探析德國“工業4.0”戰略

◎文/劉春長 張厚明 王昊

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探析德國“工業4.0”戰略

◎文/劉春長 張厚明 王昊

為了保持作為全球領先的裝備制造供應商以及在嵌入式系統領域的優勢，應對未來發展所面臨的國際與國內挑戰，充分發揮德國工業的傳統優勢，德國提出了自己的“工業4.0”戰略，旨在通過在制造業領域大力應用物聯網以及服務互聯網技術，在向工業化第四階段的邁進過程中先發制人，爭奪新一輪技術與產業革命的話語權。

“工業4.0”的概念誕生于2005年，其最終目的是在工業生產過程中實現人工智能技術以及網絡技術的廣泛應用。2011年德國政府將上述目的定位為一項高科技技術戰略，并取名為“工業4.0”。

主要內涵

2013年4月，德國“工業4.0”工作組發布了題為《保障德國制造業的未來：關于實施“工業4.0”戰略的建議》的報告。該報告認為，18世紀機械制造設備的廣泛應用可被定位為“工業1.0”；20世紀初電氣化的廣泛應用是“工業2.0”；20世紀70年代電子信息自動化技術的廣泛應用為“工業3.0”；而“工業4.0”則意味著基于信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）的智能制造時代的到來。

1.建設一個網絡——信息物理融合系統（CPS）

（1）CPS的核心思想。CPS可以將資源、信息、物體以及人員緊密聯系在一起，從而創造物聯網及服務互聯網，并將生產工廠轉變為一個智能環境，最終實現制造業的智能化。CPS包括智能機器、倉儲系統以及生產設備的電子化，并基于通信技術將其融合到整條網絡，涵括內部物流、生產、市場銷售、外部物流以及延伸服務，并使得它們相互之間可以進行獨立的信息交換（如機器與機器之間的對話）、進程控制（生產安排、倉儲物流）和觸發行動（搬運、加工）等，從而達到全部生產過程的智能化。

（2）CPS的主要特征。一是快速以及簡單流程的服務和設備所帶來的靈活性，包括了基于CPS的各類軟件。二是在App 商店模式下實現商業過程的簡單分配與部署。三是對整個商業過程提供全面、安全及可靠的支撐。四是為從傳感器到用戶界面的所有環節提供安全保障。五是支持移動端設備。六是支持商業網絡中的協作式生產、服務、分析以及預測過程。

2.研究兩大主題——智能工廠與智能制造（Smart X）

（1）Smart X的主要內容與特征。實現 “工業4.0”的核心是智能工廠與智能制造。由于智能工廠包括了智能移動、智能電網、智能建筑以及智能物流等，以上概念可被統稱為 Smart X。

智能工廠的側重點在于智能化的生產過程及其系統集成，最終目標是實現網絡化、分布式的生產設施。智能工廠既能控制生產過程中不斷出現的復雜性，又能提高生產效率。在智能工廠的生產環境中，人、機器與資源之間將有直接的交流。智能工廠將與智能物流、智能電網等相連，從而構成未來智能設施的重要組成部分。

智能制造的側重點在于將人機互動、智能物流管理和3D打印等先進技術應用于整個生產過程。

未來智能工廠與智能制造的實現意味著：較之傳統生產模式，新的生產方式將大幅提高資源利用率，產品生產過程中的實時圖像顯示使得虛擬生產變為可能，從而減少材料浪費；個性化定制將成為可能并且生產速度將大幅提高。智能制造過程將知曉自身的生產過程以及未來所要應用的設施。該種知識將有力支撐被生產的產品指揮機器的生產過程及產品自我顯示（如產品將什么時候被制造、產品將被賦予什么參數、產品將被發往哪里等）。

智能工廠與智能制造可組合成一套精密、完整的創新工業體系，這套體系涵蓋了產品設計、生產規劃、生產執行和售后服務等制造業的全部環節。通過CPS的搭建，上述環節中的產品信息以及生產所需的每一個步驟都將被輸入系統，這樣不僅將大幅提高生產效率，同時還可實現更加靈活與智能化的生產，并達到降低能耗、滿足環保的要求。

