第3章德国工业4.0

“工业4.0”是以物联网及务联网(服务联网技术)为基础的第四次工业革命。它通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前所未有的价值，构建新的商业模式，实现工业制造业的智能化转型。其核心是“智能制造”，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。物联网及务联网将渗透到所有的关键领域，创造新价值的过程逐步发生改变，产业链分工将被重组，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。
德国政府提出“工业4.0”并将其上升为国家战略，其主要目标是确保德国制造业的未来，其战略意图有二： 一是对抗美国互联网，即应对美国互联网巨头对制造业的吞并，如Google进军机器人领域，Amazon进入手机终端业务； 二是防守中国制造业，中国等发展中国家机械产业的高速增长引起了“德国制造”的危机感，在全球设备制造业的32个子行业中，中国已经在7个子行业取得了领先地位。
3.1德国工业4.0的战略要点
德国工业4.0的战略要点可以概括为“1238”工程，即： 建设一个网络、研究两大主题、实现三项集成、部署八大领域。
建设一个网络： 指信息物理系统(CPS)网络。信息物理系统的作用就是将物理设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等5大功能，从而实现虚拟世界和现实物理世界的联系和融合。CPS可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起，创造物联网及相关服务，从而将生产工厂转变为一个智能环境。
研究两大主题： 智能工厂和智能生产。“智能工厂”是未来智能基础设施的关键组成部分，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布生产设施的实现。“智能生产”的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程，从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。生产流程智能化是实现“工业4.0”的关键。
实现三项集成： 横向集成、纵向集成与端对端集成。“工业4.0”将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。横向集成是企业间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合，是为了实现各企业间的无缝合作，提供实时产品与服务； 纵向集成是基于未来智能工厂中网络化的制造体系，企业内生产过程可实现个性化定制生产，替代传统的固定式生产流程(生产流水线)； 端对端集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成，是在所有终端数字化的前提下实现的基于价值链的各不同公司之间的一种整合，将最大限度地实现个性化定制。

部署八大领域： 这是“工业4.0”得以实现的基本保障。一是标准化和参考架构。需要开发出一套单一的共同标准，不同公司间的网络连接和集成才会成为可能。二是管理复杂系统。适当的计划和解释性模型可以为管理日趋复杂的产品和制造系统提供基础。三是一套综合的工业宽带基础设施。建设全面、高品质的通信网络是“工业4.0”的一个关键要求。四是安全和保障。在确保生产设施和产品本身不能对人和环境构成威胁的同时，要防止生产设施和产品滥用及未经授权的获取。五是工作的组织和设计。随着工作内容、流程和环境的变化，对管理工作提出了新的要求。六是培训和持续的职业发展。有必要通过建立终身学习和持续职业发展计划，帮助工人应对来自工作和技能的新要求。七是监管框架。创新带来的诸如企业数据、责任、个人数据以及贸易限制等新问题，需要准则、示范合同、协议、审计等适当手段加以监管。八是资源利用效率。需要考虑和权衡的是，原材料和能源的大量消耗，将会给环境和安全应用带来的诸多风险。
