編譯/辛妍

工業(yè)4.0的德國經(jīng)驗上篇：技術和政策

編譯/辛妍

正如我們所知，今天的世界已經(jīng)經(jīng)歷了三次重大技術革命的塑造。18世紀末開始于英國并在19世紀中葉結束的第一次工業(yè)革命代表了一種根本性轉變，即從農(nóng)業(yè)經(jīng)濟轉變到了由引入機械生產(chǎn)方法所界定的經(jīng)濟。在20世紀初，隨著工業(yè)生產(chǎn)的出現(xiàn)和工廠的誕生，第二次根本性轉變時期到來，它迎來了一個大眾消費可以負擔得起消費類產(chǎn)品的時代。而到了20世紀60年代末，電子和信息技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用打開了通向優(yōu)化和自動化生產(chǎn)的新時代的大門。今天我們站在第四次工業(yè)革命的風口浪尖，它能通過物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)和網(wǎng)絡世界相連，使工業(yè)4.0成為現(xiàn)實?！爸悄苌a(chǎn)”將成為一種標準，基于智能信息通信技術（ICT）的機器、系統(tǒng)和網(wǎng)絡能夠獨立交換和響應信息，管理工業(yè)生產(chǎn)過程。

作為高科技戰(zhàn)略2020行動計劃的一部分，德國政府確定了十個“未來項目”，工業(yè)4.0項目（INDUSTRIE 4.0 project）便是其中之一。工業(yè)4.0是德國要成為工業(yè)信息技術先鋒的戰(zhàn)略性舉措，該項目為德國創(chuàng)造了重要的機會，讓其有潛力將自身發(fā)展定位為工業(yè)4.0解決方案的領先市場，同時也成為工業(yè)4.0的領先供應商，從而進一步增加德國經(jīng)濟，加強國際合作，并創(chuàng)造新的、基于互聯(lián)網(wǎng)的市場，讓德國保持為具有全球競爭力的高工資經(jīng)濟體。

可以說，實現(xiàn)第四次工業(yè)革命，或是工業(yè)4.0的條件是德國所獨有的，因為率先進行分散、自主的實時生產(chǎn)的德國有兩種基礎：一是德國作為世界上最具競爭力和創(chuàng)新性的制造產(chǎn)業(yè)的持續(xù)作用，二是德國在工業(yè)生產(chǎn)研究開發(fā)的技術領先地位。

圖1：描述了從封閉的嵌入式系統(tǒng)到最終愿景——物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)服務的演變過程。

本文作為工業(yè)4.0的德國經(jīng)驗的上篇，主要從技術和政策兩方面進行介紹。

工業(yè)4.0的技術基礎及德國的優(yōu)勢

今天，由于制造商面臨著成本增加和市場波動的壓力，產(chǎn)品的生命周期和測試周期越來越短。產(chǎn)品正變得越來越復雜，越來越定制。制造商發(fā)現(xiàn)，將生產(chǎn)轉向勞動成本低廉的新興國家不再是一個成功的路徑，因為他們必須平衡大規(guī)模生產(chǎn)與定制生產(chǎn)。為滿足需求的快速變化，生產(chǎn)必須越來越本地化，例如使用3D打印機。其他因素的重要性也在增加，例如充分利用低能源成本，或者是研發(fā)與生產(chǎn)共處一地而加速市場進入時間等。

隨著企業(yè)和技術趨勢以前所未有的方式匯集，制造業(yè)正在進行著一場新且深刻的轉變?，F(xiàn)在，制造商可以在工具、機器、車輛、建筑物，甚至是原材料上添加傳感器和微芯片，從而使產(chǎn)品“更聰明”。這些智能物品將能提供豐富的數(shù)據(jù)，用于更好地了解產(chǎn)品及潛在的問題。正在進行的產(chǎn)品和服務數(shù)字化將制造商和客戶從固定地點解放出來。在未來，有可能在零件發(fā)生故障的地點就能生產(chǎn)出備件，從而大大節(jié)省運輸和倉儲成本。而隨著技術促進車間和全球商業(yè)戰(zhàn)略之間的垂直一體化，以及跨產(chǎn)品設計、計劃、生產(chǎn)以及服務提供的水平一體化，制造商比以前更反應及時、更有效。同時，他們還得益于靈活、自組織的商業(yè)網(wǎng)絡，從而能夠在本地執(zhí)行全球業(yè)務計劃。

