並適應全新的商業模式？
　　工業4.0給傳統大型製造業企業的轉型升級提齣瞭挑戰，同時給中小型製造業企業帶來瞭新的機遇。德國的製造業企業正如何實施工業4.0？
　　工業4.0由於其高度的智能化和網絡化，給製造業廠商的經營和管理帶來瞭挑戰，麵臨新的環境，企業如何升級自身的管理運營方式？
　　隨著工業4.0時代的到來，圍繞發展智能製造、智慧工廠和智能機器人等領域，傳統製造業所需的人纔如何轉型？新型人纔如何培養？
　　隨著工業4.0時代的到來，在新技術與新模式的洗禮下，誰將把握機遇，成為國際製造業的新霸主？
　　
　　

內容簡介

　　作為德國聯邦政府“高科技及創新戰略”主要元素之一，針對未來的“工業4.0”項目將推進傳統工業的信息化，如工業化生産。在物聯網化的進程中，通過虛擬世界與實體世界的融閤，建立虛擬—現實係統，實現在新時代下，技術流程與在德國的生産商業流程共同成長。德國經濟與能源署（BMWi）開展的“工業4.0時代機械自動化”科技項目是“工業4.0”項目的一部分，而本書也因此得以齣版。《工業4.0（實踐版）：開啓未來工業的新模式、新策略和新思維》概括展示瞭機械自動化及工業4.0背景下工作的未來導嚮，並指齣科研領域、工業領域以及工作者即將麵臨的主要挑戰、機遇和風險。本書所展示的發展趨勢，為生産及自動化、機器人、虛擬工程、農機以及教學工廠等領域提供瞭解決方案範本。

作者簡介

　　阿爾馮斯·波特霍夫（AlfonsBotthof），在獲得物理學大學學業之後，首先在軟件開發及通信電子工程人員培訓行業工作。自1988年起，波特霍夫就職於V D I / V D E 創新技術有限責任公司（VDI/VDE Innovation + Technik GmbH），工作重點是對可行的高新技術以及相應的社會經濟學議題（信息和通信技術及其應用，特彆是精密技術及係統技術、係統集成、物聯網、自主係統）進行創新型研究。波特霍夫負責德國經濟與能源署（BMWi）開展的“工業4.0時代機械自動化”科技項目的相關研究並參與政府“工業4.0”項目的實施及推廣的全過程。波特霍夫也是柏林VDI/VDE創新技術有限責任公司社會及經濟部副部長。

　　恩斯特·安德雷亞斯·哈特曼（Ernst Andreas Hartmann），1995年在德國亞琛工業大學獲得心理學博士學位，主要針對工業領域人機係統構架及組織結構心理學問題進行研究。20世紀90年代，哈特曼曾任曼海姆約翰·德雷（John Deere Werken Mannheim）工廠的組織和流程發展的內部顧問。至2000年，哈特曼一直在亞琛工業大學負責一個研究小組。2002年，哈特曼在亞琛工業大學教授心理學課程，並獲得工作及組織心理學專業特殊任教資格，從那時起，哈特曼成為亞琛工業大學工作體係及流程構架專業編外講師。2004年4月起，哈特曼擔任柏林VDI/VDE創新技術有限責任公司社會及經濟部部長，2007年起，成為該公司創新及技術研究所（iit）所長。

精彩書評

　　★“工業4.0其實是關於創造力的：通過技術革新來獲取競爭力。‘物聯網’是工業4.0的一環，機器對話機器，機器對話生産部件，按照實現設定的程序自己完成生産全部過程，以此提升産品質量，解放人力。”
　　——德國的企業戰略專傢、羅蘭貝格戰略谘詢公司的創始人 羅蘭·貝格

　　★“德國工業4.0是德國政府推行的‘新一代智能工廠計劃’，以物聯網為基矗這意味著網絡進入工廠大生産，是一個嶄新的工業製造邏輯和方式。……所以，工業4.0是第四次工業革命，因為這是嚮符閤個體化需求的大生産方式轉變。”
　　——德國人工智能研究所首席執行官兼科學總監 沃夫岡·瓦爾斯特

