4.2　德國(guó)“工業(yè)4.0”

4.2.1　起源

2010年，德國(guó)政府發(fā)布《德國(guó)2020高科技戰(zhàn)略》，重點(diǎn)推出11項(xiàng)“未來項(xiàng)目”；2011年，在德國(guó)科學(xué)—產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)研究聯(lián)盟的倡導(dǎo)下，開始研究11項(xiàng)“未來項(xiàng)目”中的未來制造業(yè)；2012年，德國(guó)政府發(fā)布《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》行動(dòng)計(jì)劃，并計(jì)劃投資2億歐元，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域通信技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新。

2013年4月，德國(guó)政府在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出《保障德國(guó)制造業(yè)的未來：關(guān)于實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議》，正式提出工業(yè)4.0的戰(zhàn)略建議，并宣布由德國(guó)機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(huì)（VDMA）、德國(guó)信息產(chǎn)業(yè)電信和新媒體協(xié)會(huì)（BITKOM）和德國(guó)電子電氣制造商協(xié)會(huì)（ZVEI）等機(jī)構(gòu)組成秘書處，三方共同建立工業(yè)4.0平臺(tái)。

在德國(guó)工業(yè)4.0工作組的努力和各種妥協(xié)之下，2015年3月，德國(guó)正式提出了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）。之所以被稱為工業(yè)4.0，主要是相對(duì)于前三次工業(yè)革命而言的。工業(yè)1.0指的是18世紀(jì)開始的第一次工業(yè)革命，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)；第二次工業(yè)革命始于20世紀(jì)初，依靠生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；工業(yè)3.0則為現(xiàn)代人所熟悉，指的是20世紀(jì)70年代后，依靠電子系統(tǒng)和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)自動(dòng)化。

德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的要點(diǎn)可以概括為：建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、研究?jī)纱笾黝}、實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成、實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃。

建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)—信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。信息物理系統(tǒng)就是將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治五大功能，從而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)智能環(huán)境。這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。

研究?jī)纱笾黝}—智能工廠和智能生產(chǎn)。智能工廠是未來智能基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)和過程以及網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)。智能生產(chǎn)的側(cè)重點(diǎn)在于將人機(jī)互動(dòng)、智能物流管理、3D打印等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程，從而形成高度靈活、個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)鏈。生產(chǎn)流程智能化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成—橫向集成、縱向集成與端對(duì)端的集成。工業(yè)4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過CPS形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和端對(duì)端的高度集成。

實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃—工業(yè)4.0得以實(shí)現(xiàn)的基本保障。一是標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)，需要開發(fā)出一套單一的共同標(biāo)準(zhǔn)，不同公司間的網(wǎng)絡(luò)連接和集成才會(huì)成為可能。二是管理復(fù)雜系統(tǒng)，適當(dāng)?shù)挠?jì)劃和解釋性模型可以為管理日趨復(fù)雜的產(chǎn)品和制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。三是一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施，可靠、全面、高品質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的一個(gè)關(guān)鍵要求。四是安全和保障，在確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身不對(duì)人和環(huán)境構(gòu)成威脅的同時(shí)，要防止生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品濫用及未經(jīng)授權(quán)的獲取。五是工作的組織和設(shè)計(jì)，隨著工作內(nèi)容、流程和環(huán)境的變化，對(duì)管理工作提出了新的要求。六是培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展，有必要通過建立終身學(xué)習(xí)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展計(jì)劃，幫助工人應(yīng)對(duì)來自工作和技能的新要求。七是監(jiān)管框架，創(chuàng)新帶來的諸如企業(yè)數(shù)據(jù)、責(zé)任、個(gè)人數(shù)據(jù)以及貿(mào)易限制等新問題，需要包括準(zhǔn)則、示范合同、協(xié)議、審計(jì)等適當(dāng)手段加以監(jiān)管。八是資源利用效率，需要考慮和權(quán)衡在原材料和能源上的大量消耗給環(huán)境和安全供應(yīng)帶來的諸多風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2　主要概念與框架

過去20年，美國(guó)引領(lǐng)的互聯(lián)網(wǎng)革命大大改變了人類的生活方式，其他國(guó)家紛紛仿效。有分析認(rèn)為，為了與工業(yè)3.0時(shí)代的集大成者美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)，德國(guó)迫切希望阻止信息技術(shù)對(duì)制造業(yè)的支配，進(jìn)而引領(lǐng)新一輪工業(yè)革命，成為新游戲規(guī)則的制定者。

