工業4.0的全球探索與實踐案例

孫謙

根據官方文獻，德國工業4.0的內容可概括為理論基礎CPS、戰略實施的“雙重策略”及3大集成、2大建設主題（智慧工廠和智慧生產）和8項優先行動領域。工業4.0強調在一個經濟體中全面的數字化和所有生產單位的互聯。根據羅蘭貝格報告（2014），工業4.0有六大特征：信息物理系統與市場空間，智能機器人與智能裝備，作為“21世紀原材料”的大數據，產品、機器、生產過程、工廠高質量的新型互聯，能源效率及其分布性，以及包括虛擬工廠與虛擬產品的虛擬產業化。

德國工業4.0戰略的三層視野

國家視野：德國政府于2011年公布《德國高技術戰略2020》，涵蓋工業4.0、數字化進程、智慧服務、大數據、云計算等課題;2013年4月推出《實施工業4.0戰略舉措的建議》。2014年11月頒布《工業4.0標準實施路線圖》

歐洲視野：2014年8月，德國政府頒發《數字化議程2014-2017》，對接歐盟數字化議程項目。在實施工業4.0戰略后又提出“數字化議程”，目的之一是通過“產業的數字化”，包括智能制造與服務、大數據和云計算等領域新的商業模式創新，為德國開辟發展機遇，促進經濟增長和就業，并為工業4.0體系提供長久動力。

國際視野：國際競爭方面，美國政府于2012年推出《美國先進制造業國家戰略計劃》，同年12月通用電氣（GE）提出《工業互聯網》戰略;2013年8月我國工信部發布《信息化和工業化深度融合專項行動計劃2013-2018》。由此，美國的“工業互聯網”、中國的“兩化深度融合”、德國的“工業4.0”等殊途同歸的工業發展戰略為世人矚目。

國際合作方面，2014年10月中德兩國發布《中德合作行動綱要：共塑創新》。綱要第二部分“可持續的經濟發展和金融領域合作”，設 “經濟”、“工業4.0合作”、“金融”3大主題。涉及工業4.0合作的內容有：工業生產的數字化（工業4.0）對于未來中德經濟發展具有重大意義，該進程應由企業推進，政府政策支持;建立兩國工業4.0對話機制;將工業4.0議題納入中德標準化合作委員會;進一步深化兩國在移動互聯網、物聯網、云計算、大數據等領域合作。為此，工信部苗圩部長在講到德國工業4.0與中國兩化深度融合關系時，使用了“如出一轍、異曲同工、殊途同歸”三個關鍵詞。

工業4.0的國際探索與實踐案例

據2013年德國“工業4.0前景”報告，47%的公司已積極參與工業4.0計劃，18%的公司參與了對工業4.0的研究，12%的企業已開始實施工業4.0計劃。筆者認為，德國企業既往成績斐然，目前是實施工業4.0戰略的主角，探索最佳實踐眾望所歸。

工業4.0最佳企業實踐

根據文獻研究和筆者2014年訪德交流，工業4.0實施既包括工業4.0創意單位西門子、博世公司和弗勞恩霍夫研究院等，也包括其他諸多企業，如軟件企業SAP和大眾汽車;此外，德國專家還指出諸多中小企業正在努力踐行中。據羅蘭貝格報告（2014），工業4.0最佳企業實踐包括：

德國通快公司作為工業4.0技術提供商，實施了首例“社會化機器（一種人與技術交互而達成產出的環境）”案例，據稱其產品的每一個零件都是智能的，保留著以往加工的所有信息;同時各生產裝置都因互聯而知曉彼此的加工能力，以便生產流程可以自動優化;用戶也得以實時介入乃至干預產品的加工。

德國西門子公司實施工業4.0的醫療工程，一改需要廢時多日適配患者的標準化人造膝蓋和髖關節，在工業4.0方案下僅數小時即可完成個性化產品的人體植入。

英國勞斯萊斯公司采用3D打印技術制造航空發動機元器件，采用輕型材料，并將原需18個月的訂單周期（源于復雜工藝工裝）大大縮減，顯著提高了企業競爭力。

法國達索工業軟件公司，重視工業4.0在產品開發與生產集成方面的應用，實現了從工程到PLM，進而演進到集成虛擬-實體平臺的工業4.0模式，核心內容完整的3D數字化工藝設計、制造和數字化生產線解決方案，以及3D數字化體驗平臺。

工業4.0實踐案例

【德國博世公司實踐案例】作為創意和發起單位，博世參與了德國工業4.0戰略的制訂，其實踐也較完整地表達了工業4.0的內涵。

物聯網和務聯網（IoTS）參考模型：從底層向上依次為物聯網、互聯網系統與服務平臺、務聯網、應用領域等四層，通過機器間（M2M）的無線網絡互聯、業務流程與業務規則的改進，形成了物聯網與務聯網模式。物聯網的IT技術環境包括M2M語義獲取、數據歸集和大數據處理;務聯網的IT技術環境包括互聯的企業、互聯的業務流程和業務規則、云計算與大數據的服務等。博世提供了物聯網套餐或工業4.0“工具箱”軟件系統，為制造企業提供軟件創新解決方案。

