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

　　工業(yè)4.0項目的寵兒

　　Autonomik是德國聯(lián)邦經(jīng)濟與能源部（BMWi）的一個戰(zhàn)略性研究項目，是BMWi重點資助的六大數(shù)字化技術項目之一。這個看上去有點奇怪的德文詞，字面上顯示出“自主、自治”的含義，但實際內(nèi)涵則要更加豐富。

　　事實上，早在2010年（“工業(yè)4.0”尚未提出），德國就已經(jīng)啟動了相關的項目，名為“Autonomik-自主和基于仿真的系統(tǒng)服務于中小企業(yè)”。在“工業(yè)4.0“正式提出之后，此項目被升級為“Autonomik fuer Industrie 4.0”，從而將其與工業(yè)4.0進程緊密地結合在了一起。

　　工四100術語解讀

　　目前，Autonomik項目是德國面向未來的科技創(chuàng)新項目，目標是為中小企業(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)、識別周圍環(huán)境、適應外界條件的變化，并且能夠與用戶（以及其它對象）融為一體。

　　Autonomik的語境與定義包含了這樣的關鍵詞

　　1、工具與系統(tǒng)

　　這給Autonomik的研發(fā)目標定了性。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)

　　這是德國工業(yè)4.0不厭其煩強調(diào)的關鍵詞。德國政府推動4.0的最主要目的之一，是讓廣大中小企業(yè)從轉(zhuǎn)型升級中受益。

　　Autonomik

　　3、自主

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

　　4、人機一體

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

　　Autonomik項目作為德國工業(yè)4.0計劃的資助重點，目前有十五個子項目正在進行之中，其牽頭單位包括阿迪達斯、奧迪等公司及慕尼黑工業(yè)大學等科研院所（如圖2所示）。這些項目涉及生產(chǎn)、物流、機器人等領域，具體研究領域包括工廠架構設計、物流自動化、產(chǎn)品研發(fā)等，內(nèi)容很豐富。德國聯(lián)邦政府也很積極地對外宣傳這些項目的進展，在2016年的漢諾威工業(yè)博覽會、2016慕尼黑國際機器人及自動化博覽會（Automatica 2016）上面都設置了專門的展臺，對Autonomik的研究內(nèi)容進行介紹。

　　實例1： InventAiry飛行機器人項目

　　Fraunhofer IML（弗朗恩霍夫-物流研究所）在Autonomik的資助下開展了名為”InventAiry”的項目，目標是在倉庫環(huán)境中用自主飛行的機器人來清點庫存。這樣的機器人體積甚小，憑借其攝像/探測設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，機器人會探測和記錄每件物品上的條形碼/RFID標簽信息，從而完成庫存清點的過程。

　　InventAiry這樣的系統(tǒng)，具有相當大的靈活性：首先，此機器人的應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，它能夠動態(tài)地識別周圍環(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，或是移到一個全新的倉庫中，機器人也能夠很快地適應。

　　這種自主飛行機器人的應用，可以大幅節(jié)省庫存盤點所需人力資源，將勞動者從簡單的體力勞動中解放出來。同時，它使得庫存監(jiān)控成為一個常態(tài)化的、可連續(xù)運行的過程，有助于庫存準確度的提高。

　　Autonomik

　　圖4 自動飛行器進行庫存盤點

　　來源：Fraunhofer IML

　　實例2：SPEEDFACTORY項目

　　SPEEDFACTORY是阿迪達斯的創(chuàng)新性生產(chǎn)戰(zhàn)略，也是Autonomik最知名的子項目之一。其意在將相關產(chǎn)能從亞洲遷回德國，重振其本土運動鞋/服裝產(chǎn)業(yè)。

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

　　Autonomik

　　圖5 SPEEDFACTORY場景

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

　　“體驗-生產(chǎn)-購買”的過程融為一體，使得生產(chǎn)設備成為客戶體驗的一部分，而客戶也成為了生產(chǎn)的參與者。

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

　　阿迪達斯計劃SPEEDFACTORY今年進入預運行，試做500雙鞋投入市場進行銷售測試。鞋類生產(chǎn)是SPEEDFACTORY項目的第一階段，并且實現(xiàn)私人訂制，即對用戶的個性化需求進行迅速反饋，這將成為阿迪達斯的競爭優(yōu)勢。

　　這一項目已經(jīng)作好了商業(yè)化的前期準備，將于2017年在德國本土實現(xiàn)全面量產(chǎn)。

　　實例3：設計生產(chǎn)線的平臺OPAK

　　在OPAK項目中，以液壓氣動系統(tǒng)而聞名的Festo公司，正在開發(fā)一種面向功能的系統(tǒng)設計平臺，來簡化生產(chǎn)系統(tǒng)的設計過程（如圖6所示）?，F(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)、管理和維護是一項非常復雜的工作，而且其軟件架構的開發(fā)和維護也帶來了很大的挑戰(zhàn)。Festo的目標是通過可插拔式的生產(chǎn)系統(tǒng)組件和可視化的設計，實現(xiàn)“即插即生產(chǎn)”的目標。

