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德国工业4.0战略意图及对中国的启示

时间:2014-09-11 13:40来源:未知 作者:创新IEG 点击:
导读:当中国人疯狂迷恋于金融、电商,天天喊着要颠覆这个颠覆那个的时候,德国已经进入了制造4.0时代,并作为它的国家战略被鲜明的提出,在整个德国企业界得到广泛应用。 反观中国还在小商业计谋上面争得不可开交时,把流通那点环节搞得不亦乐乎,但是实际
导读:当中国人疯狂迷恋于金融、电商,天天喊着要颠覆这个颠覆那个的时候,德国已经进入了制造4.0时代,并作为它的国家战略被鲜明的提出,在整个德国企业界得到广泛应用。
反观中国还在小商业计谋上面争得不可开交时,把流通那点环节搞得不亦乐乎,但是实际上对提升国家的整体竞争力来说,都是虚幻的。

中国的企业竞争力到底在何方?到现在就像雾霾中的城市,老路仍然看不清方向。你再看看在中国满大街跑的奔驰、宝马、奥迪,外国企业几乎垄断了中国的所有高端品牌。而中国留恋于金融、电商、互联网思维这些“小技巧”里面,作茧自缚,这是一种没有远见的战略,我们应该好好地向德国学习。

所谓制造工业4.0的概念,是以智能制造为主的第四次工业革命,它把德国的传统制造技术与现代无处不在的互联网技术相融合,产生智能化的机械设备制造,将再次在全球范围内提升德国的全球竞争力。

一、德国工业4.0的本质与目标是什么?
工业4.0在德国被认为是第四次工业革命,是德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中的一项战略,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,保持德国的国际竞争力。

2013年4月,德国机械及制造商协会、德国信息技术、通讯与新媒体协会、德国电子电气制造商协会合作设立了“工业4.0平台”,并向德国政府提交了平台工作组的最终报告——《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》。报告提出,德国向工业4.0转变需要采取双重策略,即德国要成为智能制造技术的主要供应商和CPS(信息物理系统)技术及产品的领先市场。报告还展望了德国工业4.0战略的发展前景。

1、本质是基于“信息物理系统”实现“智能工厂”
工业4.0,其实就是实现“智能工厂”。第一次工业革命始于18世纪后半期由蒸汽机实现工厂的机械化;第二次工业革命始于19世纪后半期用电力来实现大规模化批量生产;第三次工业革命始于20世纪后半期通过电气和信息技术实现制造业的自动化。

工业4.0将在前三次工业革命的基础上进一步进化,基于信息物理系统(CyberPhysical System)实现新的制造方式。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,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。

2、核心是动态配置的生产方式
工业4.0报告中描述的动态配置的生产方式主要是指从事作业的机器人(工作站)能够通过网络实时访问所有有关信息,并根据信息内容,自主切换生产方式以及更换生产材料,从而调整成为最匹配模式的生产作业。动态配置的生产方式能够实现为每个客户、每个产品进行不同的设计、零部件构成、产品订单、生产计划、生产制造、物流配送,杜绝整个链条中的浪费环节。与传统生产方式不同,动态配置的生产方式在生产之前或者生产过程中,都能够随时变更最初的设计方案。

例如,目前的汽车生产主要是按照事先设计好的工艺流程进行的生产线生产方式。尽管也存在一些混流生产方式,但是生产过程中,一定要在由众多机械组成的生产线上进行,所以不会实现产品设计的多样化。管理这些生产线的MES(制造执行管理系统)原本应该带给生产线更多的灵活性,但是受到构成生产线的众多机械的硬件制约,无法发挥出更多的功能,作用极为有限。

同时,在不同生产线上操作的工人分布于各个车间,他们都不会掌握整个生产流程,所以也只能发挥出在某项固定工作上的作用。这样一来,很难实时满足客户的需求。工业4.0描绘的智能工厂中,固定的生产线概念消失了,采取了可以动态、有机地重新构成的模块化生产方式。

例如,生产模块可以视为一个“信息物理系统”,正在进行装配的汽车能够自律在生产模块间穿梭,接受所需的装配作业。其中,如果生产、零部件供给环节出现瓶颈,能够及时调度其他车型的生产资源或者零部件,继续进行生产。也就是为每个车型自律性选择适合的生产模块,进行动态的装配作业。在这种动态配置的生产方式下,可以发挥出MES原本的综合管理功能,能够动态管理设计、装配、测试等整个生产流程,既保证了生产设备的运转效率,又可以使生产种类实现多样化。

