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    德國工業4.0戰略意圖及對中國的啟示
    作者:admin  來源:物聯網智庫  發表時間:2016-2-22 9:00:31  點擊:3719

    摘要:
    當中國人瘋狂迷戀于金融、電商,天天喊著要顛覆這個顛覆那個的時候,德國已經進入了制造4.0時代,并作為它的國家戰略被鮮明的提出,在整個德國企業界得到廣泛應用。反觀中國還在小商業計謀上面爭得不可開交時,把流通那點環節搞得不亦樂乎,但是實際上對提升國家的整體競爭力來說,都是虛幻的。

    中國的企業競爭力到底在何方?到現在就像霧霾中的城市,老路仍然看不清方向。你再看看在中國滿大街跑的奔馳、寶馬、奧迪,外國企業幾乎壟斷了中國的所有高端品牌。而中國留戀于金融、電商、互聯網思維這些“小技巧”里面,作繭自縛,這是一種沒有遠見的戰略,我們應該好好地向德國學習。
    所謂制造工業4.0的概念,是以智能制造為主的第四次工業革命,它把德國的傳統制造技術與現代無處不在的互聯網技術相融合,產生智能化的機械設備制造,將再次在全球范圍內提升德國的全球競爭力。
    一、德國工業4.0的本質與目標是什么?
    工業4.0在德國被認為是第四次工業革命,是德國政府2011年11月公布的《高技術戰略2020》中的一項戰略,旨在支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新,保持德國的國際競爭力。
    2013年4月,德國機械及制造商協會、德國信息技術、通訊與新媒體協會、德國電子電氣制造商協會合作設立了“工業4.0平臺”,并向德國政府提交了平臺工作組的最終報告——《保障德國制造業的未來——關于實施工業4.0戰略的建議》。報告提出,德國向工業4.0轉變需要采取雙重策略,即德國要成為智能制造技術的主要供應商和CPS(信息物理系統)技術及產品的領先市場。報告還展望了德國工業4.0戰略的發展前景。
    1、本質是基于“信息物理系統”實現“智能工廠”
    工業4.0,其實就是實現“智能工廠”。第一次工業革命始于18世紀后半期由蒸汽機實現工廠的機械化;第二次工業革命始于19世紀后半期用電力來實現大規?;可a;第三次工業革命始于20世紀后半期通過電氣和信息技術實現制造業的自動化。
    工業4.0將在前三次工業革命的基礎上進一步進化,基于信息物理系統(CyberPhysical
    System)實現新的制造方式。信息物理系統是指通過傳感網緊密連接現實世界,將網絡空間的高級計算能力有效運用于現實世界中,從而在生產制造過程中,與設計、開發、生產有關的所有數據將通過傳感器采集并進行分析,形成可自律操作的智能生產系統。
    2、核心是動態配置的生產方式
    工業4.0報告中描述的動態配置的生產方式主要是指從事作業的機器人(工作站)能夠通過網絡實時訪問所有有關信息,并根據信息內容,自主切換生產方式以及更換生產材料,從而調整成為最匹配模式的生產作業。動態配置的生產方式能夠實現為每個客戶、每個產品進行不同的設計、零部件構成、產品訂單、生產計劃、生產制造、物流配送,杜絕整個鏈條中的浪費環節。與傳統生產方式不同,動態配置的生產方式在生產之前或者生產過程中,都能夠隨時變更最初的設計方案。
    例如,目前的汽車生產主要是按照事先設計好的工藝流程進行的生產線生產方式。盡管也存在一些混流生產方式,但是生產過程中,一定要在由眾多機械組成的生產線上進行,所以不會實現產品設計的多樣化。管理這些生產線的MES(制造執行管理系統)原本應該帶給生產線更多的靈活性,但是受到構成生產線的眾多機械的硬件制約,無法發揮出更多的功能,作用極為有限。
    同時,在不同生產線上操作的工人分布于各個車間,他們都不會掌握整個生產流程,所以也只能發揮出在某項固定工作上的作用。這樣一來,很難實時滿足客戶的需求。工業4.0描繪的智能工廠中,固定的生產線概念消失了,采取了可以動態、有機地重新構成的模塊化生產方式。
