工业4.0的德国经验上篇：技术和政策

编译/辛妍

工业4.0的德国经验上篇：技术和政策

编译/辛妍

正如我们所知，今天的世界已经经历了三次重大技术革命的塑造。18世纪末开始于英国并在19世纪中叶结束的第一次工业革命代表了一种根本性转变，即从农业经济转变到了由引入机械生产方法所界定的经济。在20世纪初，随着工业生产的出现和工厂的诞生，第二次根本性转变时期到来，它迎来了一个大众消费可以负担得起消费类产品的时代。而到了20世纪60年代末，电子和信息技术在工业生产过程中的应用打开了通向优化和自动化生产的新时代的大门。今天我们站在第四次工业革命的风口浪尖，它能通过物联网将生产和网络世界相连，使工业4.0成为现实。“智能生产”将成为一种标准，基于智能信息通信技术（ICT）的机器、系统和网络能够独立交换和响应信息，管理工业生产过程。

作为高科技战略2020行动计划的一部分，德国政府确定了十个“未来项目”，工业4.0项目（INDUSTRIE 4.0 project）便是其中之一。工业4.0是德国要成为工业信息技术先锋的战略性举措，该项目为德国创造了重要的机会，让其有潜力将自身发展定位为工业4.0解决方案的领先市场，同时也成为工业4.0的领先供应商，从而进一步增加德国经济，加强国际合作，并创造新的、基于互联网的市场，让德国保持为具有全球竞争力的高工资经济体。

可以说，实现第四次工业革命，或是工业4.0的条件是德国所独有的，因为率先进行分散、自主的实时生产的德国有两种基础：一是德国作为世界上最具竞争力和创新性的制造产业的持续作用，二是德国在工业生产研究开发的技术领先地位。

图1：描述了从封闭的嵌入式系统到最终愿景——物联网、互联网数据和互联网服务的演变过程。

本文作为工业4.0的德国经验的上篇，主要从技术和政策两方面进行介绍。

工业4.0的技术基础及德国的优势

今天，由于制造商面临着成本增加和市场波动的压力，产品的生命周期和测试周期越来越短。产品正变得越来越复杂，越来越定制。制造商发现，将生产转向劳动成本低廉的新兴国家不再是一个成功的路径，因为他们必须平衡大规模生产与定制生产。为满足需求的快速变化，生产必须越来越本地化，例如使用3D打印机。其他因素的重要性也在增加，例如充分利用低能源成本，或者是研发与生产共处一地而加速市场进入时间等。

随着企业和技术趋势以前所未有的方式汇集，制造业正在进行着一场新且深刻的转变。现在，制造商可以在工具、机器、车辆、建筑物，甚至是原材料上添加传感器和微芯片，从而使产品“更聪明”。这些智能物品将能提供丰富的数据，用于更好地了解产品及潜在的问题。正在进行的产品和服务数字化将制造商和客户从固定地点解放出来。在未来，有可能在零件发生故障的地点就能生产出备件，从而大大节省运输和仓储成本。而随着技术促进车间和全球商业战略之间的垂直一体化，以及跨产品设计、计划、生产以及服务提供的水平一体化，制造商比以前更反应及时、更有效。同时，他们还得益于灵活、自组织的商业网络，从而能够在本地执行全球业务计划。

工业4.0是从“集中”生产向“分散”生产的范式转变，它将嵌入式系统生产技术和智能生产工艺流程连接在一起，为从根本上改变工业与生产价值链和商业模式（如“智能工厂”）的一个新的技术时代铺平了道路。从技术上讲，“工业4.0”是指从嵌入式系统到信息物理系统的技术演变，它代表了正在走向物联网、数据和服务的第四次工业革命。

嵌入式系统和网络

信息通信技术 (ICT) 构成了明天的创新解决方案的基石。嵌入式系统和全球网络是驱动技术进步的两个主要的信息和通信技术。嵌入式系统在我们的生活中已经扮演着核心角色，全世界生产的超过98%的处理器被部署在遍布日常生活各个方面的各种设备的稳压器、控制和监控功能中。

