中國(guó)應(yīng)該如何借鑒工業(yè)4.0？

文 | 王喜文

中國(guó)應(yīng)該如何借鑒工業(yè)4.0？

文 | 王喜文

工學(xué)博士，博士后，高級(jí)工程師。曾在北京第一機(jī)床廠工作過兩年，后開發(fā)10年計(jì)算機(jī)軟件，2009年8月進(jìn)入工業(yè)和信息化部國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心工作，歷任信息部副主任、主任、電子商務(wù)研究所所長(zhǎng)、工業(yè)4.0研究所所長(zhǎng)。

在德國(guó)工業(yè)4.0中，通過信息物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)工廠/車間的設(shè)備傳感和控制層的數(shù)據(jù)與企業(yè)信息系統(tǒng)融合，使得生產(chǎn)大數(shù)據(jù)傳到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，形成決策并反過來指導(dǎo)生產(chǎn)。

具體而言，生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備都將配備傳感器，抓取數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過無線通信連接互聯(lián)網(wǎng)，傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)本身進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而生產(chǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)同樣經(jīng)過快速處理、傳遞，反饋至生產(chǎn)過程中，將工廠升級(jí)成為可以被管理和被自適應(yīng)調(diào)整的智能網(wǎng)絡(luò)，使得工業(yè)控制和管理最優(yōu)化，對(duì)有限資源進(jìn)行最大限度使用，從而降低工業(yè)和資源的配置成本，使得生產(chǎn)過程能夠高效地進(jìn)行。

過去，設(shè)備運(yùn)行過程中，其自然磨損本身會(huì)使產(chǎn)品的品質(zhì)發(fā)生一定的變化。而由于信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可以通過傳感技術(shù)，實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)，知道產(chǎn)品出了什么故障，哪里需要配件，使得生產(chǎn)過程中的這些因素能夠被精確控制，真正實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)智能化。因此，在一定程度上，工廠/車間的傳感器所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)直接決定了工業(yè)4.0所要求的智能化設(shè)備的智能水平。

此外，從生產(chǎn)能耗角度看，設(shè)備生產(chǎn)過程中利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產(chǎn)流程，能夠發(fā)現(xiàn)能耗的異常或峰值情況，由此能夠在生產(chǎn)過程中不斷實(shí)時(shí)優(yōu)化能源消耗。同時(shí)，對(duì)所有流程的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也將會(huì)整體上大幅降低生產(chǎn)能耗。

工業(yè)和信息化部自成立以來，一直致力于推進(jìn)工業(yè)與信息化的兩化融合工作，通過信息化的融合與滲透，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生革命性影響。具體體現(xiàn)在，降低制造業(yè)成本、提高制造業(yè)管理水平、提高制造業(yè)生產(chǎn)率、促進(jìn)制造業(yè)生產(chǎn)模式的創(chuàng)新、加快制造業(yè)服務(wù)化的轉(zhuǎn)變、提升制造業(yè)創(chuàng)新能力、加速制造業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、推動(dòng)制造業(yè)的全球化、催生制造業(yè)新的業(yè)態(tài)等諸多方面。

工業(yè)4.0本質(zhì)上是信息技術(shù)引發(fā)的，與我國(guó)的“兩化融合”異曲同工。在未來制造業(yè)中，我們應(yīng)該將兩化深度融合作為主要著力點(diǎn)，進(jìn)一步加大推進(jìn)信息化力度。

首先是，積極研究部署信息物理系統(tǒng)（CPS）平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“智能工廠”的“智能制造”。智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，智能設(shè)備和生產(chǎn)手段在未來必將廣泛替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。而信息物理系統(tǒng)（CPS）將改變?nèi)祟惻c物理世界的交互方式，能夠使得未來制造業(yè)中的物質(zhì)生產(chǎn)力與能源、材料和信息三種資源高度融合，對(duì)實(shí)現(xiàn)“智能工廠”和“智能制造”提供有效的保障。美國(guó)、德國(guó)等世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)都高度重視信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建，加強(qiáng)戰(zhàn)略性、前瞻性的部署，并已然取得了積極的研究進(jìn)展。而我國(guó)目前的制造業(yè)發(fā)展仍然以簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大再生產(chǎn)為主要途徑，迫切需要通過智能生產(chǎn)、智能設(shè)備和工業(yè)4.0理念來改造和提升傳統(tǒng)制造業(yè)。

其次是，推動(dòng)制造業(yè)向智能化發(fā)展轉(zhuǎn)型的同時(shí)，同步推動(dòng)制造業(yè)的模式和業(yè)態(tài)的革新思維。主要體現(xiàn)在，從大規(guī)模批量生產(chǎn)變?yōu)榇笠?guī)模定制生產(chǎn)的革新、從生產(chǎn)型制造變?yōu)榉?wù)型制造的革新、從集團(tuán)式全能型生產(chǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)式協(xié)同制造的革新、從兩化融合變?yōu)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的革新。

