工业4.0对工业自动化各分支的影响
作为问题解决者，工程师将科学和数学的实践知识结合起来，推动创造力和创新，造福社会。工程设计是一个广泛而多样的领域，而工业4.0结合了工业物联网 (IIoT)、自动化、机器人和增材制造，它的出现正在对工业自动化的各分支产生重大影响，这些影响涉及系统、过程和设计工程。从如何设计产品来适合智能工厂制造，到重新设计工厂运行方式和制造过程本身，这种影响涵盖的范围非常广泛。
传统的制造方法是针对大规模生产进行优化的，而工业4.0工厂旨在支持灵活制造和大规模定制。大规模定制和交付更具个性化的产品，可提高客户的品牌忠诚度，助力企业获得成功。工业工程的各个分支对于开发支持工业4.0所需的创新都是至关重要的。
工程专业的大学应届毕业生的知识背景都相当整齐划一，他们都修过一套严格规定的必修课程，只有少数选修课可以供他们探索兴趣。一旦这些工程师迈出了所选职业生涯的第一步，就将开始担任各种各样的设计角色，每一种角色都对从教育到不同个人能力的各种要素提出了不同的要求。
本文将探讨系统、过程和设计工程师在实现新的工业自动化产品和项目的设计链中扮演的角色，以及这些角色如何因工业4.0的出现而得到扩展和发展。
成体系系统的发展
信息物理系统 (CPS) 和成体系系统 (System of Systems, SoS) 的出现是工业4.0的两个明确特征。CPS通过无处不在的无线互连性为日益增多的人机协作提供支持，将计算和物理资产从工厂集成到云端。CPS正在对工业自动化的各种分支产生深远的影响，并推动着SoS的发展。
SoS是一组协同工作的系统，用来实现更加复杂的新系统。这个新系统支持更出色的功能和性能，而不只是各组成系统的简单加和。SoS是工业4.0中的一个新兴领域，系统工程师和研究人员仍在开发用来优化SoS的量化分析工具。
工业4.0的系统工程师
“系统工程”一词最早出自于1940年代初工业2.0时期的贝尔电话实验室。系统工程共包括五个阶段。虽然随着工业4.0的发展，系统正变得越来越复杂，但这些基本阶段并未改变：
1. 初步系统研究和项目规划。
2. 探索性规划，包括选择目标、初步系统综合和分析。该阶段开始确定首选系统解决方案。
3. 开发规划，包括细化目标、细化系统综合和分析。该阶段确定最终系统解决方案。
4. 开发实施，包括系统要素和组件的开发，以及对这些部分进行集成和测试。
5. 并行工程，也就是在系统运行、改进和更新时发生的连续过程。
系统工程是一个多学科领域。一个系统通常包括完成给定任务或任务集所需的硬件、软件、设备、设施、人员、过程和工序，而系统工程的主要目的是组织信息和知识，为管理、指导和控制系统的规划、开发、生产和运行的人员提供帮助（图1）。
图1：系统工程是一个多学科领域，包括硬件、软件、设备、设施、人员、过程和工序。（图源：Gorodenkoff/Shutterstock.com）
SoS工程更进一步推进了系统工程过程，它侧重于规划、分析、组织和集成多个系统的能力。借助工业物联网和云计算，可以支持将多个系统集成到一个SoS。协作而又自主的系统可以提供大于单独组成系统总和的能力。随着系统工程师在考虑SoS实施时处理的问题越来越复杂，系统组合将会得到发展，并涵盖尚待设计的系统或功能和技术。
工业4.0、CPS和SoS的出现正使系统工程师面临的挑战愈加复杂。这些挑战包括：
•定制化生产的数字化控制与优化
•日益灵活和自适应的自动化
•日益增加的人机交互
•从边缘到云端的人工智能 (AI) 和机器学习 (ML)
新一代系统工程师已经掌握了挖掘和分析数据的技能，因而对捕获这种信息的方法进行配置是极为重要的。数据正越来越多地通过嵌入式智能边缘或网关来捕获，它们可以从工厂车间无缝收集准确的数据，这就需要借助过程工程的综合技能来识别有意义和有价值的数据，并要求设计工程师开发能够实时捕获和报告数据的设备和装置。
过程工程
传统上，过程工程师负责设计、实施和优化化学和生化过程，尤其是化学、石化、农业、选矿、食品、制药和生物技术行业中的连续过程。随着工业4.0的发展，这个定义已得到扩展，将支持所有类型产品大规模定制所需的过程包括在内。
图2：无线传感器的大规模部署和增材制造（即3D打印）技术的日益普及对过程工程师来说是新的机遇和挑战。（图源：Gorodenkoff/Shutterstock.com）
工业4.0工厂是一个近乎万物互连的场景，传感器因而无处不在（图2）。过程工程师需要从互相连接的巨大传感器网络中挖掘尽可能高的价值。哪些数据是相关的？哪些数据并不需要？数据应该在哪里分析？是在机器或机器人的边缘，还是在具有更强算力的现场数据中心，抑或是在算力更胜一筹的云端？各级过程工程师都在使用先进的软件来收集、传输和处理传感器数据，监控生产过程，识别出特定过程中的低效环节以及需要预防性维护的机器。将AI和ML加入其中后，便能够实现数据驱动和实时自我优化的工作。
