關(guān)于工業(yè)4.0
——定義、歷史、特點(diǎn)、變化及挑戰(zhàn)

編譯/辛妍

關(guān)于工業(yè)4.0
——定義、歷史、特點(diǎn)、變化及挑戰(zhàn)

編譯/辛妍

自從工業(yè)革命以來，技術(shù)進(jìn)步帶動工業(yè)生產(chǎn)力激增。19世紀(jì)開始有蒸汽機(jī)動力工廠，20世紀(jì)早期由電氣化導(dǎo)致了大規(guī)模生產(chǎn)，而20世紀(jì)70年代工業(yè)實(shí)現(xiàn)了自動化。然而在隨后的幾十年里，工業(yè)技術(shù)進(jìn)步呈漸進(jìn)增長模式，尤其是與改變了IT、移動通信和電子商務(wù)的突破相比，更是如此。現(xiàn)在，我們正處于技術(shù)進(jìn)步的第四次浪潮中，新數(shù)字工業(yè)技術(shù)興起，導(dǎo)致工業(yè)再一次發(fā)生轉(zhuǎn)型，即常說的工業(yè)4.0。在這一轉(zhuǎn)型中，傳感器、機(jī)器、工件和IT系統(tǒng)將被連接在超越單個企業(yè)的價值鏈系統(tǒng)中。這些連接的系統(tǒng)（也稱為信息物理系統(tǒng)，cyberphysical systems，CPS）可以使用標(biāo)準(zhǔn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議彼此進(jìn)行交互，通過分析數(shù)據(jù)來預(yù)測故障，配置自身，并適應(yīng)變化。工業(yè)4.0將使跨機(jī)器收集和分析數(shù)據(jù)成為可能，實(shí)現(xiàn)更快、更靈活及更有效率的工藝流程，從而生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品，并降低成本。反過來，這也會提高制造業(yè)的生產(chǎn)率，轉(zhuǎn)型經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)工業(yè)增長，改變勞動力的配置，最終改變公司和區(qū)域的競爭力。

本文將著重介紹工業(yè)4.0的相關(guān)背景知識，包括工業(yè)4.0的定義、歷史、產(chǎn)業(yè)格局特點(diǎn)、可能帶來的變化，以及成功發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，以期讓讀者對工業(yè)4.0這一概念有個初步的系統(tǒng)性認(rèn)識。

工業(yè)4.0的定義

根據(jù)德國工業(yè)4.0平臺的定義，“工業(yè)4.0”一詞代表了第四次工業(yè)革命。對它最恰當(dāng)?shù)睦斫馐菍Ξa(chǎn)品生命周期整個價值鏈的組織和控制有一個新的水平，其面向的是越來越個性化的客戶需求。這個周期始于產(chǎn)品的最初理念或想法，涵蓋訂單配置、開發(fā)與制造，直到產(chǎn)品交付給最終用戶，以回收告終，并包括由此產(chǎn)生的所有服務(wù)。第四次工業(yè)革命的基礎(chǔ)是通過連接價值鏈中所有實(shí)例，讓所有的相關(guān)信息實(shí)時可用。隨時從數(shù)據(jù)中獲得最優(yōu)的價值增值流的能力也至關(guān)重要。人、物和系統(tǒng)的連接創(chuàng)建了公司內(nèi)部和公司之間的動態(tài)的、自組織的并實(shí)時優(yōu)化的增值連接。根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如成本、資源的可用性和消耗等，可以對其進(jìn)行優(yōu)化。

工業(yè)4.0框架包括價值鏈聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)品數(shù)字化和新的商業(yè)模式。具體如圖1所示。從圖中可見，除了這三個主要組成部分，合作在工作4.0的背景下也相當(dāng)重要，這主要是因?yàn)楹献髂軌蚋玫貪M足客戶的需求，實(shí)現(xiàn)更快的產(chǎn)品上市時間，能夠更有效的進(jìn)行勞動分工，具有更大的靈活性，更高的創(chuàng)新率/速度，同時，合作還能幫助獲取訣竅/專家知識，并力求達(dá)到風(fēng)險最小化。

