德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略為我們展現(xiàn)了一幅全新的工業(yè)藍(lán)圖，深入分析其愿景與要點(diǎn)，可以洞察德國提出工業(yè)4.0的目的與戰(zhàn)略意圖。在新的發(fā)展背景下，將信息化的時(shí)代特征與我國工業(yè)化歷史進(jìn)程緊密結(jié)合起來，把兩化深度融合作為主線，為推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級注入新的動(dòng)力，從而在向工業(yè)化邁進(jìn)的過程中占得先機(jī)，這是4.0戰(zhàn)略對我國推進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要啟示。
“工業(yè)4.0”的概念源于2011年德國漢諾威工業(yè)博覽會(huì)，其初衷是通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)提高德國制造業(yè)水平。在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子公司等學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的大力推動(dòng)下，德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部于2013年將“工業(yè)4.0”項(xiàng)目納入了《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》的十大未來項(xiàng)目中，計(jì)劃投入2億歐元資金，支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。隨后，德國機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)(VDMA)等設(shè)立了“工業(yè)4.0平臺”，德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)表了德國首個(gè)工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。
德國政府認(rèn)為，盡管德國擁有強(qiáng)大的機(jī)械和裝備制造業(yè)，但中國對德國工業(yè)構(gòu)成了競爭威脅，美國也在通過各種計(jì)劃促進(jìn)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展，因此，制定“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的目的就是為了“確保德國制造的未來”。當(dāng)前，正值我國大力推動(dòng)兩化深度融合、促進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時(shí)期，德國推行“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的理念、內(nèi)容和做法等諸多方面，都值得我們認(rèn)真關(guān)注、學(xué)習(xí)并給出積極回應(yīng)。
“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略愿景與要點(diǎn)
與美國流行的第三次工業(yè)革命的說法不同，德國將制造業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的漸進(jìn)性進(jìn)步描述為工業(yè)革命的四個(gè)階段，即工業(yè)4.0的進(jìn)化歷程(圖1)。
工業(yè)1.0。18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期，通過水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)的工廠機(jī)械化可稱為工業(yè)1.0。這次工業(yè)革命的結(jié)果是機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動(dòng)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)以及機(jī)械制造帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式。
工業(yè)2.0。19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初，在勞動(dòng)分工的基礎(chǔ)上采用電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)可稱為工業(yè)2.0。這次工業(yè)革命，通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。
工業(yè)3.0。始于20世紀(jì)70年代并一直延續(xù)到現(xiàn)在，電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得制造過程不斷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可稱為工業(yè)3.0。自此，機(jī)器能夠逐步替代人類作業(yè)，不僅接管了相當(dāng)比例的“體力勞動(dòng)”，還接管了一些“腦力勞動(dòng)”。
工業(yè)4.0。德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，未來10年，基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)的智能化，將使人類步入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。產(chǎn)品全生命周期和全制造流程的數(shù)字化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，將形成一個(gè)高度靈活、個(gè)性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。
“工業(yè)4.0”為我們展現(xiàn)了一幅全新的工業(yè)藍(lán)圖：在一個(gè)“智能、網(wǎng)絡(luò)化的世界”里，物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)(服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù))將滲透到所有的關(guān)鍵領(lǐng)域，創(chuàng)造新價(jià)值的過程逐步發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。
