德国制造业的未来对实施工业战略计划的建议执行方案.docx
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德国制造业的未来对实施工业战略计划的建议执行方案
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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）、全球显着的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XX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着变化。
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。
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IPv6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4.0（见图1）。
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：
学习的组织方式发生改变；因为人们的寿命越来越长，工作和健康的性质发生了改变；以及当地社会的基础设施也发生了变化。
这些变化将对德国的生产率产生重要影响。
通过优化技术与社会创新流程之间的关系，我们将为德国经济的竞争力和生产率的提高做出重要贡献。
将物和服务联网运用到制造业中
物和服务联网使创建涵盖整个制造流程的网络成为可能，该网络使普通工厂转变为智能工厂。
信息物理生产系统（cyber-physicalproductionsystems）由数字化的智能机器、仓储系统以及生产设施构成，该系统的特点是，能够实现基于ICT的端到端一体化——从入厂物流（inboundlogistics）到生产、营销、出货物流和服务。
这不仅允许更灵活地配置生产，而且还能利用差异化程度更高的管理和控制流程所带来的机遇。
因此，除了优化基于IT的现有流程外，工业4.0还将释放如下潜力：
在全球范围内对详细流程和总体影响的追踪差异化程度更高。
在此之前，这样的记录是不可能实现的。
工业4.0还包括业务合作伙伴（如，供应商和客户）之间以及雇员之间更加紧密的合作，这就为互利共赢创造了新机遇。
作为世界领先的装备制造供应国，德国在利用此次新型工业化潜力方面具有独一无二的优势。
德国的许多企业都在全球市场中占有领军地位，包括提供专业解决方案的无数“隐形冠军（hiddenchampion）企业”——在德国的中小型企业百强中，有22家是机械和设备制造商，其中有三家位居前十。
实际上，机械和设备制造业的许多领军人物都认为，他们的主要竞争对手来自德国国内。
除了汽车与化学品之外，机械和设备也是德国的主要出口产品之一。
此外，德国的机械和设备制造商有望在未来继续保持其领军地位。
60%的德国机械和设备制造商认为，未来五年他们的技术竞争优势将增强，而只有不到40%的企业希望保持现状。
虽然如此，制造工程业的全球竞争正越来越激烈。
而且，德国工业的威胁不仅来自亚洲的竞争对手——美国也已采取措施，通过推动“先进制造业”的多项计划来应对去工业化。
此外，制造业正变得越来越有活力，越来越复杂。
例如，激光烧结技术（lasersinteringtechnology）的进展意味着，而今有可能在几个小时之内“打印”出高品质的复杂三维结构。
这将引发全新的商业模式和服务，终端客户能够更紧密地参与其中——客户可以自行设计并且通过电子邮件提交给“复制店（copyshop）”，或者可以直接扫描物品并“复制”。
制造业的物和服务联网正款步走来：
从本质上来说，工业4.0将信息物理系统技术融入到制造和物流过程中，并在工业流程中使用物和服务联网。
这将对价值创造、商业模式、下游服务和工作组织产生影响。
“工业4.0为德国提供了一个机会，使德国可以进一步巩固其作为生产地、装备制造供应国和IT业务解决方案供应国的地位。
我们看到，德国的所有利益攸关方正在通过工业4.0这一平台密切协作，推动落实，这令我们备受鼓舞。
”
——孔翰宁教授、博士
德国国家科学与工程院（acatech）
产学研联盟通信促进小组（communicationpromotersgroup）发言人，工业4.0工作组联席主席
根据产业-科学研究联盟倡议，工业4.0平台的合作伙伴因此给自己设立了落实德国政府的战略计划的目标，以确保德国工业的竞争力。
工业4.0计划在以下方面有巨大潜力：
●满足个人的个性化要求
