工業4.0的德國經驗上篇：技術和政策

編譯/辛妍

工業4.0的德國經驗上篇：技術和政策

編譯/辛妍

正如我們所知，今天的世界已經經歷了三次重大技術革命的塑造。18世紀末開始于英國并在19世紀中葉結束的第一次工業革命代表了一種根本性轉變，即從農業經濟轉變到了由引入機械生產方法所界定的經濟。在20世紀初，隨著工業生產的出現和工廠的誕生，第二次根本性轉變時期到來，它迎來了一個大眾消費可以負擔得起消費類產品的時代。而到了20世紀60年代末，電子和信息技術在工業生產過程中的應用打開了通向優化和自動化生產的新時代的大門。今天我們站在第四次工業革命的風口浪尖，它能通過物聯網將生產和網絡世界相連，使工業4.0成為現實。“智能生產”將成為一種標準，基于智能信息通信技術（ICT）的機器、系統和網絡能夠獨立交換和響應信息，管理工業生產過程。

作為高科技戰略2020行動計劃的一部分，德國政府確定了十個“未來項目”，工業4.0項目（INDUSTRIE 4.0 project）便是其中之一。工業4.0是德國要成為工業信息技術先鋒的戰略性舉措，該項目為德國創造了重要的機會，讓其有潛力將自身發展定位為工業4.0解決方案的領先市場，同時也成為工業4.0的領先供應商，從而進一步增加德國經濟，加強國際合作，并創造新的、基于互聯網的市場，讓德國保持為具有全球競爭力的高工資經濟體。

可以說，實現第四次工業革命，或是工業4.0的條件是德國所獨有的，因為率先進行分散、自主的實時生產的德國有兩種基礎：一是德國作為世界上最具競爭力和創新性的制造產業的持續作用，二是德國在工業生產研究開發的技術領先地位。

圖1：描述了從封閉的嵌入式系統到最終愿景——物聯網、互聯網數據和互聯網服務的演變過程。

本文作為工業4.0的德國經驗的上篇，主要從技術和政策兩方面進行介紹。

工業4.0的技術基礎及德國的優勢

今天，由于制造商面臨著成本增加和市場波動的壓力，產品的生命周期和測試周期越來越短。產品正變得越來越復雜，越來越定制。制造商發現，將生產轉向勞動成本低廉的新興國家不再是一個成功的路徑，因為他們必須平衡大規模生產與定制生產。為滿足需求的快速變化，生產必須越來越本地化，例如使用3D打印機。其他因素的重要性也在增加，例如充分利用低能源成本，或者是研發與生產共處一地而加速市場進入時間等。

隨著企業和技術趨勢以前所未有的方式匯集，制造業正在進行著一場新且深刻的轉變。現在，制造商可以在工具、機器、車輛、建筑物，甚至是原材料上添加傳感器和微芯片，從而使產品“更聰明”。這些智能物品將能提供豐富的數據，用于更好地了解產品及潛在的問題。正在進行的產品和服務數字化將制造商和客戶從固定地點解放出來。在未來，有可能在零件發生故障的地點就能生產出備件，從而大大節省運輸和倉儲成本。而隨著技術促進車間和全球商業戰略之間的垂直一體化，以及跨產品設計、計劃、生產以及服務提供的水平一體化，制造商比以前更反應及時、更有效。同時，他們還得益于靈活、自組織的商業網絡，從而能夠在本地執行全球業務計劃。

工業4.0是從“集中”生產向“分散”生產的范式轉變，它將嵌入式系統生產技術和智能生產工藝流程連接在一起，為從根本上改變工業與生產價值鏈和商業模式（如“智能工廠”）的一個新的技術時代鋪平了道路。從技術上講，“工業4.0”是指從嵌入式系統到信息物理系統的技術演變，它代表了正在走向物聯網、數據和服務的第四次工業革命。

