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1、前言 全球视野下的工业4.0 这个时代,消费互联网如火如荼,产业互联网呼啸而来,任何优势都敌不过时代的趋势,全球工业4.0应运而生。 回顾互联网在中国20余年的发展历程,我们可以看到一个耐人寻味的事实:在层层推进的各个领域,互联网基本游走在诸 如娱乐业、传媒业、零售业、金融业等“虚”的服务领域,对于通常所说的“实”的经济,即制造业,却影响甚微。很多中国制 造企业隔岸观火,埋头苦干,除了改造、升级生产流水线,推行精益改善,加入全球化的工业分工体系之外,那些互联网“打 劫”各类产业的颠覆故事,仿佛只是存在于另一个次元的传说。 然而,移动互联网、大数据和云计算等技术的到来,快速地推动了实体经济和虚拟
2、世界的结合,使得中国的制造业无法再置 身事外。这些技术日新月异,为产品销售方式的改变、增值服务的提升,以及商业模式的创新提供了空前的可能。今天,传感器 价格和互联网连接成本已大幅下降,而带宽的飞速发展基本实现了网络全覆盖。随着技术的进步,各种商业标准软件的实施费用 更是得到了大幅下降,新的工业大数据技术给工业智能化带来了无尽的想象空间。 山雨欲来风满楼。新时代的变局虽然才拉开序幕,但意义重大。放眼全球,发达国家利用技术优势,已然开始行动。在欧 洲,拥有雄厚工业基础的德国提出了“工业4.0”战略,试图摸索未来工业生产的新途径;在美洲,美国政府喊出了“再工业 化”“能源互联网”等口号,发动了以“工
3、业互联网”为代表的一系列“先进制造业”计划;而在亚洲,日本、韩国迎头赶上, 工业机器人不仅得以普及,而且智能化程度正在不断提高。 由于工作的原因,最近五年,我基本上每月都会去一次德国,带领数以千计的中国企业家赴德学习其制造业的精益管理、品 质管理和技术创新等。从2013年开始,“工业4.0之风”吹遍了德意志的大地,通过对德国制造工厂的实地参访,以及与德国教 授、专家的深度交流探讨,我发现,工业4.0已在德国形成了浓厚的氛围。德国工业4.0是工厂、机器、生产资料和人通过网络技 术的高度联结,形成自组织的生产,其内涵已经远远超越机器的自动化。德国各家企业的成果更是让我大开眼界:西门子 (Sieme
4、ns)的“数字化企业平台”系统为数字制造提供了载体;宝马(BMW)的虚拟手势识别系统让制造汽车酷炫好玩,似 打游戏;大众(Volkswagen)早已用机器人制造汽车,大大解放了工人的劳动力;高智能、高性能的库卡(Kuka)机器人游 走在各种工厂之中;博世(Bosch)的射频码系统让智能工厂跃然眼前沉淀了百年底蕴的德国制造,正在以智能化的节奏一 步步散发出未来之感。众多不同规模、类型迥异的德国企业,不约而同地将战略方向指向一个目的地,在充分利用工业4.0技术 成果的同时,也以各种方式积极驱动着工业4.0前进的车轮。 在美国硅谷,充足的加州阳光令人沉醉不已,而互联网科技巨头们的一系列“大动作”更是
5、令人震撼。通用电气公司 (General Electric Company,简称GE)在硅谷成立了全新的研发中心,招兵买马,用最顶级的软件工程师布局“工业互联 网”;IBM的“智慧地球”计划与思科(Cisco)的“万物互联”计划都表明了它们以物联网为战略发展重点的决心;谷歌 (Google)以Google Glass艳惊四座,不断收购机器人公司,并借助“天马行空”的Google X实验室一次次给大众带来惊喜; 而特斯拉(Tesla)的杀出更是开“汽车智能化”之先河,其“超级工厂”让“多才多艺”的机器人大显身手。 感受过这个世界的轮廓,方知当下的潮流将去向何方。从制造工厂到智造时代,是产品革新与
6、进化的必然过程,也是制造业 完善自我、突破创新的关键。制造业这座古老的“活火山”,正在因新技术和新智能的注入而慢慢积蓄能量,重新喷发出活力与 生机。 回望中国,感慨良多。中国制造的发展速度也曾令世界惊叹:一座座城市拔地而起,一家家企业蓬勃而生,辉煌的建设成就 使中国一改贫穷落后的旧面貌,成了充满力量的“世界工厂”。于是,一些人认为,中国的工业化就快完成了,很快就要进入发 达工业国家的行列了,而一些工业品产能过剩的情况又似乎标志着工业的末路,应该“去工业化”了。然而事实上,和德国、美 国相比,中国仍有很大的差距,中国工业创造和积蓄物质财富的使命还远未完成,我们仍然重任在肩。 虽然从顶尖的企业来看
