工业 40 平台行业应用实施项目可行性研究报告文档格式.docx

1、 通过价值网络实现横向集成 贯穿整个价值链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需要德国投入大量研发精力.为了实施双重战略，需要研究制造系统横、纵向集成，以及工程端到端集成.此外，应重视由于工业4.0系统所建立工作场所新社会基础设施，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网络连接与集成.只有开发出一套单一共同标准，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

2、执行. 管理复杂系统：产品和制造系统日趋复杂.适当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方法和工具. 为工业建立全面宽频基础设施：可靠、全面和高质量通信网络是工业4.0一个关键要求.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.重要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，尤其是它们包含数据和信息，需要加以保护，防止滥用和XX获取.比如，这将要求部署统一安全保障架构和独特标识符，还要相应地加强培训以及增加持续

3、专业发展内容. 工作组织和设计：在智能工厂，员工角色将发生显著变化.工作中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，同时促进他们个人发展.若使其成为可能，有必要设置针对员工参与性工作设计和终身学习方案，并启动模型参考项目. 培训和持续专业发展：工业 4.0 将极大改变工人工作和技能.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持续专业发展计划，实施适当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 中新制造工艺和横向业务网络需要遵守法律

4、，但是考虑到新创新，也需要调整现行法规.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其他类型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将提高资源生产率与利用效率.这就有必要计算在智能工厂中投入额外资源与产生节约潜力之间平衡.迈向工业4.0将是一个渐进过程.目前基本技术和经验需要调整从而适应制造工程具体要求；同时应探讨为开发新地点和新市场制定创新型解决方案.如果这样做成功话，工业4.0将使德国提升全

5、球竞争力，并保护其国内制造业.1 引言1.1 确保德国制造业未来德国是世界上制造业最具竞争力国家之一.因为它具备管理复杂工业流程能力，使不同任务可由不同地理位置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%工业制造过程.在过去30年左右时间里，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影响.从个人电脑到智能设备演进伴随着这样趋势，越来越多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设备与势不可挡互联网相结合，使无处不在计算成为现实.功能强大、自

6、主微型计算机（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）方式相融合.继 2012 年推出新互联网协议 IPv6，现在已有足够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.这种现象影响也将反映到工业领域.在制造领域，这种技术渐进性进步可以被描述为工业化第四个阶段，即工业4.0（图1）.工业化始于18世纪末机械制造设备引进，那时像纺织机这样机器彻底改变了货物生产方式.继第一次工业革命后第二次工业革命大约开始于2

7、0世纪之交，在劳动分工基础上，采用电力驱动产品大规模生产.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“体力劳动”，而且还接管了一些“脑力劳动”.图1 工业革命四个阶段德国需要借鉴其作为世界领先制造设备供应商以及在嵌入式系统领域长处，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道路上起到引领作用.推出工业4.0不仅能巩固德国竞争地位，而且也可推动解决全球性挑战（如资源和能源利用效率）和国家所面临挑战（如应对人口变化）.然而，关键是要考虑在社会文化背

8、景下技术创新，因为文化和社会改变本身也是创新主要驱动力.例如，人口变化有可能会改变社会中所有关键领域，如学习方式组织、伴随着寿命延长工作和健康性质、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生产率.通过优化技术创新和社会创新之间关系，我们将为德国经济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端对端集成.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管理和

9、控制过程来拓展机会.除了优化现有基于IT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跟踪，而这在以前是不可能记录.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，提供新共赢机会.作为世界领先制造设备供应商，德国具有独特地位挖掘这种新型工业化潜力.德国全球市场领导者包括许多“隐形冠军”，他们提供专门解决方案德国最顶级100家中小型企业（SMEs）中22家是机械和设备制造商，其中3家居于前十名.确，许多机械和设备制造业领军人物认为他们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商品之一.此外，德国机械和设备制造商期望在未来

