工業4.0的發展趨勢及其對我國制造業發展的影響

黨延輝 葛曙光 甘磊 孫建強 敬興龍

摘 要：2013年，德國首次提出工業4.0的概念用于描述第四次工業革命。由此，本文對工業4.0進行介紹，并對我國生產制造業現狀進行總結，探討工業4.0背景下我國工業未來發展采取的主要措施。

關鍵詞：工業4.0;發展趨勢;制造業

中圖分類號：T-012 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0039-03

Abstract： In 2013， Germany first proposed the concept of industrial 4.0 to describe the fourth industrial revolution. Therefore， this paper introduced industrial 4.0， summarized the current situation of China's manufacturing industry， and explored the main measures for China's industrial development in the future under the background of industrial 4.0.

Keywords： industry 4.0;development trend;manufacturing industry

目前，世界正經歷以“智能”為核心的又一現代工業革命，各國各領域對智能機器人、智能機械、智能生產以及智慧工廠等領域的熱度日益高漲。在該背景下，德國政府提出了“工業4.0”戰略，并于2013年4月在漢諾威工業博覽會上正式發表。此舉的主要目的是提高德國工業的全球競爭力，使其在新的工業革命中處于領先地位。這也為各國未來工業的發展奠定了發展方向與目標[1]。

1 工業4.0簡介

隨著全球技術發展與科技進步，人們對智能、科技生活的追求日益強烈，依托信息物理技術智能化，未來工業發展將進入以智能化技術開展的制造產業為核心的第四次工業革命，又被稱為工業4.0[2]。在這一階段，可以通過信息通信技術和互聯網的應用，將虛擬系統信息與物理系統結合起來，完成各行各業的產業升級。

2 四次工業革命對比介紹

2.1 工業1.0——機器時代

第一次科學技術革命以18世紀末蒸汽機的發明和應用為主要指標。這次科技革命使得社會生產力發生了巨大變化，以大型機器代替手工生產，人類進入機器時代，即為工業1.0。

2.2 工業2.0——電氣時代

第二次科學技術革命的主要標志是19世紀末到20世紀初的發電機、發動機的發明和應用。整個社會的工業化因為它而被提高到一個嶄新的發展階段，使得社會生產力發展進入電力時代，即為工業2.0。

2.3 工業3.0——信息時代

第三次科技革命發生于20世紀中期，以原子能、電子計算機和空間技術的發展為主要標志。這場新科學技術革命，使世界發生了前所未有的巨大變化。它以信息科學、生命科學、材料科學等為前沿，以計算機技術、生物工程技術、激光技術、空間技術、新能源技術和新材料技術的應用為特征，把人類社會推進到信息時代，即為工業3.0。

2.4 工業4.0——智能時代

工業4.0概念即以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。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（Cyber-Physical System）相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

“工業4.0”是對前三次革命的繼承，在保留優質技術的同時突破發展，并基于信息物理系統實現新的制造方式。信息物理系統通過網絡與現實世界緊密相連，并將網絡空間的高度計算能力在現實世界中有效利用。因此，在生產制造過程中，所有與設計、開發和生產有關的數據都將被傳感器收集和分析，形成一個能夠自主運行的智能生產系統[3]。四次工業革命特征見圖1。

<E：＼2018-2019河南科技 上中＼2019＼2中＼《河南科技》（創新驅動）2月中旬刊2019年05期印刷文件及內文排版文件＼內文排版文件-河南科技（創新驅動）2019年第05期_103720＼Image＼image1_1_1.png>[Industry 4.0][——德國高科技戰略計劃首位][蒸汽機][1784][18世紀末][20世紀初][時間][工業革命1.0][工業革命2.0][工業革命3.0][電力廣泛應用][工業革命4.0][電子、IT、工業機器人][信息物聯系統][復雜程度]

圖1 四次工業革命特征圖

3 工業4.0三大主題

3.1 智能工廠

智能工廠是現代工廠信息化發展的新階段，其以數字工廠為前提，利用物聯網技術和裝置監控技術，加強信息管理和服務[3]。智能工廠的重點在于研究智能化生產系統及其過程，實現辦公、管理及生產自動化，減少人為工作失誤，提升企業管理水平，提高工作效率等。

智能工廠是智能工業發展的新方向，其特點如下。

①系統具有自主能力：可采集與理解外界及自身的資訊，并據此規劃自身行為。

②整體可視技術的實踐：結合訊號處理、推理預測、仿真及多媒體技術，將實境擴增，展示現實生活中的設計與制造過程。

③協調、重組及擴充特性：系統中各組承擔為可依據工作任務，自行組成最佳系統結構。

④自我學習及維護能力：透過系統自我學習功能，在制造過程中落實資料庫補充、更新，以及自動執行故障診斷，并具備排除故障能力。

3.2 智能生產

智能生產是一個由智能機器和人類專家組成的智能系統，一般來說，其可以在生產制造過程中進行智能活動，如分析、推理、判斷、構想和決定等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動[4]。

與傳統生產制造相比，智能生產系統具有以下特點。

①自律能力，即具備搜集與理解環境和自身的信息，并進行分析判斷和規劃自身行為的能力。

②人機一體化，人機一體化是一種混合智能，突出了人在制造系統中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好地發揮出人的潛能，使人機之間表現出一種平等共事、相互“理解”、相互協作的關系，使二者在不同的層次上各顯其能，相輔相成。

③虛擬現實，虛擬現實技術是以計算機為基礎，融信號處理、動畫技術、智能推理、預測、仿真和多媒體技術為一體;借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現實生活中的各種過程、物件等，使人們從感官和視覺上獲得接近真實的感受。