7、,中国制造的名号可以说是响当当的;但是整体上,我们的工业进程是割裂的,东部沿海可以“齐步 走”,中西部城市还在学习“站军姿”。发展水平的不平衡导致总体水平的低下,高耗能、劳动密集型、把核心竞争力定位于低 劳动成本的加工制造企业仍占据了中国制造的半壁江山,相较于品质精良的德国制造和极具创新活力的美国制造,中国的产品在 研发和品牌两端均无比较优势。 同时,为了实现快速的经济效益,许多中国企业向来奉行抄来主义,依葫芦画瓢,将“山寨”发扬光大。如果抄不来,也宁 愿买下来,而不是自己去研究开发。在低层次的竞争中,这样的做法确实可以规避研发风险,节约时间,但是,若要在世界范围 内树立品牌形象,获得更高、更
8、稳定的收益,企业必须有自己的技术优势、理念以及风格,而这些都需要经过长时间的积累。正 因为缺乏技术研发的能力与耐心,中国许多资金雄厚、人才济济的大型企业始终无法进入世界高端产品领域。要知道,产品的核 心是技术与品牌苹果公司(Apple)并没有自己生产手机,却始终是高端手机领域的领导者。 人才,也成了中国制造企业在新时代发展的瓶颈。诸如“21世纪最宝贵的就是人才”“人才就是核心竞争力”这样的口号 经常被大家反复强调,然而,对于什么是人才这个问题,人们似乎抱有过于狭隘的理解。中国的高等教育普遍歧视工人,歧视生 产一线,几乎没有培养高级工人的意识和想法。但中国制造业的就业人口过亿,他们受教育水平的高
9、低决定着制造业发展的速度 与水平智能机器人、物联网、云计算、工业大数据不断涌入各个工厂,若缺乏相关的知识,不懂操作,如何能实现人机和 谐共处? 由此可见,中国制造业的现状令人担忧:大量从事低端加工的中小企业、庞大的就业需求、缺乏创新能力和核心技术、简单 工艺的平面管理种种问题时刻提醒着我们与世界的差距。所幸的是,向世界敞开怀抱的中国,迎来了实现跨越式发展的新机 遇。 工业4.0不仅为中国的工业生产提供了一种全新思路,而且与中国国策“两化融合”(工业化与信息化深度融合)战略不谋 而合。中德合作在很多方面都有高度互补性,德国的开发力和中国的生产力、德国的技术与中国的市场等都组成了完美的合作基 础。
10、在智能化时代,两国的合作会更有利于双方在激烈竞争中抢占先机。新一届中国政府鼎力推荐工业4.0,工业和信息化部快 马加鞭制定“中国制造2025”,都是为了使工业4.0能顺利落地中国,并开花结果,一来可以升级“中国智造”,二来能够调整 就业的结构性失衡。可见,中国版“工业4.0”中国制造2025发展纲要是我们未来十年的国之大略。 习近平总书记提出,世界范围内的新一轮科技革命与中国加快转变经济发展方式、建设制造强国形成了历史性交汇。这对中 国既是极大的挑战,也是极大的机遇。我们必须实现工业2.0、3.0、4.0的“并联式”发展,充分发挥市场和政府作用,统筹利 用各方面资源,以“创新驱动、质量为先、绿
11、色发展、结构优化”为发展方针,动员全社会的力量,从而大大压缩工业化进程的 时间,争取让中国制造业在2025年进入世界第二方阵,迈入制造业强国行列。 工业4.0不仅是中国经济结构调整的重大任务,而且是经济增长动力持续的现实出路;它不仅是经济新常态的主要方法,而 且是走向经济新常态的战略选择。最后,借用工信部部长苗圩在“2014智能制造国际会议”的一句精彩发言来做结尾:“工业 4.0将成为全球工业互联网的新典范,中国会全力参与,在新一轮制造革命中实现弯道超车。” 工业4.0,正在发生的未来 引子 未来畅想:一台来自工业4.0时代的冰箱 从人类诞生至今,梦想和实现梦想似乎就是一台永动机,周而复始地推
12、动着人类社会不断进步、发展。当工业4.0这个畅想 来临的时候,你做好准备了吗? 2025年,新婚的李先生与太太搬进了刚刚落成的恒温三居室,在悉数清点了家具什物之后,他们决定给新家添置一台智能 冰箱。 对于冰箱的生产企业,李先生和太太不约而同地选择了Future公司。这是一家家电行业的新锐企业,三位年轻的创始人都 是厨艺高超的大厨,之前经营着一家西餐厅。因为对食材的要求比较高,而现有的冰箱产品又不能很好地满足他们的需求,于是 他们决定成立一家只做冰箱的公司。通过整合全球资源、吸引技术发烧友参与,以及迅速迭代等方式,三位创始人将Future公 司经营得风生水起,冰箱产品在国内的市场占有率直逼老牌品
13、牌“海智”,前不久甚至曝出了Future收购海智位于意大利的冰 箱生产厂的新闻。 在下订单之前,李先生仔细询问了李太太对冰箱的要求。作为新家装潢的CAO(Chief Aesthetic Officer,总审美师),为 了搭配家装整体的原木风格,李太太没有选择今年大热的地中海色系,而是选择了素雅本白色。此外,李太太根据先生和自己的 生活、饮食习惯以及身体状况,对冰箱提出了一项特殊要求冰箱要能在李太太下班回到家之前,按照菜谱将所需食材准备 好。这意味着冰箱内部能够对食材的摆放位置自动调节,例如提前将冷冻区内的牛排移动到解冻区,这样李太太回家后就能按照 菜谱直接烹饪“香煎牛排”这道菜了。 明确了太太
