关于实施工业4.0战略的建议培训资料

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1、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

2、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 . 60 5.6 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 . 90 内容提要德国制造业是世界

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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。

9、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

10、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

11、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】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

12、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

13、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”。 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

14、。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)。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

15、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生产力做出重要贡献。在制造业中利用物联网及服务互联网物联网及服务互联网能够创造一个包含全部生产过程的网络,将工厂转变成为一个智能环境。信息物理生产系统由智能机器、仓储系统、生产设备组成。该生产系统是数字化的,基于ICT技术实现了端到端的整合从运入物流到生产,再到营销、运出物流和服务(维修)。信息物理生产系统不仅使生产能够得到更加灵活的配置,也能够充分利用差异化管理和流程控制所提供的机会。除了优化现有基于IT的流程,工业4.0还

16、将释放对具体流程和全球范围内整体效应进行更多差异化跟踪的潜力。这些都是目前难以实现的。工业4.0还将使商业伙伴(如供应商和客户)、员工之间的关系更加紧密,并提供更多互惠互利的新机遇。作为世界领先的制造设备供应商,德国需要发掘新形式工业化的潜力,以与其独特的地位相匹配。德国的全球市场领导者包括许多提供专业解决方案的“隐形冠军”(即小而强的公司)德国前100名中小企业中有22家是机械和设备制造商,其中3家排名在前10位之内。许多德国机械和设备制造领域的领军人物都认为,他们的主要竞争对手是国内厂商。机械设备与汽车、化学品同为德国主要的出口产品之一。此外,德国的机械和设备制造商都希望保持其在未来的领先

17、地位:60%的德国机械设备制造商都相信,他们的技术竞争优势在未来五年内会得到提高,只有不到40%的制造商希望维持当前的竞争地位。然而,机械制造领域的全球竞争正在日趋激烈。在亚洲同行日益威胁着德国制造商的同时,美国的对手也在采取措施,通过一系列方案对抗工业退化,大力推进“先进制造业”。 物联网和服务互联网正在进入制造业领域事实上,工业4.0将设计信息-物理系统(CPS)与制造业和物流业的技术整合,以及在工业生产过程中使用物联网及服务互联网。这将对价值发明、商业模式、下游服务和工作组织产生广泛的影响。此外,制造业也在变得更加具有活力、也更加复杂。比如,激光烧结技术的进步意味着目前在几小时内已经能够

18、“打印”出高质量的、复杂的3D结构。这引起了全新商业模型和服务的产生,终端消费者变得更为密切相关消费者能够创造自己的设计,之后发送电子邮件到一家“复印店”,他们也可以让一些物品被扫描和“复印”。【返回目录】“工业4.0为德国提供了进一步加强和巩固其作为制造中心、制造设备供应商和IT解决方案提供商这一地位的机会。看到德国所有的利益相关者目前都在通过工业4.0平台紧密合作,推动其实现,是十分令人鼓舞的。”Henning Kagermann博士(德国国家科学和工程院教授、工业-科学研究联盟(FU)通信推动工作组发言人、工业4.0工作组联合主席)根据工业-科学研究联盟的倡议,工业4.0平台的参与者制定

19、了其工作目标实施政府确保德国工业竞争力的战略举措。工业4.0拥有巨大的潜力:(1)满足用户的个性化需求工业4.0能够在设计、配置、排序、规划、制造和运行等阶段中纳入个性化的、用户特定的标准,并能够合并最后的修改。通过工业4.0,即使生产一次性项目和极小的生产量(批量大小为一)也可以实现获利。(2)灵活性基于CPS的特别网络,使业务流程的不同方面(如质量、时间、任务、稳健性、价格和生态友好性)实现动态配置。这有助于材料和供应链的持续“调整”。这也意味着工程流程能够变得更加灵活,制造流程可以被改变,暂时性短缺(比如由于供应问题)能够被弥补,并且在短时间内实现产量的大幅提高。(3)优化决策【返回目录

20、】为了在全球市场获得成功,采取正确的决策(往往在没有事先通知的情况下)变得越来越重要。工业4.0能够提供实时的、端到端的透明度,使工程领域的设计决策得到提早验证,并且能够对损坏做出更加灵活的反应,同时对生产领域中一家公司的所有工厂进行全局优化。(4)资源生产率和效率工业生产流程的首要战略目标仍然适用于工业4.0:用定量的资源实现最高的产量(资源生产率)和用最少的资源实现特定的产量(资源效率)。CPS使制造流程在个案基础上实现整个价值网络的优化。此外,无需停止生产,系统能够在生产期间对资源和能源消耗进行持续优化,减少其排放量。(5)通过新服务创造价值机遇工业4.0为价值创造提供了新途径,也促成了

