初探德国工业40的涵义及其对我国工业化的启发

工业4.0的涵义及对我国工业化的启发祝鹏哈尔滨工业大学人文与社会科学学院摘要：由德国人首次提出的工业4.0是以物联网为基础的先进生产系统，是目前工业化的高级形式。其本体构成要素是机器、计算机、互联网，其产业技术基础就是生产自动化、信息化和网络化，而保证其实现的技术基础就是大数据。这对如何加快我国产业升级和未来工业化发展具有重要的借鉴意义。关键词：工业4.0；大数据；物联网；工业化1.问题的提出2013年，中国制造业突破20万亿元，占全球装备制造业的比重超过1/3，稳居世界首位,成为世界第一大制造国。中国钢材产能达到9.51亿吨，水泥产量21.8亿吨，汽车产量1927.18万辆，煤炭产量36.6亿吨，手机产量11.8亿部，计算机产量3.5亿台，发电量49774亿千瓦时，彩电、洗衣机、空调、各类纺织品以及日用轻工业品等总产量在世界位居全球第一。这些数据似乎彰显着一个事实，中国的确是“世界工厂”。然而，虽然中国电脑产量世界第一，但2012年进口芯片约1650亿美元，超过了进口石油的1200亿美元。中国制造业规模已经达到世界第一，但竞争力远未达到世界水准。虽然有些高技术产品也贴上“中国制造”的标签，但我们所做的仅仅是完成生产和包装这一最后环节，赚取的是微薄的利润，而真正的核心技术我们很少掌握。我国的工业生产能力、研发能力、技术创新能力和经营管理水平距离欧美发达国家都有相当大的差距，现在的中国绝大多数的出口企业没有核心技术，不具备核心竞争力，工业化道路还有很长的路要走……这就不得不让我们思考这样的问题，我们应该如何理解当今作为“世界工厂”的中国？应该如何准确把握正在工业化的中国向何处去？深入认识这些问题都离不开我们对当今世界工业化发展的理解和把握。2011年在德国“汉诺威工业博览会”上，德国人工智能研究中心行政总裁沃尔夫冈·瓦尔斯特尔教授开幕式提出，通过物联网等媒介来推动第四次工业革命，提高制造业水平。这一概念一经提出，就引起了包括世界工业界、政界以及学术界的关注。对工业4.0的探讨，有助于我们对以上问题的认识，这就是我们选题的缘由。2．文献综述从整体上把握工业4.0的研究进路是研究工业4.0问题的基础工作。公开发表的期刊论文能够比较及时地反映工业4.0研究现状与前沿，其论文的数量与类型分布等方面也是综合评价研究现状的可靠依据，因此，本研究以万维网为检索工具，对以工业4.0为主题的期刊文献，对国内期刊论文进行了统计分析。截至到现在，关于工业4.0的文献收集到73篇。这73篇论文分布于14种刊物，其中对工业4.0的内涵理解及简介的文献有32篇，对工业4.0的实质问题进行分析的论文有23篇，对工业4.0下我国应扮演的角色的问题讨论有18篇。2.1对于工业4.0的一般认识工业4.0其实就是实现“智能工厂”。工信部国际经济技术合作中心电子商务研究所所长王喜文认为，工业4.0将在前三次工业革命的基础上进一步进化，基于信息物理系统实现新的制造方式。他认为信息物理系统是“通过传感网紧密连接现实世界，将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中，从而在生产制造过程中，与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析，形成可自律操作的智能生产系统。”[1]对于信息物理系统，宋慧欣教授解释道，信息物理系统的意义在于将物理设备联网，连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。信息物理系统本质上是一个具有控制属性的网络，但它又有别于现有的控制系统。信息物理系统把通信放在与计算和控制同等地位上，因为信息物理系统强调的分布式应用系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。[2]工业4.0之所以能够以这种形式在现代社会中产生，究其原因，复旦大学教授芮明杰认为，消费需求的个性化要求传统制造业突破现有的生产方式。[3]所以进行这些非标准化产品生产过程中产生的生产信息与数据也是大量的，需要及时收集处理和传递，这就诞生了现在的工业4.0。