聚焦工業4.0

前三次工業革命的到來造就了機械、電氣、信息技術。如今，以物聯網為主的工業4.0能否成為第四次工業革命？

德國聯邦政府提出的工業4.0戰略是作為《高技術戰略2020》的重要組成部分，并在2013年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出。2014年10月，中德兩國簽訂《中德合作行動綱要》，中國希望在工業4.0方面和德國加強合作。

高端裝備制造國產化與自動化、涵蓋車聯網和智能安防網絡等智能產業，必將成為未來發展的重點方向，因此對工業4.0加深了解很有必要。

一種趨勢的風向標

德國聯邦政府制定的《高技術戰略2020》旨在奠定德國在重要關鍵技術上的國際領先地位，繼續加強德國作為技術經濟強國的核心競爭力。其中，信息通信技術尤為重要，它幾乎是所有行業和應用領域的關鍵創新驅動引擎。

在《高技術戰略2020》行動計劃中，德國聯邦政府為未來項目工業4.0設立了雄心勃勃的目標：德國要成為現今工業生產技術（即信息物理系統）的主力供應國和主導市場。工業4.0概念主要是指以智能制造為主導的革命性的生產方法。該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統（CPS即Cyber-Physical System）相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

工業4.0研究項目由德國聯邦教研部與德國聯邦經濟技術部聯手資助，并在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等德國學術界和產業界的建議和推動下形成雛形，該戰略已經得到德國科研機構和產業界的廣泛認同，并已上升為國家級戰略。

據悉，德國聯邦政府對該項目共投入2億歐元。目前，弗勞恩霍夫協會將在其下屬6?7個生產領域的研究所引入工業4.0概念，西門子公司已經開始將這一概念引入其工業軟件開發和生產控制系統當中。

在工業4.0時代，借助信息物理系統（CPS）等創新技術，整個生產流程都由軟件來控制，包括人機整合、機器與外部機器整合、生產流程與外部合作伙伴整合等。工業4.0概念描述了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。

當今世界，制造業工程領域的全球化競爭變得日漸白熱化，德國并不是唯一一個在制造業部署物聯網和行業服務的國家。在美國，工業4.0的概念更多被工業互聯網所取代，雖稱呼不同，但基本理念一致。

從政策層面來講，為應對新科技產業革命，爭奪國際產業競爭話語權，美國重振制造業將作為近年來最優先發展的戰略目標。金融危機后，美國政府出臺了一系列法案，著力打造制造業創新研究中心，希望以高新技術改造傳統制造業，推動美國經濟再次走上可持續增長之路。從行業層面上看，行業組織工業互聯網聯盟的組建，宣告了企業界組團邁向工業4.0時代。與德國強調的“硬”制造不同，軟件和互聯網經濟發達的美國更側重于在“軟”服務方面推動新一輪工業革命，希望用互聯網激活傳統工業，保持制造業的長期競爭力。

據美國智庫威爾遜中心發布的《全球先進制造業趨勢報告》顯示，美國研發投資量位于世界首位，其中3/4投向制造業，在合成生物、先進材料和快速成型制造等先進制造業領域優勢明顯。在政府和私營部門的大力推動下，美國很有可能出現以無線網絡技術全覆蓋、云計算大量運用、智能制造大規模發展為標志的新一輪技術創新浪潮。

一幅未來的圖畫

工業化始于18世紀末機械制造設備的引進，比如像紡織機械的使用，極大地改變了產品的產出方式；而以電力驅動進行大規模生產為特征的第二次工業革命則發端于20世紀初期；進入20世紀70年代，第三次工業革命又取代了第二次工業革命，其主要變化就是導入電子與信息技術（IT技術），從而使制作過程不斷實現自動化，機器不僅代替部分“體力勞動”，還在相當程度上接管了一些“腦力勞動”。

前三次工業革命的到來造就了機械、電氣、信息技術。如今，物聯網和制造業服務正宣告著新的工業革命——工業4.0的到來。至于工業4.0能否成為第四次工業革命，我們還需要拭目以待。工業4.0未來項目主要分為兩大主題：一是智能工廠，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是智能生產，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動及3D技術在工業生產過程中的應用等。