21、就业的新形式。比如,智能算法能通过智能设备用于大量的不同数据(即大数据),从而产生新型的服务。这对于为工业4.0开发B2B服务的中小企业和初创型企业而言,是个巨大的机遇。(6)应对劳动力的人口结构变化连同工作组织和能力发展计划,人类和技术系统的交互合作将为企业提供将人口结构变化转变为其优势的新途径。面对技术劳动力的短缺和日益多元化(年龄、性别、文化背景),工业4.0将促成多样的、灵活的职业道路,使人们能够持续工作,并在更长的一段时间内保持生产力。(7)生活和工作的平衡【返回目录】应用CPS将使公司的工作组织形式变得更加灵活,这意味着公司能够更好的满足员工对于平衡工作和个人生活、个人发展和持续职

22、业发展的需求。比如,智能辅助系统提供了一个灵活性的新标准,在满足公司要求的同时也能够满足员工的个人需求,从而为工作的组织提供了新机遇。随着劳动力规模的下降,该系统将在招募最佳员工的时候使CPS公司获得更多优势。(8)高工资经济仍拥有竞争力工业4.0的双重策略将使德国增强其作为领先供应商的地位,并使其成为工业4.0解决方案的领先市场。然而,工业4.0对于相关行业而言,并不会构成一个专业的技术或IT相关的挑战。不断变化的技术将引起深远的、广泛的影响,为开发新的业务和企业模型、促进更大规模的就业提供新的机会。在二十世纪80年代,德国通过将可编程序控制器(PLS)整合到制造技术,实现了更加灵活的自动制

23、造,同时通过一种基于社会伙伴关系的措施对劳动力的影响进行管理,从而成功地实施了第三次工业革命(工业3.0)。德国雄厚的工业基础、成功的软件工业和语义技术领域的专业技能,都意味着德国处于实施工业4.0的极其有利地位。当前的障碍是可以克服的,比如技术接受问题、劳动力市场中技术工人的短缺问题等。然而,只有所有利益相关者密切合作起来,释放物联网及服务互联网对于制造业的潜力,才能确保德国工业的未来。【返回目录】自2006年以来,德国政府就一直通过高技术战略推动物联网和服务互联网。目前已经成功推出一些技术项目。工业-科学研究联盟目前在跨行业的层面上,推动工业4.0项目的进展。该项目实施的下一步是工业4.0

24、平台的建立。该平台的秘书处由专业协会德国信息技术、电信和新媒体协会(BITCOM)、德国机械设备制造商联合会(VDMA)和德国电子电气制造商协会(ZVEI)组成。下一步任务将是为关键主题确定研发路线图。保障德国制造业的未来这是工业4.0平台所有参与者为他们自己设定的目标。该平台邀请所有利益相关者继续探索工业4.0提供的机遇,这样我们可以一起推动并确保其革命愿景的成功实现。2、愿景:工业4.0作为智能、互联世界的一部分在一个“智能互联的世界”中,物联网和服务互联网的影响将遍布各个关键领域。这一转变将导致能源供应领域中智能电网、可持续的移动策略(智能移动、智能物流)和医疗保健领域中智能医疗的出现。

25、在制造领域中,端到端工程的垂直网络、以及囊括越来越多智能产品和系统的整个价值链的平行整合,将引领我们进入工业化的第四阶段“工业4.0”。工业4.0以创造智能产品、程序和流程为重点。智能工厂也是工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够胜任管理的复杂度,对损坏具有更强的承受力,且生产效率更高。在智能工厂中,人类、机器和资源能够实现互相通信,就像社交网络中一样自然。智能产品“知道”他们如何被制造出来的细节,也知道他们的用途。他们将主动地对制造流程提供支持,回答诸如“我什么时候被制造的?”、“对我进行处理应该使用哪种参数?”、“我应该被传送到何处”等问题。它的界面与智能移动、智能物流和智能电网一起,将使