菲尼克斯电气中国研发公司董事长Bent教授认为：“工业4.0”战略的推出从根本上来说正是制造业发展的需要：“当前制造业面临着种种挑战，包括降低成本、提高效率及增加生产的灵活性的需求，而要实现这些，需要大量的新的技术，因此‘工业4.0’应运而生。”[4]2.2工业4.0的研究现状在对工业4.0的研究中，提及最多的关键词就是“智能化”。“工业4．0”的智能化将从两个方向展开，一是“智能工厂”，二是“智能生产”。常杉教授认为智能制造是一种由智能机器和人共同组成的人机一体化智能系统，能进行智能活动。通过人与智能机器的合作共事，部分地取代人在制造过程中的脑力劳动。[5]它把制造自动化的概念更新，扩展到智能化和高度集成化。“智能工厂”是一个大数据下的工厂，要实现每一个体单位的联动，就要将所有的数据进行汇总，这种合并后的数据被称作大数据。程其森认为，用于管理大数据的有效转换工具是WatchdogAgentTM。它可分为信号处理及特征提取，设备健康评估，设备性能预测和故障预测四部分。通过制造透明化，管理者可以得到正确的信息进而对设备进行全局性的评估，设备也就可以通过适时维护得到经济有效的管理。[6]有了大数据的覆盖，如何实现智能的联动是工业4.0的一个重要问题。陈智呈认为，信息规范和标准是智能联动的关键技术，信息规范是针对信息的分类和基本单元的结构所建立的一种规定。通过信息技术平台化的服务，从规范的数据库和元件库中获得信息智能化的处理支持。[7]随着工业信息化发展和装备智能化进程加速，关于工业4.0的管理也是值得关注的问题。李云志认为，基于工业4.0的特征模式和社会需求，需要在8个关键领域采取行动，即标准化体系框架，工业宽带的基础设施建设，针对复杂系统的管理，安全问题，业务流程设计，能力的持续提升，过程的监督和控制，资源转化的效率来构建标准、通用的管理架构。[8]3.工业4.0的技术基础及特征工业4.0是适应万物互联的发展趋势，它的核心是连接，要把设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户紧密地连接在一起。这一革命时代的重大技术基础是信息物理融合系统，即CPS。CPS系统将推动生产对象直接或借助互联网自主实现信息交换、运转和互相操控。[9]该模式将使工业流程得到极大的进步，同时也形成了新的工业化模式，即工业4.0。3.1工业4.0的内涵实质上，工业4.0并没有引进新的技术，它强调的是在工业生产过程，如何更有效地利用计算机与网络资源，使之与物理设备融合形成信息物理融合系统，从而建立一种高度协同的互联互通关系。在这样的关系下，设备可以独立自主地运作，互相交换信息，互相控制。工业4.0实际上是以智能制造为主导的革命性生产方法。旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统相结合的手段，将制造业向智能化转型。从本质上来说，工业4.0其实就是实现“智能工厂”，它将在前三次工业革命的基础上进一步进化，基于信息物理系统实现新的制造方式。3.2大数据和物联网为基础的工业4.0“工业4.0”想实现的是通过物联网、信息通讯技术与大数据分析，把不同设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部，甚至工厂之间都能成为一个整体，形成制造的智能化。大数据这个信息资产在工业4.0的时代起着最根本的作用，它是21世纪最重要的“原材料”之一，掌握和分析大数据也是实现智能化的根本前提。对大规模、非结构化数据进行及时处理和分析，让这种大规模数据为人所用，并且在很多工业领域中避免通过经验和历史得出信息，而是通过大数据的准确分析，使得企业具有更强的决策力和洞察发现力。同样在实现智能化生产方面，设备之间的数据交换和管理都是基于对大数据的准确分析。因此谁掌握了大数据，谁就在智能化领域中占得先机。基于物联网，可以实现联通现实世界与虚拟空间，把所有物品都实现数字化。而且现实世界与虚拟空间的界限越来越模糊，物联网正在快速发展并且在某些领域已经开始应用。物联网通过把所有的东西通过信息传感设备连接起来进行信息交换，以实现智能化识别和管理。