深度解读-汉诺威工业八大集成趋势(上)
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  汉诺威工博会所形成新闻热浪正在退去。但它所指引的工业方向,却是值得坊间中人咂摸再三、回味难忘的思考。

图1 德美工业貌似融合

  工业集成,成为2016年汉诺威的主调。本届汉诺威博览会两大官方主题皆为此而来,一个是集成工业-发现之旅(Integrated Industry Discover solutions),一个是集成能源-未来能源系统(Integrated Energy-The Energy system of the future)。

  在工业和能源领域,数字化进程使得各种机构和各种技术加速融合与集成。

  集成什么?融合何在?在现场,笔者跟踪了八大集成趋势。

  趋势一:兼容性集成是共识

  那一个颁奖的夜晚,灯光属于德国浩亭(HARTING)公司。其工业计算机MICA,斩获了有工业界奥斯卡奖之称的Hermes奖。

图2 德国联邦教育与科研部长Wanka亲自颁奖

  这个不起眼的黑盒子,就是斩获大奖的MICA。它究竟有何特别之处?

图3 酷黑盒MICA系统

  作为一台小型工业计算机(Mini PC),它可以对于智能化工厂的数据进行收集、存储、处理和发送。配合上传感器,它就让原本冷冰冰的机器变得智能起来,让生成的数据开始流动。

  让MICA获得评委一致青睐的是其良好的兼容性。它是一款很容易让人上手的模块化产品,可以广泛适用于各种企业的环境。成为智能工厂的神经系统。

  MICA计算机的易上手体现在三大方面:硬件兼容、软件兼容、扩展性强。

图4 MICA计算机的三大特征

  MICA具有软硬通吃的好胃口:无论现在用的是什么硬件标准还是软件标准,都可以应用。应用的范围也可大可小:既可以用在一台机器上,也可以用于成百上千台机器。许多台机器结成的网络之间可以用现有的通讯标准相互通信,数据的处理既可以在本地完成,也可以方便地传到云端。

  自从去年9月推出以来,MICA已经有了30多个成功的应用案例,例如用在这辆帅气的跑车RINSPEED(图5)中。

图5 奥巴马和默克尔亲临参观

  RINSPEED跑车内部安装了多个传感器,用来探测油耗情况和温室气体排放情况;这些传感器获得的数据由MICA计算机来收集、处理,并且统一上传到云端的第三方监测平台。通过在成千上万辆车上安装MICA,就可以实现智能的汽车排放检测,并且从大数据中还可以分析出更多有用的信息。

  能够在问世不久之后就获此成功应用,而且又和环保的主题相融合,难怪MICA能够获得专业评委和政要们的青睐了。

  MICA为代表的产品,代表了一种集成趋势:全面兼容,用户易于上手。

  看上去工业4.0的升级可以是一种有机的自然生长,不必非得伤筋动骨。这种亲民产品的出现,更多地是为中小企业量身定做,便于其用较低的成本来实现智能化从0到1的突破。这在德国也是一种政治正确:德国产业规划从来都把中小企业摆在重要位置,因为它们比大公司更需要外界帮助。

  趋势二:新材料与能量、信息的整合

  在工业4.0时代,德国产业界有许多有趣的比喻。

  上文介绍的工业计算机产品被称为智能工厂的神经系统,而能量链产品则被称为新一代智能设备的脐带。能量链(德语:Energiefhrungskette)是一种机械元件,通常包含电缆,用来传输电流。最大特点是:这条输送能量的链是在不断运动着的。这种典型应用例子包括机床、机器臂、全自动仓库等)。如果没有合适的材料和机械装置对内在的电缆进行保护,并提供一定的柔性和扭动能力,则电缆会很容易损坏。

  如何在确保材料导电能力、并且保证能量链不易损坏(给设备输血的脐带不断裂)的情况下,还能够降低整体成本?

图6 常见的塑料能量链(左)和金属能量链(右)

  在本次展会上,Igus公司推出的智能能量链(e-chains)产品给出了一个创新的解决方案,并且获得汉诺威展会快报的专题报导。

图7 展会上的智能产品e-chains

  e-chains是Igus公司用塑料材料制造的能量链产品。和普通的能量链不同的是:它将高性能的聚合物材料与传感器集成在一起,使得每条链都可以发出信号,及时报告其损坏情况。

  这些信号在本地汇总之后,通过Igus独有的通讯模块可以传递到云端,从而使得远程的客户/工程师也可以接收和分析其数据(图8)。

图8 能量链浑身都在蒸发出数据

  这款复合型智能产品的除了主动性维护,降低了维修频率,降低能耗,最为重要的是它构成了数据的真正回流:它在运动中的大量数据可以反馈给研发人员,帮助其进一步改善材料、传感器和通讯模块的研发。

  e-chains产品用实际运营数据指导研发活动,从而使得产品从研发到使用形成了一个闭环系统。在数字化时代,传统的硬件厂商纷纷摇身一变,变成了硬件、软件、能源、服务等要素的集成提供者;而在这整个集成闭环活动中包含的大量有价值数据,也反过来不断促进公司自身竞争力。与此同时,材料也成为焦点。事实上, Igus公司在先进塑料材料产品方面的营收迎来了爆发式增长,在2015年增长近20%,并且未来预期还有很大增长空间。

  新材料、信息、能源日益呈现集成趋势

  事实上,各种新型材料已经事实上成为了物联网的一个入口。目前欧美还有很多新颖产品也具备类似特性,例如:美国麻省理工学院(MIT)的AFFOA联盟正在研究革命性的新型纤维(集能量、信息和材料于一体的功能材料),用于发展可穿戴电子服装。将来,我们穿戴的衣服和饰物也可能成为物联网的人机接口。

