雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：ICRA 全稱為“IEEE International Conference on Robotics and Automation”（機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議），是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域最有影響力的國際學(xué)術(shù)會(huì)議之一。ICRA 2017 于 5 月 29 日至 6月 3 日舉行，雷鋒網(wǎng) AI 科技評論從新加坡帶來一線報(bào)道。該會(huì)議舉辦期間，雷鋒網(wǎng)將圍繞會(huì)議議程及獲獎(jiǎng)?wù)撐恼归_系列專題報(bào)道，敬請期待。

本文為康涅狄格大學(xué)教授Peter B.Luh在ICRA 2017上進(jìn)行的工業(yè)4.0主題演講。Peter B. Luh教授是國際著名生產(chǎn)制造調(diào)度專家、IEEE Fellow、清華大學(xué)自動(dòng)化系何毓琦講席教授組首席教授。Peter教授1973年獲得國立臺(tái)灣大學(xué)電氣工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，1977年獲得美國麻省理工學(xué)院(MIT)航空與航天專業(yè)碩士學(xué)位，1980年獲哈佛大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。1980年至今任教于美國康涅狄格大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系，2006年至2009年曾擔(dān)任系主任。

雷鋒網(wǎng) AI 評論原文整理，有刪節(jié)。

謝謝。很榮幸在這里為大家介紹工業(yè)4.0 - 自動(dòng)化與機(jī)器人，我主要研究的方向就是工業(yè)4.0 。那么工業(yè)4.0是指什么呢？

第四次工業(yè)革命

我們都知道，一共有4次工業(yè)革命，第一次是1784年開始的工業(yè)革命，由蒸汽機(jī)的發(fā)明推動(dòng)，協(xié)助了機(jī)械化生產(chǎn)。第二次工業(yè)革命大家都知道是電推動(dòng)的，它催生了福特汽車的組裝線。第三次工業(yè)革命來自計(jì)算力，標(biāo)志性的事件是1969年發(fā)明的PLC。

第四次工業(yè)革命呢？是網(wǎng)絡(luò)的力量，來自計(jì)算力以及溝通，它們一起可以產(chǎn)生巨大的力量，從幾年前德國政府做智能制造的研究開始。它是否成為了事實(shí)，它只是個(gè)名字，或者是企業(yè)想要在兩年后達(dá)成的目標(biāo)？我們今天就可以討論一下，它是否是一個(gè)熱潮，它會(huì)發(fā)展成什么樣，它對自動(dòng)化和機(jī)器人的影響如何。

我會(huì)講下面幾部分，簡單介紹一下背景，工業(yè)4.0的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，歷史中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，簡單介紹幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括3D打印、機(jī)器人、虛擬計(jì)量學(xué)和優(yōu)化理論。然后簡單介紹一下美國和日本的工業(yè)4.0狀況。

背景

工業(yè)4.0的背景在于需求推動(dòng)進(jìn)步。客戶需求高質(zhì)量、多功能，并且想以合理的價(jià)格定制產(chǎn)品和服務(wù)；并且全球的企業(yè)之間也有激烈的競爭。供給側(cè)的進(jìn)步動(dòng)力來自于科技進(jìn)步，就是網(wǎng)絡(luò)的力量。我們看看摩爾定律，大家都知道摩爾定律，每18個(gè)月晶體管的數(shù)量就會(huì)翻倍。從1965年摩爾提出的這個(gè)預(yù)測以來已經(jīng)50年，準(zhǔn)確地說是52年了，每18個(gè)月就會(huì)翻一番，它改變不只是晶體管的數(shù)量，它帶動(dòng)了所有事情的進(jìn)步，從半導(dǎo)體工業(yè)到手機(jī)、PLC到各種各樣的東西。在它們的推動(dòng)下，現(xiàn)在兩個(gè)實(shí)體間的聯(lián)系和互動(dòng)已經(jīng)非常普及，人、機(jī)器、更多別的東西都是，數(shù)字化把物理世界和虛擬世界混合在一起。我們也看到了新興的顛覆性技術(shù)。

所以，伴隨著所有這些進(jìn)步、這些聯(lián)系、這些真實(shí)世界和虛擬世界的混合、這些新興的顛覆性技術(shù)，未來的制造業(yè)會(huì)怎樣變化？身邊的事物可以連接到一個(gè)中心服務(wù)器，或者連接到車上，對你來說是隨時(shí)可以用的，而且去中心化了。那它們未來會(huì)怎么樣？

設(shè)計(jì)規(guī)范

所以工業(yè)4.0的原始設(shè)計(jì)規(guī)范表述出來是這樣的，包括以下六點(diǎn)內(nèi)容：

• 第一點(diǎn)是互通性，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)或者人可以互相連接和通訊，通過物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）或者服務(wù)網(wǎng)（Internet of Services）；

