工業(yè)4.0的全球探索與實(shí)踐案例

孫謙

根據(jù)官方文獻(xiàn)，德國(guó)工業(yè)4.0的內(nèi)容可概括為理論基礎(chǔ)CPS、戰(zhàn)略實(shí)施的“雙重策略”及3大集成、2大建設(shè)主題（智慧工廠(chǎng)和智慧生產(chǎn)）和8項(xiàng)優(yōu)先行動(dòng)領(lǐng)域。工業(yè)4.0強(qiáng)調(diào)在一個(gè)經(jīng)濟(jì)體中全面的數(shù)字化和所有生產(chǎn)單位的互聯(lián)。根據(jù)羅蘭貝格報(bào)告（2014），工業(yè)4.0有六大特征：信息物理系統(tǒng)與市場(chǎng)空間，智能機(jī)器人與智能裝備，作為“21世紀(jì)原材料”的大數(shù)據(jù)，產(chǎn)品、機(jī)器、生產(chǎn)過(guò)程、工廠(chǎng)高質(zhì)量的新型互聯(lián)，能源效率及其分布性，以及包括虛擬工廠(chǎng)與虛擬產(chǎn)品的虛擬產(chǎn)業(yè)化。

德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的三層視野

國(guó)家視野：德國(guó)政府于2011年公布《德國(guó)高技術(shù)戰(zhàn)略2020》，涵蓋工業(yè)4.0、數(shù)字化進(jìn)程、智慧服務(wù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等課題;2013年4月推出《實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略舉措的建議》。2014年11月頒布《工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施路線(xiàn)圖》

歐洲視野：2014年8月，德國(guó)政府頒發(fā)《數(shù)字化議程2014-2017》，對(duì)接歐盟數(shù)字化議程項(xiàng)目。在實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略后又提出“數(shù)字化議程”，目的之一是通過(guò)“產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化”，包括智能制造與服務(wù)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等領(lǐng)域新的商業(yè)模式創(chuàng)新，為德國(guó)開(kāi)辟發(fā)展機(jī)遇，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和就業(yè)，并為工業(yè)4.0體系提供長(zhǎng)久動(dòng)力。

國(guó)際視野：國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)方面，美國(guó)政府于2012年推出《美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》，同年12月通用電氣（GE）提出《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)》戰(zhàn)略;2013年8月我國(guó)工信部發(fā)布《信息化和工業(yè)化深度融合專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃2013-2018》。由此，美國(guó)的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、中國(guó)的“兩化深度融合”、德國(guó)的“工業(yè)4.0”等殊途同歸的工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略為世人矚目。

國(guó)際合作方面，2014年10月中德兩國(guó)發(fā)布《中德合作行動(dòng)綱要：共塑創(chuàng)新》。綱要第二部分“可持續(xù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和金融領(lǐng)域合作”，設(shè) “經(jīng)濟(jì)”、“工業(yè)4.0合作”、“金融”3大主題。涉及工業(yè)4.0合作的內(nèi)容有：工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化（工業(yè)4.0）對(duì)于未來(lái)中德經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義，該進(jìn)程應(yīng)由企業(yè)推進(jìn)，政府政策支持;建立兩國(guó)工業(yè)4.0對(duì)話(huà)機(jī)制;將工業(yè)4.0議題納入中德標(biāo)準(zhǔn)化合作委員會(huì);進(jìn)一步深化兩國(guó)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域合作。為此，工信部苗圩部長(zhǎng)在講到德國(guó)工業(yè)4.0與中國(guó)兩化深度融合關(guān)系時(shí)，使用了“如出一轍、異曲同工、殊途同歸”三個(gè)關(guān)鍵詞。

工業(yè)4.0的國(guó)際探索與實(shí)踐案例

據(jù)2013年德國(guó)“工業(yè)4.0前景”報(bào)告，47%的公司已積極參與工業(yè)4.0計(jì)劃，18%的公司參與了對(duì)工業(yè)4.0的研究，12%的企業(yè)已開(kāi)始實(shí)施工業(yè)4.0計(jì)劃。筆者認(rèn)為，德國(guó)企業(yè)既往成績(jī)斐然，目前是實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的主角，探索最佳實(shí)踐眾望所歸。