未來，工業企業將以信息物理系統為框架建立包含生產設備、倉儲系統和工業產品的全球性網絡。在制造業領域的所有因素和資源間形成全新的“社會-技術”互動水平，它將使生產資源，如生產設備、機器人、傳送裝置、倉儲系統及生產設施，形成一個循環網絡并具備以下特性：自主性——可自我調節以應對不同狀況；可自我配置——向以往經驗學習、配備傳感設備、分散配置，同時也包括相關的計劃與管理系統。

作為工業4.0的一個核心組成部分，智能工廠將滲透到公司間的價值網絡中，并最終促使虛擬數字世界和現實物質存在的完美結合。智能工廠以“端對端”的工程制造為特征，不僅涵蓋制造流程，也包括制造的產品，進而實現數字和物質兩個系統的無縫融合。對工作人員而言，智能工廠將使制造流程的日益復雜性變得可控、使制造過程具有吸引力，同時使制造的產品在社會環境中具備可持續性及盈利能力。

智能產品具有獨特的可識別性，可以在任何時候被識別出來，在某些領域他們還可以半自主控制其生產的各個階段。此外，智能產品也有可能具備他們在工作范圍內發揮最佳作用的能力，同時在整個生命周期內隨時確認自身的損耗程度。而這些信息可以匯集起來供智能工廠參考，以幫助工廠在物流、裝配和保養方面持續優化。當指令經過CPS系統時，縱向需要經過工廠和公司的商業流程，橫向則連接了可以實時管理的衍生價值體系，這兩方面共同構建了嵌入式制造的系統網絡。此外，每一條指令都需要流經過程鏈條中的每一個環節。

工業4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓用戶的個性定制化需求在設計、配置、采購、規劃、制造、運作和回收各個環節得以滿足。這就意味著，即使是一次性、小批量的產品也可以制造出來并且保持收益。在工業4.0中，對供應商而言，動態商業模式和工程流程使生產和交付變得更加靈活，而且對于生產中斷和故障可以靈活反應。現在工業制造在制造流程中已經能夠提供端到端的透明化，以促進選擇決策的制定。工業4.0將會發掘出創造價值的新方法，開發出商業新模型。特別需要說明的是，工業4.0還將給新興公司和小型投資者的發展帶來契機，下游服務商也將從中受益。

此外，工業4.0將致力于解決當今世界遇到的一些挑戰，比如資源效率、城鎮化和人才結構調整等。工業4.0能夠持續帶來覆蓋整個價值網絡的資源生產率和效率的增益。同時能夠將人口結構變動和社會因素考慮在內，并設定合適的方式來組織生產。智能輔助系統可以把工人從單調、程式化的工作中解放出來，使其能夠將精力集中在創新和增值業務上。為應對熟練工短缺，工業4.0允許高齡的工人延長他們的工作生涯，使他們能夠長時間地保持生產力。靈活的工作組織形式使得工人們能夠更好地整合他們自己的工作及私人生活，持續的職業生涯發展將變得更有效率、更有人情味。可以說，工業4.0為工作和生活找到了一個更好的平衡點。

工業4.0的實施需要通過服務水平的協議來進一步拓展相關的網絡基礎設施和特定網絡的服務質量。對于相關板塊應該是具有巨大的商機。總而言之，工業4.0很有可能將對全球產生超出我們想象的影響并且造就一個極為活躍的環境。

工業4.0離我們并不是非常遙遠，試舉一個汽車行業的例子。現階段，能源利用效率已經成為制造業生產過程中必須要考慮的問題，為此，在生產間歇中隨時關閉那些不工作的部分以減少能源消耗就變得十分必要。工業4.0將最大限度地利用現有條件實現這一能力，使之融入到生產設施從計劃到運行的全過程。比如，在德國，使用激光焊接技術的汽車車身裝配線在生產間歇時消耗的能源占其全部能源的12%（通常工廠每周工作5天并3班倒），雖然周末停工，但是這些復雜設備要一直保持工作狀態以便周一迅速恢復生產。在生產間歇的90%的能源消耗中，機器人（20%?30%）、通風設備（35%?100%）、激光源和冷卻系統（0?50%）。

未來，機器人即使在很短的時間間歇內也可以關閉，在較長時間內可以保持一種稱為“網絡喚醒模式”的待命狀態，通風設備根據需要可以控制速度，而激光源則可以使用全新系統以達到節能目的。這樣做可以減少總能耗的12%。因此，整合了可控部分設備開關的汽車車身生產線能夠節省能源，且升級現有設備的成本/風險率也不高，是一條可操作的道路。

