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　　工業(yè)4.0源自德國(guó)對(duì)2008年金融危機(jī)的一個(gè)應(yīng)激式反應(yīng)，當(dāng)時(shí)整個(gè)歐洲大陸都在尋找改善經(jīng)濟(jì)的機(jī)會(huì)。對(duì)于德國(guó)而言，一個(gè)重要的結(jié)論就是，德國(guó)必須形成更加柔性與靈活的生產(chǎn)鏈條，堅(jiān)定不移地轉(zhuǎn)向大規(guī)模定制以適應(yīng)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)節(jié)。

 

　　而整個(gè)世界正好能夠感受和預(yù)見到數(shù)字轉(zhuǎn)型對(duì)制造環(huán)境的巨大影響，這就是工業(yè)4.0撲面而來(lái)。前三次工業(yè)革命浪潮分別是機(jī)械化、電氣化和IT技術(shù)。而現(xiàn)在是第二波數(shù)字化浪潮，大大拓展了人們感知、理解、執(zhí)行和學(xué)習(xí)的能力，從而醞釀著第四次工業(yè)革命。

 

　　德國(guó)工業(yè)4.0也是通過(guò)幾個(gè)階段而不斷發(fā)展，可以分為四個(gè)階段。德國(guó)國(guó)家科學(xué)和工程院（acatech）發(fā)展和完善了“工業(yè)4.0”這個(gè)概念。隨后，科學(xué)界、工業(yè)界的聯(lián)合體與政治家一起，向聯(lián)邦政府建議在幾個(gè)特定的領(lǐng)域培育數(shù)字化。

　　圖1 德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)的發(fā)展

 

　　最終德國(guó)政府非常認(rèn)同這個(gè)描述，并且將工業(yè)4.0從一個(gè)戰(zhàn)略項(xiàng)目，最終確立為國(guó)家級(jí)的工業(yè)4.0平臺(tái)（第二個(gè)工業(yè)4.0平臺(tái)）。通過(guò)聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研政各家力量，協(xié)調(diào)各種國(guó)家戰(zhàn)略，也與其他國(guó)家之間的戰(zhàn)略對(duì)接，并形成專業(yè)的知識(shí)交換平臺(tái)。

 

　　工業(yè)4.0是一個(gè)德國(guó)提出來(lái)的概念，不同國(guó)家面臨同樣的數(shù)字化大潮可以采用不同的名字和內(nèi)涵。因此，所有的國(guó)家都能夠相互學(xué)習(xí)，但每一個(gè)國(guó)家都需要去發(fā)展適合自己經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和需求的概念。

 

　　工業(yè)4.0的潛力

 

　　工業(yè)4.0有著各種巨大的可能，比如，它可以使得單件生產(chǎn)成為可能，充分滿足個(gè)別用戶的定制需求。在工業(yè)4.0的世界，商業(yè)環(huán)境和工藝流程的動(dòng)態(tài)結(jié)合，這使得即使在最后一刻需求發(fā)生變化的時(shí)候，生產(chǎn)仍然成為可能。與此同時(shí)，在整個(gè)供應(yīng)鏈上，當(dāng)個(gè)別供應(yīng)商出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，整個(gè)工廠仍然可以保持充分的柔性。

 

　　而終端用戶也呈現(xiàn)出連接的狀態(tài)，其巨大的透明性，可以貫穿整個(gè)制造流程之中，這使得商業(yè)決策可以大大優(yōu)化。這就會(huì)產(chǎn)生許多不同的價(jià)值和全新的商業(yè)模式——尤其對(duì)于中小企業(yè)和新創(chuàng)公司，它們很容易在全流程的價(jià)值服務(wù)中找到自己的位置。

 

　　工業(yè)4.0還致力于解決資源短缺、能源效率低下、城市生產(chǎn)和人口變化所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。由于工業(yè)4.0可以在整個(gè)價(jià)值鏈上優(yōu)化資源效率，它可以充分考慮到人口變化和社會(huì)因素，從而形成有效的組織。而作為工業(yè)價(jià)值鏈上重要的一環(huán)——智能服務(wù)，作為相輔相成的補(bǔ)充概念，可以使得制造業(yè)的環(huán)節(jié)，更加廣泛地向外延伸。

 

　　未來(lái)世界的形式是CPS

 

　　在未來(lái)，各種設(shè)備、庫(kù)房和產(chǎn)線都以賽博物理系統(tǒng)CPS的形式出現(xiàn)，形成一個(gè)全球化的網(wǎng)絡(luò)。

 

　　在制造環(huán)境中，這些CPS系統(tǒng)包含了智能機(jī)器、自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)、自適應(yīng)產(chǎn)線等。它們自主交換信息，實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立的自動(dòng)執(zhí)行和控制，使得生產(chǎn)、工藝、物料和供應(yīng)鏈，可以在全生命周期內(nèi)得到系統(tǒng)性地優(yōu)化。

 

