解码德国“工业4.0”

文/饶博 沈忠浩

解码德国“工业4.0”

文/饶博 沈忠浩

经历了一场空前全球金融危机的洗礼，世界正迎来一轮新的科技革命和产业变革浪潮。德国、美国、日本、法国、韩国等发达国家纷纷推出相关国家战略或计划，试图通过技术进步和产业调整重获工业制造优势，力争在未来激烈的全球竞争中占据先机，其中最引人注目的是德国在2011年推出的“工业4.0”。

有人在搜索引擎谷歌上做过这样的统计：从2014年10月至2015年10月，“工业4.0”一词的搜索条目多达24.6万条，而对应的德文“Industrie4.0”只有18.6万条。这组数字从一个侧面反映了中国对德国“工业4.0”的高度关注。

“工业4.0”之所以在中国乃至世界引发广泛关注，很大程度上在于它为世人描绘了一幅“第四次工业革命”的愿景。但是因为概念先导，并且缺乏类似蒸汽机、电力、电子信息技术等前三次工业革命所具有的决定性单一核心技术，围绕“工业4.0”的准确内涵以及它是工业“进化”还是“革命”，一直存在争论。

这也难怪，细看“工业4.0”依赖的技术支撑，如物联网、云计算、大数据、工业机器人、射频识别传感技术、3D打印、虚拟现实和人工智能等，其中有些技术，如3D打印和工业机器人，都已开发应用多年。那么，颠覆性力量在哪里？

“工业4.0”究竟意味着什么，德国人最初自己也说不清。与“工业4.0”相关的概念现在满天飞，核心关键词无非两个，通俗一点说就是“集成”和“智能化”。

“集成”在这里不是简单的拼凑或叠加。在“工业4.0”时代，借助于自动化、数字化等成果，从供给一端到需求一端，各个链条和环节纵横方向都实现互通互联，虚拟世界和物理世界高度融通，进而实现智能管理、智能制造、智能产品、智能物流和智能服务等“智能化”跃升，其中核心是智能制造，所以“智能化”是目标。

通过“集成”实现“智能化”，贯穿其中的是一种全新的理念，即高效的大规模个性化定制生产和服务。在现有工业生产模式下，定制化生产和服务成本高昂。在“工业4.0”时代，人类将以更快的产品研发速度、灵活高效的生产方式、大幅降低的运行成本，为用户提供及时可靠的个性化定制智能产品和服务。由于智能化无处不在，未来将有可能突破工业生产的领域，在更广范围内催生一系列新的产业、服务、管理和生活模式，如智能城市或智能家居等。

由此可见，“工业4.0”其实是一种理念，或者说是一种基于共识的行动纲领。如果说前三次工业革命分别是机械化、电气化和自动化，“工业4.0”或许可以称之为是一次理念催生的“智能化”工业革命。

德国国家科学与工程院院长孔翰宁是“工业4.0”的主要设计师之一。当有人问起“工业4.0”究竟是“进化”还是“革命”时，他耐人寻味地回答说，实现“工业4.0”的过程是“进化的”，但结果是“革命性的”。

“工业4.0”的愿景是诱人的，但要变为现实仍需不断探索。不过，无论这次工业变革是“进化”还是“革命”，至少有两点已不容忽视：一是“工业4.0”是德国政府为未来保持本国制造业世界领先地位而制定的国家战略，并且正在不遗余力地推动；二是“工业4.0”在德国引发了一轮持续不衰的探索创新浪潮，正在逐步重塑德国工业制造。

面对新一轮世界科技革命和产业变革浪潮，中国2015年推出“中国制造2025”，通过两化融合和“互联网+”，对本国制造业进行转型升级，以实现从“中国制造”向“中国创造”的跨越。中国和德国分别是制造大国和制造强国，两国政府正积极推动双方就“中国制造2025”和“工业4.0”进行战略对接。如何抓住机遇，顺利抵达彼岸，既需要迎难而上的战略勇气，更需要立足现实的策略智慧。

首先，新一轮工业革命的本质是主导未来世界的工业标准之争。美国互联网和软件业发达，因此提出工业互联网标准，试图从软件出发打通硬件；德国拥有强大的机械制造业，希望从硬件出发打通软件。中国是制造业和互联网大国，同时拥有推行工业标准所需的庞大市场，应从早期介入，凭借自身优势积极参与游戏规则的制定，并在对外经贸合作中推介“中国标准”。