工業(yè)4.0要求橫向和縱向價值鏈的全面數(shù)字化，具體可見圖2。數(shù)字化為新產(chǎn)品創(chuàng)意鋪平了道路，而在以前不可能以同樣的方式來實(shí)現(xiàn)。例如，制造數(shù)據(jù)可以存儲在云中，專家可以從中進(jìn)行分析，以確定可能進(jìn)行的改進(jìn)。

圖1：工業(yè)4.0框架圖

為確保未來的銷售增長，新的電子的商業(yè)模式將擴(kuò)展現(xiàn)有的產(chǎn)品與服務(wù)組合。它們通過量身定制的解決方案為客戶提供巨大的附加價值。這些新的商業(yè)模式的特點(diǎn)是跨價值鏈的橫向合作大大增加，對數(shù)據(jù)的綜合運(yùn)用與分析也大大增加。因此，它們能夠更好地滿足客戶的要求。一個真正可持續(xù)發(fā)展的成功的商業(yè)模式，需要工業(yè)4.0多個方面的組合，其關(guān)鍵方面包括與客戶和合作伙伴之間更強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)，提供“解決方案/系統(tǒng)”而不是產(chǎn)品，能為客戶提供更多利益的數(shù)字服務(wù)擴(kuò)展，高效并安全的云技術(shù)，價值服務(wù)（例如應(yīng)用程序）的開發(fā)/擴(kuò)展，更多的與最終客戶的直接業(yè)務(wù)，以及考慮新的數(shù)字對手，并加強(qiáng)自身定位。

工業(yè)4.0的歷史

目前全球的制造業(yè)份額有40%被新興國家占據(jù)。在過去的二十年里，這些國家所占的份額翻了一番。與之相比，在過去的二十年里，歐洲工業(yè)卻失去了陣地。以西歐為例，作為傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的一部分，西歐已失去了10%以上的制造業(yè)附加值，即從36%降到了25%。現(xiàn)在，正是重新洗牌的時候。歐洲有機(jī)會增加日益減少的工業(yè)份額，將其在該地區(qū)的價值增值從15%提升到20%。工業(yè)在歐盟經(jīng)濟(jì)中扮演著重要的角色，占15%的價值增值（相比之下，美國占12%）。工業(yè)是研究、創(chuàng)新、生產(chǎn)力、創(chuàng)造就業(yè)和出口的關(guān)鍵驅(qū)動因素。工業(yè)產(chǎn)生了歐盟80%的創(chuàng)新和75%的出口。再加上工業(yè)對服務(wù)業(yè)的影響，工業(yè)可以被視為歐洲社會和經(jīng)濟(jì)增長的引擎。

西方文明已經(jīng)見證了三次工業(yè)革命，也可以視為是工業(yè)生產(chǎn)過程中的顛覆性飛躍，而它們導(dǎo)致了生產(chǎn)力的顯著提高。第一次工業(yè)革命通過使用水電、增加使用蒸汽動力和發(fā)展機(jī)器工具來提高效率，第二次工業(yè)革命帶來了電力和大規(guī)模生產(chǎn)（組裝線），而第三次工業(yè)革命通過電子和信息技術(shù)，進(jìn)一步加速了自動化?，F(xiàn)在，第四次工業(yè)革命已經(jīng)在路上了，因此我們正處在第四次工業(yè)革命之中。雖然有些領(lǐng)域會發(fā)生快速、顛覆性的變化，但其他領(lǐng)域可能只會發(fā)生緩慢、平穩(wěn)的改變，即一種更“進(jìn)化”的步伐。但不論是哪種情況，都無法回頭。這一次，物理對象被無縫地集成到了信息系統(tǒng)中。

