工业4.0的全球探索与实践案例

孙谦

根据官方文献，德国工业4.0的内容可概括为理论基础CPS、战略实施的“双重策略”及3大集成、2大建设主题（智慧工厂和智慧生产）和8项优先行动领域。工业4.0强调在一个经济体中全面的数字化和所有生产单位的互联。根据罗兰贝格报告（2014），工业4.0有六大特征：信息物理系统与市场空间，智能机器人与智能装备，作为“21世纪原材料”的大数据，产品、机器、生产过程、工厂高质量的新型互联，能源效率及其分布性，以及包括虚拟工厂与虚拟产品的虚拟产业化。

德国工业4.0战略的三层视野

国家视野：德国政府于2011年公布《德国高技术战略2020》，涵盖工业4.0、数字化进程、智慧服务、大数据、云计算等课题;2013年4月推出《实施工业4.0战略举措的建议》。2014年11月颁布《工业4.0标准实施路线图》

欧洲视野：2014年8月，德国政府颁发《数字化议程2014-2017》，对接欧盟数字化议程项目。在实施工业4.0战略后又提出“数字化议程”，目的之一是通过“产业的数字化”，包括智能制造与服务、大数据和云计算等领域新的商业模式创新，为德国开辟发展机遇，促进经济增长和就业，并为工业4.0体系提供长久动力。

国际视野：国际竞争方面，美国政府于2012年推出《美国先进制造业国家战略计划》，同年12月通用电气（GE）提出《工业互联网》战略;2013年8月我国工信部发布《信息化和工业化深度融合专项行动计划2013-2018》。由此，美国的“工业互联网”、中国的“两化深度融合”、德国的“工业4.0”等殊途同归的工业发展战略为世人瞩目。

国际合作方面，2014年10月中德两国发布《中德合作行动纲要：共塑创新》。纲要第二部分“可持续的经济发展和金融领域合作”，设 “经济”、“工业4.0合作”、“金融”3大主题。涉及工业4.0合作的内容有：工业生产的数字化（工业4.0）对于未来中德经济发展具有重大意义，该进程应由企业推进，政府政策支持;建立两国工业4.0对话机制;将工业4.0议题纳入中德标准化合作委员会;进一步深化两国在移动互联网、物联网、云计算、大数据等领域合作。为此，工信部苗圩部长在讲到德国工业4.0与中国两化深度融合关系时，使用了“如出一辙、异曲同工、殊途同归”三个关键词。

工业4.0的国际探索与实践案例

据2013年德国“工业4.0前景”报告，47%的公司已积极参与工业4.0计划，18%的公司参与了对工业4.0的研究，12%的企业已开始实施工业4.0计划。笔者认为，德国企业既往成绩斐然，目前是实施工业4.0战略的主角，探索最佳实践众望所归。

工业4.0最佳企业实践

根据文献研究和笔者2014年访德交流，工业4.0实施既包括工业4.0创意单位西门子、博世公司和弗劳恩霍夫研究院等，也包括其他诸多企业，如软件企业SAP和大众汽车;此外，德国专家还指出诸多中小企业正在努力践行中。据罗兰贝格报告（2014），工业4.0最佳企业实践包括：

德国通快公司作为工业4.0技术提供商，实施了首例“社会化机器（一种人与技术交互而达成产出的环境）”案例，据称其产品的每一个零件都是智能的，保留着以往加工的所有信息;同时各生产装置都因互联而知晓彼此的加工能力，以便生产流程可以自动优化;用户也得以实时介入乃至干预产品的加工。

德国西门子公司实施工业4.0的医疗工程，一改需要废时多日适配患者的标准化人造膝盖和髋关节，在工业4.0方案下仅数小时即可完成个性化产品的人体植入。

英国劳斯莱斯公司采用3D打印技术制造航空发动机元器件，采用轻型材料，并将原需18个月的订单周期（源于复杂工艺工装）大大缩减，显著提高了企业竞争力。

法国达索工业软件公司，重视工业4.0在产品开发与生产集成方面的应用，实现了从工程到PLM，进而演进到集成虚拟-实体平台的工业4.0模式，核心内容完整的3D数字化工艺设计、制造和数字化生产线解决方案，以及3D数字化体验平台。

工业4.0实践案例

【德国博世公司实践案例】作为创意和发起单位，博世参与了德国工业4.0战略的制订，其实践也较完整地表达了工业4.0的内涵。

物联网和务联网（IoTS）参考模型：从底层向上依次为物联网、互联网系统与服务平台、务联网、应用领域等四层，通过机器间（M2M）的无线网络互联、业务流程与业务规则的改进，形成了物联网与务联网模式。物联网的IT技术环境包括M2M语义获取、数据归集和大数据处理;务联网的IT技术环境包括互联的企业、互联的业务流程和业务规则、云计算与大数据的服务等。博世提供了物联网套餐或工业4.0“工具箱”软件系统，为制造企业提供软件创新解决方案。

