工业4.0核心概念及详细解读

"工业4.0" 研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。德国联邦政府投入达2亿欧元。

德国政府提出"工业4.0"战略，并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。 该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，弗劳恩霍夫协会将在其下属6-7个生产领域的研究所引入工业4.0概念，西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统。

"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。

德国学术界和产业界认为，"工业4.0"概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统-信息物理系统(Cyber-Physical System)相结合的手段，将制造业向智能化转型。

"工业4.0"项目主要分为三大主题:

一是"智能工厂"，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现;

二是"智能生产"，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者;

三是"智能物流"，主要通过互联网、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，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。

德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一，在全球制造装备领域拥有领头羊的地位。这在很大程度上源于德国专注于创新工业科技产品的科研和开发，以及对复杂工业过程的管理。德国拥有强大的设备和车间制造工业，在世界信息技术领域拥有很高的能力水平，在嵌入式系统和自动化工程方面也有很专业的技术，这些因素共同奠定了德国在制造工程工业上的领军地位。通过工业4.0战略的实施，将使德国成为新一代工业生产技术(即信息物理系统)的供应国和主导市场，会使德国在继续保持国内制造业发展的前提下再次提升它的全球竞争力。

工业4.0有一个关键点，就是"原材料(物质)"="信息"。具体来讲，就是工厂内采购来的原材料，被"贴上"一个标签:这是给A客户生产的XX产品，XX项工艺中的原材料。准确来说，是智能工厂中使用了含有信息的"原材料"，实现了"原材料(物质)"="信息"，制造业终将成为信息产业的一部分，所以工业4.0将成为最后一次工业革命。

商业模式对制造业来说至关重要。那么，在工业4.0时代，未来制造业的商业模式是什么?就是以解决顾客问题为主。所以说，未来制造企业将不仅仅进行硬件的销售，而是通过提供售后服务和其他后续服务，来获取更多的附加价值，这就是软性制造。而带有"信息"功能的系统成为硬件产品新的核心，意味着个性化需求、批量定制制造将成为潮流。制造业的企业家们要在制造过程中尽可能多的增加产品附加价值，拓展更多、更丰富的服务，提出更好、更完善的解决方案，满足消费者的个性化需求，走软性制造+个性化定制道路 。

由德国"工业4.0"研究机构、中国相关院所和中德两国企业组成的青岛中德"工业4.0"推动联盟，2月9日在中国第十一个国家级经济新区--青岛西海岸新区成立，成为中国首个"工业4.0"联盟。

2014年11月4日，中国首套工业4.0流水线在第十六届中国国际工业博览会上亮相。

青岛中德生态园管委主任赵士玉介绍说，青岛中德生态园作为中德两国共同建设的生态型、智能型、开放型利益共同体，中德"工业4.0"推动联盟在这里成立十分有意义。"工业4.0"是大数据革命、云计算、移动互联时代背景下，对企业进行智能化、工业化相结合的改进升级，是中国企业更好的提升和发展的一条重要途径。中德"工业4.0"联盟成立后，青岛西海岸新区将投入1亿元人民币对区域内部分企业进行试点，未来将逐步实现企业"工业4.0"升级。

工业自动化是德国得以启动工业4.0的重要前提之一，主要是在机械制造和电气工程领域。目前在德国和国际制造业中广泛采用的"嵌入式系统"，正是将机械或电气部件完全嵌入到受控器件内部，是一种特定应用设计的专用计算机系统。数据显示，这种"嵌入式系统"每年获得的市场效益高达200亿欧元，而这个数字到2020年将提升至400亿欧元。

有专家预计，不断推广的工业4.0将为德国的西门子、ABB、通快(Trumpf)等机械和电气设备生产商，以及菲尼克斯电气(Phoenix Contact)、浩亭(Harting)以及魏德米勒(Weidmuller)等中小企业带来大量订单。

德国联邦贸易与投资署专家Jerome Hull在接受时代周报记者专访时表示，工业4.0是运用智能去创建更灵活的生产程序、支持制造业的革新以及更好地服务消费者，它代表着集中生产模式的转变。

