4.2　德国“工业4.0”

4.2.1　起源

2010年，德国政府发布《德国2020高科技战略》，重点推出11项“未来项目”；2011年，在德国科学—产业经济研究联盟的倡导下，开始研究11项“未来项目”中的未来制造业；2012年，德国政府发布《德国2020高技术战略》行动计划，并计划投资2亿欧元，旨在支持工业领域通信技术的研发创新。

2013年4月，德国政府在汉诺威工业博览会上正式推出《保障德国制造业的未来：关于实施工业4.0战略的建议》，正式提出工业4.0的战略建议，并宣布由德国机械设备制造业联合会（VDMA）、德国信息产业电信和新媒体协会（BITKOM）和德国电子电气制造商协会（ZVEI）等机构组成秘书处，三方共同建立工业4.0平台。

在德国工业4.0工作组的努力和各种妥协之下，2015年3月，德国正式提出了工业4.0的参考架构模型（RAMI 4.0）。之所以被称为工业4.0，主要是相对于前三次工业革命而言的。工业1.0指的是18世纪开始的第一次工业革命，实现了机械生产代替手工劳动；第二次工业革命始于20世纪初，依靠生产线实现批量生产；工业3.0则为现代人所熟悉，指的是20世纪70年代后，依靠电子系统和信息技术实现的生产自动化。

德国工业4.0战略的要点可以概括为：建设一个网络、研究两大主题、实现三项集成、实施八项计划。

建设一个网络—信息物理系统网络。信息物理系统就是将物理设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治五大功能，从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。CPS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。这是实现工业4.0的基础。

研究两大主题—智能工厂和智能生产。智能工厂是未来智能基础设施的关键组成部分，重点研究智能化生产系统和过程以及网络化分布生产设施的实现。智能生产的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程，从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。生产流程智能化是实现工业4.0的关键。

实现三项集成—横向集成、纵向集成与端对端的集成。工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联，从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

实施八项计划—工业4.0得以实现的基本保障。一是标准化和参考架构，需要开发出一套单一的共同标准，不同公司间的网络连接和集成才会成为可能。二是管理复杂系统，适当的计划和解释性模型可以为管理日趋复杂的产品和制造系统提供基础。三是一套综合的工业宽带基础设施，可靠、全面、高品质的通信网络是工业4.0的一个关键要求。四是安全和保障，在确保生产设施和产品本身不对人和环境构成威胁的同时，要防止生产设施和产品滥用及未经授权的获取。五是工作的组织和设计，随着工作内容、流程和环境的变化，对管理工作提出了新的要求。六是培训和持续的职业发展，有必要通过建立终身学习和持续的职业发展计划，帮助工人应对来自工作和技能的新要求。七是监管框架，创新带来的诸如企业数据、责任、个人数据以及贸易限制等新问题，需要包括准则、示范合同、协议、审计等适当手段加以监管。八是资源利用效率，需要考虑和权衡在原材料和能源上的大量消耗给环境和安全供应带来的诸多风险。

4.2.2　主要概念与框架

过去20年，美国引领的互联网革命大大改变了人类的生活方式，其他国家纷纷仿效。有分析认为，为了与工业3.0时代的集大成者美国竞争，德国迫切希望阻止信息技术对制造业的支配，进而引领新一轮工业革命，成为新游戏规则的制定者。

与美国相比，德国有一点不同，德国拥有强大的制造业，它可以从另一个基础开始起步。德国现在的目标是把传统制造业转型成电子型制造业，并在制造业中加入新的服务，纯粹是靠制造业推动。

在这一背景下，结合传统的制造业优势，德国最终在国家层面推出了工业4.0战略，并由默克尔总理出面背书。工业4.0概念的提出者、德国工程院院长HenningKagermann表示，工业4.0为德国提供了一个机会，可进一步巩固其作为生产制造基地、生产设备供应商和IT业务解决方案供应商的地位。

