本书主要面向工业4.0的自动化技术的最新内容：工业 4.0的虚拟物理系统的运行、工业 4.0 中的工程问题、纵向和横向集成、数据挖掘和分析和人机交互。

无

2014年本套“德国工业4.0大全　第1～4卷”的第1版出版，名为《Industrie 4.0 in Produktion, Automatisierung und Logistik》（Bauernhansl, ten Hompel, Vogel-Heuser），在工业4.0领域的专业文献上迈出了重要的一步。但是，我们清楚地认识到，书的内容一直保持不变不符合当前技术快速发展的要求。因此，我们决定从第2版开始把第1版分为4卷，以建立德国工业4.0的框架。工业4.0如今在世界范围内被广泛讨论并付诸实践。本套书由一篇篇独立的关于工业4.0在生产、物流和自动化领域中的课题文献组成。
第2版不仅对第1版的内容进行了修订，还在以下方面增加了许多新的内容：
价值生成的数字化
工业4.0中的自动化应用场景
信息物理系统的运行
工业4.0中的工程应用
自动化中的纵向和横向集成
工业4.0中的数据挖掘和数据分析及其法律问题
工业4.0中的人与机器之间的相互作用
作为信息物理系统一部分的智能电荷载体
工业4.0中的物料搬运技术
具有工业4.0功能的工业卡车
工业4.0系统中的混合服务
工业4.0中的物流系统的传感器和执行器
工业4.0中的物流系统的管理
为了实现内容上的全面扩展，我们组织了来自科学界和工业界的众多专家作为撰写团队，从科研和实践的角度来准备主题内容，就像对第1版所做的那样。我们只有从科研和实践的角度来阐述、讨论和解决问题，才能得出我们的观点，展现出迈向工业4.0愿景的迁移路径。随着科学技术的发展，已呈现出许多成功的应用案例。从这个意义上讲，本套书可以作为研究人员、制造业从业人员和学生的参考书，而对于所有想从事这些令人兴奋的课题研究的读者，本套书也会有所帮助。
感谢所有的作者、出版商、编辑团队和所有为本套书做出贡献的人。特别感谢Springer出版社的Sigrid Cuneus以及我们的同事Andreas Bildstein和Sascha Feldhorst，他们持续不懈的组织和协调工作，奠定了将浩繁的技术积累转化为本书的基础。

Birgit Vogel-Heuser
Thomas Bauernhansl
MichaeltenHompel
2016年4月

信息化与工业化

本书围绕工业自动化技术在德国工业4.0中的地位、作用和实施，从元件设计到系统集成，阐述工业4.0的应用场景、信息物理系统的运行、工业4.0中的工程理念、工业4.0中的数据挖掘和数据分析、人与机器的协同等。本书不仅对工业4.0的实施具有极大的指导意义，对生产制造业、生产管理规划与咨询机构和企业用户也有很高的研究和参考价值。

作者简介
比吉特·沃格尔-霍伊泽尔（Birgit Vogel-Heuser），工程博士、教授，德国慕尼黑工业大学自动化和信息系统教席主任。
托马斯·保尔汉森（Thomas Bauernhansl），工程博士、教授，德国斯图加特大学工业制造和工厂管理（IFF）研究所所长、德国弗劳恩霍夫制造技术与自动化研究所所长，以及德国联邦政府工业4.0平台战略策划组成员、工业4.0联盟的执行主席。
迈克尔·腾·洪佩尔（Michael ten Hompel），工程博士、教授，德国弗劳恩霍夫物流和供给技术（GF）研究所所长、弗劳恩霍夫软件和系统技术（ISST）研究所所长，以及德国多特蒙德大学物料搬运和仓储技术（FLW）教席主任、国家工业4.0平台顾问委员会成员。

[德]比吉特·沃格尔-霍伊泽尔（Birgit Vogel-Heuser） 托马斯·保尔汉森（Thomas Bauernhansl） 迈克尔·腾·洪佩尔（Michael ten Hompel）编：·比吉特•沃格尔-霍伊泽尔（Birgit Vogel-Heuser），工程博士，教授，德国慕尼黑工业大学自动化和信息系统教席主任。
·托马斯•保尔汉森（Thomas Bauernhansl），工程博士，教授，德国斯图加特大学工业制造和工厂管理（IFF）研究所所长，德国弗劳恩霍夫制造技术与自动化研究所所长。
·迈克尔•腾•洪佩尔(Michael ten Hompel)，工程博士，教授，德国弗劳恩霍夫物流和供给技术研究所所长、弗劳恩霍夫软件和系统技术（ISST）研究所所长，德国多特蒙德大学材料搬运和仓储技术（FLW）教席主任。

