工业八大集成趋势（上）| 2016汉诺威博览会技术深度解读

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。

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。 

图1 德美工业貌似融合

（图1源自官网）

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

（图2源自官网）

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

（注：本文中的图片，如未注明来源，则均为笔者本人制作或是笔者在博览会现场拍摄）

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：Energieführungskette）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）

（图6源自德语维基百科词条”Energieführungskette”）

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。

（未完待续）

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