信息物理融合 迎接第四次工业革命

信息物理融合 迎接第四次工业革命

文/陆 颖

解读德国《未来项目“工业4.0”落实建议》

当前，全球新一轮科技革命和产业变革加快兴起。为进一步抢占未来发展先机，德国政府于2012年10月研究制订了《未来项目“工业4.0”落实建议》，重点支持信息技术与工业技术的深度融合，提升制造业的全球竞争力。本文基于上海市软科学研究基地—前沿技术发展研究中心的研究成果，对德国《未来项目“工业4.0”落实建议》进行了解读，以期对上海的发展提供借鉴。

德国专家认为，世界经济正处于第四次工业革命的开端，在物联网等技术的推动下，以产品达到高度个性化、客户与业务伙伴间实现广泛交互、产品与高品质服务相耦合为特征的“工业4.0”时代即将到来。为进一步抢占未来发展先机，德国政府依据2010年7月颁布的《思想•创新•增长—德国2020高技术战略》，将“工业4.0”确定为十大“未来项目”之一。

定位和目标：提升德国制造业的全球竞争力

具有强烈危机意识的德国人在《工业4.0》中指出，德国的工业生产正迎来技术上的里程碑：由物联网等新兴技术推动的第四次工业革命；这一革命时代的重大技术基础是信息物理融合系统（Cyber-PhysicalSystem，CPS）。CPS系统将推动生产对象直接或借助互联网通过M2M（Machine -to-Machine，机器对机器）通信自主实现信息交换、运转和互相操控。该模式将在生产制造、工业工程、原料利用、供应链管理以及生命周期管理上使工业流程得到极大的进步，同时也形成了新的工业化模式：工业4.0。

为在新工业革命中占据先机，《工业4.0》提出，德国要通过“工业4.0”战略的实施，在信息物理融合系统的基础上，打造由智能化的机械、存储系统和生产手段构成的并应用于智能工厂的“网络物理融合式生产系统”（Cyber-Physical Production Systems，CPPS），使德国成为新一代工业生产技术的供应国和主导市场的核心力量，进一步提升全球竞争力。

上述目标主要着眼于两个层面：一方面，运用CPPS系统有助于提高生产制造效率，巩固德国制造业大国的地位。另一方面，CPPS技术的发展将有助于德国企业开发新产品，形成出口新模式。

其中，目标的核心载体是智能工厂（Smart Factory），即分散的、具备一定智能化的生产设备，在实现了数据交互之后，就形成了高度智能化的有机体，实现虚拟世界和物理世界的融合。与以往生产模式相比，智能工厂意味着：资源利用率的显著提高，个性化产品的入库和流通周期的大大缩短；产品实时图像显示的虚拟生产能够有效减少浪费。需要指出的是，智能工厂并非无人化，人是工厂中实现交互的核心，是进行决策和流程优化的实施者，在CPPS和物联网网络部件的设计、安装、更新和保养维修中扮演重要角色。

目标分为四个子目标。一是新方法，即开发智能化生产技术的方法，提高本国资源利用率和灵活度，为全球市场提供创新型产品；二是新技术，优化既有的、发明新的自动化技术，维持德国在自动化领域中的全球竞争优势；三是新需求，鉴于人口结构和各年龄段工作安排的变化，通过生产、工程和生产环境的智能化，保证经营场地和用工满足需求；四是新模式，在智能工厂中创造新的组织协作模式，提高工作质量，优化工作关系，为个体实现自我发展创造机会。

重点任务：聚焦“智能工厂”和“智能生产”

《工业4.0》提出的重大任务主要包含两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。围绕上述两大主题，主要分为以下任务。