  趋势三:增材制造与软件技术的整合

  更快,更强,将产品推向市场,正在成为挑战极限的核心竞争力。

  增材制造(Additive Manufacturing)在本次展会上也是业界关注的焦点之一,许多知名的公司纷纷推出其解决方案,而西门子给出了一个相互集成的典范。

  值得注意的是,3D打印这个说法用得并不频繁了,往往由增材制造取而代之。在本次展会上,西门子在列出齐全的产品系列同时,还专门增设了四个Highlight Cubes展区,重点展示几个特定领域的成就。其中有一个展区就是关于增材制造的。在这里,西门子共展示了三种增材制造技术(表1中信息均来源于其汉诺威博览会展台):

  表1 三种增材制造技术

  下面是现场拍摄的产品实例:

图9 三种增材制造技术的产品实例

  现代高端制造业对于产品的要求日渐复杂,用传统技术可能无法制造,或是要构建冗长的供应链才能合作造出来。而利用增材制造技术,可以打造出之前无法构建的几何形状,或是大大降低分工协作的复杂性。

  这种变化,绝不会是任何一家有抱负的软件厂商所能忽视的。增材制造已经不是一种单纯的制造技术,而是集制造与软件于一身的先进流程。

  在西门子三种增材制造方式的背后,都有着强大的软件技术支持,如图10所示:

图10 软件技术与增材制造过程的交互

  在此图中,实际上又有三大交互过程:一是应用先进的软件技术,本身就能大大缩短增材制造产品的研发时间。通过3D数据建模、系统仿真等技术,可以在实际制造开始之前就对产品的性能有很多了解,从而减少出错的概率;

  二是对于那些仿真还不能完全模拟的要素,通过增材制造过程则可以快速地制造出高品质产品原型,从而在短时间内了解该产品的特性;

  三是图中所涉及到的这些软件技术本身,如果能够有机结合成一个整体,则大大提升智能制造和研发水平。

  值得注意的是,西门子公司的这些软件几乎都由自己开发。近年来,它正逐步将自身打造成一个软件公司,以数字化来驱动制造进程。

  上述几种增材制造技术已经有了实际的应用案例,用于能源、汽车等行业。在本次汉诺威博览会上,一家叫Local Motors的公司将上述技术用于电动车的增材制造,整个制造的原材料只有塑料和碳纤维两种

  。每一辆汽车都可以为顾客量身定做,从在系统里确定其数字方案到实际打印出来,只需要20小时。

  整个制造方案预计在未来一年内投入实用。

图11 Local Motors电动汽车的粉末层融合制造场面

  图11中可以看到粉末层融合印刷过程。我们固然可以想象这种车在成本等方面的局限性,然而它毕竟是要实际投产了,并且,20小时!传统制造商,如何能不感受到压力?

  缩短研发周期、缩短Time to market,由于软件与增材制造的集成,正在挑战传统思维的极限。全新机遇,正在展开。

  趋势四:虚实结合

  以人为中心的虚实结合技术,开始大举进军工业界。

  本次开幕式上的一幕令人印象深刻:德国总理默克尔戴着虚拟现实眼镜,在虚拟世界中向奥巴马伸出手,而奥巴马则在现实世界中伸出手回应。

  汉诺威官方网站评论说:这一幕将无疑是本届展会上最令人铭记的画面,它象征着美德两国在工业4.0道路上深度合作的诚意。

图12 默克尔通过VR和奥巴马握手(图12源自博览会官方网站)

  好吧。这个诚意也太具有作秀的成分了。但在事实上,VR/AR等技术已经开始全面渗透工业界了。博世(Bosch)公司让工人通过配戴虚拟现实眼镜来感知生产线的运行状况,以及通过视频投影仪来为工人提供指导、提示下一步工序所需的工件。

  在本次展会的研究展区(Research Technology Area)中,著名的Fraunhofer研究所也展出增强融合技术的一个应用案例。此案例是对工人装配汽车的过程进行指导:

图13 Fraunhofer研究所展示AR交互

  技术场景看上去并不起眼,但是研究所有着清晰的应用思路,通过AR增强现实来指导人的工作。

  其中,摄像机对于场景的监控可以具体识别出人的身体动作和脸部表情,而给人下达建议则可以通过来激光指示或佩带眼镜(具有增强现实效果)来完成。这种技术在更为复杂的工作环境里可以发挥非常大的作用:首先,减少人的脑力负担(比如可以免于鉴别成百上千种不同的零件型号);其次,可以减少体力负担,例如规划最短的行走路线;再次,可以避免工作中的低级错误-电脑算法通常不会因为疲劳或走神而出错。

  除了激光指示和数字化眼镜之外,平板显示等技术也常常用来描绘虚拟的世界。

  例如在图14中,Fraunhofer展示了如何用AR系统显示出机器隐患的。这可以帮助员工提早发现问题,避开很多雷区。

图14 Fraunhofer用AR来透明化机器运行中的隐患

  在此必须强调,这里讨论的是以人为中心的虚实结合技术。事实上,德国在工业4.0进程中从来不忽略人的要素,也不认为人会逐步被机器淘汰。

  德国人不断描绘的新型工业生态系统,是一个人与机器和谐共存的体系。

  新的劳动观已经形成共识。所有的开发和应用这些技术时应坚持双重目标导向,在提高工作效率的同时,一定要为劳动者带来便利、愉悦和健康。工厂现场那些违背宜人工程学原理的布局,都在成为工业4.0世界的不和谐之音符。

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