未来制造系统——德国工业4.0

未来制造系统——德国工业4.0 德国的制造业是世界上最具竞争力的产业部门之一。这归功于德国制造业能够管理复杂的工业生产过程，不同任务由位于不同地点的合作伙伴完成。近二三十年来，德国制造业已成功地利用信息通信技术（ICT）实现对工业生产过程的管理——如今，大约90%的工业生产过程已应用ICT技术。在过去三十年甚至更早以前，IT革命使我们生活和工作的世界发生了彻底改变，其影响力可媲美分别成就前两次工业革命的机械和电力。

随着个人电脑向智能设备演变，一种新的趋势开始显现：越来越多的IT基础设施和服务通过智能网络（云计算）来提供。伴随微型化和互联网的持续发展，这一趋势宣告了人们期盼的普适计算已成为现实。

1工业4.0

1.1工业4.0的演化

通过无线，越来越多功能强大的、自主的微型电脑（嵌入式系统）实现了与其他微型电脑和互联网的互联。这意味着物理世界和虚拟世界（网络空间）以信息-物理系统（CPS）的形式实现了融合。

新的互联网协议IPv6于2012年推出后，目前已经有足够多的IP地址可供智能设备通过互联网实现直接联网。于是，网络资源、信息、物体和人之间能实现物联网及服务互联网。这也将扩展至工业领域：在制造业中，这种技术演化可以描述为“第四阶段的工业化”或“工业4.0”。

图1 工业革命的四个阶段

18世纪工业化的进程，始于机械制造设备的出现。那时候，纺织机一类的机器大大改变了生产产品的方式。第一次工业革命之后，在劳动分工的基础上，20世纪的第二次工业革命实现了电力驱动的规模化生产。之后，便是从20世纪70年代初直到现在的第三次工业革命。第三次工业革命利用电子和信息技术（IT）提高了制造过程的自动化程度，机器取代了相当一大部分的“体力劳动”和一部分“脑力劳动”。

德国应充分利用其作为世界领先的制造设备供应商及在嵌入式系统领域的优势，通过利用物联网及服务互联网向制造领域扩展这一趋势，在向第四阶段工业化迈进的过程中先发制人。

工业4.0的部署不仅将增强德国的竞争地位，而且有助于应对全球挑战（如资源和能效）和国内挑战（如人口结构的变化）。

然而，在对技术创新进行考虑时，结合社会文化语境是至关重要的，因为文化和社会的变化同样也是在他们各自领域中创新的主要动力。

比如，人口结构的变化拥有改变我们社会所有关键领域的潜力，如组织学习的方式、工作的性质、健康（随着人们活的越来越长）和社区的基础设施。这又将反过来对德国生产力造成显著的影响。通过优化技术和社会创新过程的关系，

我们能够为提升德国经济的竞争力和生产力做出重要贡献。

1.2在制造业中利用物联网及服务互联网

物联网及服务互联网能够创造一个包含全部生产过程的网络，将工厂转变成为一个智能环境。信息物理生产系统由智能机器、仓储系统、生产设备组成。该生产系统是数字化的，基于ICT技术实现了端到端的整合——从运入物流到生产，再到营销、运出物流和服务（维修）。信息物理生产系统不仅使生产能够得到更加灵活的配置，也能够充分利用差异化管理和流程控制所提供的机会。

除了优化现有基于IT的流程，工业4.0还将释放对具体流程和全球范围内整体效应进行更多差异化跟踪的潜力。这些都是目前难以实现的。工业4.0还将使商业伙伴（如供应商和客户）、员工之间的关系更加紧密，并提供更多互惠互利的新机遇。

作为世界领先的制造设备供应商，德国需要发掘新形式工业化的潜力，以与其独特的地位相匹配。德国的全球市场领导者包括许多提供专业解决方案的“隐形冠军”（即小而强的公司）——德国前100名中小企业中有22家是机械和设备制造商，其中3家排名在前10位之内。许多德国机械和设备制造领域的领军人物都认为，他们的主要竞争对手是国内厂商。机械设备与汽车、化学品同为德国主要的出口产品之一。

此外，德国的机械和设备制造商都希望保持其在未来的领先地位：60%的德国机械设备制造商都相信，他们的技术竞争优势在未来五年内会得到提高，只有不到40%的制造商希望维持当前的竞争地位。

然而，机械制造领域的全球竞争正在日趋激烈。在亚洲同行日益威胁着德国制造商的同时，美国的对手也在采取措施，通过一系列方案对抗工业退化，大力推进“先进制造业”。

此外，制造业也在变得更加具有活力、也更加复杂。比如，激光烧结技术的进步意味着目前在几小时内已经能够“打印”出高质量的、复杂的3D结构。这引起了全新商业模型和服务的产生，终端消费者变得更为密切相关——消费者能够创造自己的设计，之后发送电子邮件到一家“复印店”，他们也可以让一些物品被扫描和“复印”。

