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工业4.0工作组最终报告保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议工业和信息化部国际经济技术合作中心编译2013年10月i目录内容提要....................................................11、引言.....................................................6保障德国制造业的未来.....................................6在制造业中利用物联网及服务互联网.........................82、愿景：工业4.0作为智能、互联世界的一部分................132.1塑造工业4.0的愿景.................................142.2实施工业4.0战略的德国未来如何？...................162.3新的商业机会和模式..................................182.4工作场所的新型社会基础设施...........................202.5新型的以服务为基础的实时CPS平台...................212.6德国工业4.0战略实现之路...........................233、双重战略：成为领先的市场和供应商........................283.1领先的供应商战略....................................283.2领先的市场战略......................................293.3双重战略以及其主要特征..............................304、研究要求................................................355、首要行动领域............................................385.1标准化和为参考结构而开放标准........................395.2对复杂系统的管理....................................455.3为工业提供综合的宽带基础设施........................495.4安全是确保工业4.0顺利实施的重要保障...............505.5数字工业时代的工作组织和工作设计....................60ii5.6培训和持续的专业发展...............................655.7规章制度...........................................685.8资源效率...........................................736、德国如何与世界其他国家相匹敌？.........................807、前景...................................................901内容提要德国制造业是世界最具竞争力的制造业之一，尤其是装备制造业在全球处于领先地位。这在很大程度上源于德国在创新性制造技术方面的研究、开发和生产，以及复杂工业过程管理的专业性。德国拥有强大的机器和设备制造业，在信息技术领域表现出很高的水平和能力，在嵌入式系统和自动化工程方面也颇有建树，这些因素共同奠定了德国在制造工程行业中的领军地位。因此，德国能以其得天独厚的优势开拓新型工业化的潜能：工业4.0。前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。如今，将物联网及服务引入制造业正迎来第四次工业革命。不久的将来，企业能以CPS（Cyber-PhysicalSystems，信息物理系统)的形式建立全球网络，整合其机器、仓储系统和生产设施。在制造业领域，这些CPS包括能自主交换信息的智能机器、存储系统和生产设施，它们能独立运行和相互控制。这有利于从根本上改善工业过程，包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理。智能工厂现在似乎已开始采用一种全新的方式来生产产品。智能产品有唯一的特征被识别，在任何时候都能被定位，我们知道它的发展历程，了解它当前状况，以及实现其目标状态的方式。从通过出2口物流下订单的那一刻起，纵向与工厂和公司业务流程联网，横向连接则可实时管理衍生价值体系，这二者共同构建了嵌入式制造系统。此外，这些指令都要求启用终端间工程（模式）流经整个价值链。工业4.0拥有巨大的潜力。智能工厂让客户个性化的定制需求得以满足，这也意味着，即使产品只生产一次，也能通过颇具收益的方式制造出来。在工业4.0中，以供应商为例，动态业务和工程流程能帮他们根据生产需要最终做出相应改变，并灵活应对生产中断和故障。现在，制造过程中已经能够提供端到端的透明化，以促进决策优化。工业4.0将会开发出创造价值的新方法和新的商业模式。特别是，它将给初创公司和小企业的发展带来机会，下游服务也能从中受益。此外，工业4.0将正视和解决某些当今世界面临的挑战，如资源能源利用效率、城镇化、人口结构变化等。工业4.0能持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。它能将人口结构变化和社会因素考虑在内，以适合的方式组织生产。智能辅助系统让工人从单调、程序化的工作中解放出来，能把精力集中在创新和增值业务上。鉴于熟练工短缺的问题，工业4.0允许老工人延长职业生涯，从而长久地保持生产力。灵活的工作组织形式使工人们能够更好地整合自己的工作，私人生活和持续的职业生涯发展变得更有效率，在工作和生活之间找到了更好的平衡点。制造工程领域的全球竞争变得愈加激烈，德国不是唯一一个认识到在3制造业部署物联网及服务是大势所趋的国家。而且，并非只有亚洲的竞争对手对德国工业造成威胁，美国也在采取措施，通过推进“高端制造业”计划反对“去工业化”。