標準引領德國工業升級——德國工業4.0中的標準化戰略及其啟示

◆郭 政/ 文

引言

德國是一個崇尚嚴謹的國家，標準在工業體系中占有舉足輕重的地位。在德國，標準不僅僅是一套技術規范，還是一種思維方式，一個戰略體系，一項國家戰略。在重大的國家級規劃中，總能發現標準的位置。

“工業4.0”是德國面向未來競爭的總體戰略方案，最早在2011年11月被德國政府作為高技術戰略2020行動計劃的一部分被提出。在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子、博世等學術界和產業界的建議和推動下，德國各界經過廣泛討論和動員，形成了工業4.0工作平臺，并在2013年4月漢諾威工業博覽會上正式推出《德國工業4.0戰略計劃實施建議》，旨在支持德國工業領域新一代革命性技術的研發與創新，確保德國強有力的國際競爭地位。由于該計劃對全球工業未來發展趨勢進行了探索性的研究和清晰的描述，對人們預測未來10年到20年的工業生產方式具有重要參考價值，因此立即受到了全世界科學界、工程界和產業界的關注。本文目的不在于對工業4.0進行全面深入的分析，而是重點討論其中有關標準化的內容，從中可以借鑒發達國家是如何運用標準來引領其工業升級和戰略性新興產業的發展的。下文將分為三個部分，第一部分簡要介紹工業4.0的基本框架和內容；第二部分介紹其中對標準化的描述；第三部分討論對我國的啟示。

一、工業4.0

德國是全球制造業中最具競爭力的國家之一，其裝備制造行業全球領先。這是在創新制造技術方面的研究、開發和生產，以及在復雜工業過程管理方面高度專業化使然。德國擁有強大的機械和裝備制造業，占據全球信息技術能力的顯著地位，在嵌入式系統和自動化工程領域具有很高的技術水平，這些都意味著德國確立了其在制造工程行業中的領導地位。這些都為工業4.0奠定了堅實的物質與社會基礎。

德國各界認為，到目前為止，德國已經完成了三次重要的工業革命，正在向以智能化為主要特征的第四次工業革命邁進。前三次工業革命分別源于機械化、電力和信息技術的應用。18世紀末機械制造設備的引進是工業化的開端，那時像紡織機這樣的機器徹底改變了貨物的生產方式；繼第一次工業革命后的第二次工業革命大約開始于20世紀之交，在勞動分工的基礎上，采用電力驅動了產品的大規模生產。20世紀70年代初，第三次工業革命又取代了第二次工業革命，并一直延續到現在。第三次工業革命引入了電子信息技術（ICT），從而使制造過程不斷實現自動化，機器不僅接管了相當比例的“體力勞動”，而且還接管了一些“腦力勞動”。ICT使得德國工業大大提高了全球化布局和生產的能力，使不同的任務可由不同地理位置的不同合作伙伴來執行。ICT已經大約進入了德國90%的工業制造過程，越來越多的IT基礎設施和服務將通過智能網絡（云計算）提供。比以往任何時候都更加小型化的設備與勢不可擋的互聯網相結合，使無處不在的計算機成為現實。前三次工業革命的成功使德國具備了管理復雜工業流程的能力，也為其進入新的發展階段鋪平了道路。

現在，將物聯網和服務網應用到制造業正在引發第四次工業革命。功能強大的、自主的微型計算機（嵌入式系統）正越來越多地互相間或與互聯網以無線方式互聯。這正在導致實體物理世界與虛擬網絡世界（cyberspace）的深入融合，形成“虛擬+實體系統”（CPS）。2012年新互聯網協議IPv6的推出，使人們擁有足夠的網絡地址數量支撐智能對象間大范圍的直接互聯。這意味著有史以來第一次，我們有可能將資源、信息、物品和人進行互聯，從而造就物聯網和服務網。這種現象的影響也將反映到工業領域。在制造領域，這種技術的漸進性進步可以被描述為工業化的第四個階段，即“工業4.0”。

未來，企業可以建立起全球網絡，把它們的機器、存儲系統和生產設施融入到CPS中。在制造業CPS中，包括智能機器、存儲系統和生產設施等在內的物理單元，能夠相互獨立地自動交換信息、觸發動作和自我控制。這將從根本上改善包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理的工業過程——工廠將變為智能的，自我管理的。在智能工廠中，在制品通過獨特的形式被識別、可以在任何時候被定位、并能知道它們自己的過去、當前狀態和為了實現其目標狀態的替代路線；嵌入式制造系統在工廠和企業之間的業務流程上實現縱向網絡連接，在分散的價值網絡上實現橫向連接，并可進行實時管理——從下訂單開始，直到外運物流。工業4.0所描述的世界，簡而言之，是一個智能化、網絡化的世界。