工業(yè)4.0最佳企業(yè)實(shí)踐

根據(jù)文獻(xiàn)研究和筆者2014年訪(fǎng)德交流，工業(yè)4.0實(shí)施既包括工業(yè)4.0創(chuàng)意單位西門(mén)子、博世公司和弗勞恩霍夫研究院等，也包括其他諸多企業(yè)，如軟件企業(yè)SAP和大眾汽車(chē);此外，德國(guó)專(zhuān)家還指出諸多中小企業(yè)正在努力踐行中。據(jù)羅蘭貝格報(bào)告（2014），工業(yè)4.0最佳企業(yè)實(shí)踐包括：

德國(guó)通快公司作為工業(yè)4.0技術(shù)提供商，實(shí)施了首例“社會(huì)化機(jī)器（一種人與技術(shù)交互而達(dá)成產(chǎn)出的環(huán)境）”案例，據(jù)稱(chēng)其產(chǎn)品的每一個(gè)零件都是智能的，保留著以往加工的所有信息;同時(shí)各生產(chǎn)裝置都因互聯(lián)而知曉彼此的加工能力，以便生產(chǎn)流程可以自動(dòng)優(yōu)化;用戶(hù)也得以實(shí)時(shí)介入乃至干預(yù)產(chǎn)品的加工。

德國(guó)西門(mén)子公司實(shí)施工業(yè)4.0的醫(yī)療工程，一改需要廢時(shí)多日適配患者的標(biāo)準(zhǔn)化人造膝蓋和髖關(guān)節(jié)，在工業(yè)4.0方案下僅數(shù)小時(shí)即可完成個(gè)性化產(chǎn)品的人體植入。

英國(guó)勞斯萊斯公司采用3D打印技術(shù)制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)元器件，采用輕型材料，并將原需18個(gè)月的訂單周期（源于復(fù)雜工藝工裝）大大縮減，顯著提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

法國(guó)達(dá)索工業(yè)軟件公司，重視工業(yè)4.0在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)集成方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從工程到PLM，進(jìn)而演進(jìn)到集成虛擬-實(shí)體平臺(tái)的工業(yè)4.0模式，核心內(nèi)容完整的3D數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、制造和數(shù)字化生產(chǎn)線(xiàn)解決方案，以及3D數(shù)字化體驗(yàn)平臺(tái)。

工業(yè)4.0實(shí)踐案例

【德國(guó)博世公司實(shí)踐案例】作為創(chuàng)意和發(fā)起單位，博世參與了德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的制訂，其實(shí)踐也較完整地表達(dá)了工業(yè)4.0的內(nèi)涵。

物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)（IoTS）參考模型：從底層向上依次為物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)與服務(wù)平臺(tái)、務(wù)聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用領(lǐng)域等四層，通過(guò)機(jī)器間（M2M）的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、業(yè)務(wù)流程與業(yè)務(wù)規(guī)則的改進(jìn)，形成了物聯(lián)網(wǎng)與務(wù)聯(lián)網(wǎng)模式。物聯(lián)網(wǎng)的IT技術(shù)環(huán)境包括M2M語(yǔ)義獲取、數(shù)據(jù)歸集和大數(shù)據(jù)處理;務(wù)聯(lián)網(wǎng)的IT技術(shù)環(huán)境包括互聯(lián)的企業(yè)、互聯(lián)的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)規(guī)則、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)的服務(wù)等。博世提供了物聯(lián)網(wǎng)套餐或工業(yè)4.0“工具箱”軟件系統(tǒng)，為制造企業(yè)提供軟件創(chuàng)新解決方案。