14、的需求后,李先生掏出手机,向Future公司发送了智能冰箱的订单。几乎是在同时,Future公司的生产系统就 接到了来自李先生家的订单。鉴于李太太对冰箱的特殊需求,Future公司的技术人员从全球冰箱技术数据库中调出了能够满足 李太太需求的解决方案,然后将其连同订单信息一起发送到了一号生产线上的控制系统。5秒钟后,一台带有射频识别码的压缩 机经过传送带被送到了一号生产线上,紧接着冷凝器、蒸发器、温控器、主控板、过滤器等零部件也都陆续聚集到了生产线上, 它们有一个共同的特征:所携带的射频识别码显示着同一个信息:李先生家的定制冰箱! 矗立在一号生产线旁的机器人“卢卡斯”对聚集到自己面前的零部件逐一
15、扫描后,即开始了装配工作又过了一段时间, 传送带送来了冰箱外壳,当它经过站在一旁、正在休眠的另一位机器人“诺里”的面前时,诺里接收到了冰箱外壳发出的信息。 这条信息“激活”了诺里,使他迅速调整到工作状态,并快步走到卢卡斯身旁,协助卢卡斯一起完成冰箱的装配工作 一天后,冰箱由无人驾驶的小型卡车送货上门。由于李先生与太太新婚宴尔,冰箱公司特意将冰箱的外包装改成了喜庆的大 红色,并附赠了一个写着“新婚快乐”的小礼盒。拆开冰箱包装后,一台造型简洁、线条流畅的三层式本白色冰箱跃然眼前,反 射着柔和的微光。李先生点击了一下冰箱侧面一个不起眼的按钮,冰箱底部便伸出了四只可伸缩滑轮,他轻松地将冰箱推到厨 房,
16、不差一分一毫地将冰箱嵌入了厨房门边的位置。随后,李先生开启了冰箱开关,在冰箱前方显示屏上输入了供电密码,冰箱 随即接入了家中的无线供电系统,自动运行起来。 “您好,欢迎使用Smart冰箱系统!”冰箱启动了智能管家模式。得益于工业4.0时代的万物互联,冰箱智能管家开始从中 央数据库下载李先生夫妇的个人信息,经过对他们的BMI指数、最新体检记录、病史、购物记录、旅行出行记录等一系列数据的 分析,冰箱智能管家为他们推荐了五套健康食谱。李太太仔细看了一遍,选择了其中三套进行排序,冰箱智能管家便列出了所需 食材清单,同时利用中央地图定位了附近三家超市,并根据食材新鲜度、送货速度、价格等指标进行比较,最终
17、挑选出了综合指 标最高的一家。待李太太点击了“确认”键后,显示屏上出现了一块指纹识别区域,先后对李太太的食指与无名指进行了扫描, 确认无误后,冰箱智能管家接入了李太太的个人支付系统,向超市提交了食材订单,并完成了支付动作。2小时后,超市的无人 送货车停在了李先生家楼下 一个星期过去了,冰箱已经完全成为李太太的得力好帮手。除了能提前为李太太准备好烹饪食材,它还能定期自动向超市下 单补充食材,并对食材消耗速度快慢进行大数据智能分析,推测出李先生夫妇的偏好,从而推荐同类口感的食物;同时,冰箱也 会在美食网站上搜索最受关注的新创菜谱,根据营养成分和人气指数,在周末向李先生和李太太的手机发送新菜推荐。
18、暑假,李太太住在C城的母亲和8岁的小侄子来他们的新居小住。一进家门,小侄子就嚷着“好热”,跑到厨房找饮料。谁 知道,小侄子进了厨房后,过了好久都没有出来。李先生安顿好丈母娘后,就来到厨房一探究竟。没想到,小侄子正在同冰箱智 能管家“聊天”呢!应小侄子的要求,冰箱智能管家在显示屏上介绍“自己是如何被生产出来的”偌大的生产车间里,两 个巨大的机器人正挥动着手臂,将各种零部件组装在一起。小侄子惊讶地看完,并对智能管家和李先生说:“那些机器人真是太 酷了!”冰箱智能管家在显示屏上显示了一个大大的笑脸以示赞同。李先生也点了点头,不过他像是又想起了什么,打开冰箱门 拿出一罐酸奶递给小侄子,并说:“这些机器
19、人是很棒,不过真正的幕后英雄可是我们人类啊!” 见小侄子一脸茫然,李先生接着解释道:“你有没有想过,为什么这些机器人能够做出各种动作,完成冰箱的组装和制 造?”小侄子转动着大眼睛想了想:“我知道了,是躲在机器人肚子里的人在指挥他们工作!”李先生哈哈大笑起来:“意思差 不多了。只是指挥机器人的人类并不用待在机器人的肚子里,他们通过电脑系统可以舒舒服服地在控制室里对机器人发出指令。 ” 傍晚,李太太来到厨房,打算准备晚餐。冰箱智能管家友善地说:“今天的食谱是清蒸鱼、红烧肉、清炒虾仁,以及南瓜 羹。”李太太一边从冰箱中拿出已经准备好的食材,一边回答:“这些是我们全家人都爱吃的菜。”这时,母亲走进厨房
