关于工业4.0——定义、历史、特点、变化及挑战

编译/辛妍

关于工业4.0
——定义、历史、特点、变化及挑战

编译/辛妍

自从工业革命以来，技术进步带动工业生产力激增。19世纪开始有蒸汽机动力工厂，20世纪早期由电气化导致了大规模生产，而20世纪70年代工业实现了自动化。然而在随后的几十年里，工业技术进步呈渐进增长模式，尤其是与改变了IT、移动通信和电子商务的突破相比，更是如此。现在，我们正处于技术进步的第四次浪潮中，新数字工业技术兴起，导致工业再一次发生转型，即常说的工业4.0。在这一转型中，传感器、机器、工件和IT系统将被连接在超越单个企业的价值链系统中。这些连接的系统（也称为信息物理系统，cyberphysical systems，CPS）可以使用标准的基于互联网的协议彼此进行交互，通过分析数据来预测故障，配置自身，并适应变化。工业4.0将使跨机器收集和分析数据成为可能，实现更快、更灵活及更有效率的工艺流程，从而生产出更高质量的产品，并降低成本。反过来，这也会提高制造业的生产率，转型经济，促进工业增长，改变劳动力的配置，最终改变公司和区域的竞争力。

本文将着重介绍工业4.0的相关背景知识，包括工业4.0的定义、历史、产业格局特点、可能带来的变化，以及成功发展面临的挑战，以期让读者对工业4.0这一概念有个初步的系统性认识。

工业4.0的定义

根据德国工业4.0平台的定义，“工业4.0”一词代表了第四次工业革命。对它最恰当的理解是对产品生命周期整个价值链的组织和控制有一个新的水平，其面向的是越来越个性化的客户需求。这个周期始于产品的最初理念或想法，涵盖订单配置、开发与制造，直到产品交付给最终用户，以回收告终，并包括由此产生的所有服务。第四次工业革命的基础是通过连接价值链中所有实例，让所有的相关信息实时可用。随时从数据中获得最优的价值增值流的能力也至关重要。人、物和系统的连接创建了公司内部和公司之间的动态的、自组织的并实时优化的增值连接。根据不同的标准，例如成本、资源的可用性和消耗等，可以对其进行优化。

工业4.0框架包括价值链联网，产品数字化和新的商业模式。具体如图1所示。从图中可见，除了这三个主要组成部分，合作在工作4.0的背景下也相当重要，这主要是因为合作能够更好地满足客户的需求，实现更快的产品上市时间，能够更有效的进行劳动分工，具有更大的灵活性，更高的创新率/速度，同时，合作还能帮助获取诀窍/专家知识，并力求达到风险最小化。

工业4.0要求横向和纵向价值链的全面数字化，具体可见图2。数字化为新产品创意铺平了道路，而在以前不可能以同样的方式来实现。例如，制造数据可以存储在云中，专家可以从中进行分析，以确定可能进行的改进。

图1：工业4.0框架图

为确保未来的销售增长，新的电子的商业模式将扩展现有的产品与服务组合。它们通过量身定制的解决方案为客户提供巨大的附加价值。这些新的商业模式的特点是跨价值链的横向合作大大增加，对数据的综合运用与分析也大大增加。因此，它们能够更好地满足客户的要求。一个真正可持续发展的成功的商业模式，需要工业4.0多个方面的组合，其关键方面包括与客户和合作伙伴之间更强大的联网，提供“解决方案/系统”而不是产品，能为客户提供更多利益的数字服务扩展，高效并安全的云技术，价值服务（例如应用程序）的开发/扩展，更多的与最终客户的直接业务，以及考虑新的数字对手，并加强自身定位。

工业4.0的历史

目前全球的制造业份额有40%被新兴国家占据。在过去的二十年里，这些国家所占的份额翻了一番。与之相比，在过去的二十年里，欧洲工业却失去了阵地。以西欧为例，作为传统工业经济的一部分，西欧已失去了10%以上的制造业附加值，即从36%降到了25%。现在，正是重新洗牌的时候。欧洲有机会增加日益减少的工业份额，将其在该地区的价值增值从15%提升到20%。工业在欧盟经济中扮演着重要的角色，占15%的价值增值（相比之下，美国占12%）。工业是研究、创新、生产力、创造就业和出口的关键驱动因素。工业产生了欧盟80%的创新和75%的出口。再加上工业对服务业的影响，工业可以被视为欧洲社会和经济增长的引擎。

