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工業(yè)4.0在德國被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命，是德國政府2011年11月公布的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中的一項(xiàng)戰(zhàn)略，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，保持德國的國際競(jìng)爭(zhēng)力。2013年4月，德國機(jī)械及制造商協(xié)會(huì)、德國信息技術(shù)、通訊與新媒體協(xié)會(huì)、德國電子電氣制造商協(xié)會(huì)合作設(shè)立了“工業(yè)4.0平臺(tái)”，并向德國政府提交了平臺(tái)工作組的最終報(bào)告——《保障德國制造業(yè)的未來——關(guān)于實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議》。報(bào)告提出，德國向工業(yè)4.0轉(zhuǎn)變需要采取雙重策略，即德國要成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)商和CPS(信息物理系統(tǒng))技術(shù)及產(chǎn)品的領(lǐng)先市場(chǎng)。
一、本質(zhì)是基于“信息物理系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)“智能工廠”
第一次工業(yè)革命始于18世紀(jì)后半期由蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)工廠的機(jī)械化；第二次工業(yè)革命始于19世紀(jì)后半期用電力來實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；可a(chǎn)；第三次工業(yè)革命始于20世紀(jì)后半期通過電氣和信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的自動(dòng)化。第四次工業(yè)革命——工業(yè)4.0，其實(shí)就是實(shí)現(xiàn)“智能工廠”。工業(yè)4.0將在前三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)化，基于信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System)實(shí)現(xiàn)新的制造方式。信息物理系統(tǒng)是指通過傳感網(wǎng)緊密連接現(xiàn)實(shí)世界，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級(jí)計(jì)算能力有效運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)世界中，從而在生產(chǎn)制造過程中，與設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)將通過傳感器采集并進(jìn)行分析，形成可自律操作的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。
二、核心是動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)方式
工業(yè)4.0報(bào)告中描述的動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)方式主要是指從事作業(yè)的機(jī)器人(工作站)能夠通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)訪問所有有關(guān)信息，并根據(jù)信息內(nèi)容，自主切換生產(chǎn)方式以及更換生產(chǎn)材料，從而調(diào)整成為最匹配模式的生產(chǎn)作業(yè)。動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)方式能夠?qū)崿F(xiàn)為每個(gè)客戶、每個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)、零部件構(gòu)成、產(chǎn)品訂單、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)制造、物流配送，杜絕整個(gè)鏈條中的浪費(fèi)環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式不同，動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)方式在生產(chǎn)之前或者生產(chǎn)過程中，都能夠隨時(shí)變更最初的設(shè)計(jì)方案。
例如，目前的汽車生產(chǎn)主要是按照事先設(shè)計(jì)好的工藝流程進(jìn)行的生產(chǎn)線生產(chǎn)方式。盡管也存在一些混流生產(chǎn)方式，但是生產(chǎn)過程中，一定要在由眾多機(jī)械組成的生產(chǎn)線上進(jìn)行，所以不會(huì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多樣化。管理這些生產(chǎn)線的MES(制造執(zhí)行管理系統(tǒng))原本應(yīng)該帶給生產(chǎn)線更多的靈活性，但是受到構(gòu)成生產(chǎn)線的眾多機(jī)械的硬件制約，無法發(fā)揮出更多的功能，作用極為有限。同時(shí)，在不同生產(chǎn)線上操作的工人分布于各個(gè)車間，他們都不會(huì)掌握整個(gè)生產(chǎn)流程，所以也只能發(fā)揮出在某項(xiàng)固定工作上的作用。這樣一來，很難實(shí)時(shí)滿足客戶的需求。工業(yè)4.0描繪的智能工廠中，固定的生產(chǎn)線概念消失了，采取了可以動(dòng)態(tài)、有機(jī)地重新構(gòu)成的模塊化生產(chǎn)方式。
例如，生產(chǎn)模塊可以視為一個(gè)“信息物理系統(tǒng)”，正在進(jìn)行裝配的汽車能夠自律在生產(chǎn)模塊間穿梭，接受所需的裝配作業(yè)。其中，如果生產(chǎn)、零部件供給環(huán)節(jié)出現(xiàn)瓶頸，能夠及時(shí)調(diào)度其他車型的生產(chǎn)資源或者零部件，繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。也就是為每個(gè)車型自律性選擇適合的生產(chǎn)模塊，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的裝配作業(yè)。在這種動(dòng)態(tài)配置的生產(chǎn)方式下，可以發(fā)揮出MES原本的綜合管理功能，能夠動(dòng)態(tài)管理設(shè)計(jì)、裝配、測(cè)試等整個(gè)生產(chǎn)流程，既保證了生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，又可以使生產(chǎn)種類實(shí)現(xiàn)多樣化。
三、首要目標(biāo)是工廠標(biāo)準(zhǔn)化
