第1章 “工業(yè)4.0”——制造業(yè)的未來

1.1 第四次工業(yè)革命——“工業(yè)4.0”

隨著制造業(yè)再次成為全球經濟穩(wěn)定發(fā)展的驅動力，世界各主要工業(yè)國家都加快了工業(yè)發(fā)展的步伐：從美國的“制造業(yè)復興”計劃到德國的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，再到中國的“十二五”發(fā)展規(guī)劃，制造業(yè)正逐步成為各國經濟發(fā)展的重中之重，引領未來制造業(yè)的方向也成為制造業(yè)強國競爭的一個戰(zhàn)略制高點。

兩個多世紀以前，蒸汽機的發(fā)明帶來的第一次工業(yè)革命開啟了農業(yè)社會向工業(yè)社會的轉變。20世紀初期，隨著電力的應用、勞動分工和大規(guī)模生產的出現，拉開了第二次工業(yè)革命的大幕。20世紀70年代后，隨著自動化技術的出現，開創(chuàng)了第三次工業(yè)革命。前三次工業(yè)革命源于生產的機械化、電氣化和信息化改造。當前，隨著信息物理系統(tǒng)（Cyber-physical System，簡稱CPS）在制造業(yè)中的推廣應用，正在引發(fā)第四次工業(yè)革命。“工業(yè)4.0”概念就是以數字制造為核心的第四次工業(yè)革命，工業(yè)革命的歷史如圖1-1所示。

“工業(yè)4.0”首先是由德國工程院、西門子公司等產學界領袖聯(lián)合提出的，被德國政府確定為《高技術戰(zhàn)略2020》十大未來項目之一，旨在支持工業(yè)領域新一代革命性技術的研發(fā)與創(chuàng)新，在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出，并于2013年9月在上海工博會上推介給中國市場。該戰(zhàn)略已經得到德國科研機構和產業(yè)界的廣泛認同，西門子公司也已經開始將這一概念引入其工業(yè)軟件開發(fā)和生產控制系統(tǒng)中。

提高生產力、縮短產品上市時間、采取更靈活的生產模式以及提高資源和能源利用效率，是全球工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，也是“工業(yè)4.0”提出的未來制造業(yè)的目標。為了實現這種先進的生產模式，需要融合現實生產和虛擬生產的技術，基于大數據、互聯(lián)網、人，通過數字化工程、數字化制造等各種信息技術實現柔性制造，經濟高效地滿足客戶個性化的定制需求。未來工廠的智能化程度將很高，這種智能將通過使用微型化處理器、存儲裝置、傳感器和發(fā)送器來實現，這些裝置將被嵌入幾乎所有的設備、半成品和材料以及用于組織數據流的智能工具和新型軟件中。所有這些創(chuàng)新將使產品和設備能夠相互通信并交換命令。未來的工廠將在很大程度上自行控制和優(yōu)化其制造工序，實現智能制造。

這一切的變化都將通過信息物理系統(tǒng)實現。隨著虛擬世界生成的信息流向實際物理世界的制造過程，全新的生產環(huán)境由此誕生。工業(yè)4.0帶來的智能將人從執(zhí)行例行任務中解放出來，使得他們能夠專注于創(chuàng)新、增值的活動。工業(yè)4.0的標志性特征有如下三點。

● 通過價值鏈和價值網絡實現企業(yè)間的橫向集成。在工業(yè)4.0環(huán)境下，企業(yè)通過CPS系統(tǒng)，可以保障新商業(yè)策略、價值網絡和商業(yè)模式得到持續(xù)的支持和實施。橫向集成是指將各種企業(yè)內和企業(yè)間的商業(yè)運營IT系統(tǒng)集成在一起，實現全供應鏈的集成（見圖1-2）。

● 貫穿整個價值鏈的端到端的設計工程數字化集成。CPS系統(tǒng)使得產品的開發(fā)、制造及服務可以實時地在虛擬世界進行仿真研究，并控制現實的制造過程，實現全數字化的價值鏈（見圖1-3）。

● 企業(yè)內部可靈活重組網絡化制造系統(tǒng)的縱向集成。在智能工廠中，柔性的制造模式將不同層面的自動化IT系統(tǒng)（執(zhí)行器、傳感器、控制器、制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)計劃系統(tǒng)等層面）集成在一起，靈活地按照生產任務進行組織，實現全集成自動化（見圖1-4）。

工業(yè)4.0將應對并解決當今世界所面臨的諸如資源與能源利用效率、城市生產和人口結構變化等一系列挑戰(zhàn)。它將為制造業(yè)和社會帶來如下收益。

● 滿足用戶個性化需求。工業(yè)4.0可以在設計、配置、規(guī)劃、制造和運作等環(huán)節(jié)考慮個體的特殊需求，也可以保障企業(yè)在產品批量很低的情況下仍然獲利。