嵌入式系統和網絡

信息通信技術 (ICT) 構成了明天的創新解決方案的基石。嵌入式系統和全球網絡是驅動技術進步的兩個主要的信息和通信技術。嵌入式系統在我們的生活中已經扮演著核心角色，全世界生產的超過98%的處理器被部署在遍布日常生活各個方面的各種設備的穩壓器、控制和監控功能中。

嵌入式的系統是目前大多數最現代的技術產品和設備的智能中央控制單元。通常，它們作為信息處理系統，為一定范圍內設備特定的應用程序而“嵌入”到“封閉”的產品中。這些與外部世界的“連接”使用傳感器和執行器，使嵌入式系統之間以及它們與網絡世界的相互聯系日益緊密。

信息物理系統

信息物理系統（Cyber Physical System, CPS）是一種實現技術，它將虛擬世界與現實世界結合在一起，創造出了一個真正的網絡世界，而智能對象在其中彼此進行交流和交互彼此。它提高資源生產率和效率，并能讓工作組織有更靈活的模式。信息物理系統代表了現有的嵌入式系統的下一步進化步驟。嵌入式系統與互聯網和在線數據服務一起，共同形成信息物理系統。

信息物理系統是建立物聯網（Internet of Things, IoT）的基礎，它與互聯網服務（Internet of Services，IoS）一起，使工業4.0成為可能。未來，信息物理系統將用以前無法想象的方式，為人類的安全、高效、舒適和健康做出貢獻。在這樣做的過程中，信息物理系統將發揮核心作用，處理由于人口變化、自然資源稀缺、可持續的流動性和能源變化等所帶來的基本挑戰。

信息物理系統和物聯網、互聯網數據與互聯網服務智能工廠——自動化制造的未來

虛擬世界和現實的物理世界通過信息物理系統融合在一起，其帶來的技術流程和業務流程引領我們走向一個新的工業時代，而工業4.0項目中的“智能工廠（smart factory）”的概念正是對此最好的定義。在生產系統中部署信息物理系統產生了“智能工廠”。與經典的生產系統相比，智能工廠能夠提供重要的實時質量、時間、資源和成本優勢。智能工廠是為可持續發展和以服務為導向的企業實踐而設計的，強調適應性、靈活性、容錯能力和風險管理，并具有自適應性和學習的特點。

高水平的自動化是未來智能工廠的標準。柔性生產系統幾乎能夠在實時條件下做出反應，從而在根本上優化內部生產進程。與傳統的生產制造相比，智能工廠生產帶來了很多優勢，包括：

信息物理系統優化的生產流程：智能工廠“單位”能夠確定和識別它們的活動場所、配置選項和生產條件，并與其他單位獨立地、無線地進行溝通

通過理想生產系統的智能編譯，考慮產品的性能、成本、物流、安全、可靠性、時間和可持續性等因素，獲得優化的個人定制產品制造。

資源有效的生產

根據人類的勞動力進行調整，從而讓機器適應人類的工作周期。

德國是嵌入式系統的全球領先者

德國是嵌入式系統的國際領先者，同時在安全解決方案和企業軟件領域也處于領先地位。德國在問題系統解決方案相關領域擁有令人羨慕的工程聲譽，可以調用相當多的語義技術和嵌入式系統專門知識。作為嵌入式系統技術的全球領先者，德國使巧妙地連接了數字虛擬世界與現實世界的信息物理系統技術得以實現。目前，德國的嵌入式系統市場僅次于美國和日本，位列世界第三，其市場每年的產值約為200億歐元，而預計到2020年，這一數字將超過400億歐元。

德國發展工業4.0的政策框架和方案

要成為創新、基于互聯網的生產技術和服務提供的全球領先者，德國具有理想的條件。在制造、自動化和基于軟件的嵌入式系統等領域的技術領先和遠見，以及歷史上強大的工業網絡，都為德國工業4.0項目的長期成功奠定了基石。為了讓德國能夠在2020年之前成為信息物理系統的領先市場和供應商，一套全面的補充性政策、資金方案以及活動已經落實到位