嵌入式的系统是目前大多数最现代的技术产品和设备的智能中央控制单元。通常，它们作为信息处理系统，为一定范围内设备特定的应用程序而“嵌入”到“封闭”的产品中。这些与外部世界的“连接”使用传感器和执行器，使嵌入式系统之间以及它们与网络世界的相互联系日益紧密。

信息物理系统

信息物理系统（Cyber Physical System, CPS）是一种实现技术，它将虚拟世界与现实世界结合在一起，创造出了一个真正的网络世界，而智能对象在其中彼此进行交流和交互彼此。它提高资源生产率和效率，并能让工作组织有更灵活的模式。信息物理系统代表了现有的嵌入式系统的下一步进化步骤。嵌入式系统与互联网和在线数据服务一起，共同形成信息物理系统。

信息物理系统是建立物联网（Internet of Things, IoT）的基础，它与互联网服务（Internet of Services，IoS）一起，使工业4.0成为可能。未来，信息物理系统将用以前无法想象的方式，为人类的安全、高效、舒适和健康做出贡献。在这样做的过程中，信息物理系统将发挥核心作用，处理由于人口变化、自然资源稀缺、可持续的流动性和能源变化等所带来的基本挑战。

信息物理系统和物联网、互联网数据与互联网服务智能工厂——自动化制造的未来

虚拟世界和现实的物理世界通过信息物理系统融合在一起，其带来的技术流程和业务流程引领我们走向一个新的工业时代，而工业4.0项目中的“智能工厂（smart factory）”的概念正是对此最好的定义。在生产系统中部署信息物理系统产生了“智能工厂”。与经典的生产系统相比，智能工厂能够提供重要的实时质量、时间、资源和成本优势。智能工厂是为可持续发展和以服务为导向的企业实践而设计的，强调适应性、灵活性、容错能力和风险管理，并具有自适应性和学习的特点。

高水平的自动化是未来智能工厂的标准。柔性生产系统几乎能够在实时条件下做出反应，从而在根本上优化内部生产进程。与传统的生产制造相比，智能工厂生产带来了很多优势，包括：

信息物理系统优化的生产流程：智能工厂“单位”能够确定和识别它们的活动场所、配置选项和生产条件，并与其他单位独立地、无线地进行沟通

通过理想生产系统的智能编译，考虑产品的性能、成本、物流、安全、可靠性、时间和可持续性等因素，获得优化的个人定制产品制造。

资源有效的生产

根据人类的劳动力进行调整，从而让机器适应人类的工作周期。

德国是嵌入式系统的全球领先者

德国是嵌入式系统的国际领先者，同时在安全解决方案和企业软件领域也处于领先地位。德国在问题系统解决方案相关领域拥有令人羡慕的工程声誉，可以调用相当多的语义技术和嵌入式系统专门知识。作为嵌入式系统技术的全球领先者，德国使巧妙地连接了数字虚拟世界与现实世界的信息物理系统技术得以实现。目前，德国的嵌入式系统市场仅次于美国和日本，位列世界第三，其市场每年的产值约为200亿欧元，而预计到2020年，这一数字将超过400亿欧元。

德国发展工业4.0的政策框架和方案

要成为创新、基于互联网的生产技术和服务提供的全球领先者，德国具有理想的条件。在制造、自动化和基于软件的嵌入式系统等领域的技术领先和远见，以及历史上强大的工业网络，都为德国工业4.0项目的长期成功奠定了基石。为了让德国能够在2020年之前成为信息物理系统的领先市场和供应商，一套全面的补充性政策、资金方案以及活动已经落实到位

