德国工业4.0概况及研究计划

德国工业4.0概述大纲一、工业4.0的背景1. 历史回顾2. 人类社会的工业化进程3. 工业4.0提出的原因二、工业4.0的概念三、工业 4.0 的目标任务1．工业4.0的根本目标2．工业4.0的任务四、工业4.0的内涵1．工业化与互联网2．工业4.0战略的互联网与工业相融合3. 工业4.0的核心基础——信息物理系统知识点汇总原理和观点K01：工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。

K02：工业4.0是运用信息物理系统(CPS, Cyber Physical System)，实现设计、采购、制造、销售等生产信息的数据化、网络化、智能化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。

K03：工业4.0也可以表述为信息化加上工业化，即两化融合。

两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。

K04：工业4.0的根本目标是对智能工厂实行标准化。

K05：工业4.0的首要任务是提升价值附加链，拓展新的商业模式，其重要任务是提出整体方案，解决安全、隐私及知识保护等问题。

K06：工业4.0的核心基础是信息物理系统，其实质是物理进程与信息的反馈，即物理对象与互联网融合。

正文一、工业4.0的背景1.历史回顾“工业4.0（Industry 4.0）”一词于2011年首次提出。

“工业4.0”的提出者是德国人工智能研究中心（DFKI）的CEO和科学总监Wolfgang Wahlster 教授。

2013年德国乌尔里希·森德勒编著出版了《工业4.0》一书，正式开启了德国工业4.0时代，在全球引起了巨大反响。

工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。

德国政府于2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”研究项目，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。

工业4.0的地位是国家级战略，推动者是德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界。

该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元，旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴，其技术基础是网络实体系统及物联网。

“工业4.0”战略已上升为德国的国家级战略，并得到德国科研机构和产业界的广泛认同。

2013年底，德国电气电子和信息技术协会发布了德国工业4.0标准化路线图，德国弗劳恩霍夫协会在其下属6－7个生产领域的研究所引入工业4.0概念。

德国西门子公司已经将工业4.0概念引入其工业软件开发和生产控制系统。

2.人类社会的工业化进程究竟什么是“工业4.0”呢？为什么是“4.0”？而不是“3.0”“2.0”“1.0”呢？首先需要了解一下人类社会的工业化进程。

工业化始于18世纪末机械制造设备的引进，那时像纺织机这样的机器彻底改变了货物的生产方式。

第一次工业革命也就是工业1.0，创造了机器工厂的“蒸汽机”时代。

1784年出现了第一台机械织布机标志着工业1.0的诞生；继第一次工业革命后的第二次工业革命大约开始于20世纪初，在劳动分工的基础上，采用电力驱动产品的大规模生产。

工业2.0，将人类带入分工明确、大批量生产的流水线模式和“电气时代”；到了20世纪的五六十年代，信息化的浪潮席卷全世界，第三次工业革命的标志性事件是基于半导体技术的硅材料的信息化的运用，即晶体管的发明，进一步提高了生产的自动化水平，引领了至今的信息化革命，第三次工业革命引入了电子与信息技术，从而使制造过程不断实现自动化，并一直延续到现在。

那么几十年过去了，第四波的工业革命浪潮是否来临呢，它的基础和特征又是什么呢？随着德国工业4.0项目的隆重推出，工业革命已经进入到了第四个阶段，其特征就是智能化。

第一次工业革命，以英国1784年蒸汽机的发明为标志，延续时间86年。

第二次工业革命，以美国1870年发电机的发明为标志，延续时间99年。

第三次工业革命，以美国1960年半导体晶体管的发明为标志，直到现在并还会延续20年左右。

第四次工业革命，以德国2013年工业4.0研究项目的推出为标志，预计将延续30到40年。

3.工业4.0提出的原因德国政府提出工业4.0的原因是什么呢？其内部原因是，德国本来就是制造业强国，需要保持并提高自己的优势。

这种优势体现在两个方面，一个是技术水平处在较高的水平，二是高效率的创新体系。

工业4.0计划提出的外部原因主要有两个，一是美国等发达国家的“再工业化”带来的刺激，二是以中国为首的新兴国家的崛起使得德国产品在国际市场上的地位受到挑战。

因此工业4.0的提出并不完全是德国制造业领先的体现，也是被竞争对手逼出来的应对计划。

二、工业4.0的概念德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。

该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-Physical System)相结合的手段，将制造业向智能化转型。

也就是，运用信息物理系统(CPS, Cyber Physical System)，实现设计、采购、制造、销售等生产信息的数据化、网络化、智能化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。

“工业 4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，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。

在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。

创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。

从另一个角度来看，工业4.0也可以表述为信息化加上工业化，即两化融合。

两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。

信息化与工业化主要在技术、产品、业务、产业四个方面进行融合。

也就是说，两化融合包括技术融合、产品融合、业务融合、产业衍生四个方面，从而产生工业 4.0的革命性的变化。

图中展示了工业化与信息化的融合形式，以生产商作为图中的核心要素，那么左边就是客户，作为设计者可以直接参与产品的设计，那么右端客户作为生产者，也可以通过一定的形式介入到产品的制造全过程，最终我们的产品买给客户。

