工业40的概念特征与愿景19P.docx
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工业40的概念特征与愿景19P
--摘自《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》
工业4.0
工业4.0（Industrie4.0）是德国政府《高技术战略2020》确定的十大未来项目之一，并已上升为国家战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。
工业4.0简介
“工业4.0”研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。
德国联邦政府投入达2亿欧元。
德国政府提出“工业4.0”战略，并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，其目的是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。
该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，弗劳恩霍夫协会将在其下属6－7个生产领域的研究所引入工业4.0概念，西门子公司已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统。
工业4.0内涵
“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。
在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。
创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。
德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。
该战略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（Cyber-PhysicalSystem）[2]相结合的手段，将制造业向智能化转型。
“工业4.0”项目主要分为两大主题，一是“智能工厂”，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；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。
该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。
工业4.0目标
德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一，在全球制造装备领域拥有领头羊的地位。
这在很大程度上源于德国专注于创新工业科技产品的科研和开发，以及对复杂工业过程的管理。
德国拥有强大的设备和车间制造工业，在世界信息技术领域拥有很高的能力水平，在嵌入式系统和自动化工程方面也有很专业的技术，这些因素共同奠定了德国在制造工程工业上的领军地位。
通过工业4.0战略的实施，将使德国成为新一代工业生产技术（即信息物理系统）的供应国和主导市场，会使德国在继续保持国内制造业发展的前提下再次提升它的全球竞争力。
发表时间：
2014/5/26佚名来源：
互联网
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工业4.0德国制造业
着个人电脑向智能设备演变，一种新的趋势开始显现：
越来越多的IT基础设施和服务通过智能网络（云计算）来提供。
伴随微型化和互联网的持续发展，这一趋势宣告了人们期盼的普适计算已成为现实。
德国的制造业是世界上最具竞争力的产业部门之一。
这归功于德国制造业能够管理复杂的工业生产过程，不同任务由位于不同地点的合作伙伴完成。
近二三十年来，德国制造业已成功地利用信息通信技术（ICT）实现对工业生产过程的管理——如今，大约90%的工业生产过程已应用ICT技术。
在过去三十年甚至更早以前，IT革命使我们生活和工作的世界发生了彻底改变，其影响力可媲美分别成就前两次工业革命的机械和电力。
随着个人电脑向智能设备演变，一种新的趋势开始显现：
越来越多的IT基础设施和服务通过智能网络（云计算）来提供。
伴随微型化和互联网的持续发展，这一趋势宣告了人们期盼的普适计算已成为现实。
通过无线，越来越多功能强大的、自主的微型电脑（嵌入式系统）实现了与其他微型电脑和互联网的互联。
这意味着物理世界和虚拟世界（网络空间）以信息-物理系统（CPS）的形式实现了融合。
新的互联网协议IPv6于2012年推出后，目前已经有足够多的IP地址可供智能设备通过互联网实现直接联网。
于是，网络资源、信息、物体和人之间能实现物联网及服务互联网。