“智慧工廠(chǎng)”模型：通過(guò)集成IT技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)的新型商業(yè)模式，智慧工廠(chǎng)主要由產(chǎn)品研發(fā)與流程，感知與互動(dòng)環(huán)境，生產(chǎn)加工環(huán)境，也包括柔性工廠(chǎng)、聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)、預(yù)測(cè)性維護(hù)等內(nèi)容。智慧工廠(chǎng)的外部界面包括自適應(yīng)的物流模塊，通信與服務(wù)模塊，以及云服務(wù)的“技術(shù)和交易市場(chǎng)”。

工業(yè)4.0的應(yīng)用：智慧服務(wù)是工業(yè)4.0的核心概念。博世推出“預(yù)測(cè)性維護(hù)”的智慧服務(wù)產(chǎn)品，包括實(shí)時(shí)解釋機(jī)器與傳感器數(shù)據(jù)、分析機(jī)器數(shù)據(jù)及故障預(yù)測(cè)、規(guī)劃維護(hù)流程、集成企業(yè)IT等環(huán)節(jié)。對(duì)制造企業(yè)客戶(hù)，好處是提高設(shè)備的整體效用和系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，有效利用零部件和產(chǎn)品的最大服務(wù)生命周期，并提供專(zhuān)家知識(shí)的積累和傳遞。預(yù)測(cè)性維護(hù)的“遠(yuǎn)程服務(wù)門(mén)戶(hù)”可集中訪(fǎng)問(wèn)客戶(hù)的機(jī)器和系統(tǒng)，并完成遠(yuǎn)程軟件更新。

工業(yè)4.0路線(xiàn)圖：博世演進(jìn)開(kāi)發(fā)的工業(yè)4.0系統(tǒng)，第一階段開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程服務(wù)門(mén)戶(hù)，包括通信平臺(tái)建設(shè)、對(duì)象的狀態(tài)監(jiān)視和預(yù)測(cè)性維護(hù)模塊;第二階段開(kāi)發(fā)基于對(duì)象的數(shù)據(jù)，包括智慧化的適應(yīng)性測(cè)試、物流運(yùn)輸和庫(kù)存數(shù)據(jù)等;第三階段將開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)挖掘和分析系統(tǒng)。

【德國(guó)西門(mén)子公司實(shí)踐案例】作為倡導(dǎo)者和踐行者，西門(mén)子在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上展示了工業(yè)4.0示范，表達(dá)其構(gòu)建未來(lái)智慧生產(chǎn)的能力。

西門(mén)子的工業(yè)4.0觀(guān)：未來(lái)企業(yè)新增競(jìng)爭(zhēng)力，將來(lái)自通過(guò)增加能源和資源使用率來(lái)提高企業(yè)的經(jīng)營(yíng)效益、更多的復(fù)雜產(chǎn)品和更大的數(shù)據(jù)量來(lái)縮短產(chǎn)品入市時(shí)間、個(gè)性化的規(guī)模定制和更高的產(chǎn)能來(lái)增強(qiáng)產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)性。工業(yè)4.0宛如“算法化的生產(chǎn)棋盤(pán)”，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的嵌入式技術(shù)，與分布式的CPS系統(tǒng)交互，其產(chǎn)品因“縱向集成”而包含加工信息，其生產(chǎn)組織因“橫向集成”而包含整個(gè)價(jià)值鏈的自組織信息，其生產(chǎn)流程因“端到端的集成”而體現(xiàn)依實(shí)時(shí)場(chǎng)景的靈活決策。

強(qiáng)調(diào)工業(yè)信息技術(shù)和工業(yè)軟件：各類(lèi)計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用軟件、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的協(xié)同管理系統(tǒng)、數(shù)字化制造軟件、3D流程設(shè)計(jì)與工廠(chǎng)分析工具、制造執(zhí)行系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值創(chuàng)造各環(huán)節(jié)的緊密相連，優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程。西門(mén)子工業(yè)部門(mén)雇傭了7500位軟件工程師，為其7萬(wàn)客戶(hù)及750萬(wàn)PLM協(xié)議用戶(hù)提供專(zhuān)業(yè)服務(wù)。