20、对李太 太说:“今天的晚饭我来做吧。”智能管家善解人意地回应:“妈妈做的菜才是最好吃的!”母亲从李太太手中接过食材,然后 冲着李太太又像是对着智能管家说:“现如今一家人围坐在一起开开心心地吃顿饭,才是最重要的!” 第一章 新一轮全球工业革命的标准之争 人类社会的有序运转依靠的是一系列规则,规则即是标准,谁掌握了标准的制定权,谁就掌握了通向未来的金钥匙。 前工业4.0时代 在人类历史发展前期的大部分时间里,生产力的增长几乎难以觉察,生活水平的提升也非常缓慢。而从200多年前开始,生 产力分阶段地发生了飞跃性变化,这一翻天覆地的变化正是得益于工业革命。 前三次工业革命:改变全球经济产业格局的助推器
21、 在数次工业革命期间,人和动物的劳力作业逐渐被机器动力所替代,生产力和经济增长急剧加速。以收入数据为例,到17 世纪初,西方经济体中的人均收入水平用了800年时间才翻了一番;而在随后的150年内,人均收入水平增长了13倍。 自发明蒸汽机至今,人类社会的工业革命经历了从1.0到4.0的发展阶段。在分析正在发生的工业4.0之前,有必要先对前三 次工业革命进行简要回顾: 工业革命1.0:机械化 18世纪末期,第一次工业革命始于英国,蒸汽机的发明标志着机械逐步取代了人力,人类由此进 入“蒸汽时代”。第一次工业革命使生产力得到极大提升,市场上的商品越来越丰富,从而巩固了资产阶级的统治地位。这次工 业革命
22、的结果是机械生产代替了手工劳动,社会经济从以农业、手工业为基础转变为以工业及机械制造为基础,并进而带动经济 发展的全新模式。 “那是一个需要巨人并且产生了巨人的时代。”恩格斯这句描述文艺复兴运动的名言,对于第一次工业革命也同样适用。巨 人成就了这场伟大的革命,创造了一个新时代。得益于蒸汽机的发明与应用,英国率先完成了工业革命,并成了“世界工厂”, 其经济实力和国际地位大幅度提高,摇身变为当时最富强的国家。 与此同时,由于科学技术发挥了越来越大的作用,资产阶级工厂逐渐取代手工工场,彻底改变了传统生产方式,从而促进了 美、俄、德、意等国的革命与改革。由此,欧美向工业化及现代化迈进的大幕正式拉开,资
23、本主义世界体系初步形成。亚非拉多 数国家沦为殖民地和半殖民地,东方世界开始从属于西方。当然,这在客观上也为先进的思想和生产方式传入东方提供了可能与 便利东方人看到资本主义用了不到100年所创造的、前几个世纪都无法比拟的奇迹。 然而,从18世纪中叶到19世纪中叶的第一次工业革命,并未结束技术发展的脚步,而是开辟了技术进步的崭新道路。 工业革命2.0:流水线生产 第二次工业领域大变革发生在20世纪初期,通过零部件生产与产品装配的成功分离,开创了产品 批量生产(即生产线生产)的新模式。 1913年,美国人亨利福特(Henry Ford)创立了全世界第一条汽车流水装配线,由此所形成的流水作业法后来被称
24、为“福 特制”。这种作业法是在实行标准化的基础上组织大批量生产,并使一切作业机械化、自动化。“福特制”一经推出,便在世界 范围内得到了广泛推广。流水作业法是一种劳动生产率很高的生产组织形式,它加大了工人的劳动强度,要求工人进行高强度、 高密度作业,因此在刚诞生时饱受争议。美国著名演员查理卓别林(Charles Chaplin)就曾在电影摩登时代(Modern Times)中,用主人公可笑的经历,对流水线生产进行了讽刺。 然而,时间证明,流水作业法是一种极其有效的生产组织方式。由于成本大大下降,美国汽车的价格从每辆850美元骤降至 370美元,亨利福特本人也成了美国的“汽车大王”。 得益于流水线
25、生产和高效生产,世界工业化的进程进一步加快。随着垄断组织的逐渐形成,世界经济格局发生变化,资本主 义世界市场最终形成。更为重要的是,在第二次工业革命期间,人类跨入了“电气时代”,机器和流水线开始逐步由电驱动,使 得生产过程更易控制。20世纪70年代以后,随着电子工程和信息技术运用到工业过程之中,使得生产的最优化和自动化成为可 能。 工业革命3.0:自动化 第三次工业革命始于第二次工业革命中所出现的生产过程高度自动化。20世纪70年代中期,由于“可 编程逻辑控制器”(Programmable Logic Controller,PLC)的使用而为生产自动化带来了巨大进步,自此,机械继续替代人 类从
26、事作业工作,工业生产迈入了“无人化(少人化)时代”。 美国和德国几乎是在同时期研发出了可编程逻辑控制器。1969年,应美国通用汽车公司(GM)提出的取代继电器控制装置 的公开招标,美国数字设备公司(Digital Equipment Corporation,DEC)研制出了第一台可编程逻辑控制器,成功运用于汽 车自动装配线。1973年,德国西门子公司研制出欧洲第一台可编程逻辑控制器。与传统采用继电器进行控制的方式相比,可编 程逻辑控制器具有容易修改、安装、诊断,以及不占空间等优点,并且,随着20世纪70年代初微处理器的出现,人们很快将其 引入可编程逻辑控制器,使其增加了运算、数据传送及处理等功