这也将扩展至工业领域：
在制造业中，这种技术演化可以描述为“第四阶段的工业化”或“工业4.0”。
图1工业革命的四个阶段
18世纪工业化的进程，始于机械制造设备的出现。
那时候，纺织机一类的机器大大改变了生产产品的方式。
第一次工业革命之后，在劳动分工的基础上，20世纪的第二次工业革命实现了电力驱动的规模化生产。
之后，便是从20世纪70年代初直到现在的第三次工业革命。
第三次工业革命利用电子和信息技术（IT）提高了制造过程的自动化程度，机器取代了相当一大部分的“体力劳动”和一部分“脑力劳动”。
德国应充分利用其作为世界领先的制造设备供应商及在嵌入式系统领域的优势，通过利用物联网及服务互联网向制造领域扩展这一趋势，在向第四阶段工业化迈进的过程中先发制人。
工业4.0的部署不仅将增强德国的竞争地位，而且有助于应对全球挑战（如资源和能效）和国内挑战（如人口结构的变化）。
然而，在对技术创新进行考虑时，结合社会文化语境是至关重要的，因为文化和社会的变化同样也是在他们各自领域中创新的主要动力。
比如，人口结构的变化拥有改变我们社会所有关键领域的潜力，如组织学习的方式、工作的性质、健康（随着人们活的越来越长）和社区的基础设施。
这又将反过来对德国生产力造成显著的影响。
通过优化技术和社会创新过程的关系，我们能够为提升德国经济的竞争力和生产力做出重要贡献。
在制造业中利用物联网及服务互联网
物联网及服务互联网能够创造一个包含全部生产过程的网络，将工厂转变成为一个智能环境。
信息物理生产系统由智能机器、仓储系统、生产设备组成。
该生产系统是数字化的，基于ICT技术实现了端到端的整合——从运入物流到生产，再到营销、运出物流和服务（维修）。
信息物理生产系统不仅使生产能够得到更加灵活的配置，也能够充分利用差异化管理和流程控制所提供的机会。
除了优化现有基于IT的流程，工业4.0还将释放对具体流程和全球范围内整体效应进行更多差异化跟踪的潜力。
这些都是目前难以实现的。
工业4.0还将使商业伙伴（如供应商和客户）、员工之间的关系更加紧密，并提供更多互惠互利的新机遇。
作为世界领先的制造设备供应商，德国需要发掘新形式工业化的潜力，以与其独特的地位相匹配。
德国的全球市场领导者包括许多提供专业解决方案的“隐形冠军”（即小而强的公司）——德国前100名中小企业中有22家是机械和设备制造商，其中3家排名在前10位之内。
许多德国机械和设备制造领域的领军人物都认为，他们的主要竞争对手是国内厂商。
机械设备与汽车、化学品同为德国主要的出口产品之一。
此外，德国的机械和设备制造商都希望保持其在未来的领先地位：
60%的德国机械设备制造商都相信，他们的技术竞争优势在未来五年内会得到提高，只有不到40%的制造商希望维持当前的竞争地位。
然而，机械制造领域的全球竞争正在日趋激烈。
在亚洲同行日益威胁着德国制造商的同时，美国的对手也在采取措施，通过一系列方案对抗工业退化，大力推进“先进制造业”。
此外，制造业也在变得更加具有活力、也更加复杂。
比如，激光烧结技术的进步意味着目前在几小时内已经能够“打印”出高质量的、复杂的3D结构。
这引起了全新商业模型和服务的产生，终端消费者变得更为密切相关——消费者能够创造自己的设计，之后发送电子邮件到一家“复印店”，他们也可以让一些物品被扫描和“复印”。
“工业4.0”具有哪些核心特征？
--摘自《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》
发表时间：
2014/5/26佚名来源：
互联网
德国制造业是世界最具竞争力的制造业之一，尤其是装备制造业在全球处于领先地位。
这在很大程度上源于德国在创新性制造技术方面的研究、开发和生产，以及复杂工业过程管理的专业性。
德国拥有强大的机器和设备制造业，在信息技术领域表现出很高的水平和能力，在嵌入式系统和自动化工程方面也颇有建树，这些因素共同奠定了德国在制造工程行业中的领军地位。
因此，德国能以其得天独厚的优势开拓新型工业化的潜能：
工业4.0。
德国制造业是世界最具竞争力的制造业之一，尤其是装备制造业在全球处于领先地位。
这在很大程度上源于德国在创新性制造技术方面的研究、开发和生产，以及复杂工业过程管理的专业性。
德国拥有强大的机器和设备制造业，在信息技术领域表现出很高的水平和能力，在嵌入式系统和自动化工程方面也颇有建树，这些因素共同奠定了德国在制造工程行业中的领军地位。
因此，德国能以其得天独厚的优势开拓新型工业化的潜能：
工业4.0。
前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。
如今，将物联网及服务引入制造业正迎来第四次工业革命。
不久的将来，企业能以CPS（Cyber-PhysicalSystems，信息物理系统）的形式建立全球网络，整合其机器、仓储系统和生产设施。
在制造业领域，这些CPS包括能自主交换信息的智能机器、存储系统和生产设施，它们能独立运行和相互控制。
