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1、工业 4.0 工作组最终报告保障德国制造业的未来关于实施工业 4.0 战略的建议工业和信息化部国际经济技术合作中心 编译2013 年 10 月88目录内容提要 . 11、引言 . 6保障德国制造业的未来 . 6在制造业中利用物联网及服务互联网 . 82、愿景：工业 4.0 作为智能、互联世界的一部分 .132.1 塑造工业 4.0 的愿景 . 142.2 实施工业 4.0 战略的德国未来如何？ . 162.3 新的商业机会和模式 . 182.4 工作场所的新型社会基础设施. 202.5 新型的以服务为基础的实时 CPS 平台 . 212.6 德国工业 4.0 战略实现之路 . 233、双重战略
2、：成为领先的市场和供应商 . 283.1 领先的供应商战略 . 283.2 领先的市场战略 . 293.3 双重战略以及其主要特征 . 304、研究要求 . 355、首要行动领域 . 385.1 标准化和为参考结构而开放标准 . 395.2 对复杂系统的管理 . 455.3 为工业提供综合的宽带基础设施 . 495.4 安全是确保工业 4.0 顺利实施的重要保障 . 505.5 数字工业时代的工作组织和工作设计 . 60 5.6 培训和持续的专业发展 . 655.7 规章制度 . 685.8 资源效率 . 736、德国如何与世界其他国家相匹敌？ . 807、前景 . 90 内容提要德国制造业是
3、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
4、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
5、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
6、，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
7、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迈向工业 4.0 之路，德国要在研发上投入巨大的精力。为实施双重策略，所进行的研究得实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于对工业 4.0 系统的要求和着眼于 CPS 技术的持续发展，工作场所中新的社会基础
8、设施应该得到更多关注。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: 毋庸臵疑，高质量的综合通讯网络是工业 4.0 的关键要
9、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，防止被滥用和未经授权的访问（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
10、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
11、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加以改变，还必须探索针对新地点和新市场的创新解决方案。如果成功，工业 4.0 将提升德国的全球竞争力，并保持其国内制造业继续发展。【返回目录】一、引言保障德国制造业的未来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
12、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
13、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
14、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。【返回目录】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
15、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.
16、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
