工业4.0之父独家解读 |【重磅】还原工业4.0

    工业4.0的前世

    工业4.0源自德国对2008年金融危机的一个应激式反应，当时整个欧洲大陆都在寻找改善经济的机会。对于德国而言，一个重要的结论就是，德国必须形成更加柔性与灵活的生产链条，坚定不移地转向大规模定制以适应动态的外部环节。

    而整个世界正好能够感受和预见到数字转型对制造环境的巨大影响，这就是工业4.0扑面而来。前三次工业革命浪潮分别是机械化、电气化和IT技术。而现在是第二波数字化浪潮，大大拓展了人们感知、理解、执行和学习的能力，从而酝酿着第四次工业革命。

    德国工业4.0也是通过几个阶段而不断发展，可以分为四个阶段。德国国家科学和工程院（acatech）发展和完善了“工业4.0”这个概念。随后，科学界、工业界的联合体与政治家一起，向联邦政府建议在几个特定的领域培育数字化。

    图1 德国工业4.0平台的发展

    最终德国政府非常认同这个描述，并且将工业4.0从一个战略项目，最终确立为国家级的工业4.0平台（第二个工业4.0平台）。通过联合产学研政各家力量，协调各种国家战略，也与其他国家之间的战略对接，并形成专业的知识交换平台。

    工业4.0是一个德国提出来的概念，不同国家面临同样的数字化大潮可以采用不同的名字和内涵。因此，所有的国家都能够相互学习，但每一个国家都需要去发展适合自己经济结构和需求的概念。

    工业4.0的潜力

    工业4.0有着各种巨大的可能，比如，它可以使得单件生产成为可能，充分满足个别用户的定制需求。在工业4.0的世界，商业环境和工艺流程的动态结合，这使得即使在最后一刻需求发生变化的时候，生产仍然成为可能。与此同时，在整个供应链上，当个别供应商出现问题的时候，整个工厂仍然可以保持充分的柔性。

    而终端用户也呈现出连接的状态，其巨大的透明性，可以贯穿整个制造流程之中，这使得商业决策可以大大优化。这就会产生许多不同的价值和全新的商业模式——尤其对于中小企业和新创公司，它们很容易在全流程的价值服务中找到自己的位置。

    工业4.0还致力于解决资源短缺、能源效率低下、城市生产和人口变化所带来的挑战。由于工业4.0可以在整个价值链上优化资源效率，它可以充分考虑到人口变化和社会因素，从而形成有效的组织。而作为工业价值链上重要的一环——智能服务，作为相辅相成的补充概念，可以使得制造业的环节，更加广泛地向外延伸。

    未来世界的形式是CPS

    在未来，各种设备、库房和产线都以赛博物理系统CPS的形式出现，形成一个全球化的网络。

    在制造环境中，这些CPS系统包含了智能机器、自动化仓储、自适应产线等。它们自主交换信息，实现各自独立的自动执行和控制，使得生产、工艺、物料和供应链，可以在全生命周期内得到系统性地优化。

    根据德国国家科学和工程院（acatech）的定义，赛博物理系统CPS正在成为未来全球化网络世界的一部分。在这里，产品、设备和零部件都通过各种不同功能的嵌入式系统和软件，进行交互。借助于传感器强大的感知力量，这些系统可以处理物理世界产生的数据，并将其转化为基于网络的服务。反过来，这些数据将通过执行器反作用在物理系统上。通过这个CPS系统，物理实体与数字空间紧密结合，从而形成一个由物联网、数据中心和务联网所组成的世界。

    图2 物联网和务联网

    CPS可以看成是工业4.0的起点。在CPS的世界上，数字孪生（digital twins）可以被创建、执行和交互。数字孪生是实体系统、流程或者产品在CPS的数字映射，并且随着实际运行时间而逐渐发展。工业4.0中的所有对象，都包含一个资产管理壳，可以对应一个数字孪生。而当数字孪生发生变化时，潜在风险和缺陷就会被检测、识别，从而实现早期修复。此外，真实系统的实际运行规律，也会被进行虚拟化处理，实现预先检查，甚至整个生产流程都可以在基于云的物联网平台上进行模拟。许多企业先行的实践者，已经接受了这个概念并在项目中使用。

    实施工业4.0的两大法宝

    如何能够高度抽象地统一不同企业、组织的共同行动？这就是需要建立一个顶层框架。德国工业4.0的顶层设计，就是工业4.0参考框架RAMI。这是一个三维模型，它定义了“层、流、级”三个维度，分别是生产层（Layers）、生命周期价值流、系统层级（Levels）。而在每一个维度上，都有相应的技术指南和标准。

    根据相对应的虚拟数字映射和技术功能描述，与RAMI相呼应的还有一个重要的支撑概念：“管理壳”。 “管理壳”可以是一个或多个生产组件，但必须能够跟RAMI所定义的三个维度上的要素之一相呼应，并且需要满足相关技术标准。借助于管理壳，确定设备资产的数据、功能和安全需求就变得非常容易，无需重复定义，而且可以确保相互连接。因此，管理壳和RAMI都是实施工业4.0的重要保障。

    图3 管理壳的定义

    2017年10月20日在法兰克福开展的“管理壳日”是工业4.0平台走向工作标准化的一个重要步骤。

    此外，RAMI是国际间进行合作、形成相互映射的参考架构的基础。目前跟工业互联网联盟的架构IIRA已经开始合作，与其他国家如中国和日本也有交流合作。

    颠覆性的平台经济

    工业4.0与平台经济密切相关，最重要的关联点就是智能工厂。在智能工厂中，整个生产流程和供应链都是虚拟的，而且高度柔性化，最极端的批量为1件产品。而这些都是由单独的个人订单所驱动。在智能工厂可以广泛地生产智能产品，后者是高度互联的物理实体、设备和机器，从而产生大量的数据。通过有意义的分析、解读、连接和补充，这些数据可以重新定义，成为“智能数据”。