    例如,生產模塊可以視為一個“信息物理系統”,正在進行裝配的汽車能夠自律在生產模塊間穿梭,接受所需的裝配作業。其中,如果生產、零部件供給環節出現瓶頸,能夠及時調度其他車型的生產資源或者零部件,繼續進行生產。也就是為每個車型自律性選擇適合的生產模塊,進行動態的裝配作業。在這種動態配置的生產方式下,可以發揮出MES原本的綜合管理功能,能夠動態管理設計、裝配、測試等整個生產流程,既保證了生產設備的運轉效率,又可以使生產種類實現多樣化。
    3、首要目標是工廠標準化
    德國工業影響力的一個側面就是“標準化”。PLC編程語言的國際標準IEC61131-3(PLCopen)主要是來自德國企業;通信領域普及的CAN、Profibus以及EtherCAT也全都誕生于德國。
    工業4.0工作組認為,推行工業4.0需要在8個關鍵領域采取行動。其中第一個領域就是“標準化和參考架構”。標準化工作主要圍繞智能工廠生態鏈上各個環節制定合作機制,確定哪些信息可被用來交換。為此,工業4.0將制定一攬子共同標準,使合作機制成為可能,并通過一系列標準(如成本、可用性和資源消耗)對生產流程進行優化。
    以往,我們聽到的大多是“產品的標準化”,而德國工業4.0將推廣“工廠的標準化”,借助智能工廠的標準化將制造業生產模式推廣到國際市場,以標準化提高技術創新和模式創新的市場化效率,繼續保持德國工業的世界領先地位。
    目前,工信部等部委也正在借鑒德國經驗,編制《中國制造2025》,力求促使中國成為工業強國。筆者認為,德國工業4.0受到了空前的重視,但是如何借鑒工業4.0尤其是工業4.0中的標準化問題,值得我們深入思考。
    二、德國工業4.0背后的戰略意圖
    工業4.0在德國被認為是第四次工業革命,是德國政府2011年11月公布的《高技術戰略2020》中的一項戰略,旨在支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新,保持德國的國際競爭力。德國總理默克爾親自不遺余力地推動工業4.0,其實其背后還有很深的戰略用意。
    1、對抗美國互聯網
    實際上,工業4.0體現出德國對美國的危機感和極高的競爭意識。CPU、操作系統、軟件以及云計算等網絡平臺幾乎都由美國掌控。近兩年來,Google開始進軍機器人領域,研發自動駕駛汽車;Amazon進入手機終端業務,開始實施無人駕駛飛機配送商品……美國互聯網巨頭正在從“信息”領域加速進入“物理”業務領域。顯而易見,這一趨勢對制造業的破壞性影響只是時間問題,因此,德國產生了前所未有的危機感。
    德國的工業4.0戰略詳盡描繪了信息物理系統(CyberPhysicalSystem)概念,希望通過信息物理系統開創新的制造方式,實現“智能工廠”。信息物理系統是指通過傳感網緊密連接現實世界,將網絡空間的高級計算能力有效運用于現實世界中,從而在生產制造過程中,與設計、開發、生產有關的所有數據將通過傳感器采集并進行分析,形成可自律操作的智能生產系統。
    從某種意義上說,工業4.0是德國希望阻止信息技術不斷融入制造業之后帶來的支配地位。一旦制造業各個環節都被云計算接管,那么制造業還是制造業嗎?所以,工業4.0希望用“信息物理系統”升級“智能工廠”中的“生產設備”,使生產設備因信息物理系統而獲得智能,使工廠成為一個實現自律分散型系統的“智能工廠”。那時,云計算不過是制造業中的一個使用對象,不會成為掌控生產制造的中樞所在。
    2、防守中國制造業
    近年來,從中國機械產業的高速增長中,德國看到的更多是“德國制造”自身的危機。數據顯示,德國以16%的份額占據2013年全球機械出口首位,中國以11%的份額,略低于美國位于全球第三。同時,在全球設備制造業的32個子行業中,中國已經在7個子行業中取得了領先地位。更有甚者,美國波士頓咨詢公司的一篇相關分析報告曾提出警告:“歐洲機械制造商必須意識到,競爭環境已經改變,必須對越發明顯的威脅做出反應,否則他們將被來自中國的咄咄逼人的挑戰者打倒?!庇纱?,德國《世界報》網站在今年3月27日報道稱“中國機械制造業嚴重威脅德國”!