與美國(guó)相比，德國(guó)有一點(diǎn)不同，德國(guó)擁有強(qiáng)大的制造業(yè)，它可以從另一個(gè)基礎(chǔ)開始起步。德國(guó)現(xiàn)在的目標(biāo)是把傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型成電子型制造業(yè)，并在制造業(yè)中加入新的服務(wù)，純粹是靠制造業(yè)推動(dòng)。

在這一背景下，結(jié)合傳統(tǒng)的制造業(yè)優(yōu)勢(shì)，德國(guó)最終在國(guó)家層面推出了工業(yè)4.0戰(zhàn)略，并由默克爾總理出面背書。工業(yè)4.0概念的提出者、德國(guó)工程院院長(zhǎng)HenningKagermann表示，工業(yè)4.0為德國(guó)提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，可進(jìn)一步鞏固其作為生產(chǎn)制造基地、生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)商和IT業(yè)務(wù)解決方案供應(yīng)商的地位。

從某種意義上說，工業(yè)4.0是德國(guó)針對(duì)自身在制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)推出的超越計(jì)劃。根據(jù)德國(guó)工業(yè)巨頭西門子公司官網(wǎng)的介紹，工業(yè)4.0的核心是智能制造，通過嵌入式的處理器、存儲(chǔ)器、傳感器和通信模塊，把設(shè)備、產(chǎn)品、原材料、軟件聯(lián)系在一起，使得產(chǎn)品和不同的生產(chǎn)設(shè)備能夠互聯(lián)互通，未來工廠能夠自行優(yōu)化并控制生產(chǎn)過程。除了產(chǎn)品和機(jī)器的互聯(lián)外，工業(yè)4.0還將在未來實(shí)現(xiàn)工廠、消費(fèi)者、產(chǎn)品、信息數(shù)據(jù)的互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)，從而重構(gòu)整個(gè)社會(huì)的生產(chǎn)方式。

工業(yè)4.0的概念包含了由集中式控制，向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，從而建立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。各種機(jī)器、產(chǎn)品、零部件、人員、原材料，各種研發(fā)工具、測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)、虛擬產(chǎn)品，各種工廠、生產(chǎn)管理、運(yùn)營(yíng)管理流程，各級(jí)供應(yīng)商以及成千上萬(wàn)的客戶，都將是這個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。

為了解決復(fù)雜系統(tǒng)的組成問題，德國(guó)制造業(yè)運(yùn)用系統(tǒng)工程論，提出了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型RAMI 4.0。RAMI 4.0參考架構(gòu)模型如圖4-5所示，分別從產(chǎn)品生命周期/價(jià)值鏈、層級(jí)和架構(gòu)等級(jí)三個(gè)維度對(duì)工業(yè)4.0進(jìn)行描述。其中，產(chǎn)品生命周期/價(jià)值鏈維度從產(chǎn)品全生命周期視角出發(fā)，描述了以零部件、機(jī)器和工廠為典型代表的工業(yè)要素從虛擬原型到實(shí)物的全過程；層級(jí)維度是信息物理系統(tǒng)的核心功能，以各層級(jí)的功能來體現(xiàn)；架構(gòu)等級(jí)維度在IEC62264企業(yè)系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，補(bǔ)充了產(chǎn)品或工件的內(nèi)容，并由個(gè)體工廠拓展至“連接世界”，從而體現(xiàn)工業(yè)4.0針對(duì)產(chǎn)品服務(wù)和企業(yè)協(xié)同的要求，這也是RAMI 4.0的第一個(gè)維度。

RAMI 4.0功能層的作用如圖4-6所示。

目前公布的RAMI 4.0已經(jīng)覆蓋了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信、信息數(shù)據(jù)、價(jià)值鏈、企業(yè)分層等領(lǐng)域。對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的采用將有助于提升參考架構(gòu)的通用性，從而能夠更廣泛地指導(dǎo)不同行業(yè)企業(yè)開展工業(yè)4.0實(shí)踐。

德國(guó)將實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)的技術(shù)視為工業(yè)4.0發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，將工業(yè)4.0應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域分為以下六大類：

① 通信。它是在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施中將信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。