需要指出的是，智能工廠的理念并不是提倡無人化。與此相反，人在智能工廠中的作用將更加重要，因為在CPS以及物聯網系統中，人是部件設計、安裝以及更新保養的實施者，是實現信息交互、進行決策和流程優化的核心載體。

（2）Smart X 的主要任務。一是要構建一套集融合化與網絡化于一體的生產系統，加快研發智能化傳感技術并構建連貫完整的數據庫應用，以實現智能工廠的自主監控，如達到機器維修保養的自主管理、質量偏差控制、材料使用情況監控及預警等目的。二是建立一套規范化、標準化的生產模式，加快推廣具有共用性的技術標準與接口，最終達到工業與物流企業之間互聯的目標。這要求強化目前以TCP/IP協議為主的互聯網傳輸標準，從而實現全球的信息技術一體化以及創新資源的共享。三是加強信息通信技術（ICT）在生產過程中的應用與創新。主要是以智能工廠相關的CPS系統作為載體，通過智能傳感器以及人工智能等生產管理項目的推進，達到從消費需求到生產制造全過程中的信息、通信技術等的深度應用。四是構建新型人機交互式的生產組織模式，加快推進多媒體技術、辦公室終端設備和云技術等新技術在制造業中的應用，盡快達到企業創新活動互聯的目的，并最終實現廣泛的人機交互以及系統交互。

3.實現三大集成——橫向集成、縱向集成與端對端集成

（1）價值鏈上企業間的橫向集成。在生產、自動化工程以及IT領域，價值鏈上企業間的橫向集成是指將使用于不同生產階段及商業規劃過程的IT系統集成在一起，這包括了發生在公司內部以及不同公司之間的材料、能源以及信息的交換，如入站物流、生產過程、出站物流和市場營銷。橫向集成是企業之間通過價值鏈以及信息網絡所實現的一種資源整合，是為了實現各企業間的無縫合作，提供實時產品與服務，這迎合了“工業4.0”期望解決的如大規模信息傳輸、生產柔性等問題。

（2）網絡化制造系統的縱向集成。它是將處于不同層級的IT系統進行集成（如執行器和傳感器、控制、生產管理、制造和企業規劃執行等不同層面），其目的同樣是為了提供一種端對端的解決方案。縱向集成是基于未來智能工廠中網絡化的制造體系，實現個性化定制生產，替代傳統的固定式生產流程（如生產流水線）。

（3）端對端工程數字化集成。它是一種工程化數字集成，該過程貫穿整個價值鏈。在所有終端實現數字化的前提下，它可實現價值鏈上不同公司之間的一種整合，這將在最大程度上實現個性化定制。在此模式下，客戶從產品設計階段就參與到整條生產鏈，并貫穿加工制造、銷售物流等環節，可實現隨時參與和決策并自由配置各個功能組件。

遠景展望

1.智能、網絡化世界的建立

在“工業4.0”的世界，物聯網和服務網將滲透到所有相關領域：能源供應領域內智能電網將成為主流，并將出現在智能健康領域、可持續移動通訊戰略領域（智能移動性、智能物流）；在生產環境中，縱向集成、端對端集成、橫向集成將貫穿整個價值鏈，“工業4.0”將開啟智能生產及其網絡系統。其主要特征為：

（1）社會-技術互動達到新高度。在生產過程中所有的參與者與資源之間形成新的社會-技術互動的新高度。這種互動將圍繞著生產資源網絡（生產設備、機器人、傳送裝置、倉儲系統以及生產設施）進行。該網絡具備以下特征：自動化——根據不同情形自我反饋、自我修復，知識型——泛在的傳感器以及空間分散性。作為該愿景的重要組成部分，智能工廠將通過端對端工程被植入公司間價值網絡，達到虛擬與實體世界的無縫銜接。

（2）智能產品的可識別性。智能產品將會具備單一的識別性并可隨時定位，這意味著智能產品可以半自動控制生產過程。而且，智能產品的完成品知曉適合自己運行的最佳參數，并能在整個生命周期中感知自身的損耗程度。

