【產(chǎn)業(yè)前瞻】德國《工業(yè)4.0戰(zhàn)略》

德國制造業(yè)是世界最具競爭力的制造業(yè)之一，尤其是裝備制造業(yè)在全球處于領(lǐng)先地位。這在很大程度上源于德國在創(chuàng)新性制造技術(shù)方面的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，以及復雜工業(yè)過程管理的專業(yè)性。德國擁有強大的機器和設(shè)備制造業(yè)，在信息技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的水平和能力，在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業(yè)中的領(lǐng)軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優(yōu)勢開拓新型工業(yè)化的潛能：工業(yè)4.0。

前三次工業(yè)革命的發(fā)生，分別源于機械化、電力和信息技術(shù)。如今，將物聯(lián)網(wǎng)及服務引入制造業(yè)正迎來第四次工業(yè)革命。不久的將來，企業(yè)能以CPS（Cyber-PhysicalSystems ，信息物理系統(tǒng))的形式建立全球網(wǎng)絡(luò)，整合其機器、倉儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施。在制造業(yè)領(lǐng)域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，它們能獨立運行和相互控制。這有利于從根本上改善工業(yè)過程，包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理。智能工廠現(xiàn)在似乎已開始采用一種全新的方式來生產(chǎn)產(chǎn)品。智能產(chǎn)品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位，我們知道它的發(fā)展歷程，了解它當前狀況，以及實現(xiàn)其目標狀態(tài)的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業(yè)務流程聯(lián)網(wǎng)，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構(gòu)建了嵌入式制造系統(tǒng)。此外，這些指令都要求啟用終端間工程（模式）流經(jīng)整個價值鏈。

工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產(chǎn)品只生產(chǎn)一次，也能通過頗具收益的方式制造出來。在工業(yè)4.0中，以供應商為例，動態(tài)業(yè)務和工程流程能幫他們根據(jù)生產(chǎn)需要最終做出相應改變，并靈活應對生產(chǎn)中斷和故障?，F(xiàn)在，制造過程中已經(jīng)能夠提供端到端的透明化，以促進決策優(yōu)化。工業(yè)4.0將會開發(fā)出創(chuàng)造價值的新方法和新的商業(yè)模式。特別是，它將給初創(chuàng)公司和小企業(yè)的發(fā)展帶來機會，下游服務也能從中受益。

此外，工業(yè)4.0將正視和解決某些當今世界面臨的挑戰(zhàn)，如資源能源利用效率、城鎮(zhèn)化、人口結(jié)構(gòu)變化等。工業(yè)4.0能持續(xù)帶來覆蓋整個價值網(wǎng)絡(luò)的資源生產(chǎn)率和效率的增益。它能將人口結(jié)構(gòu)變化和社會因素考慮在內(nèi)，以適合的方式組織生產(chǎn)。智能輔助系統(tǒng)讓工人從單調(diào)、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創(chuàng)新和增值業(yè)務上。鑒于熟練工短缺的問題，工業(yè)4.0允許老工人延長職業(yè)生涯，從而長久地保持生產(chǎn)力。靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點。

制造工程領(lǐng)域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認識到在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)及服務是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業(yè)造成威脅，美國也在采取措施，通過推進“高端制造業(yè)”計劃反對“去工業(yè)化”。

為了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業(yè)應尋求穩(wěn)固在全球市場的領(lǐng)導地位，一如既往地把信息通信技術(shù)與其傳統(tǒng)的高科技戰(zhàn)略進行整合，使自己成為智能制造技術(shù)的主要供應商。與此同時，還有必要為CPS技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)建新的領(lǐng)先市場，并為之服務。要實現(xiàn)上述CPS雙重策略的目標，以下工業(yè)4.0的基本特征應該得到落實：

（1）通過價值網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)橫向集成

（2）工程端到端數(shù)字集成橫跨整個價值鏈

（3）垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)

邁向工業(yè)4.0之路，德國要在研發(fā)上投入巨大的精力。為實施雙重策略，所進行的研究得實現(xiàn)“制造系統(tǒng)的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于對工業(yè)4.0系統(tǒng)的要求和著眼于CPS技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，工作場所中新的社會基礎(chǔ)設(shè)施應該得到更多關(guān)注。

若工業(yè)4.0得以成功實現(xiàn)，研發(fā)活動將需要與之適應的工業(yè)政策的支持。工業(yè)4.0工作組認為，需要在以下8個關(guān)鍵領(lǐng)域采取行動：