10、仍然保持自己领先地位.他们之中有60%人相信在未来五年里，他们技术竞争优势将进一步增强，而只有不到40%人希望保持目前地位.尽管如此，在制造工程领域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”出复杂三维结构.这正在带来全新商业模式和服务，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.在工业科研联盟倡议下，在工业4.0平台上合作伙伴们已经为自己确

11、立目标，贯彻德国政府战略举措，以确保德国工业竞争力.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）情况下仍能获利. 灵活性基于CPS自组织网络可以根据业务过程不同方面，如质量、时间、风险、鲁棒性、价格和生态友好性等，

12、进行动态配置.这有利于原料和供应链连续“微调”.也意味着工程流程可以更加灵活，制造工艺可以被改变，暂时短缺（例如供应问题）可以得到补偿，输出大量增加可以在短时间内实现.“工业 4.0 为德国提供了一个机会使其进一步巩固其作为生产制造基地、生产设备供应商和IT业务解决方案供应商地位.令人鼓舞是我们可以看到德国所有利益相关方在紧密合作，通过工业4.0平台，一起向前迈进，加以实施.” - 孔翰宁（Henning Kagermann）博士教授（acatech - 国家科学与工程学院通信行业科学发起人集团发言人研究联盟和工业 4.0工作组联合主席） 决策优化为了在全球市场上取得成功，在短时间内能够做出正

13、确决定变得越来越关键.工业4.0提供了端到端实时透明，使得工程领域设计决策可以进行早期验证，并且既可以对干扰做出更灵活反应，还可以对生产领域中公司所有位置进行全局优化. 资源生产率和利用效率工业制造过程总体战略目标仍然适用于工业4.0：在给定资源量（资源生产率）前提下，得到尽可能高产品输出；使用尽可能低资源量，达到指定输出（资源利用效率）.CPS 在贯穿整个价值网络各个环节基础上，对制造过程进行优化.此外，系统可就生产过程中资源和能源消耗或降低排放进行持续优化，而不是停止生产. 通过新服务创造价值机会工业4.0开辟了创造价值新途径和就业新形式，比如通过下游服务.智能算法可用于各种大量数据（大数

14、据），这些数据是为了提供创新服务而由智能设备所记录.尤其是对于中小企业和初创公司来说，有显著机遇发展B2B（企业对企业）服务. 应对工作场所人口变化通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间互动合作将为企业提供新机会，将人口变化转化为自身优势.面对熟练劳动力短缺和日益多样化劳动力（如年龄、性别和文化背景），工业4.0将提供灵活多样职业路径，让人们工作生涯更长，并且保持生产能力. 工作和生活平衡使用CPS公司更加灵活工作组织模式，意味着它们可以很好地满足员工不断增长需求，让员工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平衡.例如，智能辅助系统将提供新组织工作机会，即提供

15、一种灵活新标准以满足公司需要和员工个人需求.随着劳动力规模缩减，CPS公司在招聘最优秀员工方面将具备明显优势. 高工资仍然具有竞争力工业4.0双重战略将使得德国保持供应商领先地位，并且成为工业4.0解决方案主导市场.然而，工业4.0不会对相关行业构成纯技术层面或与信息技术相关挑战.不断变化技术也将会对组织方面带来深远影响，它提供了开展创新商业和企业模式、提高员工参与度机会.20世纪80年代初，通过将可编程逻辑控制器（PLCs）应用于制造技术，使制造自动化更加灵活，与此同时，通过采用一种基于社会伙伴关系方法、管理对劳动力影响，德国成功地进行了第三次工业革命.德国强大工业基础、成功软件产业和在语义

16、技术方面诀窍意味着德国可以很好地实施工业4.0.德国有可能克服目前障碍，如技术接受问题或劳动力市场熟练工人数量有限问题.然而，只有所有利益相关方共同努力，挖掘物联网和服务为制造业带来潜力，才有可能确保德国工业未来.自2006年以来，德国政府已在其高技术战略下推动物联网和服务.一些技术项目已经成功启动.工业科学研究联盟正在利用工业4.0计划跨部门推进这一举措.在执行过程中下一步顺理成章是建立第四次工业革命平台，由德国信息技术、通讯、新媒体协会（BITKOM）、德国机械设备制造业联合会（VDMA）以及德国电气和电子工业联合会（ZVEI）三个专业协会共同建立秘书处.下一步任务就是为关键优先主题制定研

