當前，工業4.0概念延伸的智能工廠(SmartFactory)成為了産業界和經濟界的熱門話題。這場機器與機器對話的工業革命，正在世界各地悄悄興起。智能工廠把制造自動化擴展到柔性化、智能化和高度集成化。通過人與智能機器的合作,去擴大、延伸和部分地取代技術專家在制造過程中的腦力勞動。它智能制造将在第三次工業革命的基礎上,從自動化向智能化、網絡化和集成化方向發展。那麼到底什麼是智能工廠？智能工廠的德國和中國樣本是什麼樣子，本文将向讀者系統地展示。
智能工廠的定義和特征
2017年3月，由國務院發展研究中心主辦、中國發展研究基金會承辦的中國發展高層論壇2017年年會上，工信部部長苗圩在會上肯定了我國制造業不斷創新的成果，并認為在工業4.0智能工廠時代工業機器人創新中心的建設将不斷提速。2017年4月7日，由e-works數字化企業網主辦的“2017深圳智能工廠高峰論壇”在深圳召開。深圳市也在準備于今年12月開幕的深圳國際先進制造與智能工廠展，智能工廠的發展已經成為未來趨勢。
當前，智能制造熱度高企，石化、鋼鐵、機械裝備制造、汽車制造、航空航天、飛機制造等行業紛紛開始探索建設智能工廠。作為“中國制造2025”的主攻方向，李克強總理一直高度關注智能制造和工業互聯網的發展。李克強總理在今年的《政府工作報告》中剛剛提出2017年要全面深入實施《中國制造2025》。《中國制造2025》明确提出要推進制造過程智能化，在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間，這必将加速智能工廠在工業行業領域的應用推廣。
工信部印發的《原材料工業兩化深度融合推進計劃(2015～2018年)》也提出，要以智能工廠示範為着力點，推動企業向服務型和智能型轉變，提升我國原材料工業綜合競争力。
實際上，早在這些戰略和計劃發布之前，包括數字化工廠、智能工廠以及智能制造等概念就已經出現。隻不過，原來的概念都是建立在“數字化工廠”的基礎之上。數字化工廠的本質就是實現信息的集成，通過對企業全部流程進行數據采集，建立數據庫，将物理工廠變成數字化工廠。
而今提出的智能工廠，是在數字化工廠的基礎上，利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，提高生産過程可控性、減少生産線人工幹預，以及合理計劃排程。同時，集初步智能手段和智能系統等新興技術于一體，構建高效、節能、綠色、環保、舒适的人性化工廠。可以看出，智能工廠的本質是人機交互，也就是賦予智能工廠自主判斷、自我學習、自行維護能力，能夠采集、分析、判斷、規劃和現有的數據和流程；也可以利用可視技術進行推理預測，利用仿真及多媒體技術，将實境擴增展示設計與制造過程。
當然，概念上的實現需要技術的支撐，沒有硬件的支持，智能工廠也是空中樓閣。
在硬件配備上，智能工廠主要是利用物聯網技術實現優質、高效、柔性、低耗能模式生産的工廠。比如智能工廠配備的智能儀表等要具有自我監測、自我維護的感知能力，能夠理解環境信息和自身信息，并進行分析和判斷；智能設備能夠實現互聯互通和實時控制，通過設備間的互聯來提高設備間的協同作業的能力，從而使生産模塊間的搭配方式更靈活、更自由；同時還要有系統的軟件來支撐，實現總體數據整合，通過進行大數據智能分析來建立專家系統，進行智能決策。
