【产业前瞻】德国《工业4.0战略》

德国制造业是世界最具竞争力的制造业之一，尤其是装备制造业在全球处于领先地位。这在很大程度上源于德国在创新性制造技术方面的研究、开发和生产，以及复杂工业过程管理的专业性。德国拥有强大的机器和设备制造业，在信息技术领域表现出很高的水平和能力，在嵌入式系统和自动化工程方面也颇有建树，这些因素共同奠定了德国在制造工程行业中的领军地位。因此，德国能以其得天独厚的优势开拓新型工业化的潜能：工业4.0。

前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。如今，将物联网及服务引入制造业正迎来第四次工业革命。不久的将来，企业能以CPS（Cyber-PhysicalSystems ，信息物理系统)的形式建立全球网络，整合其机器、仓储系统和生产设施。在制造业领域，这些CPS包括能自主交换信息的智能机器、存储系统和生产设施，它们能独立运行和相互控制。这有利于从根本上改善工业过程，包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理。智能工厂现在似乎已开始采用一种全新的方式来生产产品。智能产品有唯一的特征被识别，在任何时候都能被定位，我们知道它的发展历程，了解它当前状况，以及实现其目标状态的方式。从通过出口物流下订单的那一刻起，纵向与工厂和公司业务流程联网，横向连接则可实时管理衍生价值体系，这二者共同构建了嵌入式制造系统。此外，这些指令都要求启用终端间工程（模式）流经整个价值链。

工业4.0拥有巨大的潜力。智能工厂让客户个性化的定制需求得以满足，这也意味着，即使产品只生产一次，也能通过颇具收益的方式制造出来。在工业4.0中，以供应商为例，动态业务和工程流程能帮他们根据生产需要最终做出相应改变，并灵活应对生产中断和故障。现在，制造过程中已经能够提供端到端的透明化，以促进决策优化。工业4.0将会开发出创造价值的新方法和新的商业模式。特别是，它将给初创公司和小企业的发展带来机会，下游服务也能从中受益。

此外，工业4.0将正视和解决某些当今世界面临的挑战，如资源能源利用效率、城镇化、人口结构变化等。工业4.0能持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。它能将人口结构变化和社会因素考虑在内，以适合的方式组织生产。智能辅助系统让工人从单调、程序化的工作中解放出来，能把精力集中在创新和增值业务上。鉴于熟练工短缺的问题，工业4.0允许老工人延长职业生涯，从而长久地保持生产力。灵活的工作组织形式使工人们能够更好地整合自己的工作，私人生活和持续的职业生涯发展变得更有效率，在工作和生活之间找到了更好的平衡点。

制造工程领域的全球竞争变得愈加激烈，德国不是唯一一个认识到在制造业部署物联网及服务是大势所趋的国家。而且，并非只有亚洲的竞争对手对德国工业造成威胁，美国也在采取措施，通过推进“高端制造业”计划反对“去工业化”。

为了实现工业生产向工业4.0的转变，德国需要采取双重策略。德国装备制造业应寻求稳固在全球市场的领导地位，一如既往地把信息通信技术与其传统的高科技战略进行整合，使自己成为智能制造技术的主要供应商。与此同时，还有必要为CPS技术和产品创建新的领先市场，并为之服务。要实现上述CPS双重策略的目标，以下工业4.0的基本特征应该得到落实：

（1）通过价值网络实现横向集成

（2）工程端到端数字集成横跨整个价值链

（3）垂直集成和网络化的制造系统

迈向工业4.0之路，德国要在研发上投入巨大的精力。为实施双重策略，所进行的研究得实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于对工业4.0系统的要求和着眼于CPS技术的持续发展，工作场所中新的社会基础设施应该得到更多关注。

若工业4.0得以成功实现，研发活动将需要与之适应的工业政策的支持。工业4.0工作组认为，需要在以下8个关键领域采取行动：

（1）标准化和参考架构:工业4.0会涉及联网，并通过价值网络集成几家不同的公司。如果开发出一揽子共同标准，这种合作伙伴关系将成为可能。由此，需要一个参考架构来描述这些标准，并促进它们的实现。

（2）复杂系统的管理:生产和制造系统正日益变得复杂，适当的计划和解释性模型能为管理这些复杂的系统打下基础。因此，工程师们应该备有开发出这些模型的方法和工具。

（3）一套综合的工业宽带基础设施:毋庸置疑，高质量的综合通讯网络是工业4.0的关键要求。无论是在德国国内，还是在德国与其他伙伴国之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步大规模拓展。

（4）安全和安保:安全和安保对智能制造系统的成功至关重要。确保生产设施和产品本身对人或者环境不造成任何危险，这点非常重要。同时，生产设施和产品，尤其是它们所包含的数据和信息，都需要加以保护，防止被滥用和未经授权的访问

（5）工作的组织和设计: 在智能工厂，雇员的角色将发生引人注目的改变。越来越多的实时导向的控制，将改变工作内容、工作流程和工作环境。工作组织以一种社会-技术方法实现，将为员工提供承担重大责任和促进个人发展的机会。这一旦成为现实，部署合作的工作设计、终身学习的措施，以及启动参考模型课题将变得尤为重要。