17、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”。 物联网和服务互联网正在进入制造业领域事实上,工业4.0将设计信息-物理系统(CPS)与制造业和物流业的技术整合,以及在工业生产过程中使用物联网及服务互联网。这将对价值发明、商业模式、下游服务和工作组织产生广泛的影响。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
18、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”。【返回目录】“工业4.0为德国提供了进一步加强和巩固其作为制造中心、制造设备供应商和IT解决方案提供商这一地位的机会。看到德国所有的利益相关者目前都在通过工业4.0平台紧密合作,推动其实现,是十分令人鼓舞的。”Henning Kagermann博士(德国国家科学和工程院教授、工业-科学研究联盟(FU)通信推动工作组发言人、工业4.0工作组联合主席)根据工业-科学研究联盟的倡议,工业4.0平台的参与者
19、制定了其工作目标实施政府确保德国工业竞争力的战略举措。工业4.0拥有巨大的潜力:(1)满足用户的个性化需求工业4.0能够在设计、配置、排序、规划、制造和运行等阶段中纳入个性化的、用户特定的标准,并能够合并最后的修改。通过工业4.0,即使生产一次性项目和极小的生产量(批量大小为一)也可以实现获利。(2)灵活性基于CPS的特别网络,使业务流程的不同方面(如质量、时间、任务、稳健性、价格和生态友好性)实现动态配置。这有助于材料和供应链的持续“调整”。这也意味着工程流程能够变得更加灵活,制造流程可以被改变,暂时性短缺(比如由于供应问题)能够被弥补,并且在短时间内实现产量的大幅提高。(3)优化决策【返回
20、目录】为了在全球市场获得成功,采取正确的决策(往往在没有事先通知的情况下)变得越来越重要。工业4.0能够提供实时的、端到端的透明度,使工程领域的设计决策得到提早验证,并且能够对损坏做出更加灵活的反应,同时对生产领域中一家公司的所有工厂进行全局优化。(4)资源生产率和效率工业生产流程的首要战略目标仍然适用于工业4.0:用定量的资源实现最高的产量(资源生产率)和用最少的资源实现特定的产量(资源效率)。CPS使制造流程在个案基础上实现整个价值网络的优化。此外,无需停止生产,系统能够在生产期间对资源和能源消耗进行持续优化,减少其排放量。(5)通过新服务创造价值机遇工业4.0为价值创造提供了新途径,也促
21、成了就业的新形式。比如,智能算法能通过智能设备用于大量的不同数据(即大数据),从而产生新型的服务。这对于为工业4.0开发B2B服务的中小企业和初创型企业而言,是个巨大的机遇。(6)应对劳动力的人口结构变化连同工作组织和能力发展计划,人类和技术系统的交互合作将为企业提供将人口结构变化转变为其优势的新途径。面对技术劳动力的短缺和日益多元化(年龄、性别、文化背景),工业4.0将促成多样的、灵活的职业道路,使人们能够持续工作,并在更长的一段时间内保持生产力。(7)生活和工作的平衡【返回目录】应用CPS将使公司的工作组织形式变得更加灵活,这意味着公司能够更好的满足员工对于平衡工作和个人生活、个人发展和持
22、续职业发展的需求。比如,智能辅助系统提供了一个灵活性的新标准,在满足公司要求的同时也能够满足员工的个人需求,从而为工作的组织提供了新机遇。随着劳动力规模的下降,该系统将在招募最佳员工的时候使CPS公司获得更多优势。(8)高工资经济仍拥有竞争力工业4.0的双重策略将使德国增强其作为领先供应商的地位,并使其成为工业4.0解决方案的领先市场。然而,工业4.0对于相关行业而言,并不会构成一个专业的技术或IT相关的挑战。不断变化的技术将引起深远的、广泛的影响,为开发新的业务和企业模型、促进更大规模的就业提供新的机会。在二十世纪80年代,德国通过将可编程序控制器(PLS)整合到制造技术,实现了更加灵活的自
23、动制造,同时通过一种基于社会伙伴关系的措施对劳动力的影响进行管理,从而成功地实施了第三次工业革命(工业3.0)。德国雄厚的工业基础、成功的软件工业和语义技术领域的专业技能,都意味着德国处于实施工业4.0的极其有利地位。当前的障碍是可以克服的,比如技术接受问题、劳动力市场中技术工人的短缺问题等。然而,只有所有利益相关者密切合作起来,释放物联网及服务互联网对于制造业的潜力,才能确保德国工业的未来。【返回目录】自2006年以来,德国政府就一直通过高技术战略推动物联网和服务互联网。目前已经成功推出一些技术项目。工业-科学研究联盟目前在跨行业的层面上,推动工业4.0项目的进展。该项目实施的下一步是工业4
