聚焦工业4.0

　　前三次工业革命的到来造就了机械、电气、信息技术。如今，以物联网为主的工业4.0能否成为第四次工业革命？

　　德国联邦政府提出的工业4.0战略是作为《高技术战略2020》的重要组成部分，并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出。2014年10月，中德两国签订《中德合作行动纲要》，中国希望在工业4.0方面和德国加强合作。

　　高端装备制造国产化与自动化、涵盖车联网和智能安防网络等智能产业，必将成为未来发展的重点方向，因此对工业4.0加深了解很有必要。

　　一种趋势的风向标

　　德国联邦政府制定的《高技术战略2020》旨在奠定德国在重要关键技术上的国际领先地位，继续加强德国作为技术经济强国的核心竞争力。其中，信息通信技术尤为重要，它几乎是所有行业和应用领域的关键创新驱动引擎。

　　在《高技术战略2020》行动计划中，德国联邦政府为未来项目工业4.0设立了雄心勃勃的目标：德国要成为现今工业生产技术（即信息物理系统）的主力供应国和主导市场。工业4.0概念主要是指以智能制造为主导的革命性的生产方法。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（CPS即Cyber-Physical System)相结合的手段，将制造业向智能化转型。

　　工业4.0研究项目由德国联邦教研部与德国联邦经济技术部联手资助，并在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成雏形，该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，并已上升为国家级战略。

　　据悉，德国联邦政府对该项目共投入2亿欧元。目前，弗劳恩霍夫协会将在其下属6-7个生产领域的研究所引入工业4.0概念，西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统当中。

　　在工业4.0时代，借助信息物理系统（CPS）等创新技术，整个生产流程都由软件来控制，包括人机整合、机器与外部机器整合、生产流程与外部合作伙伴整合等。工业4.0概念描述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。

　　当今世界，制造业工程领域的全球化竞争变得日渐白热化，德国并不是唯一一个在制造业部署物联网和行业服务的国家。在美国，工业4.0的概念更多被工业互联网所取代，虽称呼不同，但基本理念一致。

　　从政策层面来讲，为应对新科技产业革命，争夺国际产业竞争话语权，美国重振制造业将作为近年来最优先发展的战略目标。金融危机后，美国政府出台了一系列法案，着力打造制造业创新研究中心，希望以高新技术改造传统制造业，推动美国经济再次走上可持续增长之路。从行业层面上看，行业组织工业互联网联盟的组建，宣告了企业界组团迈向工业4.0时代。与德国强调的“硬”制造不同，软件和互联网经济发达的美国更侧重于在“软”服务方面推动新一轮工业革命，希望用互联网激活传统工业，保持制造业的长期竞争力。

　　据美国智库威尔逊中心发布的《全球先进制造业趋势报告》显示，美国研发投资量位于世界首位，其中3/4投向制造业，在合成生物、先进材料和快速成型制造等先进制造业领域优势明显。在政府和私营部门的大力推动下，美国很有可能出现以无线网络技术全覆盖、云计算大量运用、智能制造大规模发展为标志的新一轮技术创新浪潮。

　　一幅未来的图画

　　工业化始于18世纪末机械制造设备的引进，比如像纺织机械的使用，极大地改变了产品的产出方式；而以电力驱动进行大规模生产为特征的第二次工业革命则发端于20世纪初期；进入20世纪70年代，第三次工业革命又取代了第二次工业革命，其主要变化就是导入电子与信息技术（IT技术），从而使制作过程不断实现自动化，机器不仅代替部分“体力劳动”，还在相当程度上接管了一些“脑力劳动”。

　　前三次工业革命的到来造就了机械、电气、信息技术。如今，物联网和制造业服务正宣告着新的工业革命--工业4.0的到来。至于工业4.0能否成为第四次工业革命，我们还需要拭目以待。工业4.0未来项目主要分为两大主题：一是智能工厂，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是智能生产，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动及3D技术在工业生产过程中的应用等。

