2.2　德国工业4.0规划愿景

德国工业4.0规划愿景是：工业4.0成为“智能、网络化世界”的一部分。在一个“智能、网络化的世界”里，物联网和服务网（the Internet of Things and Services）将渗透到所有的关键领域。这种转变正在导致智能电网出现在能源供应领域、可持续移动通信战略领域（智能移动性、智能物流）和医疗智能健康领域。在整个制造领域中，贯穿整个智能产品和系统的价值链网络的垂直网络、端到端工程和横向集成将成为工业化第四阶段的引领者，即所谓“工业4.0”。

工业4.0的重点是创造智能产品、程序和过程。其中，智能工厂构成了工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够管理复杂的事物，不容易受到干扰，能够更有效地制造产品。在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作。智能产品理解它们被制造的细节以及将被如何使用。它们积极协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等问题。其与智能移动性、智能物流和智能系统网络相对接，将使智能工厂成为未来的智能基础设施中的一个关键组成部分。这将导致传统价值链的转变和新商业模式的出现。因此，工业4.0不应被孤立地对待，而是应该被看作是一系列需要采取行动的关键领域中的一个。所以，工业4.0应在跨学科状态下加以实施，并与其他关键领域展开密切合作，如图2-1所示。

2.2.1　工业4.0愿景

要实现整个模式的转变，需要将工业4.0作为一个长期的项目来实施，并且这将是一个渐进的过程。在整个过程里，保留现有制造业体系的核心价值将是一个关键。与此同时，从工业化的早期阶段汲取经验也是必须的。当然，导致重大飞跃的创新也有可能出现在某些行业。

在生产、自动化工程和IT领域，横向集成是指将各种使用不同制造阶段和商业计划的IT系统集成在一起，既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置（例如，原材料物流、生产过程、产品外出物流和市场营销），也包括不同公司间的配置（如价值网络）。这种集成的目标是提供端到端的解决方案。在生产、自动化工程和IT领域，垂直集成是指为了提供一种端到端的解决方案，将不同层面的IT系统集成在一起（如执行器和传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等）。

如果德国工业要生存和发展，在推进第四次工业革命中就需要发挥积极的作用，因此，借助德国工业和研究领域的传统优势将是非常必要的：

•　机械和设备制造的市场领导力量；

•　全球瞩目的IT集群地；

•　在嵌入式系统和自动化工程领域领先的创新者；

•　一个高度熟练和充满干劲的劳动力；

•　供应商和用户距离近且在某些领域紧密合作；

•　先进的研究和培训设施。

工业4.0的实施目的是要拟定出一个最佳的一揽子计划，通过充分利用德国高技能、高效率并且掌握技术诀窍的劳动力优势来形成一个系统的创新体系，以此来促进现有的技术和经济潜力。工业4.0将重点聚焦以下方面：

•　通过价值网络实现的横向集成；

•　贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成；

•　垂直集成和网络化制造系统。

这些方面将在2.3节详细阐述。

2.2.2　工业4.0下的未来情景

工业4.0将更加灵活、更加坚强，包括工程最高质量标准、计划、生产、操作和物流过程。这将使动态、实时优化和自我组织的价值链成为现实，并带来诸如成本、可利用性和资源消耗等不同标准的最优化选择。而这些都需要恰当的规则框架、标准化接口和和谐的商业进程。

德国邮政（Deutsche Post AG）、工业-科学研究联盟交流促进团体成员Johannes Helbig博士如是说：“物联网和服务网在制造业中拥有巨大的创新潜力，如果我们成功把基于网络的服务整合进工业4.0，将极大地扩展这种潜力。”

以下几个方面将构成工业4.0的核心特征：

（1）工业4.0将在制造领域的所有因素和资源间形成全新的社会—技术互动水平。它将使生产资源（生产设备、机器人、传送装置、仓储系统和生产设施）形成一个循环网络，这些生产资源将具有以下特性：自主性、可自我调节以应对不同形势、可自我配置、基于以往经验、配备传感设备、分散配置，同时，它们也包含相关的计划与管理系统。作为工业4.0的一个核心组成，智能工厂将渗透到公司间的价值网络中，并最终促使数字世界和现实物理世界的完美结合。智能工厂以端对端的工程制造为特征，这种端对端的工程制造不仅涵盖制造流程，同时也包含了制造的产品，从而实现数字和物质两个系统的无缝融合。智能工厂将使制造流程的日益复杂性对于工作人员来说变得可控，在确保生产过程具有吸引力的同时使制造产品在都市环境中具有可持续性，并且可以盈利。