Jerome Hull介绍:所谓的系统应用、智能生产工艺和工业制造，并不是简单的一种生产过程，而是产品和机器的沟通交流，产品来告诉机器该怎么做。生产智能化在未来是可行的， 将工厂、产品和智能服务通联起来，将是全球在新的制造业时代一件非常正常的事情。

工业4.0是涉及诸多不同企业、部门和领域，以不同速度发展的渐进性过程，跨行业、跨部门的协作成为必然。同样是在2013年汉诺威工业博览会上，由德国机械设备制造业联合会(VDMA)、德国电气和电子工业联合会(ZVEI)以及德国信息技术、通讯、新媒体协会(BITKOM)三个专业协会共同建立的工业4.0平台正式成立 。

根据德国DE杂志对该问题的解释，"安全"在这里有两层含义:一方面，人们所获取的数据必须可信的，另一方面他们必须具有安全防盗功能，可以免遭外部的窃取或损害，如黑客攻击、间谍。

"谁来保证安全的数据转换，这是主要的问题。包括政府、研究人员和企业在内的所有人员都同意，我们需要有新的标准来实际有效地执行新的解决方案。"Jerome Hull对时代周报记者说。

标准化的缺失实际上是德国工业4.0项目推行过程中所遭遇的另一个困难。设备不仅必须会说话，而且必须讲同一种语言，即通向数据终端的"接口"。

德国正致力成为这个标准的制定者和推广者。德国总理默克尔认为，德国可成为工业4.0标准的推动者，并在欧洲甚至全球推行这些标准。

德国官方并没有透露这些标准的相关内容，但据悉，标准的制定工作正在紧锣密鼓地进行当中。近日，工业4.0平台刚刚发布了一个工业数据空间，访问者可以通过该空间获取世界上所有工业的信息。这个空间有着统一的"接口"标准，并且允许所有人对其进行访问。

探索标准化的还有他人。事实是，为了应对去工业化、将物联网和智能服务引入制造业的国家并不止德国一个。尽管提法不同，但内容却类似，如美国的"先进制造业国家战略计划"、日本的"科技工业联盟"、英国的"工业2050战略"等。而中国制造业顶层设计-"中国制造2025"也已经在今年上半年推出。

2014年11月李克强总理访问德国期间，中德双方发表了《中德合作行动纲要:共塑创新》，宣布两国将开展工业4.0合作，该领域的合作有望成为中德未来产业合作的新方向。而借鉴德国工业4.0计划，是"中国制造2025"的既定方略。

德国联邦贸易与投资署中国事务专家Christina Otte在接受时代周报记者书面采访时认为，中国工业转型在中国转变经济增长模式的过程中扮演着重要角色。中国政府试图重新去平衡经济发展，即减少以投资和出口为基础的增长，寻求更多的来自内需驱动的增长。为了实现这一目标，中国需要实现工业现代化。为了保持GDP在一个稳定的增长水平上，它需要从劳动密集型生产模式切换至高效的高科技生产模式。劳动力成本急剧上涨，并且在将来仍会继续扩大。中国将在不久的将来面临合格人才的短缺。从长期来看，只有那些进入高端制造业的企业才有机会留在市场里。这种由现代化所带来的压力将影响到中国几乎所有的行业，而工业自动化和新一代信息技术的集成是关键。

"德国的工业4.0可以为中国提供一种未来工业发展的模式，帮助中国解决眼下所面临的一些挑战，如资源和能源效益、城市生产和人口变化等。"Christina Otte说。

随着中国的加入，德国对工业4.0标准的制定或将加速 。

工厂要对内外各种物品与服务进行联网，那么，通信方式、数据格式等许多内容都需要标准化。目前在国际标准化舞台上，美、德、日等发达国家能够长期保持主导地位，主要凭借的就是强大的制造业综合实力，而我国目前在国际标准化舞台上仍然处于“听众”角色，也从一个侧面反映了我国制造业整体水平的差距。

标准先行是“工业4.0”战略的突出特点。为了保障“工业4.0”顺利实施，德国将标准化排在行动首位，成立一个工作组，专门处理标准化和参考架构方面的问题。2013年12月，德国电气电子和信息技术协会发布了“工业4.0”标准化路线图。我国在推进信息技术与工业深度融合的具体实践中，也应高度重视标准化在制造业发展中的引领作用，及时出台“两化融合”或“两化深度融合”的标准化路线图，尽最大可能实现标准的国际化，使中国标准得到国际上的广泛采用。

