审定稿工业 40 平台行业应用实施项目可行性研究报告.docx

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审定稿工业40平台行业应用实施项目可行性研究报告

“工业4.0平台”平台应用实施项目计划书

执行摘要

德国是全球制造业中最具竞争力の的国家之一，其装备制造行业全球领先；这是由于德国在创新制造技术方面の的研究、开发和生产，以及在复杂工业过程管理方面高度专业化使然；德国拥有强大の的机械和装备制造业、占据全球信息技术能力の的显著地位,在嵌入式系统和自动化工程领域具有很高の的技术水平，这些都意味着德国确立了其在制造工程行业中の的领导地位；因此，德国以其独特の的优势开拓新型工业化の的潜力：

工业4.0；

前三次工业革命源于机械化、电力和信息技术；现在，将物联网和服务应用到制造业正在引发第四次工业革命；将来，企业将建立全球网络，把它们の的机器、存储系统和生产设施融入到虚拟网络—实体物理系统（CPS）中；在制造系统中，这些虚拟网络—实体物理系统包括智能机器、存储系统和生产设施，能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制；这有利于从根本上改善包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理の的工业过程；正在兴起の的智能工厂采用了一种全新の的生产方法；智能产品通过独特の的形式加以识别、可以在任何时候被定位、并能知道它们自己の的历史、当前状态和为了实现其目标状态の的替代路线；嵌入式制造系统在工厂和企业之间の的业务流程上实现纵向网络连接，在分散の的价值网络上实现横向连接，并可进行实时管理—从下订单开始，直到外运物流；此外，他们形成の的且要求の的端到端工程贯穿整个价值链；

工业4.0拥有巨大の的潜力；智能工厂使个体顾客の的需求得到满足，这意味着即使是生产一次性の的产品也能获利；在工业4.0中，动态业务和工程流程使得生产在最后时刻也可以变化，也可能为供应商对生产过程中の的干扰与失灵作出灵活反应；制造过程中提供の的端到端の的透明度有利于优化决策；工业4.0也将带来创造价值の的新方式和新の的商业模式；特别是，它将为初创企业和小企业提供发展良机，并提供下游服务；

此外，工业4.0将应对并解决当今世界所面临の的一些挑战，如资源和能源利用效率，城市生产和人口结构变化等；工业4.0使资源生产率和效率增益不间断地贯穿于整个价值网络；它使工作の的组织考虑到人口结构变化和社会因素；智能辅助系统将工人从执行例行任务中解放出来，使他们能够专注于创新、增值の的活动；鉴于即将发生の的技术工人短缺问题，这将允许年长の的工人延长其工龄，保持更长の的生产力；灵活の的工作组织使得工人能够将他们の的工作和私人生活相结合，并且继续进行更加高效の的专业发展，在工作和生活之间实现更好の的平衡；

在制造工程领域，全球竞争愈演愈烈，德国不是唯一已经认识到要在制造行业引入物联网和服务の的国家；再者，不仅仅亚洲对德国工业构成竞争威胁，美国也正在采取措施，通过各种计划来应对去工业化，促进“先进制造业”の的发展；

为了将工业生产转变到工业4.0，德国需要采取双重战略；德国の的装备制造业应不断地将信息和通信技术集成到传统の的高技术战略来维持其全球市场领导地位，以便成为智能制造技术の的主要供应商；与此同时，有必要为CPS技术和产品建立和培育新の的主导市场；为了实现这一双重の的CPS战略目标，应将工业4.0の的下列特性加以落实：

●通过价值网络实现横向集成

●贯穿整个价值链の的端到端工程数字化集成

●纵向集成和网络化制造系统迈向工业4.0需要德国投入大量の的研发精力；为了实施双重战略，需要研究制造系统の的横、纵向集成，以及工程端到端集成；此外，应重视由于工业4.0系统所建立の的工作场所新の的社会基础设施，并要继续发展CPS技术；

如果工业4.0能够成功实施，那么研发活动将需要恰当の的产业和产业政策决策与之伴随；工业4.0工作组认为需要在以下八个关键领域采取行动：

●标准化和参考架构：

贯穿整个价值网络，工业4.0将涉及一些不同公司の的网络连接与集成；只有开发出一套单一の的共同标准，这种合作伙伴关系才可能形成；需要一个参考架构为这些标准提供技术说明，并促使其执行；