（2）工业4.0中的智能产品具有独特的可识别性，可以在任何时候被分辨出来。甚至当它们在被制造时，它们就可以知道整个制造过程中的细节。在某些领域，这意味着智能产品能半自主地控制它们生产的各个阶段。此外，智能产品也有可能确保它们在工作范围内发挥最佳作用，同时在整个生命周期内随时确认自身的损耗程度。这些信息可以汇集起来供智能工厂参考，以判断工厂是否在物流、装配和保养方面达到最优，当然，也可以应用于商业管理整合。

（3）在未来，工业4.0将有可能使有特殊产品特性需求的客户直接参与到产品的设计、构造、预订、计划、生产、运作和回收的各个阶段。更有甚者，在即将生产前或者在生产的过程中，如果有临时的需求变化，工业4.0都可立即使之变为可能。当然，这会使生产独一无二的产品或者小批量的商品仍然可以获利。

（4）工业4.0的实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感的目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤。员工将从执行例行任务中解脱出来，使他们能够专注于创新性和高附加值的生产活动。因此，他们将保持其关键作用，特别是在质量保证方面。与此同时，灵活的工作条件将在他们的工作和个人需求之间实现更好的协调。

（5）工业4.0的实施需要通过服务水平协议来进一步拓展相关的网络基础设施和特定的网络服务质量。这将可能满足那些具有高带宽需求的数据密集型应用，同时也可以满足那些提供运行时间保障的服务供应商，因为有些应用具有严格的时间要求。

2.2.3　新型的商业机会和模式

工业4.0将发展出全新的商业模式和合作模式，这些模式可以满足那些个性化的、随时变化的顾客需求，同时也将使中小企业能够应用那些在当今的许可和商业模式下无力负担的服务与软件系统。这些全新的商业模式将为诸如动态定价和服务水平协议（Service Level Agreements，SLAs）质量提供解决方案。动态定价是指要充分考虑顾客和竞争对手的情况，服务水平协议质量则是关系到商业合作伙伴之间的连接和协作。这些模式将力争确保潜在的商业利润在整个价值链的所有利益相关人之间公平地共享，包括那些新进入的利益相关人。更加宽泛的法规要求，如减少二氧化碳排放量，也可以而且应该融入这些商业模式中，以便让商业网络中的合作伙伴共同遵守，如图2-2所示。

工业4.0往往被冠以诸如“网络化制造”“自我组织适应性强的物流”和“集成客户的制造工程”等特征，它将追求新的商业模式以率先满足动态的商业网络而非单个公司，这将引发一系列诸如融资、发展、可靠性、风险、责任和知识产权及技术诀窍保护等问题。就网络的组织及其有别于他人的高质量服务而言，最关键的是要确保责任被正确地分配到商业网络中，同时备有相关约束性文件作为支撑。

实时的针对商业模式的细节监测也将在形成工艺处理步骤和监控系统状态上发挥关键作用，它们可以表明合同和规章条件是否得到执行。商业流程的各个步骤在任何时刻都可以追踪，同时也可以提供它们完成的证明文件。为了确保高效提供个体服务，清晰且明确地描绘出以下状态将是必要的：相关服务的生命周期模型、能够保证的承诺，以及确保新的合作伙伴可以加入商业网络的许可模型和条件，尤其是针对中小企业。实时意味着数据处理与现实事件的发生同步进行，而不是延迟处理。

鉴于上述情况，工业4.0很有可能将对全球产生难以预测的影响并造就一个极为活跃的环境。新技术的颠覆性及其对相关法律问题（如技术方面、敏感的企业数据、责任、数据保护、贸易限制、密码系统的利用等）的影响将会威胁现存法规的实施。很短的创新周期可以导致频繁的规则架构更新需求，并且造成执行过程的慢性失败。因此，有必要采取一种新的方法，可以提前或者在技术实施过程中检验其同现行法律的相容性。