除此之外，由于智能工廠主要在3C制造、物流倉儲、食品飲料、機械制造、材料加工、包裝、汽車、醫藥、消費品等行業應用較多，所以智能工廠的生産設備需要具備足夠的安全性、可靠性、可用性和可維護性，并符合人機工程理念；生産流程能實現産品全生命周期管理，生産物料、生産過程、物流、倉儲、銷售、應用數據可追溯；此外一般還需要具備生産可視化系統，能快速提供完整、準确、及時、一緻的生産設備、生産工藝、生産資源、生産物流、操作人員等信息，并支持移動和固定客戶端。智能工程還需要配備完善的産品質量管理系統和測試檢驗系統，以讓産品質量穩定可控達到行業先進水平。巴斯夫智能工廠建設以來的第一号目标就是，每一台真實的流程設備都有一個完整的、可供智能化網絡使用的數字化圖像數據。智能工廠的德國樣本：西門子、博世、巴斯夫和奧迪
作為工業4.0概念的提出者，德國也是第一個實踐智能工廠的國家。
位于德國巴伐利亞州東部城市安貝格的西門子工廠就是基于互聯網智能工廠的早期案例。西門子工廠主要生産可編程邏輯控制器(PLC)及相關産品，産品種類達1000多種。安貝格工廠可以看做是所有智能工廠的原型工廠。該工廠将工藝的規劃與工程化、生産系統的規劃與工程化、仿真優化及驗證全部實現數字化，并且能夠達到實體與數字信息同步，達到設計、制造、調試信息一體化的聯動，其中任何一個環節的數據變化，都能在整個環節上同步進行變更，強調的是集成的、統一的數據标準。
正是依賴統一的數據和聯動機制，安貝格工廠僅通過工業互聯網就可以進行聯絡，大多數設備都在無人操作狀态下進行挑選和組裝。安貝格工廠為全球6萬多家客戶提供産品，達到自接到訂單，最短可達到一天之内為用戶提供産品，生産組織形式真正高效、靈活。這個占地10萬平方米的廠房内，員工僅有1000名，最令人驚歎的是，每100萬件産品中，次品約為15件，可靠性達到99%，追溯性更是達到100%。
位于德國洪堡的博世工廠主要生産汽車發動機零部件，作為博世公司旗下智能工廠的代表，博世工廠主要解決的是機器與人之間的協調關系，在博世工廠，人始終能在智能生産中找到一席之地，而且人是整個生産體系中最靈活的一部分。尤其是在很多裝配的精細環節，機器的出錯率依然很高，所以博世工廠也建立了工人同機器人“混搭”而成的生産線，這樣就将人力轉移到更加靈巧和複雜的工序中去。
為了便于人機對話，博世工廠生産線所有零件都有一個獨特的射頻識别碼，能同沿途關卡自動“對話”。每經過一個生産環節，讀卡器會自動讀出相關信息，反饋到控制中心進行相應處理，從而提高整個生産效率。獨立的射頻碼給博世公司旗下工廠的20多條生産線帶來了低成本高效率的回報。目前博世在全球十家工廠每個月掃描200萬個射頻碼。而這種讓每個零件都能說話的技術，也是智能工廠的重要體現形式。
德國巴斯夫化工集團凱澤斯勞滕工廠也是智能工廠的佼佼者。還是對于射頻碼的利用，傳統化工巨頭巴斯夫則在這方面更進一步。巴斯夫位于凱澤斯勞滕的試點智能工廠所生産的洗發水和洗手液已經完全實現自動化。随着網上的測試訂單的下達，其生産流水線上的空洗手液瓶貼着的射頻識别标簽會自動地跟生産機器進行通訊，告知後者它需要何種肥皂、香料、瓶蓋顔色和标記。在這樣的流水線上，每一瓶洗手液都有可能跟傳送帶上的下一瓶全然不同。值得注意的是，巴斯夫化工集團的很多理念已經引起了歐洲化工界的普遍注意。德國Dechema協會2016年9月公布的白皮書“化工企業的數字化”更是将巴斯夫工廠作為典型案例進行解析，PROCESS雜志于2016年10月在德國維爾茨堡舉辦的“第六屆數字化工廠”論壇的總結認為，智能化工工廠是全數字化控制的、建立在數字化流程設備基礎之上的綜合化工生産基地。其主導思想是：為複雜的流程工藝設備開發數字化的3D模型，從流程設備的規劃設計、生産制造和安裝調試開始，在流程設備的整個壽命周期内都可以使用的3D模型。而巴斯夫智能工廠建設以來的第一号目标就是，每一台真實的流程設備都有一個完整的、可供智能化網絡使用的數字化圖像數據。