（1）標準化和參考架構(gòu):工業(yè)4.0會涉及聯(lián)網(wǎng)，并通過價值網(wǎng)絡(luò)集成幾家不同的公司。如果開發(fā)出一攬子共同標準，這種合作伙伴關(guān)系將成為可能。由此，需要一個參考架構(gòu)來描述這些標準，并促進它們的實現(xiàn)。

（2）復雜系統(tǒng)的管理:生產(chǎn)和制造系統(tǒng)正日益變得復雜，適當?shù)挠媱澓徒忉屝阅Ｐ湍転楣芾磉@些復雜的系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。因此，工程師們應該備有開發(fā)出這些模型的方法和工具。

（3）一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施:毋庸置疑，高質(zhì)量的綜合通訊網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵要求。無論是在德國國內(nèi)，還是在德國與其他伙伴國之間，寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施也因此需要進一步大規(guī)模拓展。

（4）安全和安保:安全和安保對智能制造系統(tǒng)的成功至關(guān)重要。確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身對人或者環(huán)境不造成任何危險，這點非常重要。同時，生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品，尤其是它們所包含的數(shù)據(jù)和信息，都需要加以保護，防止被濫用和未經(jīng)授權(quán)的訪問

（5）工作的組織和設(shè)計: 在智能工廠，雇員的角色將發(fā)生引人注目的改變。越來越多的實時導向的控制，將改變工作內(nèi)容、工作流程和工作環(huán)境。工作組織以一種社會-技術(shù)方法實現(xiàn)，將為員工提供承擔重大責任和促進個人發(fā)展的機會。這一旦成為現(xiàn)實，部署合作的工作設(shè)計、終身學習的措施，以及啟動參考模型課題將變得尤為重要。

（6）培訓和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展: 工業(yè)4.0將從根本上改變?nèi)藗兊墓ぷ骱蛯I(yè)能力。實施適當?shù)?a target="_blank" >培訓策略并以培養(yǎng)學習的方式組織工作因此變得尤為必要，可借此實現(xiàn)終身學習和基于工作地點的個人發(fā)展。為達成這一目標，示范項目和“最佳實踐網(wǎng)絡(luò)”應該推廣，數(shù)字化學習技術(shù)也應投入研究。

（7）監(jiān)管框架: 在工業(yè)4.0下建立新的制造流程和橫向業(yè)務網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時，必須遵守法律；而現(xiàn)有法律也同樣應在需要時，考慮到創(chuàng)新的影響進行調(diào)整。面臨的挑戰(zhàn)包括保護企業(yè)數(shù)據(jù)、責任問題、處理個人數(shù)據(jù)和貿(mào)易限制。這將不僅對立法，也對其他有商業(yè)性質(zhì)的活動提出了要求——制度將作為一個涵蓋面廣泛的適用工具而存在，其內(nèi)容包括指導方針、合同范本和公司集體協(xié)議，或者自我監(jiān)管的舉措如審計。

（8）資源效率: 撇開成本高不說，僅制造業(yè)在原材料和能源上的大量消耗就給環(huán)境和安全供應帶來諸多風險。工業(yè)4.0將帶來資源生產(chǎn)力和效率的提高。對企業(yè)來說，權(quán)衡“需要投資在智能工廠中的額外資源”與“帶來的潛在節(jié)約”之間的利弊非常必要。

通向工業(yè)4.0，將是一個漸進的過程。為了適應制造工程的特殊需求，現(xiàn)有的基本技術(shù)和經(jīng)驗必須加以改變，還必須探索針對新地點和新市場的創(chuàng)新解決方案。如果成功，工業(yè)4.0將提升德國的全球競爭力，并保持其國內(nèi)制造業(yè)繼續(xù)發(fā)展。

 工業(yè)4.0：德國欲掀起第四次工業(yè)革命 

如果有人說“工廠會解決當前全球面臨的問題”，您可能會覺得這是在說大話。但現(xiàn)在真有一個國家正在努力實現(xiàn)這一宏偉概念，這個國家就是德國?，F(xiàn)在，德國政府提出了高技術(shù)戰(zhàn)略“工業(yè)4.0”（Industry 4.0），并開始推進這個產(chǎn)官學一體項目。

如果用一個詞來概括這個概念，那就是“互聯(lián)工廠”。就是通過互聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)將工廠與工廠內(nèi)外的事物和服務連接起來，創(chuàng)造前所未有的價值、構(gòu)建新的商業(yè)模式，甚至還能解決很多社會問題。