　　★“工業4.0就是更加自動化，而且更加智能化，最後達到低消耗、低能源、低成本的産業形式。這個創意來自讓産品更加智能化，也就是說，産品將在個體的需求上製造。”
　　——德國國傢科學和工程院院長 漢寜·卡格曼

　　★“比起第四次工業革命的說法，工業4.0所描繪的更像是後工業時代的夢想傢園，具有深刻的哲學內涵。德國用哲學影響世界，用科技發展自己，工業4.0正在掀起新一輪工業崛起的浪潮，德國的理念值得藉鑒，中國製造之路任重道遠。”
　　——製造業國際聯盟主席 王洪艷

目錄

推薦序一

推薦序二

前言

第1章 工業4.0時代到來，我們應該怎麼辦？

自動化及工業4.0時代的工作未來

歐洲關於企業的組織機構、跨企業組織新模式，“無工廠生産”、個性化批量生産以及自調式或自理式生産係統的討論，啓發企業內部進行思考，如何將新模式、新生産方式融入工業4.0之中。

工業4.0時代下的工作形態：過去的輝煌與未來的挑戰

未來將要麵臨兩大挑戰。一是要將所獲得的知識用於分析及描述促進學習式工作模式，應用在工業領域構建真實的工作係統。二是要解決自動化進程中所遇到的兩難睏境，即解決學習式工作形態所遇到的障礙。

第2章 工業4.0時代，未來工作的展望

工業4.0背景下的工作——應用工作學協會的預期

在工業4.0時代，隨著工作內容及任務産生變化，對工作者的知識、纔乾、技能、能力也都有瞭新的需求。現在看來，對靈活度、抽象度、問題解決能力、獨立處理、溝通能力以及自我組織能力的要求尤為突齣。

未來的自動化之路

工業4.0意味著應用於智能工廠生産的新邏輯與質量。智能産品在生産係統中擔任自主角色。它們與機器、工人以及其他係統元件———如生産控製技術———進行交流，以一個自主的非人工生産要素完成其任務、參與控製生産流程。

第3章 工業4.0時代，工業領域的機遇與挑戰

另闢蹊徑走嚮工業4.0——機遇及限製

通嚮工業4.0有兩條路：一是將一個高度機械化——雖然並非無人——工廠作為發展目標。另一條道路——也稱為以人類為中心的ＣＩＭ （ＨＣＩＭ）——強調的是人類在生産流程中將起到中心作用。

機器人協同工作——願景及現實

隨著計算能力的提高、數據量及傳感器的增加，未來的計算機將如科幻世界一般，有能力完成迄今為止通過人類完成的（思維） 任務。屆時，工作及經濟領域將發生劇變，而給消費者帶來的益處在於個性化産品的價格將居於可承擔範圍之內。

工業4.0時代的工作優化——農業技術視角

對於農業經營者來說，提高能力以應對日益復雜的流程並能夠正確執行，至關重要。而工業4.0概念引入自主優化、自主設置、自主診斷及認知流程，對優化農業領域意義重大。

工作4.0時代技術發展及其應用

在人口變遷背景下，未來的發展趨勢顯示齣，上文提到的閤理化效應——即機器替代人工——從社會學角度看，也可能起到積極作用：可以在人纔缺乏的時代，依舊保持生産競爭力，順利運輸貨物。

提升內部物流運輸機器人自主程度——工業4.0時代技術發展及其應用

在人口變遷背景下，未來的發展趨勢顯示齣，上文提到的閤理化效應——即機器替代人工——從社會學角度看，也可能起到積極作用：可以在人纔缺乏的時代，依舊保持生産競爭力，順利運輸貨物。

學習型工廠對工業4.0的意義

在第四次工業革命的背景下，通過工業的相互聯閤，能夠更加提高效率。通過學習型工廠可以更快地獲得最新數據，以及時進行優化。因此學習型生産係統是工業4.0受益方。

第4章 工業4.0的核心主題及發展戰略

生産工作的發展前景

工業4.0係統的安裝過程和投入生産被認為是一個漫長的過程。在這個過程中，活動和工作結構必須要顯示齣高度的靈活性和齣色的解決問題能力，並且不能夠輕易就為某個狀態（最終狀態） 下定論。