奧迪一直都十分重視生産線技術的創新和突破。目前，奧迪在生産的許多方面都已經達到了“智能工廠”的要求。例如，通過增強現實工具“世界之窗”（WindowtotheWorld）系統，預生産中心的員工能夠将虛拟3D零部件投影到汽車上，從而實現虛拟世界與現實世界的汽車開發精确結合。在奧迪模具部門，先進的3D打印設備能夠生産出複雜的金屬零部件，其智能工具可以通過準确的高壓分配對金屬闆材進行沖壓，精确度高達百分之一毫米。在英戈爾斯塔特工廠的裝配車間，機器人與員工在生産線上并肩工作，機器人以适當的速度和符合人體工學的位置向員工傳送零部件。
在奧迪智能工廠中的零件物流運輸全部由無人駕駛系統完成。小型化、輕型化的機器人将取代人工來實現瑣碎零件的安裝固定。奧迪智能工廠發明的柔性抓取機器人最大特點在于柔性觸手，這種結構類似于變色龍舌頭，抓取零件更加靈活。除了抓取普通零件外，柔性抓取機器人還可以抓取螺母、墊片之類的細微零件。
奧迪的在線雜志《Encounter》還展望了未來汽車生産的遠景：放棄傳統的裝配線，采用獨立智能工作台（competenceislands）生産汽車，所有的部件由3D打印制作，無人機負責材料的運輸，汽車則在生産完成後自動駛離生産線。
可以看到，德國的智能工廠主要依賴數字化、模拟仿真、模塊化及相對标準化的産品設計，和基于自己産品的物料清單、工藝清單的數字化、信息化與自動化的高度融合，來實現智能工程的穩定運行。
據悉，美的改用智能工廠後，訂單交付周期縮短50%，效率增長100%。在C2M的制造模式下，客戶從下訂單到收貨，12天完成，還可全程訂單跟蹤。智能工廠的中國樣本：格力、美的、海爾和鴻海
美的已在合肥、武漢、廣州空調生産中心建設了三座智能工廠。所謂“智能”，指工廠在設備自動化、生産透明化、物流智能化、管理移動化、決策數據化進行了升級和改造。主要用于美的家電空調等産品的制造。工廠内建有智能化中控中心，可實現線上線下數據共享，通過手機等移動終端實時了解數據，接入平台。
據悉，美的智能工廠的設計與搭建共耗時兩年時間，前期走訪德國、日本等國調研，累計投入50億元。廠内共布設有1500台機器人，改用智能工廠後，訂單交付周期縮短50%，效率增長100%。在C2M（ConsumertoManufacturer，反向定制）的制造模式下，客戶從下訂單到收貨，12天完成，還可全程訂單跟蹤。在美的的智能制造産業布局中，庫卡作為主體，幫助美的集團在機器人本體生産、工業自動化方案、系統集成、以及智能物流等領域全面布局。
在格力空調武漢生産線，已實現高度自動化。經過格力人不懈的努力，格力在智能制造上取得了矚目的成就，自主研發的智能産品覆蓋了工業機器人、智能AGV、數控機械手、大型自動化線體、數控機床、智能檢測設備、工業零部件等10多個領域，上百種規格産品，超百項專利技術。整個格力電器武漢工廠共安裝了120台工業機器人，這些機器人和自動化生産線都是格力自己研發生産的，具有完全知識産權。在格力智能總裝工廠裡面，AGV智能物流系統自動将需要的物料運達指定地點，然後由機器人接力，将物料提上生産線，自動打上螺釘螺母，之後在計算機控制的生産線上，由機器人自動安裝底盤、插管、頂蓋等各個部件，中間還穿插人工輔助的以機器人操作為主的焊接和制冷劑灌注等工藝流程。最後在末端進行自動化套袋、包裝，一台空調就生産出來了。
海爾先後建造了沈陽冰箱、鄭州空調、佛山滾筒、膠州空調、青島熱水器、FPA電機、青島模具和中央空調七大互聯工廠。在不斷改良、疊代中追求高精度下的高效率。海爾的智能工廠可以實現信息在“人—人”、“人—物”、“物—物”之間自動傳遞的理念，此外柔性生産線、智能互聯工廠可以滿足為用戶大規模定制的需求。