17、发路线图.确保德国制造业未来这是工业 4.0 平台合作伙伴确立目标.该平台邀请所有相关利益方继续探索工业4.0带来机遇，只有这样，我们一起才可以帮助确保成功实施工业4.0革命前景.2 愿景：工业 4.0 作为智能、网络化世界一部分在一个“智能、网络化世界”里，物联网和服务网（the Internet of Things and Services）将渗透到所有关键领域.这种转变正在导致智能电网出现在能源供应领域，可持续移动通信战略领域（智能移动性，智能物流）和医疗智能健康领域.在整个制造领域中，贯穿整个智能产品和系统价值链网络垂直网络、端到端工程和横向集成将成为工业化第四阶段引领者即“工业4.0

18、”工业4.0重点是创造智能产品，程序和过程.其中，智能工厂构成了工业4.0一个关键特征.智能工厂能够管理复杂事物，不容易受到干扰，能够更有效地制造产品.在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作.智能产品理解它们被制造细节以及将被如何使用.它们积极协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等等问题.其与智能移动性，智能物流和智能系统网络相对接将使智能工厂成为未来智能基础设施中一个关键组成部分.这将导致传统价值链转变和新商业模式出现.因此，工业4.0不应被孤立地对待，而是应该被看作是一系列需要采取行动关键领域中一个.所以

19、，工业4.0应在跨学科状态下加以实施，并与其他关键领域展开密切合作.（见图2）.图2：工业4.0和智能工厂-物联网和服务网一部分2.1 塑造工业4.0 愿景实现整个模式转变，需要将工业4.0作为一个长期项目来实施，并将是一个渐进过程.在整个过程里，保留现有制造业体系核心价值将是一个关键.与此同时，从工业化早期阶段（参考第3章和第5.4章）汲取经验也是必需.然而，导致重大飞跃创新也有可能出现在一些个别行业.在生产、自动化工程和IT领域，横向集成是指将各种使用不同制造阶段和商业计划IT系统集成在一起，这其中既包括一个公司内部材料、能源和信息配置（例如，原材料物流，生产过程，产品外出物流，市场营销）

20、，也包括不同公司间配置（价值网络）.这种集成目标是提供端到端解决方案.在生产、自动化工程和IT领域，垂直集成是指为了提供一种端到端解决方案，将各种不同层面IT系统集成在一起（例如，执行器和传感器，控制，生产管理，制造和执行及企业计划等各种不同层面）.如果德国工业要生存和发展，在推进第四次工业革命中就需要发挥积极作用，因此，借助德国工业和研究领域传统优势将是非常必要： 机械和设备制造市场领导力量 全球瞩目IT集群地 在嵌入式系统和自动化工程领域领先创新者 一个高度熟练和充满干劲劳动力 供应商和用户间距离相近且在某些领域紧密合作 先进研究和培训设施工业4.0实施，目是要拟定出一个最佳一揽子计划，通

21、过充分利用德国高技能、高效率并且掌握技术诀窍劳动力优势来形成一个系统创新体系，以此来促进现有技术和经济潜力.工业4.0将重点聚焦以下方面： 通过价值网络实现横向集成 垂直集成和网络化制造系统这些方面将在第3章双重战略中详细阐述.2.2 在工业4.0 下未来会是什么样子？工业4.0将更加灵活更加坚强，包括工程最高质量标准、计划、生产、操作和物流过程.这将使动态、实时优化和自我组织价值链成为现实，并带来诸如成本、可利用性和资源消耗等不同标准最优化选择.而这些都需要恰当规则框架、标准化接口和和谐商业进程.“物联网和服务网在制造业中拥有巨大创新潜力，如果我们成功把基于网络服务整合进工业4.0，将极大地

