什么是工業(yè)4.0

1.工業(yè)4.0概述

工業(yè)4.0是德國(guó)政府提出的一個(gè)高科技戰(zhàn)略計(jì)劃，是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber Physical System 簡(jiǎn)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(dá)到有效、快速、個(gè)性化的產(chǎn)品供應(yīng)。該項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教育局及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)合資助，投資預(yù)計(jì)達(dá)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(jià)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(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。

工業(yè)4.0在德國(guó)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(xiàng)、數(shù)據(jù)、流程三個(gè)緯度標(biāo)準(zhǔn)化，從實(shí)體性質(zhì)到工作流程，由使用流程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，服務(wù)及回收。工業(yè)4.0是個(gè)漸進(jìn)過(guò)程，目前雖廣泛運(yùn)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(yùn)用大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，生產(chǎn)和檢查，維修等。監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況，數(shù)據(jù)的采集，加工和處理。大眾在中國(guó)六個(gè)生產(chǎn)基地，德國(guó)五個(gè)基地，相互可以數(shù)據(jù)交換，通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)分析比較可以預(yù)測(cè)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(shí)，每個(gè)車通過(guò)GPS系統(tǒng)計(jì)算每個(gè)車的速度，就可以計(jì)算不同的路徑，指揮交通系統(tǒng)。更進(jìn)一步，無(wú)人駕駛車輛通過(guò)這套系統(tǒng)車與中心，與車相互交流數(shù)據(jù)，目前在德國(guó)企業(yè)內(nèi)部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。2017年汽車氣囊打開(kāi)就實(shí)現(xiàn)上傳汽車位置實(shí)現(xiàn)救護(hù)。在生產(chǎn)廣場(chǎng)設(shè)備有故障馬上可以報(bào)警，通過(guò)無(wú)人駕駛汽車運(yùn)輸零部件進(jìn)行維修。再如，工業(yè)4.0運(yùn)用到生活領(lǐng)域，機(jī)器人做手術(shù)非常精準(zhǔn)，已經(jīng)在醫(yī)療行業(yè)運(yùn)用。

工業(yè)4.0的發(fā)展要素包括4個(gè)方面。一是標(biāo)準(zhǔn)化要素。工廠要對(duì)內(nèi)外各種物品與服務(wù)進(jìn)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(diǎn)。為了保障“工業(yè)4.0”順利實(shí)施，德國(guó)將標(biāo)準(zhǔn)化排在行動(dòng)首位，成立一個(gè)工作組，專門處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)方面的問(wèn)題。2013年12月，德國(guó)電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會(huì)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(diǎn)。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(gè)環(huán)節(jié)中，使制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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(gè)不斷融入、集成的復(fù)雜系統(tǒng)化過(guò)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(guó)認(rèn)為，邁向“工業(yè)4.0”的道路上，生產(chǎn)過(guò)程與各種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)協(xié)同之后，系統(tǒng)整體會(huì)更加復(fù)雜化，對(duì)其進(jìn)行管理將更為困難。為此，需要實(shí)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(shí)現(xiàn)信息無(wú)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(jì)、制造、驗(yàn)證、物流、交互各環(huán)節(jié)，所有的信息都無(wú)縫隙、高效、順暢地傳遞；端到端集成主要解決貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的工程化信息系統(tǒng)集成的復(fù)雜系統(tǒng)管理問(wèn)題，以保障大規(guī)模個(gè)性化定制的實(shí)施。三是通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)要素。德國(guó)“工業(yè)4.0”的本質(zhì)就是基于信息物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)“智能工廠”，讓制造業(yè)的各個(gè)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(shí)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(huì)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(chǔ)與數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)大的基礎(chǔ)實(shí)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(shí)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(lái)制造業(yè)迫切需要解決的一項(xiàng)課題。四是網(wǎng)絡(luò)安全保障要素。工廠與外界實(shí)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(xiǎn)性會(huì)有所提升，這就需要制定保障網(wǎng)絡(luò)安全的對(duì)策與解決方案。隨著“工業(yè)4.0”時(shí)代的到來(lái)，人力、物料、生產(chǎn)設(shè)備、各種生產(chǎn)管理系統(tǒng)以及價(jià)值鏈上的眾多協(xié)同企業(yè)都將互聯(lián)，隨之而來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)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(jì)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究與設(shè)計(jì)方面，還需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累。

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

設(shè)計(jì)思維是以人為中心的創(chuàng)新思維，強(qiáng)調(diào)觀察、協(xié)作、快速學(xué)習(xí)、想法視覺(jué)化、概念原型化,并讓消費(fèi)者、設(shè)計(jì)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(yàn)流程中，形成綜合思維，對(duì)產(chǎn)品、流程、服務(wù)等進(jìn)行全方位的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是以產(chǎn)品為中心，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的外觀使用等特點(diǎn)，在工業(yè)4.0戰(zhàn)略指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)思維主要集中在強(qiáng)調(diào)用戶體驗(yàn)。以用戶為中心的設(shè)計(jì)和體驗(yàn)設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)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(gè)設(shè)計(jì)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(duì)象，目的是滿足客戶群體的需求。具體體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是對(duì)自有資源和外部資源，特別是跨界的外部資源進(jìn)行整合，碰撞產(chǎn)生好的新創(chuàng)意；二是利用積累起來(lái)的技術(shù)和藝術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，融入文化內(nèi)涵，得到好的新設(shè)計(jì)；三是利用數(shù)字化設(shè)計(jì)和快速成型技術(shù)，迅速將新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品；四是從新產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)。

3.工業(yè)4.0帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

一是機(jī)遇。作為新一輪的工業(yè)革命，工業(yè)4.0時(shí)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(jià)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(jià)值創(chuàng)造體系將發(fā)生革命性的改變，從而促使整個(gè)社會(huì)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(jī)器人、電子技術(shù)及人工智能所實(shí)現(xiàn)的跨越式進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)正大踏步地進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代。這就是工業(yè)4.0時(shí)代。從未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)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(guò)程需要先設(shè)計(jì)出圖紙，制作出模型汽車，然后用模型汽車進(jìn)行碰撞等試驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的效果，這樣的流程花費(fèi)的成本比較高，但利用CPS技術(shù)，新設(shè)計(jì)的汽車可以在模擬的測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行多次試驗(yàn)，而不用擔(dān)心汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中的損壞，這樣可以大大降低成本。

德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略對(duì)《中國(guó)工業(yè)2025戰(zhàn)略》有重要的借鑒意義。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)的背景下，以3D打印、機(jī)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(jí)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(diǎn)，才能在下一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展中掌握主動(dòng)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(jìng)爭(zhēng)的新態(tài)勢(shì)，這對(duì)中國(guó)制造業(yè)、特別是傳統(tǒng)制造業(yè)形成了巨大的挑戰(zhàn)?？傮w上，中國(guó)制造業(yè)“大而不強(qiáng)”，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(guó)制造業(yè)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)是廉價(jià)的勞動(dòng)力，隨著時(shí)代發(fā)展，人口密集經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后的東南亞各國(guó)成了各經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家制造業(yè)的“香餑餑”，這對(duì)我國(guó)制造業(yè)也有不少的沖擊。