3.3工业4.0的特征“连接”是工业4.0的一个重要特征，对于工厂来说，当指令经过信息物理系统时，纵向会经过零件和设备、设备和工厂、工厂与工厂或者零件与工厂等相互连接的流程，横向则连接了可以实时管理的衍生出来的体系，这两方面共同构建了嵌入式制造的系统网络。[10]对于整个物联网，工业4.0通过物理信息系统把设备、生产线、工厂、供应商、产品、服务及客户紧密地连接在一起，把每一个体部分从各自的领域中解放出来。实现“智能化生产”是工业4.0的特征。通过重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现，从而对于整个制造产业链产生颠覆性的变化。在未来的智能化生产中，每个产品都可以是一个智能终端，它可以在生产线上自行运转，零件与机器能够交互信息。因此可以满足消费者对于商品的个性化需求，从以往固定的生产模式中走出来。另外，制造业与物联网的融合也是其一大特征。物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，借助于互联网对信息进行交换，实现智能化管理。工业4.0可以想象为物联网从消费服务领域向工业生产领域的扩展。最终形成了定制需求、智能产品、智能工厂和智能物流的完整链条。3.4工业4.0的趋势首先，工业4.0将使工业生产过程更加灵活、坚强。将使动态的、适时优化的和自我组织的价值链成为现实，并带来例如成本、可利用性和资源消耗等不同标准的最优化选择。包括在制造领域的所有因素和资源间形成全新的循环网络、智能产品独特的可识别性、个性化产品定制以及高度灵活的工作环境等。其次，工业4.0将发展出全新的商业模式和合作模式。这些模式将力争确保潜在的商业利润在整个价值链所有利益相关人之间公平地共享，包括那些新进入的利益相关人。[11]再次，工业4.0将带来工作方式和环境的全新变化。全新的协作工作方式使得工作可以脱离工厂，通过虚拟的、移动的方式开展。员工将拥有高度的管理自主权，可以更加积极地投入和调节自己的工作。最后，工业4.0将促进形成全新的信息物理系统平台。全新的信息物理系统平台能够联系到所有参与的人员、物体和系统，提供安全可靠的服务和应用业务流程，支持移动终端设备和业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程等。4.工业4.0对我国工业化的启示我国在工业4.0的变革中应该扮演怎样的角色，我国工业化道路应该怎样适应国情，顺应时代是一个争议的焦点。对此，我认为中国面临的挑战还是很多。首先我国的传统制造业较发达国家仍有较大差距，工业4.0的时代要想真正发挥效益，对产品质量的要求要够高，我国对产品的国家标准太低导致了我们制造出一批低质量的产品，所以依靠国家法律法规提高产品标准是个迫切问题。[13]但如果只遵循传统的制造过程而不去发展大数据，中国的制造同样永远赶超不了。[12]其次，智能化是未来制造业发展的核心，如果不能在这轮变革中占有一席之地，中国制造业的成本优势将逐渐消失。[14]再次，我们还没有一个清晰的总体战略框架。所以我们应该联系工业4.0的概念，制定相关的战略。最后，我国制造业目前的状况发展不平衡，处在没有总体完成工业2.0和工业3.0就需要面对工业4.0形势。我国实施智能制造的路径在于把握趋势，结合国情，走工业2.0工业3.0和工业4.0并行发展的道路。[15]挑战与机遇往往是一个硬币的两面，发达国家“再工业化”也为我国实现工业化和制定正确的工业转型方向带来机遇。十八大报告中提出了推动信息化和工业化深度融合的要求，其实德国“工业4.0”战略与我国提出的两化深度融合有很多相通之处，工业4.0也将成新常态下我国工业的转型方向，工业4.0提出的一系列政策措施也值得我们借鉴。想要建设一个创新型国家，工业4.0计划必须依靠技术创新，技术创新发展的目标是促进经济增长，提高人民生活质量以及保障国家安全。发展智能化、推进工业化是大势所趋，是历史的必然。德国的工业4.0战略，可以说是对于先进制造业发展方向和升级路径的决策，目标明确、发展路径清晰，提升到了技术与产业革命的顶层战略规划，尽管我国提出两化深度融合，但战略设计、推进路线等方面的认知还没有达到一定的高度，所