其次，因地制宜制定发展策略。“工业4.0”的实现将是一个长期的过程，即便在德国最具竞争力的工厂，目前也只是局部实现“工业4.0”的应用。“工业4.0”是具备基础条件的企业转型升级的方式之一，但不是竞争力的唯一来源。根据世界银行和通用电气公司的一项统计预测，“工业4.0”将影响46%的全球经济。中国人多地广，产业发展极不平衡，有的还停留在工业2.0时代。条件成熟的企业可以引进先进解决方案或寻求弯道超车；条件不成熟的则要立足现实，寻找更符合自身需求、更经济的转型升级方案。

第三，掌握核心技术的才是王者。中国政府大力倡导“大众创业、万众创新”，归根结底就是要有我们自己的核心技术。如何集中力量在诸如芯片、精益模具等一些尖端制造领域实现技术突破，如何更好地保护知识产权鼓励创新，如何珍惜和更好地充分利用本土创新，都是未来努力的重要方向。

第四，始终把安全放在重要位置。智能化时代数据高度互联，如何确保数据或信息安全被认为是实现“工业4.0”的主要挑战之一。这不仅在企业层次，在国家层次更是如此。

德国“工业4.0”——路径日渐明晰 目标任重道远

德国总理默克尔日前访华期间，中德双方重申加强“中国制造2025”和“工业4.0”的对接合作。默克尔还专程赴沈阳，参观中德高端制造产业园。德国“工业4.0”再次成为关注话题。

“工业4.0”是德国政府旨在将信息通信技术同传统制造技术进行深度结合以保持制造业世界领先地位的一项发展战略，将对全球制造业产生广泛而深远的影响，被称为“第四次工业革命”。这一战略或概念自提出以来，在短短几年时间内经过讨论和实践检验，实施路径日渐明晰。尽管“工业4.0”正从概念变为现实，越来越多的企业愿意了解和尝试使用“工业4.0”技术，然而全面实现“工业4.0”目标依然任重道远。

“工业4.0”从概念到现实

“工业4.0”概念的提出同德国工业科学研究联盟有密不可分的关系。2006年，德国联邦教育和科研部发起成立工业科学研究联盟，旨在推动科学同工业的结合。德国联邦外贸与投资署的信息显示，2011年1月，工业科学研究联盟正式发起动议，将“工业4.0”作为德国政府未来项目。后来，“工业4.0”成为德国政府2020年高科技战略行动计划中10大未来项目之一。

在2011年4月的汉诺威工博会上，德国人工智能研究中心主任沃尔夫冈☒瓦尔斯特尔在开幕式致辞中谈到高收入国家的企业如何面对全球竞争时表示，企业应该准备好迎接由互联网带来的第四次工业革命，“工业4.0”的概念从此开始进入公众视野并引发持续热议。

同前三次工业革命不同的是，“工业4.0”作为一个概念是先于事实发生的。因此，过去几年来人们对“工业4.0”的概念议论纷纷，莫衷一是。尽管讨论在继续，德国政府、科研院所和企业却并没有停止“工业4.0”产品和技术的研发和应用。

为推进“工业4.0”项目，德国信息技术、电信和新媒体协会、德国机械设备制造业联合会和德国电气电子行业协会于2013年汉诺威工博会上正式成立了德国“工业4.0平台”，平台由德国联邦经济部长加布里尔、教育和科研部长约翰娜☒万卡以及来自行业、科技界和工会的代表共同领导。

按照“工业4.0平台”的定义，“工业4.0”代表着第四次工业革命，是产品生命周期内全价值链的组织和控制的一种新水平。在“工业4.0”条件下，人、物品和系统相互联接，从而形成有活力的、实时优化、具有自我组织功能、跨企业的价值附加网络。这种网络能够根据成本和资源消耗等不同的标准进行优化。

