工業(yè)4.0的發(fā)展趨勢及其對我國制造業(yè)發(fā)展的影響

黨延輝 葛曙光 甘磊 孫建強 敬興龍

摘 要：2013年，德國首次提出工業(yè)4.0的概念用于描述第四次工業(yè)革命。由此，本文對工業(yè)4.0進行介紹，并對我國生產(chǎn)制造業(yè)現(xiàn)狀進行總結(jié)，探討工業(yè)4.0背景下我國工業(yè)未來發(fā)展采取的主要措施。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0;發(fā)展趨勢;制造業(yè)

中圖分類號：T-012 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0039-03

Abstract： In 2013， Germany first proposed the concept of industrial 4.0 to describe the fourth industrial revolution. Therefore， this paper introduced industrial 4.0， summarized the current situation of China's manufacturing industry， and explored the main measures for China's industrial development in the future under the background of industrial 4.0.

Keywords： industry 4.0;development trend;manufacturing industry

目前，世界正經(jīng)歷以“智能”為核心的又一現(xiàn)代工業(yè)革命，各國各領(lǐng)域?qū)χ悄軝C器人、智能機械、智能生產(chǎn)以及智慧工廠等領(lǐng)域的熱度日益高漲。在該背景下，德國政府提出了“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，并于2013年4月在漢諾威工業(yè)博覽會上正式發(fā)表。此舉的主要目的是提高德國工業(yè)的全球競爭力，使其在新的工業(yè)革命中處于領(lǐng)先地位。這也為各國未來工業(yè)的發(fā)展奠定了發(fā)展方向與目標(biāo)[1]。

1 工業(yè)4.0簡介

隨著全球技術(shù)發(fā)展與科技進步，人們對智能、科技生活的追求日益強烈，依托信息物理技術(shù)智能化，未來工業(yè)發(fā)展將進入以智能化技術(shù)開展的制造產(chǎn)業(yè)為核心的第四次工業(yè)革命，又被稱為工業(yè)4.0[2]。在這一階段，可以通過信息通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，將虛擬系統(tǒng)信息與物理系統(tǒng)結(jié)合起來，完成各行各業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。

2 四次工業(yè)革命對比介紹

2.1 工業(yè)1.0——機器時代

第一次科學(xué)技術(shù)革命以18世紀(jì)末蒸汽機的發(fā)明和應(yīng)用為主要指標(biāo)。這次科技革命使得社會生產(chǎn)力發(fā)生了巨大變化，以大型機器代替手工生產(chǎn)，人類進入機器時代，即為工業(yè)1.0。

2.2 工業(yè)2.0——電氣時代

第二次科學(xué)技術(shù)革命的主要標(biāo)志是19世紀(jì)末到20世紀(jì)初的發(fā)電機、發(fā)動機的發(fā)明和應(yīng)用。整個社會的工業(yè)化因為它而被提高到一個嶄新的發(fā)展階段，使得社會生產(chǎn)力發(fā)展進入電力時代，即為工業(yè)2.0。

2.3 工業(yè)3.0——信息時代

第三次科技革命發(fā)生于20世紀(jì)中期，以原子能、電子計算機和空間技術(shù)的發(fā)展為主要標(biāo)志。這場新科學(xué)技術(shù)革命，使世界發(fā)生了前所未有的巨大變化。它以信息科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等為前沿，以計算機技術(shù)、生物工程技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)、新能源技術(shù)和新材料技術(shù)的應(yīng)用為特征，把人類社會推進到信息時代，即為工業(yè)3.0。

2.4 工業(yè)4.0——智能時代

工業(yè)4.0概念即以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)——信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System）相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。

“工業(yè)4.0”是對前三次革命的繼承，在保留優(yōu)質(zhì)技術(shù)的同時突破發(fā)展，并基于信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)新的制造方式。信息物理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實世界緊密相連，并將網(wǎng)絡(luò)空間的高度計算能力在現(xiàn)實世界中有效利用。因此，在生產(chǎn)制造過程中，所有與設(shè)計、開發(fā)和生產(chǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)都將被傳感器收集和分析，形成一個能夠自主運行的智能生產(chǎn)系統(tǒng)[3]。四次工業(yè)革命特征見圖1。

<E：＼2018-2019河南科技 上中＼2019＼2中＼《河南科技》（創(chuàng)新驅(qū)動）2月中旬刊2019年05期印刷文件及內(nèi)文排版文件＼內(nèi)文排版文件-河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第05期_103720＼Image＼image1_1_1.png>[Industry 4.0][——德國高科技戰(zhàn)略計劃首位][蒸汽機][1784][18世紀(jì)末][20世紀(jì)初][時間][工業(yè)革命1.0][工業(yè)革命2.0][工業(yè)革命3.0][電力廣泛應(yīng)用][工業(yè)革命4.0][電子、IT、工業(yè)機器人][信息物聯(lián)系統(tǒng)][復(fù)雜程度]