（3）生產設計過程中的客戶參與。有著獨特需求的顧客可以參與到產品的設計、架構、訂單、計劃、生產、運作以及回收等環節，甚至在生產過程及生產完成前隨時根據需求改變設計及生產，使獨一無二及小批量的產品生產并獲得利潤成為可能。

（4）員工的創造性將被激發。員工可以根據形勢和環境敏感目標來參與生產工藝的控制、調節以及配置。員工將從日常工作中解脫出來，更加專注于富有創造性、附加值更高的生產活動。同時，靈活的工作條件可協調其工作與個人需求。

（5）網絡基礎設施及服務質量提升。“工業4.0”的實施需要進一步拓寬相關網絡基礎設施以及特定的網絡服務質量。這將使得滿足那些高寬帶需求的數字密集型設備成為可能。同時也可能滿足有著嚴格時間要求的服務供應商，因為通常他們使用的設備具有高度時間敏感度。

2.新的商業機遇與合作模式

“工業4.0”將帶來新的商業機遇與合作模式，朝著滿足個性化、隨時修改的方向發展。這種模式有助于中小企業采用在當今許可和商業模式下無力負擔的服務與軟件系統。新的商業模式將為如動態定價、服務質量水平協議等問題提供解決方案。動態定價將充分考慮顧客與競爭者的情況，服務質量水平協議則關系到商業合作伙伴之間的網絡及合作關系。這些模式將確保價值鏈上所有利益相關者都能分享潛在的商業收益，包括新進者。

由于“工業4.0”通常被概括為“網絡化制造”、“自我組織適應性物流”、“顧客集成型工程”，因此需要一個高度動態化的商業網絡，而非單個公司的形式。這又將引發一系列如財政、發展、可靠性、風險、責任和知識產權等問題，并且要求責任被正確地分配到商業網絡中的各相關主體，同時依靠相關約束性文件來支撐。

3.全新的社會基礎設施

為應對未來人口老齡化問題，“工業4.0”倡導提高老年人以及婦女的就業比例，因為個人的生產效率并不取決于其年齡，而是取決于其從事某項工作崗位的時間、工作組織方式以及工作環境。如果延長工作時間可以提高勞動生產率，那么就有必要協調和改變工作環境的若干方面，包括健康管理和工作組織方式、終身制學習方式和職業路徑模式、團隊結構以及知識管理。這些對于商業模式以及教育系統來講，都是需要解決的問題。

“工業4.0”所帶來的“人類-技術”以及“人類-環境相互作用”的全新轉變將帶來全新的協作工作方式，這使得工作脫離工廠變為可能，即通過虛擬、移動的工作方式開展。除了全方位培訓以及持續的職業發展措施，工作組織和設計模型也將成為成功轉變的關鍵因素。這些模型使得員工享有高度的自我管理權，并與領導的管理權下放相結合。

啟示與借鑒

“工業4.0”是德國從政府層面提出的戰略，代表德國從國家層面對未來制造業走向和相關問題的戰略布局和對策，與我國提出的兩化深度融合戰略有很多相似之處，其提出的一系列政策措施，值得我們認真借鑒。

1.制造業智能化、互聯網化是新一輪技術與產業革命的大趨勢，要抓緊制訂相應的頂層戰略設計，重視話語權建設

德國工業4.0是德國政府為保持德國全球制造業領先地位而確定的國家戰略。為推進“工業4.0”戰略的落實，首先，德國資訊技術和通信新媒體協會、德國機械設備制造業聯合會以及德國電氣和電子工業聯合會等三大工業協會，共同建立了 “工業4.0平臺”這一跨界研究小組，以協調所有參與“工業4.0”戰略計劃的各種資源。這也是德國推進“工業4.0”的組織保障。其次，充分重視釋放市場潛力的戰略設計。為了執行“工業4.0”戰略，德國采用了“領先的供應商戰略”與“領先的市場戰略”的雙重戰略來釋放市場潛力。領先的供應商戰略強調德國裝備制造供應商要通過技術創新和集成，不斷提供世界領先的技術解決方案，并藉此成為“工業4.0”產品的全球領先的開發商、生廠商。領先的市場戰略強調將德國國內制造業作為主導市場加以培育，率先在德國國內制造企業加快推行“工業4.0”與部署信息物理網絡系統，以便加強德國裝備制造產業。另外，重視在新一輪技術與產業革命中的話語權建設。為了充分發揮德國的傳統優勢，德國在吸收美國提出的CPS概念的基礎上推陳出新，提出“工業4.0”戰略，其目的就是要爭奪話語權，為德國的新技術與產品出口創造機會。