② 傳感。用于每個(gè)信息物理系統(tǒng)以獲取重要的生產(chǎn)制造信息。

③ 嵌入式系統(tǒng)。傳感技術(shù)加硬件、智能數(shù)據(jù)處理與物流操控整合的發(fā)展基礎(chǔ)。

④ 電動(dòng)執(zhí)行。使信息物理系統(tǒng)對(duì)有形的物質(zhì)世界能夠產(chǎn)生影響和作用，對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或讓事物實(shí)現(xiàn)自主操控。

⑤ 人機(jī)交互界面。基本以前三類技術(shù)為基礎(chǔ)，是支撐勞動(dòng)者在復(fù)雜性日益提升的工場(chǎng)/車間中工作的新技術(shù)。

⑥ 軟件及系統(tǒng)。綜合了多種技術(shù)，用于基于數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化和自主生產(chǎn)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)4.0的首要目標(biāo)，即信息物理系統(tǒng)的分散式操控，另一方面能實(shí)現(xiàn)“云”中的海量數(shù)據(jù)處理或軟件模塊化。

按經(jīng)濟(jì)潛能劃分，各領(lǐng)域中的子技術(shù)可分為三大層級(jí)。一級(jí)技術(shù)為基礎(chǔ)技術(shù)，是企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)必備的、市場(chǎng)潛力已被充分挖掘的技術(shù)；二級(jí)技術(shù)為關(guān)鍵技術(shù)，是部分企業(yè)掌握的、且與企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力密切相關(guān)的技術(shù)；三級(jí)技術(shù)為先驅(qū)技術(shù)，是目前尚未成熟的、但掌握后將確立企業(yè)未來競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)。

同時(shí)，德國(guó)還將領(lǐng)域中的子技術(shù)根據(jù)發(fā)展應(yīng)用成熟度分為9個(gè)小級(jí)，1-3級(jí)為基礎(chǔ)發(fā)展階段的技術(shù)，4-6級(jí)屬于評(píng)估測(cè)試階段的技術(shù)，7-9級(jí)為已在執(zhí)行應(yīng)用階段的成熟技術(shù)。每個(gè)領(lǐng)域中與工業(yè)4.0未來應(yīng)用和發(fā)展密切相關(guān)的技術(shù)按照經(jīng)濟(jì)潛能進(jìn)行了細(xì)分。

RAMI 4.0對(duì)德國(guó)產(chǎn)業(yè)界來說，是繼“工業(yè)發(fā)展的四個(gè)階段劃分”觀點(diǎn)之后，又一個(gè)新的成果，是對(duì)工業(yè)4.0理念進(jìn)一步的明確和闡述，其意義主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

一是有助于凝聚產(chǎn)業(yè)界共識(shí)，加快推動(dòng)大企業(yè)實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略。工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI 4.0實(shí)際上是為德國(guó)國(guó)內(nèi)企業(yè)明確了一個(gè)通用的工業(yè)4.0概念，能夠?yàn)槠髽I(yè)部署新的基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用新的技術(shù)、形成新的標(biāo)準(zhǔn)指明方向。作為工業(yè)4.0的主要推動(dòng)機(jī)構(gòu)，德國(guó)“工業(yè)4.0平臺(tái)”以RAMI 4.0架構(gòu)所界定的各項(xiàng)功能為目標(biāo)，積極推進(jìn)信息技術(shù)、制造技術(shù)、激光感應(yīng)技術(shù)等跨界技術(shù)的集成試驗(yàn)。目前已形成應(yīng)用案例237個(gè)，部分研究成果已在德國(guó)的大企業(yè)中得到實(shí)施。

二是有助于聚合中小企業(yè)，提升中小企業(yè)參與的積極性。德國(guó)大約有330多萬(wàn)家中小企業(yè)，他們是德國(guó)經(jīng)濟(jì)的支柱和推動(dòng)力量，這些中小企業(yè)雖然規(guī)模不大，但都是某一個(gè)制造領(lǐng)域的領(lǐng)先者。對(duì)于工業(yè)4.0，大部分中小企業(yè)仍持觀望態(tài)度，都在等待合適的市場(chǎng)框架的形成。根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦貿(mào)易與投資署專家此前的研究顯示，2011年德國(guó)工業(yè)4.0概念提出之后，參與的企業(yè)主要是特定產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的大企業(yè)和大機(jī)構(gòu)，如博世、西門子等，但中小企業(yè)的參與度卻始終很低。