总的来看，“工业4.0”战略的核心内容就是通过CPS网络实现人、设备与产品的实时连接、相互识别和有效交流，从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下，生产由集中向分散转变，规模效应不再是工业生产的关键因素； 产品由趋同向个性转变，未来产品都将完全按照个人意愿进行生产，极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造； 用户由部分参与向全程参与转变，用户不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。
3.2德国工业4.0的本质特征
“工业4.0”的本质特征可以概括为互联、集成和数据。即基于信息物理系统(CPS)，构建“状态感知—实时分析—自主决策—精准执行—学习提升”的数字虚拟环境，并实现万物互联，通过三项集成实现数据的自动流动，从而消除复杂系统的不确定性，在给定的时间、目标场景下，优化资源配置，实现知识循环应用，促进制造业模式革新，进而实现“智能制造”。
（1） 互联。“工业4.0”顺应互联网时代的发展，将各种高端技术、系统通过CPS融合形成智能互联网。智能互联网能够帮助工业制造过程实现多种互联，可以让机器、工作部件、系统以及人类通过网络保持数字信息的持续交流，实现生产设备之间互联、设备与产品互联、虚拟与现实互联，最终实现万物互联。
（2） 集成。集成是指“工业4.0”的三大集成。“工业4.0”构建出一个全新的智能网络，将无处不在的传感器、终端系统、智能控制系统以及通信设施通过CPS融合，不仅促进了人与人、人与设备之间的互联，还实现了“智能工厂”的集成。
（3） 数据。在“工业4.0”环境下，高端智能设备与终端的普及带来了无所不在的感知与连接。这些终端、生产和感知设备在运行过程中将产生大量数据，主要有产品数据、运营数据、价值链数据和外部数据。最终这些数据将会逐一渗透到企业运营，以及价值链在内的工业加工、制造周期中，成为推动“工业4.0”发展进程的基石。
3.3德国工业4.0的双重战略
“工业4.0”的最优配置目标，只有在领先的供应商策略和领先的市场策略交互协调并能确保其潜在利益都能发挥的情况下才能实现，这即双重战略。它具有3个关键特征： 一是通过价值链及网络实现企业间横向集成； 二是贯穿整个价值链的端到端的工程数字化集成； 三是企业内部灵活且可重新组合的网络化制造体系纵向集成。上述3个特征可使制造商在面对变化无常的市场时灵活地根据不断变化的市场需求调整自己的价值创造活动，进而稳固自己的市场地位。在双重战略下，制造业企业将在一个高速的、动荡的市场环境下，按照市场价格实现快速、及时和无失误的生产。
3.4德国工业4.0的智能制造
“工业4.0”重点研究两大主题——智能工厂和智能产品，归根结底是要实现智能制造。可以从智能化的产品、智能制造过程、智能工厂/车间、智能制造新模式/新业态几个方面来理解并认识智能制造。
1. 智能化的产品
所谓智能化的产品是指深度嵌入信息技术(高端芯片、新型传感器、智能控制系统、互联网接口等)，在其制造、物流、使用和服务过程中，能够体现出自感知、自诊断、自适应、自决策等智能特征的产品。和传统非智产品相比，智能产品具有故障诊断功能，能够实现对自身状态、环境的自感知； 具有网络通信功能，提供标准和开放的数据接口，能够实现与制造商、服务商、用户之间的状态和位置数据的传送； 具有自适应能力，能够根据感知的信息调整自身的运行模式，使其处于最优状态； 能够提供运行数据或用户使用习惯数据，支撑进行数据分析与挖掘，实现创新性应用等。
智能化的产品可分为3个方面： 一是面向使用过程的产品，二是面向制造过程的产品，三是面向服务过程的产品。
2. 智能制造过程
智能制造过程包括设计、工艺、生产管理和服务过程的智能化。
（1） 智能化的设计。通过智能技术在设计链各个环节上的应用，使设计创新得到质的提升。通过智能数据分析手段获取设计需求，进而通过智能创成方法进行概念生成，通过智能仿真和优化策略实现产品的性能提升，辅之以智能并行协同策略来实现设计制造信息的有效反馈，从而缩短产品研发周期，提高产品设计品质。
