德国Industrie4.0的启示

2014-01-20全国城市轨道交通标准技术委员会魏晓东

自动化博览 2014年1期

全国城市轨道交通标准技术委员会魏晓东

德国Industrie4.0的启示

全国城市轨道交通标准技术委员会魏晓东

研读《Recommendationsforimplementingthestrategicinitiative INDUSTRIE4.0》英文版，被深深震撼。伟大的第四次工业革命悄然而起，我们这些在中国工业领域工作了多年的科技工作者应该从中警醒，奋起为中国工业的新革命做点事情。此文浅谈一点Industrie4.0对我们的启示。

启示1：中国应在第四次工业革命中有所作为，不再落后

德国Industrie4.0正在实施中，它是德国工业的第四次革命的纲领。德国人认为四次工业革命是：第一次：机械化。第二次：机械化+电气化。第三次：机械化+电气化+IT技术。第四次（当下）：机械化+电气化+IT技术+Internet技术。

他们认为：第四次工业革命就是第三次工业革命的成果上再加上互联网技术，“theintroductionoftheInternetofThingsa ndServicesintothemanufacturingenvironmentisusheringinafourthin dustrialrevolution.”，即物事互联网与服务互联网引入制造业引发了第四次工业革命。必须说明这里所要求的互联网是：“ThingsandServices”的互联网，Things可认识为物和事情，或曰“物事”。Services泛指一切服务。所以，第四次工业革命首先要建设“物事互联网”与“服务互联网”。这意味着有史以来第一次将资源、信息、物事、人和对这一切的服务进行互联。在theInternetofThingsandServices的支持下革新、改造整个工业及制造业。制造业中的智能机器、存储系统和生产设施将融入theInternetofThingsandServices中，成为信息-物理系统——CPS（Cyber-PhysicalSystem）。

德国人要通过Industrie4.0的双重战略——“主导供应与主导市场”在第四次工业革命中拔得头筹。对此我们应该如何应对和学习，在第四次工业革命中有所作为呢？

首先，看看对最近的第三次工业革命，德国人是如何认识的：“GermanysuccessfullyimplementedthethirdIndustrialRevolu tion(“Industrie3.0”)duringtheearly1980sbydeliveringmoreflexib leautomatedmanufacturingthroughtheintegrationofProgrammableL ogicControllers(PLCs)intomanufacturingtechnologywhilstatthesam etimemanagingtheimpactontheworkforcethroughanapproachbasedo nsocialpartnership.”。德国人认识到：PLC及其应用系统在工业中的最广泛应用是第三次工业革命的主要特征。第三次工业革命我们似乎并未落后多少，但PLC及其系统的供应与市场一直由德国人与美国人主导。本来PLC是美国人发明，但德国人在很多时候却主导了PLC的市场与供应。而今第四次工业革命已经悄然启动，汲取前面的教训，中国应该尽快地构建中国的theInternetofThingsandServices。应该尽快地在工业领域特别是制造业中构建起自己的CPS。CPS是真正的两化深度融合的系统，因为他在系统各层面实现信息与物理实体的融合，工信部的两化融合应由此入手。应该用中国的智能产品、智能生产流程至少主导中国的供应与市场。应该尽快建立自己的第四次工业革命纲领——中国工业4.0。

启示2：第四次工业革命的互联网——theInternetof-ThingsandServices

德国人将为工业服务的互联网称为：theInternetofThingsandServices（而目前的互联网称为：InternetofPeople），它们包容了与工业相关的智能电网、智能产品、智能（生产）建筑、智能调配和智能物流集成在一起；它们将智能工厂的所有智能机器、存储系统和生产设施集成在一起建立CPS。CPS可将所有相关的物理设备（在世界范围内）连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等功能。可使智能工厂的产品“knowthedetailsofhowtheywe remanufacturedandhowtheyareintendedtobeused.”由于CPS有互联网支持，它创造出智能产品、智能生产程序与过程，构建起新的智能工厂。

对于我们来讲应该积极研究这一核心问题，如何不失时机的在已有工作的基础上建立中国的与世界相连的theInternetofThingsandServices，进而建立自己的CPS。它们涵盖了国内已有的“物联网”但远远不是这个“物联网”。

国内已有的互联网成果有可能被引用到中国的CPS中来，腾讯的微信、马云的淘宝、百度的中文搜索都可以在第四次工业革命中发挥作用。德国Industrie4.0启示我们应尽早建设中国的工业互联网。

启示3：德国Industrie4.0的双重战略意欲如何？

德国人直言不讳地称通过双重战略实现Industrie4.0的目标即在第四次工业革命中变为最强者。他的双重战略是：一方面要主导供应；另一方面要主导市场。双重战略主要是“Germany’sma nufacturingequipmentindustryshouldseektomaintainitsglobalmarketlea dershipbyconsistentlyintegratinginformationandcommunicationtechno logyintoitstraditionalhigh-techstrategiessothatitcanbecometheleadings upplierofsmartmanufacturingtechnologies.Atthesametime,itwillbenece ssarytocreateandservenewleadingmarketsforCPStechnologiesandprodu cts.”德国的工业及产品有了互联网的支持，更具有侵略性，在新一轮工业革命中他们既要主导供应又要主导市场。进一步分析，在新的制造环境中，要让新的智能生产装备、智能生产方式、新的交易模式、新的管理模型、新的技术手段由他们主导供应。同时他们生产的智能产品又主导市场、占领市场。这是一种通吃的战略。

对此，中国要汲取第三次工业革命时的教训及早在智能装备制造、新的交易、管理等方面推出有竞争力的产品，及早生产更多的智能产品占领市场。

在互联网的环境中，在中国这个世界最大的市场环境中，我们的条件是得天独厚的，关键在于如何打造我们的工业4.0，如何由中国制造业、由万千中小工业企业自主创新实现中国工业4.0目标。