工业4.0允许在设计、配置（configuration）、订购、规划、制造和运营阶段纳入个性化的标准，并使将最后一分钟的变化纳入上述过程成为可能。
在工业4.0计划中，生产一次性产品以及生产的产品数量极低（批量大小为1）并且仍然能够盈利，这种情况是有可能的。
●灵活性
基于信息物理系统的特别网络（adhocnetworking）使动态配置业务流程的不同方面成为可能，例如质量、时间、风险、稳定性（robustness）、价格和环保性。
这促进了材料和供应链的持续“调整”。
这也意味着，工程流程可以更为灵活，制造流程可以改变，（由于供应问题）暂时性短缺可以得到弥补，并在短时间内可以实现产量的大幅提高。
●决策优化
要在全球市场上取得成功，正确决策（通常在很短的时间内）变得至关重要。
工业4.0具有实时的、端到端的透明度（end-to-endtransparency，就是在互联网协议（TCP／IP）的设计中，将互联网系统中与通信相关的部分（IP网络）与高层应用（端点）分离，最大限度地简化网络的设计，将尽可能多的复杂性和控制放在用户终端上。
——译者注），这就使工程领域的设计决策能够得到提早核实，并可以对过程中断进行更为灵活的应对，并且在生产领域实现一家企业的所有生产工厂的全球优化（globaloptimisation）。
●资源生产率和效率
工业制造流程的首要战略目标仍适用于工业4.0：
以特定量的资源实现最多的产品产量（资源生产率），以及使用尽可能少的资源生产出特定的产量（资源效率）。
信息物理系统使得在整个价值网络中的制造流程在个案基础上得以优化。
此外，在生产期间，系统可以无需停产持续优化资源和能源消耗或减少排放。
●通过新的服务创造价值机会
工业4.0开启了创造价值的新方式以及就业的新形式，例如，通过下游服务创造价值与工作岗位。
为了提供创新型服务，智能算法可以应用于智能设备记录下来的海量多元化数据（大数据）。
在工业4.0时代为中小企业和初创企业提供了发展B2B服务的巨大机遇。
●应对工厂的人口结构变化
结合工作组织和能力发展计划，人类与技术系统之间的交互协作（interactivecollaboration）将为企业提供将人口结构变化转变为优势的新方式。
面对熟练劳动力短缺以及劳动力队伍的多元化（在年龄、性别和文化背景方面的多元化），工业4.0将使职业道路更加灵活多样，这将让人们在更长的时间内得以继续高效工作。
●工作与生活的平衡
运用信息物理系统的企业的工作组织模式将更为灵活，这意味着，这些企业在满足员工日益增长的如下需求方面处于有利位置：
在工作与私人生活之间以及个人发展与持续职业发展之间实现更好的平衡。
例如，智能辅助系统将为以如下方式组织工作提供了新机会：
通过采用新的灵活性标准来满足企业和员工个人的需求。
随着劳动力队伍规模的缩小，这将使运用信息物理系统的公司在招募最优秀人才方面具备明显优势。
●仍然具有竞争力的高工资经济体
工业4.0的双重战略将使德国成为头号供应大国，并且成为工业4.0解决方案的主要市场。
然而，工业4.0给相关产业带来的并不仅仅是技术或IT方面的挑战。
不断变化的技术也将对组织产生深远的影响，为新的商业模式和企业模式的发展创造了机会，并促进员工提高敬业度。
20世纪80年代早期，德国成功地开展了第三次工业革命（“工业3.0”），通过将可编程逻辑控制器（PLC）整合到制造技术中，实现了更为灵活的自动化制造，与此同时，通过一种基于社会合作的方法成功地应对这种技术对劳动力的影响。
德国拥有强大的工业基础、成功的软件业以及语义技术（semantictechnology）方面的专有技术，这些都意味着德国在实施工业4.0方面处于极为有利的位置。
德国有可能克服当前种种阻碍，比如：
技术接受度问题、或劳动力市场中熟练劳动力有限的问题。
然而，只有所有利益攸关方通力合作，释放制造业的物和服务联网的潜力，才可能确保德国工业的未来。
自2006年以来，德国政府一直以高科技战略为指导来推动物和服务联网的发展，迄今已成功启动了若干技术计划。
目前，工业-科学研究联盟正通过工业4.0项目在跨行业层面推进该计划。
德国信息技术、通讯与新媒体协会（BITKOM）、德国机械及制造商协会（VDMA）、德国电子电气制造商协会（ZVEI）三个专业协会建立了工业4.0平台，下设一个秘书处，迈出了实施工业4.0项目合乎逻辑的下一步。
下一个任务将是为关键的优先发展主题设计研发路线图。
确保德国制造业的未来——这是工业4.0平台的合作伙伴为自己设立的目标。
工业4.0平台诚邀所有利益攸关方继续探索工业4.0带来的机遇，这样我们共同努力有助于确保这一革命性愿景的成功实施。
2愿景：
工业4.0是智能化、网络化世界的一部分