工業(yè)4.0是從“集中”生產(chǎn)向“分散”生產(chǎn)的范式轉變，它將嵌入式系統(tǒng)生產(chǎn)技術和智能生產(chǎn)工藝流程連接在一起，為從根本上改變工業(yè)與生產(chǎn)價值鏈和商業(yè)模式（如“智能工廠”）的一個新的技術時代鋪平了道路。從技術上講，“工業(yè)4.0”是指從嵌入式系統(tǒng)到信息物理系統(tǒng)的技術演變，它代表了正在走向物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)和服務的第四次工業(yè)革命。

嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡

信息通信技術 (ICT) 構成了明天的創(chuàng)新解決方案的基石。嵌入式系統(tǒng)和全球網(wǎng)絡是驅動技術進步的兩個主要的信息和通信技術。嵌入式系統(tǒng)在我們的生活中已經(jīng)扮演著核心角色，全世界生產(chǎn)的超過98%的處理器被部署在遍布日常生活各個方面的各種設備的穩(wěn)壓器、控制和監(jiān)控功能中。

嵌入式的系統(tǒng)是目前大多數(shù)最現(xiàn)代的技術產(chǎn)品和設備的智能中央控制單元。通常，它們作為信息處理系統(tǒng)，為一定范圍內(nèi)設備特定的應用程序而“嵌入”到“封閉”的產(chǎn)品中。這些與外部世界的“連接”使用傳感器和執(zhí)行器，使嵌入式系統(tǒng)之間以及它們與網(wǎng)絡世界的相互聯(lián)系日益緊密。

信息物理系統(tǒng)

信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System, CPS）是一種實現(xiàn)技術，它將虛擬世界與現(xiàn)實世界結合在一起，創(chuàng)造出了一個真正的網(wǎng)絡世界，而智能對象在其中彼此進行交流和交互彼此。它提高資源生產(chǎn)率和效率，并能讓工作組織有更靈活的模式。信息物理系統(tǒng)代表了現(xiàn)有的嵌入式系統(tǒng)的下一步進化步驟。嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)和在線數(shù)據(jù)服務一起，共同形成信息物理系統(tǒng)。

信息物理系統(tǒng)是建立物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）的基礎，它與互聯(lián)網(wǎng)服務（Internet of Services，IoS）一起，使工業(yè)4.0成為可能。未來，信息物理系統(tǒng)將用以前無法想象的方式，為人類的安全、高效、舒適和健康做出貢獻。在這樣做的過程中，信息物理系統(tǒng)將發(fā)揮核心作用，處理由于人口變化、自然資源稀缺、可持續(xù)的流動性和能源變化等所帶來的基本挑戰(zhàn)。

信息物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)服務智能工廠——自動化制造的未來

虛擬世界和現(xiàn)實的物理世界通過信息物理系統(tǒng)融合在一起，其帶來的技術流程和業(yè)務流程引領我們走向一個新的工業(yè)時代，而工業(yè)4.0項目中的“智能工廠（smart factory）”的概念正是對此最好的定義。在生產(chǎn)系統(tǒng)中部署信息物理系統(tǒng)產(chǎn)生了“智能工廠”。與經(jīng)典的生產(chǎn)系統(tǒng)相比，智能工廠能夠提供重要的實時質(zhì)量、時間、資源和成本優(yōu)勢。智能工廠是為可持續(xù)發(fā)展和以服務為導向的企業(yè)實踐而設計的，強調(diào)適應性、靈活性、容錯能力和風險管理，并具有自適應性和學習的特點。

高水平的自動化是未來智能工廠的標準。柔性生產(chǎn)系統(tǒng)幾乎能夠在實時條件下做出反應，從而在根本上優(yōu)化內(nèi)部生產(chǎn)進程。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造相比，智能工廠生產(chǎn)帶來了很多優(yōu)勢，包括：

