工業(yè)4.0的全球探索與實踐案例

孫謙

根據(jù)官方文獻，德國工業(yè)4.0的內(nèi)容可概括為理論基礎(chǔ)CPS、戰(zhàn)略實施的“雙重策略”及3大集成、2大建設(shè)主題（智慧工廠和智慧生產(chǎn)）和8項優(yōu)先行動領(lǐng)域。工業(yè)4.0強調(diào)在一個經(jīng)濟體中全面的數(shù)字化和所有生產(chǎn)單位的互聯(lián)。根據(jù)羅蘭貝格報告（2014），工業(yè)4.0有六大特征：信息物理系統(tǒng)與市場空間，智能機器人與智能裝備，作為“21世紀原材料”的大數(shù)據(jù)，產(chǎn)品、機器、生產(chǎn)過程、工廠高質(zhì)量的新型互聯(lián)，能源效率及其分布性，以及包括虛擬工廠與虛擬產(chǎn)品的虛擬產(chǎn)業(yè)化。

德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的三層視野

國家視野：德國政府于2011年公布《德國高技術(shù)戰(zhàn)略2020》，涵蓋工業(yè)4.0、數(shù)字化進程、智慧服務(wù)、大數(shù)據(jù)、云計算等課題;2013年4月推出《實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略舉措的建議》。2014年11月頒布《工業(yè)4.0標準實施路線圖》

歐洲視野：2014年8月，德國政府頒發(fā)《數(shù)字化議程2014-2017》，對接歐盟數(shù)字化議程項目。在實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略后又提出“數(shù)字化議程”，目的之一是通過“產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化”，包括智能制造與服務(wù)、大數(shù)據(jù)和云計算等領(lǐng)域新的商業(yè)模式創(chuàng)新，為德國開辟發(fā)展機遇，促進經(jīng)濟增長和就業(yè)，并為工業(yè)4.0體系提供長久動力。

國際視野：國際競爭方面，美國政府于2012年推出《美國先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，同年12月通用電氣（GE）提出《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)》戰(zhàn)略;2013年8月我國工信部發(fā)布《信息化和工業(yè)化深度融合專項行動計劃2013-2018》。由此，美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、中國的“兩化深度融合”、德國的“工業(yè)4.0”等殊途同歸的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略為世人矚目。

國際合作方面，2014年10月中德兩國發(fā)布《中德合作行動綱要：共塑創(chuàng)新》。綱要第二部分“可持續(xù)的經(jīng)濟發(fā)展和金融領(lǐng)域合作”，設(shè) “經(jīng)濟”、“工業(yè)4.0合作”、“金融”3大主題。涉及工業(yè)4.0合作的內(nèi)容有：工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化（工業(yè)4.0）對于未來中德經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義，該進程應(yīng)由企業(yè)推進，政府政策支持;建立兩國工業(yè)4.0對話機制;將工業(yè)4.0議題納入中德標準化合作委員會;進一步深化兩國在移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域合作。為此，工信部苗圩部長在講到德國工業(yè)4.0與中國兩化深度融合關(guān)系時，使用了“如出一轍、異曲同工、殊途同歸”三個關(guān)鍵詞。

工業(yè)4.0的國際探索與實踐案例

據(jù)2013年德國“工業(yè)4.0前景”報告，47%的公司已積極參與工業(yè)4.0計劃，18%的公司參與了對工業(yè)4.0的研究，12%的企業(yè)已開始實施工業(yè)4.0計劃。筆者認為，德國企業(yè)既往成績斐然，目前是實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的主角，探索最佳實踐眾望所歸。

工業(yè)4.0最佳企業(yè)實踐

根據(jù)文獻研究和筆者2014年訪德交流，工業(yè)4.0實施既包括工業(yè)4.0創(chuàng)意單位西門子、博世公司和弗勞恩霍夫研究院等，也包括其他諸多企業(yè)，如軟件企業(yè)SAP和大眾汽車;此外，德國專家還指出諸多中小企業(yè)正在努力踐行中。據(jù)羅蘭貝格報告（2014），工業(yè)4.0最佳企業(yè)實踐包括：

德國通快公司作為工業(yè)4.0技術(shù)提供商，實施了首例“社會化機器（一種人與技術(shù)交互而達成產(chǎn)出的環(huán)境）”案例，據(jù)稱其產(chǎn)品的每一個零件都是智能的，保留著以往加工的所有信息;同時各生產(chǎn)裝置都因互聯(lián)而知曉彼此的加工能力，以便生產(chǎn)流程可以自動優(yōu)化;用戶也得以實時介入乃至干預產(chǎn)品的加工。