2工业4.0的核心特征

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性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。

业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。如今，将物联网及服务引入制造业正迎来第四次工业革命。不久的将来，企业能以CPS（Cyber-Physical Systems ，信息物理系统)的形式建立全球网络，整合其机器、仓储系统和生产设施。

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。

智能工厂现在似乎已开始采用一种全新的方式来生产产品。智能产品有唯一的特征被识别，在任何时候都能被定位，我们知道它的发展历程，了解它当前状况，以及实现其目标状态的方式。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。

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，以促进决策优化。工业

4.0将会开发出创造价值的新方法和新的商业模式。特别是，它将给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将正视和解决某些当今世界面临的挑战，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允许老工人延长职业生涯，从而长久地保持生产力。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了更好的平衡点。

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。而且，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“高端制造业”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。德国装备制造业应寻求稳固在全球市场的领导地位，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

这些特征是制造商在面对变幻莫测的市场能够取得稳固地位的重要因素，同时使它们的价值创造活动适应变化的市场需求。双重物理网络系统战略中提到的特征将允许制造企业在高度动态的市场中达到快速的、准时的、无故障的生产。

2.1通过价值网络进行横向整合

模型、设计以及通过价值网络的横向整合应该可以回答下面的问题：物理网络系统如何支持企业的商务战略、新价值网络以及新商业模式？

这个问题同样适用于研究、开发和应用领域（图2）。除了“商业模型”、“不

同企业间的合作形式”，还有一些话题值得研究，比如“可持续性”、“技能保护”、“标准战略”，以及“中到长期训练和员工发展倡议”。

图2通过价值网络实现横向整合

2.2横跨整个价值链的端对端工程

下面的关键问题是关于通过工程过程实现端对端数字整合，以达到产品整个价值链数字世界和真实世界的整合，同时满足客户的需求：物理网络系统如何实现端对端的包括工程工作流的商业过程？

对于这一点，建模在管理越来越复杂的技术系统中起到了关键的作用。应该部署适当的信息技术系统，以便为整个价值链提供端对端的支持，从产品开发到制造系统工程、生产和服务（图3）。需要一个涵盖不同技术领域的整体的工程方法系统。为了实现这个目标，工程师们需要接受适当的培训。

图3横跨价值链的端对端工程

2.3垂直整合与网络制造系统

就垂直整合来说，需要回答下面的问题：物理网络系统如何创造灵活和可重构的制造系统？

垂直整合的地点是工厂。在明天的智能工厂，制造结构将不是固定的和事先定义好的。相反，一系列信息技术组合规则将被定义，这些信息技术组合规则可以被应用到不同的案例中，为不同情况自动形成特定的结构，包括模型、数据、通信和算法（图4）。

图4垂直整合与网络制造系统

为了完成垂直化整合，确保调节器和传感器信号在ERP不同层面的端对端

的数字化整合非常重要。开发模块化以及重新使用战略来完成点对点网络和制造系统重构，以及恰当的智能系统描述也很重要。不仅如此，领班和操作者需要接受培训以便了解操作制造系统的方法所产生的影响。

3工业4.0的愿景

德国工业4.0战略将更具灵活性，也更强劲，在工程、规划、制造、运营和物流流程中实施最高标准。这将催生动态的、实时优化、自我组织的价值链，并可通过一系列标准（如成本、可用性和资源消耗）进行优化.这一价值链还需要适当的监管框架、标准化接口和统一的业务流程。

以下是德国工业4.0战略的愿景：

（1）它的最大特点是制造业中所有参与者及资源的高度社会技术互动。互动主要围绕制造资源网络（制造机械、机器人、输送机和仓储系统及生产设施）进行，这些网络独立自主，在不同情况下能自我管理，自我配置，还装备了传感器，分散安装，并融入了相关规划及管理系统。作为这一愿景的关键组成部分，智能工厂将被纳入公司内部价值网络，它的特点是包括制造过程和制造产品的端对端工程，实现数字和物理世界的无缝衔接。智能工厂将使不断复杂的制造流程便于管理，并能同时确保生产过程的吸引力、生产效益以及工厂在市区环境的可持续性发展。

（2）德国工业4.0战略中的智能产品可明确识别，并有可能随处可见。即使还在生产环节，其自身制造流程的所有细节均可被控。这意味着，在某些领域，智能产品可以控制各生产阶段，进行半自主生产。此外，这还能确保成品了解自身发挥最优性能的参数，并辨别生命周期中发生磨损和毁坏的标记。这些数据可集合使用，以便优化智能工厂的物流、布局、维护以及与业务管理应用程序的整合。

