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工业4.0是什么?为什么?

发布者:全靓  时间:2017-01-21

2014年10月初,李克强总理访德期间,中德签署了《中德合作行动纲要:共塑创新》,提出两国将开展工业生产的数字化(工业4.0)合作。而工业和信息化部苗圩部长在讲到德国工业4.0与中国两化深度融合关系时,用了三个关键词:如出一辙、异曲同工、殊途同归。换句话说,对德国工业4.0理解和认识的深化,也就是对中国两化深度融合战略理解和认识的深化。

因此有必要对德国工业4.0提出的时代背景、基本概念、以及我们的理解认识和启示意义做一些更深入的研究,这将有利进一步加快推进实施中国的两化深度融合战略。

为什么?

德国工业4.0在很短的时间内得到了来自党派、政府、企业、协会、院所的广泛认同,并取得一致共识,从一个来自民间的概念迅速演变为国家产业战略,从一个产业政策上升为国家法律。工业4.0在这么短的时间内在德国得到广泛认同,有其偶然性也有必然性。

危机意识

德国是传统的科技工业强国,但是在新一轮产业技术革命中,传统的竞争优势受到了来自各方面的挑战,各界对德国未来发展表现出某种忧虑。

一是对新兴产业创新能力的忧虑。信息通信技术是全球新一轮产业变革中最具活力的技术,德国乃至整欧洲却丧失了全球信息通信产业发展的机遇。在全球产业创新最活跃的互联网领域,全球市值最大20个互联网企业中没有欧洲企业,欧洲的互联网市场基本被美国企业垄断。

二是对传统产业竞争优势的忧虑。德国传统工业在全球的竞争优势仍十分突出,但是在新一代信息技术与工业加速融合,产品、装备、工艺、服务智能化步伐不断加快的背景下,德国能否跟上时代发展的潮流,德国各界有深刻的危机意识。

三是对国家产业战略方向的忧虑。2008年国际金融危机后,新一代信息技术的突破扩散及与工业融合发展,引发了国际社会对第三工业革命、能源互联网、工业互联网、数字化制造等一系列发展理念和发展模式的广泛讨论和思考。作为全球制造业强国,在新一轮技术变革中能不能找到工业发展方向并引领全球工业发展,是德国各界广泛关注的问题。

机遇意识

尽管德国各界对有些产业发展的不尽如人意表现出了忧虑,但对德国传统优势产业的竞争力还是表现出强烈的自信,认为德国工业经济发展面临许多机遇。

一是市场机遇。信息通信技术与制造业融合发展带来一个重要变革就是智能制造时代的来临。在廉价体力劳动不断被机器替代同时,越来越多的脑力劳动者正在被智能工具所替代,人类正在迈向第二次机器时代,其带来产业变革和就业结构影响将超越过去300年工业化历史。

二是技术机遇。智能制造不仅需要单项技术突破,也需要各种技术综合集成,而这正是德国的优势所在。面对全球新一代信息技术与制造技术融合的趋势,德国迎来了巩固和强化技术优势的机遇。比如,工业软件优势、工业电子优势和制造技术优势。

三是产业机遇。德国各界的共识是,要把握信息通信技术与装备制造业融合的趋势,瞄准全球快速成长的智能工厂装备市场,确保德国企业成为全球智能制造产业“领先的供应商”地位。对于德国而言,这个市场是潜在的、也是现实的,没有哪个国家比德国更有条件和优势发展智能制造。

领先意识

在新一轮技术革命和产业变革中,德国人有危机感,也看到新机遇,并试图在工业领域继续保持全球领先的地位,基本途径就是,在向工业化4.0迈进的过程中先发制人,与世界制造强国争夺新科技产业革命的话语权,抢占产业发展的制高点。