• 其次是虛擬化，對所有連接到物理系統(tǒng)的東西做備份；

• 相比于把所有東西用層次網(wǎng)絡(luò)連成一個(gè)中心化的層次網(wǎng)絡(luò)，我們更希望是一個(gè)去中心化的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)或者人可以獨(dú)立做出決定；

• 再者，實(shí)時(shí)性也不可少，我遇到一個(gè)問題以后思考了好幾個(gè)小時(shí)還不給出反饋是不行的，需要實(shí)時(shí)；

• 此外，要面向服務(wù)，通過服務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)；

• 我們還需要模塊化，聯(lián)網(wǎng)的東西需要能夠靈活適配，跟上變化的需求。

根據(jù)以上這些，就可以達(dá)到自我優(yōu)化、自我配置、自我診斷，對工作者進(jìn)行識別和智能支持。一切都齊了，這不僅很好，而且不是沒可能實(shí)現(xiàn)。

歷史中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

80年代的自動(dòng)化工廠是不開燈的，黑漆漆的。你可能會(huì)問，人看不清怎么辦？但其實(shí)已經(jīng)不需要人看見了。這算是成功了嗎？我們都有聽聞，自動(dòng)化應(yīng)該用在產(chǎn)生效用的地方。

我自己就在做這方面的研究，我們把自動(dòng)化用在人類做起來太枯燥、太危險(xiǎn)的事情上。另一個(gè)例子是數(shù)據(jù)分析，我們需要獲得大量的數(shù)據(jù)，然后用自動(dòng)化幫忙我們分析，找到其中的規(guī)律。把關(guān)鍵的事情用自動(dòng)化解決，而不是所有的事情。

20年來，許多公司倒閉了，但是也有很多公司不僅僅是出現(xiàn)了，而且發(fā)展得很壯大，比如亞馬遜、ebay、谷歌、阿里巴巴，它們改變了我們生活和思考的方式。

為了成功達(dá)到目的，我們需要知道我們在干什么、想要去哪里、想要做什么。在討論這些之前，我們先看看有哪些關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)

討論關(guān)鍵技術(shù)的話：

• 首先，我們會(huì)想到物聯(lián)網(wǎng)、想到通訊、想到感知、想到集成。這些是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。

• 具體包括感知和通訊技術(shù)、云計(jì)算和本地計(jì)算、服務(wù)器和物理設(shè)備安全，還有大數(shù)據(jù)分析。還有很多的東西可以列在里面。

• 還有集成化。垂直集成、水平集成，在生命期內(nèi)從頭到尾、從產(chǎn)業(yè)鏈頂端到底端的集成。還有網(wǎng)絡(luò)、物理設(shè)備、人之間的集成。
  

• 現(xiàn)在還有新興的顛覆性技術(shù)，在這兒介紹幾個(gè)。包括 3D打印、機(jī)器人、虛擬計(jì)量學(xué)和優(yōu)化理論。

3D打印

大家都聽說過3D打印，這已經(jīng)不是什么新技術(shù)了。如果在1980年的時(shí)候聽說它，是什么感覺呢？不怎么樣呀，用的是塑料，但是做的東西很小，又很慢，使用場合很受限。但是現(xiàn)在不一樣了，使用場合多多了。碰到加工復(fù)雜度非常高的東西，比如右上角的復(fù)雜幾何體，以及這個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，用傳統(tǒng)工藝想要做得很輕的話，設(shè)計(jì)和制造都非常繁瑣，制造起來會(huì)花很多時(shí)間，工序也非常多。3D打印直接就把加工復(fù)雜度的問題解決掉了，再也沒有加工起來復(fù)雜的東西了。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)并沒有發(fā)揮出設(shè)計(jì)的全部潛力，因?yàn)闆]辦法設(shè)計(jì)得很復(fù)雜，要考慮如何組裝起來?，F(xiàn)在有了3D打印，一次成形，設(shè)計(jì)人員可以有更多的選擇空間來發(fā)揮出設(shè)計(jì)的全部潛能。

對于庫存和供應(yīng)鏈來說，用空間站舉例吧，很多零件都有可能出故障，那空間站就需要很多庫存、很多備用零件。這樣好嗎？還是干脆配備一臺(tái)3D打印機(jī)，隨時(shí)做需要的零件。舉了空間站的例子，但是對于類似這樣的高價(jià)、高度定制化的使用場合，我們需要很多庫存嗎？還是一臺(tái)多功能的3D打印機(jī)就夠了。所以這樣一來，供應(yīng)鏈就從根本上改變了，要簡單、扁平得多。

對公司來講，啟動(dòng)門檻也要低很多。做這樣的飛機(jī)葉片，傳統(tǒng)上需要很多工序，但是有了3D打印以后就有更多的人可以把它設(shè)計(jì)、制造出來。很多初創(chuàng)企業(yè)就有了機(jī)會(huì)。