“工业4.0”致力于满足不断上升的个性化消费需求，涉及产品从概念到订单，从研发到生产，从产品配送到回收等所有阶段。据“工业4.0平台”介绍，“工业4.0”描述的是工业未来的愿景，其潜力体现在高度弹性、高生产率以及资源友好式生产。“工业4.0”技术的运用使得高度个性化产品的低成本生产变成可能。

经过几年发展，“工业4.0”所涵盖的内容不断扩充。从近几年的汉诺威工博会看来，德国企业在“工业4.0”产品和解决方案的研发方面进展迅速。在2015年之前，在汉诺威工博会上展商对“工业4.0”大都停留在概念探讨层面，在2015年的展会上不少大企业展出了示范性的“工业4.0”生产线，而今年的展会上许多中小企业都展出了自己的“工业4.0”产品和解决方案。

德国博世集团互联工业创新小组负责人斯特凡☒阿斯曼强调说，2016年博世集团在汉诺威工博会上展出的全部的“工业4.0”产品都已经投入商用，并非用来做实验的展示品。

汉诺威工博会展商顾问委员会主席弗里德黑尔姆☒洛指出，今年的汉诺威工博会展出了400多个“工业4.0”的实用案例，这标志着“工业4.0”已经实现了最后的突破。

“工业4.0”既是进化也是革命

尽管“工业4.0”是近些年才出现的一个新概念，但早在概念开始之前德国企业就开始进行了尝试。就其本质而言，“工业4.0”是传统制造技术同信息通信技术的融合，从而使得生产变得更具弹性、更加智能，互联的程度更高、效率更高。从这个意义上来说，“工业4.0”只是数字化生产的延伸，这也是越来越多业内人士将“工业4.0”视作进化的根本原因。

瑞士ABB集团首席执行官史毕福在接受笔者调查时指出，“工业4.0”并非凭空出现，而是在数字化时代快速和持续的进化，而ABB集团几十年前就开始了数字化。与此同时，史毕福认为，“工业4.0”同之前的三次工业革命不同，前三次革命都发生在工厂内部，而“工业4.0”将给全生产的全价值链带来变革，当物、服务和人都相互联接之后，全价值链上的生产率都将得到真正的提高。

虽然“工业4.0”并非是单一技术突破为特征，但是“工业4.0”产品的开发，销售以及其应用后带来的影响都具备多种革命性特征。阿斯曼介绍说，在“工业4.0”解决方案的开发过程中，将IT和机械等不同领域的专家集中在一起相互合作是一个挑战。博世集团的做法是先成立一个多功能小组，在博世集团互联工业创新小组中有100多名来自各个领域的专家，大家相互协作。一个机械工程师刚开始可能不能很顺畅地同一个软件工程师交流，但双方就某些具体的项目展开合作之后，慢慢就能理解对方。

例如，一个机械工程师可能是研磨技术方面的专家，但一个软件工程师并不懂技术，但他可能会告诉机械工程师说自己懂算法，可能探测到机器异常的震动等指标，然后通过软件优化机器的工作状态。

博世集团是“工业4.0”产品和解决方案的提供者，同时也是应用者。其应用“工业4.0”技术的工厂已经显示出令人鼓舞的效果。阿斯曼介绍说，博世能向客户展示其内部测试的具有说服力的数据，比如说应用了“工业4.0”技术之后，物流方面减少了30%的仓储，物流工作人员的生产率提高了10%。在博世的一个规模较大的工厂内，应用了“工业4.0”的能源解决方案之后，每年仅电费就能节约100万欧元，而“工业4.0”方面的投资一年内就能收回。

德国西门子公司首席技术官在接受笔者调查时指出，“工业4.0”技术的应用将给企业带来三个维度的优势。首先，“工业4.0”技术的应用将使得生产过程变得更加透明，从而减少浪费，提高效率，结果必然是劳动生产率会得到提高。其次，或许是更重要的一点是，产品的研发周期将大大缩短。对于越来越多的产业而言，研发周期也被称为“利润周期”，谁最先将想法变成产品就能最快营利，因此研发周期对企业而言至关重要。另外，“工业4.0”将使得生产的弹性大大增加。过去只有少数人才能消费的个性化定制产品将因为“工业4.0”技术的应用而变得更便宜，从而为更多的人接受。

