中国应该如何借鉴工业4.0？

文 | 王喜文

中国应该如何借鉴工业4.0？

文 | 王喜文

工学博士，博士后，高级工程师。曾在北京第一机床厂工作过两年，后开发10年计算机软件，2009年8月进入工业和信息化部国际经济技术合作中心工作，历任信息部副主任、主任、电子商务研究所所长、工业4.0研究所所长。

在德国工业4.0中，通过信息物理系统（CPS）实现工厂/车间的设备传感和控制层的数据与企业信息系统融合，使得生产大数据传到云计算数据中心进行存储、分析，形成决策并反过来指导生产。

具体而言，生产线、生产设备都将配备传感器，抓取数据，然后经过无线通信连接互联网，传输数据，对生产本身进行实时监控。而生产所产生的数据同样经过快速处理、传递，反馈至生产过程中，将工厂升级成为可以被管理和被自适应调整的智能网络，使得工业控制和管理最优化，对有限资源进行最大限度使用，从而降低工业和资源的配置成本，使得生产过程能够高效地进行。

过去，设备运行过程中，其自然磨损本身会使产品的品质发生一定的变化。而由于信息技术、物联网技术的发展，现在可以通过传感技术，实时感知数据，知道产品出了什么故障，哪里需要配件，使得生产过程中的这些因素能够被精确控制，真正实现生产智能化。因此，在一定程度上，工厂/车间的传感器所产生的大数据直接决定了工业4.0所要求的智能化设备的智能水平。

此外，从生产能耗角度看，设备生产过程中利用传感器集中监控所有的生产流程，能够发现能耗的异常或峰值情况，由此能够在生产过程中不断实时优化能源消耗。同时，对所有流程的大数据进行分析，也将会整体上大幅降低生产能耗。

工业和信息化部自成立以来，一直致力于推进工业与信息化的两化融合工作，通过信息化的融合与渗透，对传统制造业产生革命性影响。具体体现在，降低制造业成本、提高制造业管理水平、提高制造业生产率、促进制造业生产模式的创新、加快制造业服务化的转变、提升制造业创新能力、加速制造业实现节能减排、推动制造业的全球化、催生制造业新的业态等诸多方面。

工业4.0本质上是信息技术引发的，与我国的“两化融合”异曲同工。在未来制造业中，我们应该将两化深度融合作为主要着力点，进一步加大推进信息化力度。

首先是，积极研究部署信息物理系统（CPS）平台，实现“智能工厂”的“智能制造”。智能制造已成为全球制造业发展的新趋势，智能设备和生产手段在未来必将广泛替代传统的生产方式。而信息物理系统（CPS）将改变人类与物理世界的交互方式，能够使得未来制造业中的物质生产力与能源、材料和信息三种资源高度融合，对实现“智能工厂”和“智能制造”提供有效的保障。美国、德国等世界工业强国都高度重视信息物理系统的构建，加强战略性、前瞻性的部署，并已然取得了积极的研究进展。而我国目前的制造业发展仍然以简单地扩大再生产为主要途径，迫切需要通过智能生产、智能设备和工业4.0理念来改造和提升传统制造业。

其次是，推动制造业向智能化发展转型的同时，同步推动制造业的模式和业态的革新思维。主要体现在，从大规模批量生产变为大规模定制生产的革新、从生产型制造变为服务型制造的革新、从集团式全能型生产变为网络式协同制造的革新、从两化融合变为工业互联网的革新。

“中国制造2025”计划发布之后，为什么还要和德国合作？原因有很多方面，但不外乎以下几点。

首先是解决标准化的难题。目前，在国际标准化舞台上，美国、德国、日本等发达国家之所以能够长期保持主导地位，其原因正是凭借强大的制造业综合实力，而我国目前在国际标准化舞台上仍然处于“听众”角色，也侧面反映了我国制造业整体水平的差距。我国制造业在产品设计和生产流程控制方面一直是弱项，缺少标准化，更缺少国际标准化的思维。

标准先行是工业4.0战略的突出特点。工业4.0战略的关键是建立一个生产设备、生产资源、生产管理系统互联互通的网络化制造，各种终端设备、应用软件之间的数据信息交换、感知、分析处理、维护等必须基于一套统一的标准化体系。因此，为了保障工业4.0顺利实施，德国将标准化排在八项行动中的首位，同时在工业4.0平台下成立一个工作组，专门处理标准化和参考架构方面的问题。2013年12月，德国电气电子和信息技术协会发布了德国工业4.0标准化路线图。可以说，标准引领信息技术与工业的深度融合是未来制造业的重要手段。我国在推进信息技术与工业深度融合的具体实践中，也应高度重视标准化在制造业发展中的引领作用，及时出台“两化融合”或“两化深度融合”的标准化路线图，引导制造业企业推进工业互联网建设。同时，还要尽最大可能实现标准的国际化，使中国制定的标准得到国际上的广泛采用，以夺取未来产业竞争的话语权。