这有利于从根本上改善工业过程，包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理。
智能工厂现在似乎已开始采用一种全新的方式来生产产品。
智能产品有唯一的特征被识别，在任何时候都能被定位，我们知道它的发展历程，了解它当前状况，以及实现其目标状态的方式。
从通过出口物流下订单的那一刻起，纵向与工厂和公司业务流程联网，横向连接则可实时管理衍生价值体系，这二者共同构建了嵌入式制造系统。
此外，这些指令都要求启用终端间工程（模式）流经整个价值链。
工业4.0拥有巨大的潜力。
智能工厂让客户个性化的定制需求得以满足，这也意味着，即使产品只生产一次，也能通过颇具收益的方式制造出来。
在工业4.0中，以供应商为例，动态业务和工程流程能帮他们根据生产需要最终做出相应改变，并灵活应对生产中断和故障。
现在，制造过程中已经能够提供端到端的透明化，以促进决策优化。
工业4.0将会开发出创造价值的新方法和新的商业模式。
特别是，它将给初创公司和小企业的发展带来机会，下游服务也能从中受益。
此外，工业4.0将正视和解决某些当今世界面临的挑战，如资源能源利用效率、城镇化、人口结构变化等。
工业4.0能持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。
它能将人口结构变化和社会因素考虑在内，以适合的方式组织生产。
智能辅助系统让工人从单调、程序化的工作中解放出来，能把精力集中在创新和增值业务上。
鉴于熟练工短缺的问题，工业4.0允许老工人延长职业生涯，从而长久地保持生产力。
灵活的工作组织形式使工人们能够更好地整合自己的工作，私人生活和持续的职业生涯发展变得更有效率，在工作和生活之间找到了更好的平衡点。
制造工程领域的全球竞争变得愈加激烈，德国不是唯一一个认识到在制造业部署物联网及服务是大势所趋的国家。
而且，并非只有亚洲的竞争对手对德国工业造成威胁，美国也在采取措施，通过推进“高端制造业”计划反对“去工业化”。
为了实现工业生产向工业4.0的转变，德国需要采取双重策略。
德国装备制造业应寻求稳固在全球市场的领导地位，一如既往地把信息通信技术与其传统的高科技战略进行整合，使自己成为智能制造技术的主要供应商。
与此同时，还有必要为CPS技术和产品创建新的领先市场，并为之服务。
要实现上述CPS双重策略的目标，以下工业4.0的基本特征应该得到落实：
（1）通过价值网络实现横向集成
（2）工程端到端数字集成横跨整个价值链
（3）垂直集成和网络化的制造系统
这些特征是制造商在面对变幻莫测的市场能够取得稳固地位的重要因素，同时使它们的价值创造活动适应变化的市场需求。
双重物理网络系统战略中提到的特征将允许制造企业在高度动态的市场中达到快速的、准时的、无故障的生产。
通过价值网络进行横向整合
模型、设计以及通过价值网络的横向整合应该可以回答下面的问题：
物理网络系统如何支持企业的商务战略、新价值网络以及新商业模式？
这个问题同样适用于研究、开发和应用领域（图1）。
除了“商业模型”、“不同企业间的合作形式”，还有一些话题值得研究，比如“可持续性”、“技能保护”、“标准战略”，以及“中到长期训练和员工发展倡议”。
图1通过价值网络实现横向整合
横跨整个价值链的端对端工程
下面的关键问题是关于通过工程过程实现端对端数字整合，以达到产品整个价值链数字世界和真实世界的整合，同时满足客户的需求：
物理网络系统如何实现端对端的包括工程工作流的商业过程？
对于这一点，建模在管理越来越复杂的技术系统中起到了关键的作用（见5.2节）。
应该部署适当的信息技术系统，以便为整个价值链提供端对端的支持，从产品开发到制造系统工程、生产和服务（图2）。
需要一个涵盖不同技术领域的整体的工程方法系统。
为了实现这个目标，工程师们需要接受适当的培训。
图2横跨价值链的端对端工程
垂直整合与网络制造系统
就垂直整合来说，需要回答下面的问题：
物理网络系统如何创造灵活和可重构的制造系统？
垂直整合的地点是工厂。
在明天的智能工厂，制造结构将不是固定的和事先定义好的。
相反，一系列信息技术组合规则将被定义，这些信息技术组合规则可以被应用到不同的案例中，为不同情况自动形成特定的结构，包括模型、数据、通信和算法（图3）。
图3垂直整合与网络制造系统
为了完成垂直化整合，确保调节器和传感器信号在ERP不同层面的端对端的数字化整合非常重要。
开发模块化以及重新使用战略来完成点对点网络和制造系统重构，以及恰当的智能系统描述也很重要。
不仅如此，领班和操作者需要接受培训以便了解操作制造系统的方法所产生的影响。
“工业4.0”的愿景是怎样的？
发表时间：
2014/5/27佚名来源：
互联网
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工业4.0德国制造业
国工业4.0战略将更具灵活性，也更强劲，在工程、规划、制造、运营和物流流程中实施最高标准。