高科技戰略

“高科技戰略”于2006年8月推出，其目標是為推動新技術發展而將關鍵的創新與技術利益相關者匯集到一起，這是這方面的第一個國家概念。這項倡議將所有政府部門的資源結合起來，每年為發展尖端技術預留了數十億歐元的資金。

高科技戰略2020

高科技戰略中設定的目標在2010年7月推出的“高科技戰略2020”框架中得到了延續與擴展。建立于高科技戰略的初步成功之上，這一“繼任者”倡議擬創造領先市場，進一步加強科學和工業之間的合作伙伴關系，并繼續改善創新的一般條件。高科技戰略2020的存在，是為了將德國建設成為氣候/能源、保健/營養、移動性、安全性和通信等領域的，基于科學與技術的解決方案的領先供應商。

高技術戰略2020行動計劃

為進一步實施高科技戰略，德國政府于2012年3月通過了高科技戰略2020行動計劃。該行動計劃確定了10個“未來項目”（其中包括工業4.0）。這些項目作為研究與創新活動的焦點，被認為是解決和實現當前創新政策目標的關鍵。這些燈塔項目將在未來10到15年的時間框架內，追求具體的創新目標。在高科技戰略2020行動計劃中，已經為工業4.0項目分撥了2億歐元的資金。

由CDU-CSU-SPD組成的聯合政府于2013年12月14日簽署了第18期立法期間的聯盟協議，該協議將工業4.0未來項目確定為鞏固德國在機械工程領域技術領先地位的重要措施。聯合政府計劃推進傳統工業的數字化，擴大到“智慧服務”領域，并加強“綠色IT”部門中的項目和活動。

德國——信息物理系統2020領先市場

作為德國工業4.0項目的一部分，德國志在到2020年，成為信息物理系統的領先供應商。與許多其他工業化國家形成鮮明對比的是，德國一直保持穩定的制造業勞動力，同時在早期階段就將新技術發展融入到工業產品和生產過程當中。

現實和虛擬世界之間的界限正在瓦解，從而打造了物聯網。德國先進的嵌入式系統和信息物理系統實踐知識對德國工業而言是重大的機會，它能幫助德國塑造第四次工業革命（工業4.0）。信息物理系統議程

信息物理系統議程（Agenda CPS）由德國國家科學和工程院（German National Academy of Science and Engineering，acatech）代表聯邦教育和研究部（Federal Ministry of Education and Research，BMBF）領導，其目標是建立一體化的信息物理系統研究議程，讓德國作為領先的市場和供應商而影響這一技術革命的發展，與工業和技術參與者競爭。

信息物理系統議程確定了到2025年的四大主要領域的應用，它們是“能源”（智能電網的信息物理系統）、“移動性”（網絡移動性的信息物理系統）、“健康”（遠程醫療和遠程診斷的信息物理系統）和“工業”（工業和自動化生產的信息物理系統）。

“ICT2020——為創新而研究：工業4.0的IT系統”項目

創新的信息通信技術（ICT）研究（包括工業4.0的IT系統）由聯邦教育與研究部在其“ICT2020——為創新而研究”項目中提供，它處于高科技戰略2020和聯邦政府的“數字德國2015”ICT戰略框架內。特別需要指出的是，信息通信技術的研究重點集中在復雜的系統（如嵌入式系統），新的業務流程和生產方法，以及物聯網和互聯網服務領域的ICT。在信息物理系統、物聯網和互聯網服務、以及工業4.0的IT系統領域開展的研究活動都有資格獲得資助。軟件系統和知識處理方面的科研經費被分為三個具體類別：

嵌入式系統，特別是側重于軟件密集型的嵌入式系統，鏈接到電子、通信技術和微系統技術；

電網應用和基礎設施的模擬現實、虛擬/增強現實技術和環境智能、模擬仿真，以及高性能計算的信息物流和軟件開發；

有語言和媒體技術的人機交互、生物模擬信息處理，以及服務機器人和可用性。

這三類研究領域與軟件工程、可靠性和安全性等跨學科技術相輔相成，因為它們將軟件密集型嵌入式系統、電網應用程序和基礎設施，以及虛擬/增強現實作為戰略優先事項。申請項目應當以業務為導向，并且包括與大學或非大學研究機構的合作，同時會以個案為基礎來公布開始接受申請。