實際上，德國主要汽車企業已經為此做出了自己的戰略思考，對于工業4.0而言，戴姆勒的觀點是：汽車產品需要智能化、互連、數字化，而工業4.0既是對產品也是對工藝提升的改進；生產工藝也需要橫向和縱向融合，即工位的數字化，即PLM/ERP/NX互連、數字化工廠、柔性工藝等；人工智能與人機融合則是重點。

同時，戴姆勒還提出2036大綱，即現在開發2020年至2030年的汽車產品，同時奠定2040年新一代工廠的規劃基石，工業4.0的核心理念將得到貫徹。與此同時，大眾汽車的觀點是：生產工藝發展的大方向是應對環境的挑戰，大眾目標是到2018年每一輛車減少25%的環境壓力，工業發展邊界條件和產品的挑戰決定了生產工藝，工業4.0將是更新生產工藝的有力武器。其中，大眾汽車的EMDEN動力總成工廠就應用了諸多新技術，比如eKiss人機一體化系統、智能化的模具、裝配線上RFID的應用、培訓中心的3D技術等。

必須付諸的行動

為實現工業制造到工業4.0的轉變，德國人決定采取雙重戰略。該國裝備制造業計劃不斷將信息與通信技術集成到傳統的高技術戰略來維持其全球領先地位，從而成為智能制造技術的主要供應商。同時，德國人也不遺余力地為CPS科技產品建立培育新的主導市場。為達成這個雙重要求，以下三個工業4.0的特征應該被執行：通過價值網絡實現橫向集成；端到端的工程數字化集成貫穿整個價值鏈；縱向集成和網絡化的制造系統。如果工業4.0被成功實現，研發也需要與之適應的工業化政策的支持。為此，以下八個領域需要進一步改進：

一、標準化和參考體系：工業4.0將會涉及網絡技術的設計并通過價值網絡集成幾家不同的公司。如果一攬子共同標準得以實現，這種合作伙伴關系才能成為可能，這需要一個參考體系來描述標準并促進標準的實現。

二、復雜系統的管理：制造系統正在日益變得復雜，適當的計劃、描述和說明模型可以為這些復雜系統提供管理基礎。工程師們需要為了發展這些模型而進行更多的方法創新和工具應用。

三、一套綜合的工業基礎寬帶設施：無疑綜合性、高質量的通訊網絡是工業4.0的關鍵要求。無論是在國內，還是在合作的國家之間，寬帶網絡基礎設施也因此需要進一步的、大規模的拓展。

四、安全和保密：安全和保密是智能制造系統成功的關鍵。保障設備和產品自身不會引起使用者的危險，也不會對環境造成污染十分重要。同時，設備和產品中包含的信息特別需要被保護，以防止這些信息被濫用或者在未被授權的情況下使用。這將對安全和保密的架構和特殊識別碼的集成調用產生更高的要求，同時相關的培訓和員工職業生涯的持續發展規劃也要得到加強。

五、工作的組織和設計：在智慧工廠里，雇員的角色將會發生引人注目的改變。越來越多的實時導向性控制將會讓工作內容、工作流程和工作環境發生較大改變。針對組織工作的管理科學的進步將會給工人提供承擔更大責任和更好個人發展的機會。

六、培訓和持續性的職業發展：工業4.0將從根本上改變工人們的工作和職業訴求。實施適合的培訓策略并致力于建立學習型組織的工作也因此而變得非常必要，可以借此實現終身學習和基于工作地點的持續個人發展計劃。

七、規章制度：在工業4.0時代下建立新的制造流程和水平的商業網絡架構時必須遵守法律，而已存在的立法也同樣需要在必要時考慮創新對法律帶來的影響。面臨的挑戰包括合作信息的保護、責任問題、管理私人信息和貿易限制等。這將不僅對立法，也對其他代表商務行為的活動提出了要求。而制度將作為一個涵蓋面廣泛的適用工具而存在。

八、資源效率：除高花費以外，僅是制造工業在原材料和能源上的消耗便會引起一系列關于環境與安全受到威脅的探討，而工業4.0將會提高資源的生產率及利用效率。企業將會權衡“投資在智慧工廠中的額外資源”與“帶來的潛在節約”之間的利弊，從而做出明智的選擇。

