工业4.0

工业4.0是什么

工业4.0既是指一场工业革命，又可以说是一项“战略方案”。2011年，德国行业协会首次提出工业4.0的概念。这将是一场以智能制造为主导的工业革命，也是一种创新性的生产方法。该战略的最主要特征就是制造业的智能化转型，充分结合CPS(信息物理系统—网络空间虚拟系统)和信息通讯技术。

它的两大主题是“智能工厂”和“智能生产”。通过数字化、网络化有机地把人，资源，机器和产品联系在一起，使得各个生产部门之间可是实现数据共享，协同生产。其中主要涉及了生产设备的网络化，生产流程的自动化，产品生命周期的数字化，以及物联网、射频识别，3D技术，智能化机器人等许多新技术。工业4.0的提出使得原先大规模批量生产向大规模定制生产转变，集中定向生产向网络化异地协同生产转变，传统制造企业向跨界融合企业转变成为可能^[1].

工业4.0的理论框架

(1)智能工厂，智能制造，智能工厂，未来工厂：智能工厂将更加智能化、灵活性和动态性。制造业将配备传感器、驱动器和自主系统。机器和设备将有能力通过自我优化和自主决策来改进过程。

(2)开发新系统的产品和服务：产品和服务的开发将是个性化的。在这种背景下，开放创新、产品智能以及产品记忆的方法显得尤为重要。

(3)自我组织：在制造业中，整个供应链和制造链的过程都在变化。这些变化将对从供应商到物流和产品生命周期管理的过程的变化产生影响。随着所有这些变化，制造过程将在企业边界上紧密相连。

(4)智能产品：产品中嵌入了传感器和微芯片，允许通过物联网与彼此和人类进行通信。汽车、t恤、手表、洗衣粉等等都将变得“智能”，因为它们的制造商在包装上安装了传感器，可以检测产品的使用时间，并在扫描时与智能手机进行通信。智能产品引发了侵犯隐私的问题，进而也引发了人身安全的问题。

(5)分销和采购方面的新制度：分销和采购将日益个性化。

(6)适应人类需要：新的制造业和零售商的系统应该按照人类的需求来设计，而不是相反。有人认为，这些系统很可能是类似机器人的工具的组合，如个人智能代理，如Siri、Cortana等，以及物联网。这可能成为买卖双方互动的主导模式

(7)信息物理融合系统：系统将集成计算、网络和物理过程。嵌入式计算机和网络将监视和控制物理过程，在反馈回路中，物理过程影响计算，反之亦然。例如，通过移动应用程序、衣服上的传感器以及公寓里的传感器和监控摄像头，控制至关重要的人体功能，从而实现紧急医疗救治

(8)智慧城市：智慧城市的定义是:智慧经济、智慧出行、智慧环境、智慧人群、智慧生活、智慧治理六大要素构成的城市。它是以物联网为核心，以互联网、电信网络、广播网络、无线宽带网络等传感器网络的网络融合为基础，加速发展新一代IT和知识经济的产物。

(9)数字可持续性：可持续发展和资源效率日益成为智慧城市和智慧工厂设计的重点。在使用私人信息时，有必要尊重道德准则。这些因素是成功产品的基本框架条件^[2].

工业4.0的主要内容

工业4.0主要内容概括而言包括“一大系统”、“两大主题”、“三大集成”和“八大行动计划”。

1.“一大系统”：即信息物理系统，是实现工业4.0的技术基础，能够实现实体的物理系统与虚拟的网络世界之间的有效融合。

2.“两大主题”：为智能生产和智能工厂，智能生产是指在企业的生产制造过程中，应用人机互动、3D打印技术、智能生产物流管理等新一代智能制造技术等；而智能工厂则侧重于研究智能化生产系统、智能化生产设施的分布。

3.“三大集成”：即实现价值链网络的横向集成、网络化制造系统的垂直集成以及横跨整个价值链的端对端数字集成。

4.“八大行动计划”：工业4.0涉及到8个关键领域：

(1) 标准化和开放标准的一个参考体系

由于工业4.0需要各公司之间在机械、设备制造、自动化和工程生产软件业之间进行紧密合作，第一步就是要在共同的基本术语上达成一致。尽管有一些既定的标准已经在各类学科技术、专业协会以及工作组中得到使用，但缺乏对于这些标准的有效协调。因此，很有必要将现有标准，(如在自动化领域中，通信、IT安全、建模、设备的集成、工程、数字化工厂等)纳入一个全新的全球范围内的参考体系。

(2) 管理复杂的系统

现代工业产品以及其相关制造系统日趋复杂。这是由于产品功能的增加、用户特定需求的增加、交付要求的频繁变化、不同的技术、学科和组织的日益融合、以及不同公司之间合作的形式迅速变化产生的结果。建模可以作为一种有效的手段，管理这一日益复杂而灵活的系统。工业4.0的一项主要挑战就是在更广泛的工业工程领域不断提高对制造模型潜力的认识，为工程师提供方法和工具，使其能在虚拟世界中恰当的使用模型来描述真实世界中的系统。

(3) 为工业提供一个全面宽频的基础设施

工业4.0的核心需求之一是提升现有的工业通信网络，用于提供准确的延迟时间、可靠的性能、优质的服务质量以及通用带宽。

(4) 安保是工业4.0成功至关重要的因素

对于生产设施和制造的产品来说，安保包含两个关键环节。一方面，它们不应该对人和环境(安全)构成危险；另一方面，生产数据和它们所包含的规则，需要加以保护，以防误操作或者未经授权的访问。随着工4.0的到来，关于安保提出了进一步要求。工业4.0的制造系统和高度网络化的系统结构，将大量的有关人员、IT系统、机器信息和自动化元件纳入其中。安全问题是整个系统必须考虑的。