三是RAMI 4.0明確了新的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)框架，使得中小企業(yè)有機(jī)會(huì)參與到未來工業(yè)體系建設(shè)的過程中，從而提升中小企業(yè)的參與度，加快推進(jìn)工業(yè)4.0戰(zhàn)略在德國(guó)整個(gè)產(chǎn)業(yè)界中的落實(shí)。

4.2.3　發(fā)展趨勢(shì)

德國(guó)發(fā)布工業(yè)4.0戰(zhàn)略后，由德國(guó)機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)、德國(guó)電氣電子行業(yè)協(xié)會(huì)和信息技術(shù)協(xié)會(huì)于2013年4月成立了工業(yè)4.0平臺(tái)組織（Plattform Industrie 4.0），其核心工作是在規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)、安全、研究與創(chuàng)新方面，主要目標(biāo)是促進(jìn)工業(yè)發(fā)展、提高工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)新的商業(yè)模式和運(yùn)營(yíng)模式并付諸實(shí)踐，并推動(dòng)聯(lián)邦政府的高科技戰(zhàn)略“未來項(xiàng)目：第四次工業(yè)革命”在跨部門協(xié)調(diào)的環(huán)境下實(shí)施。

2015年3月16日，德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部、德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部共同啟動(dòng)升級(jí)版工業(yè)4.0平臺(tái)建設(shè)，接管由上述三大協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)的工業(yè)4.0平臺(tái)，并在主題和結(jié)構(gòu)上對(duì)其重新改造。2015年4月14日，在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，工業(yè)4.0平臺(tái)正式啟動(dòng)。截至2015年11月，經(jīng)過6個(gè)月的擴(kuò)容，德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)已成為擁有100多家機(jī)構(gòu)、250多名人員組成的世界上最大、最多樣性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并已經(jīng)與行業(yè)協(xié)會(huì)等建立了包括7000家企業(yè)在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

作為工業(yè)4.0的核心—物理融合系統(tǒng)CPS的應(yīng)用效果不一，主要的挑戰(zhàn)在于如何將CPS技術(shù)融合到現(xiàn)在的生產(chǎn)體系當(dāng)中，以及員工如何適應(yīng)新的生產(chǎn)形式。工業(yè)4.0在關(guān)鍵問題上的研究成果需要在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)落地，這種科研與生產(chǎn)相分離的問題急需解決。

此外，在實(shí)施過程中暴露出來的另一個(gè)問題是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失。雖然已經(jīng)有政府指導(dǎo)的行業(yè)領(lǐng)域，但具體哪些技術(shù)會(huì)在未來具有競(jìng)爭(zhēng)力還是未知數(shù)，特別對(duì)于中小企業(yè)來說，這樣的風(fēng)險(xiǎn)是巨大的。所以德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部在2017年發(fā)布了一份報(bào)告，在展示了一些成功資助的工業(yè)4.0實(shí)際案例的同時(shí)，也希望能夠幫助企業(yè)，特別是中小企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用時(shí)，能夠從眾多CPS技術(shù)當(dāng)中找到合適的技術(shù)，應(yīng)用到企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)中，以解決實(shí)際問題。

2015年，德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部發(fā)起了“工業(yè)4.0：從科研到企業(yè)落地”計(jì)劃，旨在幫助中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。截至2016年年底，該計(jì)劃已經(jīng)資助了12個(gè)應(yīng)用導(dǎo)向的研究項(xiàng)目，聯(lián)邦教育和研究部總共投入配套資金超過3000萬(wàn)歐元，在每個(gè)項(xiàng)目中的出資比例都超過50%。這些項(xiàng)目均由多家企業(yè)或高校與研究機(jī)構(gòu)共同組成，全都集中在CPS、通信和信息技術(shù)等領(lǐng)域。

除了“企業(yè)落地”計(jì)劃，聯(lián)邦教育和研究部還通過其他計(jì)劃對(duì)這類科研項(xiàng)目進(jìn)行資助，僅2017年上半年，就已經(jīng)資助了18個(gè)項(xiàng)目，其中涉及的領(lǐng)域包括技術(shù)融合、3D打印、自動(dòng)化等。如今，聯(lián)邦教育和研究部資助的正在進(jìn)行的科研項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到325個(gè)，涉及的領(lǐng)域包括嵌入式系統(tǒng)、CPS、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、智能制造等，主要集中在慕尼黑周邊、斯圖加特周邊、魯爾區(qū)以及柏林-波茨坦等地區(qū)。