圖1 四次工業(yè)革命特征圖

3 工業(yè)4.0三大主題

3.1 智能工廠

智能工廠是現(xiàn)代工廠信息化發(fā)展的新階段，其以數(shù)字工廠為前提，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和裝置監(jiān)控技術(shù)，加強信息管理和服務(wù)[3]。智能工廠的重點在于研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及其過程，實現(xiàn)辦公、管理及生產(chǎn)自動化，減少人為工作失誤，提升企業(yè)管理水平，提高工作效率等。

智能工廠是智能工業(yè)發(fā)展的新方向，其特點如下。

①系統(tǒng)具有自主能力：可采集與理解外界及自身的資訊，并據(jù)此規(guī)劃自身行為。

②整體可視技術(shù)的實踐：結(jié)合訊號處理、推理預(yù)測、仿真及多媒體技術(shù)，將實境擴增，展示現(xiàn)實生活中的設(shè)計與制造過程。

③協(xié)調(diào)、重組及擴充特性：系統(tǒng)中各組承擔(dān)為可依據(jù)工作任務(wù)，自行組成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

④自我學(xué)習(xí)及維護能力：透過系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)功能，在制造過程中落實資料庫補充、更新，以及自動執(zhí)行故障診斷，并具備排除故障能力。

3.2 智能生產(chǎn)

智能生產(chǎn)是一個由智能機器和人類專家組成的智能系統(tǒng)，一般來說，其可以在生產(chǎn)制造過程中進行智能活動，如分析、推理、判斷、構(gòu)想和決定等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動[4]。

與傳統(tǒng)生產(chǎn)制造相比，智能生產(chǎn)系統(tǒng)具有以下特點。

①自律能力，即具備搜集與理解環(huán)境和自身的信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

②人機一體化，人機一體化是一種混合智能，突出了人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。

③虛擬現(xiàn)實，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機為基礎(chǔ)，融信號處理、動畫技術(shù)、智能推理、預(yù)測、仿真和多媒體技術(shù)為一體;借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現(xiàn)實生活中的各種過程、物件等，使人們從感官和視覺上獲得接近真實的感受。

④自組織與超柔性，智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務(wù)的需要，自行組成一種最佳的組織結(jié)構(gòu)。

3.3 智能物流

智能物流是利用集成智能化技術(shù)，使物流系統(tǒng)能模仿人的智能，具有思維、感知、學(xué)習(xí)、推理判斷和自行解決物流中某些問題的能力。智能物流的未來發(fā)展將會體現(xiàn)出以下特點：智能化，一體化和層次化，柔性化與社會化。智能物流的發(fā)展會更加突出“以顧客為中心”的理念，根據(jù)消費者需求變化來靈活調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝;也將會促進區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展和世界資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)社會化。

4 工業(yè)4.0三大趨勢

4.1 生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化[5]

生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化即是在生產(chǎn)過程中，制造運行管理系統(tǒng)將幫助生產(chǎn)價值鏈中的供應(yīng)商獲得并交換實時的生產(chǎn)信息。供應(yīng)商所提供的全部零部件都將在正確的時間以正確的順序到達生產(chǎn)線，實現(xiàn)信息互通，減少工作失誤，提高生產(chǎn)效率。

4.2 虛擬與現(xiàn)實世界的完美融合

在未來，生產(chǎn)過程中的每一步都將在虛擬世界被設(shè)計、仿真以及優(yōu)化，為真實的物理世界包括物料、產(chǎn)品、工廠等建立起一個高度仿真的數(shù)字生產(chǎn)平臺。這不僅使得產(chǎn)品研發(fā)過程更為方便、有效、可靠，大幅降低了研發(fā)成本，而且對產(chǎn)品后期測試、修改提供了更為便捷的試驗平臺，極大提高了研發(fā)效率。

4.3 信息物理融合系統(tǒng)

在未來的智能工廠中，產(chǎn)品信息都將被輸入產(chǎn)品零部件本身，它們會根據(jù)自身生產(chǎn)需求，直接與生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備進行溝通，發(fā)出下一道生產(chǎn)工序指令，指揮設(shè)備進行自組織生產(chǎn)。信息物理融合系統(tǒng)的實現(xiàn)，能真正意義上實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化、智慧化，用戶只需要輸入自己對某一產(chǎn)品的需求，生產(chǎn)系統(tǒng)即可按照該信息進行產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)，最終按照用戶的需求定制某一產(chǎn)品?；谖锫?lián)網(wǎng)和服務(wù)的智能環(huán)境開發(fā)過程如圖2所示。

