破译工业4.0：一场有关智能制造的革命

林楠

“德国可成为‘工业4.0’标准的推动者，如今是时候在欧洲甚至全球推行这些标准。”2月21日，德国总理默克尔的一席话让工业4.0革命的帷幕进一步拉开。

就在默克尔发表这一言论十多天后，中国国务院总理李克强在2015年政府工作报告中指出，制造业是我们的优势，要实施“中国制造2025”，坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，加快从制造大国转向制造强国。

随后，5月19日《中国制造2025》正式公布，提出通过“三步走”实现制造强国的战略目标。

而在今年年初，日本就已推出《机器人新战略》，加强对先进制造业的布局。

一场有关工业4.0革命的浪潮，正在全球范围漫卷。4月中旬，在以“融合的工业——加入网络”为主题的2015年德国汉诺威工业博览会，推出了一系列来自世界各国涉及工业4.0的产品，从设备安装到生产以及物流不一而足。

那么，工业4.0是在什么背景下产生的？什么是工业4.0？它将带来哪些影响？实施工业4.0需要解决的难题有哪些？

源起于德国，流行于世界

如果要追溯工业4.0的源起，就要提及德国政府于2010年7月制定的《高技术战略2020》。工业4.0是该战略确定的十大未来项目之一，旨在支持工业领域制造业新一代革命性技术的研发与创新。

随后的2011年，德国博世公司和德国科学院等德国产业界和学术界的相关研究员组成了“工业4.0工作小组”，并在2011年德国汉诺威工业博览会上提出工业4.0。2013年德国汉诺威工业博览会上，工业4.0被正式推出，上升为国家战略，并发布了《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》白皮书，投资预计将达到2亿欧元。

在德国，工业4.0被认为是继机械化、电气化、自动化之后的第四次工业革命。目前，已有47%的企业参与到工业4.0计划之中。其中，已有12%的企业正在进行工业4.0的相关变革，西门子已经将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统。

在德国提出工业4.0的过程中，美国也先后于2011年6月和2012年12月分别启动《先进制造业伙伴计划》和《先进制造业国家战略计划》，实施“再工业化”战略。美国通用电气也与思科、英特尔等公司成立了工业互联网联盟，并提出了类似工业4.0概念的工业互联网。

与此同时，日本发布了制造业竞争策略，在今年1月23日推出《机器人新战略》，加强对先进制造业的布局。

不单发达国家在积极布局工业4.0战略，以中国为代表的发展中国家也都将先进制造业列为立国之本。

在中国，与工业4.0战略类似的是信息化和工业化深度融合战略。去年10月10日，国务院总理李克强在访问德国期间，和默克尔联合发表了《中德合作行动纲领》，宣布两国将在制造业方面就工业4.0携手合作。在2015年政府工作报告中，李克强指出，制造业是我们的优势，要实施“中国制造2025”。5月19日，国务院印发了《中国制造2025》规划，强调要顺应“互联网+”的发展趋势，以信息化与工业化深度融合为主线。该规划明确提出，到2025年迈入制造强国行列，2035年制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。

“可以说，工业4.0革命的浪潮正在全球范围内袭来，因为这关系到谁能执掌未来制造业的霸权。”工业和信息化部国际经济技术合作中心电子商务研究所所长王喜文对《支点》记者说，今年将成为工业4.0革命的元年。

“德国提出工业4.0，是为了保障它作为世界制造业强国的地位，从而应对互联网和软件高度发达的美国，以及粗放型低成本大规模生产的中国等新兴国家的挑战。”赛迪顾问装备产业研究中心分析师王镓垠对《支点》记者进一步分析称，同样道理，美国、日本希望进一步提升各自国家的工业发展水平，保证工业强国的地位。而对于像中国这样的新兴工业国家，则希望抓住机遇，追赶乃至赶超传统发达工业国家。否则，就有可能再一次被远远地落下。

智能化地连接一切

说了这么多，工业4.0到底是什么呢？

“工业4.0就是一场以智能制造为主导的革命。”王镓垠说，它希望通过建立一个信息物理融合系统（Cyber-Physical System，简称CPS），即借助互联网、物联网、大数据等众多先进技术，实现设备与设备之间、人与设备之间、企业与企业之间的融合连接，也就是把客户需求、相关企业、自动化生产设备、仓储物流、生产管理、服务等产业链上的所有环节连接起来，最终实现智能化、柔性化的制造模式。

“具体而言，就是以‘智能工厂’和‘智能生产’的方式制造产品。”王喜文解释说，在未来的智能工厂、生产设备中广泛部署传感器，产品零部件本身也会附带相应信息，它们会根据生产需求，直接与生产系统和设备沟通，发出所需生产过程的操作指令。而在智能生产过程中，系统合理动态配置生产资源，实现柔性生产，并能满足不同用户的个性化定制需求。

举个例子。A和B都需要买一辆车。那么，他们只需要通过手机或电脑下订单，按照自己的喜好选择配置、内饰、颜色等内容，将各自的需求发送到工厂，通过CPS经过大量数据处理和最优化资源配置选择后，系统会自动将各种零配件的相关订单，发送到有相应生产条件的工厂。原材料到货后将被赋予数据：这是给A客户生产的A产品某某工艺中的原材料，这是给B客户生产的B产品某某工艺中的原材料。

