德國(guó)“工業(yè)4.0”概覽

陸穎

2011年，德國(guó)聯(lián)邦政府依據(jù)“德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略”將“工業(yè)4.0”列入十大“未來(lái)項(xiàng)目”。在2013年4月德國(guó)漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，“工業(yè)4.0”項(xiàng)目被正式推出，為德國(guó)勾畫(huà)了下一代更高層次的全新工業(yè)模式，是整套的全產(chǎn)業(yè)鏈集成創(chuàng)新與革命。本文著重介紹“工業(yè)4.0”的目標(biāo)、特征與落實(shí)舉措，為上海的對(duì)接以及制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供一定參考。

一、工業(yè)4.0的目標(biāo)與核心要素

德國(guó)認(rèn)為，全球歷經(jīng)以水動(dòng)力和蒸汽動(dòng)力、基于分工且電力推動(dòng)的大生產(chǎn)、電子與IT技術(shù)為代表的三次工業(yè)革命之后，將迎來(lái)第四次工業(yè)革命，即以信息物理融合系統(tǒng)為基礎(chǔ)的“工業(yè)4.0”——在信息物理融合系統(tǒng)中，生產(chǎn)對(duì)象乃至常見(jiàn)事物都能借助編程、存儲(chǔ)記錄、傳感和通信變得智能化，進(jìn)而可以直接或借助互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)M2M（Machine-to-Machine，機(jī)器對(duì)機(jī)器）通信自主實(shí)現(xiàn)信息交換、運(yùn)轉(zhuǎn)和互相操控，從而在生產(chǎn)制造、工業(yè)工程、原料利用、供應(yīng)鏈管理以及生命周期管理上使工業(yè)流程得到極大的進(jìn)步，形成新的工業(yè)化模式。

德國(guó)要通過(guò)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的實(shí)施，在信息物理融合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，打造由智能化的機(jī)械、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)手段構(gòu)成的并應(yīng)用于智能工廠(chǎng)的“網(wǎng)絡(luò)物理融合式生產(chǎn)系統(tǒng)”，提高生產(chǎn)制造效率，使德國(guó)成為新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的供應(yīng)國(guó)和主導(dǎo)市場(chǎng)的核心力量。

智能工廠(chǎng)是“工業(yè)4.0”的核心要素。其特征在于，生產(chǎn)過(guò)程中的所有資料和參與者實(shí)現(xiàn)社會(huì)性和技術(shù)性的高度交互，從生產(chǎn)制造到產(chǎn)品完成的整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)無(wú)縫化，并由此使數(shù)字世界和物理世界嚙合。其關(guān)鍵在于，包括設(shè)計(jì)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)在內(nèi)的、能自主控制和設(shè)置的、由傳感技術(shù)支持的自動(dòng)化分布式生產(chǎn)資料的互聯(lián)。智能工廠(chǎng)將形成新的生產(chǎn)邏輯：1、智能工廠(chǎng)的產(chǎn)品具有高度個(gè)性化，能被實(shí)時(shí)定位，明確產(chǎn)品的自身來(lái)歷、現(xiàn)狀，以及達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)路徑；2、智能工廠(chǎng)中，由傳感器和執(zhí)行器提供產(chǎn)品所需的語(yǔ)義描述服務(wù)；3、帶有數(shù)字化能動(dòng)式產(chǎn)品記憶的M2M通信使產(chǎn)品成為信息載體、監(jiān)察者和生產(chǎn)參與者。

二、“工業(yè)4.0”的三大特征

特征一：通過(guò)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的橫向集成。在工業(yè)4.0中，生產(chǎn)、營(yíng)銷(xiāo)、物流乃至服務(wù)基于網(wǎng)絡(luò)物理融合式生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)成實(shí)時(shí)優(yōu)化的新價(jià)值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)，提高生產(chǎn)流程的透明度、應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的靈活性，也能實(shí)現(xiàn)整個(gè)新價(jià)值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)的全球性?xún)?yōu)化。在新價(jià)值創(chuàng)造網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)、配置、訂購(gòu)、規(guī)劃、生產(chǎn)借助信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)以顧客為導(dǎo)向的銜接。在從訂購(gòu)到供貨的整個(gè)流程中，參與者能進(jìn)行多維度的動(dòng)態(tài)磋商，包括質(zhì)量、時(shí)間、風(fēng)險(xiǎn)、強(qiáng)度、價(jià)格、環(huán)保性能等。

