德国的工业4.0发展趋势

    到底什么是“工业4.0”？“工业4.0”的最新发展及未来图景是什么？企业将何去何从？让我们听听德国专家的深入阐释。

    德国近几十年的就业和繁荣，主要依靠其工业领域的强大、依靠其畅销全球的产品。国际性集团公司与形形色色中小型企业之间的相互作用成为了重要的增长引擎，在其帮助下，加工制造业的就业水平数十年来始终保持稳定。制造业几乎占了德国出口总值的一半。该成果的取得主要应归功于充满活力的创新体系、极高的国民教育水平、产品的卓越品质和企业的高效生产率。此刻，德国模式已成为许多国家的效仿对象。这些国家，过去几十年主要着眼于服务业的发展，最近亦开始致力于其工业制造业的重建。

    如果不能居安思危，德国制造商们今日的繁荣可能很快就会被来自美国或亚洲（比如中国）的竞争者们迎头赶上，甚至超越。因此，他们必须每时每刻重新审视并捍卫已取得的竞争优势。这不仅意味着，相较竞争者而言，生产应该更高效、价格应该更优惠、品质应该更优异；更意味着，需要不断努力引进全新的生产工艺。同时，很多企业现在还面临着越来越复杂的价值创造的挑战，而价值创造的每一步骤已不再能以传统的供应链管理模式予以描述，它们已构成了复杂的关系网络，每个企业在这一网络中只能专注于某个专业领域。另外，市场越来越复杂多变，借助趋势研究这一重要的生产规划工具预见发展趋势的可能正逐渐减弱。所有这些均对生产控制提出了越来越严峻的挑战。

    作为“工业4.0”的重要组成部分，信息物理系统（CPS ）是构建生产流程和价值创造流程并应对其挑战的创新性解决方案，是未来尖端技术的代表，将主导所有重要的基础设施系统——从能量供应到交通监管直至对人口密集地区的管理等。CPS是机械和电子技术与信息技术和软件工程的结合体，可通过一种信息基础设施（比如互联网）进行联络，具有高度复杂性。CPS的组建通过各种有线或无线通信网络将嵌入式系统联网而构成。这一专业术语随着大型分布式复杂系统的研发需求应运而生——例如可及时满足生产需求的新型工业生产装置的设计。

    信息物理系统可应用的领域非常广泛，例如：高可靠性医疗设备和系统、适应年龄条件的辅助系统、交通控制系统和交通物流系统、联网的车辆安全系统和驾驶辅助系统、工业化流程控制及自动化系统、可持续的环境影响及监控系统、能源供应管理系统、军事化联网系统以及通信与文化基础设施系统等。

    在工业化生产中，信息物理系统能够大规模促进效率和生产力的提升，对德国生产商具有重要意义。

    在如今所谓的“第四次工业革命”（即“工业4.0”）框架下，物联网、数字化、传感器技术和机器人技术的地位越来越重要。从历史上看，这些其实是在过去的三次工业革命中发展起来的。第一次工业革命是建立在水力和蒸汽动力基础上的机械化。第二次工业革命则着眼于利用流水线以及电力能源实现规模生产（泰勒主义）。而第三次工业革命，即所谓的数字化革命，则使电子和信息技术（IT）在生产自动化中的应用成为了常态。

    未来的要求将只能在那些能通过CPS系统进行控制的生产体系中得到应用：比如能利用智能的传感器采集环境参数，并能由参与者对所收集的环境参数进行干预的系统。产品、机器和设备可在传感器的帮助下实现自我优化和再配置，并对变化的要求和运行条件做出反应。

    “工业4.0”最大的推动力在于其优势，比如更大的灵活性、优化的流程、个性化的产品、更快捷的新产品实现、更低的成本以及更佳的资源效率。为形象描述“工业4.0”的最新发展及其前景，精心挑选以下示例。

    “工业4.0”的未来图景:2025年的德国工业

    1.个性化生产

    下面将展示德国工业的最新发展趋势。2025年是研究假定的时间段，也是众多德国企业制订其中远期战略规划时的目标年度。根据目前的技术发展状态以及“工业4.0”的各组成部分的快速应用，可预见，德国工业中的许多行业分支将会进一步强化其结构转型。

    在2025年，德国的经济仍将快速发展，德国工业界的订单仍然饱满，德国在该年度有很大几率仍将保持其“世界出口冠军”的称号。良好的经济形势几乎在所有的行业中都能感受到，尤其是那些传统上效率非常高的中小企业（KMU）将进入一个长期的发展阶段。