首先，工業(yè)4.0將使得工業(yè)生產(chǎn)過程更加靈活、堅(jiān)強(qiáng)。這將使得動(dòng)態(tài)的、適時(shí)優(yōu)化的和自我組織的價(jià)值鏈成為現(xiàn)實(shí)，并帶來諸如成本、可利用性和資源消耗等不同標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)化選擇。包括在制造領(lǐng)域的所有因素和資源間形成全新的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)、智能產(chǎn)品獨(dú)特的可識別性、個(gè)性化產(chǎn)品定制以及高度靈活的工作環(huán)境等。
其次，工業(yè)4.0將發(fā)展出全新的商業(yè)模式和合作模式。這些模式將力爭確保潛在的商業(yè)利潤在整個(gè)價(jià)值鏈所有利益相關(guān)人之間公平地共享，包括那些新進(jìn)入的利益相關(guān)人。同時(shí)，工業(yè)4.0“網(wǎng)絡(luò)化制造”、“自我組織適應(yīng)性強(qiáng)的物流”和“集成客戶的制造工程”等特征，也使得它追求新的商業(yè)模式以率先滿足動(dòng)態(tài)的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)而非單個(gè)公司，這將引發(fā)一系列諸如融資、發(fā)展、可靠性、風(fēng)險(xiǎn)、責(zé)任和知識產(chǎn)權(quán)以及技術(shù)安全等問題。
再次，工業(yè)4.0將帶來工作方式和環(huán)境的全新變化。全新的協(xié)作工作方式使得工作可以脫離工廠，通過虛擬的、移動(dòng)的方式開展。員工將擁有高度的管理自主權(quán)，可以更加積極地投入和調(diào)節(jié)自己的工作。同時(shí)，隨著工作環(huán)境和工作方式的巨大改變，可以大幅度提升老年人和婦女的就業(yè)比例，確保人口結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響當(dāng)前的生活水平。
最后，工業(yè)4.0將促進(jìn)形成全新的信息物理系統(tǒng)平臺。全新的信息物理系統(tǒng)平臺能夠聯(lián)系到所有參與的人員、物體和系統(tǒng)，將提供全面、快捷、安全可靠的服務(wù)和應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，支持移動(dòng)終端設(shè)備和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同制造、服務(wù)、分析和預(yù)測流程等，如圖2所示。
德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的要點(diǎn)可以概括為：建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、研究兩大主題、實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成、實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃。
建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。信息物理系統(tǒng)就是將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)智能環(huán)境。這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。
研究兩大主題：智能工廠和智能生產(chǎn)?！爸悄芄S”是未來智能基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程以及網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)?！爸悄苌a(chǎn)”的側(cè)重點(diǎn)在于將人機(jī)互動(dòng)、智能物流管理、3D打印等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程，從而形成高度靈活、個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)鏈。生產(chǎn)流程智能化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵。
實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成：橫向集成、縱向集成與端對端的集成?！肮I(yè)4.0”將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過CPS形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和端對端的高度集成?！皺M向集成”是企業(yè)之間通過價(jià)值鏈以及信息網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的一種資源整合，是為了實(shí)現(xiàn)各企業(yè)間的無縫合作，提供實(shí)時(shí)產(chǎn)品與服務(wù);“縱向集成”是基于未來智能工廠中網(wǎng)絡(luò)化的制造體系，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)，替代傳統(tǒng)的固定式生產(chǎn)流程(如生產(chǎn)流水線);“端對端集成”是指貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的工程化數(shù)字集成，是在所有終端數(shù)字化的前提下實(shí)現(xiàn)的基于價(jià)值鏈與不同公司之間的一種整合，這將最大限度地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。