（3）德国工业4.0战略实施后，将有可能把个人客户和产品的独特特性融入到设计、配置、订购、计划、生产、运营和回收阶段。它甚至可以在制造和运营之前最后一分钟或进行中提出改变的请求，这将使生产一件定制产品和小批量产品也能产生利润。

（4）德国工业4.0战略的实施，将使员工能根据具体情况进行控制、监管和配置智能制造资源网络和制造步骤。员工再也无需完成例行任务，他们可以更多地关注创新和具有附加值的活动。因此，他们在确保产品质量方面将起到关键作用。同时，灵活的工作条件也将他们的工作和个人需求更好地结合起来。

（5）德国工业4.0战略的实施，需要进一步扩展相关的网络基础设施，并通过服务水平协议进一步规范网络服务质量。这将有望满足大流量数据应用程序和服务供应商的高带宽需求，以保证关键应用程序的运行时间。

4工业4.0与中国

近日，工业和信息化部部长苗圩作“推进信息化和工业化融合，打造中国制造业升级版”的主旨报告，从制造业新趋势、两化融合、创新驱动三个方面论述中国制造业升级路径。两院院士、中国机械工程学会荣誉理事长路甬祥发表了《网络智能制造——中国制造的未来》主旨演讲，中国工程院院长、中国机械工程学会理事长周济在《制造业数字化智能化与“中国制造2025”》的报告中，明确了中国制造业升级的阶段性使命。德国机械设备制造业联合会电子自动化分会董事总经理Rainer Glatz等海内外业界专家学者应邀出席，并围绕工业4.0、未来工业智能制造等热点话题发布了精彩报告。

当天上午，中国北方市场最具影响力的北京国际工业智能及自动化展览会在北京展览馆隆重开幕。德国展团此次也带来了汉诺威工业博览会上的最新产品与技术，向展会观众实物展示未来工厂智能化的发展趋势和解决方案。

4.1信息网络技术推动制造业革命

众多专家学者指出，当前，全球正出现以信息网络、智能制造、新能源和新材料为代表的新一轮技术创新浪潮。苗圩认为，无论是产业界还是理论界都有一个共识，即变革的核心是信息网络技术的应用。

信息技术特别是互联网技术发展正在对传统制造业的发展方式带来颠覆性、革命性的影响。信息网络技术的广泛应用，可以实时感知、采集、监控生产过程中产生的大量数据，促进生产过程的无缝衔接和企业间的协同制造，实现生产系

统的智能分析和决策优化，使智能制造、网络制造、柔性制造成为生产方式变革的方向。从某种程度上讲，制造业互联网化正成为一种大趋势。比如德国提出的工业4.0计划，其核心是智能生产技术和智能生产模式，旨在通过“物联网”和“务（服务）联网”，把产品、机器、资源、人有机联系在一起，推动各环节数据共享，实现产品全生命周期和全制造流程的数字化。信息网络技术与传统制造业相互渗透、深度融合，正在深刻改变产业组织方式，加速形成新的企业与用户关系。一是由大规模批量生产向大规模定制生产转变。二是由集中生产向网络化异地协同生产转变。三是由传统制造企业向跨界融合企业转变。

苗圩强调，当前，随着信息网络技术在制造业领域的广泛渗透，及其带来的工业互联网、工业云等一大批新的生产理念，制造业互联网化呈现出智能产品、众包设计、智能制造、在线服务以及基于互联网的新型商业模式等几大鲜明特征。比如在智能产品方面，互联网技术、人工智能、数字化技术嵌入传统产品设计，使产品逐步成为互联网化的智能终端。特斯拉被誉为“汽车界的苹果”，它的成功不仅仅是电池技术的突破，更得益于将互联网思维融入了汽车制造。特斯拉对自己的核心定位不是电动车，而是一个大型可移动的智能终端,具有全新的人机交互方式，通过互联网终端把汽车做成了一个包含硬件、软件、内容和服务的体验工具。在商业模式创新方面，近年来全球涌现出一批基于互联网应用的新型企业，凭借新的商业模式对传统市场形成了很大冲击。中国的小米手机运用互联网思维，依靠个性化定制、供应链整合及饥渴营销等新商业模式，在很短时间内获得了巨大成功，创业三年来，销售额从2011年的5亿元增长到2013年的316亿元，年均增速接近700%。

4.2智能制造的“智能”依靠网络支撑

2013年4月的汉诺威工业博览会上，德国政府正式提出了工业4.0战略，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，以提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。作为世界工业发展的风向标，德国工业界的举动深深影响着全球工业市场的变革。

在中国，已经出台的“智能制造科技发展‘十二五’专项规划”中，明确表

示要大力发展智能制造，在信息化和自动化的基础上，将专家的知识不断融入制造过程以实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化，实现拟人化制造，目的是使制造过程具有更完善的判断与适应能力，提高产品质量、生产效率，并将显著减少制造过程物耗、能耗和排放。中国工业与德国工业在发展上的高度一致性，给自动化厂商提供了良好的市场表现机会。

