对标德国工业4．0中国需要如何补课＊

宗 仁

2016年去德国参加了主题为“产业发展与人才战略”的培训项目，项目安排了德国柏林工业大学、洪堡大学、慕尼黑应用技术大学等教授的讲座，也参观了kuka、蔡氏（zs）、TRAMEC工厂、Man曼恩公司、horsch等知名工业企业，拜访了fraunhfer研究所、用户界面设计公司、老鹰工业园区等推动工业发展的重要服务机构。中国制造业结构升级和转型已迫在眉睫，走进德国的考察学习让我们真切感受到什么才是工业4．0，可以给中国制造业发展提供一些借鉴。

一、如何认识德国工业4．0

“工业4．0”的概念源于2011年德国汉诺威工业博览会，其初衷是通过应用物联网等新技术提高德国制造业水平，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等学术界和产业界的大力推动下，德国联邦教研部与联邦经济技术部于2013年将“工业4．0”项目纳入了《高技术战略2020》的十大未来项目中，计划投入2亿欧元资金，支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新［1］。

工业1．0至工业4．0，就相当于四次工业革命。“工业1．0”大致在18世纪60年代至19世纪中期，可简称“机械化”阶段，标志是机械生产代替了手工劳动，通过水力和蒸汽机实现工厂机械化。这次工业革命的结果是人类从农业社会走向工业社会，出现了车间工人阶层。机械化推动经济发展的同时，也推动了城市化，也导致失业等社会问题。“工业2．0”大致在19世纪后半期至20世纪初，可简称“规模化”阶段，标志是能源使用上的电力驱动，出现车间革命——工厂流水线生产模式，带来产品的规模化生产。福特汽车工厂率先出现流水线生产。“工业3．0”始于20世纪70年代，可简称“自动化”阶段，也就是工业生产过程的自动化。这个阶段诞生了机械手臂、机器人，而电子与信息技术的广泛应用使得自动控制称为可能，同时也导致了分布式乃至全球化的工厂出现。“工业4．0”即将来临，我们也可以简称为“智能化”阶段，“工业4．0”是德国联邦政府高技术战略工作组基于对制造业前景的预测而制订的前瞻性计划，试图呈现以信息物理系统（Cyber－Physical Systems，CPS）为核心，引领第四次工业革命的全新生产体系［2］。其特征表现为，产品全生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块集成，形成一个高度灵活、个性化、数字化的产品与服务的生产模式［1］。

图1 工业1．0到工业4．0的演进

笔者对德国工业4．0有以下认识：

（一）工业4．0的本质是在大数据下实现“智能工厂”

“智能化＋网络化”是工业4．0的主要特征，智能化是德国“工业4．0”计划的灵魂。在工业4．0阶段，工厂内的高精度摄像头、3D技术、传感器和网络技术让人机互动、更加智能。借助“社交网络”，自动化的车间升级为新型“智能工厂”，人机交互更加简单，并双向互动。kuka公司的员工在处理轴承加工打磨、打孔等环节时，在pad上可以自由调整工业流程，设定作业开始和结束的时间，并仍然可以在下班后实现远程控制；同时，具体到某个产品的生产工人、生产时间、检测过程等数据也被实时终身记录下来，进而可以构建大数据系统。这种数据的交互从工人与机器之间、产品与生产设备之间可以逐渐扩大到工厂内的不同车间之间、工厂之间、工厂与设计部门及销售部门之间。

工业4．0的关键突破口是互联网技术的应用。互联网将实体世界与信息系统相结合，物联网、务联网技术普遍运用到了工厂中，互联网将人与机械设备、销售中心、检测中心等都联系在一起，通过信息的自动分析、处置、反馈等实现智能。网络运用不同于技术创新，但可以用于传统行业的改造。工业4．0是网络和大数据的应用，实现“互联网＋”，一切都智能化。例如图2中的“老爷车”，过去汽车刹车片都是规定更换的周期，如5年更换一次，现在车上装着检测刹车片耗损情况的传感器，刹车片需更换的信息会比较精准的把握，把过去的保守估计、模糊质保期变得科学可靠，且信息直接会反馈到厂家，厂家可以精准实现生产订单化，在生产时间和计划数量上也更加合理。车子还是那辆“老爷车”，但是“工业4．0”带来了变化。

