對標德國工業(yè)4．0中國需要如何補課＊

宗 仁

2016年去德國參加了主題為“產(chǎn)業(yè)發(fā)展與人才戰(zhàn)略”的培訓項目，項目安排了德國柏林工業(yè)大學、洪堡大學、慕尼黑應(yīng)用技術(shù)大學等教授的講座，也參觀了kuka、蔡氏（zs）、TRAMEC工廠、Man曼恩公司、horsch等知名工業(yè)企業(yè)，拜訪了fraunhfer研究所、用戶界面設(shè)計公司、老鷹工業(yè)園區(qū)等推動工業(yè)發(fā)展的重要服務(wù)機構(gòu)。中國制造業(yè)結(jié)構(gòu)升級和轉(zhuǎn)型已迫在眉睫，走進德國的考察學習讓我們真切感受到什么才是工業(yè)4．0，可以給中國制造業(yè)發(fā)展提供一些借鑒。

一、如何認識德國工業(yè)4．0

“工業(yè)4．0”的概念源于2011年德國漢諾威工業(yè)博覽會，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、西門子公司等學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的大力推動下，德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部于2013年將“工業(yè)4．0”項目納入了《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》的十大未來項目中，計劃投入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［1］。

工業(yè)1．0至工業(yè)4．0，就相當于四次工業(yè)革命。“工業(yè)1．0”大致在18世紀60年代至19世紀中期，可簡稱“機械化”階段，標志是機械生產(chǎn)代替了手工勞動，通過水力和蒸汽機實現(xiàn)工廠機械化。這次工業(yè)革命的結(jié)果是人類從農(nóng)業(yè)社會走向工業(yè)社會，出現(xiàn)了車間工人階層。機械化推動經(jīng)濟發(fā)展的同時，也推動了城市化，也導致失業(yè)等社會問題?！肮I(yè)2．0”大致在19世紀后半期至20世紀初，可簡稱“規(guī)?；彪A段，標志是能源使用上的電力驅(qū)動，出現(xiàn)車間革命——工廠流水線生產(chǎn)模式，帶來產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)。福特汽車工廠率先出現(xiàn)流水線生產(chǎn)。“工業(yè)3．0”始于20世紀70年代，可簡稱“自動化”階段，也就是工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化。這個階段誕生了機械手臂、機器人，而電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得自動控制稱為可能，同時也導致了分布式乃至全球化的工廠出現(xiàn)。“工業(yè)4．0”即將來臨，我們也可以簡稱為“智能化”階段，“工業(yè)4．0”是德國聯(lián)邦政府高技術(shù)戰(zhàn)略工作組基于對制造業(yè)前景的預(yù)測而制訂的前瞻性計劃，試圖呈現(xiàn)以信息物理系統(tǒng)（Cyber－Physical Systems，CPS）為核心，引領(lǐng)第四次工業(yè)革命的全新生產(chǎn)體系［2］。其特征表現(xiàn)為，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，形成一個高度靈活、個性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式［1］。

圖1 工業(yè)1．0到工業(yè)4．0的演進

筆者對德國工業(yè)4．0有以下認識：

（一）工業(yè)4．0的本質(zhì)是在大數(shù)據(jù)下實現(xiàn)“智能工廠”

“智能化＋網(wǎng)絡(luò)化”是工業(yè)4．0的主要特征，智能化是德國“工業(yè)4．0”計劃的靈魂。在工業(yè)4．0階段，工廠內(nèi)的高精度攝像頭、3D技術(shù)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓人機互動、更加智能。借助“社交網(wǎng)絡(luò)”，自動化的車間升級為新型“智能工廠”，人機交互更加簡單，并雙向互動。kuka公司的員工在處理軸承加工打磨、打孔等環(huán)節(jié)時，在pad上可以自由調(diào)整工業(yè)流程，設(shè)定作業(yè)開始和結(jié)束的時間，并仍然可以在下班后實現(xiàn)遠程控制；同時，具體到某個產(chǎn)品的生產(chǎn)工人、生產(chǎn)時間、檢測過程等數(shù)據(jù)也被實時終身記錄下來，進而可以構(gòu)建大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這種數(shù)據(jù)的交互從工人與機器之間、產(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備之間可以逐漸擴大到工廠內(nèi)的不同車間之間、工廠之間、工廠與設(shè)計部門及銷售部門之間。