特征二：縱向集成和網(wǎng)絡(luò)化的生產(chǎn)系統(tǒng)。工業(yè)4.0時(shí)代的自組織工廠(chǎng)在多變的邊界條件（如短期內(nèi)多變的需求、庫(kù)存、突發(fā)情況等）下，通過(guò)分布式生產(chǎn)，制造出多樣化個(gè)性化的產(chǎn)品。自組織工廠(chǎng)的制造模式是資源與產(chǎn)品的互聯(lián)。材料與部件能被實(shí)時(shí)定位，通過(guò)生產(chǎn)系統(tǒng)自主確定將要進(jìn)行的生產(chǎn)步驟并記錄已完成的生產(chǎn)流程。因此，庫(kù)存控制、訂購(gòu)管理和盤(pán)點(diǎn)工作都可以取消。借助智能化傳感技術(shù)和完整連貫的數(shù)據(jù)，工廠(chǎng)幾乎可以實(shí)行自主監(jiān)控：工廠(chǎng)生成生產(chǎn)的連續(xù)性虛擬圖像，識(shí)別和預(yù)測(cè)突發(fā)情況。這種自主監(jiān)控可以由工作人員時(shí)刻把握并進(jìn)行干預(yù)。維修保養(yǎng)也能實(shí)現(xiàn)自主管理。諸如機(jī)器失靈、質(zhì)量偏差、產(chǎn)品要求變化等突發(fā)情況能被自動(dòng)識(shí)別。材料的現(xiàn)狀和損耗能被持續(xù)性監(jiān)控并發(fā)出預(yù)警，從而減少設(shè)備失控現(xiàn)象的發(fā)生。

特征三：貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字化集成。工業(yè)4.0的目標(biāo)要求在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)字集成。一種新型技術(shù)產(chǎn)品，必須為其開(kāi)發(fā)或改良與之契合的臨時(shí)性生產(chǎn)系統(tǒng)。這就要求在產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及其生命周期調(diào)整上采用集成模式。工程無(wú)縫化建立在數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界共同發(fā)展的基礎(chǔ)上。依靠數(shù)據(jù)建立虛擬模型，完成初期的認(rèn)證和驗(yàn)證，這使得生產(chǎn)流程更為靈活。而已有的資料、數(shù)據(jù)和工具以及IT平臺(tái)能被重復(fù)使用和再利用，提高效率。

三、“工業(yè)4.0”的落實(shí)舉措

1、標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的參考體系結(jié)構(gòu)。工業(yè)4.0能借助標(biāo)準(zhǔn)化，讓不同公司在價(jià)值網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與集成。只有開(kāi)發(fā)出一套共同標(biāo)準(zhǔn)，才能明確協(xié)作機(jī)制和信息的交互。完備的技術(shù)說(shuō)明和這些規(guī)定的執(zhí)行，即為參考體系結(jié)構(gòu)。它提供了工業(yè)4.0相關(guān)的技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建、開(kāi)發(fā)、集成和運(yùn)行的框架，構(gòu)建了軟件應(yīng)用和服務(wù)架構(gòu)。成立專(zhuān)門(mén)處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考體系架構(gòu)問(wèn)題的工作組。其使命主要在于實(shí)施建立互信措施，制定通用的“工業(yè)4.0詞匯表”，明確模型共性，出臺(tái)工業(yè)4.0服務(wù)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、描述標(biāo)準(zhǔn)、術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，了解自治和自組織系統(tǒng)，制作“自動(dòng)化參考體系架構(gòu)”地圖，組織不同的公司運(yùn)行和維護(hù)參考體系架構(gòu)等。