许多工厂都配备有各式各样的设备，其中同时包括没有智能控制、传感器或通信的老旧机器以及针对工业4.0优化的新系统。当一组机器生产的零件需要在生产过程的下一步骤转移到另一组机器上时，这种混合现状可能会导致生产孤岛的出现。各生产孤岛间未实现互连，前一个生产孤岛的数据不会随着零件传输到下一个孤岛。这是工业物联网可以有所作为的又一个领域。借助无线传感器和工业物联网，过程工程师可以连接之前隔绝的生产孤岛，显著改进工厂的生产过程。
为实现尽可能高的收益，过程工程师会分析每个过程来确定精益的方法，在生产孤岛和中央监控平台之间提供有意义的数据流。他们可以使用适当的传感器和互连手段在整个工厂实施持续改进计划。
增材制造 (AM) 是过程工程师可以在工业4.0中利用的另一个强大的新工具。AM可以生产具有内部格架的结构，得到具有更高结构强度的轻质部件。借助AM，过程工程师可以设计系统来定制个性化组件，例如适合个体患者的医疗器械和植入物。AM还被用于从消费设备到国防和航空航天系统的各类细分市场。要有效地开发AM过程，需要过程工程师和设计工程人员之间密切合作。AM的设计工程工具日益先进，能够实现组件整合和产品简化，并且能够产生复杂的内部结构。
设计工程4.0
工业4.0中可供设计工程师使用的工具已取得长足发展，数字孪生和虚拟现实等新的计算建模技术也正在出现。伴随AM的不断发展，这些新的建模技术将能够支持开发复杂的形状以及轻巧坚固的内部结构（图3）。传统的计算机辅助设计 (CAD) 工具无助于对高度复杂的表面、形状和内部结构进行建模。当新的设计平台出现后，将能够实时创建和验证数以千计的选项，确定成本/性能平衡的优选设计，并提供自动化AM工作单元可以直接使用的设计文件。
在可供设计工程师使用的新型计算建模工具中，数字孪生技术博得了众多关注。数字孪生是物理对象各个方面的数字体现，包括其几何形状、各种约束条件、性能能力、制造参数等。这些数字孪生可以是单独的组件，也可以是完整的套件，工程师可对其设计和生产需求同时进行优化。
借助这些虚拟设计工具，在整个设计过程中，工程团队可以在不同地点实时协作。由于数字孪生基于完整的多物理场建模，因此它们非常强大，并且针对特定的制造过程功能进行了优化。数字孪生的使用还加快了创新并缩短了产品开发时间。
虚拟现实 (VR) 技术也正在扩展可供设计工程师使用的工具。VR可用于制作虚拟原型。使用VR来补充甚至取代传统的CAD工具，可以加快和增强创新、更快地发现运行中的障碍、完善功能特性，并支持专家之间的各种实时协作。要设计适合大规模定制的产品，需要产品的设计工作和模拟制造过程都能以交互方式进行，同时还需要专家团队实时交互。
图3：工业4.0的设计工程可以结合AM和VR技术来开发可定制的产品。（图源：FrameStockFootages/Shutterstock.com）
设计工程师一直与其他工程师和设计师（包括过程工程师、测试工程师、项目工程师、营销专家、工业设计师等）一起作为团队的一员工作。虚拟环境和工具的开发将增加协作机会。
工业4.0设计工程的一个趋势是更全面地考虑能源效率和节能问题。新的重点将能源效率的概念加以扩展，是开发可以量化整个产品生命周期链中能源消耗的方法，涵盖了获取材料、制造产品，甚至在产品使用寿命结束后回收或处置产品。
结语
工业4.0正在对工业自动化的各个分支产生巨大影响。它正在改变旨在支持大规模定制的系统、过程和产品。它正在改变可供工程师使用的工具以及工程师与设计团队其他成员的互动方式。它还在改变产品的定义方式，使之能够全面衡量制造过程和产品运行以及使用中的能源消耗和能源效率。
作者简介
Jeff在电力电子、电子元器件和其他技术主题方面有着30多年的写作经验。他从担任《EETimes》杂志的高级编辑时就开始撰写电力电子方面的文章。他创办了《Powertechniques》，这是一本有关电力电子设计的杂志，每月发行量超过3万份。随后，他又创立了全球电力电子研究和出版公司Darnell Group。Darnell Group发布了PowerPulse.net，为全球电力电子工程社区提供每日新闻。Jeff曾编写过一本开关电源教科书《Power Supplies》，由普伦蒂斯霍尔出版社的雷斯顿分部出版。Jeff是Jeta电力系统公司的联合创始人，该公司是一家大功率开关电源制造商，已被Computer Products公司收购。Jeff还是个发明家。他在热能收集和光学超材料领域拥有17项美国专利。他是业内知名人士，经常就电力电子领域的全球趋势发表演讲。他曾受邀在许多行业活动上发表演讲，包括IEEE应用电力电子会议全会、Semico West、全球半导体联盟新机遇会议、IBM电力和冷却研讨会以及Delta Electronics全球电信电力高级员工研讨会。Jeff拥有加州大学伯克利分校定量方法和数学硕士学位。