26、智能工厂成为未来智能基础设施的关键组成部分。这将引起传统价值链的转变,以及新型业务模式的出现。【返回目录】因此,工业4.0在孤立中是无法实现的,它应该被视为一系列需要采取行动的关键领域。因此,工业4.0应该通过一种跨学科的方式且通过与其他关键领域的紧密合作来实现。2.1 塑造工业4.0的愿景实现工业4.0所需要的思维模式转移是一项长期的项目。纵观这一流程,确保现有制造体系价值得到保持是十分重要的。有必要提出从早期阶段(详见第3章和5.4节)便能体现优势的迁移策略。然而,在一些个别部门,创新造成的产量差距可能还会扩大。图2工业4.0和智能工厂作为物联网和服务互联网的一部分德国工业的生存和发展,需

27、要在第四次工业革命中发挥积极作用,也有必要借鉴以下德国工业和研究的传统优势:(1)机械和工厂制造业的市场领导者(2)全球强势IT产业集群(3)嵌入式系统和自动化工程领域的创新先锋(4)具备高技能和充满干劲的劳动力(5)供应商和用户之间较密切的合作(6)优秀的研究和培训设施实施德国工业4.0战略的目的是依靠德国劳动力的技能、表现和专长进行系统创新,通过利用现有的技术和经济潜力,打造最佳经济体。德国工业4.0战略将主要关注以下方面:(1)通过价值网络实现横向一体化(2)整个价值链工程的端对端数字一体化(3)垂直一体化及网络化制造系统以上内容在第3章中有更为详尽的阐述。2.2实施工业4.0战略的德国

28、未来如何?德国工业4.0战略将更具灵活性,也更强劲,在工程、规划、制造、运营和物流流程中实施最高标准。这将催生动态的、实时优化、自我组织的价值链,并可通过一系列标准(如成本、可用性和资源消耗)进行优化.这一价值链还需要适当的监管框架、标准化接口和统一的业务流程。以下是德国工业4.0战略的愿景:(1)它的最大特点是制造业中所有参与者及资源的高度社会技术互动。互动主要围绕制造资源网络(制造机械、机器人、输送机和仓储系统及生产设施)进行,这些网络独立自主,在不同情况下能自我管理,自我配置,还装备了传感器,分散安装,并融入了相关规划及管理系统。作为这一愿景的关键组成部分,智能工厂将被纳入公司内部价值网

29、络,它的特点是包括制造过程和制造产品的端对端工程,实现数字和物理世界的无缝衔接。智能工厂将使不断复杂的制造流程便于管理,并能同时确保生产过程的吸引力、生产效益以及工厂在市区环境的可持续性发展。(2)德国工业4.0战略中的智能产品可明确识别,并有可能随处可见。即使还在生产环节,其自身制造流程的所有细节均可被控。这意味着,在某些领域,智能产品可以控制各生产阶段,进行半自主生产。此外,这还能确保成品了解自身发挥最优性能的参数,并辨别生命周期中发生磨损和毁坏的标记。这些数据可集合使用,以便优化智能工厂的物流、布局、维护以及与业务管理应用程序的整合。【返回目录】(3)德国工业4.0战略实施后,将有可能把

30、个人客户和产品的独特特性融入到设计、配置、订购、计划、生产、运营和回收阶段。它甚至可以在制造和运营之前最后一分钟或进行中提出改变的请求,这将使生产一件定制产品和小批量产品也能产生利润。(4)德国工业4.0战略的实施,将使员工能根据具体情况进行控制、监管和配置智能制造资源网络和制造步骤。员工再也无需完成例行任务,他们可以更多地关注创新和具有附加值的活动。因此,他们在确保产品质量方面将起到关键作用。同时,灵活的工作条件也将他们的工作和个人需求更好地结合起来。(5)德国工业4.0战略的实施,需要进一步扩展相关的网络基础设施,并通过服务水平协议进一步规范网络服务质量。这将有望满足大流量数据应用程序和服

31、务供应商的高带宽需求,以保证关键应用程序的运行时间。“物联网及其服务蕴藏着制造业创新的巨大潜力。如果能成功地把基于Web的服务融入德国工业4.0战略中,其潜能将变得无可估量。”约翰内斯?海尔比格博士(供职于德国邮政公司,工业科学研究联合会通信行业促进组成员)2.3新的商业机会和模式德国工业4.0战略将催生更好满足个人、“最后一分钟”用户要求的新业务和合作模式。这些模式也将让中小企业有条件使用服务和软件系统,而这些服务和软件系统是他们在现行许可和商业模式下无法负担的。新的商业模式将提供很多问题的解决方案,如需考虑到客户和竞争对手情况的动态定价,并努力确保在价值链中的所有利益相关者均分利润。更多的

