顯微鏡下的嵌入式產(chǎn)業(yè) | 我看工業(yè)4.0與嵌入式系統(tǒng)

2010年我曾經(jīng)寫過一篇文章“我看物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)”，文中我談了三個問題：關于物聯(lián)網(wǎng)概念和內涵之爭，物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分以及物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學科建設。那時物聯(lián)網(wǎng)剛剛興起，物聯(lián)網(wǎng)概念模糊，方向不明確，高校的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)設置也處在實驗階段。經(jīng)過4年多的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)概念逐漸清晰，嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的地位已不可動搖，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)已經(jīng)在高校轟轟烈烈地興辦起來，首批畢業(yè)生即將走上工作崗位。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市的安防和物流行業(yè)已經(jīng)初據(jù)規(guī)模，智能家居和可穿戴設備正在興起新一輪的創(chuàng)業(yè)高潮，互聯(lián)網(wǎng)公司也正在追趕這一輪萬物互聯(lián)（IoT）的大潮，而工業(yè)4.0 將會帶領我們深入到一個嶄新的領域－智能工業(yè)。

什么是工業(yè)4.0？
工業(yè)4.0概念最早出現(xiàn)在德國，也稱為德國工業(yè)4.0，這個概念在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上被正式提出。在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成，并已上升為德國國家級戰(zhàn)略。工業(yè)4.0的核心目標是提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領先機。2014年10月，在第三輪中德政府磋商期間，工信部苗圩部長與德國工業(yè)4.0平臺相關機構就加強中德制造業(yè)創(chuàng)新合作進行座談時指出：德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略與中國的信息化和工業(yè)化深度融合戰(zhàn)略在核心理念、主要內容和具體做法等諸多方面殊途同歸，完全可以相互學習和借鑒。德國聯(lián)邦教育研究部工業(yè)4.0工作組的“實施工業(yè)4.0 攻略的建議”的報告是工業(yè)4.0 最具備權威的文件（中國工程院咨詢服務中心已經(jīng)組織翻譯了中文版）。

談到工業(yè)4.0 ，業(yè)界還要提到另外一個概念，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，它是通用電氣(GE)2012年秋季提出的，是關于產(chǎn)業(yè)設備與IT融合的概念，目標是通過高功能設備、低成本傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)收集及分析技術等的組合，大幅提高現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的效率并創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)?！肮I(yè)4.0”與“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”二者在概念上沒有什么區(qū)別，只是側重點有所不同。工業(yè)4.0 更強調的是制造，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強調還是網(wǎng)絡。天津大學馬建國教授在嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會第15次主題討論會上給出的結論則是：物聯(lián)網(wǎng)=嵌入式智能系統(tǒng)+網(wǎng)絡，工業(yè)4.0=物聯(lián)網(wǎng)+制造。

我理解的工業(yè)4.0有這樣兩個重要的內涵，一是互聯(lián)互通：強調制造設備與設備之間、生產(chǎn)的產(chǎn)品與設備之間，產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的互聯(lián)，產(chǎn)品/設備／互聯(lián)網(wǎng)形成跨越物理范疇的連接，虛擬世界與實體世界的網(wǎng)絡連接（也就是工業(yè)4.0 所講的CPS）。二是服務：產(chǎn)品和設備上的傳感器會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)會滲透到產(chǎn)品制造、營銷、使用和維護的全生命周期里面，借助云計算和大數(shù)據(jù)的技術，未來智能工廠和智能制造一定是面向服務的集成整合的模式，而不僅僅是單一的產(chǎn)品本身。

工業(yè)4.0與嵌入式系統(tǒng)
工業(yè)4.0概念下的智能工業(yè)系統(tǒng)中有大量的電子控制裝置，它們都是嵌入式系統(tǒng)，比如今天我們談論得很多的工業(yè)機器人，其中的高性能控制器就是一個很復雜的嵌入式系統(tǒng)，工廠自動化中大量使用的PLC也是一種嵌入式系統(tǒng)。在德國聯(lián)邦教育研究部工業(yè)4.0工作組的“實施工業(yè)4.0 攻略的建議”的報告中多次提到嵌入式系統(tǒng)，比如在摘要部分有這樣的描述：“功能強大的、自主的微型計算機（嵌入式系統(tǒng)）正越來越多地相互間或與互聯(lián)網(wǎng)以無線方式互聯(lián)。這正在導致引起實體物理世界與虛擬網(wǎng)絡世界（cyberspace）以虛擬網(wǎng)絡—實體物理系統(tǒng)（CPS）的方式相融合。繼2012年推出新的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6”，現(xiàn)在已經(jīng)有足夠的地址使得對象間可以通過互聯(lián)網(wǎng)大范圍直接互聯(lián)”。

智能工業(yè)設備中的嵌入式系統(tǒng)與消費電子產(chǎn)品有很大的不同，一個重要標志是智能工業(yè)設備對實時性和可靠性的嚴格的要求，比如一個化工廠的控制系統(tǒng)僅僅因為時間的延遲而造成得嚴重后果，輕者會帶來產(chǎn)品質量下降，殘次品出現(xiàn)，重則會導致人命關天的事故。嵌入式企業(yè)適應智能工業(yè)產(chǎn)品的高可靠性要求，要做好開發(fā)和驗證周期長的思想準備，腳踏實地的做好產(chǎn)品的可靠性認證工作是做好嵌入式工業(yè)產(chǎn)品的關鍵。