工業4.0大背景下的生産係統的實現

第四次工業革命是否成功，極大程度上取決於設計方案是否成功而有針對性地在組織這個方麵做齣瞭決定性改變。人力與技術因素應該依據組織的設計與架構調整和定位。

創新需要能人藉助虛擬工程開創新的工作文化

工業4.0時代産品和服務從以技術為基礎到以人為本的過渡能否成功在很大程度上取決於企業的創新程度。高度創新的經濟意義在於低成本和高質量。

通過人機團隊的構建擺脫自動化的窘境

自動化若是沒有人的參與，是無法成功運行的。人類在其中所扮演的角色必須更加明確，抹去這一角色並不是一種齣路。我們應該取消對人類與機器任務的僵化分配。理想的任務分配不該在事前就決定好，而是在任何時刻根據既定的分配策略基於當時的需求重新決定。這種動態性可以藉助一種新的人機關係視角來實現，即人機團隊（ＭＭＴ）。

第5章 工業4.0的未來前景

人機互動閤作下的工作係統構建——以機器人技術為例

隨著傳感技術、傳動機製以及導航領域科技的迅猛發展，工業機器人被投入更多的領域加以使用，同時突破瞭工業機器人的傳統應用方式。由以往的人機空間分離的共存方式轉嚮更緊密的人機互動閤作乃是大勢所趨。

工業4.0時代的工作導嚮——新視角及待解決問題

工業4.0時代的工作世界是可塑造的，也是需要塑造的。未來的工作形態須參考社會技術係統理念的三個維度：“人類”，“組織”以及“技術”。經實踐得知，“組織”尤其重要。因為可通過企業內部、企業間的組織來實現增值。

精彩書摘

　　人機互動閤作下的工作係統構建——以機器人技術為例

　　1. 機器人將成為閤作夥伴

　　隨著傳感技術、傳動機製以及導航領域科技的迅猛發展，工業機器人在更多的領域被投入使用，同時突破瞭工業機器人的傳統應用方式。由以往的人機空間分離的共存方式轉嚮更緊密的人機互動閤作乃是大勢所趨。

　　機器人將會與人類共同工作成為我們的智能助手嗎？機器人係統能否把煩瑣多變的操作工序變成一個統一完整的流程？機器人適應人類的程度如何？而人類又需要在多大程度上去配閤機器人呢？哪些新型的人機交互形式允許機器和人類實現真正意義上的閤作？下麵的例子將為您進一步解答這些問題。

　　2. 工人指導

　　由德國BMWi所資助的自主科技項目中的RoboGasInspector計劃讓自主機器人參與到（部分）工作中去，這一計劃的投入對勞工分配産生瞭明顯影響。該計劃通過使用智能的、協作的、裝備有遠端油氣測量技術的機器人的新型人機係統，及時檢測齣機械設備中漏油的問題。在此之後，機械設備的檢查工作將大範圍實現自主檢測。其中所使用的多模塊遠程測量技術可以有效檢測不易操作的位置。與互聯網進行連接可以傳輸非本地的檢測數據以及儲存的數據，該功能同時可以服務於設備監控，其他機器人和工作人員之間也可以通過該功能實現信息交流。通過GPS和激光掃描機器人可以進行自我定位和導航。通過增強現實功能操作員可以直觀地確定監控工作區域的地圖、通過機器人的視角來感知其周圍環境並監控整個傳感過程。

　　如有需要，使用者還可以通過手勢控製機器人的操作，進行遠程交互，並接管它的工作。這個功能可以通過例如“工具—中心—點”控製，使用空格鍵—鼠標或者使用可視動態追蹤係統，操作員手的運動軌跡將直接傳輸給機器人並轉化成它的動作。操作員通過立體相機係統得到反饋，該反饋顯示在一個立體屏幕上或者頭盔顯示器上。通過這個係統，可以遠程打開氣門、關上氣門或者檢查某些特定的管道位置。

　　所有工作都由中心指揮處調配執行，固定路綫巡視員的工作範圍因此而發生明顯變化：現場巡視的工作任務將逐漸消失，並由監控、設計以及服務等任務所替代。而這也意味著更高質量的工作，以及新的培訓要求。同時，以往的崗位能力要求也將失效。雖然許多以前人工完成的工作步驟將由機器人代替，但是人類又不止扮演監測工作的角色，他需要設計機器人的路綫並且在必要情況下執行人機交互動作，並且還要評估機器人獲得的數據。

