聚焦工業(yè)4.0

前三次工業(yè)革命的到來造就了機械、電氣、信息技術。如今，以物聯(lián)網(wǎng)為主的工業(yè)4.0能否成為第四次工業(yè)革命？

德國聯(lián)邦政府提出的工業(yè)4.0戰(zhàn)略是作為《高技術戰(zhàn)略2020》的重要組成部分，并在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出。2014年10月，中德兩國簽訂《中德合作行動綱要》，中國希望在工業(yè)4.0方面和德國加強合作。

高端裝備制造國產(chǎn)化與自動化、涵蓋車聯(lián)網(wǎng)和智能安防網(wǎng)絡等智能產(chǎn)業(yè)，必將成為未來發(fā)展的重點方向，因此對工業(yè)4.0加深了解很有必要。

一種趨勢的風向標

德國聯(lián)邦政府制定的《高技術戰(zhàn)略2020》旨在奠定德國在重要關鍵技術上的國際領先地位，繼續(xù)加強德國作為技術經(jīng)濟強國的核心競爭力。其中，信息通信技術尤為重要，它幾乎是所有行業(yè)和應用領域的關鍵創(chuàng)新驅動引擎。

在《高技術戰(zhàn)略2020》行動計劃中，德國聯(lián)邦政府為未來項目工業(yè)4.0設立了雄心勃勃的目標：德國要成為現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)技術（即信息物理系統(tǒng)）的主力供應國和主導市場。工業(yè)4.0概念主要是指以智能制造為主導的革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（CPS即Cyber-Physical System）相結合的手段，將制造業(yè)向智能化轉型。

工業(yè)4.0研究項目由德國聯(lián)邦教研部與德國聯(lián)邦經(jīng)濟技術部聯(lián)手資助，并在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會、西門子公司等德國學術界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成雛形，該戰(zhàn)略已經(jīng)得到德國科研機構和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認同，并已上升為國家級戰(zhàn)略。

據(jù)悉，德國聯(lián)邦政府對該項目共投入2億歐元。目前，弗勞恩霍夫協(xié)會將在其下屬6?7個生產(chǎn)領域的研究所引入工業(yè)4.0概念，西門子公司已經(jīng)開始將這一概念引入其工業(yè)軟件開發(fā)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)當中。

在工業(yè)4.0時代，借助信息物理系統(tǒng)（CPS）等創(chuàng)新技術，整個生產(chǎn)流程都由軟件來控制，包括人機整合、機器與外部機器整合、生產(chǎn)流程與外部合作伙伴整合等。工業(yè)4.0概念描述了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。

當今世界，制造業(yè)工程領域的全球化競爭變得日漸白熱化，德國并不是唯一一個在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)和行業(yè)服務的國家。在美國，工業(yè)4.0的概念更多被工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所取代，雖稱呼不同，但基本理念一致。

從政策層面來講，為應對新科技產(chǎn)業(yè)革命，爭奪國際產(chǎn)業(yè)競爭話語權，美國重振制造業(yè)將作為近年來最優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略目標。金融危機后，美國政府出臺了一系列法案，著力打造制造業(yè)創(chuàng)新研究中心，希望以高新技術改造傳統(tǒng)制造業(yè)，推動美國經(jīng)濟再次走上可持續(xù)增長之路。從行業(yè)層面上看，行業(yè)組織工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的組建，宣告了企業(yè)界組團邁向工業(yè)4.0時代。與德國強調(diào)的“硬”制造不同，軟件和互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟發(fā)達的美國更側重于在“軟”服務方面推動新一輪工業(yè)革命，希望用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)，保持制造業(yè)的長期競爭力。

據(jù)美國智庫威爾遜中心發(fā)布的《全球先進制造業(yè)趨勢報告》顯示，美國研發(fā)投資量位于世界首位，其中3/4投向制造業(yè)，在合成生物、先進材料和快速成型制造等先進制造業(yè)領域優(yōu)勢明顯。在政府和私營部門的大力推動下，美國很有可能出現(xiàn)以無線網(wǎng)絡技術全覆蓋、云計算大量運用、智能制造大規(guī)模發(fā)展為標志的新一輪技術創(chuàng)新浪潮。