工業(yè)4．0的關(guān)鍵突破口是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)將實體世界與信息系統(tǒng)相結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)普遍運用到了工廠中，互聯(lián)網(wǎng)將人與機械設(shè)備、銷售中心、檢測中心等都聯(lián)系在一起，通過信息的自動分析、處置、反饋等實現(xiàn)智能。網(wǎng)絡(luò)運用不同于技術(shù)創(chuàng)新，但可以用于傳統(tǒng)行業(yè)的改造。工業(yè)4．0是網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)＋”，一切都智能化。例如圖2中的“老爺車”，過去汽車剎車片都是規(guī)定更換的周期，如5年更換一次，現(xiàn)在車上裝著檢測剎車片耗損情況的傳感器，剎車片需更換的信息會比較精準的把握，把過去的保守估計、模糊質(zhì)保期變得科學可靠，且信息直接會反饋到廠家，廠家可以精準實現(xiàn)生產(chǎn)訂單化，在生產(chǎn)時間和計劃數(shù)量上也更加合理。車子還是那輛“老爺車”，但是“工業(yè)4．0”帶來了變化。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)的運用讓“老爺車”智能化

（二）生產(chǎn)的復(fù)雜性與個性化定制成為可能

德國“工業(yè)4．0”計劃是以生產(chǎn)的復(fù)雜性作為工業(yè)革命的劃分標準。工業(yè)產(chǎn)品的消費需求越來越個性化，制造業(yè)應(yīng)該適應(yīng)個性化定制新模式的要求，產(chǎn)品設(shè)計需要有更多的菜單式選擇甚至讓消費者DIY自主設(shè)計，生產(chǎn)也就不可能按傳統(tǒng)的大規(guī)模批量制造模式。一方面是大量個性化消費需求的海量數(shù)據(jù)與信息，另一方面是非標準化的產(chǎn)品設(shè)計、非標準化的工業(yè)流程，這些生產(chǎn)信息與數(shù)據(jù)也是大量的，這些大數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上交互，然后由智能制造設(shè)備快速分析處理，調(diào)整生產(chǎn)流程和配置，定制出個性產(chǎn)品。個性化讓生產(chǎn)過程更加復(fù)雜，催生制造向智能化發(fā)展。工業(yè)4．0可以動態(tài)配置生產(chǎn)方式，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式不同，固定的生產(chǎn)線概念消失了。據(jù)寶馬公司的介紹，現(xiàn)在寶馬的很多款汽車都可以菜單定制和提供個性化產(chǎn)品。

（三）生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的快速發(fā)展為“工業(yè)4．0”提供保障

網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)中心等本身就是支撐服務(wù)了工業(yè)4．0的發(fā)展，而現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的過程融合了更多的生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的參與，或者說是工業(yè)生產(chǎn)中的很多環(huán)節(jié)被專業(yè)化分工出來。工業(yè)設(shè)計、流程模擬在工業(yè)4．0中更重要。模擬過程也是大數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程。過去工業(yè)設(shè)計在工業(yè)2．0、工業(yè)3．0時代都很重要，流水線生產(chǎn)和工業(yè)自動化都離不開工業(yè)設(shè)計?，F(xiàn)在工業(yè)4．0時代更是將工業(yè)設(shè)計變成數(shù)控機床、操控軟件、遠程app等，軟件成為決定生產(chǎn)程序和產(chǎn)品優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。

在德國政府的支持下，很多高校、研究所和大企業(yè)的公共服務(wù)平臺十分重視為廣大中小企業(yè)提供公共服務(wù)。為中小企業(yè)提供信息、測試、流程再造的設(shè)計等支持。也有許多咨詢機構(gòu)從高校、研究所分化出來專業(yè)從事生產(chǎn)性服務(wù)。生產(chǎn)領(lǐng)域的很多重要軟件也都源自于德國。kuka機器人公司有80多個合作公司（供應(yīng)商），提供分析、咨詢、模擬、培訓和工業(yè)設(shè)計。工業(yè)制造出現(xiàn)更多的專業(yè)分工與合作，只有5個人的zs公司與kuka公司合作，側(cè)重于幫助kuka進行機器人應(yīng)用的開發(fā)，幫助用戶做量身定做的設(shè)計。產(chǎn)業(yè)鏈分工的專業(yè)化，飛機、大型客車等的模型生產(chǎn)所需的銑頭也只是由幾個人的TRAMEC工廠生產(chǎn)，機器手臂則可能是kuka的，而且專業(yè)化的分工讓上下游供應(yīng)商建立長期信任的關(guān)系。