2、管理復(fù)雜系統(tǒng)。產(chǎn)品及其制造系統(tǒng)日益復(fù)雜。規(guī)劃模型和解釋性模型可以成為管理復(fù)雜系統(tǒng)的有效手段。規(guī)劃模型提供了工程師創(chuàng)造價(jià)值方面的透明度，為復(fù)雜系統(tǒng)的建立提供可能。而解釋性模型則是描述現(xiàn)有系統(tǒng)，以通過(guò)模型獲得這一系統(tǒng)的知識(shí)。數(shù)字世界通過(guò)規(guī)劃模型對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)計(jì)影響巨大；而解釋性模型又令現(xiàn)實(shí)世界去影響數(shù)字世界中模型的使用。因此，工程師們要配備為開(kāi)發(fā)這些模型所需的方法和工具。成立專(zhuān)門(mén)處理建模管理復(fù)雜系統(tǒng)有關(guān)問(wèn)題的工作組。其使命主要在于調(diào)查即將進(jìn)行建模的領(lǐng)域最為迫切的需求，促成最佳實(shí)踐范例的共享，鼓勵(lì)工具用戶(hù)建立用戶(hù)群體，建立適宜的指導(dǎo)方針和行動(dòng)建議等。

3、建立廣覆蓋的寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。落實(shí)工業(yè)4.0的基本前提是擴(kuò)建和提升現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，以提供保證的延遲時(shí)間、可靠性、服務(wù)質(zhì)量和通信帶寬。有效的寬帶基礎(chǔ)設(shè)施，有大量用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)，總體要求是簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展、安全以及費(fèi)用可承受。因此，不論是德國(guó)內(nèi)部，還是德國(guó)與其伙伴國(guó)家之間，寬帶互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施需要進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)展。

4、安全和保障。安全和保障兩個(gè)方面對(duì)于智能制造系統(tǒng)取得成功至關(guān)重要。不僅要在一開(kāi)始就把安全問(wèn)題的所涉各方面設(shè)計(jì)到網(wǎng)絡(luò)物理融合式生產(chǎn)系統(tǒng)中，確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身不能對(duì)人和環(huán)境構(gòu)成威脅，還要制定和實(shí)施IT安全策略、架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品，尤其是它們包含的數(shù)據(jù)和信息加以保護(hù)，防止濫用和未經(jīng)授權(quán)的獲取。工業(yè)4.0需要修改安保策略以及在整個(gè)系統(tǒng)生命周期內(nèi)相應(yīng)原理和方法的系統(tǒng)應(yīng)用，推出集成的安保戰(zhàn)略、架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)；為產(chǎn)品、工藝和機(jī)器設(shè)備部署獨(dú)特、安全的身份識(shí)別符；提高設(shè)施安全性，并為過(guò)渡到工業(yè)4.0做好準(zhǔn)備；推出用戶(hù)友好型安全解決方案；完善商業(yè)管理方面的安保；保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，打擊盜版；相應(yīng)地加強(qiáng)培訓(xùn)以及增加持續(xù)的職業(yè)發(fā)展內(nèi)容，為未來(lái)儲(chǔ)備勞動(dòng)力；強(qiáng)化數(shù)據(jù)和個(gè)人信息保護(hù)等。

5、數(shù)字化工業(yè)時(shí)代中工作的組織和設(shè)計(jì)。在智能工廠(chǎng)中，工作中的實(shí)時(shí)控制將越來(lái)越多，這將改變工作內(nèi)容、工作流程和工作環(huán)境。在工作組織中應(yīng)用社會(huì)技術(shù)方法將使工人有機(jī)會(huì)承擔(dān)更大責(zé)任，同時(shí)促進(jìn)他們個(gè)人的發(fā)展。研究“工業(yè)4.0時(shí)代的人與工作”這一課題，明確以員工為本的勞動(dòng)和培訓(xùn)政策對(duì)工作和就業(yè)的影響，為開(kāi)發(fā)和實(shí)施社會(huì)-技術(shù)方法提供指導(dǎo)性和實(shí)踐性幫助，為員工設(shè)計(jì)終身學(xué)習(xí)的方案。定期開(kāi)展社會(huì)合作伙伴間的對(duì)話(huà)活動(dòng)，公開(kāi)透明的討論和解決工業(yè)4.0相關(guān)的進(jìn)展情況與問(wèn)題，并在公司內(nèi)外安排有效的知識(shí)轉(zhuǎn)讓。