这将催生动态的、实时优化、自我组织的价值链，并可通过一系列标准（如成本、可用性和资源消耗）进行优化.这一价值链还需要适当的监管框架、标准化接口和统一的业务流程。
德国工业4.0战略将更具灵活性，也更强劲，在工程、规划、制造、运营和物流流程中实施最高标准。
这将催生动态的、实时优化、自我组织的价值链，并可通过一系列标准（如成本、可用性和资源消耗）进行优化.这一价值链还需要适当的监管框架、标准化接口和统一的业务流程。
以下是德国工业4.0战略的愿景：
（1）它的最大特点是制造业中所有参与者及资源的高度社会技术互动。
互动主要围绕制造资源网络（制造机械、机器人、输送机和仓储系统及生产设施）进行，这些网络独立自主，在不同情况下能自我管理，自我配置，还装备了传感器，分散安装，并融入了相关规划及管理系统。
作为这一愿景的关键组成部分，智能工厂将被纳入公司内部价值网络，它的特点是包括制造过程和制造产品的端对端工程，实现数字和物理世界的无缝衔接。
智能工厂将使不断复杂的制造流程便于管理，并能同时确保生产过程的吸引力、生产效益以及工厂在市区环境的可持续性发展。
（2）德国工业4.0战略中的智能产品可明确识别，并有可能随处可见。
即使还在生产环节，其自身制造流程的所有细节均可被控。
这意味着，在某些领域，智能产品可以控制各生产阶段，进行半自主生产。
此外，这还能确保成品了解自身发挥最优性能的参数，并辨别生命周期中发生磨损和毁坏的标记。
这些数据可集合使用，以便优化智能工厂的物流、布局、维护以及与业务管理应用程序的整合。
（3）德国工业4.0战略实施后，将有可能把个人客户和产品的独特特性融入到设计、配置、订购、计划、生产、运营和回收阶段。
它甚至可以在制造和运营之前最后一分钟或进行中提出改变的请求，这将使生产一件定制产品和小批量产品也能产生利润。
（4）德国工业4.0战略的实施，将使员工能根据具体情况进行控制、监管和配置智能制造资源网络和制造步骤。
员工再也无需完成例行任务，他们可以更多地关注创新和具有附加值的活动。
因此，他们在确保产品质量方面将起到关键作用。
同时，灵活的工作条件也将他们的工作和个人需求更好地结合起来。
（5）德国工业4.0战略的实施，需要进一步扩展相关的网络基础设施，并通过服务水平协议进一步规范网络服务质量。
这将有望满足大流量数据应用程序和服务供应商的高带宽需求，以保证关键应用程序的运行时间。
工业4.0生态系统：
人、机、软件
发表时间：
2014/5/25PSI来源：
PSI
关键字：
工业4.0生态系统PSI
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第四次工业革命—工业4.0—是德国和欧洲生产模式变革的产物。
它的首要目标是确保德国和欧洲工业在全球供应链竞争中保持领先，不再指单独的企业或集团在全球竞争中赢得客户，企业生产流程中的实力将决定其全球市场竞争的成败。
工业4.0是为整个社会提出的一个未来理念
第四次工业革命—工业4.0—是德国和欧洲生产模式变革的产物。
它的首要目标是确保德国和欧洲工业在全球供应链竞争中保持领先，不再指单独的企业或集团在全球竞争中赢得客户，企业生产流程中的实力将决定其全球市场竞争的成败。
越来越个性化的客户需求带来生产的多样性，一个批次只生产一种产品的情况也非常频繁。
这对企业生产流程产生了深刻的影响，要求企业不仅横向集成生产流程，还要纵向集成到自动化控制层，这样才能更好的管理生产流程的新变化。
为了能经济地管控这种生产的多样性，企业生产需要特别的灵活才能应对。
只有通过设置更小的生产单元，或者与不同企业开展合资、合作的方式才能实现。
社会大趋势
需求的全球化与生产全球化在同步进行，当占领国外市场时“本土化”就起着越来越重要的作用。
为了应对由此带来的生产控制和企业管理的挑战，需要对所有的生产基地以及创造价值的合作伙伴进行高效的互联互通。
对不同企业间的互联以及不同软件系统之间的通信仅仅是当今面临的巨大挑战之一。
除了技术本身外，参与生产流程当中的人员之间的内部文化协同也是一个挑战。
在设计生产工艺架构时要把人口迁徙的新思路也考虑进来，对于模式陈旧同时人员潜能退化的公司，除了需要提高生产自动化程度，还要改变生产流程之间的联动方式。
这种联动性以用户为本，必须考虑与现有工作的关联。
这也意味着根据生产要求需从大量信息中筛选并展示出相关的重要信息。
新的生产联动除了有效的工具外，还要有受过培训的相应人员参与其中。
价值观的转变让人们在规划生活时开始关注全新的或其它不一样的影响因素，与过去相比，社会和经济的可持续发展变得更加重要。
智能工厂
生产系统是由信息物理系统（CPS）构成的。
CPS的一个基本特征便是在使用互联网标准的情况下以先进的方式对生产系统联网。
不仅是设备与设备之间的通信，工件与生产技术之间的通信也不断增加。
物料和工件在物联网中有识别号来实现通信。