以上是一些总体的启示，再来分析具体的技术内涵的启示。

启示4：构建中国第四次工业革命CPS的有效方法

构建中国第四次工业革命CPS需通过三大集成方式：第一，价值网络的横向集成。第二，跨越整个价值链的端到端工程数字集成。第三，纵向集成和网络（互联网）化制造系统。

价值网络的横向集成是指：将应用于不同制造阶段的各种IT系统和企业计划过程集成在一起，这些过程涉及一个公司（例如：进入物流、生产、外出物流、市场）和几个不同公司之间（价值网络）的原材料、能源和信息的交换。

在互联网的背景下，价值网络横向集成的范围将是世界范围的。

跨越整个价值链的端到端工程数字集成是指：跨越工业企业整个价值链的工程过程的各阶段（设计和开发、生产计划、生产工程、产品和服务）的端到端的数字信息集成。

纵向集成和网络（互联网）化制造系统是指：将不同层级的IT系统集成在一起（例如，执行器与传感器层，控制层，生产管理层，制造和执行层和企业计划层）以便实现端到端的解决方案。

后两种集成也要得到互联网的支持。

我国已发布了一个关于工业企业信息化集成系统的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》GB/T26335——2010，此标准中也提出了工业企业信息集成时采用的方式：横向集成与纵向集成。德国人的理念是在互联网背景下的，应该更为宏大，但机理应是相同。

这些理念启示我们在实现CPS时，实质上是进行更大范围的系统集成，制造业企业要转变为系统集成商。

我国的一些大中企业在实现企业信息化过程中已经取得了部分横向集成与纵向集成的成功经验，他们通过横向集成将企业内原本是信息孤岛的各业务子系统在同一信息平台上集成起来。他们将企业自动化系统的各层级纵向打通，这些成果对实现中国工业4.0的横向集成与纵向集成是十分有利的。

启示5：建设智能工厂是第四次工业革命的核心

由theInternetofThingsandServices（物事互联网和服务互联网）支持的智能工厂是第四次工业革命的核心。智能工厂有如下特点：

（1）智能工厂孕含在公司内价值网络中。

（2）他由包含了制造过程和制造产品的端到端工程来定性，使得数字信息与物理实体无缝地融合。

（3）他便于工作人员管理制造过程不断增长的复杂性。

（4）他同时确保生产本身极具吸引力、适应城市环境并赢利。

由智能工厂生产的智能产品有如下特点：

（1）具有独特的可识别性，在全生命周期可定位。

（2）即便在他被制造过程中，他知道自己制造过程的细节。

（3）在生产过程一定的区域，可以半自动控制智能产品的生产阶段。

（4）确保智能产品知道其成品功能指标和生命周期内损耗。

（5）智能产品的信息汇集在一起，以便优化智能工厂的物流、配置、维护和企业管理应用集成。

由此工业4.0的实施可将个体客户和产品特殊性能需求融入产品设计、组态、订货、生产、运行与回收各阶段。也可在制造前或制造进行时将最后一分钟的客户需求加入制造中，也可实现单件或小批量制造并赢利。也可让生产者来控制、调节或组态智能制造的资源网络和制造步骤。生产者可以从生产任务的过程中解放出来，致力于创新和增值的生产活动，他们将在生产过程中起关键作用特别是在质量保证方面。同时灵活的工作条件将可协调他们工作和个人的需求。

由互联网乃至CPS支持的智能生产与智能工厂以及智能产品将深层次地改变生产过程本身、改变工作者的工作条件与状态，继而改变产品的交易以及整个社会的商业模式。

国内这方面的状况需要做全面的调查研究作出评估并制定发展规划。智能工厂的建设与发展将决定中国在世界第四次工业革命中的位置。

启示6：中国工业第四次革命路线图

德国人较详细地说明了他们第四次工业革命的路线图：

（1）在2011年11月政府采纳Industrie4.0作为国家高科技战略的一部分。由国家科学院与工程院协调成立工作组。近来有一些工业技术协会支持又建立了Industrie4.0平台并支持旗下的一些的工作组及秘书处。显见，工业4.0由政府支持下的工业技术协会作为倡导者与领导者。

Industrie4.0平台要保证其上的工业指导委员会和科学咨询委员会由来自制造业、自动化和信息以及法律、管理和社会科学等领域的有实践经验的专家组成。

（2）进行工业现状的普查。他们已查明：目前，有47%的企业已经积极参与Industrie4.0计划。18%的企业参与了Industrie4.0计划的研究。12%的企业已开始实施。

（3）工作组推进标准化、工作组织和产品实现。专业协会促进社交团体、学术机构和公众的交流与密切合作。

（4）建立theInternetofThingsandServices网络环境下的新商业模式，必须是众多企业都可接受的商业模式。

（5）研究并实现：“价值网络的横向集成。跨越整个价值链的端到端工程数字集成。纵向集成和网络（互联网）化制造系统。”的CPS集成方式。

（6）建立Industrie4.0平台。平台的中央管理协调主体是指导委员会，他下面设有工作组及专业委员会。平台主要是实施Industrie4.0并推动平台提出的各种倡议。

（7）实现双重战略目标。

我国的第四次工业革命实质上已经起步，但目标尚不明确，没有一个类似的中国工业4.0的纲领。我们的路线图可以参考上述的内容但一定要从我国工业发展现状出发。我们的计划一定来自生动的、活力四射的工业主战场，来自现场和企业各业务层面的创新与进步，主要是在工业应用互联网大背景下的创新与进步。首当其冲是建立一个领导组织，建立中国工业4.0平台。国内相关的一级技术协会应该肩负起历史责任。