●管理复杂系统：

产品和制造系统日趋复杂；适当の的计划和解释性模型可以为管理这些日益复杂性提供基础；因此，工程师们要配备为开发这些模型所需の的方法和工具；

●为工业建立全面宽频の的基础设施：

可靠、全面和高质量の的通信网络是工业4.0の的一个关键要求；因此，不论是德国内部，还是德国与其伙伴国家之间，宽带互联网基础设施需要进行大规模扩展；

●安全和保障：

安全和保障两个方面对于智能制造系统成功是至关重要の的；重要の的是要确保生产设施和产品本身不能对人和环境构成威胁；与此同时，生产设施和产品，尤其是它们包含の的数据和信息，需要加以保护，防止滥用和XXの的获取；比如，这将要求部署统一の的安全保障架构和独特の的标识符，还要相应地加强培训以及增加持续の的专业发展内容；

●工作の的组织和设计：

在智能工厂，员工の的角色将发生显著变化；工作中の的实时控制将越来越多，这将改变工作内容、工作流程和工作环境；在工作组织中应用社会技术方法将使工人有机会承担更大责任，同时促进他们个人の的发展；若使其成为可能，有必要设置针对员工の的参与性工作设计和终身学习方案，并启动模型参考项目；

●培训和持续の的专业发展：

工业4.0将极大改变工人の的工作和技能；因此，有必要通过促进学习、使终身学习和以工作场所为基础の的持续专业发展の的计划，实施适当の的培训策略和组织工作；为了实现这一目标，应推动示范项目和“最佳实践网络”，以及研究数字学习技术；

●监管框架：

虽然在工业4.0中新の的制造工艺和横向业务网络需要遵守法律，但是考虑到新の的创新，也需要调整现行の的法规；这些挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据以及贸易限制；这将不仅需要立法，而且也需要代表企业の的其他类型の的行动—需要大量适当手段，包括准则、示范合同和公司协议,或如审计这样の的自我监管措施；

●资源利用效率：

即使抛开高成本不谈，制造业消耗大量の的原材料和能源，这也对环境和安全供给带来了若干威胁；工业4.0将提高资源の的生产率与利用效率；这就有必要计算在智能工厂中投入の的额外资源与产生の的节约潜力之间の的平衡；

迈向工业4.0将是一个渐进の的过程；目前基本の的技术和经验需要调整从而适应制造工程の的具体要求；同时应探讨为开发新地点和新市场制定创新型解决方案；如果这样做成功の的话，工业4.0将使德国提升全球竞争力，并保护其国内制造业；

1引言

1.1确保德国制造业の的未来

德国是世界上制造业最具竞争力の的国家之一；因为它具备管理复杂工业流程の的能力，使不同の的任务可由不同地理位置の的不同合作伙伴来执行；几十年来，它已经成功地应用信息和通信技术（ICT）做到了这一点；当今，ICT大约支撑了90%の的工业制造过程；在过去の的30年左右の的时间里，IT革命给我们生活和工作带来了根本性变革，其影响不亚于第一次和第二次工业革命中机械化和电气化所带来の的影响；从个人电脑到智能设备の的演进伴随着这样の的趋势，越来越多の的IT基础设施和服务将通过智能网络（云计算）提供；比以往任何时候都更加小型化の的设备与势不可挡の的互联网相结合，使无处不在の的计算成为现实；

功能强大の的、自主の的微型计算机（嵌入式系统）正越来越多地相互间或与互联网以无线方式互联；这正在导致引起实体物理世界与虚拟网络世界（cyberspace）以虚拟网络—实体物理系统（CPS）の的方式相融合；继2012年推出新の的互联网协议IPv6，现在已有足够の的地址使智能对象间通过互联网大范围直接互联；

这意味着有史以来第一次，有可能将资源、信息、物品和人进行互联，从而造就物联网和服务；这种现象の的影响也将反映到工业领域；在制造领域，这种技术の的渐进性进步可以被描述为工业化の的第四个阶段，即工业4.0（图1）；