德國擁有世界上最具競爭力的制造業(yè)，在制造設(shè)備和企業(yè)軟件領(lǐng)域更是全球領(lǐng)先者。這使得它能夠在為未來的工廠開發(fā)技術(shù)和新的商業(yè)模式時發(fā)揮先鋒作用。在2011年的漢諾威工業(yè)博覽會上，首次使用了德國名詞“工業(yè)4.0”。它包含了制造業(yè)中一系列的將新技術(shù)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的創(chuàng)新進(jìn)程和發(fā)展，以便為日益快速變化的市場服務(wù)。工業(yè)4.0對工業(yè)德國非常重要，因?yàn)橹圃鞓I(yè)仍然是德國在世界經(jīng)濟(jì)中占據(jù)強(qiáng)勢地位的決定性因素。德國在提供并實(shí)施工業(yè)4.0解決方案中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。 德國聯(lián)邦政府的各項(xiàng)行動計(jì)劃，以及由工業(yè)協(xié)會和商業(yè)公司的共同倡議，比如支撐創(chuàng)新和生產(chǎn)潛力的工業(yè)4.0平臺，都與工業(yè)4.0相關(guān)。德國中央政府和聯(lián)邦各州都已經(jīng)推出戰(zhàn)略舉措，推動工業(yè)4.0發(fā)展。BITKOM、 VDI和德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會（VDMA）已經(jīng)把實(shí)用的行動的建議匯總在一起，供免費(fèi)下載。由于有公司的財(cái)政和制度支持，德國在工業(yè)4.0方面有很好的定位。在2015年漢諾威工業(yè)博覽會上，德國將自身展示為工業(yè)4.0解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商和市場。但是另一方面，德國并不孤單，美國和亞洲都已經(jīng)同意了數(shù)十億美元的投資計(jì)劃。工業(yè)4.0的市場爭奪戰(zhàn)已經(jīng)打響。

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從根本上改變了通信和消費(fèi)者行為。今天，由于互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，信息可以在全球范圍共享?；诰W(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集并不是被局限于特定的設(shè)備或軟件，相反，不論身在何處，你都可以即時的下載和修改的。這個新的游戲領(lǐng)域?qū)肋h(yuǎn)地改變工業(yè)和制造業(yè)?？梢哉f，工業(yè)4.0不是由基礎(chǔ)技術(shù)定義的，而是由模式的轉(zhuǎn)變來定義的，這一模式使我們遠(yuǎn)離集中的控制，轉(zhuǎn)向一個充滿分散化、智能化的過程的世界。 除了技術(shù)，組織和軟件將在過渡中發(fā)揮重要作用。信息是這一進(jìn)程的核心，它將控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造，并將在產(chǎn)品的整個生命周期及其后都扮演重要的角色。信息是不斷改進(jìn)的基礎(chǔ)，是數(shù)字進(jìn)化的DNA。工業(yè)4.0將向行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供基礎(chǔ)設(shè)施和方法。新材料、單獨(dú)定制的產(chǎn)品、智能產(chǎn)品和機(jī)器，模塊化的流程、數(shù)據(jù)處理和通信—— 就核心而言，工業(yè)4.0是網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)品和使用者之間的交互。如果說，第一次工業(yè)革命是機(jī)器，第二次工業(yè)革命是工藝流程，第三次工業(yè)革命是電子，那么第四次工業(yè)革命就是信息。

在新的工業(yè)4.0路線圖中，工業(yè)4.0將分三步實(shí)施，涉及所有參與者（見圖3）

工業(yè)4.0的產(chǎn)業(yè)格局特點(diǎn)

工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)持續(xù)的數(shù)字化這一想法，并且在經(jīng)濟(jì)中連接所有的生產(chǎn)單位。工業(yè)4.0的產(chǎn)業(yè)格局有如下主要特點(diǎn)：

圖2：橫向和縱向價值鏈的全面數(shù)字化

圖3：工業(yè)4.0路線圖

首先，是信息物理系統(tǒng)（cyber-physical systems，CPS）和市場。今天，IT系統(tǒng)已經(jīng)成為生產(chǎn)系統(tǒng)的核心。在工業(yè)4.0中，這些系統(tǒng)將會更多地與所有的子系統(tǒng)、流程、內(nèi)部和外部對象、供應(yīng)商和客戶網(wǎng)絡(luò)相連。復(fù)雜程度將更高，這就需要復(fù)雜的產(chǎn)品和服務(wù)。IT系統(tǒng)將圍繞機(jī)器、存儲系統(tǒng)和供應(yīng)而建立，堅(jiān)持定義的標(biāo)準(zhǔn)，并與信息物理系統(tǒng)相連。