<E：＼2018-2019河南科技 上中＼2019＼2中＼《河南科技》（創(chuàng)新驅(qū)動）2月中旬刊2019年05期印刷文件及內(nèi)文排版文件＼內(nèi)文排版文件-河南科技（創(chuàng)新驅(qū)動）2019年第05期_103720＼Image＼image2_1_1.png>[基于物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)的

智能環(huán)境發(fā)展過程][智能化環(huán)境][嵌入式計算機][智能工廠][Industry][4.0][90%的計算機都是嵌入式][多個計算機：1個用戶][智能手機

智能卡][PC][中央計算機][1個計算機多個用戶][1個計算機1個用戶][1941][1960][1980][2000][2020]

圖2 基于物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)的智能環(huán)境開發(fā)過程

5 工業(yè)4.0對我國制造業(yè)發(fā)展影響

5.1 中國制造業(yè)現(xiàn)狀

面對世界工業(yè)發(fā)展，我國制定了“制造強國戰(zhàn)略研究”重大咨詢研究項目，對8個國家（美、德、日、英、法、韓、印和中國）從1946到2012年制造業(yè)數(shù)據(jù)進行了趨勢分析。20世紀(jì)90年代，我國還處在世界第8位，隨后排到了第4位，但與美、德、日相比，仍具有較大差距。

我國制造業(yè)優(yōu)勢與不足分析如下。

第一，優(yōu)勢。①經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，我國制造業(yè)規(guī)模躍居世界第一;②部分低端經(jīng)濟活動由于工資增長從中國轉(zhuǎn)移，強化了以中國為中心的地區(qū)供應(yīng)鏈;③國內(nèi)需求的不斷擴大。

第二，不足。①自主創(chuàng)新能力不強，缺乏創(chuàng)新思維;②產(chǎn)品質(zhì)量問題比較突出，質(zhì)量得不到保證;③資源利用率較低，能耗較高，污染較為嚴(yán)重;④產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)缺乏合理性，低端產(chǎn)品產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，高端產(chǎn)品能力明顯不足。

5.2 工業(yè)4.0下我國需要采取的行動

在工業(yè)4.0背景下，我國2015年提出了“中國制造2025”的強國戰(zhàn)略，以“互聯(lián)網(wǎng)+”“信息化與工業(yè)化深度融合”“智能制造”為改革主要路線，以創(chuàng)新驅(qū)動、智能轉(zhuǎn)型和網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化為改革核心關(guān)鍵，制定了五大工程戰(zhàn)略，即國家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)工程、大力推進智能制造、工業(yè)強基工程、綠色發(fā)展工程和高端裝備創(chuàng)新工程[6]。

當(dāng)前，國內(nèi)工廠大都處在工業(yè)3.0甚至2.0的時代，對于關(guān)鍵零部件仍依賴于進口。為改變這一現(xiàn)狀，必須提高硬件技術(shù)，注重人才培養(yǎng)，并引導(dǎo)其向各行業(yè)的流向，以建設(shè)“智能工廠”為發(fā)展目標(biāo)。

同時，由于對制造業(yè)信息數(shù)據(jù)采集不夠，導(dǎo)致我國一直未能完成工業(yè)3.0的變革。為此，應(yīng)充分利用國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的成果，加快數(shù)據(jù)采集進程，做好大數(shù)據(jù)建立、儲存與應(yīng)用，為將來向“智能生產(chǎn)”方向發(fā)展提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

最后，對于國內(nèi)現(xiàn)有物流模式，基本都從國外引進，未考慮到國內(nèi)人口基數(shù)大且相對集中的特點，需要進一步完善國內(nèi)物流，發(fā)展自身優(yōu)勢，竭力創(chuàng)建信息互通、快捷高效的“智能物流”系統(tǒng)。

參考文獻：

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[3]張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J].機械設(shè)計與制造工程，2014（8）：1-5.

[4]百度百科.智能生產(chǎn)[EB/OL].（2012-09-10）[2016-02-08].http：//baike.baidu.com/link？url=7hNBKIzkVELRbWtO1pHyWIeGKxPDY7iVeCk4_7scgJUUEgSR1Sd3f-ic7WbpLNUxD6teDQVHezMVgKSxZT9UrpeXzoJrs502_SRN3SfwFW.

[5]鄭英隆.信息產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的交互關(guān)系研究[J].經(jīng)濟評論，2001（1）：48-54.

[6]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015（17）：2273-2284.