（2） 智能化的工艺装备。智能化的工艺装备能对自身和加工过程进行自感知，对与加工状态、工件材料和环境有关的信息进行自分析，根据零件的设计要求与实时信息进行自决策，通过“感知—分析—决策—执行反馈”闭环，不断提升装备性能及其适应能力，使得加工从控形向控性发展，实现高效、高品质及安全可靠的加工，实现设备与人的协同以及虚拟/虚实制造。
（3） 智能化的生产管理。在工厂或车间中，通过智能化技术和智能管理，实现生产资源最优化配置、生产任务和物流实时优化调度、生产过程精细化管理和智慧科学管理决策。内容涉及： 智能计划与调度、工艺参数优化、智能物流管控、产品质量分析与改善、设备预防性维护、生产成本分析与预测、能耗监控与智能调度、生产过程三维虚拟监控、车间综合性能分析评价。
（4） 智能化的服务。通过泛在感知、系统集成、互联互通、信息融合等信息技术手段，将工业大数据分析技术应用于生产管理服务和产品售后服务环节，实现科学的管理决策，提升供应链运作效率和能源利用效率，拓展价值链，实现在线监测、远程诊断和云服务，为企业创造新价值。
3. 智能工厂/车间
智能工厂/车间的特征主要体现在3个方面，一是具有自适应性，具有柔性、可重构能力和自组织能力，从而高效地支持多品种、多批量、混流生产； 二是产品、设备、软件之间实现相互通信，具有基于实时反馈信息的智能动态调度能力； 三是建立预测制造机制，可实现对未来的设备状态、产品质量变化、生产系统性能等的预测，从而提前主动采取应对策略。
4. 智能制造新模式/新业态
随着技术的进步，将涌现出一些全新的制造模式，或者叫新业态。这里主要介绍两种，一是网络协同制造或云制造模式，二是大规模个性化定制模式。
在网络协同制造模式中，网络化资源协同平台实现产业链不同环节企业间系统的横向集成，信息数据资源交互共享； 并行工程实现异地的设计、研发、测试、人力等资源的有效统筹与协同； 动态分析、持续改进，在生产组织管理架构方面实现敏捷响应和动态重组。
在大规模个性化定制模式中，产品采用模块化设计，可进行个性化组合； 基于网络的个性化定制服务平台，利用大数据技术对个性化需求进行挖掘和分析，形成个性化产品数据库； 企业设计、生产、供应链管理、服务体系实现集成和协同，匹配个性化定制需求。
新业态下，智能制造系统将演变为复杂的“大系统”，制造过程由集中生产向网络化异地协同生产转变，企业之间的边界逐渐变得模糊，制造生态系统显得更为重要，单个企业必须融入智能制造生态系统才能生存和发展。
3.5德国工业4.0的关键环节
1. 基于模型的全生命周期信息系统集成和管理是关键


以基于模型定义(modelbased definition，MBD)为核心，构建基于模型的企业(modelbased enterprise，MBE)，包含基于模型的工程、基于模型的制造以及基于模型的维护，是企业迈向数字化、智能化的战略路径，成为当代先进制造体系的具体体现。只有通过模型的建立，实现数据源的统一、信息的实时获取和全部信息应用系统的集成，才能大幅度提高效率、减少交货时间，满足柔性制造、个性化制造及产品纠错机制，确保产品质量。
2. 物联网在线智能识别和实时检测是根本保障
物联网通过应用智能传感与传输技术、射频识别和智能终端技术，将产品、设备、生产线、人的信息连接起来，互联互通，实现制造服务过程中的现场实时数据采集、数据处理和信息共享、综合分析与优化，确保在线智能识别和实时检测。
3. 云制造是实现大型企业集团全球资源整合的有效手段
大型企业集团通常在全球分布有制造工厂，为了有效整合利用分布式制造资源，应采取云制造模式，通过全球订单的统一管理、ERP计划的统一组织、物流的统一调配、制造的协同和市场的统一营销，提供高附加值、低成本和全球化制造的产品和服务。
4. 生产线和产品的模型仿真是难点
工业4.0重要的标志之一是能够实现生产线和产品工艺的模型仿真，只有通过仿真才能预测生产线的能力，并根据实际订单的需求来优化生产线工艺布局，真正实现制造的虚实结合。但是设备、生产单元、生产线以及工艺方法的数字化模型建立是当前制造业的难点，需要大量的数据积累和精准的算法模型，并不断地修正和完善，才有可能逐步逼近生产线的实际情况。同时，构建基于模型的制造企业，对于传统制造业无疑是一场革命，将改变原有的研制流程，与现行的生产、检验、管理制度甚至企业文化会发生很大的冲突。