那么生产商和客户直接是怎样的联系方式呢？生产商以客户为中心，提供全套的计划、生产、服务流程，与现在的规模化生产的区别是客户全程参与了设计、生产与销售，因此客户得到的产品是个性化的产品，这就是工业4.0的价值观。

三、工业 4.0 的目标任务1.工业4.0的根本目标工业4.0的根本目标是对智能工厂实行标准化，工厂的标准化主要做到以下四方面：围绕智能工厂生态链上各个环节制定合作机制；通过在生产过程中推行标准来优化生产流程制；制定工业4.0时代的游戏规则；推广标准化到国际市场，在未来的工业制造业处于领先地位。

可见，工厂的标准化完全实现了工业 4.0的目标。

2.工业4.0的任务工业4.0的首要任务是要提升价值附加链，要拓展新的商业模式。

工业4.0的重要任务是提出整体方案，解决安全、隐私及知识保护等问题。

为了完成以上任务，需要开展的实施策略即：政府需要支持研究项目；对于企业而言，需要工人进行再培训；此外，需要信息化融入工业化，因此需要建设良好的信息及通讯环境。

只有这样，才有可能完成工业4.0提出的任务。

四、工业4.0的内涵工业4.0最核心的即一个网络——信息物理系统。

三大集成包括：纵向集成、横向集成、端到端集成。

四大主题是：智能制造、智能工厂、智能物流、智能服务。

工业4.0的八项计划包括：标准化和参考架构、复杂系统管理、工业宽带基础、安全和保障、工作的组织和设计、培训与再教育、监督框架、资源利用效率。

以下将具体展开工业4.0的内涵。

1.工业化与互联网工业化的互联网引入了物联网的概念，物联网建立了物理对象之间的信息关联。

图中显示了物联网的发展与工业化的结合。

其中红线代表1个计算机对多个用户，绿线代表1个计算机对1个用户，蓝线代表物联网实现的智能工厂的要求。

可见，随着信息量的剧增，对物联网的要求也逐渐增加。

即嵌入式计算机、中央计算机、PC、智能手机、智能卡……等都需要物联。

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。

从工业角度来看，互联网+可以看做是互联网与工业融合的一种形式。

如图所示，左边的纵坐标是工业产业链，横坐标是生产制造流程，绿色方块的融合效果显示，颜色越深表明融合效果越好。

从生产制造角度看，互联网对工业的融合目前主要在供应链、营销这两个方面。

比如营销方面，我们从互联网淘宝上可以买到很多东西，这对于互联网的提供者来说，就是一个营销的过程。

生产商可以从网上买到很多的原材料，因此这两个方面正是互联网发展的高峰，很多互联网企业在这些方面得到了充分的发展。

图中显示制造部分互联网介入的程度较低，这也是今后整个制造业进行革命性生产的重要领域。

互联网正在加快向企业服务和研发环节渗透，包括制造服务化、个性化定制、众包设计、众筹融资等模式。

此外，互联网还要进一步向企业制造环节渗透，如网络协同制造、工业云等模式初露端倪。

最终互联网将打通工业生产的全生命周期，实现融合发展，彻底改变现有的生产范式，这将会是互联网+时代的一个重要应用领域。

2.工业4.0战略的互联网与工业相融合工业 4.0战略的互联网与工业相融合的图中显示，上层的网络是服务互联网，底层的互联网称之为物联网，硬件上包含了传感器、执行器、控制器和移动设备，主要建立了物理对象之间的信息互联。

那么底层的物联网与上层的服务互联网如何与工业产品的全制造过程相结合呢？两边的大数据流向何处呢？首先智能物料通过应用程序平台把底层物联网的信息以及来自服务互联网的信息流通到智能物料的平台上，进行智能物料的采购和管理。

最重要的中间部分就是智能工厂，它通过应用程序平台，把顶层的服务互联网的信息和底层的物理设备之间生产所相关的数据信息收集、采纳、分析、决策，然后实现一个智能化的生产过程。

第三部分服务互联网的信息和底层物联网的信息通过另一类应用程序平台转变到智能产品的内涵上，例如包括产品的生产日期、生产设备、组合材料等，对其进行身份标记，在随后的售后服务中，我们可以清醒地知道该类产品的智能属性，其身份信息将会贯穿产品的使用全过程。

那么互联网+的应用领域有哪些呢？服务业方面主要形式为消费互联网，这是目前应用最为广泛的一种形式。

随着互联网技术与工业的相融合，将会产生工业互联网，其所涵盖的产品应用对象和应用信息都来自于工业生产的全过程。

将互联网应用于农业会产生农业互联网，它将会包含每种农产品自身的某种属性。