27、能,转变为真正具有计算机特征的工业控制装置。这一转变,可 谓是迈出了采用微处理器控制工业生产的第一步。但是,由于当时正值冷战时期,没有人关注到这个小东西将会对工业生产产生 革命性的巨大影响。 自那以后,随着硬件水平和集成度不断提高,人们在可编程逻辑控制器上采用了C语言和更高级的编程语言,不仅可以描述 简单的与、或逻辑关系,还可以描述各种复杂的控制策略(例如PID、自适应、自学习等)。如今,可编程逻辑控制器已被广泛 使用,几乎无处不在了。 然而,可编程逻辑控制器在各国的运用程度和范围广度似乎并不完全相似。在20世纪80年代末,美国麻省理工学院 (Massachusetts Institute o
28、f Technology,MIT)曾耗资500万美元完成了一份调研报告改变世界的机器,报告指出 日本汽车工业之所以能在20年里抢占世界1/3的市场,除了“苗条”(零库存)工厂外,最重要的一点便是广泛实现了装配自动 化,由机器人辅助的装配设备大幅度提高了产品质量与生产率。因此,今后美国和欧洲的汽车工业将很难与之竞争。所幸的是, 德国的汽车工业挺住了,这其中很大一部分原因是德国在生产线上的机器人中都装上了可编程逻辑控制器,可以灵活地不断更换 或改进程序。 新一轮全球工业革命:智能化来袭 每一次工业革命都有着各自的显著特征:第一次工业革命是机械取代人力,第二次工业革命是大批量取代单件流,第三次工 业
29、革命则是自动取代手动。自国际金融危机爆发以来,全球技术创新渐趋活跃,新产业、新技术、新业态、新模式层出不穷,这 一切决定了第四次工业革命将会从自动化升级为智能化。 一方面,金融危机后,物联网、云计算、大数据、移动互联、3D打印、智能机器人、页岩气、可再生能源以及生物、材料 等领域的技术创新空前活跃,推动了技术的不断进步,孕育着新的技术革命;另一方面,围绕复苏经济、提升竞争力、维护能源 安全、克服气候变化挑战等需求,欧、美、日等发达国家通过信息、可再生能源、新材料等技术的广泛融合和深度应用,努力培 育新产业、新业态、新模式,实现经济发展方式的转变和产业结构调整。 由此可见,第四次工业革命的兴起是
30、技术推动与应用带动并举的产物,但应用带动的作用将更加突出。尽管当前全球没有出 现新的革命性技术,却正在兴起以互联网、物联网等技术为基础,以应用带动为重要特征的新一轮工业革命。未来十年,人类将 步入分散化生产的新时代,原本垂直一体化的产品生产过程将被分解为不同的工序和区段,在空间上分散在不同的地区进行生 产,我们可以通过决定生产制造过程等的网络技术,实现实时管理。 如今,发达国家的工业已经快步进入智能时代,工业自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。 欧洲 在2012年年初德国产业界提出了工业4.0计划,认为当前世界正处在“信息网络世界与物理世界的结合”,即第四次工业革 命的进程中。德国
31、表示要积极参与第四次工业革命,并重点围绕“智慧工厂”和“智能生产”两大方向,巩固和提升其在制造业 的领先优势。 德国政府认识到,网络技术在工业生产中的应用具有非常的潜力,德国有强大的机械制造和自动化工业,在软件领域也有一 定的实力。这三方面共同决定了德国在工业4.0时代的优势地位。“这一发展将在接下来的几十年里影响工业生产的发展。”德 国电子电气工业协会预测,工业4.0将使工业生产效率提高30%。德国经济部为此设立了专项资金,支持该计划的实施,第四次 工业革命已上升为德国的国家战略。 德国企业也正在积极响应号召。例如,在2013年的德国汉诺威工业博览会上,西门子展示了如何通过世界领先的科技与创
32、 新帮助制造业应对今天的挑战,以及如何打造未来制造业的发展模式。西门子还展示了融合规划、工程和生产工艺以及相关机电 系统的全面解决方案。据预测,工业信息技术与软件市场的规模在未来几年将以年均8%的速度增长,增长速度将是西门子在工 业业务领域相关总体市场规模的两倍。为此,西门子已经先行一步,集中力量构建其在工业信息技术和工业软件领域的创新领导 地位。 法国一些企业高层管理人员也普遍认为,尽管法国政府没有提出明确计划,但新一轮的工业革命正在进行中,将会推动人类 的显著进步。例如,将信息技术用于能效管理,可以节约城市30%70%的能源、减少20%的交通拥挤程度、降低15%的建筑成 本以及20%的水资