24、.0平台的建立。该平台的秘书处由专业协会德国信息技术、电信和新媒体协会(BITCOM)、德国机械设备制造商联合会(VDMA)和德国电子电气制造商协会(ZVEI)组成。下一步任务将是为关键主题确定研发路线图。保障德国制造业的未来这是工业4.0平台所有参与者为他们自己设定的目标。该平台邀请所有利益相关者继续探索工业4.0提供的机遇,这样我们可以一起推动并确保其革命愿景的成功实现。2、愿景:工业4.0作为智能、互联世界的一部分在一个“智能互联的世界”中,物联网和服务互联网的影响将遍布各个关键领域。这一转变将导致能源供应领域中智能电网、可持续的移动策略(智能移动、智能物流)和医疗保健领域中智能医疗的出
25、现。在制造领域中,端到端工程的垂直网络、以及囊括越来越多智能产品和系统的整个价值链的平行整合,将引领我们进入工业化的第四阶段“工业4.0”。工业4.0以创造智能产品、程序和流程为重点。智能工厂也是工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够胜任管理的复杂度,对损坏具有更强的承受力,且生产效率更高。在智能工厂中,人类、机器和资源能够实现互相通信,就像社交网络中一样自然。智能产品“知道”他们如何被制造出来的细节,也知道他们的用途。他们将主动地对制造流程提供支持,回答诸如“我什么时候被制造的?”、“对我进行处理应该使用哪种参数?”、“我应该被传送到何处”等问题。它的界面与智能移动、智能物流和智能电网一起,
26、将使智能工厂成为未来智能基础设施的关键组成部分。这将引起传统价值链的转变,以及新型业务模式的出现。【返回目录】因此,工业4.0在孤立中是无法实现的,它应该被视为一系列需要采取行动的关键领域。因此,工业4.0应该通过一种跨学科的方式且通过与其他关键领域的紧密合作来实现。2.1 塑造工业4.0的愿景实现工业4.0所需要的思维模式转移是一项长期的项目。纵观这一流程,确保现有制造体系价值得到保持是十分重要的。有必要提出从早期阶段(详见第3章和5.4节)便能体现优势的迁移策略。然而,在一些个别部门,创新造成的产量差距可能还会扩大。图2工业4.0和智能工厂作为物联网和服务互联网的一部分德国工业的生存和发展
27、,需要在第四次工业革命中发挥积极作用,也有必要借鉴以下德国工业和研究的传统优势:(1)机械和工厂制造业的市场领导者(2)全球强势IT产业集群(3)嵌入式系统和自动化工程领域的创新先锋(4)具备高技能和充满干劲的劳动力(5)供应商和用户之间较密切的合作(6)优秀的研究和培训设施实施德国工业4.0战略的目的是依靠德国劳动力的技能、表现和专长进行系统创新,通过利用现有的技术和经济潜力,打造最佳经济体。德国工业4.0战略将主要关注以下方面:(1)通过价值网络实现横向一体化(2)整个价值链工程的端对端数字一体化(3)垂直一体化及网络化制造系统以上内容在第3章中有更为详尽的阐述。2.2实施工业4.0战略的
28、德国未来如何?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
29、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。【返回目录】(3)德国工业4.0战略实施后,将有可
30、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
31、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。“物联网及其服务蕴藏着制造业创新的巨大潜力。如果能成功地把基于Web的服务融入德国工业4.0战略中,其潜能将变得无可估量。”约翰内斯?海尔比格博士(供职于德国邮政公司,工业科学研究联合会通信行业促进组成员)2.3新的商业机会和模式德国工业4.0战略将催生更好满足个人、“最后一分钟”用户要求的新业务和合作模式。这些模式也将让中小企业有条件使用服务和软件系统,而这些服务和软件系统是他们在现行许可和商业模式下无法负担的。新的商业模式将提供很多问题的解决方案,如需考虑到客户和竞争对手情况的动态定价,并努力确保在价值链中的所有利益相关者均分利润。更
32、多的监管要求,如减少二氧化碳排放(详见5.8节),应纳入到这些商业模式中,使商业网络中所有合作伙伴能同时满足这些要求(图3)。图3横向价值网络德国工业4.0战略使用案例情境(如有关“联网制造”,“自组织自适应物流”和“以客户为中心的工程”)需要商业模式的实施主体是一个高度动态的商业网络而不是一家单一的公司。这将引发有关融资、开发、可靠性、风险、责任、知识产权及专业保护等一系列问题。就组织网络及服务差异化而言,确保商业网络中各方的责任将至关重要,需签署具有约束力的文件。商业模式的实时详细监测,也将在记录处理步骤和系统状态上发挥重要作用,以显示其合约性。业务流程的各个步骤在任何时候都将被跟踪,并提