在“智能化、网络化的世界”中，所有关键领域都能感受到物和服务联网的存在。
这种变革会催生能源供应领域的智能电网、可持续的移动战略（智能交通、智能物流）以及医疗领域的智能健康（smarthealth）。
在制造业领域，人们认为，在由越来越多的智能产品与系统组成的整个价值网络中，纵向联网、端到端工程和横向整合将开启工业化的第四阶段——“工业4.0”。
工业4.0致力于生产智能产品、创建智能程序和流程。
智能工厂是工业4.0的一个主要特征。
智能工厂能够成功管理复杂性，不太易于受到干扰/破坏，并且能够更高效地生产商品。
在智能工厂中，人、机器和资源如在社交网络中那样自然地相互交流。
智能产品清楚其制造的过程细节以及目标用途。
智能产品主动为制造过程提供支持，并能够回答诸如“我何时被制造出来”、“对我进行加工应该使用哪些参数”、“我应该被传送到何处”等这样的问题。
智能产品与智能交通、智能物流和智能电网的交互，将使智能工厂成为未来智能基础设施的关键组成部分。
这将重塑传统价值链，并引发新商业模式的出现。
因此，不应该孤立地看待工业4.0，而应该将其视为需要采取行动的众多关键领域之一。
这样一来，应该以跨学科的方式、以与其他关键领域密切合作的方式来实施工业4.0（见图2）。
2.1打造工业4.0的愿景
实现工业4.0所需的范式转换是一个长期工程，也是一个渐进的过程。
在整个过程中，确保现有制造系统的价值被保留是关键。
与此同时，有必要提出从早期阶段起就可获益的迁移策略（migrationstrategy）（也见第三章和第五章第四节）。
尽管如此，一些个别行业可能出现飞跃式创新。
图2：
工业4.0与智能工厂（作为物和服务联网的组成部分）
图中InternetofServices=服务网，InternetofThings=物联网，SmartFactory=智能工厂，SmartMobility=智能交通，SmartLogistics=智能物流，SmartGrids=智能电网，SmartBuildings=智能建筑，SmartProduct=智能产品。
在生产及自动化工程和IT领域，横向一体化是指制造和业务规划流程不同阶段所使用的各种IT系统的一体化，这些流程包括企业内部（如，入厂物流、生产、出货物流、营销）及若干不同企业（价值网络）之间的原材料、能源和信息的交换。
横向一体化的目标是提供端到端的解决方案。
在生产及自动化工程和IT领域，纵向一体化是指不同层面（例如，执行器和传感器、控制、生产管理、制造和执行以及企业规划层面）使用的各种IT系统的一体化，目的是为了提供端到端的解决方案。
德国工业要想生存并繁荣起来，它需要在推动第四次工业革命方面发挥积极的作用。
这意味着有必要发挥德国产业界和学界（theGermanresearchcommunity）的传统优势：
●德国在机械和装备制造业方面的市场领导地位
●具有全球影响的IT竞争力
●嵌入式系统和自动化工程领域的领先创新者
●技能水平高且积极性高的劳动力
●距离供应商和客户较近，在某些情况下供应商与客户之间可以密切合作
●一流的研究和培训设施
实施工业4.0的目的在于充分发挥德国劳动力的技能、表现和专业技术，通过系统性的创新过程利用现有的技术和经济潜力，打造最优的整体一揽子计划。
工业4.0将致力于以下重要方面：
●整个价值网络的横向一体化
●整条价值链内工程的端到端数字一体化
●纵向一体化及网络化制造系统
第三章将在双重战略背景下对这些方面进行更为深入的探讨。
2.2工业4.0背景下的德国未来
工业4.0将提高工程、规划、制造、运营和物流过程中的灵活性和稳健性，同时将实施最高质量标准。
此举将催生动态、实时优化和自组织（self-organising）的价值链的出现，该价值链可以根据各种标准（如成本、可得性和资源消耗）进行优化。
这就要求建立一个适当的监管框架以及标准化的交互界面（interface）和统一的业务流程。
“物和服务联网为制造业创新创造了巨大的潜力。
倘若我们能够成功地将基于网络的服务融入到工业4.0中去，那么这一空间的增长潜力将无可估量。
”
——Dr.JohannesHelbig
德国邮政股份公司
产学研联盟通信促进小组成员
工业4.0愿景具有以下几个方面的特征：
●制造过程中所有参与者和资源之间的社交-技术互动将达到新高度。
这将围绕着制造资源网络（制造装备、机器人、传送和仓储系统、以及生产设施）展开，这些制造资源网络是自主运行的，能够自我控制以应对不同情况，具有自配置、以知识为基础、配备有传感器且空间上分散的特点。
此外，这些制造
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