0404确保德国制造业的未来——对实施“工业40”战略计划的建议35

确保德国制造业的未来——对实施“工业4.0”战略计划的建议执行摘要德国是世界上制造业最具竞争力的国家之一，其装备制造业居全球领先地位。这在很大程度上要归功于德国在创新制造技术的研究、开发和生产方面以及复杂工业流程管理方面的专业化。德国强大的机械和装备制造业（machineryandplantmanufacturingindustry）、全球显著的IT能力及其在嵌入式系统和自动化工程领域的专业技术，都意味着德国在成为制造工程业的领袖方面处于极其有利的位置。因此，德国在利用新型工业化——工业4.0（Industrie4.0）的潜力方面具有得天独厚的优势。前三次工业革命分别由机械化（mechanisation）、电气化（electricity）和IT化推动的。而今，将物和服务联网（InternetofThingsandServices）引入制造业正在开启第四次工业革命。未来，企业将建立如下全球网络：该网络将机器、仓储系统和生产设施以信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem，CPS）的形式整合在一起。在制造业中，信息物理系统由能够独立自动交换信息、触发行动及相互控制的智能机器、储存系统和生产设施组成。这将为制造、工程、物料使用以及供应链和生命周期管理所涉及的工业流程的根本改进提供便利。已经开始出现的智能工厂（smartfactories）采用了全新的生产方法。智能产品具有唯一标识，可以在任何时候被定位，并存储了有关自身历史状态、当前状态以及实现其目标状态的其他路径（alternativeroutes）的信息。嵌入式制造系统与工厂和企业内部的业务流程纵向互联，并与可以实时管理的分散价值网络——从发送订单一直到出货物流（outboundlogistics）——横向互联。此外，无论是纵向互联还是横向互联都要求并且能够实现整条价值链上的端到端工程（end-to-endengineering）。工业4.0拥有巨大潜力。智能工厂能够满足单个客户的要求，这意味着即便是一次性制造项目也有利可图。比方说，在工业4.0时代，动态的业务和工程程序（dynamicbusinessandengineeringprocess）使最后一分钟改变生产成为可能，并使供应商能够灵活应对干扰（disruptions）和故障（failures）。在制造过程中可以实现端到端的透明化（end-to-endtransparency），从而促进决策优化。工业4.0也将带来价值创造的新方式和新颖的业务模式。特别是，工业4.0将给初创企业和小型企业带来发展并提供下游服务的机会。此外，工业4.0将解决当今世界所面临的一些挑战，例如：资源和能源效率、城市生产（urbanproduction）和人口结构变化。工业4.0将持续提升整个价值网络中的资源生产率和效率。工业4.0以考虑人口结构变化和社会因素的方式来组织工作。智能辅助系统（smartassistancesystem）将工人从不得不完成日常工作中解放出来，让他们能够专注于有创新性的价值增值活动。考虑到技术工人短缺的迫切形势，智能辅助系统将延长年龄较大的工人的工作年限（workinglives），并更持久地保持其生产力。灵活的工作安排将使工人更有效率地将他们的工作、私人生活和持续职业发展结合起来，促进工作-生活更好的平衡。制造工程业的全球竞争正越来越激烈，德国并不是唯一一个认识到“将物和服务联网运用于制造业”趋势的国家。此外，给德国制造业带来威胁的不仅仅是来自亚洲的竞争对手——美国也已采取措施，通过促进“先进制造业”发展的计划来应对去工业化（deindustrialisation）。为了实现从工业生产到工业4.0的转变，德国需要采取双重战略（dualstrategy）。通过不断将信息和通信技术融入其传统高科技战略中，德国应该努力保持其装备制造业在全球市场中的领导地位，以便使德国成为智能制造技术的主要供应国。与此同时，德国将有必要为CPS技术和产品创造新的主要市场并为其提供服务。为了实现CPS的双重战略目标，德国工业4.0应具有以下特点：●整个价值网络的横向一体化（horizontalintegration）●整条价值链中工程的端到端数字一体化（digitalintegration）●纵向一体化（verticalintegration）与网络化的制造系统实现工业4.0要求德国在研发方面投入大量努力。为了实施双重战略，需要研究制造系统的横向一体化和纵向一体化以及工程的端到端一体化（integrationofengineering）。此外，还应关注工厂中新的社会基础设施——这些基础设施将因为工业4.0系统和CPS技术的持续发展而出现。若要成功实施工业4.0，那么在进行研发活动的同时还需要做出适当的工业决策和工业政策决策。工业4.0工作小组认为，需要在以下8个关键领域采取行动：●标准化和参考架构：工业4.0将涉及到通过价值网络对多个不同企业进行整合和联网。只有在制定一套单独的共同标准的情况下，这种协作伙伴关系（collaborativepartnership）才可能实现。要提供有关这些标准的技术说明并便利实施这些标准，我们需要制定参考架构（referencearchitecture）。●管理复杂的系统：产品和制造系统正变得越来越复杂。适当的规划和解释性模型（explanatorymodel）可以为管理与日俱增的复杂性提供依据。因此，工程师应当掌握开发这类模型所需的方法和工具。●全面的宽带基础设施：可靠、全面和高质量的通信网络是工业4.0的关键要求。因此，无论是在德国内部还是在德国与其伙伴国之间，宽带互联网基础设施都需要大规模地扩大。●安全与保障（safetyandsecurity）：安全与保障对于智能制造系统的成功都至关重要。重要的是，确保生产设施和产品本身不会对人或环境构成威胁。与此同时，需要保护生产设施和产品（尤其是其所包含的数据和信息）不会被滥用以及在未经授权的情况下被访问。