33、供相应的证据(详见5.7节)。为确保有效提供个人服务,有必要精准地测算相关服务的生命周期,确保承诺的实现以及加入该商业网络的新合作方(特别是中小企业)的许可模式和条件。【返回目录】鉴于上述情况,德国工业4.0战略极有可能产生意想不到的全球影响,创造极富动态的环境。新技术的破坏性本质,以及它们对法律问题的影响(例如,敏感的企业数据、负债、数据保护、贸易限制、密码使用等)可能对现行立法的执行构成威胁。创新周期的缩短,要求监管框架的不断更新,也会造成执法上的不断失误。因此,有必要采取一种新方法,在技术开发之前或过程中就对技术与法规的兼容性进行测试(详见5.7节)。德国工业4.0战略成功的另一因素是安
34、全问题(详见5.4节)。这一问题也需要一项更加积极主动的措施。此外,安全设计不单纯局限于功能组件这一理念非常重要。2.4 工作场所的新型社会基础设施德国工业4.0战略将为正处于人口变化的德国带来众多创新。德国人口的老龄化程度在全球排名第二，仅次于日本，许多德国制造公司劳动力的平均年龄在四十多岁。年轻员工的数量在不断减少，已经出现熟练劳动力和学徒工短缺的现象。为了确保人口的变化不以牺牲当前生活水平为代价，德国应更好地利用现有劳动力，同时保持和提升劳动力生产效率。增加就业人口中的老年人和妇女比例尤其重要。最新研究表明，个人生产力不在于一个人的年龄，而和他们在一个岗位上所呆的时间长短，他们的工作组织
35、方式和他们的工作环境有关。如果在延长工作时间的过程中要保持和提高生产率，就有必要协调和改造工作场所的方方面面，包括健康管理和工作组织，终身学习和职业路径模式，团队结构和知识管理。这一挑战不仅需要企业的努力，还特别需要教育系统的努力。【返回目录】因此，决定德国未来竞争力的，不仅包括新技术、商业和法律因素，还有工业4.0工作场所中的新社会基础设施，这些基础设施能让工人更广泛地参与到创新过程中。此外，工业4.0战略所带来的人类技术和人类环境互动的范式也将发挥重要作用，因为新形式的协作工厂让虚拟工作和移动工作场所成为现实。多模式、用户友好界面的智能辅助系统将协助员工的工作。除了全面的培训和进修，工作的
36、组织和设计模型将成为受劳动者欢迎的成功转型的关键。这些模型应与高度自我调节的自主领导和管理方法相结合，员工应该有更大的决策自由，更加积极地参与和调节自己的工作量。在进一步认识到创新过程中人类活动重要性的基础上，工业4.0战略中的社会技术方法将为亟需创新提供新的发展潜力。2.5 新型的以服务为基础的实时CPS平台德国工业4.0战略将催生新型CPS平台，旨在支持协作工业流程和智能工厂以及智能产品生命周期相关的业务网络。这些平台所提供的服务和应用程序将把人、物和系统相连接（图4），并具有以下特点：（1）服务和应用业务流程的快速和简单带来灵活性，包括CPS软件（2）参照应用商店模式对业务流程的简单分配
37、和部署（3）对整个业务流程提供全面、安全、可靠的支持（4）从传感器到用户界面，100%的安全可靠（5）支持移动终端设备（6）支持业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程【返回目录】在业务网络中，共享CPS平台特别需要服务和应用业务流程的IT开发工作，因为这是工业业务流程中CPS、应用、服务水平和垂直一体化具体要求的体现（见5.1节）。对德国工业4.0战略来说， “业务流程”一词的定义比在网络服务中更宽泛。它应明确包括公司间协作流程和业务网络中共享服务和应用的建立。安全、保密、可靠性、使用、操作者模式趋同、实时分析和预测等问题都需进行审查，不仅为了业务流程，也为后续高效、可靠、安全地操作协同制
38、造和服务流程，以及CPS平台上动态业务流程的执行。这还包括应对大量不同数据源和终端设备所带来的挑战。上述要求当前只在普通云计算基础设施得到一个基本的满足。IT、软件及服务提供商和用户所形成的公司间CPS平台将需要一个德国工业4.0战略架构，能考虑到ICT和制造业等不同方面（见5.1节）。为这些CPS平台开发新的应用和服务将需要模型化的方式，以管理日益功能化、个性化、动态化和合作化所带来的复杂性（见5.2节）。一个安全高效且高带宽的网络基础设施将成为安全数据交换的必要保障（见5.3节）。2.6 德国工业4.0战略实现之路德国工业4.0战略愿景的实施，将是一个不断演进的过程，不同公司和行业演进的速