“工業4.0的自治”技術方案

“工業4.0的自治——未來多維度互聯網中的生產、產品和服務（AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0 - Production, Products, Services in the Multidimensional Internet of the Future）”技術方案有助于執行高科技戰略2020中設定的各項目標。優先領域包括發展能夠自主地處理復雜任務的機器、服務機器人和其他系統的下一個進化步驟，因為從基于信息通信技術的控制機制過渡到自主行動組件開創了一個新時代，在新的、靈活的生產基礎設施中，效率、成本效益和質量都得到提高。

物聯網技術的發展已經涵蓋在聯邦經濟事務和能源部（Federal Ministry for Economic Affairs and Energy，BMWi）的下一代媒體（新技術和普適計算）和 AUTONOMIK（中小企業的自主的、基于仿真的系統，autonomous, simulationbased systems for small and medium-sized enterprises）先驅項目中，它們在不同的應用場景中為新產品、服務和商業模式提供了重要的動力。

BMWi THESEUSR&D資金項目中還建立適用于互聯網應用和服務領域中的語義技術的重要發展。后續的工業4.0自治項目（AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0）已經為公司和研究機構提供了4000萬歐元的可用資金，用以推進信息通信技術和工業生產的智能交互，而其中主要的工業生產領域包括面向未來的生產系統和生產邏輯，面向未來的高端產品（包括服務機器人），和面向未來的知識密集型電子服務。

CyPros（Cyber-Physical Production Systems，信息物理生產系統）項目

CyPros（Cyber-Physical Production Systems，CPPS，信息物理生產系統）研究項目發起于2012年，由威騰斯坦集團（Wittenstein AG）領導，包括來自科學和工業界的許多參與者，其目的是研究和開發用于工業生產和物流系統的一系列信息物理系統模塊。在這個為期三年的項目中，與基本參考架構一起，這些系統模塊將讓制造業實現生產力和靈活性的大幅增加，同時也將使德國成為這些系統的領先用戶和提供商。

信息物理生產系統（Cyber-physical production systems，CPPS）由智能機器、物流系統和生產設施組成，能夠為縱向一體化和網絡化制造實現基于信息通信技術的無與倫比的集成。通過引入信息物理生產系統（CPPS），不僅能使日益增加的競爭的復雜性得以控制，而且會導致制造企業的生產力和靈活性有可持續的、顯著的提高。由此產生的信息物理生產系統技術將讓德國作為國際生產區，由于提高了生產效率和靈活性而增加競爭力，同時，讓信息物理生產系統作為適銷對路的產品推向市場，從而讓德國成為信息物理生產系統的領先供應商。

CyPros遵循三個獨立的目標階段：

為生產和物流系統開發參考體系架構和有代表性的一系列信息物理系統模塊。

為引入信息物理生產系統提供普遍的做法、支持工具和平臺。

為信息物理生產網絡的商業運作，以及它們在展示工廠中的實際生產環境中的實施，提供技術和方法基礎。

RES-COM項目

RES-COM項目發起于2011年6月，由聯邦教育和研究部資助，處理在工業4.0情境下，通過高度互聯和集成的傳感器－執行器系統而進行的資源自動保護問題。環境激活的資源效率原型方案正在實施。

RES-COM采用一種全新的核心技術，該技術基于具有嵌入式傳感器和執行器的有源數字產品存儲和軟件服務代理。RES-COM項目由德國人工智能研究中心（German Research Center for Artificial Intelligence，DFKI）監督，其合作伙伴包括SAP、西門子、IS Predict和7x4 Pharma。

德國發展工業4.0不僅具有其自身的工業傳統、創新優勢以及技術優勢，同時還有一系列的政策與方案支持。但是除此之外，機構的參與、公司的配合也必不可少。在下一篇中，我們將著重進行介紹。