32、监管要求,如减少二氧化碳排放(详见5.8节),应纳入到这些商业模式中,使商业网络中所有合作伙伴能同时满足这些要求(图3)。图3横向价值网络德国工业4.0战略使用案例情境(如有关“联网制造”,“自组织自适应物流”和“以客户为中心的工程”)需要商业模式的实施主体是一个高度动态的商业网络而不是一家单一的公司。这将引发有关融资、开发、可靠性、风险、责任、知识产权及专业保护等一系列问题。就组织网络及服务差异化而言,确保商业网络中各方的责任将至关重要,需签署具有约束力的文件。商业模式的实时详细监测,也将在记录处理步骤和系统状态上发挥重要作用,以显示其合约性。业务流程的各个步骤在任何时候都将被跟踪,并提供相

33、应的证据(详见5.7节)。为确保有效提供个人服务,有必要精准地测算相关服务的生命周期,确保承诺的实现以及加入该商业网络的新合作方(特别是中小企业)的许可模式和条件。【返回目录】鉴于上述情况,德国工业4.0战略极有可能产生意想不到的全球影响,创造极富动态的环境。新技术的破坏性本质,以及它们对法律问题的影响(例如,敏感的企业数据、负债、数据保护、贸易限制、密码使用等)可能对现行立法的执行构成威胁。创新周期的缩短,要求监管框架的不断更新,也会造成执法上的不断失误。因此,有必要采取一种新方法,在技术开发之前或过程中就对技术与法规的兼容性进行测试(详见5.7节)。德国工业4.0战略成功的另一因素是安全问

34、题(详见5.4节)。这一问题也需要一项更加积极主动的措施。此外,安全设计不单纯局限于功能组件这一理念非常重要。2.4 工作场所的新型社会基础设施德国工业4.0战略将为正处于人口变化的德国带来众多创新。德国人口的老龄化程度在全球排名第二，仅次于日本，许多德国制造公司劳动力的平均年龄在四十多岁。年轻员工的数量在不断减少，已经出现熟练劳动力和学徒工短缺的现象。为了确保人口的变化不以牺牲当前生活水平为代价，德国应更好地利用现有劳动力，同时保持和提升劳动力生产效率。增加就业人口中的老年人和妇女比例尤其重要。最新研究表明，个人生产力不在于一个人的年龄，而和他们在一个岗位上所呆的时间长短，他们的工作组织方式

35、和他们的工作环境有关。如果在延长工作时间的过程中要保持和提高生产率，就有必要协调和改造工作场所的方方面面，包括健康管理和工作组织，终身学习和职业路径模式，团队结构和知识管理。这一挑战不仅需要企业的努力，还特别需要教育系统的努力。【返回目录】因此，决定德国未来竞争力的，不仅包括新技术、商业和法律因素，还有工业4.0工作场所中的新社会基础设施，这些基础设施能让工人更广泛地参与到创新过程中。此外，工业4.0战略所带来的人类技术和人类环境互动的范式也将发挥重要作用，因为新形式的协作工厂让虚拟工作和移动工作场所成为现实。多模式、用户友好界面的智能辅助系统将协助员工的工作。除了全面的培训和进修，工作的组织

36、和设计模型将成为受劳动者欢迎的成功转型的关键。这些模型应与高度自我调节的自主领导和管理方法相结合，员工应该有更大的决策自由，更加积极地参与和调节自己的工作量。在进一步认识到创新过程中人类活动重要性的基础上，工业4.0战略中的社会技术方法将为亟需创新提供新的发展潜力。2.5 新型的以服务为基础的实时CPS平台德国工业4.0战略将催生新型CPS平台，旨在支持协作工业流程和智能工厂以及智能产品生命周期相关的业务网络。这些平台所提供的服务和应用程序将把人、物和系统相连接（图4），并具有以下特点：（1）服务和应用业务流程的快速和简单带来灵活性，包括CPS软件（2）参照应用商店模式对业务流程的简单分配和部

37、署（3）对整个业务流程提供全面、安全、可靠的支持（4）从传感器到用户界面，100%的安全可靠（5）支持移动终端设备（6）支持业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程【返回目录】在业务网络中，共享CPS平台特别需要服务和应用业务流程的IT开发工作，因为这是工业业务流程中CPS、应用、服务水平和垂直一体化具体要求的体现（见5.1节）。对德国工业4.0战略来说， “业务流程”一词的定义比在网络服务中更宽泛。它应明确包括公司间协作流程和业务网络中共享服务和应用的建立。安全、保密、可靠性、使用、操作者模式趋同、实时分析和预测等问题都需进行审查，不仅为了业务流程，也为后续高效、可靠、安全地操作协同制造和