　　Autonomik

　　圖6 借助“即插即生產(chǎn)”理念，來簡化生產(chǎn)系統(tǒng)的設計

　　來源：OPAK官網(wǎng)

　　在OPAK項目框架下，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準化，來自不同制造商的機電元件可以較為容易地結合在一起，而不用作特殊的調(diào)整。即使整個系統(tǒng)已經(jīng)投入運營了，也還可以再插入新的元件，輕松實現(xiàn)功能擴展。OPAK系統(tǒng)可以應用在各種環(huán)境，不依賴于特定的行業(yè)，也不依賴于特定的生產(chǎn)者。

　　此項目的成果可以大大解放生產(chǎn)系統(tǒng)設計師：他們可以更加專注于要實現(xiàn)的具體功能，而不必過度糾結于相應軟件架構、硬件標準等約束。當新的機電設備/組件被納入系統(tǒng)時，相應的后臺軟件代碼生成都將自動完成，不需人為干預。設計生產(chǎn)系統(tǒng)可以像可視化編程一樣，在電腦/移動設備的屏幕上輕松完成，“所見即所得”。設計人員在減少了不必要勞動之后，可以更好地發(fā)揮自己的創(chuàng)造潛力，以及綜合考慮跨學科的因素。

　　制造系統(tǒng)設計思想

　　從Autonomik項目的實例中，可以體會到德國工業(yè)4.0對于工具和系統(tǒng)的設計思想：

　　Autonomik

　　圖7 Autonomik蘊含的設計思想

　　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（如庫存盤點機器人的自主飛行、OPAK系統(tǒng)機電元件的自動接入）。并且，完成這些功能是基于“認知”，即借助傳感器、攝像頭等對外界情況進行識別和判斷。在實時感知的前提下，可以通過計算機的分析計算來作出最優(yōu)的決策，并且反饋給工具的控制設備來執(zhí)行命令。這和賽博信息系統(tǒng)（CPS）的理念是契合的。實時感知和分析計算的實現(xiàn)，有賴于先進的信息與通信技術（ICT）與工業(yè)生產(chǎn)技術的融合。這也是Autonomik眾多研發(fā)項目的重心之所在。

　　B、應變和調(diào)整能力

　　Autonomik強調(diào)的一點是：當周圍環(huán)境/顧客需求發(fā)生變化的時候，工具和系統(tǒng)要能夠及時調(diào)整自身，去較快地適應新的環(huán)境。這一理念在現(xiàn)代供應鏈管理中也是非常重要的：由于經(jīng)濟活動的外界環(huán)境日趨復雜，運營面臨著各種風險，所以在供應鏈外部環(huán)境發(fā)生變化的情況下，每個環(huán)節(jié)要能夠迅速適應，恢復正常運作。具體到工廠環(huán)境中，各個生產(chǎn)/物流環(huán)節(jié)也要具備調(diào)整和適應的能力。當接受新的任務的時候，生產(chǎn)系統(tǒng)和工具要能夠“快速學習”，及時應對。

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

　　Autonomik

　　圖8 智能無人叉車

　　來源：永恒力叉車

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

　　C、易于上手

　　使用如前文所述，Autonomik的主要服務對象是中小企業(yè)。所以，系統(tǒng)的成本要盡可能低廉，使用時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“集團軍”，那么Autonomik理念下的生產(chǎn)系統(tǒng)則可以比作“特種部隊”：人數(shù)不多，但靈活精干。局部爆發(fā)力超強，招招見血。

　　D、多領域知識融合

　　對于有自主性的人機交互系統(tǒng)，其設計過程會涉及到很多領域的知識，包括：機械、電子、人工智能、心理學、甚至法律知識（關于IT安全等話題）。所以，未來的制造系統(tǒng)設計必然是一個跨學科的綜合項目，需要設計師/項目經(jīng)理具有系統(tǒng)工程的思想，去協(xié)調(diào)設計整體框架。這個過程中的跨學科交流討論也是德國聯(lián)邦政府部門所希望促成的。

　　E、以人為本

　　這個理念在德國工業(yè)哲學中是不可動搖的。無論硬件和軟件進化到何種程度，人類既不會被淘汰，也不會成為機器的附屬。充滿智能的機器將會幫助人類，和人類協(xié)同工作、和諧并存。

　　后 記

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

　　我們相信，它燦爛的光芒很快會讓人驚訝的。《工四100術語》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實、在全面思考的前提下推動落地。

　　德國對于4.0在本土的實施有若干極其清晰的理念，如“服務中小企業(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。這些理念在德國各個層級、各種機構都反復強調(diào)，并且付諸實施。

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

　　“工業(yè)新概念”誠征解讀

　　面向智能制造和工業(yè)4.0的100個經(jīng)典術語，已經(jīng)由知識自動化《工四術語組》面向社會進行眾包解讀。歡迎業(yè)內(nèi)人士供稿。不求學術最精確，但求認知最大公約數(shù)。

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