實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃：“工業(yè)4.0”得以實(shí)現(xiàn)的基本保障。一是標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)。需要開發(fā)出一套單一的共同標(biāo)準(zhǔn)，不同公司間的網(wǎng)絡(luò)連接和集成才會(huì)成為可能。二是管理復(fù)雜系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)挠?jì)劃和解釋性模型可以為管理日趨復(fù)雜的產(chǎn)品和制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。三是一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施?？煽?、全面、高品質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)是“工業(yè)4.0”的一個(gè)關(guān)鍵要求。四是安全和保障。在確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身不能對人和環(huán)境構(gòu)成威脅的同時(shí)，要防止生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品濫用及未經(jīng)授權(quán)的獲取。五是工作的組織和設(shè)計(jì)。隨著工作內(nèi)容、流程和環(huán)境的變化，對管理工作提出了新的要求。六是培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展。有必要通過建立終身學(xué)習(xí)和持續(xù)職業(yè)發(fā)展計(jì)劃，幫助工人應(yīng)對來自工作和技能的新要求。七是監(jiān)管框架。創(chuàng)新帶來的諸如企業(yè)數(shù)據(jù)、責(zé)任、個(gè)人數(shù)據(jù)以及貿(mào)易限制等新問題，需要包括準(zhǔn)則、示范合同、協(xié)議、審計(jì)等適當(dāng)手段加以監(jiān)管。八是資源利用效率。需要考慮和權(quán)衡在原材料和能源上的大量消耗給環(huán)境和安全供應(yīng)帶來的諸多風(fēng)險(xiǎn)。
總的來看，“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的核心就是通過CPS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實(shí)時(shí)連通、相互識別和有效交流，從而構(gòu)建一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的智能制造模式。在這種模式下，生產(chǎn)由集中向分散轉(zhuǎn)變，規(guī)模效應(yīng)不再是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素;產(chǎn)品由趨同向個(gè)性的轉(zhuǎn)變，未來產(chǎn)品都將完全按照個(gè)人意愿進(jìn)行生產(chǎn)，極端情況下將成為自動(dòng)化、個(gè)性化的單件制造;用戶由部分參與向全程參與轉(zhuǎn)變，用戶不僅出現(xiàn)在生產(chǎn)流程的兩端，而且廣泛、實(shí)時(shí)參與生產(chǎn)和價(jià)值創(chuàng)造的全過程。
“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略目的與意圖
積極應(yīng)對新科技產(chǎn)業(yè)革命，爭奪國際產(chǎn)業(yè)競爭話語權(quán)的重要舉措。美國等發(fā)達(dá)國家紛紛把重振制造業(yè)作為近年來最優(yōu)先的戰(zhàn)略議程。當(dāng)前，信息通信、新能源、新材料、生物等領(lǐng)域的多點(diǎn)突破，正孕育和催生新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革。為在國際競爭中贏得主動(dòng)權(quán)，2009年初美國開始調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，同年12月公布《重振美國制造業(yè)框架》;2011年6月和2012年2月相繼啟動(dòng)《先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃》和《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃》，并通過積極的工業(yè)政策，鼓勵(lì)制造企業(yè)重返美國。從實(shí)際效果看，美國制造業(yè)占GDP的比重從2010年的12%回升至2013年的15%。此外，日本、韓國等也特別重視對以信息技術(shù)、新能源為代表的新興產(chǎn)業(yè)的扶持。例如，2009年3月，日本出臺信息技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，促進(jìn)IT技術(shù)在醫(yī)療、行政等領(lǐng)域的應(yīng)用;同年4月推出新增長策略，支持環(huán)保型汽車、電力汽車、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。韓國制定《新增長動(dòng)力規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略》，將綠色技術(shù)、尖端產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域共17項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)確定為新增長動(dòng)力。
中國等新興經(jīng)濟(jì)體在全球制造業(yè)領(lǐng)域的影響力和競爭力迅速提升。1990-2011年間，傳統(tǒng)工業(yè)化國家制造業(yè)增加值平均增長了17%，而以金磚四國(中國、俄羅斯、印度、巴西)為代表的新興工業(yè)國家則增長了179%。在新興經(jīng)濟(jì)體中，中國制造業(yè)產(chǎn)出約占全球的20%，成為全球制造業(yè)第一大國。同時(shí)，中國政府制定了《工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃》、《國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等，積極推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型提升。2011年，印度通訊和信息技術(shù)部正式啟動(dòng)“信息物理系統(tǒng)創(chuàng)新中心”，開展包括人形機(jī)器人在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域的研究。根據(jù)Zebra Tech公司的最新調(diào)查，即便目前，印度企業(yè)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水平也位于世界前列。