　　根據(jù)德國(guó)國(guó)家科學(xué)和工程院（acatech）的定義，賽博物理系統(tǒng)CPS正在成為未來(lái)全球化網(wǎng)絡(luò)世界的一部分。在這里，產(chǎn)品、設(shè)備和零部件都通過(guò)各種不同功能的嵌入式系統(tǒng)和軟件，進(jìn)行交互。借助于傳感器強(qiáng)大的感知力量，這些系統(tǒng)可以處理物理世界產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。反過(guò)來(lái)，這些數(shù)據(jù)將通過(guò)執(zhí)行器反作用在物理系統(tǒng)上。通過(guò)這個(gè)CPS系統(tǒng)，物理實(shí)體與數(shù)字空間緊密結(jié)合，從而形成一個(gè)由物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心和務(wù)聯(lián)網(wǎng)所組成的世界。

　　圖2 物聯(lián)網(wǎng)和務(wù)聯(lián)網(wǎng)

 

　　CPS可以看成是工業(yè)4.0的起點(diǎn)。在CPS的世界上，數(shù)字孿生（digital twins）可以被創(chuàng)建、執(zhí)行和交互。數(shù)字孿生是實(shí)體系統(tǒng)、流程或者產(chǎn)品在CPS的數(shù)字映射，并且隨著實(shí)際運(yùn)行時(shí)間而逐漸發(fā)展。工業(yè)4.0中的所有對(duì)象，都包含一個(gè)資產(chǎn)管理殼，可以對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字孿生。而當(dāng)數(shù)字孿生發(fā)生變化時(shí)，潛在風(fēng)險(xiǎn)和缺陷就會(huì)被檢測(cè)、識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)早期修復(fù)。此外，真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，也會(huì)被進(jìn)行虛擬化處理，實(shí)現(xiàn)預(yù)先檢查，甚至整個(gè)生產(chǎn)流程都可以在基于云的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上進(jìn)行模擬。許多企業(yè)先行的實(shí)踐者，已經(jīng)接受了這個(gè)概念并在項(xiàng)目中使用。

 

　　實(shí)施工業(yè)4.0的兩大法寶

 

　　如何能夠高度抽象地統(tǒng)一不同企業(yè)、組織的共同行動(dòng)？這就是需要建立一個(gè)頂層框架。德國(guó)工業(yè)4.0的頂層設(shè)計(jì)，就是工業(yè)4.0參考框架RAMI。這是一個(gè)三維模型，它定義了“層、流、級(jí)”三個(gè)維度，分別是生產(chǎn)層（Layers）、生命周期價(jià)值流、系統(tǒng)層級(jí)（Levels）。而在每一個(gè)維度上，都有相應(yīng)的技術(shù)指南和標(biāo)準(zhǔn)。

 

　　根據(jù)相對(duì)應(yīng)的虛擬數(shù)字映射和技術(shù)功能描述，與RAMI相呼應(yīng)的還有一個(gè)重要的支撐概念：“管理殼”。 “管理殼”可以是一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)組件，但必須能夠跟RAMI所定義的三個(gè)維度上的要素之一相呼應(yīng)，并且需要滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。借助于管理殼，確定設(shè)備資產(chǎn)的數(shù)據(jù)、功能和安全需求就變得非常容易，無(wú)需重復(fù)定義，而且可以確保相互連接。因此，管理殼和RAMI都是實(shí)施工業(yè)4.0的重要保障。

　　圖3  管理殼的定義

 

　　2017年10月20日在法蘭克福開展的“管理殼日”是工業(yè)4.0平臺(tái)走向工作標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)重要步驟。

 

　　此外，RAMI是國(guó)際間進(jìn)行合作、形成相互映射的參考架構(gòu)的基礎(chǔ)。目前跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的架構(gòu)IIRA已經(jīng)開始合作，與其他國(guó)家如中國(guó)和日本也有交流合作。

 

　　顛覆性的平臺(tái)經(jīng)濟(jì)

 

　　工業(yè)4.0與平臺(tái)經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)，最重要的關(guān)聯(lián)點(diǎn)就是智能工廠。在智能工廠中，整個(gè)生產(chǎn)流程和供應(yīng)鏈都是虛擬的，而且高度柔性化，最極端的批量為1件產(chǎn)品。而這些都是由單獨(dú)的個(gè)人訂單所驅(qū)動(dòng)。在智能工廠可以廣泛地生產(chǎn)智能產(chǎn)品，后者是高度互聯(lián)的物理實(shí)體、設(shè)備和機(jī)器，從而產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。通過(guò)有意義的分析、解讀、連接和補(bǔ)充，這些數(shù)據(jù)可以重新定義，成為“智能數(shù)據(jù)”。

 

　　基于這一點(diǎn)，企業(yè)不僅僅可以有效地控制、維護(hù)和提升智能產(chǎn)品，而且可以生成知識(shí)，從而作為“智能服務(wù)”的基礎(chǔ)。實(shí)際上，智能服務(wù)是全新的、定制化的服務(wù)，并且基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的商務(wù)模式，從而提供了更多商業(yè)化的機(jī)會(huì)。