德國西門子公司實施工業(yè)4.0的醫(yī)療工程，一改需要廢時多日適配患者的標準化人造膝蓋和髖關(guān)節(jié)，在工業(yè)4.0方案下僅數(shù)小時即可完成個性化產(chǎn)品的人體植入。

英國勞斯萊斯公司采用3D打印技術(shù)制造航空發(fā)動機元器件，采用輕型材料，并將原需18個月的訂單周期（源于復雜工藝工裝）大大縮減，顯著提高了企業(yè)競爭力。

法國達索工業(yè)軟件公司，重視工業(yè)4.0在產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)集成方面的應(yīng)用，實現(xiàn)了從工程到PLM，進而演進到集成虛擬-實體平臺的工業(yè)4.0模式，核心內(nèi)容完整的3D數(shù)字化工藝設(shè)計、制造和數(shù)字化生產(chǎn)線解決方案，以及3D數(shù)字化體驗平臺。

工業(yè)4.0實踐案例

【德國博世公司實踐案例】作為創(chuàng)意和發(fā)起單位，博世參與了德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的制訂，其實踐也較完整地表達了工業(yè)4.0的內(nèi)涵。

物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoTS）參考模型：從底層向上依次為物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與服務(wù)平臺、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用領(lǐng)域等四層，通過機器間（M2M）的無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、業(yè)務(wù)流程與業(yè)務(wù)規(guī)則的改進，形成了物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)模式。物聯(lián)網(wǎng)的IT技術(shù)環(huán)境包括M2M語義獲取、數(shù)據(jù)歸集和大數(shù)據(jù)處理;務(wù)聯(lián)網(wǎng)的IT技術(shù)環(huán)境包括互聯(lián)的企業(yè)、互聯(lián)的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)規(guī)則、云計算與大數(shù)據(jù)的服務(wù)等。博世提供了物聯(lián)網(wǎng)套餐或工業(yè)4.0“工具箱”軟件系統(tǒng)，為制造企業(yè)提供軟件創(chuàng)新解決方案。

“智慧工廠”模型：通過集成IT技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)的新型商業(yè)模式，智慧工廠主要由產(chǎn)品研發(fā)與流程，感知與互動環(huán)境，生產(chǎn)加工環(huán)境，也包括柔性工廠、聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)、預測性維護等內(nèi)容。智慧工廠的外部界面包括自適應(yīng)的物流模塊，通信與服務(wù)模塊，以及云服務(wù)的“技術(shù)和交易市場”。

工業(yè)4.0的應(yīng)用：智慧服務(wù)是工業(yè)4.0的核心概念。博世推出“預測性維護”的智慧服務(wù)產(chǎn)品，包括實時解釋機器與傳感器數(shù)據(jù)、分析機器數(shù)據(jù)及故障預測、規(guī)劃維護流程、集成企業(yè)IT等環(huán)節(jié)。對制造企業(yè)客戶，好處是提高設(shè)備的整體效用和系統(tǒng)運行可靠性，有效利用零部件和產(chǎn)品的最大服務(wù)生命周期，并提供專家知識的積累和傳遞。預測性維護的“遠程服務(wù)門戶”可集中訪問客戶的機器和系統(tǒng)，并完成遠程軟件更新。

工業(yè)4.0路線圖：博世演進開發(fā)的工業(yè)4.0系統(tǒng)，第一階段開發(fā)遠程服務(wù)門戶，包括通信平臺建設(shè)、對象的狀態(tài)監(jiān)視和預測性維護模塊;第二階段開發(fā)基于對象的數(shù)據(jù)，包括智慧化的適應(yīng)性測試、物流運輸和庫存數(shù)據(jù)等;第三階段將開發(fā)數(shù)據(jù)挖掘和分析系統(tǒng)。

【德國西門子公司實踐案例】作為倡導者和踐行者，西門子在漢諾威工業(yè)博覽會上展示了工業(yè)4.0示范，表達其構(gòu)建未來智慧生產(chǎn)的能力。

