标准引领德国工业升级——德国工业4.0中的标准化战略及其启示

◆郭 政/ 文

引言

德国是一个崇尚严谨的国家，标准在工业体系中占有举足轻重的地位。在德国，标准不仅仅是一套技术规范，还是一种思维方式，一个战略体系，一项国家战略。在重大的国家级规划中，总能发现标准的位置。

“工业4.0”是德国面向未来竞争的总体战略方案，最早在2011年11月被德国政府作为高技术战略2020行动计划的一部分被提出。在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子、博世等学术界和产业界的建议和推动下，德国各界经过广泛讨论和动员，形成了工业4.0工作平台，并在2013年4月汉诺威工业博览会上正式推出《德国工业4.0战略计划实施建议》，旨在支持德国工业领域新一代革命性技术的研发与创新，确保德国强有力的国际竞争地位。由于该计划对全球工业未来发展趋势进行了探索性的研究和清晰的描述，对人们预测未来10年到20年的工业生产方式具有重要参考价值，因此立即受到了全世界科学界、工程界和产业界的关注。本文目的不在于对工业4.0进行全面深入的分析，而是重点讨论其中有关标准化的内容，从中可以借鉴发达国家是如何运用标准来引领其工业升级和战略性新兴产业的发展的。下文将分为三个部分，第一部分简要介绍工业4.0的基本框架和内容；第二部分介绍其中对标准化的描述；第三部分讨论对我国的启示。

一、工业4.0

德国是全球制造业中最具竞争力的国家之一，其装备制造行业全球领先。这是在创新制造技术方面的研究、开发和生产，以及在复杂工业过程管理方面高度专业化使然。德国拥有强大的机械和装备制造业，占据全球信息技术能力的显著地位，在嵌入式系统和自动化工程领域具有很高的技术水平，这些都意味着德国确立了其在制造工程行业中的领导地位。这些都为工业4.0奠定了坚实的物质与社会基础。

德国各界认为，到目前为止，德国已经完成了三次重要的工业革命，正在向以智能化为主要特征的第四次工业革命迈进。前三次工业革命分别源于机械化、电力和信息技术的应用。18世纪末机械制造设备的引进是工业化的开端，那时像纺织机这样的机器彻底改变了货物的生产方式；继第一次工业革命后的第二次工业革命大约开始于20世纪之交，在劳动分工的基础上，采用电力驱动了产品的大规模生产。20世纪70年代初，第三次工业革命又取代了第二次工业革命，并一直延续到现在。第三次工业革命引入了电子信息技术（ICT），从而使制造过程不断实现自动化，机器不仅接管了相当比例的“体力劳动”，而且还接管了一些“脑力劳动”。ICT使得德国工业大大提高了全球化布局和生产的能力，使不同的任务可由不同地理位置的不同合作伙伴来执行。ICT已经大约进入了德国90%的工业制造过程，越来越多的IT基础设施和服务将通过智能网络（云计算）提供。比以往任何时候都更加小型化的设备与势不可挡的互联网相结合，使无处不在的计算机成为现实。前三次工业革命的成功使德国具备了管理复杂工业流程的能力，也为其进入新的发展阶段铺平了道路。

现在，将物联网和服务网应用到制造业正在引发第四次工业革命。功能强大的、自主的微型计算机（嵌入式系统）正越来越多地互相间或与互联网以无线方式互联。这正在导致实体物理世界与虚拟网络世界（cyberspace）的深入融合，形成“虚拟+实体系统”（CPS）。2012年新互联网协议IPv6的推出，使人们拥有足够的网络地址数量支撑智能对象间大范围的直接互联。这意味着有史以来第一次，我们有可能将资源、信息、物品和人进行互联，从而造就物联网和服务网。这种现象的影响也将反映到工业领域。在制造领域，这种技术的渐进性进步可以被描述为工业化的第四个阶段，即“工业4.0”。

未来，企业可以建立起全球网络，把它们的机器、存储系统和生产设施融入到CPS中。在制造业CPS中，包括智能机器、存储系统和生产设施等在内的物理单元，能够相互独立地自动交换信息、触发动作和自我控制。这将从根本上改善包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理的工业过程——工厂将变为智能的，自我管理的。在智能工厂中，在制品通过独特的形式被识别、可以在任何时候被定位、并能知道它们自己的过去、当前状态和为了实现其目标状态的替代路线；嵌入式制造系统在工厂和企业之间的业务流程上实现纵向网络连接，在分散的价值网络上实现横向连接，并可进行实时管理——从下订单开始，直到外运物流。工业4.0所描述的世界，简而言之，是一个智能化、网络化的世界。