为了抓住历史机遇，应对全球现代化工业技术发展的挑战，我国在2015年提出了实施中国制造强国战略的第一个十年行动纲领：中国制造2025（Made in China 2025）。为了便于从未来愿景、战略目标、发展理念、科研创新、核心技术以及工业应用等方面与德国工业4.0对标，受德国同事、原书作者的指定，中德工业技术研究院组织翻译了这套“德国工业4.0大全　第1～4卷”，希望对实施中国制造2025提供“他山之石”，这也是原书作者对我们的极大信任和期待。
这套“德国工业4.0大全　第1～4卷”，分为“智能生产技术”“自动化技术”“智能物流技术”和“技术应用”，系统、详细地介绍了德国工业4.0的最新成果和进展。本书为第2卷，围绕着自动化功能、原理和结构，从元件设计到系统集成，详细介绍了工业自动化技术在德国工业4.0中的地位、作用和实施情况。
本书的翻译是在中德工业技术研究院和中德智能技术博士研究院的鼎力支持下，由同济大学中德学院机械学部德国CONTACT基金教席（开发方法与产品可靠性方向）林松教授、德国JUNGHE-INRICH基金教席（技术物流方向）房殿军教授和天津大学机械工程学院邢元副教授承担。参加本书初稿翻译的人员（按姓氏拼音字母排序）还有陈泽华、郭紫薇、牛梦格、秦念对、孙衡、宋泽芸、叶婷婷、杨怀志、袁佩瑶、朱旭，在此对翻译组全体人员的辛勤劳动和不懈努力表示衷心感谢。
本书的原书中出现了大量的新概念，尽管译者与原作者对其在语义上做了大量的沟通，但由于目前尚无对应的中文专业术语，中文版中难免出现术语不够精准之处，再加之时间仓促，在行文流畅方面还存在一定的不足，敬请广大读者谅解。