西門子的工業(yè)4.0觀：未來企業(yè)新增競爭力，將來自通過增加能源和資源使用率來提高企業(yè)的經(jīng)營效益、更多的復雜產(chǎn)品和更大的數(shù)據(jù)量來縮短產(chǎn)品入市時間、個性化的規(guī)模定制和更高的產(chǎn)能來增強產(chǎn)品對市場的適應(yīng)性。工業(yè)4.0宛如“算法化的生產(chǎn)棋盤”，通過聯(lián)網(wǎng)的嵌入式技術(shù)，與分布式的CPS系統(tǒng)交互，其產(chǎn)品因“縱向集成”而包含加工信息，其生產(chǎn)組織因“橫向集成”而包含整個價值鏈的自組織信息，其生產(chǎn)流程因“端到端的集成”而體現(xiàn)依實時場景的靈活決策。

強調(diào)工業(yè)信息技術(shù)和工業(yè)軟件：各類計算機輔助應(yīng)用軟件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的協(xié)同管理系統(tǒng)、數(shù)字化制造軟件、3D流程設(shè)計與工廠分析工具、制造執(zhí)行系統(tǒng)等，實現(xiàn)企業(yè)價值創(chuàng)造各環(huán)節(jié)的緊密相連，優(yōu)化生產(chǎn)過程。西門子工業(yè)部門雇傭了7500位軟件工程師，為其7萬客戶及750萬PLM協(xié)議用戶提供專業(yè)服務(wù)。

“智慧生產(chǎn)”案例：西門子安貝格工廠生產(chǎn)高度數(shù)字化，可獨立于實體生產(chǎn)進行仿真與優(yōu)化;安貝格采用制造執(zhí)行系統(tǒng)，顯著提高了生產(chǎn)效率和靈活性，允許在一分鐘內(nèi)更改產(chǎn)品及工序;工廠的測量事件達每日100萬以上，采集后由中央系統(tǒng)保證其數(shù)據(jù)的一致性;每一件產(chǎn)品都帶有其加工信息，若發(fā)現(xiàn)差錯，控制系統(tǒng)可依既定工序進行干預和糾正。由此，安貝格百萬缺陷率僅為15%，成為產(chǎn)品誤差最小的企業(yè)。

設(shè)計智慧工廠，構(gòu)建貫穿價值鏈的端到端工程數(shù)字化集成：按提高企業(yè)生產(chǎn)整體競爭力的要求，從“產(chǎn)品設(shè)計”開始，經(jīng)過“生產(chǎn)規(guī)劃”和“生產(chǎn)工程”，到“生產(chǎn)實施”和“服務(wù)”等5個環(huán)節(jié)，展示了工業(yè)4.0縱向集成和端到端集成特征。在“產(chǎn)品設(shè)計”階段，實現(xiàn)貫穿整個產(chǎn)品生命周期的價值增值，通過產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)，全面優(yōu)化企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)流程。在“生產(chǎn)規(guī)劃”階段，通過虛擬仿真技術(shù)和PLM解決方案，客戶在實體生產(chǎn)之前即可對生產(chǎn)流程進行模擬檢查和優(yōu)化，并保證虛擬生產(chǎn)模型與實際生產(chǎn)設(shè)備間的無縫互動。在“生產(chǎn)實施”階段，一改傳統(tǒng)單臺產(chǎn)品的優(yōu)化模式，轉(zhuǎn)而采用“全集成自動化（TIA）”概念的“集成驅(qū)動系統(tǒng) （IDS）”，一站式地實現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)的增值。

CPS概念的“數(shù)字化企業(yè)平臺”：數(shù)字化企業(yè)平臺是實現(xiàn)數(shù)字制造的載體，在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，通過共同的數(shù)據(jù)庫和集成工具鏈，集成先進的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)過程軟件和硬件，達成各種產(chǎn)品元部件生產(chǎn)之間的無縫集成。西門子已開始為我國企業(yè)提供數(shù)字化企業(yè)平臺解決方案。

啟示

以上國際案例的共性部分，包含對CPS系統(tǒng)的認可、對三大集成的重視、關(guān)注智慧工廠和智慧生產(chǎn)的主題探索。案例中采用新興技術(shù)已是標配，構(gòu)成了工業(yè)4.0的高價值內(nèi)容，這也解釋了《中德合作行動綱要》的工業(yè)4.0部分，專門強調(diào)“進一步深化兩國在移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域合作”。

技術(shù)層面，互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新要素，已經(jīng)從消費側(cè)向供給側(cè)滲透;如果說亞馬遜電商創(chuàng)新和阿里上市奇跡都證明了消費類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的巔峰，那么三個制造業(yè)大國殊途同歸地提出制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，將代表產(chǎn)業(yè)類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時代的到來。

（作者系浙江省杭電智慧城市研究中心副主任、浙江省經(jīng)信智慧城市規(guī)劃研究院首席科學家）