39、度各不相同。今年初，BITKOM、VDMA和ZVEI开展的关于“德国工业4.0战略前景”的调查再次证实了德国工业竞争力的重要性，以及对更全面和有针对性信息的需求（图5）。在调查中，47的公司表示它们已经积极参与到工业4.0战略中；18的公司表示它们正参与德国工业4.0战略的研究工作；而12的公司声称它们已把该战略付诸实践。实施工业4.0战略愿景中碰到的三大挑战，分别是标准化、工作组织和产品可用性。除了积极参与工作组，参与调查公司所提出的扶持措施还包括举办有针对性的研讨会，他们可以在研讨会上分享经验和获得信息。专业协会将在确保顺畅沟通，与社会合作方、学术圈和公众的紧密联系方面发挥重要作用。约50
40、的受访企业表示，他们已经从专业协会收到有关工业4.0战略的相关信息。此外，工作组认为以下措施有助于企业平稳向工业4.0转型：【返回目录】（1）实时CPS解决方案的实施，将在空间、技术质量和可靠性方面对服务可用性和网络基础设施提出很高要求。为了确保德国的国际竞争力，应呼吁出台服务规范和商业模式的国际标准（见5.1和5.3节）。（2）目前，制造业的业务流程往往是静态的，并仅通过极不灵活的软件系统实施。不过，不能在一夜之间将它们替换成服务型系统。在旧系统上融入新技术（反之亦然）非常重要，旧系统需要通过实时功能系统进行更新。（3）在物联网和服务化的背景下，制造业新商业模式的发展速度将接近互联网本身的发
41、展速度和活力。（4）员工将参与到工作组织、CPD（Continuing Professional Development）和技术开发的创新性社会技术设计的早期阶段工作中（见5.5节）。（5）为了成功过渡到工业4.0，ICT产业（习惯上认为创新周期短）应和机械、设备制造商以及机电系统供应商（倾向于认为创新周期较长）密切配合，以开发出所有合作伙伴都能接受的商业模式。应用例子1：在车辆组装流水线不开工时减少其能源消耗目前，机械对于能源效率的要求很高。能够达到这个要求的一个促成因素是在生产间歇期间把不工作的部分断电。工业4.0通过将生产设备的计划和操作更系统地整合来实现这个功能。现在：目前，许多生产线
42、在其他部分没有生产任务时，如生产间歇期间，或在周末持续运转，消耗大量能量。例如：一条使用激光焊接技术的车辆组装线的全部能源消耗的12%都是在生产间歇期间消耗的。生产线一周运转5天，轮3次岗。虽然这个复杂的机器在周末不工作，但是它还是保持电源的开启状态以便在周末结束后能够立即投入生产。在生产间歇期间，90%的电力消耗中：遥控装置（占20%到30%），抽烟机（占35%到100%），激光器及其冷却系统（占0到50%）。【返回目录】在未来，遥控装置（robots）在生产的间歇期间将被断电。在生产的较长的间歇期间，遥控装置将进入一种叫做Wake-On-LAN的待命模式。抽烟机将使用可以按照需求进行调节速
43、度的发电机，而不再使用不能够按照需求进行调节的发电机。对于激光器 (laser sources)来说，只有使用全新的系统才是唯一的提升途径。未来：总的来说，这些措施能够减少12%的总的能源消耗（大约从45000kWh/w降到40000kWh/w），并且在生产的间歇期间能够减少90%的能源消耗。在设计物理网络系统的初级阶段就应该把能源效率这一因素考虑进去。【返回目录】3. 双重战略：成为领先的市场和供应商第四次工业变革对于德国制造业意义重大。CPS能够提高国内生产效率，它在工厂的逐渐部署将加强德国制造业。与此同时，物理网络系统技术的发展将为出口技术和产品提供无限机会。工业4.0的执行，应该致力于
44、通过采用双重战略来释放市场潜力，这个双重战略包括在制造业中部署物理网络系统，另外一个是物理网络系统的营销，以便加强德国制造设备产业。3.1 领先的供应商战略领先的供应商应从设备供应产业的视角，强调工业4.0的潜力。德国设备供应商提供制造业与世界领先的技术解决方案，所以在工业4.0产品的开发、生产和国际营销方面处于有利地位。问题的关键是如何选出一个明智的方法，将领先的技术解决方案同信息技术提供的新潜力融合在一起，以便实现创新的巨大突破。就是这种信息通信技术和传统的高技术战略的系统融合，才使得市场迅速变化、使得管理越来越复杂的全球市场变为可能，企业才能够为自己在其中开拓新的市场机遇。现有的基础电子信息技术需要被改进，以满足制造业的特殊需求，并且在继续开发的过程中还要时刻注意这一点。为了得到规模经济和效用，需要加强制造技术和信息技术，依靠物理网络系统作为向工业4.0迈进的部分战略。与此同时