为了实现工业生产向工业4.0的转变，德国需要采取双重策略。德国装备制造业应寻求稳固在全球市场的领导地位，一如既往地把信息通信技术与其传统的高科技战略进行整合，使自己成为智能制造技术的主要供应商。与此同时，还有必要为CPS技术和产品创建新的领先市场，并为之服务。要实现上述CPS双重策略的目标，以下工业4.0的基本特征应该得到落实：（1）通过价值网络实现横向集成（2）工程端到端数字集成横跨整个价值链（3）垂直集成和网络化的制造系统迈向工业4.0之路，德国要在研发上投入巨大的精力。为实施双重策略，所进行的研究得实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于对工业4.0系统的要求和着眼于CPS技术的持续发展，工作场所中新的社会基础设施应该得到更多关注。若工业4.0得以成功实现，研发活动将需要与之适应的工业政策的支持。工业4.0工作组认为，需要在以下8个关键领域采取行动：（1）标准化和参考架构:工业4.0会涉及联网，并通过价值网络集成4几家不同的公司。如果开发出一揽子共同标准，这种合作伙伴关系将成为可能。由此，需要一个参考架构来描述这些标准，并促进它们的实现。（2）复杂系统的管理:生产和制造系统正日益变得复杂，适当的计划和解释性模型能为管理这些复杂的系统打下基础。因此，工程师们应该备有开发出这些模型的方法和工具。（3）一套综合的工业宽带基础设施:毋庸臵疑，高质量的综合通讯网络是工业4.0的关键要求。无论是在德国国内，还是在德国与其他伙伴国之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步大规模拓展。（4）安全和安保:安全和安保对智能制造系统的成功至关重要。确保生产设施和产品本身对人或者环境不造成任何危险，这点非常重要。同时，生产设施和产品，尤其是它们所包含的数据和信息，都需要加以保护，防止被滥用和未经授权的访问（5）工作的组织和设计:在智能工厂，雇员的角色将发生引人注目的改变。越来越多的实时导向的控制，将改变工作内容、工作流程和工作环境。工作组织以一种社会-技术方法实现，将为员工提供承担重大责任和促进个人发展的机会。这一旦成为现实，部署合作的工作设计、终身学习的措施，以及启动参考模型课题将变得尤为重要。（6）培训和持续的职业发展:工业4.0将从根本上改变人们的工作和专业能力。实施适当的培训策略并以培养学习的方式组织工作因此变得5尤为必要，可借此实现终身学习和基于工作地点的个人发展。为达成这一目标，示范项目和“最佳实践网络”应该推广，数字化学习技术也应投入研究。（7）监管框架:在工业4.0下建立新的制造流程和横向业务网络架构时，必须遵守法律；而现有法律也同样应在需要时，考虑到创新的影响进行调整。面临的挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据和贸易限制。这将不仅对立法，也对其他有商业性质的活动提出了要求——制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在，其内容包括指导方针、合同范本和公司集体协议，或者自我监管的举措如审计。（8）资源效率:撇开成本高不说，仅制造业在原材料和能源上的大量消耗就给环境和安全供应带来诸多风险。工业4.0将带来资源生产力和效率的提高。对企业来说，权衡“需要投资在智能工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊非常必要。通向工业4.0，将是一个渐进的过程。为了适应制造工程的特殊需求，现有的基本技术和经验必须加以改变，还必须探索针对新地点和新市场的创新解决方案。如果成功，工业4.0将提升德国的全球竞争力，并保持其国内制造业继续发展。【返回目录】6一、引言保障德国制造业的未来德国的制造业是世界上最具竞争力的产业部门之一。这归功于德国制造业能够管理复杂的工业生产过程,不同任务由位于不同地点的合作伙伴完成。近二三十年来,德国制造业已成功地利用信息通信技术(ICT)实现对工业生产过程的管理——如今,大约90%的工业生产过程已应用ICT技术。在过去三十年甚至更早以前,IT革命使我们生活和工作的世界发生了彻底改变,其影响力可媲美分别成就前两次工业革命的机械和电力。随着个人电脑向智能设备演变,一种新的趋势开始显现:越来越多的IT基础设施和服务通过智能网络(云计算)来提供。伴随微型化和互联网的持续发展,这一趋势宣告了人们期盼的普适计算已成为现实。通过无线,越来越多功能强大的、自主的微型电脑(嵌入式系统)实现了与其他微型电脑和互联网的互联。这意味着物理世界和虚拟世界(网络空间)以信息-物理系统(CPS)的形式实现了融合。新的互联网协议IPv6于2012年推出后,目前已经有足够多的IP地址可供智能设备通过互联网实现直接联网。于是,网络资源、信息、物体和人之间能实现物联网及服务互联网。这也将扩展至工业领域:在制造业中,这种技术演化可以描述为“第四阶段的工业化”或“工业4.0”。7图1工业革命的四个阶段18世纪工业化的进程,始于机械制造设备的出现。那时候,纺织机一类的机器大大改变了生产产品的方式。第一次工业革命之后,在劳动分工的基础上,20世纪的第二次工业革命实现了电力驱动的规模化生产。之后,便是从20世纪70年代初直到现在的第三次工业革命。第三次工业革命利用电子和信息技术(IT)提高了制造过程的自动化程度,机器取代了相当一大部分的“体力劳动”和一部分“脑力劳动”。德国应充分利用其作为世界领先的制造设备供应商及在嵌入式系统领域的优势,通过利用物联网及服务互联网向制造领域扩展这一趋势,在向第四阶段工业化迈进的过程中先发制人。工业4.0的部署不仅将增强德国的竞争地位,而且有助于应对全球挑战(如资源和能效)和国内挑战(如人口结构的变化)。8然而,在对技术创新进行考虑时,结合社会文化语境是至关重要的,因为文化和社会的变化同样也是在他们各自领域中创新的主要动力。【返回目录】比如,人口结构的变化拥有改变我们社会所有关键领域的潜力,如组织学习的方式、工作的性质、健康(随着人们活的越来越长)和社区的基础设施。这又将反过来对德国生产力造成显著的影响。通过优化技术和社会创新过程的关系,我们能够为提升德国经济的竞争力和