1、工業4.0 ”的概念工業4.0”研究項目由德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部聯手資助，在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司 等德國學術界和產業界的建議和推動下形成，并已上升為國家級戰略。德國聯邦政府投入達2億歐元1。德國政府提出“工業4.0 ”戰略，并在2013年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出，其目的是為了提高德國工業的競爭 力，在新一輪工業革命中占領先機。該戰略已經得到德國科研機構和產業界的廣泛認同，弗勞恩霍夫協會將在其下屬6-7個生產領域的研究所引入工業 4.0概念，西門子公司已經開始將這一概念引入其工業軟件開發和生產控制系統。工業4.0 ”的內涵“工業4.0 ”概念包含了由集中式控制向

2、分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，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。創造 新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。德國學術界和產業界認為，“工業 4.0 ”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。該戰略 旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統一信息物理系統( Cyber-Physical System)相結合的手段，將制造 業向智能化轉型。“工業4.0 ”項目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設 施的實現；二是

3、“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。該計劃將特別注重吸引中小企業參與，力圖使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者，同時也成為先進 工業生產技術的創造者和供應者。工業4.0 ”的愿景是怎樣的？德國工業4.0戰略將更具靈活性，也更強勁，在工程、規劃、制造、運營和物流流程中實施最高標準。這將催生動態的、實時優化、自我組織的價值鏈，并可通過一系列標準（如成本、可用性和資源消耗）進行優化.這一價值鏈還需要適當的監管框架、標準化接口和統一的業務流程。以下是德國工業4.0戰略的愿景：（1）它的最大特點是制造業中所有參與者及資源的高度社會技術

4、互動。互動主要圍繞制造資源網絡（制造機械、機 器人、輸送機和倉儲系統及生產設施）進行，這些網絡獨立自主，在不同情況下能自我管理，自我配置，還裝備了傳感 器，分散安裝，并融入了相關規劃及管理系統。作為這一愿景的關鍵組成部分，智能工廠將被納入公司內部價值網絡， 它的特點是包括制造過程和制造產品的端對端工程，實現數字和物理世界的無縫銜接。智能工廠將使不斷復雜的制造流 程便于管理，并能同時確保生產過程的吸引力、生產效益以及工廠在市區環境的可持續性發展。（2）德國工業4.0戰略中的智能產品可明確識別，并有可能隨處可見。即使還在生產環節，其自身制造流程的所有 細節均可被控。這意味著，在某些領域，智能產品可

5、以控制各生產階段，進行半自主生產。此外，這還能確保成品了解 自身發揮最優性能的參數，并辨別生命周期中發生磨損和毀壞的標記。 這些數據可集合使用，以便優化智能工廠的物流、 布局、維護以及與業務管理應用程序的整合。（3）德國工業4.0戰略實施后，將有可能把個人客戶和產品的獨特特性融入到設計、配置、訂購、計劃、生產、運 營和回收階段。它甚至可以在制造和運營之前最后一分鐘或進行中提出改變的請求，這將使生產一件定制產品和小批量 產品也能產生利潤。（4）德國工業4.0戰略的實施，將使員工能根據具體情況進行控制、監管和配置智能制造資源網絡和制造步驟。員 工再也無需完成例行任務，他們可以更多地關注創新和具有附

6、加值的活動。因此，他們在確保產品質量方面將起到關鍵 作用。同時，靈活的工作條件也將他們的工作和個人需求更好地結合起來。（5） 德國工業4.0戰略的實施，需要進一步擴展相關的網絡基礎設施，并通過服務水平協議進一步規范網絡服務質 量。這將有望滿足大流量數據應用程序和服務供應商的高帶寬需求，以保證關鍵應用程序的運行時間。工業4.0 ”具有哪些核心特征？德國制造業是世界最具競爭力的制造業之一，尤其是裝備制造業在全球處于領先地位。這在很大程度上源于德國在 創新性制造技術方面的研究、開發和生產，以及復雜工業過程管理的專業性。德國擁有強大的機器和設備制造業，在信息技術領域表現出很高的水平和能力，在嵌入式系統

7、和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工 程行業中的領軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優勢開拓新型工業化的潛能：工業4.0。前三次工業革命的發生，分別源于機械化、電力和信息技術。如今，將物聯網及服務引入制造業正迎來第四次工業 革命。不久的將來，企業能以 CPS（ Cyber-Physical Systems ，信息物理系統）的形式建立全球網絡，整合其機器、倉 儲系統和生產設施。在制造業領域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機器、存儲系統和生產設施，它們能獨立運行和相互控制。這 有利于從根本上改善工業過程，包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理。智能工廠現在似乎已開