在未来竞争中，“工业4.0”技术的重要性可见一斑。阿斯曼说：“在我们看来，这（工业4.0技术）是未来企业必须拥有的技术，那些不愿意认真去研究‘工业4.0’并尝试使用相关技术的企业未来将面临很严重的危险。”

雷声大 雨点有点小

虽然越来越多的企业开始意识到“工业4.0”技术的重要性，然而在实际应用方面，德国企业却显得“雷声大”而“雨点小”。德国机械设备制造业联合会去年10月发布的意向研究结果表明，德国中小企业在应用“工业4.0”技术方面要落后于大企业。

该研究旨在通过对德国机械工程企业的调查，获取德国机械工程企业应用“工业4.0”技术的意愿和能力情况。针对431家德国企业的调查结果显示，德国工程机械行业普遍认为“工业4.0”是利大于弊的积极事物。90%的企业都认为“工业4.0”有助于其在市场竞争中获得领先地位，

结果显示，57.2%的参与调查企业表示他们企业已经有工业4.0项目。其中20%的企业表示正积极努力开发应用“工业4.0”解决方案。另有三分之一的受访企业表示听说过，但还没有采取行动应用“工业4.0”技术。仅有9%的企业表示不太清楚“工业4.0”的概念。在应用“工业4.0”技术的程度方面，12%的机械和工厂工程企业表示他们是“先行者”，另有20%表示他们是“跟随者”，46.5%的企业表示自己还是“观察者”。根据该研究得出的结论，人员和资金是德国企业在应用“工业4.0”技术方面面临的主要问题。

未来面临多重挑战

截至目前，德国除了博世、西门子以及其他一些大型车企等之外，绝大多数中小企业在“工业4.0”技术的实际应用中都处于相对落后地位，这与“工业4.0”自身的特性密不可分。

首先，由于企业生产情况各不相同，完整的“工业4.0”解决方案通常都是针对用户情况量身打造，这就给解决方案或者产品的开发带来了极大难度。据悉，开发“工业4.0”解决方案需要生产制造方面的专家同IT专家相互配合，对于绝大多数中小企业而言，这几乎是他们无法逾越的鸿沟。其次，由于“工业4.0”没有普遍适用的“标准”产品，其销售同传统产品的销售相比更加复杂。

阿斯曼表示，“工业4.0”的销售人员必须是对生产过程等都十分熟悉的专家，博世集团必须培训足够多的专家，这是一个挑战。

德国机械设备制造业联合会“工业4.0”项目发言人弗兰克☒布吕克纳在接受笔者调查时指出，中小企业认识到“工业4.0”或将给他们带来新的商业模式，提高生产率，以有竞争力的价格生产个性化产品以及在类似德国的高收入国家确保工作岗位等好处。与此同时，中小企业对于一些问题依然存疑，比如由于信息安全或者标准等因素，在“工业4.0”方面的投资安全问题、经济回报问题、有资质的雇员数量短缺问题以及法律问题等。

布吕克纳认为，“工业4.0”的全面推广应用在当前并不成熟，因为想要通过购买的方式应用“工业4.0”解决方案几乎是不可能的。“工业4.0”只能依靠企业自己去开发：首先确定某方面的“工业4.0”技术需求，然后从部门到工厂，再到整个企业，继而扩展到企业之间，逐步推广应用，这对企业来说可能需要花好几年时间。布吕克纳表示，“工业4.0”只是一个愿景，通往“工业4.0”却是一个逐步进化的过程，最终实现预计需要10到15年时间。

在“智能工厂”体验“个性化定制”

“智能工厂”被称为德国“工业4.0”实现智能制造的关键。在不久前的汉诺威工业博览会上，汉诺威大学研发人员别出心裁，推出一条智能化的圆珠笔生产线，不少参观者在亲身体验“个性化定制”生产后大呼过瘾。

这条生产线安装在一个100多平方米的展厅里，分六个环节，汉诺威大学研发人员在现场讲解，并引导和辅助参观者完成“智能生产”。

第一个环节是个性化定制。在电脑上填写姓名和电子邮箱即可开始个人定制，共有五个变量或选项：笔头、笔身、笔帽、笔芯和签名。笔头有凸凹平三种选项；笔身则是在一个指定范围的连续变量，靠屏幕上的一个虚拟滑轮左右滑动来控制具体参数；笔帽和笔芯各有红、蓝、黑三种颜色可选；签名可长达20个左右字符，内容自定。定制结束后电脑会打印一个二维码，其中包含所有定制信息，后续环节均专设二维码读取器。