另外一项事关工业4.0计划实施的关键因素就是安全和保障。在安全领域，我们需要更富积极性的措施，尤为重要的是，在设计安全的概念里不应仅仅局限于功能组件。

2.2.4　工作场所的全新社会基础设施

工业4.0将给德国带来若干创新变革，而德国当前正处于人口结构变化的困境中，它拥有世界上第二老龄化的人口，仅次于日本。在许多德国制造公司，员工的平均年龄是四十多岁。年轻员工的数量在不断下降，某些行业的熟练技工和学徒申请者已出现短缺。为了确保人口结构的变化不会影响当前的生活水平，德国很有必要更好地利用现有的劳动力市场为工业4.0的实施做好储备，与此同时，还需保持并不断改进劳动生产效率。因此，提高老年人和妇女的就业比例就显得格外重要。最新的研究表明，个人的生产效率并不取决于员工年龄，而是取决于他们从事某种工作岗位的时间、工作组织方式和工作环境。如果更长的工作生涯可以保持并提高劳动生产率，那么就非常有必要协调和改变相关的工作环境，包括健康管理和工作组织方式、终身学习和职业路径模式、团队结构和知识管理。这不仅对于商业，甚至教育系统来说，都是一个必须迎接的挑战。

因此，决定德国未来竞争力的，不仅是新的技术、商业和法律因素，更是工业4.0新的社会基础设施的工作场所，而这也正是在创新过程中有能力使员工取得更高成就的基础。

工业4.0所带来的人类-技术（human-technology）和人类-环境（human-environment）相互作用的全新转变也将发挥重要作用，全新的协作工作方式使得工作可以脱离工厂，通过虚拟的、移动的工作方式开展。员工将被鼓励在他们的工作中通过智能辅助系统使用多种形式的、友好的用户界面。

除了全面的培训和持续职业发展措施外，工作组织和设计模型也将是广受劳动者欢迎的成功转变的关键。这些模型应使员工将拥有高度的自我管理自主权与领导和管理权力的下放相结合。员工应该拥有更大的自由做出自己的决定，以便更积极地投入和调节自己的工作。

工业4.0的社会-技术方法使得人们释放出新的潜力来从事迫切需要的创新活动，这是基于对于人在创新过程中重要作用的更新的认识。

2.2.5　全新的基于服务和实时保障的CPS平台

具有战略意义的工业4.0计划将极大地促进全新的CPS平台更加适应具有协作性特点的商业化进程和连接智能工厂与智能产品的全生命周期各个方面的整个商业网络。

这些平台将提供服务和实际应用，并且能联系到所有参与的人员、物体和系统（见图2-3），同时还将拥有以下特征。

•　灵活性，可以提供迅速和简单流程的服务和应用，包括基于CPS软件；

•　在App Store模式下实现商业进程中的调配和部署；

•　提供综合性强、安全可信的全商业进程支持；

•　保障从传感器到客户交流所有环节的安全和可靠系统；

•　支持移动端设备；

•　支持商业网络中互相协助的生产、服务、分析和预测。

在商业网络中，共享的CPS平台往往针对包括服务流程和应用在内的IT技术发展有特殊需求，因为在这些共享的CPS平台上，CPS的横向与纵向集成、工业流程中的应用及服务往往会产生一些特殊的需求。对于工业4.0来说，在整个服务网络中，重要的是需要更加宽泛地解释流程条款。很明显，在互相协作的公司间和商业网络中，应该建立起共享的服务和应用。在CPS平台，诸如安全和保障、可信任、可靠性、使用、操作模式的融合、实时分析和预测等特性尤为重要，在互相协作的生产和服务过程中，确立流程标准以及安全、可靠、高效的操作都离不开这些特性，同样，它们对于执行活跃的商业活动也至关重要。最后，还需要应对由大范围数据源和终端设备引发的各种问题。以上提到的这些需求在当前初级云端基础设施状态下只能得到极少量的满足。

CPS平台被公司间的IT人员、软件和服务提供商以及公司本身所使用，这需要有一个工业4.0的参考框架，该参考框架应该考虑ICT和制造企业的不同特征。模式化的操作流程要求CPS平台开发全新的应用和服务，以此来满足那些瞬息万变的复杂变化，而这些变化正是由不同领域和组织之间的功能增长、差异化、活跃性和协作性带来的。拥有一个高带宽、安全高效的基础网络是保障数据交换安全的关键。