此外，跨学科、跨领域是制造业高技术发展的显著特点。随着制造业技术不断发展，各种高新技术以前所未有的广度和深度渗透到制造业的各个环节中，使制造业的产品生产过程和管理方式都发生了深刻，甚至是革命性的变化，催生了一大批新兴高技术制造业出现。反过来，制造业在发展过程中，不断融入和集成各种技术，形成极为复杂的系统化过程。为此，只有从一开始就进行标准化的约束和引导，才能有序开展与推广“两化融合”。

实际生产过程与各种业务管理系统协同之后，系统整体更加复杂化，对其进行管理将更加困难。产、学、研、用多个层面的联合机制在一定程度上能够化解系统的复杂化，不断完善管理体系。德国“工业4.0”是由德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子、博世等企业联合发起的，工作组成员也是由产、学、研、用多方代表组成的。因此，“工业4.0”战略一经提出，就很快得到了学术界、产业界的积极响应。

从我国制造业来看，企业普遍重视技术，但不重视流程管控，尤其是在技术研发方面。而未来的制造业体系将越来越复杂，这就需要产、学、研、用多个层面联合来推动制造业创新发展。因此，我国应该充分吸收和借鉴德国“工业4.0”的联合模式，一方面，政府要通过引导和支持的方式促进不同类型的产、学、研合作联盟发展；另一方面，选择几个重点行业和关键技术领域进行试点，由创新意愿较高的企业牵头，联合科研实力雄厚的大学或科研机构，组建多种形式的研发联盟，充分调动各方资源和力量，共同推进技术研发与应用推广。

德国认为，迈向“工业4.0”的道路上，生产过程与各种业务管理系统协同之后，系统整体会更加复杂化，对其进行管理将更为困难。为此，需要实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。横向集成主要解决企业和企业之间复杂系统管理，实现信息无缝的交流；纵向集成主要解决企业内部的复杂系统管理，在企业的研发、设计、制造、验证、物流、交互各环节，所有的信息都无缝隙、高效、顺畅地传递；端到端集成主要解决贯穿整个价值链的工程化信息系统集成的复杂系统管理问题，以保障大规模个性化定制的实施。

德国“工业4.0”的本质就是基于信息物理系统（CPS）实现“智能工厂”，让制造业的各个环节充分地与互联网融合，形成工业互联网。而实现工业互联网就需要适用于工业的、具有高可靠性的通信基础设施建设作为基本保障。此外，随着工业互联网的形成，也必然会出现工业大数据。工业大数据的采集、传输、交互和共享，必然要求建立容量、带宽、存储与数据处理能力更强大的基础实施。

而当前的网络基础设施恐怕难以满足“工业4.0”时代的要求。因此，构建容量更大、服务质量更可靠的工业通信基础设施，将成为未来制造业迫切需要解决的一项课题。

工厂与外界实现联网之后，恶意软件入侵、网络受到攻击的危险性会有所提升，这就需要制定保障网络安全的对策与解决方案。

进入21世纪以来，各种针对工业基础设施的网络攻击就开始出现。例如：澳大利亚下水道监控系统和美国核电站监控系统曾被第三方经由无线网络系统侵入，波兰地铁信号系统也被入侵。而近年来，这样的攻击更是愈演愈烈。2012年8月，沙特国营石油公司Aramco受到网络攻击，攻击者的目标为制油/制气工程，意图通过使工程中止，让石油/天然气的生产发生异常。

随着“工业4.0”时代的到来，人力、物料、生产设备、各种生产管理系统以及价值链上的众多协同企业都将互联，随之而来的是网络安全问题的隐忧，这就迫切需要建立一套完善的工业互联网信息安全认证体系，此外在认证制度的设计和标准规范的研究与设计方面，还需要大量的经验积累。初期，我国可以与国际认证机构合作，开展联合认证服务，同时逐步建立自己的安全认证机制。这不仅是与国际通行做法接轨，也有利于信息安全领域的国际交流与合作，在切实提高我国信息安全水平的同时，帮助和促进工业企业提升信息安全技术水平，引导产业健康发展。[1]