第二个环节是生成订单。这一环节比较简单，由二维码读取器扫描二维码，定制信息即输入整个生产线。将二维码贴到一个托盘的标定位置，托盘中有一块专门设计的海绵垫，可摆放笔头、笔身、笔芯和笔帽。

第三个环节是生产笔身。扫描二维码后，一台精密车床即根据定制信息对一个不锈钢笔身毛坯进行加工：先将毛坯整体切削至定制粗细，再根据定制在笔身握笔处铇出弧线，然后打孔、扩孔、攻丝，车床舱内几个切割头和钻头来回自动切换，看得人眼花缭乱。最后一道工序是切割，一个明亮精致的不锈钢定制笔身搞定！

第四个环节是组装。组装台上方有数排方格，依次摆放着各种笔头、笔帽和笔芯零配件。扫取二维码后，对应定制零配件的方格即被不同颜色的射灯照亮。体验者取出定制配件摆放到托盘海绵垫上，然后按显示屏提示顺次组装成一支完整的圆珠笔。

第五个环节是激光刻字。扫取二维码，将圆珠笔放入激光雕刻机内。不到一分钟，自选的文字甚至图案即被镌刻在不锈钢笔身上。

第六个环节是检测验收。先把托盘放在标定位置并读取二维码，一只灵巧的机械手伸过来自动抓取圆珠笔，随后将其放入另一侧的质量检测仪中，确认产品质量合格且符合定制信息后，检测仪屏幕上即显示“祝贺”字样，一支如假包换的个性化定制圆珠笔出厂交货了！

研发人员介绍说，这其实是一条科普性演示生产线，为便于参观者体验，特意分成相对独立的六个环节，而且有的工位需要人工辅助操作。虽然生产线很简单，但体现了工业4.0的一些重要理念：个性化定制和智能生产。换句话说，尽管参观者的定制各不相同，全部可在一条生产线上完成，不需额外增加生产线或设备。这种生产过程中的高度灵活性和机动性，就是“智能”的体现。

特别值得一提的是，笔身握笔处的造型由一个指定范围的连续变量控制，该处笔身的粗细和弧线完全由参观者根据个人审美和握笔习惯来自我设计。由于虚拟滑轮的位置是随机的，从理论上说，这意味着生产出来的每支笔都可能不同，加上激光雕刻环节，可以说每支笔都是独一无二的。如此定制的圆珠笔，既可个人收藏，也可作为小礼品或生日礼物送人，都具有特别意义。笔者亲见一个德国男孩很想多做几支，因为人多，被在场的研发人员婉言劝止了。

博览会还展出了一条定制轨道式接线端子的智能生产线，核心设备是一个八臂机器人。接到订单后，机器人首先确定它能否组装定制的产品。如果能，机器人瞬间就能按定制要求组装出一个轨道接线端子，然后成型、验收。但凡轨道长度、模块数量或模块之间的间隙与定制不符，就不能通过最后一道工序的检测。

有人担心，高度个性化定制可能导致产品售后服务太复杂或成本太高，但从上述两条智能生产线的实际运作看，由于产品有可能出问题的部分均高度模块化，替换更新其实非常便捷。

至于个性化定制需求究竟有多大，业内的普遍看法是，个性化需求固然强求不得，但随着技术进步和消费者要求或品味的不断提高，一个大规模个性化定制需求的时代应该不会遥远。从供给侧角度说，最重要的是，当这个时代真的到来时，生产商是否为此做好了准备。

展望未来，“工业4.0”带来的机遇与挑战并存。有句话说得好：一个理念从提出到实现是一个很漫长的过程，甚至到最后出现的已经完全不是最初设想的东西。尽管“工业4.0”或缺乏颠覆性的技术支撑，但渗透其中的全新理念有可能在未来带来颠覆性的变革。这或许正是它的魅力所在。

浪潮已经汹涌而起，失之交臂者将会被时代远远抛在后面。这的确是一个需要和呼唤弄潮儿的时代。