3、首要目标是工厂标准化
德国工业影响力的一个侧面就是“标准化”。PLC编程语言的国际标准IEC61131-3(PLCopen)主要是来自德国企业;通信领域普及的CAN、Profibus以及EtherCAT也全都诞生于德国。

工业4.0工作组认为,推行工业4.0需要在8个关键领域采取行动。其中第一个领域就是“标准化和参考架构”。标准化工作主要围绕智能工厂生态链上各个环节制定合作机制,确定哪些信息可被用来交换。为此,工业4.0将制定一揽子共同标准,使合作机制成为可能,并通过一系列标准(如成本、可用性和资源消耗)对生产流程进行优化。

以往,我们听到的大多是“产品的标准化”,而德国工业4.0将推广“工厂的标准化”,借助智能工厂的标准化将制造业生产模式推广到国际市场,以标准化提高技术创新和模式创新的市场化效率,继续保持德国工业的世界领先地位。

目前,工信部等部委也正在借鉴德国经验,编制《中国制造2025》,力求促使中国成为工业强国。笔者认为,德国工业4.0受到了空前的重视,但是如何借鉴工业4.0尤其是工业4.0中的标准化问题,值得我们深入思考。

二、德国工业4.0背后的战略意图
工业4.0在德国被认为是第四次工业革命,是德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中的一项战略,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,保持德国的国际竞争力。德国总理默克尔亲自不遗余力地推动工业4.0,其实其背后还有很深的战略用意。
1、对抗美国互联网
实际上,工业4.0体现出德国对美国的危机感和极高的竞争意识。CPU、操作系统、软件以及云计算等网络平台几乎都由美国掌控。近两年来,Google开始进军机器人领域,研发自动驾驶汽车;Amazon进入手机终端业务,开始实施无人驾驶飞机配送商品……美国互联网巨头正在从“信息”领域加速进入“物理”业务领域。显而易见,这一趋势对制造业的破坏性影响只是时间问题,因此,德国产生了前所未有的危机感。

德国的工业4.0战略详尽描绘了信息物理系统(CyberPhysicalSystem)概念,希望通过信息物理系统开创新的制造方式,实现“智能工厂”。信息物理系统是指通过传感网紧密连接现实世界,将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中,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。

从某种意义上说,工业4.0是德国希望阻止信息技术不断融入制造业之后带来的支配地位。一旦制造业各个环节都被云计算接管,那么制造业还是制造业吗?所以,工业4.0希望用“信息物理系统”升级“智能工厂”中的“生产设备”,使生产设备因信息物理系统而获得智能,使工厂成为一个实现自律分散型系统的“智能工厂”。那时,云计算不过是制造业中的一个使用对象,不会成为掌控生产制造的中枢所在。

2、防守中国制造业

近年来,从中国机械产业的高速增长中,德国看到的更多是“德国制造”自身的危机。数据显示,德国以16%的份额占据2013年全球机械出口首位,中国以11%的份额,略低于美国位于全球第三。同时,在全球设备制造业的32个子行业中,中国已经在7个子行业中取得了领先地位。更有甚者,美国波士顿咨询公司的一篇相关分析报告曾提出警告:“欧洲机械制造商必须意识到,竞争环境已经改变,必须对越发明显的威胁做出反应,否则他们将被来自中国的咄咄逼人的挑战者打倒。”由此,德国《世界报》网站在今年3月27日报道称“中国机械制造业严重威胁德国”!

2014年6月24日,德国机械设备制造业联合会(VDMA)在日本东京举行发布会,介绍了德国机械制造行业的情况。VDMA拥有120多年的历史,涵盖机床工业联合会、机器人工业联合会等38个工业联合会,是德国横跨各个机械产业的庞大社团组织。VDMA也是搭建“工业4.0平台”,实施德国工业4.0战略的重要牵头组织之一。

据日本媒体报道,当天,VDMA主席菲斯特格(ReinholdFestge)旗帜鲜明地指出:“日本和德国的机械制造企业,应该为确保长期发展和经济上的成功进行深入合作,尤其在有交叉的一些产品领域,两国应该携手面对中国的挑战。”从中,德国对中国制造业的防备之心已显而易见。

3、对于工业4.0,要借鉴也要应对
或许有专家认为,工业4.0不过是德国的一项高科技领域的国家战略,主要是在高端制造技术上对抗美国,跟主要以低端制造为主的我国没有多大关系。因此,我国也没有必要对工业4.0采取应对策略。笔者并不认同这种观点。

一方面,对于德国工业4.0,我们应该深入研究,参考借鉴。工业4.0是德国举国实施的全球市场运动,我们应该搭乘这辆便车。借势借力,在德国推广“信息物理系统”过程中,通过学会生产制造过程与业务管理系统的深度集成,实现对生产要素的高度灵活配置,实现大规模生产高度定制化产品。从而让制造业紧跟时代趋势,提前迈向智能化,以适应未来的国际竞争。