（四）工業(yè)標準化在“工業(yè)4．0”計劃中更為重要

第四次工業(yè)革命本質(zhì)是爭奪主導世界未來的工業(yè)標準，誰能早日實現(xiàn)第四次工業(yè)革命發(fā)展戰(zhàn)略，誰就擁有了標準制定者的地位［3］。“工業(yè)4．0”將實現(xiàn)技術(shù)標準化放在最優(yōu)先地位，通過標準化規(guī)范“工業(yè)4．0”的具體部署，加快制定以智能化為特征的重大成套裝備、自動化生產(chǎn)線系統(tǒng)標準，盡早確立相應(yīng)的全套標準化體系［4］。

德國是世界工業(yè)標準化的發(fā)源地，約有2／3的國際機械制造標準來自“德國標準化學會DIN”，包括一系列專業(yè)委員會。10月28日上午我們拜訪了德國標準化研究所。德國標準化研究所非國家機構(gòu)，而是公益性的協(xié)會，資金來源于私營企業(yè)支持、會費收入和出售“標準”的收入，不受政府和行政部門的約束。3萬多條標準只有6000條左右寫入法律強制執(zhí)行，其他都是行業(yè)內(nèi)企業(yè)自愿采用。

工業(yè)4．0更需要有“工匠精神”。嚴謹理性是德國人的民族性格，也融入到制造業(yè)文化中?！暗聡圃臁币再|(zhì)量標準獲得贊譽、樹立品牌，很少有召回事件。很多德國工業(yè)產(chǎn)品往往不設(shè)產(chǎn)品保修期或者是幾百年的保修期，因為他們的理念是產(chǎn)品生產(chǎn)出來就是永久使用的。一個鐘表的故事是［5］，德國殖民時期在青島市江蘇路修建的基督教堂的鐘表，迄今運轉(zhuǎn)正常，2010年，在華投資生產(chǎn)大型齒輪的一名德國商人陪父親在青島游覽時看見了這座鐘表，老人頓時認出鐘表所用的齒輪便是由他的家族企業(yè)供應(yīng)的，并表示“還能再用上300年”。精細化管理也貫穿在德國現(xiàn)代工業(yè)時代的管理全過程。

二、對標“工業(yè)4．0”中國如何補課

我們在看到德國全面進行制造業(yè)升級的時候，必須弄清楚自己的路并未有走完?？傮w看，我國制造業(yè)發(fā)展仍然以量取勝，勞動力密集，自動化程度低。我國工業(yè)訂單化產(chǎn)品比例小，個性定制更少，生產(chǎn)自動化程度低，機器人應(yīng)用更少。某種程度上，還是低水平的工業(yè)3．0，首先需要的是補課、補欠帳。如果在機械化程度不高、自動化水平較低、流程管理缺乏標準化等情況下，癡迷于工業(yè)4．0的光環(huán)，會讓我國工業(yè)技術(shù)革命走入歧途。

（一）要補工業(yè)設(shè)計的欠帳

工業(yè)4．0熱衷于智能產(chǎn)品，但對中國而言，工業(yè)設(shè)計和流程管理還十分薄弱。如何有效管理好BOM（即產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及物料清單），有效管理好流程，是我國工業(yè)需補的欠帳。德國曼恩公司（man）每5分鐘組裝完成一輛重型卡車，組裝的流程被精細的分解成若干環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)又有若干動作，但都是5分鐘完成，有的環(huán)節(jié)是純?nèi)斯と绨惭b螺絲，有的是人機合作，而有的環(huán)節(jié)是純機器人操作，不同環(huán)節(jié)流程用地面和空中兩個軌道軸線相連，流水線進行。每個環(huán)節(jié)動作的分解與安排都要精心設(shè)計。這個組裝生產(chǎn)線可以算是工業(yè)3．0的高級階段。而我國，對工業(yè)投入的不足和對廉價勞動力的依賴，很多工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程缺乏流程設(shè)計，自動化程度低，生產(chǎn)效率不高，廢料回收和能源再利用不重視，工業(yè)環(huán)保條件也差。這種現(xiàn)象中小企業(yè)尤其普遍，也包括很多開發(fā)區(qū)企業(yè)。由于這樣的市場業(yè)務(wù)少，高水平的工業(yè)設(shè)計服務(wù)機構(gòu)和人員也缺乏。因此，要大量培養(yǎng)工業(yè)設(shè)計尖端人才，讓工廠流水線更加合理，自動化程度更高，是今后一段時間工業(yè)發(fā)展必須補的欠帳。

（二）要補智能機器人研發(fā)和應(yīng)用的欠帳

德國在工業(yè)領(lǐng)域特別是汽車制造業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用了機器人。Kuka公司則是用“機器人”生產(chǎn)“機器人”的企業(yè)，具有六軸同步、柔性技術(shù)等核心技術(shù)，鉆孔、打磨、銑刨、噴漆等危險環(huán)節(jié)和超重或重復(fù)裝卸動作都有機器人完成。機器人具有效率高、誤差低、抓重能力強且有學習能力等優(yōu)勢，一個機器人就是一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的自動化，而且調(diào)整機器人的動作內(nèi)容也非常容易，為工業(yè)裝配線的更改調(diào)整和個性化提供手段。大量機器人的應(yīng)用實現(xiàn)了高度自動化。