　　未来，工业企业将以信息物理系统为框架建立包含生产设备、仓储系统和工业产品的全球性网络。在制造业领域的所有因素和资源间形成全新的“社会-技术”互动水平，它将使生产资源，如生产设备、机器人、传送装置、仓储系统及生产设施，形成一个循环网络并具备以下特性：自主性--可自我调节以应对不同状况；可自我配置--向以往经验学习、配备传感设备、分散配置，同时也包括相关的计划与管理系统。

　　作为工业4.0的一个核心组成部分，智能工厂将渗透到公司间的价值网络中，并最终促使虚拟数字世界和现实物质存在的完美结合。智能工厂以“端对端”的工程制造为特征，不仅涵盖制造流程，也包括制造的产品，进而实现数字和物质两个系统的无缝融合。对工作人员而言，智能工厂将使制造流程的日益复杂性变得可控、使制造过程具有吸引力，同时使制造的产品在社会环境中具备可持续性及盈利能力。

　　智能产品具有独特的可识别性，可以在任何时候被识别出来，在某些领域他们还可以半自主控制其生产的各个阶段。此外，智能产品也有可能具备他们在工作范围内发挥最佳作用的能力，同时在整个生命周期内随时确认自身的损耗程度。而这些信息可以汇集起来供智能工厂参考，以帮助工厂在物流、装配和保养方面持续优化。当指令经过CPS系统时，纵向需要经过工厂和公司的商业流程，横向则连接了可以实时管理的衍生价值体系，这两方面共同构建了嵌入式制造的系统网络。此外，每一条指令都需要流经过程链条中的每一个环节。

　　工业4.0拥有巨大的潜力。智能工厂让用户的个性定制化需求在设计、配置、采购、规划、制造、运作和回收各个环节得以满足。这就意味着，即使是一次性、小批量的产品也可以制造出来并且保持收益。在工业4.0中，对供应商而言，动态商业模式和工程流程使生产和交付变得更加灵活，而且对于生产中断和故障可以灵活反应。现在工业制造在制造流程中已经能够提供端到端的透明化，以促进选择决策的制定。工业4.0将会发掘出创造价值的新方法，开发出商业新模型。特别需要说明的是，工业4.0还将给新兴公司和小型投资者的发展带来契机，下游服务商也将从中受益。

　　此外，工业4.0将致力于解决当今世界遇到的一些挑战，比如资源效率、城镇化和人才结构调整等。工业4.0能够持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。同时能够将人口结构变动和社会因素考虑在内，并设定合适的方式来组织生产。智能辅助系统可以把工人从单调、程式化的工作中解放出来，使其能够将精力集中在创新和增值业务上。为应对熟练工短缺，工业4.0允许高龄的工人延长他们的工作生涯，使他们能够长时间地保持生产力。灵活的工作组织形式使得工人们能够更好地整合他们自己的工作及私人生活，持续的职业生涯发展将变得更有效率、更有人情味。可以说，工业4.0为工作和生活找到了一个更好的平衡点。

　　工业4.0的实施需要通过服务水平的协议来进一步拓展相关的网络基础设施和特定网络的服务质量。对于相关板块应该是具有巨大的商机。总而言之，工业4.0很有可能将对全球产生超出我们想象的影响并且造就一个极为活跃的环境。

　　工业4.0离我们并不是非常遥远，试举一个汽车行业的例子。现阶段，能源利用效率已经成为制造业生产过程中必须要考虑的问题，为此，在生产间歇中随时关闭那些不工作的部分以减少能源消耗就变得十分必要。工业4.0将最大限度地利用现有条件实现这一能力，使之融入到生产设施从计划到运行的全过程。比如，在德国，使用激光焊接技术的汽车车身装配线在生产间歇时消耗的能源占其全部能源的12%（通常工厂每周工作5天并3班倒），虽然周末停工，但是这些复杂设备要一直保持工作状态以便周一迅速恢复生产。在生产间歇的90%的能源消耗中，机器人（20%~30%）、通风设备（35%~100%）、激光源和冷却系统（0~50%）。

　　未来，机器人即使在很短的时间间歇内也可以关闭，在较长时间内可以保持一种称为“网络唤醒模式”的待命状态，通风设备根据需要可以控制速度，而激光源则可以使用全新系统以达到节能目的。这样做可以减少总能耗的12%。因此，整合了可控部分设备开关的汽车车身生产线能够节省能源，且升级现有设备的成本/风险率也不高，是一条可操作的道路。