33、源消耗。 西班牙巴塞罗那市政府官员则表示,巴塞罗那正着重推动信息技术对旧工业革命地区和产业的改造,把智慧城市、电动汽车 等创新产业与传统产业紧密结合起来,发展智慧城市、移动城市,从而保持了城市活力。 美国 远在地球的另一边,美国也正通过各种计划,促进先进制造业发展,有人称之为“再工业化”。据不久前一份研究报告显 示,由于竞争力上升,美国在未来六年内每年将从欧洲、日本和中国等出口大国夺取700亿1150亿美元的制造业出口额,这使 得美国“再工业化”成为全球热门议题之一。 1900年,美国实现工业化,20世纪80年代完成了现代化进程。但自那时起,由于放松了对金融市场的宏观监管,虚拟经济 恶性膨胀,
34、最终于2007年爆发次贷危机。2009年年初,美国开始调整经济发展战略,同年12月,公布了重振美国制造业框 架,2011年6月和2012年2月,又相继启动先进制造业伙伴计划和先进制造业国家战略计划,推行“再工业 化”和“制造业回归”。如今,已经出现了某些制造业回归美国的迹象。 美国政府提出的“再工业化”,旨在达到“一石数鸟”的效果:短期刺激经济复苏、缓解严重的失业状况,并缓和社会矛 盾;中期调整产业结构,培育新的增长动力,促进经济再平衡;长期则是要抓住新一轮产业革命之机,谋划战略主导权,重塑国 家竞争优势。例如在发展先进制造业方面,3D打印技术产业已成为美国“十大增长最快的工业”之一,有专家指
35、出,与蒸汽机 或电话一样,3D打印技术具有相似的时代意义,预示着新的工业革命正在到来。 日本 在亚洲,日本政府也十分重视高端制造业的发展,大规模编制技术战略图。 首先,加大企业开发3D打印机等尖端技术的财政投入。2014年,经济产业省继续把3D打印机列为优先政策扶持对象,计划 当年投资45亿日元,实施名为“以3D造型技术为核心的产品制造革命”的大规模研究开发项目,开发世界最高水平的金属粉末 造型用3D打印机。 其次,快速更新制造技术,提高产品制造竞争力。近年来,日本制造业出现了三个新现象:一是采用“小生产线”的企业增 多。本田公司(Honda)采取新技术减少了喷漆次数及热处理工序等,从而把生产
36、线缩短了40%,并通过改变车身结构设计把 焊接生产线工序由18道减少为9道,建成了世界最短的高端车型生产线。二是采用小型设备的企业增多。日本电装公司 (Denso)通过改革铝压铸件的生产设备和工艺,使得铸造线生产成本降低30%,设备面积减少80%,能源消费量降低50%。三 是扩大了机器人、无人搬运机、无人工厂等的适用范围,从而突破成本瓶颈。佳能公司(Canon)由细胞式生产方式(Cell Production,即自律分散型生产方式)发展到机械细胞方式(基于细胞式生产方式思想的机械化),进而建起了世界首个数码 照相机无人工厂,大幅度地提高了成本竞争力。 此外,作为全球最早进入老龄化的国家,日本潜
37、心研究人工智能产业,并将其首先应用于工业化生产线。早在20世纪90年 代,日本就已经普及了第一类和第二类工业机器人,如今在发展第三、第四类工业机器人的道路上也取得了举世瞩目的成就。日 本希望借助在人工智能产业的高投入,解决劳动力断层问题,降低高昂的劳动成本并支持未来的工业智能化。 进入工业4.0时代 世界变化之迅速,总是令人始料不及。也许,你还在为书中描写第三次工业革命的自动化工厂惊叹不已,大洋彼岸的工业界 却已经发生了翻天覆地的变化。无数优秀企业正用实际行动告诉你:第三次工业革命早已结束,一个崭新的时代已经到来! 一股革新的力量正在德国工业界上空迅速扩散。在告别机械化、电气化和信息技术之后,
38、德国迎来了工业化的第四个阶段。 2013年4月的汉诺威工业博览会上,德国首次提出工业4.0这一概念,举世哗然。这个世界制造业最发达的国家,再一次以其全 新的理念,向全球工业提出了挑战:如果将物联网及服务引入制造业,这个世界会变成什么样?“我们正拥抱一个伟大的时 代”,掀起一场全球化的工业4.0革命风潮,或许只是时间问题。 德国是全球制造业中最具竞争力的国家之一。德国拥有全球领先的机械和装备制造业,在德国隐形冠军(Hidden Champions)前百强中,就有22家机械和设备制造商;在全球信息技术研发领域,德国拥有显著地位,在嵌入式系统和自动化 工程领域也具有很高的技术水平。这些使得德国在创新