高科技战略

“高科技战略”于2006年8月推出，其目标是为推动新技术发展而将关键的创新与技术利益相关者汇集到一起，这是这方面的第一个国家概念。这项倡议将所有政府部门的资源结合起来，每年为发展尖端技术预留了数十亿欧元的资金。

高科技战略2020

高科技战略中设定的目标在2010年7月推出的“高科技战略2020”框架中得到了延续与扩展。建立于高科技战略的初步成功之上，这一“继任者”倡议拟创造领先市场，进一步加强科学和工业之间的合作伙伴关系，并继续改善创新的一般条件。高科技战略2020的存在，是为了将德国建设成为气候/能源、保健/营养、移动性、安全性和通信等领域的，基于科学与技术的解决方案的领先供应商。

高技术战略2020行动计划

为进一步实施高科技战略，德国政府于2012年3月通过了高科技战略2020行动计划。该行动计划确定了10个“未来项目”（其中包括工业4.0）。这些项目作为研究与创新活动的焦点，被认为是解决和实现当前创新政策目标的关键。这些灯塔项目将在未来10到15年的时间框架内，追求具体的创新目标。在高科技战略2020行动计划中，已经为工业4.0项目分拨了2亿欧元的资金。

由CDU-CSU-SPD组成的联合政府于2013年12月14日签署了第18期立法期间的联盟协议，该协议将工业4.0未来项目确定为巩固德国在机械工程领域技术领先地位的重要措施。联合政府计划推进传统工业的数字化，扩大到“智慧服务”领域，并加强“绿色IT”部门中的项目和活动。

德国——信息物理系统2020领先市场

作为德国工业4.0项目的一部分，德国志在到2020年，成为信息物理系统的领先供应商。与许多其他工业化国家形成鲜明对比的是，德国一直保持稳定的制造业劳动力，同时在早期阶段就将新技术发展融入到工业产品和生产过程当中。

现实和虚拟世界之间的界限正在瓦解，从而打造了物联网。德国先进的嵌入式系统和信息物理系统实践知识对德国工业而言是重大的机会，它能帮助德国塑造第四次工业革命（工业4.0）。信息物理系统议程

信息物理系统议程（Agenda CPS）由德国国家科学和工程院（German National Academy of Science and Engineering，acatech）代表联邦教育和研究部（Federal Ministry of Education and Research，BMBF）领导，其目标是建立一体化的信息物理系统研究议程，让德国作为领先的市场和供应商而影响这一技术革命的发展，与工业和技术参与者竞争。

信息物理系统议程确定了到2025年的四大主要领域的应用，它们是“能源”（智能电网的信息物理系统）、“移动性”（网络移动性的信息物理系统）、“健康”（远程医疗和远程诊断的信息物理系统）和“工业”（工业和自动化生产的信息物理系统）。

“ICT2020——为创新而研究：工业4.0的IT系统”项目

创新的信息通信技术（ICT）研究（包括工业4.0的IT系统）由联邦教育与研究部在其“ICT2020——为创新而研究”项目中提供，它处于高科技战略2020和联邦政府的“数字德国2015”ICT战略框架内。特别需要指出的是，信息通信技术的研究重点集中在复杂的系统（如嵌入式系统），新的业务流程和生产方法，以及物联网和互联网服务领域的ICT。在信息物理系统、物联网和互联网服务、以及工业4.0的IT系统领域开展的研究活动都有资格获得资助。软件系统和知识处理方面的科研经费被分为三个具体类别：

嵌入式系统，特别是侧重于软件密集型的嵌入式系统，链接到电子、通信技术和微系统技术；

电网应用和基础设施的模拟现实、虚拟/增强现实技术和环境智能、模拟仿真，以及高性能计算的信息物流和软件开发；

有语言和媒体技术的人机交互、生物模拟信息处理，以及服务机器人和可用性。

这三类研究领域与软件工程、可靠性和安全性等跨学科技术相辅相成，因为它们将软件密集型嵌入式系统、电网应用程序和基础设施，以及虚拟/增强现实作为战略优先事项。申请项目应当以业务为导向，并且包括与大学或非大学研究机构的合作，同时会以个案为基础来公布开始接受申请。

