德國“工業4.0”概覽

陸穎

2011年，德國聯邦政府依據“德國2020高技術戰略”將“工業4.0”列入十大“未來項目”。在2013年4月德國漢諾威工業博覽會上，“工業4.0”項目被正式推出，為德國勾畫了下一代更高層次的全新工業模式，是整套的全產業鏈集成創新與革命。本文著重介紹“工業4.0”的目標、特征與落實舉措，為上海的對接以及制造業的創新發展提供一定參考。

一、工業4.0的目標與核心要素

德國認為，全球歷經以水動力和蒸汽動力、基于分工且電力推動的大生產、電子與IT技術為代表的三次工業革命之后，將迎來第四次工業革命，即以信息物理融合系統為基礎的“工業4.0”——在信息物理融合系統中，生產對象乃至常見事物都能借助編程、存儲記錄、傳感和通信變得智能化，進而可以直接或借助互聯網通過M2M（Machine-to-Machine，機器對機器）通信自主實現信息交換、運轉和互相操控，從而在生產制造、工業工程、原料利用、供應鏈管理以及生命周期管理上使工業流程得到極大的進步，形成新的工業化模式。

德國要通過“工業4.0”戰略的實施，在信息物理融合系統的基礎上，打造由智能化的機械、存儲系統和生產手段構成的并應用于智能工廠的“網絡物理融合式生產系統”，提高生產制造效率，使德國成為新一代工業生產技術的供應國和主導市場的核心力量。

智能工廠是“工業4.0”的核心要素。其特征在于，生產過程中的所有資料和參與者實現社會性和技術性的高度交互，從生產制造到產品完成的整個過程實現無縫化，并由此使數字世界和物理世界嚙合。其關鍵在于，包括設計系統與控制系統在內的、能自主控制和設置的、由傳感技術支持的自動化分布式生產資料的互聯。智能工廠將形成新的生產邏輯：1、智能工廠的產品具有高度個性化，能被實時定位，明確產品的自身來歷、現狀，以及達到目標狀態的實現路徑；2、智能工廠中，由傳感器和執行器提供產品所需的語義描述服務；3、帶有數字化能動式產品記憶的M2M通信使產品成為信息載體、監察者和生產參與者。

二、“工業4.0”的三大特征

特征一：通過價值網絡實現的橫向集成。在工業4.0中，生產、營銷、物流乃至服務基于網絡物理融合式生產系統實現網絡化，構成實時優化的新價值創造網絡，提高生產流程的透明度、應對突發情況的靈活性，也能實現整個新價值創造網絡的全球性優化。在新價值創造網絡中，設計、配置、訂購、規劃、生產借助信息通信技術實現以顧客為導向的銜接。在從訂購到供貨的整個流程中，參與者能進行多維度的動態磋商，包括質量、時間、風險、強度、價格、環保性能等。

特征二：縱向集成和網絡化的生產系統。工業4.0時代的自組織工廠在多變的邊界條件（如短期內多變的需求、庫存、突發情況等）下，通過分布式生產，制造出多樣化個性化的產品。自組織工廠的制造模式是資源與產品的互聯。材料與部件能被實時定位，通過生產系統自主確定將要進行的生產步驟并記錄已完成的生產流程。因此，庫存控制、訂購管理和盤點工作都可以取消。借助智能化傳感技術和完整連貫的數據，工廠幾乎可以實行自主監控：工廠生成生產的連續性虛擬圖像，識別和預測突發情況。這種自主監控可以由工作人員時刻把握并進行干預。維修保養也能實現自主管理。諸如機器失靈、質量偏差、產品要求變化等突發情況能被自動識別。材料的現狀和損耗能被持續性監控并發出預警，從而減少設備失控現象的發生。

特征三：貫穿整個價值鏈的端到端工程數字化集成。工業4.0的目標要求在整個工業生產過程中實現端到端的數字集成。一種新型技術產品，必須為其開發或改良與之契合的臨時性生產系統。這就要求在產品和生產系統開發及其生命周期調整上采用集成模式。工程無縫化建立在數字世界和現實世界共同發展的基礎上。依靠數據建立虛擬模型，完成初期的認證和驗證，這使得生產流程更為靈活。而已有的資料、數據和工具以及IT平臺能被重復使用和再利用，提高效率。

三、“工業4.0”的落實舉措

1、標準化和開放標準的參考體系結構。工業4.0能借助標準化，讓不同公司在價值網絡中實現互聯與集成。只有開發出一套共同標準，才能明確協作機制和信息的交互。完備的技術說明和這些規定的執行，即為參考體系結構。它提供了工業4.0相關的技術系統的構建、開發、集成和運行的框架，構建了軟件應用和服務架構。成立專門處理標準化和參考體系架構問題的工作組。其使命主要在于實施建立互信措施，制定通用的“工業4.0詞匯表”，明確模型共性，出臺工業4.0服務架構標準、描述標準、術語標準，了解自治和自組織系統，制作“自動化參考體系架構”地圖，組織不同的公司運行和維護參考體系架構等。