在這個智能化、網絡化的世界里，物聯網和服務網將滲透到所有的關鍵領域。工業4.0的最終目的是創造智能的產品、程序和過程。智能產品自身能夠存儲分析制造信息，能夠自我識別并回答諸如“我是什么時候被制造的”“我應具備哪些性能參數”“我應該被傳送到哪里”等問題。同時，智能物流、智能系統網絡等與之相互聯接，各種制造程序和流程實現自我控制。實現這一切，需要建設“智能工廠”。

智能工廠使個體顧客的需求盡可能得到滿足，這意味著即使是生產一次性的產品也能獲利。在工業4.0中，動態業務和工程流程使得生產在最后時刻也可以變化，也可能為供應商對生產過程中的干擾與失靈作出靈活反應。制造過程中提供的端到端的透明度有利于優化決策。工業4.0也將帶來創造價值的新方式和新的商業模式。特別是，它將為初創企業和小企業提供發展良機，并提供下游服務。另外，工業4.0對人口和社會結構也將產生深刻影響。智能輔助系統將工人從執行例行任務中解放出來，使它們能夠專注于創新、增值的活動——體力勞動將大幅減少，這將允許年長的工人延長其工齡，保持更長的生產力，有助于解決德國即將面臨的技術工人短缺問題；靈活的工作組織形式使得工人能夠將他們的工作和私人生活相結合，并且繼續進行更加高效的專業發展，在工作和生活之間實現更好的平衡。最終，這一切都將歸結于德國國際競爭力的提升，使得德國在新一輪技術革命中走在前列，同時保有本國的高工資、高福利和高競爭力。

二、標準化和開放的標準體系

工業4.0是一個美好藍圖，它的實現必然需要克服重重困難，包括技術的、制度的、甚至是文化與倫理上的。工業4.0工作組認為需要在以下八個關鍵領域采取行動（參見表1）。

值得我們關注的是，標準化排在所有8項計劃的第一位。

工業4.0認為，實現目標的核心和關鍵是建立一個人、機器、資源互聯互通的網絡化社會，物聯網、互聯網、服務化的智能聯接必然要求一個系統框架，在這個框架內，各種終端設備、應用軟件，它們之間的數據信息交換、識別、處理、維護等必須基于一套標準化的體系。

時至今日，制造業系統包括多個復雜的模塊，不同模塊間所需的接口與集成都需要標準的協調。

由于工業4.0將需要公司之間在機械和設備制造、自動化工程和軟件業之間進行合作，標準化的第一步是要在共同基本術語上達成一致。

工業4.0指出：盡管一些既定的標準已經在各種技術學科、專業協會和工作組中使用，但是缺乏對于這些標準的協調。因此，有必要將現有標準，如在自動化領域（工業通信、工程、建模、IT安全、設備集成、數字化工廠等）納入一個新的全球參考體系。參考體系不能以自上而下的方式發展，因為它需要整合幾個不同的視角，而自上而下的方法通常會花費太長的時間。因此，從不同的出發點推動參考體系漸進性地發展更合乎情理。在這方面，已有的互聯網標準的制定將給我們啟發。它是不同于目前機械和設備制造業的新的標準化模式，強調的是開放性。成功的案例包括：

表1 工業4.0行動計劃表

——開放的作業系統：例如Linux公司，一個由100多個國家的超過2000名來自企業、研究機構的員工和個人組合到一起的企業，發展和維護成世界上最成功的操作系統之一。

——開放式開發工具：一個包括超過1500名開發人員和以百萬計的用戶參與軟件開發的行業，為要求苛刻的應用程序建模。

——開放式通信基礎設施：“征求意見稿”是由成立于1969年7月4日的互聯網協會出版的技術和組織文件。它們被廣泛接受和使用，從而被轉化為事實上的標準。著名的例子包括因特網協議和電子郵件協議。

工業4.0工作組建議在工業4.0平臺下成立一個工作小組，專門處理標準化和參考體系的問題。工作小組將著重承擔表2所示的任務。

工作組還建議建立適當的旗艦項目，以展示成功開發和部署的參考體系。參考體系的其他主題包括終端到終端工程產品及其相關的制造系統或管理和控制制造工藝的高動態技術的實時進程通信。