图2 互联网的运用让“老爷车”智能化

（二）生产的复杂性与个性化定制成为可能

德国“工业4．0”计划是以生产的复杂性作为工业革命的划分标准。工业产品的消费需求越来越个性化，制造业应该适应个性化定制新模式的要求，产品设计需要有更多的菜单式选择甚至让消费者DIY自主设计，生产也就不可能按传统的大规模批量制造模式。一方面是大量个性化消费需求的海量数据与信息，另一方面是非标准化的产品设计、非标准化的工业流程，这些生产信息与数据也是大量的，这些大数据在互联网上交互，然后由智能制造设备快速分析处理，调整生产流程和配置，定制出个性产品。个性化让生产过程更加复杂，催生制造向智能化发展。工业4．0可以动态配置生产方式，与传统生产方式不同，固定的生产线概念消失了。据宝马公司的介绍，现在宝马的很多款汽车都可以菜单定制和提供个性化产品。

（三）生产性服务业的快速发展为“工业4．0”提供保障

网络、大数据中心等本身就是支撑服务了工业4．0的发展，而现代工业生产的过程融合了更多的生产性服务业的参与，或者说是工业生产中的很多环节被专业化分工出来。工业设计、流程模拟在工业4．0中更重要。模拟过程也是大数据的应用过程。过去工业设计在工业2．0、工业3．0时代都很重要，流水线生产和工业自动化都离不开工业设计。现在工业4．0时代更是将工业设计变成数控机床、操控软件、远程app等，软件成为决定生产程序和产品优劣的关键因素。

在德国政府的支持下，很多高校、研究所和大企业的公共服务平台十分重视为广大中小企业提供公共服务。为中小企业提供信息、测试、流程再造的设计等支持。也有许多咨询机构从高校、研究所分化出来专业从事生产性服务。生产领域的很多重要软件也都源自于德国。kuka机器人公司有80多个合作公司（供应商），提供分析、咨询、模拟、培训和工业设计。工业制造出现更多的专业分工与合作，只有5个人的zs公司与kuka公司合作，侧重于帮助kuka进行机器人应用的开发，帮助用户做量身定做的设计。产业链分工的专业化，飞机、大型客车等的模型生产所需的铣头也只是由几个人的TRAMEC工厂生产，机器手臂则可能是kuka的，而且专业化的分工让上下游供应商建立长期信任的关系。

（四）工业标准化在“工业4．0”计划中更为重要

第四次工业革命本质是争夺主导世界未来的工业标准，谁能早日实现第四次工业革命发展战略，谁就拥有了标准制定者的地位［3］。“工业4．0”将实现技术标准化放在最优先地位，通过标准化规范“工业4．0”的具体部署，加快制定以智能化为特征的重大成套装备、自动化生产线系统标准，尽早确立相应的全套标准化体系［4］。

德国是世界工业标准化的发源地，约有2／3的国际机械制造标准来自“德国标准化学会DIN”，包括一系列专业委员会。10月28日上午我们拜访了德国标准化研究所。德国标准化研究所非国家机构，而是公益性的协会，资金来源于私营企业支持、会费收入和出售“标准”的收入，不受政府和行政部门的约束。3万多条标准只有6000条左右写入法律强制执行，其他都是行业内企业自愿采用。

工业4．0更需要有“工匠精神”。严谨理性是德国人的民族性格，也融入到制造业文化中。“德国制造”以质量标准获得赞誉、树立品牌，很少有召回事件。很多德国工业产品往往不设产品保修期或者是几百年的保修期，因为他们的理念是产品生产出来就是永久使用的。一个钟表的故事是［5］，德国殖民时期在青岛市江苏路修建的基督教堂的钟表，迄今运转正常，2010年，在华投资生产大型齿轮的一名德国商人陪父亲在青岛游览时看见了这座钟表，老人顿时认出钟表所用的齿轮便是由他的家族企业供应的，并表示“还能再用上300年”。精细化管理也贯穿在德国现代工业时代的管理全过程。

二、对标“工业4．0”中国如何补课

我们在看到德国全面进行制造业升级的时候，必须弄清楚自己的路并未有走完。总体看，我国制造业发展仍然以量取胜，劳动力密集，自动化程度低。我国工业订单化产品比例小，个性定制更少，生产自动化程度低，机器人应用更少。某种程度上，还是低水平的工业3．0，首先需要的是补课、补欠帐。如果在机械化程度不高、自动化水平较低、流程管理缺乏标准化等情况下，痴迷于工业4．0的光环，会让我国工业技术革命走入歧途。