海爾打造的智能平台COSMOPlat是“企業和智能制造資源最專業的連接者”，能夠幫助更多的企業更快、更準确的向大規模定制轉型。作為中國首個、也是最大的自主研發和創新的“工業互聯網”平台，COSMOPlat目前有20多套相關軟件均屬海爾自主産權開發。它既不等同于美國由“軟”至“硬”的模式，也跟德國以“硬”求“軟”的模式不同，而是海爾在打造互聯工廠的實踐中，逐步構建的一個開放共享的生态體系。該平台運轉的核心用戶可以全流程參與産品設計研發、生産制造、物流配送、疊代升級等環節，進而實現産品從大規模制造到大規模定制的快速轉型。現在海爾COSMOPlat平台上聚集了上億的用戶資源，同時還聚合了300萬+的生态資源，形成了用戶與資源、用戶與企業、企業與資源的3個“雙邊市場”。目前海爾的COSMOPlat與通用電氣的Predix、西門子的Mindsphere平台已經成為智能制造的代表平台，推動中國的制造業不斷向智能制造領域邁進。
鴻海集團布局的智能工廠已經擴及在中國28個廠區，智能工廠朝向無紙化、無人化和圖像化發展。目前鴻海正在與英特爾（Intel）合作，推動富士康在武漢智能工廠轉型。鴻海集團積極布局機器人、高階設備、數控機床、智能生産、智能工廠與系統整合。透過建立平台，累積龐大的數據數據，逐步具有分析能力，朝向軟硬整合目标前進。鴻海集團在中國持續布局熄燈工廠，目前集團熄燈工廠數超過5個，有望增加到10個，包括成都制造平闆計算機的塑料成型、噴塗、CNC加工等制程，就采用熄燈工廠模式。此外，鴻海集團在重慶廠區的一體成型計算機以及顯示器部分制程，以及鄭州廠區的CNC工廠，也采用熄燈工廠模式。
中國建造“智能工廠”還需要苦練内功
2017年3月，上海市經信委印發了《關于上海創新智能制造應用模式和機制的實施意見》，以加快上海智能制造發展，實施期限為2017-2020年。《意見》指出，培育10家引領性智能制造系統解決方案供應商，建設100家示範性智能工廠，帶動1000家企業實施智能化轉型。此外，唐山曹妃甸區出台《打造北京曹妃甸現代産業加工制造基地工作方案》，提出通過創新協同制造模式，到2020年，聯合北京打造5個智能工廠或互聯工廠，建設50條（個）自動化生産線或數字化車間。
在“中國制造2025”的推動下，近年來中國的制造業發生了重大變化。許多行業紛紛加入到工業化重塑中。但我國大部分制造企業尚處于“工業2.0”和“工業3.0”并行的“傳統工廠”發展階段，大量核心技術如制造業操作系統、大規模集成電路、網絡傳感器、制造業機器人、工業控制器、高端數控機床、高端工業軟件等仍嚴重受制于國外廠商，車間自動化水平不高，缺乏高效管理，産業鍊協同平台和信息集成平台尚未完全建立。與此同時也面臨交貨期卻越來越短，小批量、多批次的定制化或半定制化生産的需求越來越多，對生産線提出了較高柔性要求等問題，還面臨勞動力成本上升、土地資源和環境要素約束加劇等外部沖擊，迫使全國制造企業加快向“創新驅動”轉型。
我國的制造業由“傳統工廠”模式轉向“智能工廠”，還需要苦練内功。特别是需要通過信息技術、廣泛互聯、信息交互、流程再造等一系列手段，拉動傳統制造往智能制造方向升級。在關鍵技術領域，需要探索運用互聯網、移動互聯網、3D顯示、移動O2O等打造用戶聚合平台，收集用戶個性化需求，實現企業内部以及全球各方設計研發者之間的協同共享，通過衆包設計研發及雲制造降低企業創新成本。在設備智能化改造方面，要加快人機智能交互、工業機器人、智能物流管理、增材制造等技術和裝備在生産過程中的應用，改造升級現有各類普通機床和生産線的數控功能、數控化率和聯網率，推動生産設備互聯、設備與産品互聯，建設自動化車間。從而滿足消費者差異化、定制化的需求，提高生産的靈活性，更好地實現“中國制造2025”的目标。