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(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的驅(qū)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(jīng)濟發(fā)展的重中之重，引領(lǐng)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(nóng)業(yè)社會向工業(yè)社會的轉(zhuǎn)變。20世紀初期，隨著電力的應用、勞動分工和大規(guī)模生產(chǎn)的出現(xiàn)，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(shù)的出現(xiàn)，開創(chuàng)了第三次工業(yè)革命。前三次工業(yè)革命源于生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)學界領(lǐng)袖聯(lián)合提出的，被德國政府確定為《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》十大未來項目之一，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)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(jīng)得到德國科研機構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認同，西門子公司也已經(jīng)開始將這一概念引入其工業(yè)軟件開發(fā)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)中。

提高生產(chǎn)力、縮短產(chǎn)品上市時間、采取更靈活的生產(chǎn)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(xiàn)這種先進的生產(chǎn)模式，需要融合現(xiàn)實生產(chǎn)和虛擬生產(chǎn)的技術(shù)，基于大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人，通過數(shù)字化工程、數(shù)字化制造等各種信息技術(shù)實現(xiàn)柔性制造，經(jīng)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(xiàn)，這些裝置將被嵌入幾乎所有的設(shè)備、半成品和材料以及用于組織數(shù)據(jù)流的智能工具和新型軟件中。所有這些創(chuàng)新將使產(chǎn)品和設(shè)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(xiàn)智能制造。

這一切的變化都將通過信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)。隨著虛擬世界生成的信息流向?qū)嶋H物理世界的制造過程，全新的生產(chǎn)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?qū)Ｗ⒂趧?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(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)和企業(yè)間的商業(yè)運營IT系統(tǒng)集成在一起，實現(xiàn)全供應鏈的集成（見圖1-2）。

● 貫穿整個價值鏈的端到端的設(shè)計工程數(shù)字化集成。CPS系統(tǒng)使得產(chǎn)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(xiàn)實的制造過程，實現(xiàn)全數(shù)字化的價值鏈（見圖1-3）。

● 企業(yè)內(nèi)部可靈活重組網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)任務進行組織，實現(xiàn)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(chǎn)和人口結(jié)構(gòu)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(shè)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(chǎn)品批量很低的情況下仍然獲利。

● 靈活性。基于CPS的自組織網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)業(yè)務過程的不同方面，如質(zhì)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(diào)”，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(xiàn)橫向、縱向?qū)崟r透明，使得決策有強大的數(shù)據(jù)支持，并且可以及時得到驗證，達到全局最優(yōu)。

● 生產(chǎn)效率優(yōu)化。CPS貫穿在整個價值網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(wǎng)+”的概念包羅萬象，其內(nèi)容相當于美歐日近年來相關(guān)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(nèi)容、特征等信息。從這些特征來看，整個工業(yè)領(lǐng)域也正在經(jīng)歷一場制造業(yè)的大變革，這將引領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)邁向定制化、信息化、數(shù)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(shè)工程，面向未來的10大重點領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化的工程，建設(shè)一批產(chǎn)、學、研、用相結(jié)合的制造業(yè)創(chuàng)新中心。

● 工業(yè)強基工程，主要解決基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)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(chǎn)，大力推進節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展等。

● 高端裝備制造業(yè)創(chuàng)新，在實施互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)控設(shè)備、大飛機等專項的基礎(chǔ)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(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的主攻方向，通過智能制造，帶動產(chǎn)業(yè)數(shù)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(shù)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(chǔ)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(chǔ)能力，加快促進工業(yè)轉(zhuǎn)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(chǎn)品制造效率。

● 深入推進制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整是未來十年中國經(jīng)濟“新常態(tài)”形成的重要根基。只有順應全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，把握關(guān)鍵性行業(yè)，形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，力爭有所突破，才能在未來的世界政治經(jīng)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(quán)；二是努力增加高質(zhì)量高附加值的產(chǎn)品；三是重視自主創(chuàng)新，發(fā)展核心技術(shù)；四是重視人力資本，提高勞動者素質(zhì)。

● 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(lǐng)域、更高的層次、更深的應用、更多的智能方面實現(xiàn)彼此交融。

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

● 大力推動重點領(lǐng)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(nóng)業(yè)機械裝備等重點領(lǐng)域。

● 積極發(fā)展服務型制造業(yè)和生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、縮短產(chǎn)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(chǎn)效率、縮短產(chǎn)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(shù)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(shù)字制造轉(zhuǎn)型的技術(shù)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(xiàn)了從企業(yè)管理、產(chǎn)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(xiàn)涵蓋設(shè)計、生產(chǎn)、物流、市場和銷售等諸多環(huán)節(jié)在內(nèi)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(guān)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(shù)字化企業(yè)，而且絕大多數(shù)技術(shù)來自西門子。工廠里生產(chǎn)的每一件新品，都擁有自己的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)在研發(fā)、生產(chǎn)、物流的各環(huán)節(jié)不斷豐富，并實時保存在一個數(shù)據(jù)平臺中。基于這一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，ERP、PLM、MES、控制系統(tǒng)以及供應鏈管理實現(xiàn)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(chǎn)品規(guī)劃和設(shè)計，實現(xiàn)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(chǎn)品和生產(chǎn)生命周期進行集成，縮短產(chǎn)品上市時間。該設(shè)計還賦予工廠靈活性，可滿足1500多種不同產(chǎn)品的混線生產(chǎn)（允許批量為1），并為將來的產(chǎn)能調(diào)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(xiàn)在，西門子將現(xiàn)實和虛擬的生產(chǎn)世界相結(jié)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(shù)字化企業(yè)平臺的未來發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。典型的西門子數(shù)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(xiàn)工業(yè)4.0的載體。它可以實現(xiàn)包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程，直到生產(chǎn)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(chǎn)效率。該平臺的實現(xiàn)需要企業(yè)以數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)的強力支持下，集成目前最先進的生產(chǎn)管理系統(tǒng)及生產(chǎn)過程軟件、硬件，如產(chǎn)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(shù)。西門子的整體解決方案可以幫助中國工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)升級轉(zhuǎn)型，以更高生產(chǎn)力、更高效能、更短產(chǎn)品上市時間、更強靈活性在國際競爭中占據(jù)先機。

總之，作為工業(yè)技術(shù)和工業(yè)軟件的全球領(lǐng)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(guān)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(shù)實現(xiàn)卓越運營，為廣大用戶提供實踐經(jīng)驗；作為戰(zhàn)略提供商，西門子愿意和廣大用戶分享這些經(jīng)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。