信息物理系統(tǒng)優(yōu)化的生產(chǎn)流程：智能工廠“單位”能夠確定和識別它們的活動場所、配置選項和生產(chǎn)條件，并與其他單位獨立地、無線地進行溝通

通過理想生產(chǎn)系統(tǒng)的智能編譯，考慮產(chǎn)品的性能、成本、物流、安全、可靠性、時間和可持續(xù)性等因素，獲得優(yōu)化的個人定制產(chǎn)品制造。

資源有效的生產(chǎn)

根據(jù)人類的勞動力進行調(diào)整，從而讓機器適應人類的工作周期。

德國是嵌入式系統(tǒng)的全球領先者

德國是嵌入式系統(tǒng)的國際領先者，同時在安全解決方案和企業(yè)軟件領域也處于領先地位。德國在問題系統(tǒng)解決方案相關領域擁有令人羨慕的工程聲譽，可以調(diào)用相當多的語義技術和嵌入式系統(tǒng)專門知識。作為嵌入式系統(tǒng)技術的全球領先者，德國使巧妙地連接了數(shù)字虛擬世界與現(xiàn)實世界的信息物理系統(tǒng)技術得以實現(xiàn)。目前，德國的嵌入式系統(tǒng)市場僅次于美國和日本，位列世界第三，其市場每年的產(chǎn)值約為200億歐元，而預計到2020年，這一數(shù)字將超過400億歐元。

德國發(fā)展工業(yè)4.0的政策框架和方案

要成為創(chuàng)新、基于互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)技術和服務提供的全球領先者，德國具有理想的條件。在制造、自動化和基于軟件的嵌入式系統(tǒng)等領域的技術領先和遠見，以及歷史上強大的工業(yè)網(wǎng)絡，都為德國工業(yè)4.0項目的長期成功奠定了基石。為了讓德國能夠在2020年之前成為信息物理系統(tǒng)的領先市場和供應商，一套全面的補充性政策、資金方案以及活動已經(jīng)落實到位

高科技戰(zhàn)略

“高科技戰(zhàn)略”于2006年8月推出，其目標是為推動新技術發(fā)展而將關鍵的創(chuàng)新與技術利益相關者匯集到一起，這是這方面的第一個國家概念。這項倡議將所有政府部門的資源結合起來，每年為發(fā)展尖端技術預留了數(shù)十億歐元的資金。

高科技戰(zhàn)略2020

高科技戰(zhàn)略中設定的目標在2010年7月推出的“高科技戰(zhàn)略2020”框架中得到了延續(xù)與擴展。建立于高科技戰(zhàn)略的初步成功之上，這一“繼任者”倡議擬創(chuàng)造領先市場，進一步加強科學和工業(yè)之間的合作伙伴關系，并繼續(xù)改善創(chuàng)新的一般條件。高科技戰(zhàn)略2020的存在，是為了將德國建設成為氣候/能源、保健/營養(yǎng)、移動性、安全性和通信等領域的，基于科學與技術的解決方案的領先供應商。

高技術戰(zhàn)略2020行動計劃

為進一步實施高科技戰(zhàn)略，德國政府于2012年3月通過了高科技戰(zhàn)略2020行動計劃。該行動計劃確定了10個“未來項目”（其中包括工業(yè)4.0）。這些項目作為研究與創(chuàng)新活動的焦點，被認為是解決和實現(xiàn)當前創(chuàng)新政策目標的關鍵。這些燈塔項目將在未來10到15年的時間框架內(nèi)，追求具體的創(chuàng)新目標。在高科技戰(zhàn)略2020行動計劃中，已經(jīng)為工業(yè)4.0項目分撥了2億歐元的資金。

由CDU-CSU-SPD組成的聯(lián)合政府于2013年12月14日簽署了第18期立法期間的聯(lián)盟協(xié)議，該協(xié)議將工業(yè)4.0未來項目確定為鞏固德國在機械工程領域技術領先地位的重要措施。聯(lián)合政府計劃推進傳統(tǒng)工業(yè)的數(shù)字化，擴大到“智慧服務”領域，并加強“綠色IT”部門中的項目和活動。

