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3德国科学顾问委员会的课题德国科学顾问委员会由16位来自生产与自动化、计算机科学、法学和社会学这几个专业领域的教授组成。该委员会为工业4.0平台提供与当前研究紧密相关的、科技和编程方面的研究课题。德国科学顾问委员会在2014年汉诺威工业博览会上(2014年4月3日)公开发表了相关的课题，这些课题还公布在工业4.0平台的网站上。以下引用的课题按照人类、技术、组织三个方面进行划分：人类1.很可能建立以人为本的工作组织形式，这种工作组织形式也可称为自组织和自治。尤其有可能出现适合老年人的工作组织形式。2.工业4.0作为一套社会技术系统，为拓展员工的工作范围、提高员工的素质和技能、大幅提高员工的知识水平提供了机会。3.促进学习的工作设备(学习工具)和有利于沟通的工作方式(实践社区)会提高教学效率；而员工不断提高信息技术能力有助于在继续教育中补充新内容。4.把简单易用且能促进学习的设备作为学习工具，能够自然而然地把设备的功能传授给用户。技术5.工业4.0的系统对于用户来说简单易用而且操作直观。这些系统可以促进学习并给出可靠的反馈。6.通用的、公开的解决方案模板允许多个参与者共同设计、实施和操作工业4.0系统(基于设计的工业4.0)。7.产品和业务流程的网络化和个性化会带来复杂性。可以通过建模、仿真、自组织对这种复杂性进行管理，更快速的分析可以扩大求解空间，并更快地确定解决方案。8.能够对资源有效性和资源效率进行持续的规划、实施、监控和自动优化。9.智能产品是良好的信息载体，能对各个生命周期阶段进行定位和识别。10.同样，系统组件可在内部对生产资料进行寻址和识别。工业4.0的系统组件支持生产系统和生产流程的虚拟规划。11.新型的系统组件是可更换的，并且具有功能兼容性。12.系统组件提供的功能本身作为一种服务，可供外部访问。13.只有创造一种新型的安全文化，才能最终建立可靠、灵活、受欢迎的“工业4.0”系统。组织14.新的和现有的价值网络通过集成产品设计、生产过程和服务过程获得增值，并使分工得以动态调整。15.合作和竞争促使企业管理和法律发生结构性转变。16.有效的法律框架反映了对应的系统结构和业务流程。新的法律解决方案将可能产生新的协议模式。17.工业4.0的发展有利于协调区域性的和发展中市场的价值创造。为了开展上述课题的研究，工业4.0平台在2014年汉诺威工业博览会上发表的《工业4.0研发课题白皮书》介绍了上述多个课题领域及其内容和目标。另外还粗略制定了完成这些课题的时间计划。课题领域及其时间计划(详见第4章和第5章)有工业4.0平台工作小组拟定。4工业4.0实施战略为了加强德国的经济地位，工业4.0平台制定了工业4.0的实施战略。一方面制定出工业4.0技术、标准、商业模式和组织模式等方面的跨部门实施方法；另一方面，加强大学和研究机构与中小企业和工业企业的紧密合作，推动工业4.0的实施。实施工业4.0的目标是，创造新的价值链和价值网络，并不断加强它们的数字化程度，最终实现自动化。图1列出工业4.0实施战略的核心模块和相关课题领域，其中核心模块包括：●研究与创新●参考体系结构、标准化与标准●网络化系统的安全性●建立法律框架除“建立法律框架”以外，其他核心模块的相关内容由工业4.0平台的具体工作组拟定。而“建立法律框架”模块的工作则是由德国工业联合会(BDI)工作组来承担。在“研究与创新”这个核心模块，工业4.0平台与德国科学顾问委员会共同制定了实施工业4.0所需的“研究与创新路线图”，并从德国工业的视角出发协调和推动创新和研究活动。以下是几个最重要的相关课题领域(详见第5章)：●价值网络的横向集成：这个领域的重点在于加强跨企业的合作(包括供应商、中小企业、制造企业等)，其中包括建立新商业模式的各个方面和各种方法。●全生命周期工程的连贯性：这个领域的中心课题是“基于产品生命周期管理(PLM)的工程”。