39、制造技术方面的研究、开发和生产,以及在复杂工业过程管理方面能够实 现高度专业化,并且成就了其在工业3.0时期的领先地位和在制造工程行业中的领导地位。 在新时代发展的巨大压力下,为进一步增强国际竞争力,德国凭借上述独特优势,正着手开发新型工业化的潜力工业 4.0,并着重推进这个产官学一体化的新一代工业升级计划,将工业4.0推向了改革的制高点。 德国工业4.0战略的主旨在于,通过充分利用信息通信技术和信息物理系统(Cyber Physical System,CPS)相结合的手 段,推动制造业向智能化转型。具体而言,其主要表现在以下几个方面。 从互联开始 “连接”是工业4.0永恒不变的主题词,而连接
40、的范围之广,几乎涵盖了所有的设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户 要将他们紧密地连接在一起。工业4.0顺应万物互联的发展趋势,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,通过信息物理系统“编织”成一个智能网络,使得产品与生产设备之间、不同的生产设备之间、数字世界和物理世界 之间能够相互联通,使得机器、工作部件、系统以及人类社会能够通过网络,持续不断地保持数字信息的交流。 生产设备间的互联 由不同类型和功能的智能单机设备的互联,可以组成智能生产线;不同智能生产线之间的互联又组成了 智能车间;智能车间的互联组成智能工厂;不同地域、行业、企业的智能工厂的互联则又组成了一个智能制造
41、系统。更为重要的 是,这些智能单机设备、智能生产线、智能车间以及智能工厂,可以自由、动态地进行组合,以满足不断变化的制造需求。 设备和产品的互联 比生产设备间的互联更进一步的是,生产设备和产品之间能够通信,这使得产品能够“理解”制造的细 节并协助生产过程的推进。与设备互联的产品似乎被赋予了智慧,知道“自己将被如何使用”,回答诸如“我是什么时候被制造 的”“哪组参数应该被用来对我进行处理”“我应该被传送到哪儿”等问题。正如德国总理默克尔(Angela Dorothea Merkel)在2014年汉诺威工博会上所指出的,工业4.0意味着智能工厂能够自行运转,零件与机器可以进行交流。 虚拟和现实的互
42、联 信息物理系统是工业4.0的核心,它通过将物理设备连接到互联网,使物理设备具备了计算、通信、控 制、远程协调和自治这五大功能,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合,将原先由冷冰冰的机器、生产线组成的冷冰冰 的工厂转变为一个具有“温度”的智能环境智能制造的核心就在于实现机器智能和人类智能相互协作,实现生产过程的自 感知、自适应、自诊断、自决策、自修复。 万物互联 顾名思义,万物互联(Internet of Everything,IOE)就是将人、物、数据和程序通过互联网连接在一起,实 现所有人和人、人和物、物和物之间的相互连接,进而重新构建起整个社会的生产工具、生产方式以及生活场景。这其中
43、,人们 能够以多种方式通过社交网络连接到互联网,基于感知、传输、处理而产生的各类人造物将成为网络的终端,由此使得人、物、 数据能够在网络环境下进行流程再造;最终,人类对外部世界的响应模式也将因为在线化、实时化的数据与智能处理发生重大改 变。 高度集成化 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、通信设施通过信息物理系统形成一个智能网络,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、端对端的高度集成。 纵向集成 所谓的纵向集成,是指在企业内部所实现的所有生产、运营环节信息的无缝连接,也就是说,企业内部信息流、 资金流和物流的集成,是在哪一个层
44、次、哪一个环节、哪一个水平上,是在生产环节上、跨流程/部门的环节上的集成,还是产 品全生命周期的集成这是所有生产智能化的基础。 横向集成 跨出单个企业的范畴,集成扩展到了不同企业之间。横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种 资源整合,为实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务,推动企业间研产供销、经营管理、生产控制、业务与财务全流程 的无缝衔接和综合集成,进而实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同企业间的信息共享和业务协同。 端到端集成 如果再延伸到整个价值链,运用信息物理系统,能够实现价值链上各个环节的集成。所谓端到端集成就是围绕 产品全生命周期的价值链,通过对价值链上不同