38、服务流程，以及CPS平台上动态业务流程的执行。这还包括应对大量不同数据源和终端设备所带来的挑战。上述要求当前只在普通云计算基础设施得到一个基本的满足。IT、软件及服务提供商和用户所形成的公司间CPS平台将需要一个德国工业4.0战略架构，能考虑到ICT和制造业等不同方面（见5.1节）。为这些CPS平台开发新的应用和服务将需要模型化的方式，以管理日益功能化、个性化、动态化和合作化所带来的复杂性（见5.2节）。一个安全高效且高带宽的网络基础设施将成为安全数据交换的必要保障（见5.3节）。2.6 德国工业4.0战略实现之路德国工业4.0战略愿景的实施，将是一个不断演进的过程，不同公司和行业演进的速度各

39、不相同。今年初，BITKOM、VDMA和ZVEI开展的关于“德国工业4.0战略前景”的调查再次证实了德国工业竞争力的重要性，以及对更全面和有针对性信息的需求（图5）。在调查中，47的公司表示它们已经积极参与到工业4.0战略中；18的公司表示它们正参与德国工业4.0战略的研究工作；而12的公司声称它们已把该战略付诸实践。实施工业4.0战略愿景中碰到的三大挑战，分别是标准化、工作组织和产品可用性。除了积极参与工作组，参与调查公司所提出的扶持措施还包括举办有针对性的研讨会，他们可以在研讨会上分享经验和获得信息。专业协会将在确保顺畅沟通，与社会合作方、学术圈和公众的紧密联系方面发挥重要作用。约50的受

40、访企业表示，他们已经从专业协会收到有关工业4.0战略的相关信息。此外，工作组认为以下措施有助于企业平稳向工业4.0转型：【返回目录】（1）实时CPS解决方案的实施，将在空间、技术质量和可靠性方面对服务可用性和网络基础设施提出很高要求。为了确保德国的国际竞争力，应呼吁出台服务规范和商业模式的国际标准（见5.1和5.3节）。（2）目前，制造业的业务流程往往是静态的，并仅通过极不灵活的软件系统实施。不过，不能在一夜之间将它们替换成服务型系统。在旧系统上融入新技术（反之亦然）非常重要，旧系统需要通过实时功能系统进行更新。（3）在物联网和服务化的背景下，制造业新商业模式的发展速度将接近互联网本身的发展速

41、度和活力。（4）员工将参与到工作组织、CPD（Continuing Professional Development）和技术开发的创新性社会技术设计的早期阶段工作中（见5.5节）。（5）为了成功过渡到工业4.0，ICT产业（习惯上认为创新周期短）应和机械、设备制造商以及机电系统供应商（倾向于认为创新周期较长）密切配合，以开发出所有合作伙伴都能接受的商业模式。应用例子1：在车辆组装流水线不开工时减少其能源消耗目前，机械对于能源效率的要求很高。能够达到这个要求的一个促成因素是在生产间歇期间把不工作的部分断电。工业4.0通过将生产设备的计划和操作更系统地整合来实现这个功能。现在：目前，许多生产线在其

42、他部分没有生产任务时，如生产间歇期间，或在周末持续运转，消耗大量能量。例如：一条使用激光焊接技术的车辆组装线的全部能源消耗的12%都是在生产间歇期间消耗的。生产线一周运转5天，轮3次岗。虽然这个复杂的机器在周末不工作，但是它还是保持电源的开启状态以便在周末结束后能够立即投入生产。在生产间歇期间，90%的电力消耗中：遥控装置（占20%到30%），抽烟机（占35%到100%），激光器及其冷却系统（占0到50%）。【返回目录】在未来，遥控装置（robots）在生产的间歇期间将被断电。在生产的较长的间歇期间，遥控装置将进入一种叫做Wake-On-LAN的待命模式。抽烟机将使用可以按照需求进行调节速度的

43、发电机，而不再使用不能够按照需求进行调节的发电机。对于激光器 (laser sources)来说，只有使用全新的系统才是唯一的提升途径。未来：总的来说，这些措施能够减少12%的总的能源消耗（大约从45000kWh/w降到40000kWh/w），并且在生产的间歇期间能够减少90%的能源消耗。在设计物理网络系统的初级阶段就应该把能源效率这一因素考虑进去。【返回目录】3. 双重战略：成为领先的市场和供应商第四次工业变革对于德国制造业意义重大。CPS能够提高国内生产效率，它在工厂的逐渐部署将加强德国制造业。与此同时，物理网络系统技术的发展将为出口技术和产品提供无限机会。工业4.0的执行，应该致力于通过

