【產業前瞻】德國《工業4.0戰略》

德國制造業是世界最具競爭力的制造業之一，尤其是裝備制造業在全球處于領先地位。這在很大程度上源于德國在創新性制造技術方面的研究、開發和生產，以及復雜工業過程管理的專業性。德國擁有強大的機器和設備制造業，在信息技術領域表現出很高的水平和能力，在嵌入式系統和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業中的領軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優勢開拓新型工業化的潛能：工業4.0。

前三次工業革命的發生，分別源于機械化、電力和信息技術。如今，將物聯網及服務引入制造業正迎來第四次工業革命。不久的將來，企業能以CPS（Cyber-PhysicalSystems ，信息物理系統)的形式建立全球網絡，整合其機器、倉儲系統和生產設施。在制造業領域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機器、存儲系統和生產設施，它們能獨立運行和相互控制。這有利于從根本上改善工業過程，包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理。智能工廠現在似乎已開始采用一種全新的方式來生產產品。智能產品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位，我們知道它的發展歷程，了解它當前狀況，以及實現其目標狀態的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業務流程聯網，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構建了嵌入式制造系統。此外，這些指令都要求啟用終端間工程（模式）流經整個價值鏈。

工業4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產品只生產一次，也能通過頗具收益的方式制造出來。在工業4.0中，以供應商為例，動態業務和工程流程能幫他們根據生產需要最終做出相應改變，并靈活應對生產中斷和故障?，F在，制造過程中已經能夠提供端到端的透明化，以促進決策優化。工業4.0將會開發出創造價值的新方法和新的商業模式。特別是，它將給初創公司和小企業的發展帶來機會，下游服務也能從中受益。

此外，工業4.0將正視和解決某些當今世界面臨的挑戰，如資源能源利用效率、城鎮化、人口結構變化等。工業4.0能持續帶來覆蓋整個價值網絡的資源生產率和效率的增益。它能將人口結構變化和社會因素考慮在內，以適合的方式組織生產。智能輔助系統讓工人從單調、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創新和增值業務上。鑒于熟練工短缺的問題，工業4.0允許老工人延長職業生涯，從而長久地保持生產力。靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持續的職業生涯發展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點。

制造工程領域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認識到在制造業部署物聯網及服務是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業造成威脅，美國也在采取措施，通過推進“高端制造業”計劃反對“去工業化”。

為了實現工業生產向工業4.0的轉變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業應尋求穩固在全球市場的領導地位，一如既往地把信息通信技術與其傳統的高科技戰略進行整合，使自己成為智能制造技術的主要供應商。與此同時，還有必要為CPS技術和產品創建新的領先市場，并為之服務。要實現上述CPS雙重策略的目標，以下工業4.0的基本特征應該得到落實：

（1）通過價值網絡實現橫向集成

（2）工程端到端數字集成橫跨整個價值鏈

（3）垂直集成和網絡化的制造系統

邁向工業4.0之路，德國要在研發上投入巨大的精力。為實施雙重策略，所進行的研究得實現“制造系統的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于對工業4.0系統的要求和著眼于CPS技術的持續發展，工作場所中新的社會基礎設施應該得到更多關注。

若工業4.0得以成功實現，研發活動將需要與之適應的工業政策的支持。工業4.0工作組認為，需要在以下8個關鍵領域采取行動：

（1）標準化和參考架構:工業4.0會涉及聯網，并通過價值網絡集成幾家不同的公司。如果開發出一攬子共同標準，這種合作伙伴關系將成為可能。由此，需要一個參考架構來描述這些標準，并促進它們的實現。

（2）復雜系統的管理:生產和制造系統正日益變得復雜，適當的計劃和解釋性模型能為管理這些復雜的系統打下基礎。因此，工程師們應該備有開發出這些模型的方法和工具。

（3）一套綜合的工業寬帶基礎設施:毋庸置疑，高質量的綜合通訊網絡是工業4.0的關鍵要求。無論是在德國國內，還是在德國與其他伙伴國之間，寬帶網絡基礎設施也因此需要進一步大規模拓展。

（4）安全和安保:安全和安保對智能制造系統的成功至關重要。確保生產設施和產品本身對人或者環境不造成任何危險，這點非常重要。同時，生產設施和產品，尤其是它們所包含的數據和信息，都需要加以保護，防止被濫用和未經授權的訪問

（5）工作的組織和設計: 在智能工廠，雇員的角色將發生引人注目的改變。越來越多的實時導向的控制，將改變工作內容、工作流程和工作環境。工作組織以一種社會-技術方法實現，將為員工提供承擔重大責任和促進個人發展的機會。這一旦成為現實，部署合作的工作設計、終身學習的措施，以及啟動參考模型課題將變得尤為重要。

（6）培訓和持續的職業發展: 工業4.0將從根本上改變人們的工作和專業能力。實施適當的培訓策略并以培養學習的方式組織工作因此變得尤為必要，可借此實現終身學習和基于工作地點的個人發展。為達成這一目標，示范項目和“最佳實踐網絡”應該推廣，數字化學習技術也應投入研究。