　　实际上，德国主要汽车企业已经为此做出了自己的战略思考，对于工业4.0而言，戴姆勒的观点是：汽车产品需要智能化、互连、数字化，而工业4.0既是对产品也是对工艺提升的改进；生产工艺也需要横向和纵向融合，即工位的数字化，即PLM/ERP/NX互连、数字化工厂、柔性工艺等；人工智能与人机融合则是重点。

　　同时，戴姆勒还提出2036大纲，即现在开发2020年至2030年的汽车产品，同时奠定2040年新一代工厂的规划基石，工业4.0的核心理念将得到贯彻。与此同时，大众汽车的观点是：生产工艺发展的大方向是应对环境的挑战，大众目标是到2018年每一辆车减少25%的环境压力，工业发展边界条件和产品的挑战决定了生产工艺，工业4.0将是更新生产工艺的有力武器。其中，大众汽车的EMDEN动力总成工厂就应用了诸多新技术，比如eKiss人机一体化系统、智能化的模具、装配线上RFID的应用、培训中心的3D技术等。

　　必须付诸的行动

　　为实现工业制造到工业4.0的转变，德国人决定采取双重战略。该国装备制造业计划不断将信息与通信技术集成到传统的高技术战略来维持其全球领先地位，从而成为智能制造技术的主要供应商。同时，德国人也不遗余力地为CPS科技产品建立培育新的主导市场。为达成这个双重要求，以下三个工业4.0的特征应该被执行：通过价值网络实现横向集成；端到端的工程数字化集成贯穿整个价值链；纵向集成和网络化的制造系统。如果工业4.0被成功实现，研发也需要与之适应的工业化政策的支持。为此，以下八个领域需要进一步改进：

　　一、标准化和参考体系：工业4.0将会涉及网络技术的设计并通过价值网络集成几家不同的公司。如果一揽子共同标准得以实现，这种合作伙伴关系才能成为可能，这需要一个参考体系来描述标准并促进标准的实现。

　　二、复杂系统的管理：制造系统正在日益变得复杂，适当的计划、描述和说明模型可以为这些复杂系统提供管理基础。工程师们需要为了发展这些模型而进行更多的方法创新和工具应用。

　　三、一套综合的工业基础宽带设施：无疑综合性、高质量的通讯网络是工业4.0的关键要求。无论是在国内，还是在合作的国家之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步的、大规模的拓展。

　　四、安全和保密：安全和保密是智能制造系统成功的关键。保障设备和产品自身不会引起使用者的危险，也不会对环境造成污染十分重要。同时，设备和产品中包含的信息特别需要被保护，以防止这些信息被滥用或者在未被授权的情况下使用。这将对安全和保密的架构和特殊识别码的集成调用产生更高的要求，同时相关的培训和员工职业生涯的持续发展规划也要得到加强。

　　五、工作的组织和设计：在智慧工厂里，雇员的角色将会发生引人注目的改变。越来越多的实时导向性控制将会让工作内容、工作流程和工作环境发生较大改变。针对组织工作的管理科学的进步将会给工人提供承担更大责任和更好个人发展的机会。

　　六、培训和持续性的职业发展：工业4.0将从根本上改变工人们的工作和职业诉求。实施适合的培训策略并致力于建立学习型组织的工作也因此而变得非常必要，可以借此实现终身学习和基于工作地点的持续个人发展计划。

　　七、规章制度：在工业4.0时代下建立新的制造流程和水平的商业网络架构时必须遵守法律，而已存在的立法也同样需要在必要时考虑创新对法律带来的影响。面临的挑战包括合作信息的保护、责任问题、管理私人信息和贸易限制等。这将不仅对立法，也对其他代表商务行为的活动提出了要求。而制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在。

　　八、资源效率：除高花费以外，仅是制造工业在原材料和能源上的消耗便会引起一系列关于环境与安全受到威胁的探讨，而工业4.0将会提高资源的生产率及利用效率。企业将会权衡“投资在智慧工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊，从而做出明智的选择。