44、采用双重战略来释放市场潜力，这个双重战略包括在制造业中部署物理网络系统，另外一个是物理网络系统的营销，以便加强德国制造设备产业。3.1 领先的供应商战略领先的供应商应从设备供应产业的视角，强调工业4.0的潜力。德国设备供应商提供制造业与世界领先的技术解决方案，所以在工业4.0产品的开发、生产和国际营销方面处于有利地位。问题的关键是如何选出一个明智的方法，将领先的技术解决方案同信息技术提供的新潜力融合在一起，以便实现创新的巨大突破。就是这种信息通信技术和传统的高技术战略的系统融合，才使得市场迅速变化、使得管理越来越复杂的全球市场变为可能，企业才能够为自己在其中开拓新的市场机遇。现有的基础电子信息

45、技术需要被改进，以满足制造业的特殊需求，并且在继续开发的过程中还要时刻注意这一点。为了得到规模经济和效用，需要加强制造技术和信息技术，依靠物理网络系统作为向工业4.0迈进的部分战略。与此同时，有必要开发模型和战略，以便进行新址设计和执行物理网络系统制造框架。如果德国希望保持工业4.0 设备供应商的领先地位，应将研究、技术和培训应作为优先领域，在自动化工程模拟和系统优化领域开发方法和实验性的应用（见5.2节）。【返回目录】另外一个主要挑战，就是使用技术来创造新价值网络。这涉及到开发新的商业模型，特别是连接商品和服务的商业模型。3.2 领先的市场战略率先实施工业4.0战略的领域是德国国内制造产业。

46、为了塑造并且成功拓展这个领先的市场，要求在不同厂址的商务间的紧密联系，并且需要不同企业间的密切合作。这将进一步要求符合逻辑的、不同价值创造阶段、生命周期产品、产品范围和相应制造系统的点对点的数字化整合。一个特殊的挑战将是把现存的大规模任务和通常在区域层面的中小企业同步整合在新的价值网络中。由于包括一大批中小企业和一小部分大型企业的平衡的产业结构，使得德国的制造业力量强大。但是许多中小企业还没有准备好应对工业4.0带来的结构变化，究其原因，或许是因为它们缺乏必须的专业性人才，或许是因为对它们还不熟悉的技术战略持有怀疑态度。使中小企业融入到全球价值网络的一个关键的战略是设计并且执行一个全面的知识和

47、技术转移倡议。例如：大型工业网络的实验性应用和最佳实践，中小企业可以帮助价值链网络可视化增强，并且说服中小企业采用方法和组织工具，以及领先供应商的技术。这样做可以消除障碍，使中小企业了解物理网络系统，并在它们自己的业务中应用物理网络系统。为实现这一点，加速技术基础设施的开发和使用非常关键，包括高速宽带数字传输（见5.3节）。同时，培养和训练技术工人也变得非常重要（见5.6节），并且同步为复杂工作开发客户化的和高效的组织设计（见5.5节）。【返回目录】3.3 双重战略以及其主要特征传递工业4.0 目标的最优方法只能通过领先的供应商战略和领先的市场战略的相互协调，以便确保它们潜在的效益互补。今后，

48、这一方法将被称作“双重战略”。这个战略包括三个主要特征（见2.1节）：（1）通过横向整合，开发不同公司间的价值链和网络（2）横跨整个价值链的产品和相关制造系统的数字化端对端工程（3）灵活和可重构的制造系统的开发、执行和垂直化整合这些特征是制造商在面对变幻莫测的市场能够取得稳固地位的重要因素，同时使它们的价值创造活动适应变化的市场需求。双重物理网络系统战略中提到的特征将允许制造企业在高度动态的市场中达到快速的、准时的、无故障的生产。3.3.1 通过价值网络进行横向整合模型、设计以及通过价值网络的横向整合应该可以回答下面的问题：物理网络系统如何支持企业的商务战略、新价值网络以及新商业模式？这个问题

49、同样适用于研究、开发和应用领域（图6）。除了“商业模型”、“不同企业间的合作形式”，还有一些话题值得研究，比如“可持续性”、“技能保护”、“标准战略”，以及“中到长期训练和员工发展倡议”。3.3.2 横跨整个价值链的端对端工程下面的关键问题是关于通过工程过程实现端对端数字整合，以达到产品整个价值链数字世界和真实世界的整合，同时满足客户的需求：物理网络系统如何实现端对端的包括工程工作流的商业过程？对于这一点，建模在管理越来越复杂的技术系统中起到了关键的作用（见5.2节）。应该部署适当的信息技术系统，以便为整个价值链提供端对端的支持，从产品开发到制造系统工程、生产和服务（图7）。需要一个涵盖不同技