我國兩化融合和兩化深度融合概念雖然提出已久，但戰略設計、組織保障和推進路線等方面的認知還沒有達到一定的水平。我們應該向德國、美國學習，立足于充分發揮我國制造業的現有優勢，在深刻認識新一輪技術與產業革命的規律與特性的基礎上，推進我國新一輪技術與產業革命的頂層戰略規劃。同時，積極參與德國“工業4.0”戰略研究，加強與德國工業界的合作，充分利用德國在全球制造業的領先優勢和中國作為全球第一制造大國的巨大潛能，整合兩國工業和科技創新資源，力爭在全球新的技術與產業革命中建立自身的話語權。

2.高度重視標準的引領作用，大力推進標準的國際化建設

德國“工業4.0”工作組把標準化排在為推進“工業4.0”需要在關鍵領域采取的8項行動首位，并建議在“工業4.0”平臺下專門成立一個工作小組來處理標準化以及參考架構的問題。可以說，德國“工業4.0”中的標準化戰略顯示出“標準先行”的鮮明模式特征，即在研發先進技術的同時，標準化建設工作同步甚至超前進行，以便為產業發展勾勒出整體框架。

我國在推進兩化深度融合的戰略中，不僅要重視發揮標準化工作在產業發展中的引領作用，及時出臺兩化深度融合標準化路線圖，而且還要實現標準的國際化，使得我國設立的智能制造標準得到國際上的廣泛采用，以奪取未來產業發展與競爭的全球制高點。

3.既要重視關鍵技術的發展和突破，更應重視系統配套體系、企業創新生態系統的建設

“工業4.0”強調系統、集成以及社會資源的再配置，是對整個制造業體系發展的總體思考，而不僅僅把它作為一個新技術發展的問題。另外，在雙重戰略中，德國提出不僅要重視發揮大企業的龍頭作用，更強調使中小企業能夠應用“工業4.0”的成果來解決“產、學、研、用”互相結合和促進的問題，力圖使中小企業不斷成為新一代智能制造技術的使用者，同時也成為先進制造技術的供應者。

可以說，從技術發展、創新生態到社會融合，“工業4.0”特別注重“工業系統的整體躍遷”的實現路徑與配套體系建設。我國在實施兩化深度融合戰略中，不但要重視大企業的龍頭作用，還應充分吸收中小企業參與，以推動跨學科、跨行業的創新生態系統的建設。同時，在實施工業轉型升級規劃時重點考慮如何為工業提供綜合的寬帶互聯網基礎設施、如何開發和管理工業大數據、如何保證工業IT系統與工業控制系統的安全等課題。

4.在向智能制造的推進過程中，注重工作組織和工作設計、員工培訓與可持續的職業發展

“工業4.0”是建立在一個開放、虛擬化的工作平臺之上，人機交互以及機器之間的對話將會越來越普遍，這就決定了員工在執行和消化技術創新成果中將發揮決定性作用。傳統的由分工明確的勞動力所組成的生產方式將有重大改變，生產過程將更有組織及結構型特點，虛擬與真實環境之間的交互將更加頻繁，ICT、自動化技術以及軟件會被更廣泛應用，因此我國應高度重視適應技術與產業發展趨勢的制造業人才培育，應該制訂員工導向型的勞工以及培訓政策，促進社會組織與技術創新的融合，建立一個可參與型的工作組織并倡導員工進行終身式學習，以便增強員工在工作環境中的學習能力，培養其數字化學習技能，這也是保障“兩化深度融合”戰略得以順利實現的重要人力支撐。

（作者單位：中國電子信息產業發展研究院）

■ 編輯：馬振東