● 靈活性。基于CPS的自組織網絡，可以根據業(yè)務過程的不同方面，如質量、時間、風險、價格等，進行動態(tài)配置。這有利于供應鏈的“微調”，也意味著工藝流程可以更加靈活。

● 決策優(yōu)化。工業(yè)4.0通過集成，實現橫向、縱向實時透明，使得決策有強大的數據支持，并且可以及時得到驗證，達到全局最優(yōu)。

● 生產效率優(yōu)化。CPS貫穿在整個價值網絡中，對制造過程進行優(yōu)化。

● 通過服務創(chuàng)造價值。通過CPS的大數據智能，企業(yè)可以創(chuàng)造新的價值服務。

● 應對人口的變化。工業(yè)4.0將提供靈活多樣化的職業(yè)路徑，讓人們的工作生涯更長，并保持生產能力。

● 工作和生活的平衡。CPS使得公司的工作組織模式更加靈活，可以讓員工在工作、生活之間獲得更好的平衡。

2015年，中國政府正式提出了“中國制造2025”的戰(zhàn)略。“中國制造2025”和“互聯(lián)網+”的概念包羅萬象，其內容相當于美歐日近年來相關戰(zhàn)略計劃的有機綜合。表1-1詳細對比了中國制造2025、德國工業(yè)4.0和美國的制造業(yè)復興的戰(zhàn)略內容、特征等信息。從這些特征來看，整個工業(yè)領域也正在經歷一場制造業(yè)的大變革，這將引領傳統(tǒng)制造業(yè)邁向定制化、信息化、數字化和綠色化。

1.2 中國制造2025規(guī)劃

“中國制造2025”是中國版的“工業(yè)4.0”規(guī)劃。“中國制造2025”明確提出，到2025年邁入制造強國行列，2035年制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平，新中國成立一百年時制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。中國制造2025包含五項重大工程和九項主要任務。

1.2.1 中國制造2025的五項重大工程

● 國家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設工程，面向未來的10大重點領域的基礎研究和產業(yè)化的工程，建設一批產、學、研、用相結合的制造業(yè)創(chuàng)新中心。

● 工業(yè)強基工程，主要解決基礎零部件、基礎工藝、基礎材料落后問題。

● 綠色制造工程，加快實施工業(yè)綠色發(fā)展戰(zhàn)略，全面推進企業(yè)的清潔生產，大力推進節(jié)能環(huán)保產業(yè)發(fā)展等。

● 高端裝備制造業(yè)創(chuàng)新，在實施互聯(lián)網、數控設備、大飛機等專項的基礎上，推進新的高端裝備創(chuàng)新專項。

● 智能制造，新一輪科技革命的核心也是制造業(yè)數字化、網絡化、智能化的主攻方向，通過智能制造，帶動產業(yè)數字化水平和智能化水平的提高。

1.2.2 中國制造2025的九大任務

● 提高國家制造業(yè)創(chuàng)新能力。我國制造業(yè)的巨大規(guī)模和低成本的傳統(tǒng)優(yōu)勢并不能成為企業(yè)發(fā)展的不竭動力，只有技術進步的支持和自主創(chuàng)新能力的培育才能給企業(yè)帶來持久的競爭優(yōu)勢。

● 強化工業(yè)基礎能力。2015年，工信部將繼續(xù)開展工業(yè)強基專項行動，完善政策措施，加大工作力度，持續(xù)提升工業(yè)基礎能力，加快促進工業(yè)轉型升級。

● 全面推進綠色制造。工信部將全面推進鋼鐵、有色、化工、建材、造紙、印染等傳統(tǒng)制造業(yè)綠色化改造，降低重點行業(yè)能耗，提高產品制造效率。

● 深入推進制造業(yè)結構調整。產業(yè)結構調整是未來十年中國經濟“新常態(tài)”形成的重要根基。只有順應全球產業(yè)發(fā)展趨勢，把握關鍵性行業(yè)，形成產業(yè)優(yōu)勢，力爭有所突破，才能在未來的世界政治經濟格局中具有競爭力。

● 提高制造業(yè)國際化發(fā)展水平。一是重視標準的制訂，爭取國際話語權；二是努力增加高質量高附加值的產品；三是重視自主創(chuàng)新，發(fā)展核心技術；四是重視人力資本，提高勞動者素質。

● 推進信息化與工業(yè)化深度融合。兩化深度融合是指信息化與工業(yè)化在更大的范圍、更細的行業(yè)、更廣的領域、更高的層次、更深的應用、更多的智能方面實現彼此交融。