三、啟示

德國工業4.0中的標準化計劃在以下幾個方面需要引起我們的深思和借鑒。

1.對標準的認識

德國人對待標準，是真正將標準放到引領產業發展，關系國計民生的高度上。根據德國標準化協會（DIN）的計算，1960—1996年間，每年3.3%的國民生產總值增長中，標準的貢獻率占0.9%，僅次于資本投入，比國內創新和直接從國外購買技術等更加重要[1]中國標準化研究院編著.2008國際標準化發展研究報告.中國標準出版社。通過標準的推廣和應用，德國的技術創新得以迅速擴散，并轉化為實在的生產力提升。在德國，政府用標準推廣先進，淘汰落后；企業用標準取得發展，贏得競爭；消費者用標準保護權益，指引生活。反觀我國，更多將標準視為約束，企業對標準多是被動接受，而非主動引進。

表2 工業4.0標準化工作小組重點承擔的任務

特別是近年來，隨著技術變革的加速，德國進一步闡明了標準對科技的重要性。在德國政府與DIN的《合作協議》中專門指出：“科技已經滲透到并將繼續滲透到人類生活的各方面，而標準特別是關于安全、健康、環境保護、以及消費者保護等方面的標準，代表著掌控科技、掌控科技的進一步發展。”因此，在工業4.0中將標準作為首要之事不過是德國重視標準傳統的一貫延續。

2.戰略性新興產業的標準化模式

傳統的標準化模式是當產品在技術成熟后才進行標準制訂，屬于后補性模式。這種模式適用于技術變革慢，產品成熟期長，基礎技術參數積累多的產業和產品。而在戰略性新興產業，上述產業特征幾乎無一存在，給我們擅長的后補性標準化模式帶來了嚴峻挑戰。工業4.0中的標準化戰略帶有明顯的“前導+研發”模式特征，即伴隨先進技術的研發，標準化同步甚至超前進行，為產業發展勾勒出整體框架。

總體來看，戰略性新興產業的技術標準具有以下特點：

——顯著的高技術性。標準應體現數字化、網絡化、智能化、綠色化等未來產業發展的基本屬性；

——更強的系統性和協調性。產業內和產業間的重組、分工、關聯、協作要求標準能夠成體系地推進配套和系統的研制應用，共性技術和模塊接口成為標準的重要內容；

——靈活的動態性與適應性。技術變革不斷加快和生命周期不斷縮短，要求標準必須處在實時的演進中，以適應產業實踐的跨越。圖1顯示技術范式的變動加快，原本采用的5年一個標準修訂周期在高技術化的戰略性新興產業不再適用。有時，5年已經足夠一代技術的變遷完成了。

上述特點都意味著“前導+研發”的標準制定模式在戰略性新興產業將成為主流，但我國在這方面準備不足。從研發強度、人才儲備、標準化制度等方面限制重重，如何解決應成為下一步標準化工作改革的重點之一。

3.標準制訂的協調機制

“前導+研發”模式同時還提出一個新問題，誰來主導并協調標準制訂？對于工業4.0，可以預計的是，在其推進過程中必然存在大量的不確定，包括技術的、社會的、甚至是政治的，技術不確定是最主要的。同時，不同主體間也必然存在不同的利益訴求。協調不同主體面對和克服不確定性，必然要有一個合適的協調機制。

圖1 技術替代而非技術改進

標準制訂的協調機制有三種基本形式：政府協調、非官方委員會協調和市場（企業）協調。工業4.0中指出，不能以自上而下的方式發展，自下而上才是合適的。它給出的方案是由企業成立一個“工業4.0社區”來負責標準構架的制訂協調工作。這基本否決了政府主導的協調模式，克努特?布林德研究指出，“在技術變革中，基于政府協調的方案是最不可靠的。我們無法預期政府決策者能夠充分了解技術開發的市場機會，并且能夠作出最優決策。”[2]克努特·布林德.標準經濟學——理論、證據與政策.中國標準出版社因此，工業4.0中的標準協調機制更像一個介于市場協調和委員會協調之間的過渡機制。相較于市場協調，它更加開放；而相較于委員會協調，它更加靈活。工業4.0高度強調標準的開放性和動態性。開放性能夠保證各利益相關方的參與和調節，而動態性則有助于避免技術不確定帶來的整體性錯誤。但是，工業4.0也意識到自下而上方式所需的時間、協調成本以及可能的利益沖突，所以指定標準工作組還應給出一個自上而下的方案以便于達成共識。這種“自下而上”與“自上而下”互相結合，互補利弊的標準體系制定方式值得我們借鑒。

我國現有的標準協調機制仍帶有明顯的政府色彩，國家標準化委員會更多承擔了管理職能而非協調職能。標準制修訂權力過于集中，給基層留有的操作空間不大，因此企業參與制訂標準的動力不足，從而形成一個惡性循環。即，政府不放權——企業沒動力——企業投入不足——企業標準化能力缺失——政府更加集中管理。在技術變革日新月異的今天，可以說目前的機制已經制約了我國的標準創新，應加以改革。