（7）監管框架: 在工業4.0下建立新的制造流程和橫向業務網絡架構時，必須遵守法律；而現有法律也同樣應在需要時，考慮到創新的影響進行調整。面臨的挑戰包括保護企業數據、責任問題、處理個人數據和貿易限制。這將不僅對立法，也對其他有商業性質的活動提出了要求——制度將作為一個涵蓋面廣泛的適用工具而存在，其內容包括指導方針、合同范本和公司集體協議，或者自我監管的舉措如審計。

（8）資源效率: 撇開成本高不說，僅制造業在原材料和能源上的大量消耗就給環境和安全供應帶來諸多風險。工業4.0將帶來資源生產力和效率的提高。對企業來說，權衡“需要投資在智能工廠中的額外資源”與“帶來的潛在節約”之間的利弊非常必要。

通向工業4.0，將是一個漸進的過程。為了適應制造工程的特殊需求，現有的基本技術和經驗必須加以改變，還必須探索針對新地點和新市場的創新解決方案。如果成功，工業4.0將提升德國的全球競爭力，并保持其國內制造業繼續發展。

 工業4.0：德國欲掀起第四次工業革命 

如果有人說“工廠會解決當前全球面臨的問題”，您可能會覺得這是在說大話。但現在真有一個國家正在努力實現這一宏偉概念，這個國家就是德國?，F在，德國政府提出了高技術戰略“工業4.0”（Industry 4.0），并開始推進這個產官學一體項目。

如果用一個詞來概括這個概念，那就是“互聯工廠”。就是通過互聯網等通信網絡將工廠與工廠內外的事物和服務連接起來，創造前所未有的價值、構建新的商業模式，甚至還能解決很多社會問題。

工業4.0的大體概念是在2011年于德國舉行的工業設備展會“Hannover Messe 2011”上提出的。在2年后的“Hannover Messe 2013”上，由產官學專家組成的工作小組（WG）發表了最終報告（有德語版和英文版）＊。下面，筆者就根據該最終報告來解讀一下工業4.0。

＊工業4.0工作組內不僅有能夠代表德國的企業、研究機構和大學，還從政府機構聘請了觀察員。主要企業有ABB、巴斯夫、寶馬、博世、戴姆勒、英飛凌、思愛普（SAP）、西門子、蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）及通快（TRUMPF）等。

關鍵是靈活運用ICT

“工業4.0”這一名稱的含義是人類歷史上的第四次工業革命（圖1）。第一次工業革命是18世紀60年代至19世紀中期掀起的通過水力和蒸汽機實現的工廠機械化；第二次工業革命是19世紀后半期至20世紀初的電力廣泛應用；第三次工業革命是20世紀后半期出現的、基于可編程邏輯控制器（PLC）的生產工藝自動化。工業4.0的定位是可與這些工業革命比肩的技術革新。

其中的關鍵技術是信息通信技術（ICT），具體包括聯網設備之間自動協調工作的M2M（Machine to Machine）、通過網絡獲得的大數據的運用、與生產系統以外的開發/銷售/ERP（企業資源計劃）/PLM（產品生命周期管理）/SCM（供應鏈管理）等業務系統聯動，等等。

第三次工業革命的自動化只是在生產工藝中運用ICT，而工業4.0將大幅擴大應用對象。最終報告將這種升級后的工廠稱做“智能工廠”（圖2）。基于ICT的“智能化”本來就是在智能手機、智能儀表、智慧城市、智能電網等所有事物和服務中出現的動向。要實現工廠智能化的工業4.0也可以說是一個必然趨勢。除工業4.0以外，通用電氣也提出了與之基本相同的概念——“工業互聯網”（Industrial Internet）。日本的各企業也在推進M2M和大數據應用。

可解決能源消耗和工作生活平衡問題

通過推進工廠智能化，不僅能夠創造前所未有的產品、大幅提高生產效率，還能夠解決當前社會面臨的許多問題。比如能源消耗問題?，F在，工廠在不開工時也要保持立刻就能重新開工的狀態，這會消耗很多能源。而如果能夠根據工廠的開工情況實時調整能源供應，就能大幅削減總體的能源消耗量（圖3）。

另外，工作組的最終報告還指出，工廠智能化能解決工作生活平衡問題?，F在，在工廠工人的工作模式是到工廠上班，現場操作機械設備等，到了下班時間下班回家。但是，如果能通過ICT實現機械設備的遠程操作，就不需要在工廠和家之間奔波，可以在安全的場所舒服地工作。工廠智能化還有利于提高工人的生活質量。

四大課題

雖然工業4.0展現了美好的未來，但實現這一概念卻面臨著四大課題，分別是標準化、復雜系統的管理、通信基礎設施的建設、安全和保密。

標準化方面，隨著工廠與工廠內外的很多事物和服務連接起來，通信手段及數據格式等很多事物必須制定標準。關于復雜系統的管理，隨著生產系統與其他系統連接起來，整個系統變得復雜，管理變得越來越困難。通信基礎設施問題指的是可用于工業用途的、可靠性（SLA：服務水平協議）高的通信基礎設施。安全和保密方面，隨著工廠與外部網絡連接起來，遭到惡意軟件入侵等網絡攻擊的風險也越來越大，因此急需采取安全和保密措施。