一幅未來的圖畫

工業(yè)化始于18世紀末機械制造設備的引進，比如像紡織機械的使用，極大地改變了產(chǎn)品的產(chǎn)出方式；而以電力驅動進行大規(guī)模生產(chǎn)為特征的第二次工業(yè)革命則發(fā)端于20世紀初期；進入20世紀70年代，第三次工業(yè)革命又取代了第二次工業(yè)革命，其主要變化就是導入電子與信息技術（IT技術），從而使制作過程不斷實現(xiàn)自動化，機器不僅代替部分“體力勞動”，還在相當程度上接管了一些“腦力勞動”。

前三次工業(yè)革命的到來造就了機械、電氣、信息技術。如今，物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務正宣告著新的工業(yè)革命——工業(yè)4.0的到來。至于工業(yè)4.0能否成為第四次工業(yè)革命，我們還需要拭目以待。工業(yè)4.0未來項目主要分為兩大主題：一是智能工廠，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；二是智能生產(chǎn)，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動及3D技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。

未來，工業(yè)企業(yè)將以信息物理系統(tǒng)為框架建立包含生產(chǎn)設備、倉儲系統(tǒng)和工業(yè)產(chǎn)品的全球性網(wǎng)絡。在制造業(yè)領域的所有因素和資源間形成全新的“社會-技術”互動水平，它將使生產(chǎn)資源，如生產(chǎn)設備、機器人、傳送裝置、倉儲系統(tǒng)及生產(chǎn)設施，形成一個循環(huán)網(wǎng)絡并具備以下特性：自主性——可自我調(diào)節(jié)以應對不同狀況；可自我配置——向以往經(jīng)驗學習、配備傳感設備、分散配置，同時也包括相關的計劃與管理系統(tǒng)。

作為工業(yè)4.0的一個核心組成部分，智能工廠將滲透到公司間的價值網(wǎng)絡中，并最終促使虛擬數(shù)字世界和現(xiàn)實物質(zhì)存在的完美結合。智能工廠以“端對端”的工程制造為特征，不僅涵蓋制造流程，也包括制造的產(chǎn)品，進而實現(xiàn)數(shù)字和物質(zhì)兩個系統(tǒng)的無縫融合。對工作人員而言，智能工廠將使制造流程的日益復雜性變得可控、使制造過程具有吸引力，同時使制造的產(chǎn)品在社會環(huán)境中具備可持續(xù)性及盈利能力。

智能產(chǎn)品具有獨特的可識別性，可以在任何時候被識別出來，在某些領域他們還可以半自主控制其生產(chǎn)的各個階段。此外，智能產(chǎn)品也有可能具備他們在工作范圍內(nèi)發(fā)揮最佳作用的能力，同時在整個生命周期內(nèi)隨時確認自身的損耗程度。而這些信息可以匯集起來供智能工廠參考，以幫助工廠在物流、裝配和保養(yǎng)方面持續(xù)優(yōu)化。當指令經(jīng)過CPS系統(tǒng)時，縱向需要經(jīng)過工廠和公司的商業(yè)流程，橫向則連接了可以實時管理的衍生價值體系，這兩方面共同構建了嵌入式制造的系統(tǒng)網(wǎng)絡。此外，每一條指令都需要流經(jīng)過程鏈條中的每一個環(huán)節(jié)。

工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓用戶的個性定制化需求在設計、配置、采購、規(guī)劃、制造、運作和回收各個環(huán)節(jié)得以滿足。這就意味著，即使是一次性、小批量的產(chǎn)品也可以制造出來并且保持收益。在工業(yè)4.0中，對供應商而言，動態(tài)商業(yè)模式和工程流程使生產(chǎn)和交付變得更加靈活，而且對于生產(chǎn)中斷和故障可以靈活反應?，F(xiàn)在工業(yè)制造在制造流程中已經(jīng)能夠提供端到端的透明化，以促進選擇決策的制定。工業(yè)4.0將會發(fā)掘出創(chuàng)造價值的新方法，開發(fā)出商業(yè)新模型。特別需要說明的是，工業(yè)4.0還將給新興公司和小型投資者的發(fā)展帶來契機，下游服務商也將從中受益。

此外，工業(yè)4.0將致力于解決當今世界遇到的一些挑戰(zhàn)，比如資源效率、城鎮(zhèn)化和人才結構調(diào)整等。工業(yè)4.0能夠持續(xù)帶來覆蓋整個價值網(wǎng)絡的資源生產(chǎn)率和效率的增益。同時能夠將人口結構變動和社會因素考慮在內(nèi)，并設定合適的方式來組織生產(chǎn)。智能輔助系統(tǒng)可以把工人從單調(diào)、程式化的工作中解放出來，使其能夠將精力集中在創(chuàng)新和增值業(yè)務上。為應對熟練工短缺，工業(yè)4.0允許高齡的工人延長他們的工作生涯，使他們能夠長時間地保持生產(chǎn)力。靈活的工作組織形式使得工人們能夠更好地整合他們自己的工作及私人生活，持續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展將變得更有效率、更有人情味。可以說，工業(yè)4.0為工作和生活找到了一個更好的平衡點。