这就需要，例如，有效利用一体化的安全与保障架构以及唯一标识符，以及对培训及持续的职业发展内容进行相关的改进。●工作组织与设计：在智能工厂中，员工的角色将发生显著变化。日益增加的实时控制（real-timeorientedcontrol）将改变工作内容、工作流程以及工作环境。运用社会-技术方法进行工作组织，将为工人提供如下机会：承担更大责任，促进个人发展。为使其成为可能，有必要采取参与性工作设计（participativeworkdesign）以及终身学习措施，并启动示范参考项目（modelreferenceproject）。●培训与持续职业发展：工业4.0将从根本上改变工人的就业与能力特征（competenceprofile）。因此，将有必要实施适当的培训策略，并以一种可以促进学习、并使终身学习和基于工作场所的持续职业发展（CPD）成为可能的方式来组织工作。为此，应该推进发展示范项目和“最佳实践网络（bestpracticenetworks）”，同时还应该研究数字化学习技术。●监管框架：一方面，在工业4.0中创建的新制造流程和横向业务网络（horizontalbusinessnetworks）需要遵守法律；另一方面，也需要对现有法律法规进行调整，以考虑新的创新成果。这方面所面临的挑战包括：企业数据的保护、责任问题、私人数据的处理以及交易限制。应对这些挑战不仅需要出台相应的法律法规，还需要采取符合企业利益的其他举措——合适的工具大量存在，包括指导原则、标准合同（modelcontract）和公司协议或自我监管计划（如审计）。●资源效率：且不说高额的成本，制造业消耗大量的原材料和能源也对环境和供应安全构成了很大威胁。工业4.0将使资源生产率和效率得到提升。有必要对智能工厂所需投入的额外资源与带来的资源的潜在节约之间进行权衡。工业4.0之路是一个渐进演化的过程。目前的基本技术和经验需要进行调整以满足制造工程发展的具体要求，同时必须探索针对新地点和新市场的创新解决方案。如果能够成功地做到这一点，那么工业4.0将会提升德国的全球竞争力，并使其国内制造业得到保护。1引言确保德国制造业的未来德国是全球制造业竞争力最强的国家之一。这要归功于德国管理复杂工业流程——即不同的合作伙伴在不同的地理位置开展不同工作——的能力。数十年来，德国不断将信息和通信技术成功地应用于复杂工业流程的管理——而今，已经有近90%的工业制造流程在信息和通信技术的支持下完成。在过去三十年左右的时间里，IT革命使我们的生活和工作环境发生了根本性改变，其影响堪比第一次工业革命的机械化和第二次工业革命的电气化1。在从个人计算机向智能设备发展的同时，还出现了另一种趋势：越来越多的IT基础设施和服务将通过智能网络（云计算）来提供。连同前所未有的微型化（miniaturisation）以及势不可挡的互联网发展进程一起，该趋势在普适计算（ubiquitouscomputing，即在日常用品中嵌入微处理器的发展趋势）正成为现实的世界中迎面走来。功能强大的、自主（autonomous）微型计算机（嵌入式系统）正日益通过无线网络彼此互联以及与互联网相连。这使物理世界（physicalworld）与虚拟世界（网络空间）以信息物理系统的形式相融合。在2012年推出新的互联网协议IPv62后，我们拥有了足够多的网络地址，能够通过互联网实现智能物体（smartobjects）的直接普遍联网。这意味着，如今有可能实现资源、信息、物体以及人的互联，乃至建立物和服务联网，这是有史以来第一次。工业也将感受到这种现象的影响。在制造业领域，这种技术变革可以被称为工业化的第四个阶段或工业4.03（见图1）。1“过去三十年间，持续的计算机革命改变了我们所生活的世界，这种改变可能比此前200年间的任何改变都更具颠覆意义。计算机革命还对就业产生了深彻影响，其影响的大小只有第一次工业革命能与之相提并论。”摘自Kornwachs,Klaus：《技术对就业的推动与替代——工程科学的一个挑战（(EnhancementandReplacementofJobsbyTechnology–achallengeforengineeringscience）》，见Kornwachs,Klaus：《技术创新的推力和动力（EnablersandDriversofTechnologicalInnovation）》（德国国家科学与工程院讨论），FraunhoferIRBVerlag,德国斯图加特大学2007，第177页。2发布于2012年夏，第六代互联网协议（IPv6）替代了此前的第四代互联网协议，IPv6使用128位IP地址（而非此前使用的32位IP地址），可用IP地址的数量从43亿增加至3400万亿亿（340sextillion）。3各国的工业4.0战略名称各不相同。其他名称包括“工业互联网（industrialinternet）”和“第三次工业革命”，详见第六章。图1：工业革命的四个阶段资料来源：DFKI，2011年工业化始于18世纪末机械制造设备的采用，当时纺织机等机器的问世彻底改变了商品的生产方式。继第一次工业革命后，大约在20世纪之交开始了第二次工业革命，这次工业革命实现了基于劳动分工的以电力为动力的大规模商品生产。接着发生了第三次工业革命。第三次工业革命始于20世纪70年代初，一直延续到现在。第三次工业革命利用电子和信息技术，实现了制造流程的进一步自动化，因为机器不仅取代了相当大部分“体力劳动”，而且还取代了一些“脑力劳动”。通过利用物和服务联网向制造业的渗透机遇，德国需要利用其作为世界领先的装备制造供应国及在嵌入式系统方面的优势，引领工业化的第四阶段之路。推出工业4.0计划不仅将提高德国的竞争力，还将找到应对全球挑战（如，资源和能源效率）和国内挑战（如，应对人口结构变化）的解决方案。然而，在社会文化背景4中考虑技术创新至关重要，因为文化和社会变革本身也是创新的主要动力。例如，人口结构变化可能使我们社会的所有关键方面都发生变革，例如：学习的组织