3.6德国工业4.0的技术支撑
“工业4.0”的技术支撑主要包括工业互联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能，如图31所示。
（1） 工业互联网是“工业4.0”的核心基础，是开放、全球化的网络，它将人、数据和机器连接起来，是全球工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网的高度融合。
（2） 云计算(cloud computing)是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。“云”是网络、互联网的一种比喻说法，可分为公有云和私有云。
（3） 工业大数据是以工业系统的数据收集、特征分析为基础，对设备、装备的质量和生产效率以及产业链进行更有效的优化管理，并为未来的制造系统搭建无忧的环境。它在整个“工业4.0”里是一个至关重要的技术领域。
（4） 工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装备，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可受人类指挥，也可按预先编制的程序运行，现代工业机器人还可根据人工智能制定的原则纲领行动。
（5） 3D打印是快速成形技术的一种，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
（6） 知识工作自动化是通过机器对知识的传播、获取、分析、影响、产生等进行处理，最终由机器实现并承担长期以来被认为只有人才能够完成的工作，即将现在认为只有人能完成的工作实现自动化。
（7） 工业网络安全是为工业控制系统建立和采取的技术和管理方面的安全保护措施,以保护其硬件、软件、数据不因偶然的或恶意的原因而受到破坏、更改、泄露。也即保护信息和系统不受未经授权的访问、使用、泄露、修改和破坏，为信息和信息系统提供保密性、完整性、可用性、可控性和不可否认性。
（8） 虚拟现实是仿真技术的一个重要方向，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成模拟环境，是多源信息融合的交互式三维动态视景和实体行为的系统仿真，主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。
（9） 人工智能(artificial intelligence，AI)是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门技术科学，它试图了解智能的实质，并生产出一种能以与人类智能相似的方式作出反应的智能机器，主要包括机器人、语言识别系统、图像识别系统、自然语言处理系统和专家系统等。


图31德国工业4.0九大支撑技术


3.7德国工业4.0的主要优势
1. 信息物理系统


“工业4.0”被认为是以智能制造为主导的第四次工业革命，旨在通过深度应用信息技术和网络物理系统等技术手段，将制造业向智能化转型，其中CPS(信息物理系统)是关键通用技术。德国目前居于世界领先地位的有嵌入式系统、传感器和气动式控制系统，其信息物理系统制造商以及M2M、嵌入式系统、智能传感器和执行器制造商很可能成为全球市场和创新领先者。信息物理系统的应用将传统工业的3C——计算（computing）、通信（communication）和控制（control）拓展为6C，增加了内容(content)、协同(community)和定制化(customization)。利用新的技术，工业企业借助德国具有比较优势的信息物理系统（包括智能设备、数据存储系统和生产制造业务流程管理），可以使订单自动通过整个价值创造链条，自动预定加工机器和材料，自动组织向客户供货，自动优化物流体系，并在生产环节实现数字化、可视化的智能制造。
