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         “工业 4.0”:把握德国制造业的未来
        2013 年,德国联邦教育研究部(Federal Ministry of Education and Research)发布《把握德国制造业的未来,实施“工业 4.0”的建议》报 告,指出物联网和服务应用到制造业正在逐步引发第四次工业革命,并对 德国实施“工业 4.0”提出了具体的建议。2014 年,德国联邦外贸与投资 署又发布《工业 4.0:未来的智能制造》报告,明确了德国工业 4.0 的技 术内涵,介绍了德国工业 4.0 的政策框架和资助的项目活动,以及在德国 工业 4.0 中扮演重要角色的研究和贸易机构。

        1. 概述

         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, 物联网及服务引入制造业的趋势将迎来第四次工业革命。不久的将来,企 业能以 CPS(信息物理系统,Cyber-Physical System)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。智能产品有唯一的识别特征,在任何时候都能被定位,这样就能知道 它的发展历程,了解它当前的状况,以及实现其目标的方式。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。

        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。

        2. 工业 4.0 的内涵

        智能产业或工业 4.0 指从嵌入式系统向信息物理系统的技术革命。简 单地说,工业 4.0 代表了即将到来的面向物联网、数据和服务的第四次工 业革命。分散智能有助于创造智能对象网络和独立过程管理,现实和虚拟 世界相互作用,代表了制造和生产工艺的一个新的重要方面。工业 4.0 代
表了从“集中”到“分散”生产的模式转变,通过技术进步实现了传统生 产流程逻辑的逆转。这意味着工业生产机械不再是简单地“加工”产品, 而是产品与机械沟通,告诉它到底该怎么做。

        工业 4.0 将嵌入式系统生产技术和智能生产工艺连接起来,为新技术 时代开辟道路,新技术时代将彻底改变产业和生产价值链以及商业模式 (例如“智能工厂”)。

        3. 工业 4.0 的潜力

        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,以促进决策的优化。工业 4.0 将开发出 创造价值的新方法和新的商业模式,尤其为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 将正视和解决当今世界面临的一些挑战,例如资源能 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 可使老工人延长职业生涯,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更好的平衡点。

        4. 德国的政策框架

        2006 年 8 月,德国政府推出的高科技战略,第一次把关键创新和技术 利益相关者联合起来。该战略结合了所有政府部门的资源,每年预留数十 亿欧元用于最前沿技术的发展(R&D 项目还可以以研发补助金的形式得到 财政支持)。

        高科技战略设定的目标在 2010 年 7 月推出的“2020 高科技战略”框 架内得以继续和延伸。在高科技战略取得初步成功的基础上,进一步加大 科学和工业界之间的合作伙伴关系,并不断优化创新的条件。“2020 高科 技战略”的存在是为了将德国建成在以下领域以科学和技术为基础的解决 方案的领先者:

        ● 气候/能源

        ● 保健/营养 

        ● 机动性 

        ● 安全性 

        ● 通信

        2012 年 3 月,德国政府通过了高科技战略行动计划,进一步实施高科 技战略。该行动计划确定了 10 个“未来项目”(包括工业 4.0)。在这些主 导项目中,将在未来 10~15 年的时间内寻求具体的创新目标。工业 4.0 项 目已经在“2020 高科技战略”行动计划内获得了高达 2 亿欧元的资金。

        此外,“工业 4.0”还得到了德国各研究机构及产业界的积极参与(表 1)。
        5. 德国“工业 4.0”的关键领域

        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。另外,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“先进制造业” 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 装备制造业应在全球市场寻求稳固的领导地位,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,还有必要为信息物理系统(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,所进行的研究需实现“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。

        工业 4.0 若得以成功实现,研发活动将需要与之匹配的工业政策的支 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。如果开发出一系列共同的标准,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:生产和制造系统正变得日益复杂,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,雇员的角色将发生改变。越 来越多的实时导向控制,将改变工作内容、工作流程和工作环境。工作组 织会以一种社会-技术的方法实现,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、以培养学习的方式组织工作变得尤为 必要,借此可以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 制造业的持续发展。