另一方面,在《中国制造2025》中应涵盖应对策略。据媒体报道,工信部正联合发改委、科技部和国资委等多个部门,由中国工程院院士一起参与研究起草的制造业中长期规划——《中国制造2025》将阐述未来10年中国工业发展的整体理念。笔者希望在《中国制造2025》中能够有效考虑到德国工业4.0带来的冲击和潜在竞争因素。因为我国一直是制造大国,却不是制造强国。工业4.0来了,物联网、服务互联网将取代传统封闭性的生产制造系统,成为未来工业的根基。而在物联网、服务互联网等信息产业领域更为落后的我们,未来还有没有成为制造强国的机会?

三、德国工业4.0的中国启示
德国工业4.0战略为我们展现了一幅全新的工业蓝图,深入分析其愿景与要点,可以洞察德国提出工业4.0的目的与战略意图。在新的发展背景下,将信息化的时代特征与我国工业化历史进程紧密结合起来,把两化深度融合作为主线,为推动工业转型升级注入新的动力,从而在向工业化迈进的过程中占得先机,这是4.0战略对我国推进工业转型升级的重要启示。
1、战略愿景与要点

与美国流行的第三次工业革命的说法不同,德国将制造业领域技术的渐进性进步描述为工业革命的四个阶段,即工业4.0的进化历程。

1)工业1.0 18世纪60年代至19世纪中期,通过水力和蒸汽机实现的工厂机械化可称为工业1.0。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动,经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

2)工业2.0 19世纪后半期至20世纪初,在劳动分工的基础上采用电力驱动产品的大规模生产可称为工业2.0。这次工业革命,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的新模式。

3)工业3.0 始于20世纪70年代并一直延续到现在,电子与信息技术的广泛应用,使得制造过程不断实现自动化,可称为工业3.0。自此,机器能够逐步替代人类作业,不仅接管了相当比例的“体力劳动”,还接管了一些“脑力劳动”。

4)工业4.0 德国学术界和产业界认为,未来10年,基于信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)的智能化,将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块集成,将形成一个高度灵活、个性化、数字化的产品与服务的生产模式。

工业4.0为我们展现了一幅全新的工业蓝图:在一个“智能、网络化的世界”里,物联网和务联网(服务互联网技术)将渗透到所有的关键领域,创造新价值的过程逐步发生改变,产业链分工将重组,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。

1)工业4.0将使得工业生产过程更加灵活、坚强。这将使得动态的、适时优化的和自我组织的价值链成为现实,并带来诸如成本、可利用性和资源消耗等不同标准的最优化选择。包括在制造领域的所有因素和资源间形成全新的循环网络、智能产品独特的可识别性、个性化产品定制以及高度灵活的工作环境等。

2)工业4.0将发展出全新的商业模式和合作模式。这些模式将力争确保潜在的商业利润在整个价值链所有利益相关人之间公平地共享,包括那些新进入的利益相关人。同时,工业4.0“网络化制造”、“自我组织适应性强的物流”和“集成客户的制造工程”等特征,也使得它追求新的商业模式以率先满足动态的商业网络而非单个公司,这将引发一系列诸如融资、发展、可靠性、风险、责任和知识产权以及技术安全等问题。

3)工业4.0将带来工作方式和环境的全新变化。全新的协作工作方式使得工作可以脱离工厂,通过虚拟的、移动的方式开展。员工将拥有高度的管理自主权,可以更加积极地投入和调节自己的工作。同时,随着工作环境和工作方式的巨大改变,可以大幅度提升老年人和妇女的就业比例,确保人口结构的变化不会影响当前的生活水平。

4)工业4.0将促进形成全新的信息物理系统平台。全新的信息物理系统平台能够联系到所有参与的人员、物体和系统,将提供全面、快捷、安全可靠的服务和应用业务流程,支持移动终端设备和业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程等。

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。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及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。

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,是为了实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务;纵向集成是基于未来智能工厂中网络化的制造体系,实现个性化定制生产,替代传统的固定式生产流程(如生产流水线);端对端集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成,是在所有终端数字化的前提下实现的基于价值链与不同公司之间的一种整合,这将最大限度地实现个性化定制。

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能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。

总的来看,工业4.0战略的核心就是通过CPS网络实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流,从而构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下,生产由集中向分散转变,规模效应不再是工业生产的关键因素;产品由趋同向个性转变,未来产品都将完全按照个人意愿进行生产,极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造;用户由部分参与向全程参与转变,用户不仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。