2. 中小企业发挥重要作用
德国管理学家赫尔曼·西蒙认为，德国出口贸易之所以取得持续发展，主要得益于其众多的中小企业，特别是那些在国际市场上处于领先地位的中小企业。他把这些中小企业称为“隐形冠军”。德国机械设备制造业有超过6000家公司，其中87%以上是中小企业，且绝大多数是家族企业，平均从业人员不超过240人，共雇用了90.8万名高素质的劳动力。小而精是德国中小企业的特点，小是指企业的规模相对于大企业而言从业人数较少，精是指产品的科技含量和单位产值较高。但其实并不是所有的制造业都是以中小企业为主的，这种企业结构主要存在于机器设备制造业以及信息和通信产业，而在金属、钢铁和其他有色金属制造，重型机械和电力机械制造，人造染料、纤维、肥料以及新材料和化学工业等领域，则是以“大企业”为主导，但也有大量中小企业，且与大企业形成了比较和谐的共存和发展关系。在“工业4.0”目标下，各类智能互联制造平台将中小企业整合到新的价值网络中，进一步增强了中小企业的活力，使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者，从而带动产业结构整体升级。
3. 产业组织结构加速转变 
“工业4.0”重新定义了制造商、供应商和开发商之间的网络协同结构，目的是实现市场与研发、研发与生产、生产与管理的协同，从而形成完整的制造网络。德国产业结构正由传统的大型企业集团掌控的供应链主导型向产业生态型演变，平台技术以及平台型企业将在产业中展现出更多的作用。根据德国工业4.0标准化路线图，可将“工业4.0”的参与者分为三类： 技术供应方、基础设施供应方和工业用户，分别负责提供关键的产品技术、软件支持结构或服务以及利用新技术优化生产过程。从生产流程管理、企业业务管理到研究开发产品生命周期的管理形成的“协同制造模式” (collaborative manufacturing model，CMM)，使企业价值链从单一的制造环节向上游研发与设计环节延伸，企业管理链从上游向下游生产与制造环节拓展，形成了集成工程、生产制造、供应链和企业管理的网络协同制造系统。
4. 标准先行
标准化是保持领跑的先决条件、产业竞争的制高点，保证制造业企业市场竞争力的关键，也是实行贸易保护的重要技术手段。德国是世界工业标准化的发源地，约有2/3的国际机械制造标准来自德国标准化学会（DIN），包括一系列专业委员会，如机械制造标准委员会(NAM)、机床标准委员会(NWM)、电工委员会(DKE)、技术监督协会(TUV)等，以及申克(SCHENCK)、鲁尔奇(LUＲGI)、道依奇(DEUTZ)三大公司的标准化室等。标准的功能主要体现在信息提供上，减少复杂多样性和不匹配。标准化每年为德国带来可观的经济利益，德国企业对“谁制定标准谁就拥有市场”体会颇深。技术变革的不断加快和生命周期的不断缩短，要求标准必须处在实时的演进中，以适应产业实践的跨越。为继续保持“德国制造”的领先地位，标准化成为工业4.0的重要组成部分。新的技术标准具有显著的高技术性、更强的系统性和协调性以及动态性与适应性，为企业提供技术标准和通用性框架。
5. 人力劳动的灵活性 
未来的工业生产需要大量有素质和能力的员工来面对灵活性的需求。高度自动化系统难以实时反映产品越来越复杂、更多差异化、生命周期越来越短的现实，追求专门单一领域的自动化和由人推动的灵活链接方式是可行性较高的选择。人可以将自动化的单个系统连接起来，在思维能力、关联能力、感知能力等方面也比机器有优势，或者说这些功能通过机器来实现成本较高。未来控制标准化的日常工作可以依赖信息物理系统，而复杂的决策工作留给人，生产过程中机器和人的关系将更加紧密，合作方式更加灵活，人的灵活性要与机器设备的灵活性相匹配，组成团队共同工作。在德国，携带智能装备的人被吸纳到“工业4.0”之中，工人通过移动终端调取相关信息、应用和商业数据，信息可以分散式获取、加工和反馈。例如，越来越多的工厂开始使用Iproduction Pad 作为增强型辅助设备，按照不同情形给人提供相应信息和辅助系统。
3.8德国工业4.0的远景展望