總而言之，通向工業4.0的道路將會伴隨著一系列天翻地覆的改變。現有的基本技術和經驗將不再如以往那樣靈驗，因而不得不為了適應智能制造而改變內延及外涵，同時應該探討為開發新地點和新市場而制定創新型解決方案。

中國面臨的機遇與挑戰

工業4.0戰略將建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式，并會產生各種新的活動領域和合作形式，改變創造新價值的過程，重組產業鏈分工。如獲成功，德國將成為現今工業生產技術的供應國和主導市場。

中國工程院院長、中國機械工程學會理事長周濟在一次研討會上斷言：“德國工業4.0戰略將催發中國加快推進新一輪工業革命，將推動中國制造業升級，成為我國制造業的催化劑。”在德國等發達國家正在向工業4.0邁進的時候，作為新興工業國家的中國仍然還在進行工業2.0，這難免會拉大與西方發達國家的差距，要實現中華民族偉大復興的中國夢，更加需要強大的科技創新力量作為提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐。新一輪工業革命對中國既是挑戰也是機遇。

首先，中國面臨著極大的挑戰。當前，世界主要國家都在尋找科技創新的突破口，搶占未來經濟科技發展的先機。中國的現代化同西方發達國家有很大不同。西方發達國家是一個串聯式的發展過程，工業化、城鎮化、信息化漸進式發展。

比如德國已經實現了工業1.0、工業2.0、工業3.0，正在向工業4.0邁進。如果中國抓不住這次機會，就要在科技創新的大賽場上落伍，就算實現了工業化，也會與發達國家漸行漸遠。

另一方面，中國也同樣面臨著極大的機遇。中國要后來居上，實現跨越發展，發展方式必然是一個并聯式的發展過程，也就是工業2.0、工業3.0、工業4.0同步發展。當前，中國和發達國家掌握新一輪工業革命的核心技術的機會是均等的，這為我國發揮后發優勢、實現跨越發展提供了可能，使我們可以通過掌握新工業革命的核心技術，成為新的競賽規則的重要制定者、新的競賽場地的重要主導者，可以不再跟在西方發達國家后面亦步亦趨，而是依靠工程科技創新和并聯式發展，在比較短的時間內追趕發達國家的先進水平，有可能實現彎道超車，從而加快中國工業現代化的進程。

工業4.0自從2013年提出以來，在國內已經逐步引起業界的廣泛關注，工信部也多次召開會議討論工業化和信息化“兩化融合”問題。從政府到企業，一時間，工業4.0成為街談巷議的熱點內容。有些人在談論，有些人已經在探索、在行動。

在2014年11月舉行的第十六屆中國國際工業博覽會上，中國首套自主研發的工業4.0流水線亮相。據悉，這套流水線在TCP/IP協議工業以太網、二維碼比對技術、CCD影像識別技術、6軸機器人集成應用等方面實現了突破。此外，3D打印、工業機器人等相關產業的發展也方興未艾。其中，機器人產業已經迎來加速發展階段。

統計顯示，2013年中國工業機器人的銷量達到36860臺，同比增長41%，超越日本成為全球第一大機器人市場。在國內，工業4.0的轉化網站已悄然上線，比如某專業網站建立了家紡類個性化與定制化的生產模式。這種模式下，家紡流通行業將逐漸消失，傳統家紡生產企業將不再為庫存所累，家紡產業鏈分工將被重新整合。

新思維也啟迪了新行動、新做法。例如，海爾已經開放研發設計環節，推出全球開放的研發平臺。這個平臺目前已經運營了兩年，吸收了12萬人的需求和創意。美的也專門設立研究院從事智能化研究，把外觀、用戶交互等內容用開放的形式來操作。

而像汽車這種高度工業化的消費品，也會成為工業4.0的最佳應用領域。消費者多樣化與個性化的需求、寬廣的產業鏈、快速的產品更新、互聯網汽車、自動駕駛汽車等，都將要求現代化的汽車工作必須是智能工廠，而其產品也無疑是智能產品。中國多年來一直作為汽車的產銷第一的市場，對資金、技術、人才流動具有強大的吸引力，利用工業4.0帶給我們的發展契機，有可能把我國汽車工業引向由大到強跨越式發展的康莊大道。