工业4.0的发展趋势及其对我国制造业发展的影响

党延辉 葛曙光 甘磊 孙建强 敬兴龙

摘 要：2013年，德国首次提出工业4.0的概念用于描述第四次工业革命。由此，本文对工业4.0进行介绍，并对我国生产制造业现状进行总结，探讨工业4.0背景下我国工业未来发展采取的主要措施。

关键词：工业4.0;发展趋势;制造业

中图分类号：T-012 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0039-03

Abstract： In 2013， Germany first proposed the concept of industrial 4.0 to describe the fourth industrial revolution. Therefore， this paper introduced industrial 4.0， summarized the current situation of China's manufacturing industry， and explored the main measures for China's industrial development in the future under the background of industrial 4.0.

Keywords： industry 4.0;development trend;manufacturing industry

目前，世界正经历以“智能”为核心的又一现代工业革命，各国各领域对智能机器人、智能机械、智能生产以及智慧工厂等领域的热度日益高涨。在该背景下，德国政府提出了“工业4.0”战略，并于2013年4月在汉诺威工业博览会上正式发表。此举的主要目的是提高德国工业的全球竞争力，使其在新的工业革命中处于领先地位。这也为各国未来工业的发展奠定了发展方向与目标[1]。

1 工业4.0简介

随着全球技术发展与科技进步，人们对智能、科技生活的追求日益强烈，依托信息物理技术智能化，未来工业发展将进入以智能化技术开展的制造产业为核心的第四次工业革命，又被称为工业4.0[2]。在这一阶段，可以通过信息通信技术和互联网的应用，将虚拟系统信息与物理系统结合起来，完成各行各业的产业升级。

2 四次工业革命对比介绍

2.1 工业1.0——机器时代

第一次科学技术革命以18世纪末蒸汽机的发明和应用为主要指标。这次科技革命使得社会生产力发生了巨大变化，以大型机器代替手工生产，人类进入机器时代，即为工业1.0。

2.2 工业2.0——电气时代

第二次科学技术革命的主要标志是19世纪末到20世纪初的发电机、发动机的发明和应用。整个社会的工业化因为它而被提高到一个崭新的发展阶段，使得社会生产力发展进入电力时代，即为工业2.0。

2.3 工业3.0——信息时代

第三次科技革命发生于20世纪中期，以原子能、电子计算机和空间技术的发展为主要标志。这场新科学技术革命，使世界发生了前所未有的巨大变化。它以信息科学、生命科学、材料科学等为前沿，以计算机技术、生物工程技术、激光技术、空间技术、新能源技术和新材料技术的应用为特征，把人类社会推进到信息时代，即为工业3.0。

2.4 工业4.0——智能时代

工业4.0概念即以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统——信息物理系统（Cyber-Physical System）相结合的手段，将制造业向智能化转型。

“工业4.0”是对前三次革命的继承，在保留优质技术的同时突破发展，并基于信息物理系统实现新的制造方式。信息物理系统通过网络与现实世界紧密相连，并将网络空间的高度计算能力在现实世界中有效利用。因此，在生产制造过程中，所有与设计、开发和生产有关的数据都将被传感器收集和分析，形成一个能够自主运行的智能生产系统[3]。四次工业革命特征见图1。

<E：＼2018-2019河南科技 上中＼2019＼2中＼《河南科技》（创新驱动）2月中旬刊2019年05期印刷文件及内文排版文件＼内文排版文件-河南科技（创新驱动）2019年第05期_103720＼Image＼image1_1_1.png>[Industry 4.0][——德国高科技战略计划首位][蒸汽机][1784][18世纪末][20世纪初][时间][工业革命1.0][工业革命2.0][工业革命3.0][电力广泛应用][工业革命4.0][电子、IT、工业机器人][信息物联系统][复杂程度]

图1 四次工业革命特征图

3 工业4.0三大主题

3.1 智能工厂

智能工厂是现代工厂信息化发展的新阶段，其以数字工厂为前提，利用物联网技术和装置监控技术，加强信息管理和服务[3]。智能工厂的重点在于研究智能化生产系统及其过程，实现办公、管理及生产自动化，减少人为工作失误，提升企业管理水平，提高工作效率等。

智能工厂是智能工业发展的新方向，其特点如下。

①系统具有自主能力：可采集与理解外界及自身的资讯，并据此规划自身行为。

②整体可视技术的实践：结合讯号处理、推理预测、仿真及多媒体技术，将实境扩增，展示现实生活中的设计与制造过程。

③协调、重组及扩充特性：系统中各组承担为可依据工作任务，自行组成最佳系统结构。

④自我学习及维护能力：透过系统自我学习功能，在制造过程中落实资料库补充、更新，以及自动执行故障诊断，并具备排除故障能力。

3.2 智能生产

智能生产是一个由智能机器和人类专家组成的智能系統，一般来说，其可以在生产制造过程中进行智能活动，如分析、推理、判断、构想和决定等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动[4]。

与传统生产制造相比，智能生产系统具有以下特点。

①自律能力，即具备搜集与理解环境和自身的信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。

②人机一体化，人机一体化是一种混合智能，突出了人在制造系统中的核心地位，同时在智能机器的配合下，更好地发挥出人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系，使二者在不同的层次上各显其能，相辅相成。