德國——信息物理系統(tǒng)2020領先市場

作為德國工業(yè)4.0項目的一部分，德國志在到2020年，成為信息物理系統(tǒng)的領先供應商。與許多其他工業(yè)化國家形成鮮明對比的是，德國一直保持穩(wěn)定的制造業(yè)勞動力，同時在早期階段就將新技術發(fā)展融入到工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程當中。

現(xiàn)實和虛擬世界之間的界限正在瓦解，從而打造了物聯(lián)網(wǎng)。德國先進的嵌入式系統(tǒng)和信息物理系統(tǒng)實踐知識對德國工業(yè)而言是重大的機會，它能幫助德國塑造第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）。信息物理系統(tǒng)議程

信息物理系統(tǒng)議程（Agenda CPS）由德國國家科學和工程院（German National Academy of Science and Engineering，acatech）代表聯(lián)邦教育和研究部（Federal Ministry of Education and Research，BMBF）領導，其目標是建立一體化的信息物理系統(tǒng)研究議程，讓德國作為領先的市場和供應商而影響這一技術革命的發(fā)展，與工業(yè)和技術參與者競爭。

信息物理系統(tǒng)議程確定了到2025年的四大主要領域的應用，它們是“能源”（智能電網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)）、“移動性”（網(wǎng)絡移動性的信息物理系統(tǒng)）、“健康”（遠程醫(yī)療和遠程診斷的信息物理系統(tǒng)）和“工業(yè)”（工業(yè)和自動化生產(chǎn)的信息物理系統(tǒng)）。

“ICT2020——為創(chuàng)新而研究：工業(yè)4.0的IT系統(tǒng)”項目

創(chuàng)新的信息通信技術（ICT）研究（包括工業(yè)4.0的IT系統(tǒng)）由聯(lián)邦教育與研究部在其“ICT2020——為創(chuàng)新而研究”項目中提供，它處于高科技戰(zhàn)略2020和聯(lián)邦政府的“數(shù)字德國2015”ICT戰(zhàn)略框架內(nèi)。特別需要指出的是，信息通信技術的研究重點集中在復雜的系統(tǒng)（如嵌入式系統(tǒng)），新的業(yè)務流程和生產(chǎn)方法，以及物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)服務領域的ICT。在信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)服務、以及工業(yè)4.0的IT系統(tǒng)領域開展的研究活動都有資格獲得資助。軟件系統(tǒng)和知識處理方面的科研經(jīng)費被分為三個具體類別：

嵌入式系統(tǒng)，特別是側重于軟件密集型的嵌入式系統(tǒng)，鏈接到電子、通信技術和微系統(tǒng)技術；

電網(wǎng)應用和基礎設施的模擬現(xiàn)實、虛擬/增強現(xiàn)實技術和環(huán)境智能、模擬仿真，以及高性能計算的信息物流和軟件開發(fā)；

有語言和媒體技術的人機交互、生物模擬信息處理，以及服務機器人和可用性。

這三類研究領域與軟件工程、可靠性和安全性等跨學科技術相輔相成，因為它們將軟件密集型嵌入式系統(tǒng)、電網(wǎng)應用程序和基礎設施，以及虛擬/增強現(xiàn)實作為戰(zhàn)略優(yōu)先事項。申請項目應當以業(yè)務為導向，并且包括與大學或非大學研究機構的合作，同時會以個案為基礎來公布開始接受申請。

“工業(yè)4.0的自治”技術方案

“工業(yè)4.0的自治——未來多維度互聯(lián)網(wǎng)中的生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務（AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0 - Production, Products, Services in the Multidimensional Internet of the Future）”技術方案有助于執(zhí)行高科技戰(zhàn)略2020中設定的各項目標。優(yōu)先領域包括發(fā)展能夠自主地處理復雜任務的機器、服務機器人和其他系統(tǒng)的下一個進化步驟，因為從基于信息通信技術的控制機制過渡到自主行動組件開創(chuàng)了一個新時代，在新的、靈活的生產(chǎn)基礎設施中，效率、成本效益和質(zhì)量都得到提高。