22、扩展这种潜力.”-Johannes Helbig 博士，Deutsche Post AG（德国邮政），工业-科学研究联盟交流促进团体成员以下几个方面将构成工业4.0核心特征： 工业4.0将在制造领域所有因素和资源间形成全新社会技术互动水平.它将使生产资源（生产设备、机器人、传送装置、仓储系统和生产设施）形成一个循环网络，这些生产资源将具有以下特性：自主性、可自我调节以应对不同形势、可自我配置、基于以往经验、配备传感设备、分散配置，同时，它们也包含相关计划与管理系统.作为工业 4.0 一个核心组成，智能工厂将渗透到公司间价值网络中，并最终促使数字世界和现实完美结合.智能工厂以端对端工程制造为特征

23、，这种端对端工程制造不仅涵盖制造流程，同时也包含了制造产品，从而实现数字和物质两个系统无缝融合.智能工厂将使制造流程日益复杂性对于工作人员来说变得可控，在确保生产过程具有吸引力同时使制造产品在都市环境中具有可持续性，并且可以盈利. 工业 4.0 中智能产品具有独特可识别性，可以在任何时候被分辨出来.甚至当它们在被制造时，它们就可以知道整个制造过程中细节.在某些领域，这意味着智能产品能半自主地控制它们生产各个阶段.此外，智能产品也有可能确保它们在工作范围内发挥最佳作用，同时在整个生命周期内随时确认自身损耗程度.这些信息可以汇集起来供智能工厂参考，以判断工厂是否在物流、装配和保养方面达到最优，当然

24、，也可以应用于商业管理应用整合. 在未来，工业 4.0 将有可能使有特殊产品特性需求客户直接参与到产品设计、构造、预订、计划、生产、运作和回收各个阶段.更有甚者，在即将生产前或者在生产过程中，如果有临时需求变化，工业 4.0 都可立即使之变为可能.当然，这会使生产独一无二产品或者小批量商品仍然可以获利. 工业 4.0 实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤.员工将从执行例行任务中解脱出来，使他们能够专注于创新性和高附加值生产活动.因此，他们将保持其关键作用，特别是在质量保证方面.与此同时，灵活工作条件，将在他们工作和个人需求之间实现更好协调. 工

25、业 4.0 实施需要通过服务水平协议来进一步拓展相关网络基础设施和特定网络服务质量.这将可能满足那些具有高带宽需求数据密集型应用，同时也可以满足那些提供运行时间保障服务供应商，因为有些应用具有严格时间要求.2.3 新型商业机会和模式工业4.0将发展出全新商业模式和合作模式，这些模式可以满足那些个性化、随时变化顾客需求，同时也将使中小企业能够应用那些在当今许可和商业模式下无力负担服务与软件系统.这些全新商业模式将为诸如动态定价和服务水平协议（service level agreements，SLAs）质量提供解决方案，动态定价指是要充分考虑顾客和竞争对手情况，服务水平协议质量则是关系到商业合作伙

26、伴之间连接和协作.这些模式将力争确保潜在商业利润在整个价值链所有利益相关人之间公平地共享，包括那些新进入利益相关人.更加宽泛法规要求，如减少二氧化碳排放量（参考第5.8章），也可以而且应该融入到这些商业模式中，以便让商业网络中合作伙伴共同遵守.（见图3）工业4.0往往被冠以诸如“网络化制造”、“自我组织适应性强物流”和“集成客户制造工程”等特征，它将追求新商业模式以率先满足动态商业网络而非单个公司，这将引发一系列注入融资、发展、可靠性、风险、责任和知识产权及技术诀窍保护等问题.就网络组织及其有别于他人高质量服务而言，最关键是要确保责任被正确地分配到商业网络中，同时备有相关约束性文件作为支撑.图3：横向价值网络实时针对商业模式细节监测也将在形成工艺处理步骤和监控系统状态上发挥关键作用，它们可以表明合同和规章条件是否得到执行.商业流程各个步骤在任何时刻都可以追踪，同时也可以提供他们完成证明文件（见第5.7章