位于德国安贝格的西门子电子车间就是智能工厂的典范。智能机器负责协调该公司的Simatic控制设备的生产和全球分销，这一接单生产的定制流程涉及每年5万余种产品的逾16亿个部件：为了制造这家工厂的950种产品，西门子向全球250家供应商采购约1万种原材料。这个生产流程的复杂性远远超出了传统工厂的能力范围，但却保证了每100万件产品中次品只有大约15件，庞大生产线的可靠性达到99%，追溯性更是高达100%。西门子智能工厂的秘诀，就是建立起一个紧密结合的技术网络，这些技术相互整合，共同组成一个更智能、更高效的整体。

因最近的一篇重磅报告《工业互联网：打破智慧与机器的边界》，通用电气公司成了智能工厂讨论的焦点。报告认为，高度互联的工业运营网络结合了两大颠覆性革命的最新成果，一方面是源自工业革命的无数机器、设施、车队和网络，另一方面是互联网革命带来的计算、信息和通信系统等方面最近取得的迅猛进展。结果是带来了新一轮工业革命，由此打开了一片新天地，“这有望为全球经济带来10万亿美元到15万亿美元的产值”。

物联网是智能制造的一个重要领域。近年来，中国在物联网高端传感器、芯片、通信协议等领域取得了一批创新成果，在交通、物流等领域的应用示范扎实推进，逐步探索出了一条两化融合的重要实现路径。棉纺企业江苏无锡一棉利用物联网监测监控生产过程，把公司成品、生产过程、环境、安全、电能五个方面数千台（套）设备组成网络，并和企业局域网、互联网、移动网融合，实现了管控一体化。

对于大型装备制造、冶金工业、石油化工、汽车、医药等国家重点行业企业，普遍面临人力成本和生产成本上升的困难，迫切需要普及深化工业自动化技术。克莱德贝尔格曼华通研发中心副总工程师孔祥云等表示，现代化工业生产中不同层面的先进产品技术以及应用解决方案在中国市场的需求越来越大。

4.3两化深度融合呈四大新方向

面对以信息网络技术创新引领的智能化制造新趋势，大力推进两化深度融合成为打造中国制造业升级版的必然选择。苗圩提出，要抓好建设和推广企业两化融合管理体系标准、全面提升工业智能化水平、推动信息网络技术与制造业深度融合、加强两化融合支撑能力建设等四项重要工作。

由于我国传统产业领域企业信息化水平不高、流程管理缺位、关键能力不足等问题，亟须制定企业两化融合管理体系，引导企业提升信息化管理水平。2014年，工信部将选择500家企业开展企业两化融合管理体系的国家标准贯标试点，争取年内200家以上企业基本达标，并不断验证和完善两化融合推进机制。

推进两化融合，运用信息技术改造提升传统产业是重点方向，要深化信息技术在研发设计、制造、管理、营销等全流程和全产业链的集成应用。对大企业，重点是围绕设计、制造、营销等环节，深化信息技术的集成应用，提高生产设备、生产过程、制造工艺智能化水平，加快工业机器人、增材制造等先进制造技术在生产过程中的应用，培育数字化车间、智能工厂，推广智能制造生产模式。对中小微企业，重点是进一步完善面向中小微企业的信息化服务体系，解决中小微企业在技术创新、企业管理、市场开拓、投资融资、人才培养、信息咨询等方面存在的突出困难，降低中小微企业信息化应用门槛，提高中小微企业信息化应用能力和水平，增强中小微企业发展活力。

以互联网思维创新工作思路和机制，推动互联网与制造业深度融合。一是推动物联网、大数据技术在工业领域的集成创新和应用。二是推进制造方式的互联网化。三是鼓励制造业创新销售和服务模式。

苗圩指出，推进两化融合，网络是基础。中国已建成全球最大的信息通信网络，固定电话用户、移动电话用户、互联网网民人数均已居世界第一，但宽带网络建设整体水平不高，与发达国家相比仍有较大差距。工信部将大力实施“宽带中国”战略，加快信息网络宽带化升级，推动新一代移动通信发展，全面推进三网融合，着力构建宽带、融合、安全、泛在的国家信息基础设施。推进两化融合，产业是支撑。要加快提升现代信息技术产业支撑能力，突破高端芯片、新型显示、关键电子元器件等核心关键技术，大力发展应用电子和工业软件，支持云计算、物联网等新一代信息技术研发和产业化，鼓励智能终端产品创新发展，增强信息

产品供给能力。同时，要高度重视网络信息安全问题，不断增强两化融合形势下网络信息安全保障能力。