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展已經(jīng)涵蓋在聯(lián)邦經(jīng)濟事務和能源部（Federal Ministry for Economic Affairs and Energy，BMWi）的下一代媒體（新技術和普適計算）和 AUTONOMIK（中小企業(yè)的自主的、基于仿真的系統(tǒng)，autonomous, simulationbased systems for small and medium-sized enterprises）先驅項目中，它們在不同的應用場景中為新產(chǎn)品、服務和商業(yè)模式提供了重要的動力。

BMWi THESEUSR&D資金項目中還建立適用于互聯(lián)網(wǎng)應用和服務領域中的語義技術的重要發(fā)展。后續(xù)的工業(yè)4.0自治項目（AUTONOMICS for INDUSTRIE 4.0）已經(jīng)為公司和研究機構提供了4000萬歐元的可用資金，用以推進信息通信技術和工業(yè)生產(chǎn)的智能交互，而其中主要的工業(yè)生產(chǎn)領域包括面向未來的生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)邏輯，面向未來的高端產(chǎn)品（包括服務機器人），和面向未來的知識密集型電子服務。

CyPros（Cyber-Physical Production Systems，信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)）項目

CyPros（Cyber-Physical Production Systems，CPPS，信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)）研究項目發(fā)起于2012年，由威騰斯坦集團（Wittenstein AG）領導，包括來自科學和工業(yè)界的許多參與者，其目的是研究和開發(fā)用于工業(yè)生產(chǎn)和物流系統(tǒng)的一系列信息物理系統(tǒng)模塊。在這個為期三年的項目中，與基本參考架構一起，這些系統(tǒng)模塊將讓制造業(yè)實現(xiàn)生產(chǎn)力和靈活性的大幅增加，同時也將使德國成為這些系統(tǒng)的領先用戶和提供商。

信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（Cyber-physical production systems，CPPS）由智能機器、物流系統(tǒng)和生產(chǎn)設施組成，能夠為縱向一體化和網(wǎng)絡化制造實現(xiàn)基于信息通信技術的無與倫比的集成。通過引入信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS），不僅能使日益增加的競爭的復雜性得以控制，而且會導致制造企業(yè)的生產(chǎn)力和靈活性有可持續(xù)的、顯著的提高。由此產(chǎn)生的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)技術將讓德國作為國際生產(chǎn)區(qū)，由于提高了生產(chǎn)效率和靈活性而增加競爭力，同時，讓信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)作為適銷對路的產(chǎn)品推向市場，從而讓德國成為信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的領先供應商。

CyPros遵循三個獨立的目標階段：

為生產(chǎn)和物流系統(tǒng)開發(fā)參考體系架構和有代表性的一系列信息物理系統(tǒng)模塊。

為引入信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)提供普遍的做法、支持工具和平臺。

為信息物理生產(chǎn)網(wǎng)絡的商業(yè)運作，以及它們在展示工廠中的實際生產(chǎn)環(huán)境中的實施，提供技術和方法基礎。

RES-COM項目

RES-COM項目發(fā)起于2011年6月，由聯(lián)邦教育和研究部資助，處理在工業(yè)4.0情境下，通過高度互聯(lián)和集成的傳感器－執(zhí)行器系統(tǒng)而進行的資源自動保護問題。環(huán)境激活的資源效率原型方案正在實施。

RES-COM采用一種全新的核心技術，該技術基于具有嵌入式傳感器和執(zhí)行器的有源數(shù)字產(chǎn)品存儲和軟件服務代理。RES-COM項目由德國人工智能研究中心（German Research Center for Artificial Intelligence，DFKI）監(jiān)督，其合作伙伴包括SAP、西門子、IS Predict和7x4 Pharma。

德國發(fā)展工業(yè)4.0不僅具有其自身的工業(yè)傳統(tǒng)、創(chuàng)新優(yōu)勢以及技術優(yōu)勢，同時還有一系列的政策與方案支持。但是除此之外，機構的參與、公司的配合也必不可少。在下一篇中，我們將著重進行介紹。