分散式组织型生产单元具有无可比拟的灵活性，工件和生产技术在智能工厂中的互联互通能够灵活的且基于实际应用来重新配置生产系统。
在物联网中可以看见并获取这些生产系统的资源和能力（把生产作为一种能力）。
智能工厂理念中关键的成功因素是产品和生产系统的集成开发。
这意味着，在企业内部把从产品开发流程到相应生产技术开发的跨学科结合必须提升至一个新的高度。
灵活的生产系统要求同样灵活的软件系统，从而计划、模拟和控制生产流程（网络服务）。
如今的集中式系统方案将被不断发展的CPS的智能化和高度透明的分散式系统所替代。
大数据
高度透明的生产管理系统利用传感器采集的大量数据对实际生产状况进行评估，在考虑现有生产的情况时必须整理好获取的数据和信息，并针对性的控制当前的生产参数。
这里并不仅仅指建立一个报表系统和类似“事后分析”生产状况评估。
采集的数据（大数据）控制着生产流程并实现实时故障排除。
社会4.0
“工业4.0”必须理解为以社会为一个整体的未来方案，即“社会4.0”，人们也许比以往任何时候都更加处于中心位置。
一些特定职位描述会有一定程度的改变，或完全被变革掉。
产品生产的多样化在不断增加，同时又要缩短供货周期，减少专职人员，这对许多企业而言是一项大的挑战。
还有重要的一点，未来的城市化生产将更接近人们的居住地。
这对生产的供应和处理就会要求不同的物流方案。
不忽视人的需求，事实上现在企业是完全相反的—而未来在进行企业计划时必须更多考虑人的需求。
“工业4.0”生态系统不仅包括“智能工厂”还有带有控制生产内存的智能产品，要求人们完成高质量的，有创造性的工作并平衡好工作和生活将是一个难题，因此人们可以尽可能灵活的控制好未来的生产系统。
工业4.0的8大关键
--摘自《保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议》
业4.0得以成功实现，研发活动将需要与之适应的工业政策的支持。
工业4.0工作组认为，需要在以下8个关键领域采取行动。
若工业4.0得以成功实现，研发活动将需要与之适应的工业政策的支持。
工业4.0工作组认为，需要在以下8个关键领域采取行动：
（1）标准化和参考架构:
工业4.0会涉及联网，并通过价值网络集成几家不同的公司。
如果开发出一揽子共同标准，这种合作伙伴关系将成为可能。
由此，需要一个参考架构来描述这些标准，并促进它们的实现。
（2）复杂系统的管理:
生产和制造系统正日益变得复杂，适当的计划和解释性模型能为管理这些复杂的系统打下基础。
因此，工程师们应该备有开发出这些模型的方法和工具。
（3）一套综合的工业宽带基础设施:
毋庸置疑，高质量的综合通讯网络是工业4.0的关键要求。
无论是在德国国内，还是在德国与其他伙伴国之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步大规模拓展。
（4）安全和安保:
安全和安保对智能制造系统的成功至关重要。
确保生产设施和产品本身对人或者环境不造成任何危险，这点非常重要。
同时，生产设施和产品，尤其是它们所包含的数据和信息，都需要加以保护，防止被滥用和XX的访问
（5）工作的组织和设计:
在智能工厂，雇员的角色将发生引人注目的改变。
越来越多的实时导向的控制，将改变工作内容、工作流程和工作环境。
工作组织以一种社会-技术方法实现，将为员工提供承担重大责任和促进个人发展的机会。
这一旦成为现实，部署合作的工作设计、终身学习的措施，以及启动参考模型课题将变得尤为重要。
（6）培训和持续的职业发展:
工业4.0将从根本上改变人们的工作和专业能力。
实施适当的培训策略并以培养学习的方式组织工作因此变得尤为必要，可借此实现终身学习和基于工作地点的个人发展。
为达成这一目标，示范项目和“最佳实践网络”应该推广，数字化学习技术也应投入研究。
（7）监管框架:
在工业4.0下建立新的制造流程和横向业务网络架构时，必须遵守法律；而现有法律也同样应在需要时，考虑到创新的影响进行调整。
面临的挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据和贸易限制。
这将不仅对立法，也对其他有商业性质的活动提出了要求——制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在，其内容包括指导方针、合同范本和公司集体协议，或者自我监管的举措如审计。
（8）资源效率:
撇开成本高不说，仅制造业在原材料和能源上的大量消耗就给环境和安全供应带来诸多风险。
工业4.0将带来资源生产力和效率的提高。
对企业来说，权衡“需要投资在智能工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊非常必要。
通向工业4.0，将是一个渐进的过程。
为了适应制造工程的特殊需求，现有的基本技术和经验必须
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