2、管理復雜系統。產品及其制造系統日益復雜。規劃模型和解釋性模型可以成為管理復雜系統的有效手段。規劃模型提供了工程師創造價值方面的透明度，為復雜系統的建立提供可能。而解釋性模型則是描述現有系統，以通過模型獲得這一系統的知識。數字世界通過規劃模型對現實世界的設計影響巨大；而解釋性模型又令現實世界去影響數字世界中模型的使用。因此，工程師們要配備為開發這些模型所需的方法和工具。成立專門處理建模管理復雜系統有關問題的工作組。其使命主要在于調查即將進行建模的領域最為迫切的需求，促成最佳實踐范例的共享，鼓勵工具用戶建立用戶群體，建立適宜的指導方針和行動建議等。

3、建立廣覆蓋的寬帶網絡基礎設施。落實工業4.0的基本前提是擴建和提升現有的通信網絡，以提供保證的延遲時間、可靠性、服務質量和通信帶寬。有效的寬帶基礎設施，有大量用戶訪問，總體要求是簡單、可擴展、安全以及費用可承受。因此，不論是德國內部，還是德國與其伙伴國家之間，寬帶互聯網基礎設施需要進行大規模擴展。

4、安全和保障。安全和保障兩個方面對于智能制造系統取得成功至關重要。不僅要在一開始就把安全問題的所涉各方面設計到網絡物理融合式生產系統中，確保生產設施和產品本身不能對人和環境構成威脅，還要制定和實施IT安全策略、架構和標準，對生產設施和產品，尤其是它們包含的數據和信息加以保護，防止濫用和未經授權的獲取。工業4.0需要修改安保策略以及在整個系統生命周期內相應原理和方法的系統應用，推出集成的安保戰略、架構和標準；為產品、工藝和機器設備部署獨特、安全的身份識別符；提高設施安全性，并為過渡到工業4.0做好準備；推出用戶友好型安全解決方案；完善商業管理方面的安保；保護知識產權，打擊盜版；相應地加強培訓以及增加持續的職業發展內容，為未來儲備勞動力；強化數據和個人信息保護等。

5、數字化工業時代中工作的組織和設計。在智能工廠中，工作中的實時控制將越來越多，這將改變工作內容、工作流程和工作環境。在工作組織中應用社會技術方法將使工人有機會承擔更大責任，同時促進他們個人的發展。研究“工業4.0時代的人與工作”這一課題，明確以員工為本的勞動和培訓政策對工作和就業的影響，為開發和實施社會-技術方法提供指導性和實踐性幫助，為員工設計終身學習的方案。定期開展社會合作伙伴間的對話活動，公開透明的討論和解決工業4.0相關的進展情況與問題，并在公司內外安排有效的知識轉讓。

6、培訓和再教育。工業4.0對員工技能提出更高要求，對職業及學術培訓和再教育帶來新的挑戰。在工業4.0中，一方面，目前以明確分工為特征的傳統制造工藝將被嵌入一個新的組織和運用結構，并配備決策、協調、控制、支持等服務功能；另一方面，要求掌握組織和協調虛擬與真實機器間、設備控制與生產管理系統間交互的能力。此外，識別不同行業的應用程序需求和招募全球開發伙伴，變得更為重要。應當推廣促進職業和學術培訓間、不同培訓和再教育系統間進行互動的培訓模式，以及認可員工額外技能的培訓模式；建立培訓和再教育“最佳實踐網絡”，來保障知識轉讓的開展和活動的可持續；研究在工作場所習得知識和技能、發展數字化學習技術的新方法；推動工作組織相關問題的跨領域綜合研究；推廣工業4.0特有學習內容與跨領域合作，不同學科間達成溝通與理解，在技術和法律層面開展跨學科研究，執業人員也需要跨學科的知識儲備；借助IT技術構建技術系統模型。

7、法律框架。工業4.0帶來的新制造工藝與流程面臨著法律監管的挑戰。挑戰廣泛存在于企業數據保護、責任問題、個人數據問題以及貿易限制領域。一方面，新技術具有不確定性，數據保護的合規問題尚未解決，滯緩工業4.0的推廣和接受進程，阻礙了創新能量的釋放。另一方面，現有的法律法規并未跟上技術創新的步伐，沿襲既有規章制度并不可行。這就要求新出臺的法律監管框架保障新技術合規以促進創新，同時開展符合創新需求的法務培訓。要結合技術、政策因素形成組合工具，讓法律專家在研發工作的最初階段及時參與進來，并讓技術人員掌握基本的法律知識。同時，企業也需要采取手段，包括開發實踐指南、清單、示范合同條款、公司協議、審計、符合IT安全標準的認證等。

8、資源利用效率。制造業是工業化國家中最大的原材料消費者。除了高昂的成本，制造業對環境和安全供給帶來風險。成立專門處理資源生產率和資源效率問題的工作組。其使命主要在于采用和發展相關成果，在制造過程中示范節約，計算和評估部署信息物理融合系統和相關基礎設施所需在資源方面的額外投入與所生產的節約潛力之間的平衡，設計評估資源生產率和資源效率、實現環境友好的指標和關鍵績效指標等。 （作者單位：上海圖書館上海科學技術情報研究所）