译者：林松教授　同济大学中德学院
房殿军教授　同济大学中德学院
邢元副教授　天津大学机械工程学院
2019年3月

译者序
前言
第一篇　工业4.0的应用场景
第1章　工业4.0的实际应用 …… 2
1.1　工业生产中的物联网 …… 2
1.2　减少工厂中媒介中断的技术范例 …… 4
1.3　应用实例 …… 7
1.4　评价与展望 …… 20
1.5　总结 …… 26
1.6　参考文献 …… 27
第2章　基于代理的互联智能生产设备的动态重构 …… 29
2.1　工业4.0示例：MyJoghurt …… 29
2.2　不同场景及随之而来的挑战 …… 31
2.3　范例的结构和基本流程 …… 36
2.4　示范工厂的基于代理的连接方式 …… 37
2.5　参考文献 …… 40
第3章　在基于机器人的工厂中集成多样化控制系统的应用实例 …… 42
3.1　引言 …… 42
3.2　编程 …… 44
3.3　传感器和执行器的通信和集成 …… 48
3.4　总结 …… 53
3.5　参考文献 …… 54
第4章　工业4.0中“即插即生成”的应用案例 …… 56
4.1　工业4.0对自动化的影响 …… 56
4.2　工业控制过程的“即插即生成” …… 59
4.3　工业实时网络的“即插即生成” …… 63
4.4　总结 …… 66
4.5　参考文献 …… 67
第二篇　信息物理系统的运行
第5章　通过信息物理系统提高协作生产率 …… 70
5.1　引言 …… 70
5.2　生产控制中的挑战 …… 71
5.3　信息物理系统中的协作生产率 …… 73
5.4　工业4.0的管理方法 …… 74
5.5　应用案例 …… 82
5.6　参考文献 …… 86
第6章　面向代理的移动机器人将现有异构自动化生产系统连接至工业4.0系统 …… 88
6.1　动机 …… 88
6.2　生产-运输一体化的概念 …… 91
6.3　示范机器人集成代理网络的实施 …… 100
6.4　机器人集成代理网络示范的评价 …… 102
6.5　总结与展望 …… 108
6.6　参考文献 …… 110
第7章　高性能自动化使信息技术和生产相结合 …… 111
7.1　分类 …… 111
7.2　对未来生产的要求 …… 112
7.3　对未来自动化技术的要求 …… 113
7.4　工业4.0的必要前提 …… 113
7.5　高性能自动化 …… 115
7.6　通信—世界与个人计算机相遇 …… 125
7.7　工业4.0必要元素—加工步骤和流程的本体学和分类学 …… 128
7.8　工业4.0环境下的多样化标准 …… 133
7.9　总结 …… 134
7.10　参考文献 …… 135
第8章　以基于PC的控制技术作为智能网络化生产系统的基础 …… 138
8.1　生产技术的变迁 …… 138
8.2　基于PC的控制技术 …… 140
8.3　网络化智慧工厂 …… 141
8.4　高性能控制技术 …… 146
8.5　科学自动化—it抯 OWL-ScAut …… 149
8.6　普遍的一体化工程 …… 152
8.7　总结 …… 157
8.8　参考文献 …… 158
第三篇　工业4.0中的工程理念
第9章　Clip X：控制柜生产的工业化之路 …… 160
9.1　概述 …… 160
9.2　控制柜制造过程中的过程链 …… 163
9.3　工业4.0背景下的控制柜制造 …… 167
9.4　实践实例 …… 171
9.5　总结 …… 175
9.6　参考文献 …… 176
第10章　面向设备模型工程的集成平台需求和解决方案 …… 178
10.1　引言 …… 178
10.2　应用 …… 181
10.3　对于不间断模型和连续工具链的需求 …… 185
10.4　独立于制造商的集成平台AML Hub …… 188
10.5　解决方案的比较 …… 192
10.6　流程支持 …… 196
10.7　总结与展望 …… 198
10.8　参考文献 …… 199
第11章　自动化标记语言概述 …… 202
11.1　引言 …… 203
11.2　被涵盖的设计流程及其设计数据 …… 206
11.3　应用实例 …… 212
11.4　AutomationML的基本架构 …… 213
11.5　系统拓扑和系统元素的建模 …… 216
11.6　集成对象语义 …… 225
11.7　几何学和运动学 …… 228
11.8　 行为建模 …… 231
11.9　网络建模 …… 235
11.10　集成额外的外部信息 …… 244
11.11　应用流程 …… 244
11.12　总结 …… 247
11.13　参考文献 …… 247
第12章　工业生产系统的异构和分布式开发环境中的质量保证 …… 250
12.1　引言 …… 250
12.2　项目角色和要求 …… 254
12.3　综合数据模型和数据 …… 256
12.4　集中检查和集成测试 …… 258
12.5　观察关键过程和项目参数 …… 260
12.6　产品监控项目和质量管理 …… 264
12.7　总结 …… 266
12.8　展望 …… 267
12.9　参考文献 …… 268
第13章　工业4.0组件中自动化装置的集成 …… 270
13.1　引言 …… 270
13.2　I40组件 …… 273
13.3　AT设备的模型 …… 274
13.4　AT设备的设备说明 …… 277
13.5　应用案例 …… 281
13.6　总结 …… 282
13.7　参考文献 …… 283
第14章　语义网对工业4.0工程的贡献 …… 284
14.1　引言 …… 284
14.2　语义网简介 …… 286
14.3　分析框架 …… 288