圖1 智能工廠網(wǎng)絡結構

除此之外，強調互聯(lián)互通的智能工業(yè)系統(tǒng)，將會有各種通信需求。除了支持民用通信網(wǎng)絡外，還要支持工業(yè)通訊技術，比如CAN、CANOpen、Modbus ProfiNet、EtherCAT、Powerlink和EtherNet等。一般情況下，智能工廠的網(wǎng)絡是分三層部署的，即設備、控制和信息三層，每層之間都布置了網(wǎng)絡安全隔離措施，如圖1。即使這樣，智能工業(yè)網(wǎng)絡的信息安全依然不容忽視。要解決智能工業(yè)網(wǎng)絡的安全問題，可從兩個方面入手；一是通訊鏈路的安全，二是設備本身的安全。這兩個目標的實現(xiàn)均需要使用嵌入式芯片、軟件和協(xié)議方面的技術，目前國內企業(yè)的技術和經(jīng)驗與國外差距很大，急待提高。

小結
工業(yè)4.0 為智能工業(yè)在策略層面指明了發(fā)展的方向，這對于中國制造業(yè)的升級和轉型是一個很好的契機。今后幾年，在政府的推動下，工業(yè)4.0 概念下的示范項目會陸續(xù)實施將給嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展機會。

＊ 我最近參與組織了兩個工業(yè)4.0 相關會議，會議資料參閱相關網(wǎng)站或者聯(lián)系@何小慶微博

中國軟件行業(yè)協(xié)會嵌入式系統(tǒng)分會11月20日在北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)成功召開中國（北京）國際智能工業(yè)與信息安全技術發(fā)展論壇暨2014年中國嵌入式系統(tǒng)年會，王越院士、中國電力科學研究院信息安全實驗室、海爾軟件公司、北京和利時系統(tǒng)工程有限公司技術中心的專家，在大會上做了有關智能工業(yè)和信息安全技術在大型工業(yè)智能系統(tǒng)的實踐等方面的高水平的報告。

2014年11月22日嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會第15次主題討論會在北航召開，本次會議的主題是；“研討工業(yè)4.0與嵌入式系統(tǒng)、聚焦機器人技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！睍h吸引了來自高校、科研、企業(yè)和科技媒體的近50人參加交流和討論。會議邀請了天津大學電子信息工程學院院長、長江學者馬建國教授，北京航空航天大學機器人研究所所長，科技部十二五服務機器人技術專家組組長、長江學者王田苗教授，湖南大學計算機與通信學院李智勇教授，北航魏洪興教授，浙江大學陳文智教授到會發(fā)言、分享他們對工業(yè)4.0、機器人和嵌入式技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的理解，幫助大家理清思路，共謀工業(yè)4.0時代發(fā)展機遇。

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系列之一：智能家居的S曲線

摘要：任何技術發(fā)展都會有屬于自己的成熟曲線，也就是必要要經(jīng)歷初期－發(fā)展－成熟這幾個階段，這是市場營銷的一個規(guī)律（稱為S曲線），智能家居作為一個高技術產(chǎn)業(yè)也不會例外……

系列之二：Android開發(fā)，才剛剛開始

摘 要：從2008年Android1.0問世到現(xiàn)在短短的6年Android發(fā)展迅速，2013年手機市場占有率78.6%，正在進入各種嵌入式智能設備領 域 （汽車、家居和穿戴），Android生態(tài)環(huán)境的企業(yè)正在更加廣泛的領域研究和推廣Android的應用，隨著Android終端市場占有率的攀升和應用 軟件增加，Android應用的云和服務器端開發(fā)和測試需求也日益增大……

系列之三：與Misfit的硬件對比看小米手環(huán)做減法

摘 要：市場對小米手環(huán)的反應基本是兩種；一是做手環(huán)的創(chuàng)業(yè)公司們唉聲一片，79元的價格讓他們以前賣數(shù)百元的手環(huán)沒法生存了。另外一類是贊揚小米手環(huán)是戰(zhàn) 略性的布局、激活市場、占領入口等等。分析之后，對其簡單實用的特點有了進一步的認識。小米手環(huán)在諸多方面借鑒了Misfit手環(huán)……

系列之四：物聯(lián)網(wǎng)的成算

摘要：我對物聯(lián)網(wǎng)的認識是來自2010年參加中國物聯(lián)網(wǎng)大會的感受，之后在接受工控網(wǎng)采訪的時候我談了兩點：第一，物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)密不可分。第二，物聯(lián)網(wǎng)學科建設才剛剛開始……

系列之五：開學季，也來談談嵌入式教學

摘要：最近我有機會參加賽靈思公司和機械工業(yè)出版社華章分社共同舉辦的“嵌入式課程教學創(chuàng)新研討會”，與長期從事嵌入式教學工作的老師們共同交流嵌入式教學現(xiàn)狀和未來發(fā)展，在會上我做了“嵌入式教學需改革和創(chuàng)新“的發(fā)言，談了自己對嵌入式教學的理解和思考……

系列之六：從嵌入式系統(tǒng)視角看智能硬件

摘要：10月我參加了蘇州集成電路協(xié)會的企業(yè)VIP俱樂部活動，以《從嵌入式系統(tǒng)視角看智能硬件》為題談了我對智能硬件設計和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看法，以下是主要的觀點……

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