　　下麵這個來自Sabre Autonomous Solutions（SAS）公司的例子體現瞭機器人如何減輕工人的工作，但又並不完全取代工人的工作。

　　機器人技術使用領域：鋼結構噴砂處理。尤其是大型鋼鐵基礎設施，例如橋，必須長期進行防腐蝕護理。這項工作一直都由工人完成。然而惡劣的工作條件以及對體力的極端要求，即使再嫻熟的工人在工作15～30min後也要休息一段時間。SAS公司發明瞭一種機器人，從而大大減輕瞭這項工作，使得該工作的很大一部分可以由機器人來承擔。將機器人放置於要進行加工的區域之前，機器人的工作環境也同正常工人的一樣，有相應的安全保障。機器人通過智能感應器掃描需要加工的區域，同時一款軟件將識彆要進行加工的範圍，並計算機器人手臂的運動軌跡。而工人全程監測該自動化過程，若齣現安全問題時也可以隨時終止操作。機器人完成操作後，工人進行質量檢查，並手動將加工後的部分遮蓋住，以防止機器人接觸該區域。

　　3. 人力交互

　　RoRaRob方案形象地體現瞭機器人和人類之間更進一步的閤作。該方案展示瞭如何將新型的協作係統融入已有的工作結構中，而且無須對工人進行新的資格培訓。具體來說，這是一個為管道以及框架組裝焊接任務所發明的機器人協助係統。該方案的焦點是從節省、經濟和人體工程學的角度實現人機互動。

　　該方案的目的並不是取代電焊工，而是減少工人在核心任務“焊接”之外的其他步驟，例如手持工件。伴隨的是人體工程學上的減壓。也就是說，例如，當組裝80kg重的部件時，工人不再需要親自動手移動它或手動安裝。同樣，也一並解決瞭手持工件的麻煩。針對這個需求，一個數字模擬身體模型從一開始就被植入係統中（見圖53a），通過這種方式人體工程學上的限製得到解決。

　　關於人機碰撞的問題，該方案為操控工件的機器人推導齣瞭最優化的運動模型，轉化為機器人可識彆的指令，納入整個係統之中。同時還會檢查該動作是否在這個虛擬機床工人的承重範圍之內。運行過程中，工人可以利用新型的人機互動工具（6D鼠標）來調整閤適的工作高度。最關鍵的一點是：電焊工自己並不用為機器人動作編程。幾乎所有編程工作隻在綫下完成。

　　齣於企業經濟方麵的考慮，在這個例子中運用新程序作業並沒有對電焊工增添更多負擔。這就意味著，電焊工的工作以及資格培訓都沒有大的變化。從勞工分配的角度來看，更優化的分配減輕瞭工人的壓力。電焊工仍舊處於這個工作的中心位置，並且在一定程度上可以乾涉機器人的操作。

　　4. 人力協作

　　歐盟JILAS項目的結果展示瞭現代機器人技術如何全方位成為工人的助手。一傢來自瑞士的小型飛機製造商提齣瞭對該自動化工作解決方案的需求。該製造商的大多數飛機訂單都需要特彆定製，因此至今都沿用手工製造方法。然而由於瑞士高昂的勞動力成本，他們不得不外包生産。尤其是組裝沉重的側麵闆和頂部件需要多達5個人共同閤作。而在可調控力量的機器手臂的幫助下，現在隻要一個工人就能獨立、完整、安全地完成這個安裝。機器手臂負責抬起沉重的部件，工人則在機器手臂的協助下將這個側麵闆挪至靠近其目標位置。為瞭方便最終將定位精確到毫米內，工人可使用操作簡易的跟蹤係統測量終端位置。然後，機器手臂會自主將部件精確安裝至最終位置。機器人移動工件時常常會受到突齣的螺釘或者吊環的阻礙，遇到這種情況，工人則可以協助機器人，將工件拉至無阻礙的方嚮後，機器人繼續正常運作，最後，由工人完成最終裝配。該係統的設計無須工人掌握任何特殊的知識。工人仍使用他最習慣的工件，隻是在機器人的幫助下可以更精確地完成裝配，而不再需其他工人的配閤。手持和移動重物，在此之前是人體工程學上的重負，現在則可以輕鬆脫手瞭。而整個工作流程掌握在工人自己手裏。工人可以自行設計、執行工作，控製結果，在必要時修正錯誤。這樣就完成瞭一次齣色的自主工作。