“智慧工廠”模型：通過集成IT技術與企業生產的新型商業模式，智慧工廠主要由產品研發與流程，感知與互動環境，生產加工環境，也包括柔性工廠、聯網生產、預測性維護等內容。智慧工廠的外部界面包括自適應的物流模塊，通信與服務模塊，以及云服務的“技術和交易市場”。

工業4.0的應用：智慧服務是工業4.0的核心概念。博世推出“預測性維護”的智慧服務產品，包括實時解釋機器與傳感器數據、分析機器數據及故障預測、規劃維護流程、集成企業IT等環節。對制造企業客戶，好處是提高設備的整體效用和系統運行可靠性，有效利用零部件和產品的最大服務生命周期，并提供專家知識的積累和傳遞。預測性維護的“遠程服務門戶”可集中訪問客戶的機器和系統，并完成遠程軟件更新。

工業4.0路線圖：博世演進開發的工業4.0系統，第一階段開發遠程服務門戶，包括通信平臺建設、對象的狀態監視和預測性維護模塊;第二階段開發基于對象的數據，包括智慧化的適應性測試、物流運輸和庫存數據等;第三階段將開發數據挖掘和分析系統。

【德國西門子公司實踐案例】作為倡導者和踐行者，西門子在漢諾威工業博覽會上展示了工業4.0示范，表達其構建未來智慧生產的能力。

西門子的工業4.0觀：未來企業新增競爭力，將來自通過增加能源和資源使用率來提高企業的經營效益、更多的復雜產品和更大的數據量來縮短產品入市時間、個性化的規模定制和更高的產能來增強產品對市場的適應性。工業4.0宛如“算法化的生產棋盤”，通過聯網的嵌入式技術，與分布式的CPS系統交互，其產品因“縱向集成”而包含加工信息，其生產組織因“橫向集成”而包含整個價值鏈的自組織信息，其生產流程因“端到端的集成”而體現依實時場景的靈活決策。

強調工業信息技術和工業軟件：各類計算機輔助應用軟件、產品數據的協同管理系統、數字化制造軟件、3D流程設計與工廠分析工具、制造執行系統等，實現企業價值創造各環節的緊密相連，優化生產過程。西門子工業部門雇傭了7500位軟件工程師，為其7萬客戶及750萬PLM協議用戶提供專業服務。

“智慧生產”案例：西門子安貝格工廠生產高度數字化，可獨立于實體生產進行仿真與優化;安貝格采用制造執行系統，顯著提高了生產效率和靈活性，允許在一分鐘內更改產品及工序;工廠的測量事件達每日100萬以上，采集后由中央系統保證其數據的一致性;每一件產品都帶有其加工信息，若發現差錯，控制系統可依既定工序進行干預和糾正。由此，安貝格百萬缺陷率僅為15%，成為產品誤差最小的企業。

設計智慧工廠，構建貫穿價值鏈的端到端工程數字化集成：按提高企業生產整體競爭力的要求，從“產品設計”開始，經過“生產規劃”和“生產工程”，到“生產實施”和“服務”等5個環節，展示了工業4.0縱向集成和端到端集成特征。在“產品設計”階段，實現貫穿整個產品生命周期的價值增值，通過產品生命周期管理系統，全面優化企業的產品研發流程。在“生產規劃”階段，通過虛擬仿真技術和PLM解決方案，客戶在實體生產之前即可對生產流程進行模擬檢查和優化，并保證虛擬生產模型與實際生產設備間的無縫互動。在“生產實施”階段，一改傳統單臺產品的優化模式，轉而采用“全集成自動化（TIA）”概念的“集成驅動系統 （IDS）”，一站式地實現了產品系統的增值。

CPS概念的“數字化企業平臺”：數字化企業平臺是實現數字制造的載體，在物聯網、云計算、大數據、工業網絡技術的支持下，通過共同的數據庫和集成工具鏈，集成先進的生產管理系統、生產過程軟件和硬件，達成各種產品元部件生產之間的無縫集成。西門子已開始為我國企業提供數字化企業平臺解決方案。

啟示

以上國際案例的共性部分，包含對CPS系統的認可、對三大集成的重視、關注智慧工廠和智慧生產的主題探索。案例中采用新興技術已是標配，構成了工業4.0的高價值內容，這也解釋了《中德合作行動綱要》的工業4.0部分，專門強調“進一步深化兩國在移動互聯網、物聯網、云計算、大數據等領域合作”。

技術層面，互聯網創新要素，已經從消費側向供給側滲透;如果說亞馬遜電商創新和阿里上市奇跡都證明了消費類互聯網應用的巔峰，那么三個制造業大國殊途同歸地提出制造業發展戰略，將代表產業類互聯網應用時代的到來。

（作者系浙江省杭電智慧城市研究中心副主任、浙江省經信智慧城市規劃研究院首席科學家）