西方文明已经见证了三次工业革命，也可以视为是工业生产过程中的颠覆性飞跃，而它们导致了生产力的显著提高。第一次工业革命通过使用水电、增加使用蒸汽动力和发展机器工具来提高效率，第二次工业革命带来了电力和大规模生产（组装线），而第三次工业革命通过电子和信息技术，进一步加速了自动化。现在，第四次工业革命已经在路上了，因此我们正处在第四次工业革命之中。虽然有些领域会发生快速、颠覆性的变化，但其他领域可能只会发生缓慢、平稳的改变，即一种更“进化”的步伐。但不论是哪种情况，都无法回头。这一次，物理对象被无缝地集成到了信息系统中。

德国拥有世界上最具竞争力的制造业，在制造设备和企业软件领域更是全球领先者。这使得它能够在为未来的工厂开发技术和新的商业模式时发挥先锋作用。在2011年的汉诺威工业博览会上，首次使用了德国名词“工业4.0”。它包含了制造业中一系列的将新技术与工业标准相结合的创新进程和发展，以便为日益快速变化的市场服务。工业4.0对工业德国非常重要，因为制造业仍然是德国在世界经济中占据强势地位的决定性因素。德国在提供并实施工业4.0解决方案中发挥着主导作用。 德国联邦政府的各项行动计划，以及由工业协会和商业公司的共同倡议，比如支撑创新和生产潜力的工业4.0平台，都与工业4.0相关。德国中央政府和联邦各州都已经推出战略举措，推动工业4.0发展。BITKOM、 VDI和德国机械设备制造业联合会（VDMA）已经把实用的行动的建议汇总在一起，供免费下载。由于有公司的财政和制度支持，德国在工业4.0方面有很好的定位。在2015年汉诺威工业博览会上，德国将自身展示为工业4.0解决方案的领先供应商和市场。但是另一方面，德国并不孤单，美国和亚洲都已经同意了数十亿美元的投资计划。工业4.0的市场争夺战已经打响。

互联网已经从根本上改变了通信和消费者行为。今天，由于互联网和云计算技术，信息可以在全球范围共享。基于网络的数据集并不是被局限于特定的设备或软件，相反，不论身在何处，你都可以即时的下载和修改的。这个新的游戏领域将会永远地改变工业和制造业。可以说，工业4.0不是由基础技术定义的，而是由模式的转变来定义的，这一模式使我们远离集中的控制，转向一个充满分散化、智能化的过程的世界。 除了技术，组织和软件将在过渡中发挥重要作用。信息是这一进程的核心，它将控制产品的设计和制造，并将在产品的整个生命周期及其后都扮演重要的角色。信息是不断改进的基础，是数字进化的DNA。工业4.0将向行业标准提供基础设施和方法。新材料、单独定制的产品、智能产品和机器，模块化的流程、数据处理和通信—— 就核心而言，工业4.0是网络、产品和使用者之间的交互。如果说，第一次工业革命是机器，第二次工业革命是工艺流程，第三次工业革命是电子，那么第四次工业革命就是信息。

在新的工业4.0路线图中，工业4.0将分三步实施，涉及所有参与者（见图3）

工业4.0的产业格局特点

工业4.0强调持续的数字化这一想法，并且在经济中连接所有的生产单位。工业4.0的产业格局有如下主要特点：

图2：横向和纵向价值链的全面数字化

图3：工业4.0路线图

首先，是信息物理系统（cyber-physical systems，CPS）和市场。今天，IT系统已经成为生产系统的核心。在工业4.0中，这些系统将会更多地与所有的子系统、流程、内部和外部对象、供应商和客户网络相连。复杂程度将更高，这就需要复杂的产品和服务。IT系统将围绕机器、存储系统和供应而建立，坚持定义的标准，并与信息物理系统相连。

其次，是智能机器人和机器的使用。在过去的工业革命中，机器人已经取代了人类工人。在未来，它们将变得更加智能化，这就意味着能够适应变化，进行沟通和互动。这将使公司进一步实现生产力的飞跃，并在成本结构、技能水平和生产场所等方面发生深刻的变化。智能机器人将不仅仅在封闭区域内简单结构的工作流程中取代人类，在工业4.0中，机器人将在互联互通的任务中，使用智能传感的人机接口，与人类携手合作。如此一来，工厂可以每天运作24小时，而工人只需要白天在那儿。从此，没有夜班，而生产力会飞速上涨。

第三，是大数据被广泛应用，并发挥至关重要的作用。数据通常被称为上21世纪的原材料。事实上，企业的数据量预计每1.2年就会增加一倍。未来的工厂将产生庞大的数据，它们都需要保存、处理和分析。这意味着处理这些事情的方法将会大大改变。在法国，有63%的工厂负责人认为网络安全对他们的竞争力至关重要。处理大数据的创新方法以及对云计算潜力的挖掘，将可能创造利用信息的新方式。