一是理念领先。德国作为欧洲传统的工业强国,需要一个既能继承传统工业发展思想、又能启发未来工业趋势的新理念,抢占发展理念的制高点,并引领德国工业继续保持全球领导地位。正是在这一背景下,德国工业4.0的概念出现了,这一概念最大的成功在于它把几百年工业发展的历史与现代信息技术趋势进行了完美的集成,它是继承性与创新性的统一、理论性与通俗化的统一、严肃性与时尚性的统一。

二是技术领先。德国提出“工业4.0”,其宗旨也是支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,大力推动物联网和服务互联网技术在制造业领域的应用,从而应对新一轮科技革命带来的挑战,以此抢占信息技术与工业融合发展中技术的制高点。

三是产业领先。在新一轮科技革命的影响下,全球新的产业分工体系和分工格局正在形成,基于信息物理系统(CPS)的智能工厂和智能制造模式正在引领制造方式的变革,全球研发设计、生产制造、服务交易等资源配置体系加速重组。德国提出“工业4.0”,在智能生产体系的支撑下,重构全球的生产方式。

四是标准领先。产品的智能化、装备的智能化、生产的智能化、管理的智能化以及服务的智能化,对下一代制造的标准化提出了新的要求,这就必须通过制定和执行许许多多的技术标准、服务标准、管理标准和安全标准。德国已抢先一步,制定了《“工业4.0”标准路线图》。

五是市场领先。巩固并不断扩大全球市场的优势是德国工业4.0的根本出发点,也是各界的共识。在“工业4.0”战略中,德国采用了“领先的供应商战略”与“领先的市场战略”的双重战略来释放市场潜力。

是什么?

物联网和制造业服务化迎来了以智能制造为主导第四次工业革命,即“工业4.0”。

工业4.0是互联

工业4.0的核心是连接,要把设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户紧密地连接在一起,使得产品与生产设备之间、不同的生产设备之间以及数字世界和物理世界之间能够互联,使得机器、工作部件、系统以及人类会通过网络持续地保持数字信息的交流。

生产设备之间的互联。工业4.0的核心是单机智能设备的互联,不同类型和功能的智能单机设备的互联组成智能生产线,不同的智能生产线间的互联组成智能车间,智能车间的互联组成智能工厂,不同地域、行业、企业的智能工厂的互联组成一个制造能力无所不在的智能制造系统。

设备和产品的互联。工业4.0的意味着智能工厂能够自行运转,零件与机器可以进行交流。由于产品和生产设备之间能够通信,使得产品能理解制造的细节以及自己将被如何使用。同时,它们能协助生产过程,回答诸如“我是什么时候被制造的”、“哪组参数应该被用来处理我”、“我应该被传送到哪”等问题。

虚拟和现实的互联。信息物理系统(CPS)是工业4.0的核心,它通过将物理设备连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、控制、远程协调和自治等五大功能,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起,从而创造物联网及相关服务,并将生产工厂转变为一个智能环境,是实现设备、产品、人协调互动的基础。

工业4.0是集成

集成是德国工业4.0的关键词。

纵向集成。纵向集成不是一个新话题,却伴随着信息技术与工业融合发展常讲常新。工业4.0所要追求的就是在企业内部实现所有环节信息无缝链接,这是所有智能化的基础。

横向集成。在市场竞争牵引和信息技术创新驱动下,每一个企业都是在追求生产过中的信息流、资金流、物流无缝链接与有机协同。在过去这一目标主要集中在企业内部,但现在这一远远不够了,企业要实现新的目标:从企业内部的信息集成向产业链信息集成,从企业内部协同研发体系到企业间的研发网络,从企业内部的供应链管理与企业间的协同供应链管理,从企业内部的价值链重构向企业间的价值链重构,这就是横向集成。

端到端集成。所谓端到端就是围绕产品全生命周期的价值链创造,通过价值链上不同企业资源的整合,实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期的管理和服务,它以产品价值链创造集成供应商(一级、二级、三级……)、制造商(研发、设计、加工、配送)、分销商(一级、二级、三级……)以及客户信息流、物流和资金流,在为客户提供更有价值的产品和服务同时,重构产业链各环节的价值体系。