（6）培训和持续的职业发展: 工业4.0将从根本上改变人们的工作和专业能力。实施适当的培训策略并以培养学习的方式组织工作因此变得尤为必要，可借此实现终身学习和基于工作地点的个人发展。为达成这一目标，示范项目和“最佳实践网络”应该推广，数字化学习技术也应投入研究。

（7）监管框架: 在工业4.0下建立新的制造流程和横向业务网络架构时，必须遵守法律；而现有法律也同样应在需要时，考虑到创新的影响进行调整。面临的挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据和贸易限制。这将不仅对立法，也对其他有商业性质的活动提出了要求——制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在，其内容包括指导方针、合同范本和公司集体协议，或者自我监管的举措如审计。

（8）资源效率: 撇开成本高不说，仅制造业在原材料和能源上的大量消耗就给环境和安全供应带来诸多风险。工业4.0将带来资源生产力和效率的提高。对企业来说，权衡“需要投资在智能工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊非常必要。

通向工业4.0，将是一个渐进的过程。为了适应制造工程的特殊需求，现有的基本技术和经验必须加以改变，还必须探索针对新地点和新市场的创新解决方案。如果成功，工业4.0将提升德国的全球竞争力，并保持其国内制造业继续发展。

 工业4.0：德国欲掀起第四次工业革命 

如果有人说“工厂会解决当前全球面临的问题”，您可能会觉得这是在说大话。但现在真有一个国家正在努力实现这一宏伟概念，这个国家就是德国。现在，德国政府提出了高技术战略“工业4.0”（Industry 4.0），并开始推进这个产官学一体项目。

如果用一个词来概括这个概念，那就是“互联工厂”。就是通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前所未有的价值、构建新的商业模式，甚至还能解决很多社会问题。

工业4.0的大体概念是在2011年于德国举行的工业设备展会“Hannover Messe 2011”上提出的。在2年后的“Hannover Messe 2013”上，由产官学专家组成的工作小组（WG）发表了最终报告（有德语版和英文版）＊。下面，笔者就根据该最终报告来解读一下工业4.0。

＊工业4.0工作组内不仅有能够代表德国的企业、研究机构和大学，还从政府机构聘请了观察员。主要企业有ABB、巴斯夫、宝马、博世、戴姆勒、英飞凌、思爱普（SAP）、西门子、蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）及通快（TRUMPF）等。

关键是灵活运用ICT

“工业4.0”这一名称的含义是人类历史上的第四次工业革命（图1）。第一次工业革命是18世纪60年代至19世纪中期掀起的通过水力和蒸汽机实现的工厂机械化；第二次工业革命是19世纪后半期至20世纪初的电力广泛应用；第三次工业革命是20世纪后半期出现的、基于可编程逻辑控制器（PLC）的生产工艺自动化。工业4.0的定位是可与这些工业革命比肩的技术革新。

其中的关键技术是信息通信技术（ICT），具体包括联网设备之间自动协调工作的M2M（Machine to Machine）、通过网络获得的大数据的运用、与生产系统以外的开发/销售/ERP（企业资源计划）/PLM（产品生命周期管理）/SCM（供应链管理）等业务系统联动，等等。

第三次工业革命的自动化只是在生产工艺中运用ICT，而工业4.0将大幅扩大应用对象。最终报告将这种升级后的工厂称做“智能工厂”（图2）。基于ICT的“智能化”本来就是在智能手机、智能仪表、智慧城市、智能电网等所有事物和服务中出现的动向。要实现工厂智能化的工业4.0也可以说是一个必然趋势。除工业4.0以外，通用电气也提出了与之基本相同的概念——“工业互联网”（Industrial Internet）。日本的各企业也在推进M2M和大数据应用。

可解决能源消耗和工作生活平衡问题

通过推进工厂智能化，不仅能够创造前所未有的产品、大幅提高生产效率，还能够解决当前社会面临的许多问题。比如能源消耗问题。现在，工厂在不开工时也要保持立刻就能重新开工的状态，这会消耗很多能源。而如果能够根据工厂的开工情况实时调整能源供应，就能大幅削减总体的能源消耗量（图3）。

另外，工作组的最终报告还指出，工厂智能化能解决工作生活平衡问题。现在，在工厂工人的工作模式是到工厂上班，现场操作机械设备等，到了下班时间下班回家。但是，如果能通过ICT实现机械设备的远程操作，就不需要在工厂和家之间奔波，可以在安全的场所舒服地工作。工厂智能化还有利于提高工人的生活质量。

四大课题

虽然工业4.0展现了美好的未来，但实现这一概念却面临着四大课题，分别是标准化、复杂系统的管理、通信基础设施的建设、安全和保密。

标准化方面，随着工厂与工厂内外的很多事物和服务连接起来，通信手段及数据格式等很多事物必须制定标准。关于复杂系统的管理，随着生产系统与其他系统连接起来，整个系统变得复杂，管理变得越来越困难。通信基础设施问题指的是可用于工业用途的、可靠性（SLA：服务水平协议）高的通信基础设施。安全和保密方面，随着工厂与外部网络连接起来，遭到恶意软件入侵等网络攻击的风险也越来越大，因此急需采取安全和保密措施。