其次，是智能機(jī)器人和機(jī)器的使用。在過去的工業(yè)革命中，機(jī)器人已經(jīng)取代了人類工人。在未來，它們將變得更加智能化，這就意味著能夠適應(yīng)變化，進(jìn)行溝通和互動。這將使公司進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力的飛躍，并在成本結(jié)構(gòu)、技能水平和生產(chǎn)場所等方面發(fā)生深刻的變化。智能機(jī)器人將不僅僅在封閉區(qū)域內(nèi)簡單結(jié)構(gòu)的工作流程中取代人類，在工業(yè)4.0中，機(jī)器人將在互聯(lián)互通的任務(wù)中，使用智能傳感的人機(jī)接口，與人類攜手合作。如此一來，工廠可以每天運(yùn)作24小時，而工人只需要白天在那兒。從此，沒有夜班，而生產(chǎn)力會飛速上漲。

第三，是大數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮至關(guān)重要的作用。數(shù)據(jù)通常被稱為上21世紀(jì)的原材料。事實(shí)上，企業(yè)的數(shù)據(jù)量預(yù)計(jì)每1.2年就會增加一倍。未來的工廠將產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，它們都需要保存、處理和分析。這意味著處理這些事情的方法將會大大改變。在法國，有63%的工廠負(fù)責(zé)人認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)安全對他們的競爭力至關(guān)重要。處理大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新方法以及對云計(jì)算潛力的挖掘，將可能創(chuàng)造利用信息的新方式。

第四，是新質(zhì)量的連接必不可少。在21世紀(jì)初，連接只是數(shù)字世界的一個功能，但在工業(yè)4.0中，數(shù)字和現(xiàn)實(shí)世界將相互連接。機(jī)器、工件、系統(tǒng)和人類不斷通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議交換數(shù)字信息。這意味著物質(zhì)將與它們的數(shù)字足跡相連。具有互連機(jī)器的生產(chǎn)將會變得非常平穩(wěn)順利：當(dāng)一臺機(jī)器上生產(chǎn)完一個部件時，另一臺機(jī)器會立即得到通知，同時輸送機(jī)或物流供應(yīng)機(jī)器人也會得到通知。機(jī)器能自動適應(yīng)各部分的生產(chǎn)步驟，協(xié)調(diào)系列生產(chǎn)中的每一個生產(chǎn)單位。生產(chǎn)出的產(chǎn)品也能通過物聯(lián)網(wǎng)互相溝通，讓傳送帶來提取，或者是向訂單系統(tǒng)發(fā)送電子郵件，說明“我已經(jīng)生產(chǎn)完成，可以準(zhǔn)備交付了”。為了能夠順利地調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃并用更好的方法優(yōu)化能力，工廠之間也將相互連接。

第五，是能源效率和權(quán)力分散下放（Decentralization）。氣候變化和資源的匱乏是個大趨勢，這將影響到工業(yè)4.0的所有參與者。這些大趨勢利用工廠的能源分散，觸發(fā)在制造中使用碳中和技術(shù)的需求。對公司而言，使用可再生能源將更具有經(jīng)濟(jì)吸引力。在未來，可能許多生產(chǎn)場所能夠自己發(fā)電，反過來這將影響基礎(chǔ)設(shè)施提供商。除可再生能源之外，正在研究分散的核電（例如小規(guī)模的工廠），以之作為向大型電密集工廠提供電能的一種方式，從而讓能源節(jié)約達(dá)到兩位數(shù)。

最后一個特點(diǎn)是虛擬工業(yè)化。沒有什么比啟動一個新工廠，或是在現(xiàn)有工廠中生產(chǎn)新產(chǎn)品更困難，因?yàn)檎{(diào)整適應(yīng)的時間、試產(chǎn)、預(yù)生產(chǎn)測試等，都需要高素質(zhì)的團(tuán)隊(duì)，并可能會產(chǎn)生意想不到的超支成本。對許多企業(yè)而言，一天的停機(jī)就意味著巨額的收益損失。工業(yè)4.0將使用虛擬工廠和產(chǎn)品為物理生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。每一個流程都先被模擬，并虛擬驗(yàn)證。只有最終解決方案就位時，物理生產(chǎn)的映射才算完成，這意味著所有的軟件、參數(shù)、數(shù)字矩陣都將上載到控制生產(chǎn)的物理機(jī)器上。