工业4.0是数据

随着信息物理系统(CPS)的推广、智能装备和终端的普及以及各种各样传感器的使用,将会带来无所不在的感知和无所不在的连接,所有的生产装备、感知设备、联网终端,包括生产者本身都在源源不断地产生数据,这些数据将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期,是工业4.0和制造革命的基石。

产品数据。包括设计、建模、工艺、加工、测试、维护、产品结构、零部件配置关系、变更记录等数据。产品的各种数据被记录、传输、处理和加工,使得产品全生命周期管理成为可能,也为满足个性化的产品需求提供了条件。首先,外部设备将不再是记录产品数据的主要手段,内嵌在产品中的传感器将会获取更多的、实时的产品数据,使得产品管理能够贯穿需求、设计、生产、销售、售后到淘汰报废的全部生命历程。其次,企业与消费者之间的交互和交易行为也将产生大量数据,挖掘和分析这些数据,能够帮助消费者参与到产品的需求分析和产品设计、柔性加工等创新活动中。

运营数据。包括组织结构、业务管理、生产设备、市场营销、质量控制、生产、采购、库存、目标计划、电子商务等数据。工业生产过程的无所不在的传感、连接,带来了无所不在的数据,这些数据会创新企业的研发、生产、运营、营销和管理方式。首先,生产线、生产设备的数据可以用于对设备本身进行实时监控,同时生产所产生的数据反馈至生产过程中,使得工业控制和管理最优化。其次,通过对采购、仓储、销售、配送等供应链环节上的数据采集和分析,将带来效率的大幅提升和成本的大幅下降,并将极大地减少库存,改进和优化供应链。再次,利用销售数据、供应商数据的变化,可以动态调整优化生产、库存的节奏和规模。此外,基于实时感知的能源管理系统,能够在生产过程中不断实时优化能源效率。

价值链数据。包括客户、供应商、合作伙伴等数据。企业在当前全球化的经济环境中参与竞争,需要全面地了解技术开发、生产作业、采购销售、服务、内外部后勤等环节的竞争力要素。大数据技术的发展和应用,使得价值链上各环节数据和信息能够被深入分析和挖掘,为企业管理者和参与者提供看待价值链的全新视角,使得企业有机会把价值链上更多的环节转化为企业的战略优势。

外部数据。包括经济运行、行业、市场、竞争对手等数据。为了应对外部环境变化所带来的风险,企业必须充分掌握外部环境的发展现状以增强自身的应变能力。大数据分析技术在宏观经济分析、行业市场调研中得到了越来越广泛的应用,已经成为企业提升管理决策和市场应变能力的重要手段。少数领先的企业已经通过为包括从高管到营销甚至车间工人在内的员工提供信息、技能和工具,引导员工更好、更及时地在“影响点”做出决策。

工业4.0是创新

“工业4.0”的实施过程实际上就是制造业创新发展的过程,制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将会层出不穷。

技术创新。未来工业4.0的技术创新在三条轨道上进行,一是新型传感器、集成电路、人工智能、移动互联、大数据在信息技术创新体系中不断演进,并为新技术在其它行业的不断融合渗透奠定技术基础。二是传统工业在信息化创新环境中,不断优化创新流程、创新手段和创新模式,在既有的技术路线上不断演进。三是传统工业与信息技术的融合发展。

产品创新。信息通信技术不断融入工业装备中,推动着工业产品向数字化、智能化方向发展,使产品结构不断优化升级。提供工厂级的系统化、集成化、成套化的生产装备成为产品创新的重要方向。