在这个智能化、网络化的世界里，物联网和服务网将渗透到所有的关键领域。工业4.0的最终目的是创造智能的产品、程序和过程。智能产品自身能够存储分析制造信息，能够自我识别并回答诸如“我是什么时候被制造的”“我应具备哪些性能参数”“我应该被传送到哪里”等问题。同时，智能物流、智能系统网络等与之相互联接，各种制造程序和流程实现自我控制。实现这一切，需要建设“智能工厂”。

智能工厂使个体顾客的需求尽可能得到满足，这意味着即使是生产一次性的产品也能获利。在工业4.0中，动态业务和工程流程使得生产在最后时刻也可以变化，也可能为供应商对生产过程中的干扰与失灵作出灵活反应。制造过程中提供的端到端的透明度有利于优化决策。工业4.0也将带来创造价值的新方式和新的商业模式。特别是，它将为初创企业和小企业提供发展良机，并提供下游服务。另外，工业4.0对人口和社会结构也将产生深刻影响。智能辅助系统将工人从执行例行任务中解放出来，使它们能够专注于创新、增值的活动——体力劳动将大幅减少，这将允许年长的工人延长其工龄，保持更长的生产力，有助于解决德国即将面临的技术工人短缺问题；灵活的工作组织形式使得工人能够将他们的工作和私人生活相结合，并且继续进行更加高效的专业发展，在工作和生活之间实现更好的平衡。最终，这一切都将归结于德国国际竞争力的提升，使得德国在新一轮技术革命中走在前列，同时保有本国的高工资、高福利和高竞争力。

二、标准化和开放的标准体系

工业4.0是一个美好蓝图，它的实现必然需要克服重重困难，包括技术的、制度的、甚至是文化与伦理上的。工业4.0工作组认为需要在以下八个关键领域采取行动（参见表1）。

值得我们关注的是，标准化排在所有8项计划的第一位。

工业4.0认为，实现目标的核心和关键是建立一个人、机器、资源互联互通的网络化社会，物联网、互联网、服务化的智能联接必然要求一个系统框架，在这个框架内，各种终端设备、应用软件，它们之间的数据信息交换、识别、处理、维护等必须基于一套标准化的体系。

时至今日，制造业系统包括多个复杂的模块，不同模块间所需的接口与集成都需要标准的协调。

由于工业4.0将需要公司之间在机械和设备制造、自动化工程和软件业之间进行合作，标准化的第一步是要在共同基本术语上达成一致。

工业4.0指出：尽管一些既定的标准已经在各种技术学科、专业协会和工作组中使用，但是缺乏对于这些标准的协调。因此，有必要将现有标准，如在自动化领域（工业通信、工程、建模、IT安全、设备集成、数字化工厂等）纳入一个新的全球参考体系。参考体系不能以自上而下的方式发展，因为它需要整合几个不同的视角，而自上而下的方法通常会花费太长的时间。因此，从不同的出发点推动参考体系渐进性地发展更合乎情理。在这方面，已有的互联网标准的制定将给我们启发。它是不同于目前机械和设备制造业的新的标准化模式，强调的是开放性。成功的案例包括：

表1 工业4.0行动计划表

——开放的作业系统：例如Linux公司，一个由100多个国家的超过2000名来自企业、研究机构的员工和个人组合到一起的企业，发展和维护成世界上最成功的操作系统之一。

——开放式开发工具：一个包括超过1500名开发人员和以百万计的用户参与软件开发的行业，为要求苛刻的应用程序建模。

——开放式通信基础设施：“征求意见稿”是由成立于1969年7月4日的互联网协会出版的技术和组织文件。它们被广泛接受和使用，从而被转化为事实上的标准。著名的例子包括因特网协议和电子邮件协议。

工业4.0工作组建议在工业4.0平台下成立一个工作小组，专门处理标准化和参考体系的问题。工作小组将着重承担表2所示的任务。

工作组还建议建立适当的旗舰项目，以展示成功开发和部署的参考体系。参考体系的其他主题包括终端到终端工程产品及其相关的制造系统或管理和控制制造工艺的高动态技术的实时进程通信。