“中國(guó)制造2025”計(jì)劃發(fā)布之后，為什么還要和德國(guó)合作？原因有很多方面，但不外乎以下幾點(diǎn)。

首先是解決標(biāo)準(zhǔn)化的難題。目前，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化舞臺(tái)上，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家之所以能夠長(zhǎng)期保持主導(dǎo)地位，其原因正是憑借強(qiáng)大的制造業(yè)綜合實(shí)力，而我國(guó)目前在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化舞臺(tái)上仍然處于“聽眾”角色，也側(cè)面反映了我國(guó)制造業(yè)整體水平的差距。我國(guó)制造業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程控制方面一直是弱項(xiàng)，缺少標(biāo)準(zhǔn)化，更缺少國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的思維。

標(biāo)準(zhǔn)先行是工業(yè)4.0戰(zhàn)略的突出特點(diǎn)。工業(yè)4.0戰(zhàn)略的關(guān)鍵是建立一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)資源、生產(chǎn)管理系統(tǒng)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)化制造，各種終端設(shè)備、應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)信息交換、感知、分析處理、維護(hù)等必須基于一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化體系。因此，為了保障工業(yè)4.0順利實(shí)施，德國(guó)將標(biāo)準(zhǔn)化排在八項(xiàng)行動(dòng)中的首位，同時(shí)在工業(yè)4.0平臺(tái)下成立一個(gè)工作組，專門處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)方面的問題。2013年12月，德國(guó)電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布了德國(guó)工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化路線圖?？梢哉f，標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)信息技術(shù)與工業(yè)的深度融合是未來制造業(yè)的重要手段。我國(guó)在推進(jìn)信息技術(shù)與工業(yè)深度融合的具體實(shí)踐中，也應(yīng)高度重視標(biāo)準(zhǔn)化在制造業(yè)發(fā)展中的引領(lǐng)作用，及時(shí)出臺(tái)“兩化融合”或“兩化深度融合”的標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，引導(dǎo)制造業(yè)企業(yè)推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。同時(shí)，還要盡最大可能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際化，使中國(guó)制定的標(biāo)準(zhǔn)得到國(guó)際上的廣泛采用，以?shī)Z取未來產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的話語權(quán)。

跨學(xué)科、跨領(lǐng)域是制造業(yè)高技術(shù)化發(fā)展的顯著特點(diǎn)。隨著制造業(yè)技術(shù)不斷進(jìn)化，以信息技術(shù)、半導(dǎo)體、新材料、新能源為代表的許多高新技術(shù)，正在以前所未有的廣度和深度滲透到制造業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)之中，使制造業(yè)的產(chǎn)品和生產(chǎn)過程，以至管理方式都發(fā)生了深刻、甚至是革命性的變化，導(dǎo)致一大批新興高技術(shù)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。反過來，制造業(yè)在發(fā)展過程中，不斷融入機(jī)械、電子、電氣、光學(xué)、自動(dòng)控制、新材料、新能源、人機(jī)工程以及信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)以及信息安全等諸多技術(shù)領(lǐng)域的集成與應(yīng)用，形成極為復(fù)雜的系統(tǒng)化過程。所以，只有一開始就進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的約束和引導(dǎo)，才能有序開展與推廣。

因此，在上述技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)下，未來的制造業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)仍將繼續(xù)發(fā)揮重要基礎(chǔ)作用。標(biāo)準(zhǔn)的建立和掌握也往往是產(chǎn)業(yè)內(nèi)企業(yè)制定戰(zhàn)略時(shí)必須關(guān)注的重要領(lǐng)域。也可以說，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為未來制造業(yè)的戰(zhàn)略工具。

其次，解決復(fù)雜的系統(tǒng)管理問題。產(chǎn)、學(xué)、研、用多個(gè)層面的聯(lián)合機(jī)制在一定程度上能夠化解系統(tǒng)的復(fù)雜化，不斷完善管理體系。德國(guó)工業(yè)4.0是由德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門子、博世等企業(yè)等聯(lián)合發(fā)起的，工作組成員也是由產(chǎn)、學(xué)、研、用多方代表組成的。因此，工業(yè)4.0戰(zhàn)略一經(jīng)提出，很快得到了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的積極響應(yīng)。事實(shí)上，發(fā)達(dá)國(guó)家重視產(chǎn)、學(xué)、研合作的戰(zhàn)略意圖不僅僅是擴(kuò)大市場(chǎng)，主要還是希望通過產(chǎn)、學(xué)、研合作創(chuàng)新，來提升競(jìng)爭(zhēng)力。

從我國(guó)制造業(yè)來看，企業(yè)普遍重視技術(shù)，但不重視流程管控，尤其是在技術(shù)研發(fā)方面。而未來的制造業(yè)體系將越來越復(fù)雜，這就需要，在產(chǎn)、學(xué)、研、用多個(gè)層面來聯(lián)合推動(dòng)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。因此，我國(guó)應(yīng)該充分吸收和借鑒德國(guó)工業(yè)4.0的產(chǎn)、學(xué)、研、用聯(lián)合模式，一方面，政府要通過引導(dǎo)和支持的方式促進(jìn)不同類型的產(chǎn)、學(xué)、研合作聯(lián)盟發(fā)展；另一方面，選擇幾個(gè)重點(diǎn)行業(yè)和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行試點(diǎn)，由創(chuàng)新意愿較高的企業(yè)牽頭，聯(lián)合科研實(shí)力雄厚的大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)，組建多種形式的產(chǎn)、學(xué)、研研發(fā)聯(lián)盟，充分調(diào)動(dòng)各方資源和力量，共同推進(jìn)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用推廣。