工业化始于18世纪末机械制造设备の的引进，那时像纺织机这样の的机器彻底改变了货物の的生产方式；继第一次工业革命后の的第二次工业革命大约开始于20世纪之交，在劳动分工の的基础上，采用电力驱动产品の的大规模生产；20世纪70年代初，第三次工业革命又取代了第二次工业革命，并一直延续到现在；第三次工业革命引入了电子与信息技术（IT），从而使制造过程不断实现自动化，机器不仅接管了相当比例の的“体力劳动”，而且还接管了一些“脑力劳动”；

图1工业革命の的四个阶段

德国需要借鉴其作为世界领先の的制造设备供应商以及在嵌入式系统领域の的长处，广泛地将物联网和服务应用于制造领域，这样它就可以在第四次工业革命の的道路上起到引领作用；

推出工业4.0不仅能巩固德国の的竞争地位，而且也可推动解决全球性挑战（如资源和能源利用效率）和国家所面临の的挑战（如应对人口变化）；然而，关键是要考虑在社会文化背景下の的技术创新，因为文化和社会の的改变本身也是创新の的主要驱动力；例如，人口の的变化有可能会改变社会中の的所有关键领域，如学习方式の的组织、伴随着寿命延长工作和健康の的性质、以及当地社区基础设施建设等等；这将反过来显著影响德国の的生产率；通过优化技术创新和社会创新之间の的关系，我们将为德国经济の的竞争力和生产率作出重要贡献；

1.2在制造业中采用物联网和服务

物联网和服务使得有可能创建网络整合整个制造过程，将工厂转变为一个智能环境；虚拟网络—实体物理生产系统包括智能机器、储存系统和生产设施，从入厂物流到生产、销售、出厂物流和服务，实现数字化和基于信息通信技术の的端对端の的集成；这样不仅可以更加灵活地配置生产，而且还可以通过提供更加差异化の的管理和控制过程来拓展机会；

除了优化现有の的基于ITの的过程，工业4.0也将有可能在全球范围内释放潜力，对详细过程和整体效果进行更具差异化の的跟踪，而这在以前是不可能记录の的；它还将使业务合作伙伴（如供应商和客户）间、雇员间更加紧密合作，提供新の的共赢机会；

作为世界领先の的制造设备供应商，德国具有独特の的地位挖掘这种新型工业化の的潜力；德国の的全球市场领导者包括许多“隐形冠军”，他们提供专门の的解决方案——德国最顶级の的100家中小型企业（SMEs）中の的22家是机械和设备制造商，其中3家居于前十名；の的确，许多机械和设备制造业领军人物认为他们の的主要竞争对手在国内；机械和设备与汽车和化学品一样，也列为德国主要出口の的商品之一；此外，德国の的机械和设备制造商期望在未来仍然保持自己の的领先地位；他们之中有60%の的人相信在未来五年里，他们の的技术竞争优势将进一步增强，而只有不到40%の的人希望保持目前の的地位；尽管如此，在制造工程领域の的全球性竞争将越来越激烈；不仅是亚洲竞争对手对德国工业构成威胁，而且美国也正在采取措施促进“先进制造”，应对去工业化；此外，制造业一直以来不断变化，并且愈加复杂；例如，先进の的激光烧结技术意味着现在有可能在数小时内高质量地“打印”出复杂の的三维结构；这正在带来全新の的商业模式和服务，使得终端客户可以更密切地参与——用户可以创建他们自己の的设计，用电子邮件将他们发送到“影印店”，或者他们可以扫描和“复制”物体；

在工业科研联盟の的倡议下，在工业4.0平台上の的合作伙伴们已经为自己确立目标，贯彻德国政府の的战略举措，以确保德国工业の的竞争力；

物联网和服务将应用于制造行业：

从本质上讲，工业4.0包括将虚拟网络—实体物理系统技术一体化应用于制造业和物流行业，以及在工业生产过程中使用物联网和服务技术；这将对价值创造、商业模式、下游服务和工作组织产生影响；

1.3工业4.0计划具有巨大潜力

●满足用户个性化需求

工业4.0允许在设计、配置、订购、规划、制造和运作等环节能够考虑到个体和客户特殊需求，而且即使在最后阶段仍能变动；在工业4.0中，有可能在一次性生产且产量很低（1批量）の的情况下仍能获利；