“智慧工厂”模型：通过集成IT技术与企业生产的新型商业模式，智慧工厂主要由产品研发与流程，感知与互动环境，生产加工环境，也包括柔性工厂、联网生产、预测性维护等内容。智慧工厂的外部界面包括自适应的物流模块，通信与服务模块，以及云服务的“技术和交易市场”。

工业4.0的应用：智慧服务是工业4.0的核心概念。博世推出“预测性维护”的智慧服务产品，包括实时解释机器与传感器数据、分析机器数据及故障预测、规划维护流程、集成企业IT等环节。对制造企业客户，好处是提高设备的整体效用和系统运行可靠性，有效利用零部件和产品的最大服务生命周期，并提供专家知识的积累和传递。预测性维护的“远程服务门户”可集中访问客户的机器和系统，并完成远程软件更新。

工业4.0路线图：博世演进开发的工业4.0系统，第一阶段开发远程服务门户，包括通信平台建设、对象的状态监视和预测性维护模块;第二阶段开发基于对象的数据，包括智慧化的适应性测试、物流运输和库存数据等;第三阶段将开发数据挖掘和分析系统。

【德国西门子公司实践案例】作为倡导者和践行者，西门子在汉诺威工业博览会上展示了工业4.0示范，表达其构建未来智慧生产的能力。

西门子的工业4.0观：未来企业新增竞争力，将来自通过增加能源和资源使用率来提高企业的经营效益、更多的复杂产品和更大的数据量来缩短产品入市时间、个性化的规模定制和更高的产能来增强产品对市场的适应性。工业4.0宛如“算法化的生产棋盘”，通过联网的嵌入式技术，与分布式的CPS系统交互，其产品因“纵向集成”而包含加工信息，其生产组织因“横向集成”而包含整个价值链的自组织信息，其生产流程因“端到端的集成”而体现依实时场景的灵活决策。

强调工业信息技术和工业软件：各类计算机辅助应用软件、产品数据的协同管理系统、数字化制造软件、3D流程设计与工厂分析工具、制造执行系统等，实现企业价值创造各环节的紧密相连，优化生产过程。西门子工业部门雇佣了7500位软件工程师，为其7万客户及750万PLM协议用户提供专业服务。

“智慧生产”案例：西门子安贝格工厂生产高度数字化，可独立于实体生产进行仿真与优化;安贝格采用制造执行系统，显著提高了生产效率和灵活性，允许在一分钟内更改产品及工序;工厂的测量事件达每日100万以上，采集后由中央系统保证其数据的一致性;每一件产品都带有其加工信息，若发现差错，控制系统可依既定工序进行干预和纠正。由此，安贝格百万缺陷率仅为15%，成为产品误差最小的企业。

设计智慧工厂，构建贯穿价值链的端到端工程数字化集成：按提高企业生产整体竞争力的要求，从“产品设计”开始，经过“生产规划”和“生产工程”，到“生产实施”和“服务”等5个环节，展示了工业4.0纵向集成和端到端集成特征。在“产品设计”阶段，实现贯穿整个产品生命周期的价值增值，通过产品生命周期管理系统，全面优化企业的产品研发流程。在“生产规划”阶段，通过虚拟仿真技术和PLM解决方案，客户在实体生产之前即可对生产流程进行模拟检查和优化，并保证虚拟生产模型与实际生产设备间的无缝互动。在“生产实施”阶段，一改传统单台产品的优化模式，转而采用“全集成自动化（TIA）”概念的“集成驱动系统 （IDS）”，一站式地实现了产品系统的增值。

CPS概念的“数字化企业平台”：数字化企业平台是实现数字制造的载体，在物联网、云计算、大数据、工业网络技术的支持下，通过共同的数据库和集成工具链，集成先进的生产管理系统、生产过程软件和硬件，达成各种产品元部件生产之间的无缝集成。西门子已开始为我国企业提供数字化企业平台解决方案。

启示

以上国际案例的共性部分，包含对CPS系统的认可、对三大集成的重视、关注智慧工厂和智慧生产的主题探索。案例中采用新兴技术已是标配，构成了工业4.0的高价值内容，这也解释了《中德合作行动纲要》的工业4.0部分，专门强调“进一步深化两国在移动互联网、物联网、云计算、大数据等领域合作”。

技术层面，互联网创新要素，已经从消费侧向供给侧渗透;如果说亚马逊电商创新和阿里上市奇迹都证明了消费类互联网应用的巅峰，那么三个制造业大国殊途同归地提出制造业发展战略，将代表产业类互联网应用时代的到来。

（作者系浙江省杭电智慧城市研究中心副主任、浙江省经信智慧城市规划研究院首席科学家）