    2014年6月24日,德國機械設備制造業聯合會(VDMA)在日本東京舉行發布會,介紹了德國機械制造行業的情況。VDMA擁有120多年的歷史,涵蓋機床工業聯合會、機器人工業聯合會等38個工業聯合會,是德國橫跨各個機械產業的龐大社團組織。VDMA也是搭建“工業4.0平臺”,實施德國工業4.0戰略的重要牽頭組織之一。
    據日本媒體報道,當天,VDMA主席菲斯特格(ReinholdFestge)旗幟鮮明地指出:“日本和德國的機械制造企業,應該為確保長期發展和經濟上的成功進行深入合作,尤其在有交叉的一些產品領域,兩國應該攜手面對中國的挑戰?!睆闹?,德國對中國制造業的防備之心已顯而易見。
    3、對于工業4.0,要借鑒也要應對
    或許有專家認為,工業4.0不過是德國的一項高科技領域的國家戰略,主要是在高端制造技術上對抗美國,跟主要以低端制造為主的我國沒有多大關系。因此,我國也沒有必要對工業4.0采取應對策略。筆者并不認同這種觀點。
    一方面,對于德國工業4.0,我們應該深入研究,參考借鑒。工業4.0是德國舉國實施的全球市場運動,我們應該搭乘這輛便車。借勢借力,在德國推廣“信息物理系統”過程中,通過學會生產制造過程與業務管理系統的深度集成,實現對生產要素的高度靈活配置,實現大規模生產高度定制化產品。從而讓制造業緊跟時代趨勢,提前邁向智能化,以適應未來的國際競爭。
    另一方面,在《中國制造2025》中應涵蓋應對策略。據媒體報道,工信部正聯合發改委、科技部和國資委等多個部門,由中國工程院院士一起參與研究起草的制造業中長期規劃——《中國制造2025》將闡述未來10年中國工業發展的整體理念。筆者希望在《中國制造2025》中能夠有效考慮到德國工業4.0帶來的沖擊和潛在競爭因素。因為我國一直是制造大國,卻不是制造強國。工業4.0來了,物聯網、服務互聯網將取代傳統封閉性的生產制造系統,成為未來工業的根基。而在物聯網、服務互聯網等信息產業領域更為落后的我們,未來還有沒有成為制造強國的機會?
    三、德國工業4.0的中國啟示
    德國工業4.0戰略為我們展現了一幅全新的工業藍圖,深入分析其愿景與要點,可以洞察德國提出工業4.0的目的與戰略意圖。在新的發展背景下,將信息化的時代特征與我國工業化歷史進程緊密結合起來,把兩化深度融合作為主線,為推動工業轉型升級注入新的動力,從而在向工業化邁進的過程中占得先機,這是4.0戰略對我國推進工業轉型升級的重要啟示。
    1、戰略愿景與要點
    與美國流行的第三次工業革命的說法不同,德國將制造業領域技術的漸進性進步描述為工業革命的四個階段,即工業4.0的進化歷程。
    1)工業1.0 18世紀60年代至19世紀中期,通過水力和蒸汽機實現的工廠機械化可稱為工業1.0。這次工業革命的結果是機械生產代替了手工勞動,經濟社會從以農業、手工業為基礎轉型到了以工業以及機械制造帶動經濟發展的模式。
    2)工業2.0 19世紀后半期至20世紀初,在勞動分工的基礎上采用電力驅動產品的大規模生產可稱為工業2.0。這次工業革命,通過零部件生產與產品裝配的成功分離,開創了產品批量生產的新模式。
    3)工業3.0 始于20世紀70年代并一直延續到現在,電子與信息技術的廣泛應用,使得制造過程不斷實現自動化,可稱為工業3.0。自此,機器能夠逐步替代人類作業,不僅接管了相當比例的“體力勞動”,還接管了一些“腦力勞動”。
    4)工業4.0 德國學術界和產業界認為,未來10年,基于信息物理系統(Cyber-PhysicalSystem,CPS)的智能化,將使人類步入以智能制造為主導的第四次工業革命。產品全生命周期和全制造流程的數字化以及基于信息通信技術的模塊集成,將形成一個高度靈活、個性化、數字化的產品與服務的生產模式。
    工業4.0為我們展現了一幅全新的工業藍圖:在一個“智能、網絡化的世界”里,物聯網和務聯網(服務互聯網技術)將滲透到所有的關鍵領域,創造新價值的過程逐步發生改變,產業鏈分工將重組,傳統的行業界限將消失,并會產生各種新的活動領域和合作形式。
    1)工業4.0將使得工業生產過程更加靈活、堅強。這將使得動態的、適時優化的和自我組織的價值鏈成為現實,并帶來諸如成本、可利用性和資源消耗等不同標準的最優化選擇。包括在制造領域的所有因素和資源間形成全新的循環網絡、智能產品獨特的可識別性、個性化產品定制以及高度靈活的工作環境等。