③虚拟现实，虚拟现实技术是以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体;借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、物件等，使人们从感官和视觉上获得接近真实的感受。

④自组织与超柔性，智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳的組织结构。

3.3 智能物流

智能物流是利用集成智能化技术，使物流系统能模仿人的智能，具有思维、感知、学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力。智能物流的未来发展将会体现出以下特点：智能化，一体化和层次化，柔性化与社会化。智能物流的发展会更加突出“以顾客为中心”的理念，根据消费者需求变化来灵活调节生产工艺;也将会促进区域经济的发展和世界资源优化配置，实现社会化。

4 工业4.0三大趋势

4.1 生产网络化[5]

生产网络化即是在生产过程中，制造运行管理系统将帮助生产价值链中的供应商获得并交换实时的生产信息。供应商所提供的全部零部件都将在正确的时间以正确的顺序到达生产线，实现信息互通，减少工作失误，提高生产效率。

4.2 虚拟与现实世界的完美融合

在未来，生产过程中的每一步都将在虚拟世界被设计、仿真以及优化，为真实的物理世界包括物料、产品、工厂等建立起一个高度仿真的数字生产平台。这不仅使得产品研发过程更为方便、有效、可靠，大幅降低了研发成本，而且对产品后期测试、修改提供了更为便捷的试验平台，极大提高了研发效率。

4.3 信息物理融合系统

在未来的智能工厂中，产品信息都将被输入产品零部件本身，它们会根据自身生产需求，直接与生产系统和设备进行沟通，发出下一道生产工序指令，指挥设备进行自组织生产。信息物理融合系统的实现，能真正意义上实现生产的智能化、智慧化，用户只需要输入自己对某一产品的需求，生产系统即可按照该信息进行产品设计与生产，最终按照用户的需求定制某一产品。基于物联网和服务的智能环境开发过程如图2所示。

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智能环境发展过程][智能化环境][嵌入式计算机][智能工厂][Industry][4.0][90%的计算机都是嵌入式][多个计算机：1个用户][智能手机

智能卡][PC][中央计算机][1个计算机多个用户][1个计算机1个用户][1941][1960][1980][2000][2020]

图2 基于物联网和服务的智能环境开发过程

5 工业4.0对我国制造业发展影响

5.1 中国制造业现状

面对世界工业发展，我国制定了“制造强国战略研究”重大咨询研究项目，对8个国家（美、德、日、英、法、韩、印和中国）从1946到2012年制造业数据进行了趋势分析。20世纪90年代，我国还处在世界第8位，随后排到了第4位，但与美、德、日相比，仍具有较大差距。

我国制造业优势与不足分析如下。

第一，优势。①经过几十年的快速发展，我国制造业规模跃居世界第一;②部分低端经济活动由于工资增长从中国转移，强化了以中国为中心的地区供应链;③国内需求的不断扩大。

第二，不足。①自主创新能力不强，缺乏创新思维;②产品质量问题比较突出，质量得不到保证;③资源利用率较低，能耗较高，污染较为严重;④产业结构缺乏合理性，低端产品产能严重过剩，高端产品能力明显不足。

5.2 工业4.0下我国需要采取的行动

在工业4.0背景下，我国2015年提出了“中国制造2025”的强国战略，以“互联网+”“信息化与工业化深度融合”“智能制造”为改革主要路线，以创新驱动、智能转型和网络化、数字化、智能化为改革核心关键，制定了五大工程战略，即国家制造业创新中心建设工程、大力推进智能制造、工业强基工程、绿色发展工程和高端装备创新工程[6]。

当前，国内工厂大都处在工业3.0甚至2.0的时代，对于关键零部件仍依赖于进口。为改变这一现状，必须提高硬件技术，注重人才培养，并引导其向各行业的流向，以建设“智能工厂”为发展目标。

同时，由于对制造业信息数据采集不够，导致我国一直未能完成工业3.0的变革。为此，应充分利用国内互联网发展的成果，加快数据采集进程，做好大数据建立、储存与应用，为将来向“智能生产”方向发展提供强有力的数据支撑。

最后，对于国内现有物流模式，基本都从国外引进，未考虑到国内人口基数大且相对集中的特点，需要进一步完善国内物流，发展自身优势，竭力创建信息互通、快捷高效的“智能物流”系统。

参考文献：

[1]李晓雷.工业4.0时代的智能制造转型探[J].科技风，2018（10）：7.

[2]戴宏民，戴佩华.工业4.0与智能机械厂[J].包装工程，2016（19）：206-211.

[3]张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程，2014（8）：1-5.

[4]百度百科.智能生产[EB/OL].（2012-09-10）[2016-02-08].http：//baike.baidu.com/link？url=7hNBKIzkVELRbWtO1pHyWIeGKxPDY7iVeCk4_7scgJUUEgSR1Sd3f-ic7WbpLNUxD6teDQVHezMVgKSxZT9UrpeXzoJrs502_SRN3SfwFW.

[5]郑英隆.信息产业加速发展与产业结构升级的交互关系研究[J].经济评论，2001（1）：48-54.

[6]周济.智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J].中国机械工程，2015（17）：2273-2284.