一是建成制造过程融合化和网络化的生产系统。推进智能化传感技术研发和完整连贯的数据构建与应用，重点实现：智能工厂的自主监控，如生产的连续性虚拟图像以及识别和预测突发情况；维修保养也能实现自主管理，如自动识别机器失灵、质量偏差以及产品要求变化等突发情况；过程中材料的现状和损耗能被持续性监控并发出预警。具体着眼于：（1）模块化和系统性再利用：CPPS灵活性和可重组性的展现。该任务实施中，注重跨学科领域的研究是重要指导原则。（2）实现智能化、灵活性和可变性：这要求生产系统的智能化达到新的高度，加快推进和研发新材料技术、信息技术以及相关智能技术。（3）可联网的实时传感器和执行器的生产性开发：这项任务将重点应对该领域技术的开发过程中，面临的来自成本、算法和信息技术等方面的挑战。

二是强化生产制造中ICT技术的创新和应用。通过智能工厂相关的信息物理融合系统，智能生产系统以及基于人工智能系统与智能传感器的生产管理等项目的推进，深度应用ICT（信息、通信技术），总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。与此同时，扩建网络（包括电网、英特网），建立完备的网络基础设施，加快推进信息、通信等技术的融合，全面支撑CPPS系统的构建。

三是构建标准化和规范化的模式。推广共同的技术接口和标准，加快实现工业企业和物流企业之间的互联。强化英特网传输标准（如TCP/IP协议，网络服务等），通过实现世界性的互联以及信息技术全球化，实现创新信息资源的共享和流动。积极参与国际标准化组织的相关工作，在全球推广公开、透明、迅捷的标准化模式。重点以先进的智能生产系统和强大的信息处理系统为平台加快升级，应对系统、产品和制造的网络化技术挑战。

四是构建基于人机交互的新型企业组织模式。重点推进多媒体技术、社会媒体技术、云技术、办公室终端设备（平板电脑、智能电话、以太网），以及新型自适应辅助系统在半导体制造、汽车制造等重点制造企业的应用，加快实现企业创新活动的互联、广泛的人机交互和系统交互。根据这一任务推进的时间节点，从中短期来看，可以实现制造企业工作流程在虚拟工作台与现实工作台之间的持续转换；从长期来看，能够完成企业产品在虚拟世界中的开发和制造。《工业4.0》认为，该任务的实现对企业不同人员的素质提出了不同的要求：对于生产制造的人员来说，需要加强调控工作，比如操纵控制、编程、故障调整、纠错等。对于研发部门的工程师来说，更强调跨学科的交流，尤其是生产技术和信息技术的融合。

五是加强安全性和专有技术的研发和推广。《工业4.0》认为，IT安全应作为德国国家安全的一部分。为此，应重点推进：（1）加强有效、可靠且具有经济性的保护数字化的专有技术和工艺研发，重视开发保护自有知识的新技术和新方法。（2）强调集成的安全理念、架构和标准，在系统的全生命周期中实现应用，推进在自动化、机电工程领域中融入IT、汽车乃至航空航天业的安全性策略和流程。（3）研究用户友好型安全解决方案，在开发安全解决方案时，尤其是设计-开发落实-运营维护，各个环节都需以用户需求为指向，从而确保用户使用。（4）开发独特且安全的产品、流程和机械身份识别技术。在制造业领域，实现机械个体、完整的流程、产品、元件和材料都具备独特的电子身份识别。（5）注重业务管理中的安全性评估，尤其是设计评估方法，更清楚地分析“工业4.0”的有关风险，计算与成本效益相关的安全解决方案带来的效果。

