德国工业4.0和智能制造

智能制造是当前制造业升级的重要方向，本质是软件定义的工业技术和生产关系。世界工业大国在10年前就筹谋规划，美国提出了“工业互联网”，中国提出了“中国制造2025”，德国则提出了“工业4.0”。本文以德国工业4.0为例，分析智能制造的深刻内涵。

01 从工业1.0到工业4.0

人类社会历史上出现了四次工业革命。工业1.0是蒸汽驱动的机器制造设备的出现。工业2.0是基于劳动分工的、电力驱动的大规模生产的出现。工业3.0是电子和计算机技术实现制造的自动化。工业4.0则是基于信息物理融合系统出现的，将实现制造的智能化。

 

02 工业4.0的出现和定义

2011年起，在德国科学-产业经济研究联盟 （Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft）的倡导下，开始研究工业4.0。2013年4月，工业4.0发展战略发布，由VDMA、BITKOM、ZVEI组成秘书处，组建工业4.0平台。2014年4月，工业4.0平台发布白皮书（实施计划）。

工业4.0是通过互联网等通信网络将工厂与工厂内外的事物和服务连接起来，创造前所未有的价值、构建新的商业模式的产官学一体的项目。“工业4.0”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，目标是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。

03 工业4.0的战略要点

德国工业4.0战略发展规划，其战略要点是“一四三八”。

 

“一”就是建设一个系统——信息物理系统（Cyber-Physical System，CPS）。工业4.0主要是通过CPS，总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。

“四”就是研究四大主题：智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。

“三”是实现三项集成。通过价值链及网络实现企业间横向集成、贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成，以及企业内部灵活且可重新组合的纵向集成和网络化制造系统。

“八”是实施八项计划：标准架构、系统模型、基础设施、安全保障、工作组织、持续培训、监管框架、资源利用。可见，这八项计划绝不是某一家企业可以做到的，而是要靠国家整体规划推进。

04 CPS系统

CPS是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，将网络空间的高级计算能力有效的运用于现实世界中，从而在生产制造过程中，与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析，形成可自律操作的智能生产系统。中国电子标准化研究院编写的《信息物理系统（CPS）白皮书2017》对此有详细介绍。

 

05 四大主题

四大主题包括：智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。

智能工厂包括企业决策、综合管理等，牵涉工厂的人、财、物、产、供、销等方方面面。

智能生产就是整个产品的复杂生产组织和生产制造过程，包含人、机、料、法、环、测等复杂生产要素。

智能物流是通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率。

智能服务是自动辨识用户的显性和隐形要求，应用多方面信息技术提供跨平台、多元化的集成服务。

06 三大集成

三大集成包括：纵向集成、端到端集成和横向集成。

纵向集成，全称为“纵向集成和网络化制造系统”，即建立智能工厂（Smart Factory），其实质是“将各种不同层面的IT系统集成在一起（例如，执行器与传感器、控制、生产管理、制造和执行及企业计划等不同层面）”（摘自《德国工业4.0战略计划实施建议》），也就是说将企业内不同的IT系统、生产设施（以数控机床、机器人等数字化生产设备为主）进行全面的集成，目的是建立一个高度集成化的系统，为将来智能工厂中数字化、网络化、智能化、个性化制造提供支撑，其范围远超过信息化系统之间的集成。纵向集成具体由决策支持系统、ERP、DCS、MES、MDC/DNC（对离散制造业而言，则是决策支持系统、ERP、DCS、MES、SCADA、PLC）等系统集成来实现。

 

端到端集成，是指“通过产品全生命周期（价值链）和为客户需求而协作的不同公司，使现实世界与数字世界完成整合”（摘自《德国工业4.0战略计划实施建议》）。也就是说，通过产品的研发、生产、服务等产品全生命周期内的一系列工程活动来实现全价值链上所有终端/用户的集成。典型的例子是汽车、手机厂商围绕产品的企业间的集成与合作。端到端集成主要是通过PLM、BOM、ERP、MES、CRM、ALM、MRO等系统之间的集成来实现。

横向集成，是指“将各种使用不同制造阶段和商业计划的IT系统集成在一起，这其中既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置，也包括不同公司间的配置（价值网络）”（摘自《德国工业4.0战略计划实施建议》）。也就是以价值网络为主线，实现企业与上下游不同企业间的三流合一（物流、能源流、信息流），实现一种社会化、生态化的协同生产，例如航母的生产与配套。横向集成主要是通过数字化营销渠道、CRM、ERP、SCM、SRM等系统之间的集成来实现。

07 结语

德国工业4.0战略是智能制造发展的重要指引。德国工业4.0的核心是建立CPS系统，建设智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务，实现纵向集成、端到端集成和横向集成。虽然已经提出了10年之久，但制造业的转型升级仍然在路上。路漫漫其修远兮，还需要继续努力，与君共勉！