德國工業(yè)影響力的一個(gè)側(cè)面就是“標(biāo)準(zhǔn)化”。PLC編程語言的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3(PLCopen)主要是來自德國企業(yè)；通信領(lǐng)域普及的CAN、Profibus以及EtherCAT也全都誕生于德國。
工業(yè)4.0工作組認(rèn)為，推行工業(yè)4.0需要在8個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域采取行動(dòng)。其中第一個(gè)領(lǐng)域就是“標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)”。標(biāo)準(zhǔn)化工作主要圍繞智能工廠生態(tài)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)制定合作機(jī)制，確定哪些信息可被用來交換。為此，工業(yè)4.0將制定一攬子共同標(biāo)準(zhǔn)，使合作機(jī)制成為可能，并通過一系列標(biāo)準(zhǔn)(如成本、可用性和資源消耗)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化。
以往，我們聽到的大多是“產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化”，而德國工業(yè)4.0將推廣“工廠的標(biāo)準(zhǔn)化”，借助智能工廠的標(biāo)準(zhǔn)化將制造業(yè)生產(chǎn)模式推廣到國際市場(chǎng)，以標(biāo)準(zhǔn)化提高技術(shù)創(chuàng)新和模式創(chuàng)新的市場(chǎng)化效率，繼續(xù)保持德國工業(yè)的世界領(lǐng)先地位。
四、戰(zhàn)略愿景與要點(diǎn)
與美國流行的第三次工業(yè)革命的說法不同，德國將制造業(yè)領(lǐng)域技術(shù)的漸進(jìn)性進(jìn)步描述為工業(yè)革命的四個(gè)階段，即工業(yè)4.0的進(jìn)化歷程。
（一）工業(yè)1.0 18世紀(jì)60年代至19世紀(jì)中期，通過水力和蒸汽機(jī)實(shí)現(xiàn)的工廠機(jī)械化可稱為工業(yè)1.0。這次工業(yè)革命的結(jié)果是機(jī)械生產(chǎn)代替了手工勞動(dòng)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)以及機(jī)械制造帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式。
（二）工業(yè)2.0 19世紀(jì)后半期至20世紀(jì)初，在勞動(dòng)分工的基礎(chǔ)上采用電力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)可稱為工業(yè)2.0。這次工業(yè)革命，通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。
（三）工業(yè)3.0 始于20世紀(jì)70年代并一直延續(xù)到現(xiàn)在，電子與信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得制造過程不斷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可稱為工業(yè)3.0。自此，機(jī)器能夠逐步替代人類作業(yè)，不僅接管了相當(dāng)比例的“體力勞動(dòng)”，還接管了一些“腦力勞動(dòng)”。
（四）工業(yè)4.0 德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為，未來10年，基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystem，CPS)的智能化，將使人類步入以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命。產(chǎn)品全生命周期和全制造流程的數(shù)字化以及基于信息通信技術(shù)的模塊集成，將形成一個(gè)高度靈活、個(gè)性化、數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。
（五）戰(zhàn)略要點(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)和自治等五大功能，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)及過程以及網(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。
橫向集成是企業(yè)之間通過價(jià)值鏈以及信息網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的一種資源整合，是為了實(shí)現(xiàn)各企業(yè)間的無縫合作，提供實(shí)時(shí)產(chǎn)品與服務(wù)；縱向集成是基于未來智能工廠中網(wǎng)絡(luò)化的制造體系，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)，替代傳統(tǒng)的固定式生產(chǎn)流程(如生產(chǎn)流水線)；端對(duì)端集成是指貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的工程化數(shù)字集成，是在所有終端數(shù)字化的前提下實(shí)現(xiàn)的基于價(jià)值鏈與不同公司之間的一種整合，這將最大限度地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。
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)品本身不能對(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)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)。
總的來看，工業(yè)4.0戰(zhàn)略的核心就是通過CPS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備與產(chǎn)品的實(shí)時(shí)連通、相互識(shí)別和有效交流，從而構(gòu)建一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的智能制造模式。在這種模式下，生產(chǎn)由集中向分散轉(zhuǎn)變，規(guī)模效應(yīng)不再是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素；產(chǎn)品由趨同向個(gè)性轉(zhuǎn)變，未來產(chǎn)品都將完全按照個(gè)人意愿進(jìn)行生產(chǎn)，極端情況下將成為自動(dòng)化、個(gè)性化的單件制造；用戶由部分參與向全程參與轉(zhuǎn)變，用戶不僅出現(xiàn)在生產(chǎn)流程的兩端，而且廣泛、實(shí)時(shí)參與生產(chǎn)和價(jià)值創(chuàng)造的全過程。
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