落实建议：重视顶层设计和制度保障

据德国电子电气工业协会预测：“工业4.0”的推出将使本国工业生产效率提高30%。《工业4.0》提出了一批建议，旨在落实和推进相关重大任务。

一是设立专职推进工作组。重点分为以下几个工作组：（1）专职处理标准化和参考体系结构的工作组，其主要职责包括：形成对“工业4.0”项目的目标、利益、潜力、风险、实施策略与内容的理解共识，形成联合行动参与方之间的互相信任；梳理调整相关专业术语，形成“工业4.0术语汇编”；绘制自下而上、由细节到整体的标准化委员会地图和既有成果地图；制订兼顾成本收益和时限、自上而下的工作路线图；开发由不同公司共建的“工业4.0示范社区”。（2）复杂系统操控建模工作组，其主要职责包括：进行典型性调查、最佳实践案例分享；为工具使用者、制造商以及培训人员搭建公共平台；制订适宜的行动方针和行动建议；在建模和系统工程领域开展培训和再教育活动。（3）专职处理资源生产力和效率问题的工作组，其主要职责包括：示范生产中通过提高资源利用率从而节约资源的做法；计算和预估通过CPS部署并投入智慧工厂的额外资源以及可以取得的资源节约潜力；重视各类资源效率相关的指标和KPI（关键绩效指标）等。这些工作组均是依托德国三大工业协会——德国信息技术、通讯和新媒体协会（BITKOM），德国机械设备制造业联合会（VDMA）以及德国电子电气制造商协会（ZVEI）共同建立。

二是实施安全性支撑行动。为进一步强化德国IT安全，将重点采取以下举措：（1）加快“工业3.0”向“工业4.0”过渡。逐步提高既有“工业3.0”设施的安全性，为“工业4.0”打下基础，包括评估现有设施的当前状态，建立标准化的过程模型，迅速、廉价、务实地落实个性化安全解决方案等。（2）完善知识产权保护，重点打击盗版产品，尤其是关注从技术层面、企业和竞争法层面寻找解决方案。（3）构建数据保护“社区”，依托社区生活、交流的功能，探索相关数据保护的新途径，并将其纳入《德国2020高技术战略》十大未来项目的重要方向。

三是加强人才的培训和再教育。具体举措包括：（1）推广培训与再教育示范项目。促进职业培训、学术培训以及不同课程之间的灵活互通，并让学员学习专业领域之外的其他技能并获得认证。（2）加强分类培训和指导，对所有人员，尤其是机械操作员、安全软件开发者、工程规划师，加强信息安全知识教育，并有效引入高校机构，加强培训队伍建设。（3）建立并推广“实践范例网络”。为保证知识转移的安全性和可持续性，以竞标的形式建立“实践范例网络”。该网络的任务是开发并记录案例，实现各类参与人员的互联，为知识转移提供支持。（4）开发数字化学习技术。数字媒体和数字化学习将在知识和技能传授中扮演重要角色，必须开发适应这一转变的新的教学方式和学习辅助系统。

四是构建工业4.0的法律框架。该框架主要包括责任问题、版权问题、产品剽窃、IP保护、与垄断相关的法律问题和数据保护等。其目的在于确定首要的行动领域，概述可能的行动举措，明确法律培训方面的行动需求。《工业4.0》指出，在构建法律框架上，需要法律、技术和政策三方形成合力，对参与各方的责任和义务进行界定。同时，该法律框架将注重数据的安全性和书面证据的提供，对数据处理外包活动进行立法，对贸易限制问题特别是加密产品进行谈判，技术人员和法律从业人员将形成合作伙伴关系等。

有关启示

当前正处在创新驱动、转型发展过程中的上海乃至全国，可以借鉴《工业4.0》的先进理念与做法，及早制定战略，采取行动，以确立后发优势。

一是突破关键技术和环节。加快布局和突破工业控制系统信息化、三网融合、物联网、云计算在内的多种新型信息技术的攻关和应用，将智能机器、存储系统和生产设施融入到虚拟网络－实体物理系统，实现相互独立地自动交换信息、触发动作和控制。

二是关注创造价值的新方式。“工业4.0”，尤其是智能工厂在多变的边界条件下（如短期内多变的需求、库存以及突发状况等），可以通过分布式生产制造出多样化、个性化的产品，其新的协作和创造价值的模式将为初创企业和小企业提供发展良机。

三是加快完善信息安全技术和制度。要重视IT安全，加快安全规范和技术标准的制定，加强管理者、操作者在日常工作中的安全管理制度，并进一步完善相关法律。

四是完善相关人员培训制度。围绕产业转型升级和新工业革命的重大需求，制定相关领域的培训课程，组织开展人员培训，优化上海乃至我国制造业中各类人员的相关知识体系和结构。

（本文基于上海市软科学研究基地—前沿技术发展研究中心的研究成果；作者就职于上海市软科学研究基地——上海市前沿技术发展研究中心）