14.4　在工业场景中使用语义网技术 …… 293
14.5　语义网技术的局限性 …… 300
14.6　总结 …… 301
14.7　致谢 …… 302
14.8　参考文献 …… 302
第15章　诊断异构工程数据的不一致性 …… 305
15.1　引言 …… 305
15.2　应用实例 …… 307
15.3　不一致性管理的要求 …… 308
15.4　研究现状 …… 310
15.5　不一致性诊断的概念 …… 316
15.6　未来工作的结果和研究主题的讨论 …… 320
15.7　参考文献 …… 322
第16章　通过接口技术实现制造业中的数据集成 …… 325
16.1　引言 …… 325
16.2　接口快速标准化的灵活方式 …… 327
16.3　使用PLT实例来阐释灵活标准化方法的使用 …… 329
16.4　以模块集成为例的标准化 …… 331
16.5　工业4.0环境中的数据集成应用案例 …… 334
16.6　参考文献 …… 337
第17章　生产管理系统的自动生成 …… 339
17.1　引言及问题背景 …… 340
17.2　食品工业的环境 …… 342
17.3　通用网络连接方法 …… 344
17.4　应用实例：酿造过程 …… 347
17.5　自动生成生产管理系统和在食品工业领域实施的概念 …… 348
17.6　总结与展望 …… 356
17.7　参考文献 …… 356
第四篇　纵向和横向集成
第18章　标准化的纵向通信和横向通信 …… 360
18.1　纵向集成和横向集成 …… 360
18.2　参考文献 …… 379
第19章　工业4.0—全球参与的机遇和挑战 …… 381
19.1　工业的重生 …… 381
19.2　客户案例 …… 391
19.3　西门子发展路线图 …… 394
19.4　参考文献 …… 395
第20章　用于耦合异构信息物理生产系统的模块化软件代理 …… 397
20.1　引言 …… 397
20.2　（技术）软件代理的理念 …… 400
20.3　基于模型的开发的理念 …… 401
20.4　基于软件代理的CPPS连接器 …… 403
20.5　总结与展望 …… 404
20.6　参考文献 …… 405
第21章　工业4.0中的特征语义学 …… 407
21.1　引言 …… 407
21.2　什么是语义学 …… 409
21.3　信息交换时语义学的作用 …… 411
21.4　语法和语义的信息模型 …… 415
21.5　通过基于特征的语义提高工程的一致性 …… 419
21.6　总结 …… 420
21.7　参考文献 …… 420
第22章　工业4.0标准的横向和纵向模块化集成框架 …… 422
22.1　引言 …… 422
22.2　Open-edi参考模型 …… 424
22.3　基于模型的横向和纵向标准集成的框架 …… 427
22.4　根据Open-edi确定的BOV和FSV标准 …… 430
22.5　总结与展望 …… 439
22.6　致谢 …… 441
22.7　参考文献 …… 441
第五篇　工业4.0中的数据挖掘和数据分析
第23章　智慧大数据—智能操作、分析和过程调整 …… 446
23.1　引言 …… 446
23.2　工业4.0中的物联网 …… 447
23.3　大数据 …… 452
23.4　工业4.0下的业务流程 …… 453
23.5　参考文献 …… 458
第24章　智能工厂中的数据分析 …… 459
24.1　动机 …… 459
24.2　挑战 …… 463
24.3　解决方法 …… 465
24.4　案例分析 …… 467
24.5　总结 …… 474
24.6　参考文献 …… 476
第25章　工业4.0中数据分析方面的法律问题 …… 479
25.1　制造工业中涉及智能数据的合作关系 …… 479
25.2　工业数据的法律分类 …… 481
25.3　智能数据交换的合同设计 …… 487
25.4　智能数据交换的其他合作关系 …… 499
25.5　合同建议 …… 504
25.6　总结 …… 508
25.7　参考文献 …… 510
第六篇　工业4.0中的人机交互
第26章　信息物理生产系统中的人力支持 …… 514
26.1　动机 …… 514
26.2　支持人机界面的技术 …… 516
26.3　总结与展望 …… 522
26.4　参考文献 …… 522
第27章　技术装备的现代触摸屏交互设计 …… 524
27.1　工业4.0中触摸屏交互的重要性 …… 524
27.2　起始状态 …… 526
27.3　现代触摸交互的优点和可能性 …… 527
27.4　触摸屏交互应用的挑战和局限性 …… 529
27.5　工业背景下的触摸屏设计 …… 533
27.6　参考文献 …… 542
第28章　“工业4.0情景”与人的融合 …… 544
28.1　引言 …… 544
28.2　生产系统的生命周期 …… 547
28.3　人与生产系统的交互 …… 549
28.4　总结 …… 554
28.5　参考文献 …… 555
第29章　在工业4.0的框架下应用移动计算机系统来应对人口结构的变化 …… 559
29.1　引言 …… 559
29.2　动机：工作场所的人口变化 …… 561
29.3　移动系统和可穿戴计算系统在环境辅助工作方式下的分类 …… 565
29.4　移动系统和可穿戴微机系统在环境辅助工作设计中的应用领域 …… 571
29.5　对移动系统的接受和用户的要求 …… 577
29.6　移动系统的成功标准 …… 580
29.7　总结与展望 …… 582
29.8　致谢 …… 583
29.9　参考文献 …… 583