50、术领域的整体的工程方法系统。为了实现这个目标，工程师们需要接受适当的培训。【返回目录】3.3.3 垂直整合与网络制造系统就垂直整合来说，需要回答下面的问题：物理网络系统如何创造灵活和可重构的制造系统？垂直整合的地点是工厂。在明天的智能工厂，制造结构将不是固定的和事先定义好的。相反，一系列信息技术组合规则将被定义，这些信息技术组合规则可以被应用到不同的案例中，为不同情况自动形成特定的结构，包括模型、数据、通信和算法（图8）。为了完成垂直化整合，确保调节器和传感器信号在ERP不同层面的端对端的数字化整合非常重要。开发模块化以及重新使用战略来完成点对点网络和制造系统重构，以及恰当的智能系统描述也很重

51、要。不仅如此，领班和操作者需要接受培训以便了解操作制造系统的方法所产生的影响。应用例子2：整个价值链的端对端系统工程现在的价值链（从客户需求到产品设计和生产）已经存在多年并相对稳固，IT支持系统通过一系列接口或者界面进行信息交换，但只能对特定案例使用这些信息。所以，客户不能自由地选择他们产品的所有功能和特征，即使理论上可行。例如，要为一辆旅行车选择后挡风玻璃的雨刷，但却不能从该公司为一辆豪华轿车选择雨刷。不仅如此，IT系统的维护成本现在也非常高。【返回目录】未来：物理网络系统支持的基于模型的开发可以实现端对端的数字化的部署，涵盖了客户对于产品设计和最终产品制造需求的每一个方面。这使得各个相互依

52、赖的方面都可以被确认，并且可以在端对端的工程工具链中描述。制造系统是基于相同的范式被开发，这意味着它总是能够跟上产品开发的角度。所以，这使制造单个产品成为可能。可以保留现在已经安装的设备，在此基础上把这个工具链分几个阶段逐渐地融入其中。【返回目录】4. 研究要求尽管工业4.0战略的大部分内容将由产业自身去执行；但还是需要进一步研究。工业4.0战略工作小组于2012年10月阐明并出版了主要的中、长期研究要求与行动纲领。在接下来的章节，我们将对这份研究要求和行动纲领进行概述。工业4.0战略的主要目标就是在主要供应商和主要市场战略间进行协调的基础上实行“双重战略”（见第3章）。实行本战略的基础应是建

53、立在研究行为上的。工业4.0战略希望那些革命性的应用应是结合ICT与制造业和自动化技术的结果。为了实现这个目标，需要将现有的CPS内容嵌入制造业系统的中期部署计划中。这就要求机器或加工厂商利用自身优势，拥有与ICT产业和汽车产业为新的CPS创建有目标的、具有创造性发展过程的能力。网络连接的新级别则要求达到产品模型终端到终端的整合能力，生产资源和生产系统需要在更长的时期内进行大量的研究和发展工作。深入研究的首要任务是将研究重点转向完全可描述、可管理、与前后相关的、可控或可自我调控的专业化生产系统的探索和开发。从长期上看，这些功能性CPS的组成部分将来自于跨领域、模块化套件。这应该也有大大加强计划

54、中和实际生产过程整合的可能性。从长期上看，对于研究者来说，将开发模块CPS或相应配件目录作为任何模型智能工厂的主要目标是非常有必要的。只有现有基础科技以应用方式并为了迎合某种制造环境中的特殊需求而被开发时，我们才能在创新上取得重大突破。最终方法、途径和最佳应用案例需要在不同等级的价值网络中进行渗透；这完全是为了知识和技术在不同的领域之间进行流通。出于这个原因，实施双重战略的产业部门（见第3章）已经对5个研究主题中的3个具有很深的了解：（1）通过价值网络实现水平整合（2）遍布整个价值链的终端对终端工程（3）垂直整合和专业化生产系统联网从长期上看，这项由技术驱动、并在生产制造系统应用中心的研究项目