中國現(xiàn)在已經(jīng)有少數(shù)企業(yè)開始進軍工業(yè)自動化、工業(yè)機器人等領(lǐng)域，但拿來應(yīng)用的多、研發(fā)的少，處于初期學習階段。目前僅有華為、?？低暤葌€別企業(yè)能夠開始在一些重點展廳與全球領(lǐng)先企業(yè)同臺競技。中國要走工業(yè)4．0道路，應(yīng)開展智能機器人及智能裝備系統(tǒng)集成、設(shè)計、制造、試驗檢測等核心技術(shù)研究，攻克精密減速器、伺服驅(qū)動器、傳感器等關(guān)鍵零部件［1］。現(xiàn)在中國美的集團已經(jīng)成功收購了kuka（庫卡）公司，這對中國大力推廣應(yīng)用機器人，是一個絕好的機會，可以迅速提高工業(yè)自動化程度，快速向工業(yè)4．0邁進。

（三）補產(chǎn)品定制和訂單經(jīng)濟的課

德國的工業(yè)產(chǎn)品往往都是以需定供，實行訂單制，一般在客戶下訂單的15－45天內(nèi)生產(chǎn)或者組裝出產(chǎn)品。過去傳統(tǒng)的認識是“資本主義是市場經(jīng)濟、社會主義是計劃經(jīng)濟”，在市場經(jīng)濟下產(chǎn)品生產(chǎn)往往沒有計劃性，超前或者滯后、過量或者不足等都有可能，但在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟下，發(fā)揮信息網(wǎng)絡(luò)作用，大數(shù)據(jù)應(yīng)用可以將制造商、供應(yīng)商、服務(wù)維修商和銷售商等融合在一起，訂單經(jīng)濟和個性化定制都成為可能?！坝唵沃啤弊審?fù)雜的市場需求在大數(shù)據(jù)云平臺的支持下，很好地實現(xiàn)生產(chǎn)的計劃性。工業(yè)4．0下，大數(shù)據(jù)讓“計劃經(jīng)濟”更加精準。制造企業(yè)利用智能設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)制造業(yè)務(wù)流程管理，可以使訂單自動通過整個價值創(chuàng)造鏈條，自動預(yù)訂加工機器和材料，自動組織向客戶供貨，自動優(yōu)化物流體系，并在生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)字化、可視化的智能制造［4］。

（四）利用工業(yè)4．0的新理念、新技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，實現(xiàn)彎道超越

智能機器人、互聯(lián)網(wǎng)、傳感技術(shù)等都是全新的工具，這些工具只要在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中加以運用即可，并不是必須要多少年的積累才能實現(xiàn)。所以我們不需要簡單、重復(fù)地走德國等工業(yè)發(fā)達國家走過的路。工業(yè)4．0的新理念、新技術(shù)關(guān)鍵在于運用，智能化、互聯(lián)網(wǎng)化、自動化、個性化、定制化等等都可以快速實現(xiàn)。我們還可以利用新技術(shù)大力發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，實現(xiàn)彎道超越。例如德國傳統(tǒng)汽車行業(yè)非常發(fā)達，技術(shù)成熟，中國與之差距甚遠，但是新能源汽車世界各國都是嶄新面對，中國在電動汽車、智能汽車上與其他國家差距不大，如果在汽油發(fā)動機變成電池驅(qū)動、電池儲存技術(shù)、快充技術(shù)等這些方面快速突破，就可以在未來汽車制造業(yè)擁有一席之地。

［1］羅文．德國工業(yè)4．0戰(zhàn)略對我國推進工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的啟示［J］．工業(yè)經(jīng)濟論壇，2014，1（6）．

［2］阿爾馮斯·波特霍夫．工業(yè)4．0：開啟未來工業(yè)的新模式、新策略和新思維［M］．機械工業(yè)出版社，2015．

［3］高歌．德國“工業(yè)4．0”對我國制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的啟示［J］．中國特色社會主義研究，2017，（2）．

［4］王茹．德國工業(yè)4．0的優(yōu)勢、挑戰(zhàn)與啟示［J］．經(jīng)濟研究參考，2016，（51）．

［5］齊治平．德國工業(yè)4．0：制造業(yè)的未來？［J］．決策，2013，（9）．