随后，带有数据的原材料就会被自动安排到各自的生产线上，并选择总装工厂。总装完成后，系统会自动选择合适的物流和服务，最终将汽车送到A和B的手中。如果中途A和B不满意之前的选择，还可以在下订单之后随时改动，系统也会自动随之作出调整。

这都已经出现了一些“雏形”。

比如，在中国沈阳的海尔冰箱互联工厂，通过U壳智能配送线，在无人配送的情况下，产品零件可以实现点对点匹配生产和全自动配送。4条18米长的智能化生产线，还可实现大规模定制选配组合。目前，工厂内的一条生产线，就可支持500多个不同型号的柔性大规模定制生产。

可以预见，当工业4.0全面到来的时候，制造业最终将迈向智能制造。

高效率的网络协同生产

智能制造的到来，也使制造业在多方面发生改变。

“CPS将实现企业内部、外部的协同设计、制造和管理，也就是各个环节利用CPS技术实现全流程协同制造。”王喜文告诉记者，CPS技术能使不同环节之间的企业实现信息共享，从原材料的采购开始，到产品的设计、研发、生产制造、市场营销和售后服务等，整个产业链上各个环节构成闭环且相互连接，每个环节都很清楚工序到了哪个阶段，自己该怎么做。

“这就打破了传统工业从生产、到组装，再到各级销售这样一个线性的、相对固定的生产推动型销售模式。”王镓垠补充说，而是使工业、产品和服务等方面全方位交叉渗透。

“正是因为CPS使产业链之间的连接更加无缝化，所以生产灵活性和资源利用率都将大大提高。”王喜文表示，工业将向效率更高的智能制造发展。

德国西门子成都工厂预测，通过智能工厂和智能生产，产品上市时间至少可缩短30%。通用电气则表示，在美国，工业互联网能使生产效率每年提高1%-5%，将为全球GDP增加10万亿-15万亿美元。

海尔沈阳冰箱互联工厂则透露，通过生产智能化的布局，单线生产、单位面积的产出翻番，生产节拍缩短到10秒每台。另据赛迪顾问装备产业研究中心的测算，工业4.0将使中国总体生产效率提升25%-30%。

如果工业4.0得以实现，制造业不但在生产效率方面将大幅提高，在降低成本上也大有可为。

不少业界专家称，由于工业4.0直接将人、设备、产品以及企业实时联通，工厂接受用户的订单直接与各个环节的企业协同生产，并最终省却销售和流通环节，直接到达用户手中，将促使包括人工成本、物流成本、管理成本等在内的整体成本，比过去下降40%左右。

仍以德国西门子成都工厂为例，据其测算，通过智能工厂和智能生产，制造成本可以降低13%。

在王镓垠看来，工业4.0除了在制造方面带来改变，其影响还表现在很多方面。他举例说，比如，因为营销直接面对用户而不是各级经销商和中介，就要更加重视品牌建设和服务等。

“总之，工业4.0改造的是制造业的整体思维。”王喜文一语点睛。

难点不少

尽管目前已有不少企业开始试水智能工厂和智能生产，但正如王喜文所说，工业4.0涉及的是整个制造业，甚至是跨行业的整个生态圈，不单单涉及个别企业的智能制造，更重要的是整个价值链上要实现智能制造。

从目前环境来看，实现工业4.0还有不少难题。

“最大的难点，在于如何建立CPS。”王镓垠表示，尽管已有企业内部实现了智能化，但它以什么样的方式、协议与互联网、物联网、大数据等相结合，联通企业与企业之间、企业与客户之间、企业与物流之间，目前还没有很清楚的路径。

这在王喜文那里得到了认同。他认为实际生产过程与各种业务管理系统连接协同后，系统整体将更加复杂。

“所以，如果工厂要对内外的各种物品与服务进行联网，通信方式、数据格式等许多内容都需要标准化。”王喜文说，工业4.0将涉及不同公司的网络连接与集成，只有一开始就开发出一套统一的标准进行约束和引导，才能有序推广。

标准之外，更让王喜文忧虑的是，目前适用于工业、具有高可靠性的通信基础设施建设难以满足工业4.0的要求，而这是工业4.0开展的基础。

与之对应的是，王喜文认为网络安全保障也是一大问题，“工厂与外界实现联网后，受到网络攻击的危险性将进一步提升，因此需要建立一套完善的工业互联网信息安全认证体系。”

这并不是王喜文一个人的担忧。今年2月，默克尔就表示，数据保护需要重视，欧洲需尽快就筹划中的《数据保护基本条例》达成一致，在保护个人隐私的同时，避免给工业生产带来负面影响。

此外，王镓垠还认为，工业4.0因为涉及智能化的网络协同作业，对人才方面的要求更高。他透露，根据赛迪顾问装备产业研究中心的测算，若实现工业4.0，仅中国就可能淘汰2.4亿名受过初等教育的生产型熟练劳动力。

“所以，实现智能制造的同时意味着需要另一种教育配置，更强调多学科合作的教育方式。”王镓垠说，未来任何一个合格的工程师，将同时具备机械、电子、软件、过程管理及其专业的综合知识背景，以及跨专业处理问题的能力。

如此分析下来，好像工业4.0确实面临着不少难点。不过，业界比较认同的是，大约在2020年左右，工业4.0就会全面实现。（支点杂志2015年6月刊）