45、企业资源的整合,实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护等在内的产 品全生命周期的管理和服务;通过集成参与产品价值链创造的各供应商、制造商、分销商以及客户信息流、物流和资金流,在为 客户提供更有价值的产品和服务的同时,重构产业链各环节的价值体系。 数据就是核心 SAP高级副总裁柯曼(Clas Neumann)曾指出,企业数据分析就像汽车的后视镜,开车没有后视镜就没有安全感,但更重 要的是车前档风玻璃对实时数据的精准分析。这句话凸显了数据对于工业4.0的重要性。 产品数据 产品的各种数据被记录、传输、处理和加工,使得对产品全生命周期的管理成为可能,也为满足个性化的产品需 求提供了条件。首先,
46、内嵌在产品中的传感器将获取更多的、实时的产品数据,使得产品管理能够贯穿需求、设计、生产、销 售、售后乃至淘汰报废的全部生命历程;其次,在企业与消费者之间的交互过程以及交易行为中,也将产生大量数据,这些数据 能够帮助消费者参与到产品的需求分析和产品设计、柔性加工等创新活动中。 运营数据 工业生产过程中无所不在的传感、连接,产生了丰富的数据,这些数据使企业能够在研发、生产、运营、营销和 管理方式进行创新。首先,产生于生产线、生产设备的数据可以用于对设备本身进行实时监控;其次,通过对采购、仓储、销 售、配送等供应链环节上的数据进行采集和分析,能够为企业决策提供有效的指导,进而大幅提升运营效率,并且大
47、幅下降运营 成本;再次,对销售数据、供应商数据的变化进行实时分析,还可以动态调整、优化生产及库存的节奏和规模。 价值链数据 大数据技术的发展和应用,使得价值链上各环节的数据和信息能够被深入分析和挖掘,为企业管理者和参与者 提供审视价值链的全新视角,使得企业有机会把价值链上的更多环节转化为企业的战略优势。 外部数据 大数据分析技术在宏观经济分析、行业市场调研中得到了越来越广泛的应用,已经成为企业提升管理决策和市场 应变能力的重要手段。少数领先的企业已经通过为各个层级员工提供信息、技能和工具,引导员工更好、更及时地在“影响 点”做出有效决策。 对实时数据的精准分析 无论是产品数据、运营数据、价值链
48、数据还是外部数据,如果只是将它们收集好放在那里而不做任 何实时分析,那也是白搭。因此,对实时数据进行精准分析,是工业4.0的生产体系区别于传统工业生产体系的本质特征。在工 业4.0时代,制造型企业的数据将呈现爆炸式增长,所有的生产装备、感知设备、联网终端,包括生产者本身都在源源不断地产 生数据,这些数据将渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期,进而铸成工业4.0和制造业革命的基石。 不断创新 工业4.0的实施过程实际上就是制造业创新发展的过程,技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将层出不穷。 技术创新 工业4.0在技术层面的创新将主要在以下三条轨道上进行:一是在信息技术体系中,新型传
49、感器、集成电路、人 工智能、移动互联以及大数据的创新将不断演进,并且这些创新将为新技术在其他行业的融合、渗透奠定技术基础;二是在信息 化创新环境下,传统工业模式下的创新流程、创新手段和创新模式将不断被优化,并在既有的技术路线上持续演进;三是传统工 业与信息技术将融合发展,其中既包括信息物理系统、智能工厂整体解决方案等一系列综合集成技术,也包括集成工业软硬件的 各种嵌入式系统、虚拟制造、工业应用电子等单项技术突破。 产品创新 随着信息通信技术不断融入工业装备,工业产品将逐渐向数字化、智能化方向发展,进而产品结构也将得到持续 的优化和升级。一方面,汽车、船舶、家居的智能化创新步伐正在加快,如汽车正进入“全面感知+可靠通信+智能驾驶”的新 时代;另一方面,制造装备正从单机智能化向智能生产线、智能车间到智能工厂演进,提供工厂级的系统化、集成化、成套化的 生产装备将成为产品创新的重要方向。 模式创新 首先在生产模式层面,工业4.0要求从过去的“人脑分析判断+机器生产制造”转变为“机器分析判断+机器生产 制造”的方式,基于信息物理系统的智能工厂和智能制造模式正在引领制造方式的变革;其次在商业模式层面,由于工业4.0所 具备的“网络化制造”“自我组织适应性强的物流”和“集成客户的制造
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