德國(guó)認(rèn)為，邁向工業(yè)4.0之路，實(shí)際生產(chǎn)過程與各種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)協(xié)同之后，系統(tǒng)整體更加復(fù)雜化，對(duì)其進(jìn)行管理將更困難。除了產(chǎn)、學(xué)、研、用多個(gè)層面的聯(lián)合互動(dòng)之外，還需要實(shí)現(xiàn)“制造系統(tǒng)的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。橫向集成主要解決企業(yè)和企業(yè)之間復(fù)雜系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)信息無縫的交流，也就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造的企業(yè)間通過價(jià)值鏈以及信息網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的一種資源信息共享與資源整合，確保了各企業(yè)間的無縫合作；縱向集成主要解決企業(yè)內(nèi)部的復(fù)雜系統(tǒng)管理，從企業(yè)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、物流、交互，所有的信息無縫隙的、高效的、順暢的傳遞；端對(duì)端集成主要解決貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的工程化信息系統(tǒng)集成的復(fù)雜系統(tǒng)管理，以保障大規(guī)模個(gè)性化定制的實(shí)施。

再次，有助于通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。一方面，德國(guó)工業(yè)4.0的本質(zhì)就是基于信息物理系統(tǒng)(CPS)實(shí)現(xiàn)“智能工廠”，讓制造業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)充分地與互聯(lián)網(wǎng)融合，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。而實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就需要適用于工業(yè)的、具有高可靠性的通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為基本保障。

另一方面，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的形成，也必然會(huì)出現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)。比如說，設(shè)計(jì)、仿真、工藝、加工、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、配置關(guān)系、變更記錄等產(chǎn)品數(shù)據(jù)，設(shè)備、質(zhì)量、生產(chǎn)、采購(gòu)、庫(kù)存、電子商務(wù)等運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，客戶、供應(yīng)商、合作伙伴、客戶滿意度等價(jià)值鏈數(shù)據(jù)等等。工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、交互和共享，必然要求建立容量、帶寬、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)大的基礎(chǔ)實(shí)施。

而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施恐怕難以滿足工業(yè)4.0時(shí)代的要求。因此，構(gòu)建容量更大、服務(wù)質(zhì)量更可靠的工業(yè)通信基礎(chǔ)設(shè)施將成為未來制造業(yè)中迫切需要解決的一項(xiàng)課題。

最后是網(wǎng)絡(luò)安全保障。自從進(jìn)入21世紀(jì)之后，已經(jīng)出現(xiàn)了許多對(duì)工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攻擊的案例。比如，澳大利亞下水道監(jiān)控系統(tǒng)和美國(guó)核電站監(jiān)控系統(tǒng)曾被第三方經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)侵入，波蘭地鐵信號(hào)系統(tǒng)被入侵。而近年來，這樣的攻擊案例正在迅速增加。2012年8月，沙特阿拉伯國(guó)營(yíng)石油公司Aramco受到了網(wǎng)絡(luò)攻擊。據(jù)紐約時(shí)報(bào)報(bào)道，攻擊者的目標(biāo)為制油/制氣工程，通過使工程中止，讓石油/天然氣的生產(chǎn)發(fā)生異常。這個(gè)攻擊中使用了“Shamoon”計(jì)算機(jī)病毒，所幸沒有造成生產(chǎn)異常，但是卻影響了該公司3萬多臺(tái)計(jì)算機(jī)，Aramco公司為此中斷了一周內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問。在日本，對(duì)制造業(yè)的網(wǎng)絡(luò)攻擊案例也在增多。據(jù)稱，某個(gè)日本企業(yè)每5分鐘就遭受一次網(wǎng)絡(luò)攻擊，而且，攻擊來源都不相同。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，人力、物料、生產(chǎn)設(shè)備、各種生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及價(jià)值鏈上的眾多協(xié)同企業(yè)都將互聯(lián)，隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)安全問題的隱憂，也就迫切需要建立一套完善的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息安全認(rèn)證體系。安全認(rèn)證體系建設(shè)是信息安全保障的基礎(chǔ)性工作，但在認(rèn)證制度的設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究與設(shè)計(jì)方面，還需要大量的經(jīng)驗(yàn)和積累。初期，我國(guó)可以與國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作，開展聯(lián)合認(rèn)證服務(wù)，但要逐步建立自己的安全認(rèn)證機(jī)制。這不僅是與國(guó)際通行做法接軌，也有利于信息安全領(lǐng)域的國(guó)際交流與合作，在切實(shí)提高我國(guó)信息安全水平的同時(shí)，幫助和促進(jìn)工業(yè)企業(yè)提升信息安全技術(shù)水平，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。