“智慧生產(chǎn)”案例：西門(mén)子安貝格工廠(chǎng)生產(chǎn)高度數(shù)字化，可獨(dú)立于實(shí)體生產(chǎn)進(jìn)行仿真與優(yōu)化;安貝格采用制造執(zhí)行系統(tǒng)，顯著提高了生產(chǎn)效率和靈活性，允許在一分鐘內(nèi)更改產(chǎn)品及工序;工廠(chǎng)的測(cè)量事件達(dá)每日100萬(wàn)以上，采集后由中央系統(tǒng)保證其數(shù)據(jù)的一致性;每一件產(chǎn)品都帶有其加工信息，若發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)，控制系統(tǒng)可依既定工序進(jìn)行干預(yù)和糾正。由此，安貝格百萬(wàn)缺陷率僅為15%，成為產(chǎn)品誤差最小的企業(yè)。

設(shè)計(jì)智慧工廠(chǎng)，構(gòu)建貫穿價(jià)值鏈的端到端工程數(shù)字化集成：按提高企業(yè)生產(chǎn)整體競(jìng)爭(zhēng)力的要求，從“產(chǎn)品設(shè)計(jì)”開(kāi)始，經(jīng)過(guò)“生產(chǎn)規(guī)劃”和“生產(chǎn)工程”，到“生產(chǎn)實(shí)施”和“服務(wù)”等5個(gè)環(huán)節(jié)，展示了工業(yè)4.0縱向集成和端到端集成特征。在“產(chǎn)品設(shè)計(jì)”階段，實(shí)現(xiàn)貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期的價(jià)值增值，通過(guò)產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)，全面優(yōu)化企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)流程。在“生產(chǎn)規(guī)劃”階段，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)和PLM解決方案，客戶(hù)在實(shí)體生產(chǎn)之前即可對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬檢查和優(yōu)化，并保證虛擬生產(chǎn)模型與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備間的無(wú)縫互動(dòng)。在“生產(chǎn)實(shí)施”階段，一改傳統(tǒng)單臺(tái)產(chǎn)品的優(yōu)化模式，轉(zhuǎn)而采用“全集成自動(dòng)化（TIA）”概念的“集成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) （IDS）”，一站式地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)的增值。

CPS概念的“數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)”：數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字制造的載體，在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，通過(guò)共同的數(shù)據(jù)庫(kù)和集成工具鏈，集成先進(jìn)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程軟件和硬件，達(dá)成各種產(chǎn)品元部件生產(chǎn)之間的無(wú)縫集成。西門(mén)子已開(kāi)始為我國(guó)企業(yè)提供數(shù)字化企業(yè)平臺(tái)解決方案。

啟示

以上國(guó)際案例的共性部分，包含對(duì)CPS系統(tǒng)的認(rèn)可、對(duì)三大集成的重視、關(guān)注智慧工廠(chǎng)和智慧生產(chǎn)的主題探索。案例中采用新興技術(shù)已是標(biāo)配，構(gòu)成了工業(yè)4.0的高價(jià)值內(nèi)容，這也解釋了《中德合作行動(dòng)綱要》的工業(yè)4.0部分，專(zhuān)門(mén)強(qiáng)調(diào)“進(jìn)一步深化兩國(guó)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域合作”。

技術(shù)層面，互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新要素，已經(jīng)從消費(fèi)側(cè)向供給側(cè)滲透;如果說(shuō)亞馬遜電商創(chuàng)新和阿里上市奇跡都證明了消費(fèi)類(lèi)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的巔峰，那么三個(gè)制造業(yè)大國(guó)殊途同歸地提出制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，將代表產(chǎn)業(yè)類(lèi)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)代的到來(lái)。

（作者系浙江省杭電智慧城市研究中心副主任、浙江省經(jīng)信智慧城市規(guī)劃研究院首席科學(xué)家）