1. 智能化、网络化世界的建立


在“工业4.0”的世界，物联网和务联网将渗透到所有相关领域： 能源供应领域内智能电网将成为主流，并将出现在智能健康领域、可持续移动通信战略领域(智能移动性、智能物流)； 在生产环境中，纵向集成、端对端集成、横向集成将贯穿整个价值链，“工业4.0”将开启智能生产及其网络系统。其主要特征如下。
(1) 社会技术互动达到新高度。在生产过程中所有的参与者与资源之间形成新的社会技术互动的新高度，这种互动将围绕着生产资源网络(生产设备、机器人、传送装置、仓储系统以及生产设施)进行。该网络具备以下特征： 自动化——根据不同情形自我反馈、自我修复，知识型——泛在的传感器，以及空间分散性。作为该愿景的重要组成部分，智能工厂将通过端对端工程被植入公司间价值网络，达到虚拟与实体世界的无缝衔接。
(2) 智能产品的可识别性。智能产品将会具备单一的识别性并可随时定位，这意味着智能产品可以半自动控制生产过程。而且，智能产品的完成品知晓适合自己运行的最佳参数，并能在整个生命周期中感知自身的损耗程度。
(3) 生产设计过程中的客户参与。有着独特需求的顾客可以参与到产品的设计、架构、计划、生产、运作以及回收等环节，甚至可以在生产过程及生产完成前随时根据需求改变设计及生产，使独一无二及小批量的产品生产并获得利润成为可能。
(4) 员工的创造性将被激发。员工可以根据形势和环境敏感目标来参与生产工艺的控制、调节以及配置。员工将从日常工作中解脱出来，更加专注于富有创造性、附加值更高的生产活动。同时，灵活的工作条件可协调其工作与个人需求。
(5) 网络基础设施及服务质量提升。“工业4.0”的实施需要进一步拓宽相关网络基础设施以及特定的网络服务质量。这将使得满足那些高宽带需求的数字密集型设备成为可能，同时也可能满足有着严格时间要求的服务供应商，因为通常他们使用的设备具有高度时间敏感度。
2. 新的商业机遇与合作模式
“工业4.0”将带来新的商业机遇与合作模式，朝着满足个性化、随时修改的方向发展。这种模式有助于中小企业采用在当今许可和商业模式下无力负担的服务与软件系统。新的商业模式将为如动态定价、服务质量水平协议等问题提供解决方案。动态定价将充分考虑顾客与竞争者的情况，服务质量水平协议则关系到商业合作伙伴之间的网络及合作关系。这些模式将确保价值链上所有利益相关者都能分享潜在的商业收益，包括新进者。
由于“工业4.0”通常被概括为“网络化制造”“自我组织适应性物流”“顾客集成形工程”，因此需要一个高度动态化的商业网络，而非单个公司的形式。这又将引发一系列如财政、发展、可靠性、风险、责任和知识产权等问题，并且要求责任被正确地分配到商业网络中的各相关主体，同时依靠相关约束性文件来支撑。
3. 全新的社会基础设施
为应对未来人口老龄化问题，“工业4.0”倡导提高老年人以及妇女的就业比例，因为个人的生产效率并不取决于其年龄，而是取决于其从事某项工作的时间、工作组织方式以及工作环境。如果延长工作时间可以提高劳动生产率，那么就有必要协调和改变工作环境的若干方面，包括健康管理和工作组织方式、终身制学习方式和职业路径模式、团队结构以及知识管理。这些对于商业模式以及教育系统来讲，都是需要解决的问题。
“工业4.0”所带来的“人类技术”以及“人类环境相互作用”的全新转变将带来全新的协作工作方式，这使得工作脱离工厂变为可能，即通过虚拟、移动的工作方式开展。除了全方位培训以及持续的职业发展措施，工作组织和设计模型也将成为成功转变的关键因素。这些模型使得员工享有高度的自我管理权，并与领导的管理权下放相结合。
3.9德国工业4.0的启示
“工业4.0”是德国从政府层面提出的战略，代表德国从国家层面对未来制造业走向和相关问题的战略布局和对策，以下启示值得包含中国在内的其他国家借鉴。

启示一： 制造业智能化、互联网化是新一轮技术与产业革命的大趋势，要抓紧制定相应的顶层战略设计，重视话语权建设。

德国工业4.0是德国政府为保持德国全球制造业领先地位而确定的国家战略。为推进该战略的落实，首先，德国资讯技术和通信新媒体协会、德国机械设备制造业联合会以及德国电气和电子工业联合会等三大工业协会，共同建立了“工业