這其中的關(guān)鍵點(diǎn)是，管理數(shù)字財(cái)產(chǎn)的版權(quán)。雖然現(xiàn)在我們還沒有走到那一步，但是這其中的挑戰(zhàn)是非常多的。比如在線監(jiān)控和反饋，多數(shù)的3D打印設(shè)備還是老式的、沒有這些功能的。

產(chǎn)品的質(zhì)量也是挑戰(zhàn)，外型、結(jié)構(gòu)、物體特性比如尺寸，雖然解決了加工復(fù)雜度的問題，但是質(zhì)量方面還有很大挑戰(zhàn)。還有一些挑戰(zhàn)來自不同材料的選擇、加工產(chǎn)品的大小和加工速度的選擇。

3D打印不僅可以連接到物聯(lián)網(wǎng)，而且可以從物聯(lián)網(wǎng)得到真正的幫助。它可以從物聯(lián)網(wǎng)得到更多的信息、更多的感知、更多的溝通、更多的反饋。它也會(huì)是一項(xiàng)關(guān)鍵的生產(chǎn)加工技術(shù)。

機(jī)器人

在座的各位很多都是機(jī)器人專家，比我懂的多得多了，很多情況你們都知道。那么基于工業(yè)4.0、基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人會(huì)是什么樣的呢？對于工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人都有過很多討論了，仍然有很多關(guān)注在反饋控制、組裝上。但是如果想想機(jī)器人是基于工業(yè)4.0的會(huì)怎樣呢？每個(gè)機(jī)器人都有擁有智能，擁有機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，而且有實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)計(jì)算能力，可以大大提高機(jī)器人的性能和靈活性。

重要的進(jìn)展有這樣幾個(gè)，云機(jī)器人、機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)，協(xié)作機(jī)器人，還有無人機(jī)。許多許多公司都在無人機(jī)開發(fā)方面做出了各種突破性進(jìn)展，這令人很激動(dòng)，它們在重要的事情上拓展了人類的能力。

挑戰(zhàn)也有不少。這次會(huì)議上就會(huì)討論到其中的一些技術(shù)問題；物聯(lián)網(wǎng)要如何驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，反之亦然；以及倫理，明天會(huì)有一場單獨(dú)的關(guān)于倫理的討論，討論技術(shù)帶來的失業(yè)和機(jī)器人武器。弄清了這些以后才稱得上專業(yè)的工程師。

虛擬計(jì)量學(xué)

這方面的目標(biāo)就是，產(chǎn)品零缺陷。但是100%的產(chǎn)品檢驗(yàn)總的來說是不切實(shí)際的。所以在工業(yè)4.0中，虛擬分析和實(shí)體設(shè)備結(jié)合以后產(chǎn)生的新能力，可以把實(shí)際測量變成虛擬測量。把它和感知、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測、計(jì)量、因果關(guān)系、自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合起來。現(xiàn)在這種方法已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用，半導(dǎo)體工業(yè)、液晶顯示、太陽能電池、機(jī)械工具、自動(dòng)化以及航天工業(yè)中。所以，虛擬測量的可以工業(yè)4.0中的質(zhì)量控制帶來更好的保證。

為了達(dá)到零缺陷的目標(biāo)，F(xiàn)an-Tien Cheng博士把這個(gè)稱作工業(yè)4.1，在工業(yè)4.0的基礎(chǔ)上再前進(jìn)一步。這對3D打印的質(zhì)量提高也可能帶來啟發(fā)。

工業(yè)4.0的好處

普華永道做了一個(gè)關(guān)于工業(yè)4.0的調(diào)查，看看工業(yè)界對工業(yè)4.0抱有的期望是什么樣的。這份調(diào)查是2016年的，他們覺得在優(yōu)化商業(yè)規(guī)劃和控制、更好的生產(chǎn)與操作規(guī)劃、提升客戶關(guān)系、提高固定資產(chǎn)使用效率等等方面都會(huì)帶來提升，這是他們對工業(yè)4.0的期待。我們能看到什么呢？優(yōu)化和提升效率是其中最關(guān)鍵的。這里也就有了去中心化，帶有自我優(yōu)化能力的去中心化。

優(yōu)化

優(yōu)化問題的解決非常關(guān)鍵，但是對離散的多變量做優(yōu)化很難，因?yàn)樗浅；靵y，沒有梯度下降這樣的處理方法。所以隨著變量池增大，解決問題的難度也急劇增大。所以我們做了近似最優(yōu)優(yōu)化方案，它通過基于價(jià)格的分解和協(xié)調(diào)，有著可量化的性質(zhì)，而且執(zhí)行起來很快。