三、启示

德国工业4.0中的标准化计划在以下几个方面需要引起我们的深思和借鉴。

1.对标准的认识

德国人对待标准，是真正将标准放到引领产业发展，关系国计民生的高度上。根据德国标准化协会（DIN）的计算，1960—1996年间，每年3.3%的国民生产总值增长中，标准的贡献率占0.9%，仅次于资本投入，比国内创新和直接从国外购买技术等更加重要[1]中国标准化研究院编著.2008国际标准化发展研究报告.中国标准出版社。通过标准的推广和应用，德国的技术创新得以迅速扩散，并转化为实在的生产力提升。在德国，政府用标准推广先进，淘汰落后；企业用标准取得发展，赢得竞争；消费者用标准保护权益，指引生活。反观我国，更多将标准视为约束，企业对标准多是被动接受，而非主动引进。

表2 工业4.0标准化工作小组重点承担的任务

特别是近年来，随着技术变革的加速，德国进一步阐明了标准对科技的重要性。在德国政府与DIN的《合作协议》中专门指出：“科技已经渗透到并将继续渗透到人类生活的各方面，而标准特别是关于安全、健康、环境保护、以及消费者保护等方面的标准，代表着掌控科技、掌控科技的进一步发展。”因此，在工业4.0中将标准作为首要之事不过是德国重视标准传统的一贯延续。

2.战略性新兴产业的标准化模式

传统的标准化模式是当产品在技术成熟后才进行标准制订，属于后补性模式。这种模式适用于技术变革慢，产品成熟期长，基础技术参数积累多的产业和产品。而在战略性新兴产业，上述产业特征几乎无一存在，给我们擅长的后补性标准化模式带来了严峻挑战。工业4.0中的标准化战略带有明显的“前导+研发”模式特征，即伴随先进技术的研发，标准化同步甚至超前进行，为产业发展勾勒出整体框架。

总体来看，战略性新兴产业的技术标准具有以下特点：

——显著的高技术性。标准应体现数字化、网络化、智能化、绿色化等未来产业发展的基本属性；

——更强的系统性和协调性。产业内和产业间的重组、分工、关联、协作要求标准能够成体系地推进配套和系统的研制应用，共性技术和模块接口成为标准的重要内容；

——灵活的动态性与适应性。技术变革不断加快和生命周期不断缩短，要求标准必须处在实时的演进中，以适应产业实践的跨越。图1显示技术范式的变动加快，原本采用的5年一个标准修订周期在高技术化的战略性新兴产业不再适用。有时，5年已经足够一代技术的变迁完成了。

上述特点都意味着“前导+研发”的标准制定模式在战略性新兴产业将成为主流，但我国在这方面准备不足。从研发强度、人才储备、标准化制度等方面限制重重，如何解决应成为下一步标准化工作改革的重点之一。

3.标准制订的协调机制

“前导+研发”模式同时还提出一个新问题，谁来主导并协调标准制订？对于工业4.0，可以预计的是，在其推进过程中必然存在大量的不确定，包括技术的、社会的、甚至是政治的，技术不确定是最主要的。同时，不同主体间也必然存在不同的利益诉求。协调不同主体面对和克服不确定性，必然要有一个合适的协调机制。

图1 技术替代而非技术改进

标准制订的协调机制有三种基本形式：政府协调、非官方委员会协调和市场（企业）协调。工业4.0中指出，不能以自上而下的方式发展，自下而上才是合适的。它给出的方案是由企业成立一个“工业4.0社区”来负责标准构架的制订协调工作。这基本否决了政府主导的协调模式，克努特•布林德研究指出，“在技术变革中，基于政府协调的方案是最不可靠的。我们无法预期政府决策者能够充分了解技术开发的市场机会，并且能够作出最优决策。”[2]克努特·布林德.标准经济学——理论、证据与政策.中国标准出版社因此，工业4.0中的标准协调机制更像一个介于市场协调和委员会协调之间的过渡机制。相较于市场协调，它更加开放；而相较于委员会协调，它更加灵活。工业4.0高度强调标准的开放性和动态性。开放性能够保证各利益相关方的参与和调节，而动态性则有助于避免技术不确定带来的整体性错误。但是，工业4.0也意识到自下而上方式所需的时间、协调成本以及可能的利益冲突，所以指定标准工作组还应给出一个自上而下的方案以便于达成共识。这种“自下而上”与“自上而下”互相结合，互补利弊的标准体系制定方式值得我们借鉴。

我国现有的标准协调机制仍带有明显的政府色彩，国家标准化委员会更多承担了管理职能而非协调职能。标准制修订权力过于集中，给基层留有的操作空间不大，因此企业参与制订标准的动力不足，从而形成一个恶性循环。即，政府不放权——企业没动力——企业投入不足——企业标准化能力缺失——政府更加集中管理。在技术变革日新月异的今天，可以说目前的机制已经制约了我国的标准创新，应加以改革。