2.2.6　工业4.0之路

实施工业4.0计划是一个涉及诸多不同企业和部门以不同速度发展的渐进性过程。Bitkom、VDMA和ZVEI在2013年年初提出了一项名为“工业4.0前景”的调查，确认了这一题目的重要性，认为这将关系到德国工业竞争力，并且提出需要提供更加全面、目标更加明确的信息。调查显示，47%的企业表示已经积极参与工业4.0计划，18%的企业参加了对工业4.0计划的研究，12%的企业则已经开始实施工业4.0计划。

实施工业4.0计划会面临三大挑战：标准化、工作组织和产品的可获得性。

随着各个工作小组的积极推进，许多企业提出了一些有利于推进工业4.0计划的需求措施，包括可以分享经验的目标研讨会和日常通信。而专业协会将在促使社交团体、学术机构和公众间流畅沟通和紧密合作方面发挥重要作用。近50%的受访企业表明，他们已经从专业协会那里获得了工业4.0的相关资料。此外，为了顺利推进工业4.0计划，工作小组认为以下措施是关键：

•　实行实时的CPS解决方案将从空间、技术质量和可靠性方面极大地依赖于服务与基础网络。为了确保德国在世界范围的竞争力，通过融合相关的国际标准来统一服务模式和统一商业模式，应该被国内与国际的相关政策制定人员充分考虑。

•　制造业中的商业化进程仍然是静止不变的，并且一直在应用那些不合时宜的软件系统。然而，这些并不可能迅速被服务导向的系统所取代，因此，如何确保新技术可以兼容那些旧系统就显得比较重要，旧系统必须升级为实时系统。

•　在当今物联网与服务网的环境下，制造业中新商业模式的发展程度将与互联网本身的发展程度相适应。

•　雇员将参与到工作组织、继续教育和技术发展的创造性社会-技术系统早期阶段。

•　为了促进工业4.0的转变，使整个ICT产业（已适应短周期创新的特点）能够与机器与设备制造商和机电一体化系统（mechatronic system）供应商（倾向于较长创新周期）工作联系更紧密，必须要建立一套众多参与企业都可接受的商业模式。

应用实例1：减少能源消耗——生产间歇的汽车车身装配线

当今，能源利用效率已经成为制造业生产过程中必须考虑的因素。为了满足这一需求，在生产间歇中随时关闭那些不工作的部分以减少能源消耗，就成为一种必须具备的能力，如图2-4所示。工业4.0将更大程度地利用现有条件实现这一能力，以保证它能够融入生产设施从计划到运行的整个过程。

如今，许多生产线或者它们的一部分，因生产间歇、周末或者轮班而在没有从事生产的时候仍然持续地运行，并消耗大量的能源。例如，使用激光焊接技术的汽车车身装配线在生产间歇时所消耗的能源占其能源消耗总量的12%。这些生产线每周工作5天，实行3班倒。虽然这些复杂的机器在周末并不从事生产，但它们仍然保持工作状态以便周末结束后能迅速投入生产。在生产间歇，90%的能源消耗来自于以下设备：机器人（20%~30%）、通风设备（35%~100%）和激光源及其冷却系统（0~50%）。

未来，机器人即便在很短的生产间歇也可以关闭，而在比较长的时间段，它们将保持一种被称为“网络唤醒模式”的待命状态；通风设备将可以通过控制速度以满足不同需求，如图2.5所示；至于激光源则需要全新的系统以适应节能需求。

综上，这些措施将可以减少总能耗的12%（从45000kWh/m减少到接近40000kWh/m），加上生产间歇节能90%。这些使得能源利用更为有效的措施应该在CPS设计的最初阶段就加以考虑。

整合了可以控制部分设备开关的汽车车身生产线，将改善能源利用效率；同时，升级现有生产设备带来的成本／风险率也不高。这条道路必将成为一项技术标准，所有工业4.0计划中主导供应商生产的新型机械设备都将遵照此标准，从而使改善能源利用效率的目标最终达成。