我們的近期進(jìn)展有一項(xiàng)“代拉格朗日釋放法”能夠解決傳統(tǒng)拉格朗日釋放法計(jì)算困難的問題。當(dāng)計(jì)算復(fù)雜度急劇上升的時(shí)候，我們能怎么辦呢，我們對它進(jìn)行分解，問題復(fù)雜度也就大幅度下降。傳統(tǒng)的方法有很多的問題，我們把它們都克服了，我們采用分支和切割的方法，利用了分離性和線性。我們還有加速銜接，有緊湊的子問題方程，有分布式的異步算法，可以實(shí)時(shí)解決很多問題，對工業(yè)4.0需要的狀態(tài)協(xié)調(diào)、自主優(yōu)化等等都能起到幫助。

美國的工業(yè)4.0

最后我想講講工業(yè)4.0在美國和日本的現(xiàn)狀。

在美國，有一個(gè)高級制造合作伙伴計(jì)劃，是在奧巴馬政府領(lǐng)導(dǎo)下2011年簽署的的，在這樣三個(gè)領(lǐng)域內(nèi)給出了16條建議：鼓勵(lì)創(chuàng)新；讓人才培養(yǎng)機(jī)制更牢固，主要是教育方面；改善商業(yè)環(huán)境，比如改善政策、更多基礎(chǔ)設(shè)施投入。還有14個(gè)制造創(chuàng)新的全國網(wǎng)絡(luò)，是基于不同的工業(yè)類型的，有紡織、集成光學(xué)、3D打印、高級工業(yè)機(jī)器人。機(jī)器人方面的關(guān)注點(diǎn)在于多功機(jī)器人系統(tǒng)，要有靈活性；還有機(jī)器人的快速部署和功能更換，更換機(jī)器人所從事的工序的時(shí)候可以很快；以及低成本的方案。這部分內(nèi)容還比較新穎，不久之前才得到批準(zhǔn)。

它影響到的有生物技術(shù)；有清潔能源智能制造，做高級感知、控制和建模，嘗試降低生產(chǎn)過程中的能量消耗；有數(shù)碼生產(chǎn)和設(shè)計(jì)，是集約型的、輕量的；有多功能的混合電子；有生物制藥；有碳化硅和氮化鎵；有原子級別的加工；還有重復(fù)使用、拆解、重新加工、重復(fù)使用和恢復(fù)?？梢钥吹矫總€(gè)類型都有多種，公司參與在其中，政府也拿出了有140萬到200萬美元的預(yù)算。

你可能會(huì)說，這是奧巴馬政府下的事情了，特朗普政府如何呢，他可反對了很多前任政府的政策。但是他說他要讓美國再變得偉大一次（make America great again），加強(qiáng)工業(yè)、創(chuàng)造工作機(jī)會(huì)，所以他沒有改變這方面的預(yù)算。

日本的工業(yè)4.0

日本的工業(yè)4.0有三個(gè)主要推動(dòng)力，機(jī)器人優(yōu)先倡議、工業(yè)價(jià)值鏈倡議和物聯(lián)網(wǎng)加速財(cái)團(tuán)。機(jī)器人優(yōu)先倡議關(guān)注的重點(diǎn)是生產(chǎn)制造中的物聯(lián)網(wǎng)、知識共享和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，會(huì)涉及到傳感器、人工智能、數(shù)碼和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方面。有超過200家企業(yè)和超過90個(gè)組織機(jī)構(gòu)共同引領(lǐng)著這個(gè)方面。工業(yè)價(jià)值鏈倡議方面，有一個(gè)論壇，對應(yīng)的是德國的工業(yè)4.0組織；有19個(gè)工作組在這邊。IAC注重的是加速解決方案的落地和演示。

日本就是這樣進(jìn)行工業(yè)4.0的。拿出來對比一下話，感受如何呢？他們在物聯(lián)網(wǎng)中投入很多的溝通和多樣性，這樣的數(shù)碼化和多樣性全日本的各個(gè)層次都能看到，不只是加工行業(yè)中，而是整個(gè)工業(yè)中。

結(jié)論

不管如何稱呼它們，工業(yè)4.0的一部分都已經(jīng)永久落地了。摩爾定律已經(jīng)52年了，推動(dòng)著每18個(gè)月翻倍的計(jì)算力，然后推動(dòng)的不只是計(jì)算機(jī)，它推動(dòng)了社會(huì)中一切事物的發(fā)展，不只是加工制造，我們的生活方式也發(fā)生了巨大的改變。

80和90年代的時(shí)候我們有子整體的推動(dòng)力和一些概念，現(xiàn)在在工業(yè)4.0的階段我們把它們又發(fā)展了一大步，更先進(jìn)的技術(shù)會(huì)永久落地。我們要更好地理解這種現(xiàn)代化的發(fā)展，我們不僅參與這個(gè)革命，而且要熱烈擁抱它。

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