8、始采用一種全新的方式來生產產品。智能產品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位,我們知道它的發展歷程，了解它當前狀況，以及實現其目標狀態的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工 廠和公司業務流程聯網，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構建了嵌入式制造系統。此外，這些指令都 要求啟用終端間工程（模式）流經整個價值鏈。工業4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產品只生產一次，也能 通過頗具收益的方式制造出來。在工業 4.0中，以供應商為例，動態業務和工程流程能幫他們根據生產需要最終做出相 應改變，并靈活應對生產中斷和故障。現在，制造過程中

9、已經能夠提供端到端的透明化，以促進決策優化。工業 4.0將會開發出創造價值的新方法和新的 商業模式。特別是，它將給初創公司和小企業的發展帶來機會，下游服務也能從中受益。此外，工業4.0將正視和解決某些當今世界面臨的挑戰， 如資源能源利用效率、城鎮化、人口結構變化等。工業4.0 能持續帶來覆蓋整個價值網絡的資源生產率和效率的增益。它能將人口結構變化和社會因素考慮在內，以適合的方式組 織生產。智能輔助系統讓工人從單調、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創新和增值業務上。鑒于熟練工短缺的問題，工業 4.0允許老工人延長職業生涯，從而長久地保持生產力。靈活的工作組織形式使工人 們能夠更好地整合自己

10、的工作，私人生活和持續的職業生涯發展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點。制造工程領域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認識到在制造業部署物聯網及服務是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業造成威脅，美國也在采取措施，通過推進“高端制造業”計劃反對“去工業 化”。為了實現工業生產向工業4.0的轉變，需要采取雙重策略。裝備制造業應尋求穩固在全球市場的領導地位，一如既 往地把信息通信技術與其傳統的高科技戰略進行整合，使自己成為智能制造技術的主要供應商。與此同時，還有必要為 CPS技術和產品創建新的領先市場，并為之服務。要實現上述CPS雙重策略的目標，以下工業4.0

11、的基本特征應該得到落實：(1) 通過價值網絡實現橫向集成(2) 工程端到端數字集成橫跨整個價值鏈(3) 垂直集成和網絡化的制造系統這些特征是制造商在面對變幻莫測的市場能夠取得穩固地位的重要因素，同時使它們的價值創造活動適應變化的市場需求。雙重物理網絡系統戰略中提到的特征將允許制造企業在高度動態的市場中達到快速的、準時的、無故障的生產。通過價值網絡進行橫向整合模型、設計以及通過價值網絡的橫向整合應該可以回答下面的問題：物理網絡系統如何支持企業的商務戰略、新價值網絡以及新商業模式？這個問題同樣適用于研究、開發和應用領域(圖 1)。除了“商業模型”、“不同企業間的合作形式”，還有一些話題值得研究，比

12、如“可持續性”、“技能保護”、“標準戰略”，以及“中到長期訓練和員工發展倡議”避卻毎圖1通過價值網絡實現橫向整合橫跨整個價值鏈的端對端工程下面的關鍵問題是關于通過工程過程實現端對端數字整合，以達到產品整個價值鏈數字世界和真實世界的整合，同 時滿足客戶的需求：物理網絡系統如何實現端對端的包括工程工作流的商業過程？對于這一點，建模在管理越來越復雜的技術系統中起到了關鍵的作用 （見5.2節）。應該部署適當的信息技術系統, 以便為整個價值鏈提供端對端的支持，從產品開發到制造系統工程、生產和服務（圖2）。需要一個涵蓋不同技術領域的整體的工程方法系統。為了實現這個目標，工程師們需要接受適當的培訓。圖2橫跨

13、價值鏈的端對端工程垂直整合與網絡制造系統就垂直整合來說，需要回答下面的問題：物理網絡系統如何創造靈活和可重構的制造系統？垂直整合的地點是工廠。在明天的智能工廠，制造結構將不是固定的和事先定義好的。相反，一系列信息技術組合 規則將被定義，這些信息技術組合規則可以被應用到不同的案例中，為不同情況自動形成特定的結構，包括模型、數據、 通信和算法（圖3）。I圖3垂直整合與網絡制造系統為了完成垂直化整合，確保調節器和傳感器信號在ERF不同層面的端對端的數字化整合非常重要。開發模塊化以及 重新使用戰略來完成點對點網絡和制造系統重構，以及恰當的智能系統描述也很重要。不僅如此，領班和操作者需要接 受培訓以便了解操作制造系統的方法所產生的影響。工業4.0發展目標 德國制造業是世界上最具競爭力的制造業之一，在全球制造裝備領域擁有領頭羊的地位。這