跨学科、跨领域是制造业高技术化发展的显著特点。随着制造业技术不断进化，以信息技术、半导体、新材料、新能源为代表的许多高新技术，正在以前所未有的广度和深度渗透到制造业的各个环节之中，使制造业的产品和生产过程，以至管理方式都发生了深刻、甚至是革命性的变化，导致一大批新兴高技术制造业产业的出现。反过来，制造业在发展过程中，不断融入机械、电子、电气、光学、自动控制、新材料、新能源、人机工程以及信息技术、网络技术、通信技术以及信息安全等诸多技术领域的集成与应用，形成极为复杂的系统化过程。所以，只有一开始就进行标准化的约束和引导，才能有序开展与推广。

因此，在上述技术发展的趋势下，未来的制造业中，标准仍将继续发挥重要基础作用。标准的建立和掌握也往往是产业内企业制定战略时必须关注的重要领域。也可以说，标准已经成为未来制造业的战略工具。

其次，解决复杂的系统管理问题。产、学、研、用多个层面的联合机制在一定程度上能够化解系统的复杂化，不断完善管理体系。德国工业4.0是由德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子、博世等企业等联合发起的，工作组成员也是由产、学、研、用多方代表组成的。因此，工业4.0战略一经提出，很快得到了学术界、产业界的积极响应。事实上，发达国家重视产、学、研合作的战略意图不仅仅是扩大市场，主要还是希望通过产、学、研合作创新，来提升竞争力。

从我国制造业来看，企业普遍重视技术，但不重视流程管控，尤其是在技术研发方面。而未来的制造业体系将越来越复杂，这就需要，在产、学、研、用多个层面来联合推动制造业的创新发展。因此，我国应该充分吸收和借鉴德国工业4.0的产、学、研、用联合模式，一方面，政府要通过引导和支持的方式促进不同类型的产、学、研合作联盟发展；另一方面，选择几个重点行业和关键技术领域进行试点，由创新意愿较高的企业牵头，联合科研实力雄厚的大学或科研机构，组建多种形式的产、学、研研发联盟，充分调动各方资源和力量，共同推进技术研发与应用推广。

德国认为，迈向工业4.0之路，实际生产过程与各种业务管理系统协同之后，系统整体更加复杂化，对其进行管理将更困难。除了产、学、研、用多个层面的联合互动之外，还需要实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。横向集成主要解决企业和企业之间复杂系统管理，实现信息无缝的交流，也就是网络协同制造的企业间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源信息共享与资源整合，确保了各企业间的无缝合作；纵向集成主要解决企业内部的复杂系统管理，从企业的研发、设计、制造、验证、物流、交互，所有的信息无缝隙的、高效的、顺畅的传递；端对端集成主要解决贯穿整个价值链的工程化信息系统集成的复杂系统管理，以保障大规模个性化定制的实施。

再次，有助于通信基础设施建设。一方面，德国工业4.0的本质就是基于信息物理系统(CPS)实现“智能工厂”，让制造业的各个环节充分地与互联网融合，形成工业互联网。而实现工业互联网就需要适用于工业的、具有高可靠性的通信基础设施建设作为基本保障。

另一方面，随着工业互联网的形成，也必然会出现工业大数据。比如说，设计、仿真、工艺、加工、产品结构、配置关系、变更记录等产品数据，设备、质量、生产、采购、库存、电子商务等运营数据，客户、供应商、合作伙伴、客户满意度等价值链数据等等。工业大数据的采集、传输、交互和共享，必然要求建立容量、带宽、存储与数据处理能力更强大的基础实施。

而当前的网络基础设施恐怕难以满足工业4.0时代的要求。因此，构建容量更大、服务质量更可靠的工业通信基础设施将成为未来制造业中迫切需要解决的一项课题。

最后是网络安全保障。自从进入21世纪之后，已经出现了许多对工业基础设施进行网络攻击的案例。比如，澳大利亚下水道监控系统和美国核电站监控系统曾被第三方经由无线网络系统侵入，波兰地铁信号系统被入侵。而近年来，这样的攻击案例正在迅速增加。2012年8月，沙特阿拉伯国营石油公司Aramco受到了网络攻击。据纽约时报报道，攻击者的目标为制油/制气工程，通过使工程中止，让石油/天然气的生产发生异常。这个攻击中使用了“Shamoon”计算机病毒，所幸没有造成生产异常，但是却影响了该公司3万多台计算机，Aramco公司为此中断了一周内部网络访问。在日本，对制造业的网络攻击案例也在增多。据称，某个日本企业每5分钟就遭受一次网络攻击，而且，攻击来源都不相同。

随着工业4.0时代的到来，人力、物料、生产设备、各种生产管理系统以及价值链上的众多协同企业都将互联，随之而来的是网络安全问题的隐忧，也就迫切需要建立一套完善的工业互联网信息安全认证体系。安全认证体系建设是信息安全保障的基础性工作，但在认证制度的设计和标准规范的研究与设计方面，还需要大量的经验和积累。初期，我国可以与国际认证机构合作，开展联合认证服务，但要逐步建立自己的安全认证机制。这不仅是与国际通行做法接轨，也有利于信息安全领域的国际交流与合作，在切实提高我国信息安全水平的同时，帮助和促进工业企业提升信息安全技术水平，引导产业健康发展。