工業(yè)4.0的實施需要通過服務水平的協(xié)議來進一步拓展相關的網(wǎng)絡基礎設施和特定網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。對于相關板塊應該是具有巨大的商機。總而言之，工業(yè)4.0很有可能將對全球產(chǎn)生超出我們想象的影響并且造就一個極為活躍的環(huán)境。

工業(yè)4.0離我們并不是非常遙遠，試舉一個汽車行業(yè)的例子?，F(xiàn)階段，能源利用效率已經(jīng)成為制造業(yè)生產(chǎn)過程中必須要考慮的問題，為此，在生產(chǎn)間歇中隨時關閉那些不工作的部分以減少能源消耗就變得十分必要。工業(yè)4.0將最大限度地利用現(xiàn)有條件實現(xiàn)這一能力，使之融入到生產(chǎn)設施從計劃到運行的全過程。比如，在德國，使用激光焊接技術的汽車車身裝配線在生產(chǎn)間歇時消耗的能源占其全部能源的12%（通常工廠每周工作5天并3班倒），雖然周末停工，但是這些復雜設備要一直保持工作狀態(tài)以便周一迅速恢復生產(chǎn)。在生產(chǎn)間歇的90%的能源消耗中，機器人（20%?30%）、通風設備（35%?100%）、激光源和冷卻系統(tǒng)（0?50%）。

未來，機器人即使在很短的時間間歇內(nèi)也可以關閉，在較長時間內(nèi)可以保持一種稱為“網(wǎng)絡喚醒模式”的待命狀態(tài)，通風設備根據(jù)需要可以控制速度，而激光源則可以使用全新系統(tǒng)以達到節(jié)能目的。這樣做可以減少總能耗的12%。因此，整合了可控部分設備開關的汽車車身生產(chǎn)線能夠節(jié)省能源，且升級現(xiàn)有設備的成本/風險率也不高，是一條可操作的道路。

實際上，德國主要汽車企業(yè)已經(jīng)為此做出了自己的戰(zhàn)略思考，對于工業(yè)4.0而言，戴姆勒的觀點是：汽車產(chǎn)品需要智能化、互連、數(shù)字化，而工業(yè)4.0既是對產(chǎn)品也是對工藝提升的改進；生產(chǎn)工藝也需要橫向和縱向融合，即工位的數(shù)字化，即PLM/ERP/NX互連、數(shù)字化工廠、柔性工藝等；人工智能與人機融合則是重點。

同時，戴姆勒還提出2036大綱，即現(xiàn)在開發(fā)2020年至2030年的汽車產(chǎn)品，同時奠定2040年新一代工廠的規(guī)劃基石，工業(yè)4.0的核心理念將得到貫徹。與此同時，大眾汽車的觀點是：生產(chǎn)工藝發(fā)展的大方向是應對環(huán)境的挑戰(zhàn)，大眾目標是到2018年每一輛車減少25%的環(huán)境壓力，工業(yè)發(fā)展邊界條件和產(chǎn)品的挑戰(zhàn)決定了生產(chǎn)工藝，工業(yè)4.0將是更新生產(chǎn)工藝的有力武器。其中，大眾汽車的EMDEN動力總成工廠就應用了諸多新技術，比如eKiss人機一體化系統(tǒng)、智能化的模具、裝配線上RFID的應用、培訓中心的3D技術等。

必須付諸的行動

為實現(xiàn)工業(yè)制造到工業(yè)4.0的轉變，德國人決定采取雙重戰(zhàn)略。該國裝備制造業(yè)計劃不斷將信息與通信技術集成到傳統(tǒng)的高技術戰(zhàn)略來維持其全球領先地位，從而成為智能制造技術的主要供應商。同時，德國人也不遺余力地為CPS科技產(chǎn)品建立培育新的主導市場。為達成這個雙重要求，以下三個工業(yè)4.0的特征應該被執(zhí)行：通過價值網(wǎng)絡實現(xiàn)橫向集成；端到端的工程數(shù)字化集成貫穿整個價值鏈；縱向集成和網(wǎng)絡化的制造系統(tǒng)。如果工業(yè)4.0被成功實現(xiàn)，研發(fā)也需要與之適應的工業(yè)化政策的支持。為此，以下八個領域需要進一步改進：