德國亟須通過戰(zhàn)略調(diào)整指引企業(yè)積極爭奪國際制造業(yè)競爭制高點(diǎn)。新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展，催生了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、工業(yè)可編程控制器等的創(chuàng)新和應(yīng)用，推動(dòng)了制造業(yè)生產(chǎn)方式和發(fā)展模式的深刻變革。在這一過程中，盡管德國擁有世界一流的機(jī)器設(shè)備和裝備制造業(yè)，尤其在嵌入式系統(tǒng)和自動(dòng)化工程領(lǐng)域更是處于領(lǐng)軍地位，但德國工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)及其相對弱項(xiàng)也十分明顯。一方面，機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的全球競爭正日趨激烈，不僅美國積極重振制造業(yè)，亞洲的機(jī)械設(shè)備制造商也正奮起直追，威脅德國制造商的地位。另一方面，軟件與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是德國工業(yè)的相對弱項(xiàng)。為了保持作為全球領(lǐng)先的裝備制造供應(yīng)商以及在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的優(yōu)勢，面對新一輪技術(shù)革命的挑戰(zhàn)，德國提出自己的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，目的就是充分發(fā)揮德國的傳統(tǒng)優(yōu)勢，大力推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在向工業(yè)化第四階段邁進(jìn)的過程中先發(fā)制人，與美日等國爭奪新科技產(chǎn)業(yè)革命的話語權(quán)。
順應(yīng)全球制造業(yè)發(fā)展新趨勢，推進(jìn)智能制造新模式的客觀要求。信息技術(shù)在裝備、管理、交易等環(huán)節(jié)的應(yīng)用不斷深化，推動(dòng)柔性生產(chǎn)、智能制造和服務(wù)型制造日益成為生產(chǎn)方式變革的重要方向。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得集成了生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、成熟工藝、科學(xué)方法的全自動(dòng)生產(chǎn)線加快普及，不僅大大提高了生產(chǎn)效率，還極大地促進(jìn)了生產(chǎn)過程的無縫銜接和企業(yè)間的協(xié)同制造?；ヂ?lián)網(wǎng)理念擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)領(lǐng)域，催生了眾包設(shè)計(jì)、個(gè)性化定制等新模式，將促進(jìn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者實(shí)時(shí)互動(dòng)，使得企業(yè)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不再大量趨同而是更具個(gè)性化。信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)等的廣泛應(yīng)用，還不斷推動(dòng)企業(yè)生產(chǎn)從以傳統(tǒng)的產(chǎn)品制造為核心轉(zhuǎn)向提供具有豐富內(nèi)涵的產(chǎn)品和服務(wù)，直至為顧客提供整體解決方案。互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與制造企業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)與服務(wù)企業(yè)之間的邊界日益模糊。越來越多的事實(shí)表明，信息技術(shù)特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用正以前所未有的廣度和深度，加快推進(jìn)制造業(yè)生產(chǎn)方式、發(fā)展模式的深刻變革。
“工業(yè)4.0”強(qiáng)調(diào)通過信息網(wǎng)絡(luò)與物理生產(chǎn)系統(tǒng)的融合來改變當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)模式，將成為企業(yè)提高產(chǎn)品附加值、增強(qiáng)市場競爭力的重要手段。在“工業(yè)4.0”時(shí)代，產(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備之間、不同的生產(chǎn)設(shè)備之間，通過數(shù)據(jù)交互連接到一起，讓工廠內(nèi)部縱向之間甚至工廠與工廠橫向之間都能成為一個(gè)整體，從而形成生產(chǎn)的智能化。2013年德國Zeiss集團(tuán)在歐洲機(jī)床展上展示了一套名為PiWeb的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨國公司分布在不同地區(qū)工廠的機(jī)器測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享，實(shí)現(xiàn)全球不同工廠數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測。德國的博世、奔馳和大眾等公司已經(jīng)開始使用這套系統(tǒng)。此外，在2014年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，德國展示了共有10家企業(yè)聯(lián)合參與研發(fā)的全球第一個(gè)“工業(yè)4.0”演示系統(tǒng)，以證明該概念實(shí)現(xiàn)的可能性。這表明，德國不僅能夠向全球提供利用智能制造系統(tǒng)生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，也力圖成為先進(jìn)智能制造技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者，由此促進(jìn)德國制造業(yè)智能化、服務(wù)化。
（轉(zhuǎn)載）