第四，是新质量的连接必不可少。在21世纪初，连接只是数字世界的一个功能，但在工业4.0中，数字和现实世界将相互连接。机器、工件、系统和人类不断通过互联网协议交换数字信息。这意味着物质将与它们的数字足迹相连。具有互连机器的生产将会变得非常平稳顺利：当一台机器上生产完一个部件时，另一台机器会立即得到通知，同时输送机或物流供应机器人也会得到通知。机器能自动适应各部分的生产步骤，协调系列生产中的每一个生产单位。生产出的产品也能通过物联网互相沟通，让传送带来提取，或者是向订单系统发送电子邮件，说明“我已经生产完成，可以准备交付了”。为了能够顺利地调整生产计划并用更好的方法优化能力，工厂之间也将相互连接。

第五，是能源效率和权力分散下放（Decentralization）。气候变化和资源的匮乏是个大趋势，这将影响到工业4.0的所有参与者。这些大趋势利用工厂的能源分散，触发在制造中使用碳中和技术的需求。对公司而言，使用可再生能源将更具有经济吸引力。在未来，可能许多生产场所能够自己发电，反过来这将影响基础设施提供商。除可再生能源之外，正在研究分散的核电（例如小规模的工厂），以之作为向大型电密集工厂提供电能的一种方式，从而让能源节约达到两位数。

最后一个特点是虚拟工业化。没有什么比启动一个新工厂，或是在现有工厂中生产新产品更困难，因为调整适应的时间、试产、预生产测试等，都需要高素质的团队，并可能会产生意想不到的超支成本。对许多企业而言，一天的停机就意味着巨额的收益损失。工业4.0将使用虚拟工厂和产品为物理生产做好准备。每一个流程都先被模拟，并虚拟验证。只有最终解决方案就位时，物理生产的映射才算完成，这意味着所有的软件、参数、数字矩阵都将上载到控制生产的物理机器上。

工业4.0可能带来的变化以及面临的挑战

工业4.0将会转变整个价值链，让我们能够开发创新的产品和服务。

工业4.0改变了整个公司，因此它必须成为首席执行官议程的一部分。工业4.0不仅包括横向和纵向价值链的数字化，也将彻底改变公司的产品和服务组合，其最终目的是为更好地满足客户需求。可以说，工业4.0的潜在用途远远超出了生产技术的优化。对数据的综合分析和使用是工业4.0的关键能力。而在工业4.0背景下，产品与服务组合的数字化是公司可持续发展的关键。德国联邦信息技术协会、电信和新媒体（BITKOM）认为，工业4.0能为公司带来新的机会，包括竞争实力，柔性制造，单独定制的产品，创新的业务模式，以及新的工作方法等。预计到2020年，欧洲工业公司每年将会在工业互联网应用中投资达1400亿欧元。五年内，80%的欧洲工业公司会数字化其价值链。数字化的产品和服务每年为欧洲工业创造大约1100亿欧元的额外收入。在过去三年，已经将其产品组合数字化的公司的成长在很大程度上都高于平均水平。而咨询公司埃森哲（Accenture）估计，在未来15年，工业4.0将会给全球经济带来14.2兆美元的价值。

工业4.0为新的、经常具有破坏性的数字商业模式铺平了道路。工业4.0会对现有的商业模式有持久的影响，但更特别的是，它将会产生新的、经常具有破坏性的数字商业模式。这一趋势的焦点包括通过不断增长的价值（而不是产品）解决方案以及与客户和合作伙伴的联网，来为增加顾客利益。数字变化的特殊性在于变化速度的迅速加快。颠覆性的创新会导致像信息和通信行业这类工业部门在短期内可持续地变换。

但同时，要成功实施并发展工业4.0也面临着巨大的挑战，比如经济效益不明确并且投资过多，员工资质不足，缺乏认证的标准、法规和形式，关于使用外部数据的法律状况尚不明确，所需技术的成熟度低，有关于数据安全的未解决问题，缺乏来自最高管理层的优先级/支持，基本技术（宽带）扩张速度过于缓慢，以及不足的网络稳定/数据备份。

第四次工业革命已经开始，并为工业企业提供了诱人的机会。然而，工业4.0本身并不是一个终点。它与明确的经济目标密切相关，并有潜力在全球竞争中显示更清晰的差异化。在未来，面对全球竞争对手，能够快速地切换到工业4.0的经济体将具有很大的竞争优势。