什么是工業4.0

1.工業4.0概述

工業4.0是德國政府提出的一個高科技戰略計劃，是指利用物聯信息系統（Cyber Physical System 簡稱 CPS）將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到有效、快速、個性化的產品供應。該項目由德國聯邦教育局及研究部和聯邦經濟技術部聯合資助，投資預計達2億歐元。旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴，其技術基礎是網絡實體系統及物聯網。

工業4.0在德國被認為是第四次工業革命，最早在2011年提出。工業4.0標準建立，確定事項、數據、流程三個緯度標準化，從實體性質到工作流程，由使用流程實現生產，服務及回收。工業4.0是個漸進過程，目前雖廣泛運用，但離工業4.0愿景還有差距，尤其是中小企業。但一些大企業運用大數據實現設計，生產和檢查，維修等。監控設備運行情況，數據的采集，加工和處理。大眾在中國六個生產基地，德國五個基地，相互可以數據交換，通過生產過程數據分析比較可以預測生產情況。比如，工業4.0在交通指揮上的應用。出現交通堵塞時，每個車通過GPS系統計算每個車的速度，就可以計算不同的路徑，指揮交通系統。更進一步，無人駕駛車輛通過這套系統車與中心，與車相互交流數據，目前在德國企業內部已經實現。2017年汽車氣囊打開就實現上傳汽車位置實現救護。在生產廣場設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4.0運用到生活領域，機器人做手術非常精準，已經在醫療行業運用。

工業4.0的發展要素包括4個方面。一是標準化要素。工廠要對內外各種物品與服務進行聯網，那么，通信方式、數據格式等許多內容都需要標準化。標準先行是“工業4.0”戰略的突出特點。為了保障“工業4.0”順利實施，德國將標準化排在行動首位，成立一個工作組，專門處理標準化和參考架構方面的問題。2013年12月，德國電氣電子和信息技術協會發布了“工業4.0”標準化路線圖。此外，跨學科、跨領域是制造業高技術發展的顯著特點。隨著制造業技術不斷發展，各種高新技術以前所未有的廣度和深度滲透到制造業的各個環節中，使制造業的產品生產過程和管理方式都發生了深刻，甚至是革命性的變化，催生了一大批新興高技術制造業出現。在這個不斷融入、集成的復雜系統化過程中，亟需標準化的約束和引導。二是復雜的系統管理要素。德國認為，邁向“工業4.0”的道路上，生產過程與各種業務管理系統協同之后，系統整體會更加復雜化，對其進行管理將更為困難。為此，需要實現“制造系統的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。橫向集成主要解決企業和企業之間復雜系統管理，實現信息無縫的交流；縱向集成主要解決企業內部的復雜系統管理，在企業的研發、設計、制造、驗證、物流、交互各環節，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集成的復雜系統管理問題，以保障大規模個性化定制的實施。三是通信基礎設施建設要素。德國“工業4.0”的本質就是基于信息物理系統（CPS）實現“智能工廠”，讓制造業的各個環節充分地與互聯網融合，形成工業互聯網。而實現工業互聯網就需要適用于工業的、具有高可靠性的通信基礎設施建設作為基本保障。此外，隨著工業互聯網的形成，也必然會出現工業大數據。工業大數據的采集、傳輸、交互和共享，必然要求建立容量、帶寬、存儲與數據處理能力更強大的基礎實施。而當前的網絡基礎設施恐怕難以滿足“工業4.0”時代的要求。因此，構建容量更大、服務質量更可靠的工業通信基礎設施，將成為未來制造業迫切需要解決的一項課題。四是網絡安全保障要素。工廠與外界實現聯網之后，惡意軟件入侵、網絡受到攻擊的危險性會有所提升，這就需要制定保障網絡安全的對策與解決方案。隨著“工業4.0”時代的到來，人力、物料、生產設備、各種生產管理系統以及價值鏈上的眾多協同企業都將互聯，隨之而來的是網絡安全問題的隱憂，這就迫切需要建立一套完善的工業互聯網信息安全認證體系，此外在認證制度的設計和標準規范的研究與設計方面，還需要大量的經驗積累。

2.工業4.0戰略指導下的產品設計思維

設計思維是以人為中心的創新思維，強調觀察、協作、快速學習、想法視覺化、概念原型化,并讓消費者、設計者和商業人士參與到統一的產品、服務和商業體驗流程中，形成綜合思維，對產品、流程、服務等進行全方位的設計。傳統的產品設計開發是以產品為中心，強調產品的外觀使用等特點，在工業4.0戰略指導下，設計思維主要集中在強調用戶體驗。以用戶為中心的設計和體驗設計是指設計一種產品或一種服務的方案，這種產品或方案把客戶放在整個設計工作環節的中心，其基礎是確定產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，碰撞產生好的新創意；二是利用積累起來的技術和藝術設計優勢，融入文化內涵，得到好的新設計；三是利用數字化設計和快速成型技術，迅速將新設計轉化為新產品；四是從新產品設計升華為以人為本，改善生活，優化環境的服務系統設計。

3.工業4.0帶來的機遇與挑戰

一是機遇。作為新一輪的工業革命，工業4.0時代跟前三次工業革命不同的地方是網絡化，由于在生產制造核心價值創造環節大量采用了網絡化技術，原有的價值創造體系將發生革命性的改變，從而促使整個社會技術體系產生變革，這是第四次工業革命存在的證據和理由。

工業界是這一革命的一線陣地。隨著機器人、電子技術及人工智能所實現的跨越式進步，工業生產正大踏步地進入自動化時代。這就是工業4.0時代。從未來制造業發展的趨勢來講，利用CPS 技術，把物理世界虛擬化，是降低創新成本的最佳途徑。例如，傳統汽車的制造過程需要先設計出圖紙，制作出模型汽車，然后用模型汽車進行碰撞等試驗，檢驗設計的效果，這樣的流程花費的成本比較高，但利用CPS技術，新設計的汽車可以在模擬的測試環境中進行多次試驗，而不用擔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4.0戰略對《中國工業2025戰略》有重要的借鑒意義。在我國經濟新常態的背景下，以3D打印、機器人等新興技術為核心的智能制造將在傳統產業的轉型升級和結構性調整中扮演重要角色，要盡早布局，搶抓產業發展的制高點，才能在下一輪經濟發展中掌握主動權。

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