    许多企业将受益于其在过去十多年间引入的、基于信息物理系统的、新型的、网络化的生产与制造技术。高昂的转型成本曾经是许多企业最初只部分地对其生产流程进行信息化和通信技术（IKT）改造的原因。许多企业并未对其设备进行一次性的网络化，而是分步骤进行。新科技首先被引入生产领域，并在其中迅速展现了提升效率的威力。另外一些企业先是通过对第三方供应商服务的生产流程进行网络化而最终走上智能联网的道路。这些企业的投资决策在战略上并未瞄准快速盈利，而是致力于长期提高其生产率。在2025年，它们将受益于在许多行业中通过工厂、设备和流程的网络化而带来的快速的反应能力、较低的废品率、较短的闲置时间以及高效的生产。

    生产的网络化是“工业4.0”概念下工业化的核心趋势，在其中可实现强化生产流程的标准化、利用规模效应（降低固定和可变成本）以及由此而产生的生产成本的降低——即使是面对持续增长的工资水平。尽管随着自动化水平的不断提升，生产商们已经从20世纪80年代起就越来越精确地将自己企业中的生产流程与其供应商相协调，但是至2025年，“工业4.0”的信息物理生产系统仍能将工业网络化水平提升好几个量级。与此同时，以前在标准化过程中的一种副作用——产品多样化水平的下降，将得到完全扭转。

    在20世纪末就已经在许多市场上形成了对个性化产品及其解决方案的需求——不仅限于消费型商品，也包括投资商品。从前，满足客户的个性化需求只可能在更高昂的生产成本的前提下实现，比如通过改变参数设置或通过对单个生产步骤的个性化的变更。而网络化的生产技术可以以较低的成本实现个性化生产。本质上，个性化的生产也是建立于大量具体生产步骤的小规模的标准化基础之上的。标准化可实现信息技术（IT）或计算机建模和生产流程的模块化，因而使得各流程模块可以更为灵活地彼此相组合。尽管并不能将相互作用的每一个方面均在计算机上进行演示，但是可模块化的流程在此期间已经得到了广泛的应用并将研发费用降低到了可接受的范围，使得几乎所有重要的工业行业均可利用这种方式。一度被视为是降低成本的万用灵丹的规模效应，失去了其意义。

    这就是“第四次工业革命”（工业4.0）的质的飞跃。

    举例 1: 分散式生产流程

    在此以一家中型的特种漆企业为例，展示该效果。该企业在2012年引入了个性化的油漆产品，并很早就发现了开发互联网作为新型销售渠道的可能性。其基本理念看似很简单：手工业者应能在公司网页上从大量的基本颜料中自己调制出所期望的色调。而所存储的数据应保证，在生产中能在任何时刻精确地再现该色调。各种在数量、颜料组分和所期望的基体材料方面区别很大的网上订单，将通过一台中央服务器搜集起来，然后由生产规划软件进行评估和分类，自动生成最佳的处理订单顺序，为每一项订单生成一个可嵌装在容器上的包含相关信息的无线芯片，直接与生产线上嵌入式系统通信。该芯片将通过与中央服务器不间断地交换最新流程信息接管后续的生产控制。生产流程控制可通过芯片识别其嵌装的容器。该容器被输送至相应的基本色调的填充站，并根据预先设定的混合比例进行颜料填充。这种由信息物理系统的应用所带来的生产灵活性，可使该公司有能力在同样的设备上极大地拓展油漆产品品种——日产量很大而且单件成本很低。从2012年起，该公司将该基本原理扩展至其他产品上，成功地在特种油漆市场上站稳脚跟。

    曾经在生产中占据绝对优势地位的逻辑关系，在分散化的生产控制中完全被颠覆了： 20年前，生产流程控制还是由集中式软件进行规划和控制的。生产主管必须将生产所需的各项参数输入该系统，再由该系统向各个设备发出相应的控制指令。这种集中式的系统不够灵活：例如，生产过程发生变化，则必须停止生产并重新设定程序，这将提升生产成本。到2025年，这些都将不再必要。坯件将通过预置的无线芯片自己决定该如何加工。通过互联网，生产系统将以较小的附加成本，满足来自客户的、往往是短期内出现的变更要求。

    举例 2:灵活的机器

    在金属加工行业，灵活的生产设备已经得到了广泛的应用，因而一家生产技术装备外壳的生产商因为其设备上的智能化的流程可极大减小所需生产场地的面积。在同样的设备上，可以对各类规格的金属或板材按照不同的方式进行加工、塑形、车、钻、磨削或涂漆等。坯件在一条生产线上可以按照正常的加工顺序被加工成完全不同的外壳。该生产线的控制是通过外接的、防热的、甚至在极端环境下亦能工作的无线芯片执行的。生产线既能进行传统的批量生产，也能在没有附加成本的基础上随时插入单件生产。利用CPS可实现各种机器工具的灵活管理：机器人可完成数百种不同的动作并在很短的时间内加载不同的工具。比如，一旦生产机器人识别出了外壳坯件上的无线信号，它就知道该在哪儿使用多大口径的钻头。它可以在大量的钻头中进行挑选，从而在短时间内对不同密度和硬度的金属按照需要进行顺序加工。同时，嵌入式系统将记录工具的磨损情况。生产主管在任何时刻都很清楚，他能在多长时间内利用该钻头进行同等质量的生产。各类坯件通过生产线的速度是彼此独立的：如果有必要，排程靠后的坯件可以快速通过生产线而超越其他工件，从而减少不必要的闲置时间。通过这种方式，生产将更加灵活且与安装人员的生产节奏相匹配。例如，某位员工工作延迟，设备会自动识别与原定计划的差异并作出相应的变更。