工業(yè)4.0可能帶來的變化以及面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)4.0將會轉(zhuǎn)變整個價值鏈，讓我們能夠開發(fā)創(chuàng)新的產(chǎn)品和服務(wù)。

工業(yè)4.0改變了整個公司，因此它必須成為首席執(zhí)行官議程的一部分。工業(yè)4.0不僅包括橫向和縱向價值鏈的數(shù)字化，也將徹底改變公司的產(chǎn)品和服務(wù)組合，其最終目的是為更好地滿足客戶需求。可以說，工業(yè)4.0的潛在用途遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化。對數(shù)據(jù)的綜合分析和使用是工業(yè)4.0的關(guān)鍵能力。而在工業(yè)4.0背景下，產(chǎn)品與服務(wù)組合的數(shù)字化是公司可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。德國聯(lián)邦信息技術(shù)協(xié)會、電信和新媒體（BITKOM）認(rèn)為，工業(yè)4.0能為公司帶來新的機(jī)會，包括競爭實(shí)力，柔性制造，單獨(dú)定制的產(chǎn)品，創(chuàng)新的業(yè)務(wù)模式，以及新的工作方法等。預(yù)計(jì)到2020年，歐洲工業(yè)公司每年將會在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中投資達(dá)1400億歐元。五年內(nèi)，80%的歐洲工業(yè)公司會數(shù)字化其價值鏈。數(shù)字化的產(chǎn)品和服務(wù)每年為歐洲工業(yè)創(chuàng)造大約1100億歐元的額外收入。在過去三年，已經(jīng)將其產(chǎn)品組合數(shù)字化的公司的成長在很大程度上都高于平均水平。而咨詢公司埃森哲（Accenture）估計(jì)，在未來15年，工業(yè)4.0將會給全球經(jīng)濟(jì)帶來14.2兆美元的價值。

工業(yè)4.0為新的、經(jīng)常具有破壞性的數(shù)字商業(yè)模式鋪平了道路。工業(yè)4.0會對現(xiàn)有的商業(yè)模式有持久的影響，但更特別的是，它將會產(chǎn)生新的、經(jīng)常具有破壞性的數(shù)字商業(yè)模式。這一趨勢的焦點(diǎn)包括通過不斷增長的價值（而不是產(chǎn)品）解決方案以及與客戶和合作伙伴的聯(lián)網(wǎng)，來為增加顧客利益。數(shù)字變化的特殊性在于變化速度的迅速加快。顛覆性的創(chuàng)新會導(dǎo)致像信息和通信行業(yè)這類工業(yè)部門在短期內(nèi)可持續(xù)地變換。

但同時，要成功實(shí)施并發(fā)展工業(yè)4.0也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，比如經(jīng)濟(jì)效益不明確并且投資過多，員工資質(zhì)不足，缺乏認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和形式，關(guān)于使用外部數(shù)據(jù)的法律狀況尚不明確，所需技術(shù)的成熟度低，有關(guān)于數(shù)據(jù)安全的未解決問題，缺乏來自最高管理層的優(yōu)先級/支持，基本技術(shù)（寬帶）擴(kuò)張速度過于緩慢，以及不足的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定/數(shù)據(jù)備份。

第四次工業(yè)革命已經(jīng)開始，并為工業(yè)企業(yè)提供了誘人的機(jī)會。然而，工業(yè)4.0本身并不是一個終點(diǎn)。它與明確的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)密切相關(guān)，并有潛力在全球競爭中顯示更清晰的差異化。在未來，面對全球競爭對手，能夠快速地切換到工業(yè)4.0的經(jīng)濟(jì)體將具有很大的競爭優(yōu)勢。