在这个课题中，要将产品设计和生产设计结合起来，从而实现对整个价值创造过程的持续支持。这就要求对系统工程、建模和仿真中的技术要素进行综合性的考虑。●纵向集成与网络化的生产系统：这个领域的中心课题是生产的网络化，而生产的网络化能否实现往往取决于能否满足实时的要求。课题重点包括：确保必要的应变能力和生产技术的安全性(例如，通过信息冗余和容错达到安全要求)。这既需要进一步开发相关组件和系统(例如传感器网络)，还需要深入研究预测性分析等方法。●工作中的新型社会性基础设施：“人”永远是工业4.0成功的决定性因素。因此，积极推动工作场所的变革，给予所有参与者(包括工会和雇主组织)支持和鼓励，都具有重大的意义。除了改革和完善培训和继续教育方面，还需要在技术方面作出改进，如采用新型的人机系统和通用的辅助系统。●不断开发通用技术：为了实现工业4.0，需要为实施各种技术创造条件，确切来讲是需要在工业应用中结合不同技术。重要的技术包括网络通讯、宽带网络、云计算、数据分析、网络安全、安全的终端设备，以及机对机的解决方案(包括语义学)。“参考体系结构、标准化与标准”这个核心模块的目标是在标准的运用和制定的基础上，构建一个适用于所有解决方案的参考体系结构。(详见第6章)在“网络化系统的安全性”这个核心模块中，应该在示范性价值链的基础上，研究用于保证横向网络(客户和供应商)和纵向网络(企业内部)中信息技术安全的概念。这将有助于确定一般性的安全要求和信息安全原则(详见第7章)。要成功设计出迭代的流程，涉及到研究和标准化两个方面，而创建工业4.0参考体系结构正好促进了这两方面的发展。“法律框架”这个核心模块中的课题主要解决如何合法地建立新生产流程和横向业务网络的问题。其中，合同法(自动化价值链中动态的合同缔结)、企业数据保护、数字资产的处理、赔偿责任问题以及个人信息处理都是极具挑战性的课题。5.研究与创新5.1序言工业4.0平台致力于将工业4.0领域的研究活动进行梳理和整合，并据此对研究议程进行结构化和优先级排序。本章将以上述工业4.0平台拟定的研究议程作为依据，阐述工业4.0研究路线图的相关内容。另外，工业4.0平台将可能为随后的研究工作提供充足且具有国际竞争力的资金预算。这可以为参与其中的企业提供更多资源，同时为有针对性地解决实施工业4.0过程中遇到的问题创造重要条件。此外，政府必须通过适当的措施和融资工具(顶尖集群、示范实验室、示范设施、示范工厂等等)支持、投资和规范企业与研究机构之间、不同规模的企业之间以及不同部门之间的进一步联网和合作。由于不同的企业对不同的领域感兴趣并且有不同的期望，很难确定单一确切的工业4.0愿景。因此，在国家主导下实施预设的路线图并不能最终实现工业4.0。确切地说，一系列具体应用场景的实现(包括对实施工业4.0的效益和价值创造潜力进行分析)将带来渐进式发展，而工业4.0将会是这些发展的结果。理想情况下，德国联邦政府应该考虑对更为务实的计划给予支持。这些支持有助于确立完整的创新路径：从探讨新方法和新技术，到利用大学附近的演示设备，再到建设试点工厂。本章将以德国科学顾问委员会的课题为基础概述工业4.0的“研究与创新”这个核心模块。早在2014年的汉诺威工业博览会上，这些课题的初步成果便被发表于《工业4.0研发课题白皮书》之中。在此之后还针对指定的相关课题开展进一步的研究工作。随后，在2015年2月发布了修订版(修订工作由工业4.0平台负责，修订版中对各个课题领域进行了更详细的介绍，而本报告仅涉及当中的部分内容)。同时在2015年的上半年也出版了《工业4.0研发课题白皮书》的新版本，当中更详细地探讨了这些课题。下面简要概括所有的课题，包括：(1)研究与创新的内容概述；(2)预期成果；(3)主要的里程碑。5.2课题领域：价值网络的横向集成横向集成是指对用于支持或实施不同价值创造过程(比如生产、物流、营销、管理、服务)的不同信息技术系统的集成。横向集成是制造企业内部和不同企业之间一种普遍适用的解决方案。