55、将导致跨公司或跨部门间的合作增多。这种合作方式将充当主要为中小型机械与加工企业推动战略的角色。这就要求产业对市场要求作出更敏捷的反应，并将自身打造成新产品、服务和商业模式这些广阔领域中领先供应商。然而，多重领域协作并不单纯源于工程师和汽车工程师间更亲密的合作。第四次工业革命在未来工业就业领域中造成的最显著的影响就是：某些问题必须同时经理论和实际层面才能得到解决。这就为我们带来了第四项研究要求：（4）工作场所中的新社会基础构架【返回目录】社会责任所带来的益处，将有必要加强雇员参与，并强化其所作出的承诺。这是考虑到，即使在流程化工作环境中，也要利用雇员的技术和经验。CPS需要新的工作组织构架覆盖整

56、个价值网络，出于激发雇员生产力的考虑，也是出于能够提供支撑个人终身发展的组织化架构的考虑。跨领域解决方案应该能适用于这些事件，将专家从由工程师、IT专家、心理学家、生物工程学者、社会和职业科学家、医生和设计师所组成的团队中抽调出来。上述基本观点表明，应用方法和基础科学技术能促成生产制造业和自动化工程业之间的合作；这在现今社会中，在很多领域中还是无法实现的一点。为了确保这些应用方法和基础科学技术能适用于应用了不同IT系统、科技来源和能力的企业和产业中，基础ICT技术应符合自动化工程的要求。获得成功的另一个关键因素则是实用参考构架的建立。除去其他因素，实用参考架构的建立也与ICT平台的需求有关，详

57、情请参见第2章。这些基础架构需要进行标准化。这样才能使它们适用于不同类型的企业和技术架构；这也是出于通过创建配套的网络服务来推动共享商业网络中更多元化的创新。工业战略4.0对研究和行动纲领的最终要求：（5）互联网-物理系统技术在本章节，我们将描述整合后的研究要求我们将其分为五个研究领域。工业战略4.0工作小组从各商业和研究机构处获取、并建立在通讯推动小组所提建议的基础上的反馈信息，来源于工业-科学研究联盟于2011年1月和9月提交的两份报告。我们依然乐于结合整合的研究日程互联网-物理化系统（由BMBF赞助）以及服务互联网的经济潜力（BMWi研究之一）研究成果来执行这些建议。【返回目录】因此，这

58、些建议应该被理解为汽车和制造工程业启用基本ICT技术的要求的一种需要，包括在这个领域中为解决一般研究要求而做出的持续努力。这些建议也应被看作是为执行前文所描述的“工业化工程”的特殊应用，而所作的行动纲领的具体描述，为给相关资金项目提供意见和指南，工业战略4.0工作小组已经进一步为我们指明了中长期重要行动和研究要求。5. 首要行动领域工业战略4.0内容复杂，包含了很多有重叠部分的领域。2012年10月，工业战略4.0工作小组发表了一份全面的中、长期研究建议集锦。本文下一节将聚焦在工作小组认为需要明确产业政策和商业决策的重点研究领域。研究这些重点领域的目的就是希望研究建议可以被顺利采用。工业战略4

59、.0平台是为明确战略实施流程而被建立的。【返回目录】5.1 标准化和为参考结构而开放标准如果工业战略4.0能通过价值网络（参见第三章）推动跨企业协作和整合的话，那么我们就需要开发出一种相宜的标准。“标准化”这部分工作应聚焦在制定合作机制，和确定哪些是可被交换的信息上。完整的技术性描述和这些条例的实施方案就被我们称为“参考结构”。因此，“参考结构”就是适用于所有合作企业的产品和服务的，最常规的解决方案。“参考结构”为架构、部署、整合和执行工业战略4.0相关的技术系统提供了工作框架。“参考结构”也被应用于软件服务和软件应用框架中（图9）。但是工业战略4.0中的价值网是由众多商业模式迥异的企业所组成

60、的，“参考结构”所扮演的角色则是将这些不同的解决方案平凑成一个单一、且适用广的解决方案。这需要合作伙伴同意基本架构原则、界面和数据。【返回目录】生产制造系统的案例为我们提供了很多需要整合到“参考结构”的观点（图10）：（1）考虑到加工和运输功能，生产制造流程的观点；（2）在生产制造系统中特殊联网设备的观点，比如（智能）自动化设备、现场设备、现场网络、可编程逻辑控制器、流程设备、移动设备服务器、工作站、网络接入设备等；（3）生产制造环境中软件应用的观点，比如通过传感器获取数据、时序控器、连续控制器、连锁、运行数据、机器数据、处理数据、存档、趋势分析、计划和优化功能等；（4）软件应用的观点，比如企业计划和管理、跨企业物流或支持