④自組織與超柔性，智能制造系統中的各組成單元能夠依據工作任務的需要，自行組成一種最佳的組織結構。

3.3 智能物流

智能物流是利用集成智能化技術，使物流系統能模仿人的智能，具有思維、感知、學習、推理判斷和自行解決物流中某些問題的能力。智能物流的未來發展將會體現出以下特點：智能化，一體化和層次化，柔性化與社會化。智能物流的發展會更加突出“以顧客為中心”的理念，根據消費者需求變化來靈活調節生產工藝;也將會促進區域經濟的發展和世界資源優化配置，實現社會化。

4 工業4.0三大趨勢

4.1 生產網絡化[5]

生產網絡化即是在生產過程中，制造運行管理系統將幫助生產價值鏈中的供應商獲得并交換實時的生產信息。供應商所提供的全部零部件都將在正確的時間以正確的順序到達生產線，實現信息互通，減少工作失誤，提高生產效率。

4.2 虛擬與現實世界的完美融合

在未來，生產過程中的每一步都將在虛擬世界被設計、仿真以及優化，為真實的物理世界包括物料、產品、工廠等建立起一個高度仿真的數字生產平臺。這不僅使得產品研發過程更為方便、有效、可靠，大幅降低了研發成本，而且對產品后期測試、修改提供了更為便捷的試驗平臺，極大提高了研發效率。

4.3 信息物理融合系統

在未來的智能工廠中，產品信息都將被輸入產品零部件本身，它們會根據自身生產需求，直接與生產系統和設備進行溝通，發出下一道生產工序指令，指揮設備進行自組織生產。信息物理融合系統的實現，能真正意義上實現生產的智能化、智慧化，用戶只需要輸入自己對某一產品的需求，生產系統即可按照該信息進行產品設計與生產，最終按照用戶的需求定制某一產品?；谖锫摼W和服務的智能環境開發過程如圖2所示。

<E：＼2018-2019河南科技 上中＼2019＼2中＼《河南科技》（創新驅動）2月中旬刊2019年05期印刷文件及內文排版文件＼內文排版文件-河南科技（創新驅動）2019年第05期_103720＼Image＼image2_1_1.png>[基于物聯網與服務的

智能環境發展過程][智能化環境][嵌入式計算機][智能工廠][Industry][4.0][90%的計算機都是嵌入式][多個計算機：1個用戶][智能手機

智能卡][PC][中央計算機][1個計算機多個用戶][1個計算機1個用戶][1941][1960][1980][2000][2020]

圖2 基于物聯網和服務的智能環境開發過程

5 工業4.0對我國制造業發展影響

5.1 中國制造業現狀

面對世界工業發展，我國制定了“制造強國戰略研究”重大咨詢研究項目，對8個國家（美、德、日、英、法、韓、印和中國）從1946到2012年制造業數據進行了趨勢分析。20世紀90年代，我國還處在世界第8位，隨后排到了第4位，但與美、德、日相比，仍具有較大差距。

我國制造業優勢與不足分析如下。

第一，優勢。①經過幾十年的快速發展，我國制造業規模躍居世界第一;②部分低端經濟活動由于工資增長從中國轉移，強化了以中國為中心的地區供應鏈;③國內需求的不斷擴大。

第二，不足。①自主創新能力不強，缺乏創新思維;②產品質量問題比較突出，質量得不到保證;③資源利用率較低，能耗較高，污染較為嚴重;④產業結構缺乏合理性，低端產品產能嚴重過剩，高端產品能力明顯不足。

5.2 工業4.0下我國需要采取的行動

在工業4.0背景下，我國2015年提出了“中國制造2025”的強國戰略，以“互聯網+”“信息化與工業化深度融合”“智能制造”為改革主要路線，以創新驅動、智能轉型和網絡化、數字化、智能化為改革核心關鍵，制定了五大工程戰略，即國家制造業創新中心建設工程、大力推進智能制造、工業強基工程、綠色發展工程和高端裝備創新工程[6]。

當前，國內工廠大都處在工業3.0甚至2.0的時代，對于關鍵零部件仍依賴于進口。為改變這一現狀，必須提高硬件技術，注重人才培養，并引導其向各行業的流向，以建設“智能工廠”為發展目標。

同時，由于對制造業信息數據采集不夠，導致我國一直未能完成工業3.0的變革。為此，應充分利用國內互聯網發展的成果，加快數據采集進程，做好大數據建立、儲存與應用，為將來向“智能生產”方向發展提供強有力的數據支撐。

最后，對于國內現有物流模式，基本都從國外引進，未考慮到國內人口基數大且相對集中的特點，需要進一步完善國內物流，發展自身優勢，竭力創建信息互通、快捷高效的“智能物流”系統。

參考文獻：

[1]李曉雷.工業4.0時代的智能制造轉型探[J].科技風，2018（10）：7.

[2]戴宏民，戴佩華.工業4.0與智能機械廠[J].包裝工程，2016（19）：206-211.

[3]張曙.工業4.0和智能制造[J].機械設計與制造工程，2014（8）：1-5.

[4]百度百科.智能生產[EB/OL].（2012-09-10）[2016-02-08].http：//baike.baidu.com/link？url=7hNBKIzkVELRbWtO1pHyWIeGKxPDY7iVeCk4_7scgJUUEgSR1Sd3f-ic7WbpLNUxD6teDQVHezMVgKSxZT9UrpeXzoJrs502_SRN3SfwFW.

[5]鄭英隆.信息產業加速發展與產業結構升級的交互關系研究[J].經濟評論，2001（1）：48-54.

[6]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015（17）：2273-2284.