　　总而言之，通向工业4.0的道路将会伴随着一系列天翻地覆的改变。现有的基本技术和经验将不再如以往那样灵验，因而不得不为了适应智能制造而改变内延及外涵，同时应该探讨为开发新地点和新市场而制定创新型解决方案。

　　中国面临的机遇与挑战

　　工业4.0战略将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，并会产生各种新的活动领域和合作形式，改变创造新价值的过程，重组产业链分工。如获成功，德国将成为现今工业生产技术的供应国和主导市场。

　　中国工程院院长、中国机械工程学会理事长周济在一次研讨会上断言：“德国工业4.0战略将催发中国加快推进新一轮工业革命，将推动中国制造业升级，成为我国制造业的催化剂。”在德国等发达国家正在向工业4.0迈进的时候，作为新兴工业国家的中国仍然还在进行工业2.0，这难免会拉大与西方发达国家的差距，要实现中华民族伟大复兴的中国梦，更加需要强大的科技创新力量作为提高社会生产力和综合国力的战略支撑。新一轮工业革命对中国既是挑战也是机遇。

　　首先，中国面临着极大的挑战。当前，世界主要国家都在寻找科技创新的突破口，抢占未来经济科技发展的先机。中国的现代化同西方发达国家有很大不同。西方发达国家是一个串联式的发展过程，工业化、城镇化、信息化渐进式发展。

　　比如德国已经实现了工业1.0、工业2.0、工业3.0，正在向工业4.0迈进。如果中国抓不住这次机会，就要在科技创新的大赛场上落伍，就算实现了工业化，也会与发达国家渐行渐远。

　　另一方面，中国也同样面临着极大的机遇。中国要后来居上，实现跨越发展，发展方式必然是一个并联式的发展过程，也就是工业2.0、工业3.0、工业4.0同步发展。当前，中国和发达国家掌握新一轮工业革命的核心技术的机会是均等的，这为我国发挥后发优势、实现跨越发展提供了可能，使我们可以通过掌握新工业革命的核心技术，成为新的竞赛规则的重要制定者、新的竞赛场地的重要主导者，可以不再跟在西方发达国家后面亦步亦趋，而是依靠工程科技创新和并联式发展，在比较短的时间内追赶发达国家的先进水平，有可能实现弯道超车，从而加快中国工业现代化的进程。

　　工业4.0自从2013年提出以来，在国内已经逐步引起业界的广泛关注，工信部也多次召开会议讨论工业化和信息化“两化融合”问题。从政府到企业，一时间，工业4.0成为街谈巷议的热点内容。有些人在谈论，有些人已经在探索、在行动。

　　在2014年11月举行的第十六届中国国际工业博览会上，中国首套自主研发的工业4.0流水线亮相。据悉，这套流水线在TCP/IP协议工业以太网、二维码比对技术、CCD影像识别技术、6轴机器人集成应用等方面实现了突破。此外，3D打印、工业机器人等相关产业的发展也方兴未艾。其中，机器人产业已经迎来加速发展阶段。

　　统计显示，2013年中国工业机器人的销量达到36860台，同比增长41%，超越日本成为全球第一大机器人市场。在国内，工业4.0的转化网站已悄然上线，比如某专业网站建立了家纺类个性化与定制化的生产模式。这种模式下，家纺流通行业将逐渐消失，传统家纺生产企业将不再为库存所累，家纺产业链分工将被重新整合。

　　新思维也启迪了新行动、新做法。例如，海尔已经开放研发设计环节，推出全球开放的研发平台。这个平台目前已经运营了两年，吸收了12万人的需求和创意。美的也专门设立研究院从事智能化研究，把外观、用户交互等内容用开放的形式来操作。

　　而像汽车这种高度工业化的消费品，也会成为工业4.0的最佳应用领域。消费者多样化与个性化的需求、宽广的产业链、快速的产品更新、互联网汽车、自动驾驶汽车等，都将要求现代化的汽车工作必须是智能工厂，而其产品也无疑是智能产品。中国多年来一直作为汽车的产销第一的市场，对资金、技术、人才流动具有强大的吸引力，利用工业4.0带给我们的发展契机，有可能把我国汽车工业引向由大到强跨越式发展的康庄大道。

　　文/柴占祥