一、標準化和參考體系：工業(yè)4.0將會涉及網(wǎng)絡技術的設計并通過價值網(wǎng)絡集成幾家不同的公司。如果一攬子共同標準得以實現(xiàn)，這種合作伙伴關系才能成為可能，這需要一個參考體系來描述標準并促進標準的實現(xiàn)。

二、復雜系統(tǒng)的管理：制造系統(tǒng)正在日益變得復雜，適當?shù)挠媱潯⒚枋龊驼f明模型可以為這些復雜系統(tǒng)提供管理基礎。工程師們需要為了發(fā)展這些模型而進行更多的方法創(chuàng)新和工具應用。

三、一套綜合的工業(yè)基礎寬帶設施：無疑綜合性、高質(zhì)量的通訊網(wǎng)絡是工業(yè)4.0的關鍵要求。無論是在國內(nèi)，還是在合作的國家之間，寬帶網(wǎng)絡基礎設施也因此需要進一步的、大規(guī)模的拓展。

四、安全和保密：安全和保密是智能制造系統(tǒng)成功的關鍵。保障設備和產(chǎn)品自身不會引起使用者的危險，也不會對環(huán)境造成污染十分重要。同時，設備和產(chǎn)品中包含的信息特別需要被保護，以防止這些信息被濫用或者在未被授權的情況下使用。這將對安全和保密的架構和特殊識別碼的集成調(diào)用產(chǎn)生更高的要求，同時相關的培訓和員工職業(yè)生涯的持續(xù)發(fā)展規(guī)劃也要得到加強。

五、工作的組織和設計：在智慧工廠里，雇員的角色將會發(fā)生引人注目的改變。越來越多的實時導向性控制將會讓工作內(nèi)容、工作流程和工作環(huán)境發(fā)生較大改變。針對組織工作的管理科學的進步將會給工人提供承擔更大責任和更好個人發(fā)展的機會。

六、培訓和持續(xù)性的職業(yè)發(fā)展：工業(yè)4.0將從根本上改變工人們的工作和職業(yè)訴求。實施適合的培訓策略并致力于建立學習型組織的工作也因此而變得非常必要，可以借此實現(xiàn)終身學習和基于工作地點的持續(xù)個人發(fā)展計劃。

七、規(guī)章制度：在工業(yè)4.0時代下建立新的制造流程和水平的商業(yè)網(wǎng)絡架構時必須遵守法律，而已存在的立法也同樣需要在必要時考慮創(chuàng)新對法律帶來的影響。面臨的挑戰(zhàn)包括合作信息的保護、責任問題、管理私人信息和貿(mào)易限制等。這將不僅對立法，也對其他代表商務行為的活動提出了要求。而制度將作為一個涵蓋面廣泛的適用工具而存在。

八、資源效率：除高花費以外，僅是制造工業(yè)在原材料和能源上的消耗便會引起一系列關于環(huán)境與安全受到威脅的探討，而工業(yè)4.0將會提高資源的生產(chǎn)率及利用效率。企業(yè)將會權衡“投資在智慧工廠中的額外資源”與“帶來的潛在節(jié)約”之間的利弊，從而做出明智的選擇。

總而言之，通向工業(yè)4.0的道路將會伴隨著一系列天翻地覆的改變?，F(xiàn)有的基本技術和經(jīng)驗將不再如以往那樣靈驗，因而不得不為了適應智能制造而改變內(nèi)延及外涵，同時應該探討為開發(fā)新地點和新市場而制定創(chuàng)新型解決方案。

中國面臨的機遇與挑戰(zhàn)

工業(yè)4.0戰(zhàn)略將建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式，改變創(chuàng)造新價值的過程，重組產(chǎn)業(yè)鏈分工。如獲成功，德國將成為現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)技術的供應國和主導市場。

中國工程院院長、中國機械工程學會理事長周濟在一次研討會上斷言：“德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略將催發(fā)中國加快推進新一輪工業(yè)革命，將推動中國制造業(yè)升級，成為我國制造業(yè)的催化劑?！痹诘聡劝l(fā)達國家正在向工業(yè)4.0邁進的時候，作為新興工業(yè)國家的中國仍然還在進行工業(yè)2.0，這難免會拉大與西方發(fā)達國家的差距，要實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢，更加需要強大的科技創(chuàng)新力量作為提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐。新一輪工業(yè)革命對中國既是挑戰(zhàn)也是機遇。

