什么是工業(yè)4.0

1.工業(yè)4.0概述

工業(yè)4.0是德國政府提出的一個高科技戰(zhàn)略計劃，是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber Physical System 簡稱 CPS）將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達到有效、快速、個性化的產(chǎn)品供應(yīng)。該項目由德國聯(lián)邦教育局及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部聯(lián)合資助，投資預(yù)計達2億歐元。旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應(yīng)性、資源效率的智慧工廠，在商業(yè)流程及價值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴，其技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。

工業(yè)4.0在德國被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命，最早在2011年提出。工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)建立，確定事項、數(shù)據(jù)、流程三個緯度標(biāo)準(zhǔn)化，從實體性質(zhì)到工作流程，由使用流程實現(xiàn)生產(chǎn)，服務(wù)及回收。工業(yè)4.0是個漸進過程，目前雖廣泛運用，但離工業(yè)4.0愿景還有差距，尤其是中小企業(yè)。但一些大企業(yè)運用大數(shù)據(jù)實現(xiàn)設(shè)計，生產(chǎn)和檢查，維修等。監(jiān)控設(shè)備運行情況，數(shù)據(jù)的采集，加工和處理。大眾在中國六個生產(chǎn)基地，德國五個基地，相互可以數(shù)據(jù)交換，通過生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分析比較可以預(yù)測生產(chǎn)情況。比如，工業(yè)4.0在交通指揮上的應(yīng)用。出現(xiàn)交通堵塞時，每個車通過GPS系統(tǒng)計算每個車的速度，就可以計算不同的路徑，指揮交通系統(tǒng)。更進一步，無人駕駛車輛通過這套系統(tǒng)車與中心，與車相互交流數(shù)據(jù)，目前在德國企業(yè)內(nèi)部已經(jīng)實現(xiàn)。2017年汽車氣囊打開就實現(xiàn)上傳汽車位置實現(xiàn)救護。在生產(chǎn)廣場設(shè)備有故障馬上可以報警，通過無人駕駛汽車運輸零部件進行維修。再如，工業(yè)4.0運用到生活領(lǐng)域，機器人做手術(shù)非常精準(zhǔn)，已經(jīng)在醫(yī)療行業(yè)運用。

工業(yè)4.0的發(fā)展要素包括4個方面。一是標(biāo)準(zhǔn)化要素。工廠要對內(nèi)外各種物品與服務(wù)進行聯(lián)網(wǎng)，那么，通信方式、數(shù)據(jù)格式等許多內(nèi)容都需要標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)先行是“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的突出特點。為了保障“工業(yè)4.0”順利實施，德國將標(biāo)準(zhǔn)化排在行動首位，成立一個工作組，專門處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)方面的問題。2013年12月，德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會發(fā)布了“工業(yè)4.0”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。此外，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域是制造業(yè)高技術(shù)發(fā)展的顯著特點。隨著制造業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，各種高新技術(shù)以前所未有的廣度和深度滲透到制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)中，使制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程和管理方式都發(fā)生了深刻，甚至是革命性的變化，催生了一大批新興高技術(shù)制造業(yè)出現(xiàn)。在這個不斷融入、集成的復(fù)雜系統(tǒng)化過程中，亟需標(biāo)準(zhǔn)化的約束和引導(dǎo)。二是復(fù)雜的系統(tǒng)管理要素。德國認(rèn)為，邁向“工業(yè)4.0”的道路上，生產(chǎn)過程與各種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)協(xié)同之后，系統(tǒng)整體會更加復(fù)雜化，對其進行管理將更為困難。為此，需要實現(xiàn)“制造系統(tǒng)的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。橫向集成主要解決企業(yè)和企業(yè)之間復(fù)雜系統(tǒng)管理，實現(xiàn)信息無縫的交流；縱向集成主要解決企業(yè)內(nèi)部的復(fù)雜系統(tǒng)管理，在企業(yè)的研發(fā)、設(shè)計、制造、驗證、物流、交互各環(huán)節(jié)，所有的信息都無縫隙、高效、順暢地傳遞；端到端集成主要解決貫穿整個價值鏈的工程化信息系統(tǒng)集成的復(fù)雜系統(tǒng)管理問題，以保障大規(guī)模個性化定制的實施。三是通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要素。德國“工業(yè)4.0”的本質(zhì)就是基于信息物理系統(tǒng)（CPS）實現(xiàn)“智能工廠”，讓制造業(yè)的各個環(huán)節(jié)充分地與互聯(lián)網(wǎng)融合，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。而實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就需要適用于工業(yè)的、具有高可靠性的通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為基本保障。此外，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的形成，也必然會出現(xiàn)工業(yè)大數(shù)據(jù)。工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集、傳輸、交互和共享，必然要求建立容量、帶寬、存儲與數(shù)據(jù)處理能力更強大的基礎(chǔ)實施。而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施恐怕難以滿足“工業(yè)4.0”時代的要求。因此，構(gòu)建容量更大、服務(wù)質(zhì)量更可靠的工業(yè)通信基礎(chǔ)設(shè)施，將成為未來制造業(yè)迫切需要解決的一項課題。四是網(wǎng)絡(luò)安全保障要素。工廠與外界實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)之后，惡意軟件入侵、網(wǎng)絡(luò)受到攻擊的危險性會有所提升，這就需要制定保障網(wǎng)絡(luò)安全的對策與解決方案。隨著“工業(yè)4.0”時代的到來，人力、物料、生產(chǎn)設(shè)備、各種生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及價值鏈上的眾多協(xié)同企業(yè)都將互聯(lián)，隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)安全問題的隱憂，這就迫切需要建立一套完善的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息安全認(rèn)證體系，此外在認(rèn)證制度的設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究與設(shè)計方面，還需要大量的經(jīng)驗積累。