从某种意义上说，工业4.0是德国针对自身在制造领域的优势特点推出的超越计划。根据德国工业巨头西门子公司官网的介绍，工业4.0的核心是智能制造，通过嵌入式的处理器、存储器、传感器和通信模块，把设备、产品、原材料、软件联系在一起，使得产品和不同的生产设备能够互联互通，未来工厂能够自行优化并控制生产过程。除了产品和机器的互联外，工业4.0还将在未来实现工厂、消费者、产品、信息数据的互联，最终实现万物互联，从而重构整个社会的生产方式。

工业4.0的概念包含了由集中式控制，向分散式增强型控制的基本模式转变，从而建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。各种机器、产品、零部件、人员、原材料，各种研发工具、测试验证平台、虚拟产品，各种工厂、生产管理、运营管理流程，各级供应商以及成千上万的客户，都将是这个系统的重要组成部分。

为了解决复杂系统的组成问题，德国制造业运用系统工程论，提出了工业4.0的参考架构模型RAMI 4.0。RAMI 4.0参考架构模型如图4-5所示，分别从产品生命周期/价值链、层级和架构等级三个维度对工业4.0进行描述。其中，产品生命周期/价值链维度从产品全生命周期视角出发，描述了以零部件、机器和工厂为典型代表的工业要素从虚拟原型到实物的全过程；层级维度是信息物理系统的核心功能，以各层级的功能来体现；架构等级维度在IEC62264企业系统层级架构的标准基础之上，补充了产品或工件的内容，并由个体工厂拓展至“连接世界”，从而体现工业4.0针对产品服务和企业协同的要求，这也是RAMI 4.0的第一个维度。

RAMI 4.0功能层的作用如图4-6所示。

目前公布的RAMI 4.0已经覆盖了工业网络通信、信息数据、价值链、企业分层等领域。对现有标准的采用将有助于提升参考架构的通用性，从而能够更广泛地指导不同行业企业开展工业4.0实践。

德国将实现物联网和信息物理系统的技术视为工业4.0发展的关键基础，将工业4.0应用发展的关键技术领域分为以下六大类：

① 通信。它是在物联网的基础设施中将信息物理系统网络化的基础。

② 传感。用于每个信息物理系统以获取重要的生产制造信息。

③ 嵌入式系统。传感技术加硬件、智能数据处理与物流操控整合的发展基础。

④ 电动执行。使信息物理系统对有形的物质世界能够产生影响和作用，对机械设备进行调整或让事物实现自主操控。

⑤ 人机交互界面。基本以前三类技术为基础，是支撑劳动者在复杂性日益提升的工场/车间中工作的新技术。

⑥ 软件及系统。综合了多种技术，用于基于数据处理的自动化和自主生产，一方面能够实现工业4.0的首要目标，即信息物理系统的分散式操控，另一方面能实现“云”中的海量数据处理或软件模块化。

按经济潜能划分，各领域中的子技术可分为三大层级。一级技术为基础技术，是企业参与市场竞争必备的、市场潜力已被充分挖掘的技术；二级技术为关键技术，是部分企业掌握的、且与企业市场竞争能力密切相关的技术；三级技术为先驱技术，是目前尚未成熟的、但掌握后将确立企业未来竞争优势的技术。

同时，德国还将领域中的子技术根据发展应用成熟度分为9个小级，1-3级为基础发展阶段的技术，4-6级属于评估测试阶段的技术，7-9级为已在执行应用阶段的成熟技术。每个领域中与工业4.0未来应用和发展密切相关的技术按照经济潜能进行了细分。

RAMI 4.0对德国产业界来说，是继“工业发展的四个阶段划分”观点之后，又一个新的成果，是对工业4.0理念进一步的明确和阐述，其意义主要体现在以下三个方面。

一是有助于凝聚产业界共识，加快推动大企业实施工业4.0战略。工业4.0参考架构模型RAMI 4.0实际上是为德国国内企业明确了一个通用的工业4.0概念，能够为企业部署新的基础设施、应用新的技术、形成新的标准指明方向。作为工业4.0的主要推动机构，德国“工业4.0平台”以RAMI 4.0架构所界定的各项功能为目标，积极推进信息技术、制造技术、激光感应技术等跨界技术的集成试验。目前已形成应用案例237个，部分研究成果已在德国的大企业中得到实施。