工業(yè)4.0的大體概念是在2011年于德國舉行的工業(yè)設(shè)備展會“Hannover Messe 2011”上提出的。在2年后的“Hannover Messe 2013”上，由產(chǎn)官學專家組成的工作小組（WG）發(fā)表了最終報告（有德語版和英文版）＊。下面，筆者就根據(jù)該最終報告來解讀一下工業(yè)4.0。

＊工業(yè)4.0工作組內(nèi)不僅有能夠代表德國的企業(yè)、研究機構(gòu)和大學，還從政府機構(gòu)聘請了觀察員。主要企業(yè)有ABB、巴斯夫、寶馬、博世、戴姆勒、英飛凌、思愛普（SAP）、西門子、蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）及通快（TRUMPF）等。

關(guān)鍵是靈活運用ICT

“工業(yè)4.0”這一名稱的含義是人類歷史上的第四次工業(yè)革命（圖1）。第一次工業(yè)革命是18世紀60年代至19世紀中期掀起的通過水力和蒸汽機實現(xiàn)的工廠機械化；第二次工業(yè)革命是19世紀后半期至20世紀初的電力廣泛應用；第三次工業(yè)革命是20世紀后半期出現(xiàn)的、基于可編程邏輯控制器（PLC）的生產(chǎn)工藝自動化。工業(yè)4.0的定位是可與這些工業(yè)革命比肩的技術(shù)革新。

其中的關(guān)鍵技術(shù)是信息通信技術(shù)（ICT），具體包括聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間自動協(xié)調(diào)工作的M2M（Machine to Machine）、通過網(wǎng)絡(luò)獲得的大數(shù)據(jù)的運用、與生產(chǎn)系統(tǒng)以外的開發(fā)/銷售/ERP（企業(yè)資源計劃）/PLM（產(chǎn)品生命周期管理）/SCM（供應鏈管理）等業(yè)務系統(tǒng)聯(lián)動，等等。

第三次工業(yè)革命的自動化只是在生產(chǎn)工藝中運用ICT，而工業(yè)4.0將大幅擴大應用對象。最終報告將這種升級后的工廠稱做“智能工廠”（圖2）。基于ICT的“智能化”本來就是在智能手機、智能儀表、智慧城市、智能電網(wǎng)等所有事物和服務中出現(xiàn)的動向。要實現(xiàn)工廠智能化的工業(yè)4.0也可以說是一個必然趨勢。除工業(yè)4.0以外，通用電氣也提出了與之基本相同的概念——“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”（Industrial Internet）。日本的各企業(yè)也在推進M2M和大數(shù)據(jù)應用。

可解決能源消耗和工作生活平衡問題

通過推進工廠智能化，不僅能夠創(chuàng)造前所未有的產(chǎn)品、大幅提高生產(chǎn)效率，還能夠解決當前社會面臨的許多問題。比如能源消耗問題?，F(xiàn)在，工廠在不開工時也要保持立刻就能重新開工的狀態(tài)，這會消耗很多能源。而如果能夠根據(jù)工廠的開工情況實時調(diào)整能源供應，就能大幅削減總體的能源消耗量（圖3）。

另外，工作組的最終報告還指出，工廠智能化能解決工作生活平衡問題。現(xiàn)在，在工廠工人的工作模式是到工廠上班，現(xiàn)場操作機械設(shè)備等，到了下班時間下班回家。但是，如果能通過ICT實現(xiàn)機械設(shè)備的遠程操作，就不需要在工廠和家之間奔波，可以在安全的場所舒服地工作。工廠智能化還有利于提高工人的生活質(zhì)量。

四大課題

雖然工業(yè)4.0展現(xiàn)了美好的未來，但實現(xiàn)這一概念卻面臨著四大課題，分別是標準化、復雜系統(tǒng)的管理、通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、安全和保密。

標準化方面，隨著工廠與工廠內(nèi)外的很多事物和服務連接起來，通信手段及數(shù)據(jù)格式等很多事物必須制定標準。關(guān)于復雜系統(tǒng)的管理，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)連接起來，整個系統(tǒng)變得復雜，管理變得越來越困難。通信基礎(chǔ)設(shè)施問題指的是可用于工業(yè)用途的、可靠性（SLA：服務水平協(xié)議）高的通信基礎(chǔ)設(shè)施。安全和保密方面，隨著工廠與外部網(wǎng)絡(luò)連接起來，遭到惡意軟件入侵等網(wǎng)絡(luò)攻擊的風險也越來越大，因此急需采取安全和保密措施。