    2)工業4.0將發展出全新的商業模式和合作模式。這些模式將力爭確保潛在的商業利潤在整個價值鏈所有利益相關人之間公平地共享,包括那些新進入的利益相關人。同時,工業4.0“網絡化制造”、“自我組織適應性強的物流”和“集成客戶的制造工程”等特征,也使得它追求新的商業模式以率先滿足動態的商業網絡而非單個公司,這將引發一系列諸如融資、發展、可靠性、風險、責任和知識產權以及技術安全等問題。
    3)工業4.0將帶來工作方式和環境的全新變化。全新的協作工作方式使得工作可以脫離工廠,通過虛擬的、移動的方式開展。員工將擁有高度的管理自主權,可以更加積極地投入和調節自己的工作。同時,隨著工作環境和工作方式的巨大改變,可以大幅度提升老年人和婦女的就業比例,確保人口結構的變化不會影響當前的生活水平。
    4)工業4.0將促進形成全新的信息物理系統平臺。全新的信息物理系統平臺能夠聯系到所有參與的人員、物體和系統,將提供全面、快捷、安全可靠的服務和應用業務流程,支持移動終端設備和業務網絡中的協同制造、服務、分析和預測流程等。
    德國工業4.0戰略的要點可以概括為:建設一個網絡、研究兩大主題、實現三項集成、實施八項計劃。
    建設一個網絡:信息物理系統網絡。信息物理系統就是將物理設備連接到互聯網上,讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能,從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯系在一起,從而創造物聯網及相關服務,并將生產工廠轉變為一個智能環境。這是實現工業4.0的基礎。
    研究兩大主題:智能工廠和智能生產?!爸悄芄S”是未來智能基礎設施的關鍵組成部分,重點研究智能化生產系統及過程以及網絡化分布生產設施的實現?!爸悄苌a”的側重點在于將人機互動、智能物流管理、3D打印等先進技術應用于整個工業生產過程,從而形成高度靈活、個性化、網絡化的產業鏈。生產流程智能化是實現工業4.0的關鍵。
    實現三項集成:橫向集成、縱向集成與端對端的集成。工業4.0將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡,使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯,從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成。
    橫向集成是企業之間通過價值鏈以及信息網絡所實現的一種資源整合,是為了實現各企業間的無縫合作,提供實時產品與服務;縱向集成是基于未來智能工廠中網絡化的制造體系,實現個性化定制生產,替代傳統的固定式生產流程(如生產流水線);端對端集成是指貫穿整個價值鏈的工程化數字集成,是在所有終端數字化的前提下實現的基于價值鏈與不同公司之間的一種整合,這將最大限度地實現個性化定制。
    實施八項計劃:工業4.0得以實現的基本保障。一是標準化和參考架構。需要開發出一套單一的共同標準,不同公司間的網絡連接和集成才會成為可能。二是管理復雜系統。適當的計劃和解釋性模型可以為管理日趨復雜的產品和制造系統提供基礎。三是一套綜合的工業寬帶基礎設施??煽?、全面、高品質的通信網絡是工業4.0的一個關鍵要求。四是安全和保障。在確保生產設施和產品本身不能對人和環境構成威脅的同時,要防止生產設施和產品濫用及未經授權的獲取。五是工作的組織和設計。隨著工作內容、流程和環境的變化,對管理工作提出了新的要求。六是培訓和持續的職業發展。
    有必要通過建立終身學習和持續職業發展計劃,幫助工人應對來自工作和技能的新要求。七是監管框架。創新帶來的諸如企業數據、責任、個人數據以及貿易限制等新問題,需要包括準則、示范合同、協議、審計等適當手段加以監管。八是資源利用效率。需要考慮和權衡在原材料和能源上的大量消耗給環境和安全供應帶來的諸多風險。
    總的來看,工業4.0戰略的核心就是通過CPS網絡實現人、設備與產品的實時連通、相互識別和有效交流,從而構建一個高度靈活的個性化和數字化的智能制造模式。在這種模式下,生產由集中向分散轉變,規模效應不再是工業生產的關鍵因素;產品由趨同向個性轉變,未來產品都將完全按照個人意愿進行生產,極端情況下將成為自動化、個性化的單件制造;用戶由部分參與向全程參與轉變,用戶不僅出現在生產流程的兩端,而且廣泛、實時參與生產和價值創造的全過程。
    2、對我國工業轉型升級的啟示