“工业4.0的自治”技术方案

“工业4.0的自治——未来多维度互联网中的生产、产品和服务（AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0 - Production, Products, Services in the Multidimensional Internet of the Future）”技术方案有助于执行高科技战略2020中设定的各项目标。优先领域包括发展能够自主地处理复杂任务的机器、服务机器人和其他系统的下一个进化步骤，因为从基于信息通信技术的控制机制过渡到自主行动组件开创了一个新时代，在新的、灵活的生产基础设施中，效率、成本效益和质量都得到提高。

物联网技术的发展已经涵盖在联邦经济事务和能源部（Federal Ministry for Economic Affairs and Energy，BMWi）的下一代媒体（新技术和普适计算）和 AUTONOMIK（中小企业的自主的、基于仿真的系统，autonomous, simulationbased systems for small and medium-sized enterprises）先驱项目中，它们在不同的应用场景中为新产品、服务和商业模式提供了重要的动力。

BMWi THESEUSR&D资金项目中还建立适用于互联网应用和服务领域中的语义技术的重要发展。后续的工业4.0自治项目（AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0）已经为公司和研究机构提供了4000万欧元的可用资金，用以推进信息通信技术和工业生产的智能交互，而其中主要的工业生产领域包括面向未来的生产系统和生产逻辑，面向未来的高端产品（包括服务机器人），和面向未来的知识密集型电子服务。

CyPros（Cyber-Physical Production Systems，信息物理生产系统）项目

CyPros（Cyber-Physical Production Systems，CPPS，信息物理生产系统）研究项目发起于2012年，由威腾斯坦集团（Wittenstein AG）领导，包括来自科学和工业界的许多参与者，其目的是研究和开发用于工业生产和物流系统的一系列信息物理系统模块。在这个为期三年的项目中，与基本参考架构一起，这些系统模块将让制造业实现生产力和灵活性的大幅增加，同时也将使德国成为这些系统的领先用户和提供商。

信息物理生产系统（Cyber-physical production systems，CPPS）由智能机器、物流系统和生产设施组成，能够为纵向一体化和网络化制造实现基于信息通信技术的无与伦比的集成。通过引入信息物理生产系统（CPPS），不仅能使日益增加的竞争的复杂性得以控制，而且会导致制造企业的生产力和灵活性有可持续的、显著的提高。由此产生的信息物理生产系统技术将让德国作为国际生产区，由于提高了生产效率和灵活性而增加竞争力，同时，让信息物理生产系统作为适销对路的产品推向市场，从而让德国成为信息物理生产系统的领先供应商。

CyPros遵循三个独立的目标阶段：

为生产和物流系统开发参考体系架构和有代表性的一系列信息物理系统模块。

为引入信息物理生产系统提供普遍的做法、支持工具和平台。

为信息物理生产网络的商业运作，以及它们在展示工厂中的实际生产环境中的实施，提供技术和方法基础。

RES-COM项目

RES-COM项目发起于2011年6月，由联邦教育和研究部资助，处理在工业4.0情境下，通过高度互联和集成的传感器－执行器系统而进行的资源自动保护问题。环境激活的资源效率原型方案正在实施。

RES-COM采用一种全新的核心技术，该技术基于具有嵌入式传感器和执行器的有源数字产品存储和软件服务代理。RES-COM项目由德国人工智能研究中心（German Research Center for Artificial Intelligence，DFKI）监督，其合作伙伴包括SAP、西门子、IS Predict和7x4 Pharma。

德国发展工业4.0不仅具有其自身的工业传统、创新优势以及技术优势，同时还有一系列的政策与方案支持。但是除此之外，机构的参与、公司的配合也必不可少。在下一篇中，我们将着重进行介绍。