　　圖4 數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)

 

　　要提供智能服務(wù)，所有的機(jī)器、設(shè)施和工廠都必須通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)連接到物聯(lián)網(wǎng)上，而這個(gè)數(shù)字化平臺(tái)就會(huì)逐漸演化成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有一個(gè)基本原則，那就是“即插即用”。通過(guò)數(shù)字服務(wù)平臺(tái)，一個(gè)公司的服務(wù)就可以模塊化，與第三方的各種服務(wù)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，共同對(duì)外來(lái)滿足用戶的各種實(shí)時(shí)需求。

 

　　在平臺(tái)經(jīng)濟(jì)或者服務(wù)驅(qū)動(dòng)的商業(yè)模式下，一家一家的提供商和其產(chǎn)品就不再是重點(diǎn)。所有的重心都轉(zhuǎn)移到用戶的個(gè)性化需求上。從工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)例來(lái)看，一個(gè)壓縮機(jī)不再是出售空壓機(jī)，而是將“提供壓縮空氣”當(dāng)作一種服務(wù)。這就打破了既有的商業(yè)模式，代表了一種新的范式轉(zhuǎn)換。高品質(zhì)的產(chǎn)品供應(yīng)商，將轉(zhuǎn)向基于產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)或者智能服務(wù)系統(tǒng)。

 

　　中小企業(yè)的挑戰(zhàn)

 

　　乍看起來(lái)，中小企業(yè)可以更好更快地實(shí)施工業(yè)4.0，因?yàn)樗麄儗?duì)于業(yè)務(wù)的理解往往更加清晰，便于實(shí)施。但事實(shí)上，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于中小企業(yè)，因?yàn)樗麄兺鄙僮銐虻念I(lǐng)導(dǎo)力、優(yōu)秀的雇員和良好的財(cái)務(wù)結(jié)構(gòu)，來(lái)識(shí)別急需優(yōu)化的領(lǐng)域，以及實(shí)施路徑。

 

　　要實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品銷售到“服務(wù)為基礎(chǔ)”的商業(yè)模式，要向?qū)⑵湓鲋档膬r(jià)值鏈部分進(jìn)行數(shù)字化，中小企業(yè)都面臨巨大的挑戰(zhàn)。為此，德國(guó)政府實(shí)施了一系列的資助項(xiàng)目，來(lái)提高中小企業(yè)對(duì)工業(yè)4.0的認(rèn)識(shí)，并且確保他們能跟專業(yè)人才相銜接。

　　圖5 工業(yè)4.0的人才培訓(xùn)路徑圖

 

　　有很多方法可以推動(dòng)工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)。每家公司都可以采用不同方法、不同工具來(lái)實(shí)施。德國(guó)國(guó)家科學(xué)和工程院今年發(fā)布了一個(gè)工業(yè)4.0成熟度指數(shù)，將成熟度視為一個(gè)六級(jí)層級(jí)的模型。

　　圖6 工業(yè)4.0進(jìn)階六步法

 

　　與此同時(shí)，《工業(yè)4.0成熟度指數(shù)》將企業(yè)結(jié)構(gòu)分解為資源、信息系統(tǒng)、文化和組織結(jié)構(gòu)四個(gè)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。每一結(jié)構(gòu)領(lǐng)域都包含兩個(gè)指導(dǎo)原則和必要能力。這些能力用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)發(fā)展等級(jí)，并為制造型企業(yè)向敏捷型組織的轉(zhuǎn)型提供基礎(chǔ)。

　　圖7 企業(yè)結(jié)構(gòu)四個(gè)領(lǐng)域

 

　　該模型在一些中小企業(yè)，例如德國(guó)的Harting公司，已經(jīng)實(shí)際得到了驗(yàn)證。

 

　　數(shù)字化需要全社會(huì)介入

 

　　數(shù)字化不能被認(rèn)為只是精英的事情：整個(gè)社會(huì)都需要介入。在德國(guó)，業(yè)界已經(jīng)聯(lián)合起來(lái)形成一個(gè) “工作4.0”的工作組；在韓國(guó)，政府則致力于成為“世界上最數(shù)字化的社會(huì)”；日本也發(fā)布了“社會(huì)5.0”概念。每一種業(yè)務(wù)都需要重新考慮工作地點(diǎn)、流程、組織領(lǐng)導(dǎo)風(fēng)格。對(duì)每一個(gè)國(guó)家，這都是一個(gè)極具挑戰(zhàn)的開始，需要工業(yè)界、官員和科學(xué)家一起來(lái)努力。我們需要在一個(gè)全新的教育理念下，建立領(lǐng)先的數(shù)字化能力，讓有能力的專家用得其所，從而真正能夠推動(dòng)一個(gè)全新的制造范式。