（一）要补工业设计的欠帐

工业4．0热衷于智能产品，但对中国而言，工业设计和流程管理还十分薄弱。如何有效管理好BOM（即产品结构及物料清单），有效管理好流程，是我国工业需补的欠帐。德国曼恩公司（man）每5分钟组装完成一辆重型卡车，组装的流程被精细的分解成若干环节，每个环节又有若干动作，但都是5分钟完成，有的环节是纯人工如安装螺丝，有的是人机合作，而有的环节是纯机器人操作，不同环节流程用地面和空中两个轨道轴线相连，流水线进行。每个环节动作的分解与安排都要精心设计。这个组装生产线可以算是工业3．0的高级阶段。而我国，对工业投入的不足和对廉价劳动力的依赖，很多工业产品生产过程缺乏流程设计，自动化程度低，生产效率不高，废料回收和能源再利用不重视，工业环保条件也差。这种现象中小企业尤其普遍，也包括很多开发区企业。由于这样的市场业务少，高水平的工业设计服务机构和人员也缺乏。因此，要大量培养工业设计尖端人才，让工厂流水线更加合理，自动化程度更高，是今后一段时间工业发展必须补的欠帐。

（二）要补智能机器人研发和应用的欠帐

德国在工业领域特别是汽车制造业领域已经广泛应用了机器人。Kuka公司则是用“机器人”生产“机器人”的企业，具有六轴同步、柔性技术等核心技术，钻孔、打磨、铣刨、喷漆等危险环节和超重或重复装卸动作都有机器人完成。机器人具有效率高、误差低、抓重能力强且有学习能力等优势，一个机器人就是一个生产环节的自动化，而且调整机器人的动作内容也非常容易，为工业装配线的更改调整和个性化提供手段。大量机器人的应用实现了高度自动化。

中国现在已经有少数企业开始进军工业自动化、工业机器人等领域，但拿来应用的多、研发的少，处于初期学习阶段。目前仅有华为、海康威视等个别企业能够开始在一些重点展厅与全球领先企业同台竞技。中国要走工业4．0道路，应开展智能机器人及智能装备系统集成、设计、制造、试验检测等核心技术研究，攻克精密减速器、伺服驱动器、传感器等关键零部件［1］。现在中国美的集团已经成功收购了kuka（库卡）公司，这对中国大力推广应用机器人，是一个绝好的机会，可以迅速提高工业自动化程度，快速向工业4．0迈进。

（三）补产品定制和订单经济的课

德国的工业产品往往都是以需定供，实行订单制，一般在客户下订单的15－45天内生产或者组装出产品。过去传统的认识是“资本主义是市场经济、社会主义是计划经济”，在市场经济下产品生产往往没有计划性，超前或者滞后、过量或者不足等都有可能，但在互联网经济下，发挥信息网络作用，大数据应用可以将制造商、供应商、服务维修商和销售商等融合在一起，订单经济和个性化定制都成为可能。“订单制”让复杂的市场需求在大数据云平台的支持下，很好地实现生产的计划性。工业4．0下，大数据让“计划经济”更加精准。制造企业利用智能设备、数据存储系统和生产制造业务流程管理，可以使订单自动通过整个价值创造链条，自动预订加工机器和材料，自动组织向客户供货，自动优化物流体系，并在生产环节实现数字化、可视化的智能制造［4］。

（四）利用工业4．0的新理念、新技术推动产业创新，实现弯道超越

智能机器人、互联网、传感技术等都是全新的工具，这些工具只要在工业产品生产中加以运用即可，并不是必须要多少年的积累才能实现。所以我们不需要简单、重复地走德国等工业发达国家走过的路。工业4．0的新理念、新技术关键在于运用，智能化、互联网化、自动化、个性化、定制化等等都可以快速实现。我们还可以利用新技术大力发展新兴产业，推动产业创新，实现弯道超越。例如德国传统汽车行业非常发达，技术成熟，中国与之差距甚远，但是新能源汽车世界各国都是崭新面对，中国在电动汽车、智能汽车上与其他国家差距不大，如果在汽油发动机变成电池驱动、电池储存技术、快充技术等这些方面快速突破，就可以在未来汽车制造业拥有一席之地。

［1］罗文．德国工业4．0战略对我国推进工业转型升级的启示［J］．工业经济论坛，2014，1（6）．

［2］阿尔冯斯·波特霍夫．工业4．0：开启未来工业的新模式、新策略和新思维［M］．机械工业出版社，2015．

［3］高歌．德国“工业4．0”对我国制造业创新发展的启示［J］．中国特色社会主义研究，2017，（2）．

［4］王茹．德国工业4．0的优势、挑战与启示［J］．经济研究参考，2016，（51）．

［5］齐治平．德国工业4．0：制造业的未来？［J］．决策，2013，（9）．