    分散化的生产控制、生产线上机器和工具的灵活应用，是因为工厂中的生产系统可以使用各种不同应用，并能在较短的时间内根据不同的订单和项目进行设定。因而，在同时生产多种产品的情况下，也不会出现停机现象，工厂中的各流程始终和谐流畅，背后是复杂的计算和协调能力的支撑，其精准的运行将是2025年的工业的最大成果。这是建立在企业的所有的管理和控制层面上的精准的网络化基础之上的：从前，客户订单必须付出昂贵代价转化为电子控制指令后发往机器；如今相关数据将自上而下自动传递。反之，来自生产的数据将被用于对生产流程进行监控，必要时对流程进行变更。根据这些生产变更的规模大小，必须由不同层面进行决策，直至上报管理层。企业所有层面的连贯衔接可节省大量时间。先进的软件解决方案可以对过程进行协调并将它们集成到用户友好的统一操作界面下。

    这种企业中所有与生产相关的流程的协调也适用于多个生产地点的情况：在物联网 (Internet of Things)中，不同厂区的机器和其它的生产资源彼此相连。即使某企业的工厂分布于全世界，在2025年的生产流程中，从生产方案到产品交付均将全面网络化。

    2.网络化企业

    精确的协调不仅在同一个企业内部的所有流程中可以实现，而且可以在参与价值创造的所有企业间实现。由于掌握了所有生产流程的最新数据，就可以更便捷精确地做出反应，即使遇到了本企业之外的、无法预估的情况时也能应付。比如，进货途中因堵车造成延误，运输集装箱中的无线芯片将接收来自交通控制中心的最新交通信息，并将之直接传输给生产控制中心，这样，负责生产规划的员工就可根据实时数据提前更改计划。在控制程序的帮助下，他可以调取所有订单状态并进行检查，看哪些订单可以提前。软件将提供多种备选方案，而生产负责人将从中挑选一个。延迟的进货到达后，可以按照原先的计划进入生产流程。这种扁平化生产流程联网技术拥有高度的灵活性和高效率。

    以前，占主导地位的主要是行业特征性的解决方案，而在2025年，协同主要是建立在跨行业的不同标准上的。网络化和与状态相关联的生产资源控制大大提高了生产设备的利用率，同时允许生产流程非常灵活地适应市场变化，可根据订单量迅速限制或扩大产能，对那些活跃于市场中、且其需求时而迅速萎缩、时而又迅速膨胀的行业，比如汽车制造业，非常有利。

    举例 3: 两个企业之间的流程网络化

    协调生产资源和业务流程也可以跨企业进行。前面提到的特种漆和外壳生产商已很好地利用了这一特点。两家企业内负责生产控制的小组负责对共同的生产流程进行精密协调。这样，通过两家企业间不间断的数据交换，供应特种油漆的供应商，总是当外壳生产企业中的灌装量液面水平低于某一限度时能及时供货。该液面水平是通过传感器收集的，并向一个跨企业的生产控制单元进行通报，而该生产控制单元则自动生成订货信息并及时组织相应的订货。通过这样的协同，两家企业可以从一开始就避免外壳生产的停顿。因此，外壳生产企业可降低其被处罚的风险。同样，由于后勤链的紧密协同，该企业只需保有很少的生产材料，从而节省了库存费用。生产的网络化使两家企业均可以个性化地对生产流程进行精密控制：油气生产设备可从油漆罐的无线芯片搜集该特种漆的最佳加工条件的技术信息，并与外壳坯件的最新的状态数据相协调。比如，一旦发现塑形时的温度与特种漆供应商所提供的油漆工作温度不相符，设备将自动停止上漆工艺并等待坯件温度降至符合要求范围。在此期间，其他工序可提前执行。以前，此类信息只能通过商品目录获得或从中央服务器中调取，并且还必须仔细地手动输入生产计划软件。现在这些将自动进行。

    作者简介：阿西姆-古托夫斯基教授（Kurzvita Prof. Dr. Achim Gutowski），1966年出生于德国，不来梅大学企业管理博士，不来梅大学国际经济管理研究所研究员，西门子、联合利华等公司高级管理人员，ISS国际管理学院教授，主要专业和研究方向为工业企业管理、创新及服务管理、国际管理、国际市场管理等。联合国教科文组织科学顾问，受联合国教科文组织委托经常来往于德国、中国、日本、印度、突尼斯、塞内加尔等国从事文化传播和交流活动。