二是有助于聚合中小企业，提升中小企业参与的积极性。德国大约有330多万家中小企业，他们是德国经济的支柱和推动力量，这些中小企业虽然规模不大，但都是某一个制造领域的领先者。对于工业4.0，大部分中小企业仍持观望态度，都在等待合适的市场框架的形成。根据德国联邦贸易与投资署专家此前的研究显示，2011年德国工业4.0概念提出之后，参与的企业主要是特定产业领域中的大企业和大机构，如博世、西门子等，但中小企业的参与度却始终很低。

三是RAMI 4.0明确了新的标准和技术框架，使得中小企业有机会参与到未来工业体系建设的过程中，从而提升中小企业的参与度，加快推进工业4.0战略在德国整个产业界中的落实。

4.2.3　发展趋势

德国发布工业4.0战略后，由德国机械及制造商协会、德国电气电子行业协会和信息技术协会于2013年4月成立了工业4.0平台组织（Plattform Industrie 4.0），其核心工作是在规范与标准、安全、研究与创新方面，主要目标是促进工业发展、提高工业生产标准、开发新的商业模式和运营模式并付诸实践，并推动联邦政府的高科技战略“未来项目：第四次工业革命”在跨部门协调的环境下实施。

2015年3月16日，德国联邦经济与能源部、德国联邦教育和研究部共同启动升级版工业4.0平台建设，接管由上述三大协会负责的工业4.0平台，并在主题和结构上对其重新改造。2015年4月14日，在汉诺威工业博览会上，工业4.0平台正式启动。截至2015年11月，经过6个月的扩容，德国工业4.0平台已成为拥有100多家机构、250多名人员组成的世界上最大、最多样性的工业网络，并已经与行业协会等建立了包括7000家企业在内的网络平台。

作为工业4.0的核心—物理融合系统CPS的应用效果不一，主要的挑战在于如何将CPS技术融合到现在的生产体系当中，以及员工如何适应新的生产形式。工业4.0在关键问题上的研究成果需要在实际的工业生产中实现落地，这种科研与生产相分离的问题急需解决。

此外，在实施过程中暴露出来的另一个问题是相关标准的缺失。虽然已经有政府指导的行业领域，但具体哪些技术会在未来具有竞争力还是未知数，特别对于中小企业来说，这样的风险是巨大的。所以德国联邦教育和研究部在2017年发布了一份报告，在展示了一些成功资助的工业4.0实际案例的同时，也希望能够帮助企业，特别是中小企业在实际生产运用时，能够从众多CPS技术当中找到合适的技术，应用到企业的生产系统中，以解决实际问题。

2015年，德国联邦教育和研究部发起了“工业4.0：从科研到企业落地”计划，旨在帮助中小企业实现工业4.0在实际生产中的应用。截至2016年年底，该计划已经资助了12个应用导向的研究项目，联邦教育和研究部总共投入配套资金超过3000万欧元，在每个项目中的出资比例都超过50%。这些项目均由多家企业或高校与研究机构共同组成，全都集中在CPS、通信和信息技术等领域。

除了“企业落地”计划，联邦教育和研究部还通过其他计划对这类科研项目进行资助，仅2017年上半年，就已经资助了18个项目，其中涉及的领域包括技术融合、3D打印、自动化等。如今，联邦教育和研究部资助的正在进行的科研项目已经达到325个，涉及的领域包括嵌入式系统、CPS、物联网、虚拟现实和增强现实技术、智能制造等，主要集中在慕尼黑周边、斯图加特周边、鲁尔区以及柏林-波茨坦等地区。