● 加強質量品牌建設。質量品牌戰(zhàn)略是提高工業(yè)發(fā)展質量、效益的重要抓手和有效舉措。質量競爭力指數已納入制造強國指標體系。

● 大力推動重點領域突破性發(fā)展，發(fā)展先進軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、新材料、生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械、農業(yè)機械裝備等重點領域。

● 積極發(fā)展服務型制造業(yè)和生產性服務業(yè)，通過“制造服務化”和“服務型制造”模式的變革，促進生產環(huán)節(jié)向高附加值的兩端延伸，從而增強制造企業(yè)的盈利能力，更好、更豐富地滿足消費者偏好。

1.3 西門子的“工業(yè)4.0”最佳實踐

西門子認為，制造業(yè)存在如下基本需求——保障產品質量、提高生產效率、縮短產品上市時間、增加制造的靈活性。然而在傳統(tǒng)的制造條件下，企業(yè)通常要犧牲靈活性來提升生產效率、縮短產品上市時間。如何同時滿足這些需求決定了西門子的創(chuàng)新方向——智能制造，這也就是西門子定義的“工業(yè)4.0”。

有“歐洲最佳工廠”之稱的西門子德國安貝格電子制造工廠是西門子打造的第一個數字化工廠（見圖1-5），正是由這家工廠探索出了從傳統(tǒng)制造向數字制造轉型的技術線路。西門子中國成都工廠SEWC作為安貝格在中國的雙胞胎工廠，也實現了從企業(yè)管理、產品研發(fā)到制造控制層面的高度互聯(lián)，通過在整個價值鏈中集成IT系統(tǒng)應用，實現涵蓋設計、生產、物流、市場和銷售等諸多環(huán)節(jié)在內的高度復雜的全生命周期的自動化控制和管理。SEWC于2013年9月11日正式開始運營。

關于SEWC，讓用戶和分析師津津樂道的是這座工廠不僅是一個數字化企業(yè)，而且絕大多數技術來自西門子。工廠里生產的每一件新品，都擁有自己的數據信息，數據在研發(fā)、生產、物流的各環(huán)節(jié)不斷豐富，并實時保存在一個數據平臺中。基于這一數據基礎，ERP、PLM、MES、控制系統(tǒng)以及供應鏈管理實現了信息互聯(lián)。工廠采用了西門子PLM（全生命周期管理）軟件，通過虛擬化的產品規(guī)劃和設計，實現信息無縫互聯(lián)。利用制造執(zhí)行系統(tǒng)SIMATIC IT和全集成自動化解決方案（TIA），將產品和生產生命周期進行集成，縮短產品上市時間。該設計還賦予工廠靈活性，可滿足1500多種不同產品的混線生產（允許批量為1），并為將來的產能調整做出合理規(guī)劃。

1.4 西門子助力中國“工業(yè)4.0”

在中國，西門子作為本土工業(yè)企業(yè)的合作伙伴已有140多年歷史，見證并參與了中國制造業(yè)的發(fā)展，對中國制造業(yè)有著深刻而準確的理解。現在，西門子將現實和虛擬的生產世界相結合，著力推動制造業(yè)在未來的發(fā)展，其具有前瞻性的遠景規(guī)劃、豐富的行業(yè)知識，為工業(yè)4.0及數字化企業(yè)平臺的未來發(fā)展奠定了堅實的基礎。典型的西門子數字化制造平臺如圖1-6所示。

西門子工業(yè)軟件平臺是實現工業(yè)4.0的載體。它可以實現包括產品設計、生產規(guī)劃、生產工程，直到生產執(zhí)行和服務的全生命周期的高效運行，以最小的資源消耗獲取最高的生產效率。該平臺的實現需要企業(yè)以數字化技術為基礎，在物聯(lián)網、云計算、大數據、工業(yè)以太網等技術的強力支持下，集成目前最先進的生產管理系統(tǒng)及生產過程軟件、硬件，如產品生命周期管理軟件、制造執(zhí)行系統(tǒng)軟件和全集成自動化技術。西門子的整體解決方案可以幫助中國工業(yè)企業(yè)實現升級轉型，以更高生產力、更高效能、更短產品上市時間、更強靈活性在國際競爭中占據先機。

總之，作為工業(yè)技術和工業(yè)軟件的全球領導者，西門子將積極在中國的“工業(yè)4.0”變革（也就是“兩化深度融合”的高級階段）中扮演世界級的實踐者和戰(zhàn)略供應商兩個關鍵角色。作為世界級的實踐者，西門子自身使用自己發(fā)明創(chuàng)造的技術實現卓越運營，為廣大用戶提供實踐經驗；作為戰(zhàn)略提供商，西門子愿意和廣大用戶分享這些經驗，并提供世界級的工業(yè)軟件和解決方案，一起推動“工業(yè)4.0”的變革進程。