    把兩化深度融合作為主要著力點。德國工業4.0戰略與我國提出的兩化深度融合有很多相通之處。在某種程度上,兩化融合可稱為我國工業的3.0,兩化深度融合可以說是我國工業的4.0。在新的發展背景下,只有將信息化的時代特征與我國工業化歷史進程緊密結合起來,把兩化深度融合作為主線,才能為推動工業轉型升級注入新的動力,也才能在向工業化邁進的過程中占得先機。
    1)超前部署建設國家信息物理系統網絡平臺。美、德等世界工業強國都高度重視信息物理空間構建,加強戰略前瞻部署,并取得積極研究進展。中國要決勝未來的競爭,必須在構建信息物理系統網絡平臺上先行一步。一方面,在國家新的信息化發展戰略中加強對CPS的總體布局,研究制定CPS建設的戰略目標、重點任務、發展路徑和政策舉措。同時,在制造業發展、智慧城市建設、國家網絡和信息安全等工作中加強前瞻部署和應用推廣。另一方面,可借鑒美國組建“國家制造創新網絡中心”的做法,組建一批國家信息物理系統網絡平臺,負責承擔基礎理論研究,組織力量研發突破CPS軟件、傳感器、移動終端設備等工具和裝備,推動重點行業企業的開發應用。
    2)啟動國家智能制造重大專項工程。智能制造已成為全球制造業發展的新趨勢,智能設備和生產手段在未來必將廣泛替代傳統的生產方式。當前,我國在智能測控、數控機床、機器人、新型傳感器、3D打印等領域,初步形成完整的產業體系。但總體看,我國制造業發展仍然以簡單地擴大再生產為主要途徑,通過智能產品、技術、裝備和理念改造提升傳統制造業的任務艱巨而迫切。建議從國家層面啟動實施智能制造專項工程,加強技術攻關,開展應用示范,推動制造業向智能化發展轉型。一是重點突破智能機器人。
    開展智能機器人及智能裝備系統集成、設計、制造、試驗檢測等核心技術研究,攻克精密減速器、伺服驅動器、傳感器等關鍵零部件。二是開展數字工廠應用示范。在全國范圍內分行業分區域選取試點示范企業,給予扶持,建設數字制造的示范工廠,發揮其“種子”作用。三是推動制造業大數據應用。以行業龍頭企業為先導,鼓勵其應用大數據技術提升生產制造、供應鏈管理、產品營銷及服務等環節的智能決策水平和經營效率。
    3)用標準引領信息網絡技術與工業融合。工業4.0戰略的關鍵是建立一個人、機器、資源互聯互通的網絡化社會,各種終端設備、應用軟件之間的數據信息交換、識別、處理、維護等必須基于一套標準化的體系。為了保障工業4.0的順利實現,德國把標準化排在八項行動中的第一位,同時建議在工業4.0平臺下成立一個工作小組,專門處理標準化和參考架構的問題。我們在推進信息網絡技術與工業企業深度融合的具體實踐中,也應高度重視發揮標準化工作在產業發展中的引領作用,及時制定出臺“兩化深度融合”標準化路線圖,引導企業推進信息化建設。同時,還要著力實現標準的國際化,使得中國制定的標準得到國際上的廣泛采用,以奪取未來產業競爭的制高點和話語權。
    4)構建有利于工業轉型升級的制度保障體系。德國工業4.0戰略十分重視產業創新、組織創新與現有制度相沖突的問題。工業4.0一方面增加了管控的復雜性,技術標準的制定需要符合相應的法律法規;另一方面也需要制定相應的規章制度促進技術創新。工業4.0采取了一系列措施以加強制度保障,比如設立處理各類問題的專職工作組,制定和實施安全性支撐行動,建立培訓和再教育制度等。我國在推動工業轉型升級的問題上,也同樣面臨制度保障方面的相關問題。因此,非常有必要建立和完善有利于工業轉型升級的長效機制,比如知識產權保護制度,節能環保、質量安全等重點領域的法律法規,人才培養和激勵機制等,從而形成推動工業轉型升級的制度保障。
    5)產學研用聯合推動制造業創新發展。德國工業4.0是由德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等聯合發起的,工作組成員也是由產學研用多方代表組成的。因此,工業4.0戰略一經提出,很快得到了學術界、產業界的積極響應。事實上,政府支持產學研合作的動機不單純來自于市場考量,通過產學研合作創新促進競爭往往成為發達國家重要的戰略意圖。我國應該充分吸收和借鑒發達國家產學研用聯合模式,一方面,針對不同類型自發的產學研合作網絡或產業研發聯盟,政府要通過引導和支持的方式促進其發展;另一方面,選擇幾個重點行業和關鍵技術領域進行試點,以行業骨干企業為龍頭,聯合科研實力雄厚的大學和科研機構,組建多種形式的產學研研發聯盟,充分調動各方資源和力量,共同推進技術研發和應用推廣。

     

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