2、对我国工业转型升级的启示
把两化深度融合作为主要着力点。德国工业4.0战略与我国提出的两化深度融合有很多相通之处。在某种程度上,两化融合可称为我国工业的3.0,两化深度融合可以说是我国工业的4.0。在新的发展背景下,只有将信息化的时代特征与我国工业化历史进程紧密结合起来,把两化深度融合作为主线,才能为推动工业转型升级注入新的动力,也才能在向工业化迈进的过程中占得先机。

1、超前部署建设国家信息物理系统网络平台。美、德等世界工业强国都高度重视信息物理空间构建,加强战略前瞻部署,并取得积极研究进展。中国要决胜未来的竞争,必须在构建信息物理系统网络平台上先行一步。一方面,在国家新的信息化发展战略中加强对CPS的总体布局,研究制定CPS建设的战略目标、重点任务、发展路径和政策举措。同时,在制造业发展、智慧城市建设、国家网络和信息安全等工作中加强前瞻部署和应用推广。另一方面,可借鉴美国组建“国家制造创新网络中心”的做法,组建一批国家信息物理系统网络平台,负责承担基础理论研究,组织力量研发突破CPS软件、传感器、移动终端设备等工具和装备,推动重点行业企业的开发应用。

2、启动国家智能制造重大专项工程。智能制造已成为全球制造业发展的新趋势,智能设备和生产手段在未来必将广泛替代传统的生产方式。当前,我国在智能测控、数控机床、机器人、新型传感器、3D打印等领域,初步形成完整的产业体系。但总体看,我国制造业发展仍然以简单地扩大再生产为主要途径,通过智能产品、技术、装备和理念改造提升传统制造业的任务艰巨而迫切。建议从国家层面启动实施智能制造专项工程,加强技术攻关,开展应用示范,推动制造业向智能化发展转型。一是重点突破智能机器人。

开展智能机器人及智能装备系统集成、设计、制造、试验检测等核心技术研究,攻克精密减速器、伺服驱动器、传感器等关键零部件。二是开展数字工厂应用示范。在全国范围内分行业分区域选取试点示范企业,给予扶持,建设数字制造的示范工厂,发挥其“种子”作用。三是推动制造业大数据应用。以行业龙头企业为先导,鼓励其应用大数据技术提升生产制造、供应链管理、产品营销及服务等环节的智能决策水平和经营效率。

3、用标准引领信息网络技术与工业融合。工业4.0战略的关键是建立一个人、机器、资源互联互通的网络化社会,各种终端设备、应用软件之间的数据信息交换、识别、处理、维护等必须基于一套标准化的体系。为了保障工业4.0的顺利实现,德国把标准化排在八项行动中的第一位,同时建议在工业4.0平台下成立一个工作小组,专门处理标准化和参考架构的问题。我们在推进信息网络技术与工业企业深度融合的具体实践中,也应高度重视发挥标准化工作在产业发展中的引领作用,及时制定出台“两化深度融合”标准化路线图,引导企业推进信息化建设。同时,还要着力实现标准的国际化,使得中国制定的标准得到国际上的广泛采用,以夺取未来产业竞争的制高点和话语权。

4、构建有利于工业转型升级的制度保障体系。德国工业4.0战略十分重视产业创新、组织创新与现有制度相冲突的问题。工业4.0一方面增加了管控的复杂性,技术标准的制定需要符合相应的法律法规;另一方面也需要制定相应的规章制度促进技术创新。工业4.0采取了一系列措施以加强制度保障,比如设立处理各类问题的专职工作组,制定和实施安全性支撑行动,建立培训和再教育制度等。我国在推动工业转型升级的问题上,也同样面临制度保障方面的相关问题。因此,非常有必要建立和完善有利于工业转型升级的长效机制,比如知识产权保护制度,节能环保、质量安全等重点领域的法律法规,人才培养和激励机制等,从而形成推动工业转型升级的制度保障。

5、产学研用联合推动制造业创新发展。德国工业4.0是由德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等联合发起的,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,很快得到了学术界、产业界的积极响应。事实上,政府支持产学研合作的动机不单纯来自于市场考量,通过产学研合作创新促进竞争往往成为发达国家重要的战略意图。我国应该充分吸收和借鉴发达国家产学研用联合模式,一方面,针对不同类型自发的产学研合作网络或产业研发联盟,政府要通过引导和支持的方式促进其发展;另一方面,选择几个重点行业和关键技术领域进行试点,以行业骨干企业为龙头,联合科研实力雄厚的大学和科研机构,组建多种形式的产学研研发联盟,充分调动各方资源和力量,共同推进技术研发和应用推广。

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