首先，中國面臨著極大的挑戰(zhàn)。當前，世界主要國家都在尋找科技創(chuàng)新的突破口，搶占未來經(jīng)濟科技發(fā)展的先機。中國的現(xiàn)代化同西方發(fā)達國家有很大不同。西方發(fā)達國家是一個串聯(lián)式的發(fā)展過程，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化漸進式發(fā)展。

比如德國已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)1.0、工業(yè)2.0、工業(yè)3.0，正在向工業(yè)4.0邁進。如果中國抓不住這次機會，就要在科技創(chuàng)新的大賽場上落伍，就算實現(xiàn)了工業(yè)化，也會與發(fā)達國家漸行漸遠。

另一方面，中國也同樣面臨著極大的機遇。中國要后來居上，實現(xiàn)跨越發(fā)展，發(fā)展方式必然是一個并聯(lián)式的發(fā)展過程，也就是工業(yè)2.0、工業(yè)3.0、工業(yè)4.0同步發(fā)展。當前，中國和發(fā)達國家掌握新一輪工業(yè)革命的核心技術的機會是均等的，這為我國發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢、實現(xiàn)跨越發(fā)展提供了可能，使我們可以通過掌握新工業(yè)革命的核心技術，成為新的競賽規(guī)則的重要制定者、新的競賽場地的重要主導者，可以不再跟在西方發(fā)達國家后面亦步亦趨，而是依靠工程科技創(chuàng)新和并聯(lián)式發(fā)展，在比較短的時間內(nèi)追趕發(fā)達國家的先進水平，有可能實現(xiàn)彎道超車，從而加快中國工業(yè)現(xiàn)代化的進程。

工業(yè)4.0自從2013年提出以來，在國內(nèi)已經(jīng)逐步引起業(yè)界的廣泛關注，工信部也多次召開會議討論工業(yè)化和信息化“兩化融合”問題。從政府到企業(yè)，一時間，工業(yè)4.0成為街談巷議的熱點內(nèi)容。有些人在談論，有些人已經(jīng)在探索、在行動。

在2014年11月舉行的第十六屆中國國際工業(yè)博覽會上，中國首套自主研發(fā)的工業(yè)4.0流水線亮相。據(jù)悉，這套流水線在TCP/IP協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)、二維碼比對技術、CCD影像識別技術、6軸機器人集成應用等方面實現(xiàn)了突破。此外，3D打印、工業(yè)機器人等相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也方興未艾。其中，機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迎來加速發(fā)展階段。

統(tǒng)計顯示，2013年中國工業(yè)機器人的銷量達到36860臺，同比增長41%，超越日本成為全球第一大機器人市場。在國內(nèi)，工業(yè)4.0的轉化網(wǎng)站已悄然上線，比如某專業(yè)網(wǎng)站建立了家紡類個性化與定制化的生產(chǎn)模式。這種模式下，家紡流通行業(yè)將逐漸消失，傳統(tǒng)家紡生產(chǎn)企業(yè)將不再為庫存所累，家紡產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重新整合。

新思維也啟迪了新行動、新做法。例如，海爾已經(jīng)開放研發(fā)設計環(huán)節(jié)，推出全球開放的研發(fā)平臺。這個平臺目前已經(jīng)運營了兩年，吸收了12萬人的需求和創(chuàng)意。美的也專門設立研究院從事智能化研究，把外觀、用戶交互等內(nèi)容用開放的形式來操作。

而像汽車這種高度工業(yè)化的消費品，也會成為工業(yè)4.0的最佳應用領域。消費者多樣化與個性化的需求、寬廣的產(chǎn)業(yè)鏈、快速的產(chǎn)品更新、互聯(lián)網(wǎng)汽車、自動駕駛汽車等，都將要求現(xiàn)代化的汽車工作必須是智能工廠，而其產(chǎn)品也無疑是智能產(chǎn)品。中國多年來一直作為汽車的產(chǎn)銷第一的市場，對資金、技術、人才流動具有強大的吸引力，利用工業(yè)4.0帶給我們的發(fā)展契機，有可能把我國汽車工業(yè)引向由大到強跨越式發(fā)展的康莊大道。