模式创新。“工业4.0”将发展出全新的生产模式、商业模式。首先在生产模式层面,“工业4.0”对传统工业提出了新的挑战,要求从过去的“人脑分析判断+机器生产制造”的方式转变为“机器分析判断+机器生产制造”的方式,基于信息物理系统(CPS)的智能工厂和智能制造模式正在引领制造方式的变革。其次在商业模式层面,“工业4.0”的“网络化制造”、“自我组织适应性强的物流”和“集成客户的制造工程”等特征,也使得它追求新的商业模式以率先满足动态的商业网络而非单个公司,网络众包、异地协同设计、大规模个性化定制、精准供应链管理等新型智能制造模式将加速构建产业竞争新优势。

业态创新。伴随信息等技术升级应用,从现有产业领域中衍生叠加出的新环节新活动,将会发展成为新的业态,进一步来讲在新市场需求的拉动下,将会形成引发产业体系重大变革的产业。制造与服务融合的趋势,使得全生命周期管理、总集成总承包、互联网金融、电子商务等加速重构产业价值链新体系。

组织创新。在工业4.0时代,很多企业将会利用信息技术手段和现代管理理念,进行业务流程重组和企业组织再造,现有的组织体系将会被改变,符合智能制造要求的组织模式将会出现。基于信息物理系统(CPS) 的智能工厂将会加快普及,进一步推动企业业务流程的优化和再造。

工业4.0是转型

在“工业4.0”时代,物联网和(服)务联网将渗透到工业的各个环节,形成高度灵活、个性化、智能化的产品与服务的生产模式,推动生产方式向大规模定制、服务型制造、创新驱动转变。

从大规模生产向个性化定制转型。“工业4.0”给生产过程带来了极大的自由度与灵活性,通过在设计、供应链、制造、物流、服务等各个环节植入用户参与界面,新的生产体系能够实现每个客户、每个产品进行不同设计、零部件采购、安排生产计划、实施制造加工、物流配送,极端情况下可以实现个性化的单件制造,问题的关键是,设计、制造、配送单件产品是盈利的。在这一过程中,用户由部分参与向全程参与转变,用户不仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。实现真正的个性化定制将是一个漫长而艰辛的过程,这一进程只有起点没有终点。

从生产型制造向服务型制造转型。服务型制造是工业4.0理念中工业未来转型的重要方向,越来越多的制造型企业围绕产品全生命周期的各个环节不断融入能够带来市场价值的增值服务,以此实现从传统的提供制造业产品向提供融入了大量服务要素的产品与服务组合转变。

从要素驱动向创新驱动转型。以廉价劳动力、大规模资本投入的传统要素驱动发展模式将难以为继,移动互联网、云计算、物联网、大数据等新一代信息技术在制造业的集成应用,带来产业链协同开放创新,带来了用户参与式创新,带来了制造业技术、产品、工艺、服务的全方位创新,不断催生和孕育出新技术、新业态和新模式,从而激发整个社会的创新创业激情,加快从传统的要素驱动向创新驱动转型。

工业4.0的本质

最后,如果要对工业4.0是什么做一个小结的话,工业4.0是一个发展的概念、是一个动态的概念,工业4.0是一个理解未来信息技术与工业融合发展的多棱镜,站在不同的角度会有不同的理解,工业4.0是互联,是集成,是数据,是创新,是服务,是转型;工业4.0是是CPS,是智能工厂,是智能制造;工业4.0是国家战略,是企业行为。

但从根本上来讲,“工业4.0”是一种在信息技术发展到新阶段产生的新的工业发展模式。从终极目标来看,工业4.0不能为技术而技术,核心在于提高企业、行业乃至国家的整体竞争力。

从企业来看,通过“工业4.0”可以实现劳动生产率大幅提高,产品创新速度加快,满足个性化需求,减少能耗,大幅提高产品质量和附加值,增强企业核心竞争力显著;从行业来看,通过“工业4.0”可以建立起高度协作的创新服务体系,提高整个行业的资源配置和运行效率;从政府来看,通过“工业4.0”进一步巩固制造业优势,抢占新一轮产业竞争的制高点。



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