2.工業(yè)4.0戰(zhàn)略指導(dǎo)下的產(chǎn)品設(shè)計思維

設(shè)計思維是以人為中心的創(chuàng)新思維，強調(diào)觀察、協(xié)作、快速學(xué)習(xí)、想法視覺化、概念原型化,并讓消費者、設(shè)計者和商業(yè)人士參與到統(tǒng)一的產(chǎn)品、服務(wù)和商業(yè)體驗流程中，形成綜合思維，對產(chǎn)品、流程、服務(wù)等進行全方位的設(shè)計。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)是以產(chǎn)品為中心，強調(diào)產(chǎn)品的外觀使用等特點，在工業(yè)4.0戰(zhàn)略指導(dǎo)下，設(shè)計思維主要集中在強調(diào)用戶體驗。以用戶為中心的設(shè)計和體驗設(shè)計是指設(shè)計一種產(chǎn)品或一種服務(wù)的方案，這種產(chǎn)品或方案把客戶放在整個設(shè)計工作環(huán)節(jié)的中心，其基礎(chǔ)是確定產(chǎn)品或方案的使用對象，目的是滿足客戶群體的需求。具體體現(xiàn)在四個方面：一是對自有資源和外部資源，特別是跨界的外部資源進行整合，碰撞產(chǎn)生好的新創(chuàng)意；二是利用積累起來的技術(shù)和藝術(shù)設(shè)計優(yōu)勢，融入文化內(nèi)涵，得到好的新設(shè)計；三是利用數(shù)字化設(shè)計和快速成型技術(shù)，迅速將新設(shè)計轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品；四是從新產(chǎn)品設(shè)計升華為以人為本，改善生活，優(yōu)化環(huán)境的服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計。

3.工業(yè)4.0帶來的機遇與挑戰(zhàn)

一是機遇。作為新一輪的工業(yè)革命，工業(yè)4.0時代跟前三次工業(yè)革命不同的地方是網(wǎng)絡(luò)化，由于在生產(chǎn)制造核心價值創(chuàng)造環(huán)節(jié)大量采用了網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，原有的價值創(chuàng)造體系將發(fā)生革命性的改變，從而促使整個社會技術(shù)體系產(chǎn)生變革，這是第四次工業(yè)革命存在的證據(jù)和理由。

工業(yè)界是這一革命的一線陣地。隨著機器人、電子技術(shù)及人工智能所實現(xiàn)的跨越式進步，工業(yè)生產(chǎn)正大踏步地進入自動化時代。這就是工業(yè)4.0時代。從未來制造業(yè)發(fā)展的趨勢來講，利用CPS 技術(shù)，把物理世界虛擬化，是降低創(chuàng)新成本的最佳途徑。例如，傳統(tǒng)汽車的制造過程需要先設(shè)計出圖紙，制作出模型汽車，然后用模型汽車進行碰撞等試驗，檢驗設(shè)計的效果，這樣的流程花費的成本比較高，但利用CPS技術(shù)，新設(shè)計的汽車可以在模擬的測試環(huán)境中進行多次試驗，而不用擔(dān)心汽車碰撞實驗中的損壞，這樣可以大大降低成本。

德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略對《中國工業(yè)2025戰(zhàn)略》有重要的借鑒意義。在我國經(jīng)濟新常態(tài)的背景下，以3D打印、機器人等新興技術(shù)為核心的智能制造將在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)性調(diào)整中扮演重要角色，要盡早布局，搶抓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點，才能在下一輪經(jīng)濟發(fā)展中掌握主動權(quán)。

二是挑戰(zhàn)。“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的提出，凸顯出全球制造業(yè)激烈競爭的新態(tài)勢，這對中國制造業(yè)、特別是傳統(tǒng)制造業(yè)形成了巨大的挑戰(zhàn)。總體上，中國制造業(yè)“大而不強”，傳統(tǒng)制造業(yè)比重較大，且多處于工業(yè)2.0和工業(yè)3.0階段。早前中國制造業(yè)的絕對優(yōu)勢是廉價的勞動力，隨著時代發(fā)展，人口密集經(jīng)濟相對落后的東南亞各國成了各經(jīng)濟發(fā)達國家制造業(yè)的“香餑餑”，這對我國制造業(yè)也有不少的沖擊。