6、培訓(xùn)和再教育。工業(yè)4.0對(duì)員工技能提出更高要求，對(duì)職業(yè)及學(xué)術(shù)培訓(xùn)和再教育帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。在工業(yè)4.0中，一方面，目前以明確分工為特征的傳統(tǒng)制造工藝將被嵌入一個(gè)新的組織和運(yùn)用結(jié)構(gòu)，并配備決策、協(xié)調(diào)、控制、支持等服務(wù)功能；另一方面，要求掌握組織和協(xié)調(diào)虛擬與真實(shí)機(jī)器間、設(shè)備控制與生產(chǎn)管理系統(tǒng)間交互的能力。此外，識(shí)別不同行業(yè)的應(yīng)用程序需求和招募全球開(kāi)發(fā)伙伴，變得更為重要。應(yīng)當(dāng)推廣促進(jìn)職業(yè)和學(xué)術(shù)培訓(xùn)間、不同培訓(xùn)和再教育系統(tǒng)間進(jìn)行互動(dòng)的培訓(xùn)模式，以及認(rèn)可員工額外技能的培訓(xùn)模式；建立培訓(xùn)和再教育“最佳實(shí)踐網(wǎng)絡(luò)”，來(lái)保障知識(shí)轉(zhuǎn)讓的開(kāi)展和活動(dòng)的可持續(xù)；研究在工作場(chǎng)所習(xí)得知識(shí)和技能、發(fā)展數(shù)字化學(xué)習(xí)技術(shù)的新方法；推動(dòng)工作組織相關(guān)問(wèn)題的跨領(lǐng)域綜合研究；推廣工業(yè)4.0特有學(xué)習(xí)內(nèi)容與跨領(lǐng)域合作，不同學(xué)科間達(dá)成溝通與理解，在技術(shù)和法律層面開(kāi)展跨學(xué)科研究，執(zhí)業(yè)人員也需要跨學(xué)科的知識(shí)儲(chǔ)備；借助IT技術(shù)構(gòu)建技術(shù)系統(tǒng)模型。

7、法律框架。工業(yè)4.0帶來(lái)的新制造工藝與流程面臨著法律監(jiān)管的挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)廣泛存在于企業(yè)數(shù)據(jù)保護(hù)、責(zé)任問(wèn)題、個(gè)人數(shù)據(jù)問(wèn)題以及貿(mào)易限制領(lǐng)域。一方面，新技術(shù)具有不確定性，數(shù)據(jù)保護(hù)的合規(guī)問(wèn)題尚未解決，滯緩工業(yè)4.0的推廣和接受進(jìn)程，阻礙了創(chuàng)新能量的釋放。另一方面，現(xiàn)有的法律法規(guī)并未跟上技術(shù)創(chuàng)新的步伐，沿襲既有規(guī)章制度并不可行。這就要求新出臺(tái)的法律監(jiān)管框架保障新技術(shù)合規(guī)以促進(jìn)創(chuàng)新，同時(shí)開(kāi)展符合創(chuàng)新需求的法務(wù)培訓(xùn)。要結(jié)合技術(shù)、政策因素形成組合工具，讓法律專(zhuān)家在研發(fā)工作的最初階段及時(shí)參與進(jìn)來(lái)，并讓技術(shù)人員掌握基本的法律知識(shí)。同時(shí)，企業(yè)也需要采取手段，包括開(kāi)發(fā)實(shí)踐指南、清單、示范合同條款、公司協(xié)議、審計(jì)、符合IT安全標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證等。

8、資源利用效率。制造業(yè)是工業(yè)化國(guó)家中最大的原材料消費(fèi)者。除了高昂的成本，制造業(yè)對(duì)環(huán)境和安全供給帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。成立專(zhuān)門(mén)處理資源生產(chǎn)率和資源效率問(wèn)題的工作組。其使命主要在于采用和發(fā)展相關(guān)成果，在制造過(guò)程中示范節(jié)約，計(jì)算和評(píng)估部署信息物理融合系統(tǒng)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施所需在資源方面的額外投入與所生產(chǎn)的節(jié)約潛力之間的平衡，設(shè)計(jì)評(píng)估資源生產(chǎn)率和資源效率、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的指標(biāo)和關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)等。 （作者單位：上海圖書(shū)館上海科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所）