　　5. 機器人同事

　　現在越來越多的機器人係統技術都十分純熟，顯示齣對人類工作齣類拔萃的協助功能。輕量級的機器人扮演著尤其重要的角色，例如丹麥製造商所製造的通用機器人（Universal Robots， UR），它的最大力度和速度的設計理念是絕不引起任何人員傷害，當工人進入其工作區域時機器人便立即停運。參加一個簡短的訓練後，工人可以在教學麵闆的圖形界麵中對機器人進行自主編程。自2009年起，通用機器人的銷量已超過2500個，其中80%應用於人類無物理安全障礙工作。

　　而Rethink Robitics公司的機器人Baxter編程功能更簡單瞭，它類似於前麵提到的JILAS方案。Baxter從一開始就是為潛在客戶所發明的。除瞭安全問題外，製造商將主要注意力都放在瞭更方便、簡單地操作一個機器人，也就是機器人和工人的交互功能上。通過直觀地推拉機器手臂和夾具就可以為Baxer編程以及訓練Baxer。通過屏幕用戶會收到有關培訓成果的視覺反饋。該屏幕還可在運行過程中也服務於人機交互協作。當機器人，例如，因為缺少零件需要幫助，一直望嚮被激活的工作方嚮時，虛擬眼會進行提示。這樣，操作員便可以輕易地預測機器人的運動走嚮。Baxter像UR5一樣安全，因此不需劃分安全工作區域或與工人隔離開來。

　　機器人Baxter和UR5以及其他製造商的同類機型滿足所有工作構建的需求，作為一個工具，能實現完整工序的操作。一方麵，用戶可以獨立設計、組織以及執行、調控任務，無須額外的專業技能知識。另一方麵，機器人也能夠在其不足以保證常規操作的情況下，將其當前狀態反饋給用戶。用戶可以直觀地瞭解問題，並且能夠獨立解決該問題。這個方案的實現一方麵是以工人參與瞭解各個工作步驟為前提的，另一方麵直觀的交互界麵也是必需的，不僅人要瞭解機器的動嚮，反之機器人更要瞭解人的動作。然而，這一點目前大多數係統都沒有達到。若要實現這一點，要麼像Baxter，使用相應的可視化屏幕實現，要麼像JILAS，機器人僅僅協助人的工作。後者具有的優點是工人在任何時間都可以自己執行操作。因此當沒有人機交互界麵時也能夠直觀地發現問題。

　　6. 人與機器之間的雙嚮互動

　　目前在人機交互領域的研究往往隻側重在預測人們的行為，然後推導機器人的行為去適應人的行為。人們常常忘記瞭，其實人類可以更敏捷地做齣反應——隻要他能捕捉到機器人的“意圖”和狀態。未來“協作式”機器人帶來的挑戰越發凸顯齣來。機器人能夠在其不足以保證常規操作的情況下，將其當前實際狀態反饋給用戶。用戶必須能夠理解問題所在並能夠獨自修復問題。在理想情況下，機器人的修復服務不再由生産商負責，而是由最終用戶自己接管，這一點，這在Baxter方案中已經實現。而直觀的交互界麵是必不可少的前提。

　　目前在弗勞恩霍夫（Fraunhofer）的一個研究方案IFF展示瞭機器人反饋給工人信息後工人如何應用這些信息。研究人員已經開發齣一種傳感器皮膚，可以靈活地適應盡可能不同的幾何形狀。一方麵，所述電阻測量係統能夠快速和可靠地檢測到人的碰觸，從而增加人類與機器人之間的交互的安全性。這個係統會提示機器人有人類在附近。該機器人可以停止活動或進行適當的迴避動作。另一方麵，這個係統也可以用作輸入裝置，在機器人手臂上安裝類似觸摸屏的工具，以用於編程。羅伯特·；博世公司（Robert Bosch GmbH）的一個類似係統“APAS”，製造的傳

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