5.2.1课题：创建新商业模式的方法5.2.1.1研究与创新的内容商业模式简要描述了一家企业如何运作和如何进行价值创造，即抽象地描述这家企业和哪些合作伙伴、在哪些市场、针对哪些顾客群、怎样获得收入等问题。在工业4.0背景下，由于新的价值创造过程催生了新业务，也由于价值网络中分工的变化，新的商业模式将在企业中产生。这个课题需要考虑的方面包括：●进入市场策略(GTMs)●分析需求、创造需求和评估潜力的方法●支付模式与结算模式●针对网络中的每个参与者的效益评估与风险评估●法律方面●激励与认可制度5.2.1.2研究与创新的预期成果人们一致认为，商业模式是可持续地发挥跨企业网络的潜力的先决条件。创建新商业模式的方式方法应相互结合并加以完善，尤其应该系统化地理解和掌握不同部门得出的最佳实践和经验，然后将其转化到生产上，并且分析由此产生的效果。在此过程中，应仔细观察价值网络中的不同角色。以下为这个课题的预期成果：●根据最佳实践拟定示范性的、针对价值网络中不同供应商角色的进入市场策略●根据实施工业4.0的需求，从价值网络的各个方面考虑创建新商业模式的适用方法●示范性的支付、结算和许可模式●评估工业4.0典型效益和相关风险的指南●法律方面的指南，除此以外还应明确软件即服务(SaaS)和平台即服务(PaaS)的服务水平协议(SLA))所涉及的责任问题。5.2.1.3主要的里程碑5.2.2课题：价值网络的框架5.2.2.1研究与创新的内容价值网络是以各个价值创造阶段及相应技术之间的关系为基础建立的系统。每个价值创造阶段都由自主、合法且独立的价值网络参与者完成。他们通过自身所处的价值网络形成了复杂的、相互的紧密关系，同时他们建立起了一个价值创造伙伴关系的利益共同体，这一共同体致力于获得可持续的经济增值。这个课题需要考虑的方面包括：●新型价值网络形成的前提条件、驱动力与结果●信息物理融合系统平台在增值中扮演重要角色，即作为价值网络的集成者●业务上潜在的问题以及由此造成的后果●价值网络的组织形式、不同的组成部分及其角色，还有价值网络的合理实施5.2.2.2研究与创新的预期成果在客户、供应商、合作伙伴和市场加强参与价值网络的背景下，为了阐明诸如(新)商业战略、商业模式与商业流程这样的课题，应拟定实施价值网络的方案并且将其应用在试点项目中。为此，应该制定具体的示范性商业计划，并收集相关的规划经验。这些商业计划和经验将被公布，而这正是构建支持价值网络的信息物理融合系统平台所必需的。以下为这个课题的预期成果：●在生产中灵活地集成价值网络●从价值网络伙伴及其客户的角度，提出分析和评估经济潜力与技术潜力的方法●动员中小企业参与到价值网络的合作中●发掘新商机●建立双赢的价值网络伙伴关系以及可持续的、“集成”的商业模式5.2.2.3主要的里程碑5.2.3课题：价值网络的自动化5.2.3.1研究与创新的内容价值创造过程的自动化可使横向集成的自动化程度得到提高。其中需要重点研究价值创造过程中可以实现自动化的阶段，即可以与“数字世界”融合的阶段。这个课题需要考虑的方面包括：●信息流的连贯性●运用建模、计算、仿真和优化的方法●对产品生命周期管理(PLM)、先进生产计划与调度(APS)、制造执行系统(MES)、供应链管理(SCM)和企业资源规划(ERP)这些系统的应用进行集成●全员参与，作为全球价值流中的创造性实践者●构建人机界面●培训措施和迁移过程的关系5.2.3.2研究与创新的预期成果价值创造过程应该有效、灵活并且具有较高的可预见性，而人们应该从毫无创造性的工作中解放出来。达到这个目标的关键是生产率、资源效率以及自动化程度的提高。通过不断提高复杂规划过程中每一环节的自动化程度，可根据全球目标对价值链、价值网络和业务进行优化。在此过程中，应顾及到其中的各种关系并达到协同效应。最终，通过集成分层的流程以及使部分流程实现同步或自主运行来实现上述目标。以下为这个课题的预期成果：●得出能够直接或者间接描述所有业务流程的关系和相关性的方法论(业务流程包括企业资源计划、产品生命周期管理、先进生产计划与调