(5) 数字化工业时代工作的组织和设计

在工业4.0时代，工作性质很可能将在复杂局面的管理、抽象的工作与问题的解决方面，对员工提出了更高的要求。员工需要具备更强的主观能动性、更好的沟通交流能力和组织自身的工作的能力。简单来说，就是对员工的主观能力以及潜在的发展提出了更高的要求。

(6) 培训和持续的职业发展

工业4.0还进一步要求IT专家的培养方式需要做改变。对不同行业间应用程序需求的识别能力，以及从世界各地联系开发合作伙伴的能力的重要性将超过纯粹的技术专长。

(7)规章制度

在通常情况下，当技术发展达到了设计法规层面时，工程师将越来越需要了解法律的问题，使他们可以和法律工作者进行全面的对话。通过这样的方法，工程师和法律专家之间的合作关系可以为工业4.0市场中提供的竞争优势。因此，确保法律专家从早期设计阶段参与到工业4.0的各个工作中去是非常重要的。

(8)资源效率

工业4.0作为一个整体，必须要研究如何减少工业生产过程中能源的消耗，以及在设计，生产过程中使用的机器、设备、工具等的能源消耗^[1]。

工业4.0的来源

“工业4.0”是德国政府大力支持工业发展的战略举措，于2011年在汉诺威博览会上首次提出，这可以看作是德国保持其作为机械和汽车制造业最具影响力大国地位的一种行动。互联网和物联网的使用、企业技术流程和业务流程的整合、现实世界的数字地图和虚拟化、包括工业生产“智能”手段和“智能”产品在内的“智能”工厂，都是“工业4.0”所使用的概念。除了引进新技术和数字化，它还发现了盈利和削减成本的机会。

Nanry在2015年称“工业4.0”生产可以使工厂生产成本降低10-30%，物流成本降低10-30%，质量管理成本降低10-20%。“工业4.0”被认为是制造业数字化的下一个阶段，它出现了四大趋势：数据、计算能力和连通性飞速增长；商业智能分析出现；人机交互产生全新形式；以及物理世界数字传输指令改进。然而，这四个趋势并不是“工业4.0”的原因。相反，这是继20世纪70年代的精益革命、20世纪90年代的外包现象以及21世纪头十年开始的自动化之后，现代制造业的第四次重大变革。

麦肯锡(McKinsey)的一项调查显示，企业并不总是意识到这些新兴技术。麦肯锡在2015年1月调查了300位制造业领袖，只有48%的制造商认为自己已经准备好迎接“工业4.0”。

工业4.0的发展历程

从历史上看，经济转型都伴随着新型能源系统和新型能源技术的结合。基于世界工业发展历史，根据工业技术不同发展阶段可以将世界工业发展划分为四个不同的阶段：

1.“工业1.0”(蒸汽革命)

18世纪初到19世纪中期，以水力、蒸汽机为动力的机械设备在轻纺行业中应用的工业机械化生产是“工业1.0”时代的标志，被称为“蒸汽革命”。此次工业革命使得机械设备广泛应用于工业生产从而代替了手工劳动，极大的解放了手工劳动力，经济社会的基础也发生了根本性的的转变，是工业革命的开端。第一次工业革命伴随着蒸汽和印刷术的结合。

2. “工业2.0”(电力革命)

工业革命使得机械化生产成为经济社会的基础，机械化生产促进了劳动分工极大提高了生产效率。供给端的丰富带来的需求端的增长，机械化生产已经跟不上需求的增长，因此必然会带来技术的革新。1834年，以电力为动力电动机的应用使得规模化生产成为现实，再次带来工业生产方式第二次革新。在劳动分工的基础上，生产线生产和规模化组装成为新的生产模式，使得产品得以批量化和规模化生产。“工业2.0”时代，产业结构发生了深刻的变化，以电力、石油为驱动力带来汽车、航空、电子、化学等一大批技术密集型产业兴起，工业机械化时代进入了电气化时代。第二次工业革命伴随着石油和电信技术的结合。

3.“工业3.0”(信息革命)

第三次工业革命以电子信息技术为开端，始于20世纪70年代。计算机的广泛应用使得生产过程自动化程度更高。自动化生产的出现代替了劳动力从而带动产业结构再次得到革新，造成第一、二产业在国民经济中比重下降，第三产业的比重上升。第三次工业革命也造成了贫富差距扩大，促进了世界范围内的生产关系的变革。

4.“工业4.0”(智能革命)

基于“信息物理系统”(CPS)的智能化生产方式成为第四次工业革命的开端并仍将延续。智能化生产是第四次工业革命最主要的特点，以物联网技术和制造业服务化倾向将成为新的生产方式。“工业4.0”是将通过虚拟网络与传统制造业结合，实现产品与服务全生命周期和全制造流程的数字化、信息化、智能化生产模式。

工业4.0的优势

“工业4.0”可以积极满足个人客户需求、提高生产灵活性、增加通过新服务创造价值的机会。此外，还有其他很多优势，包括新产品上市时间更短、工作环境更友好以及自然资源和能源更为有效加以利用。

(1)大规模定制，快速反应客户需求

需求的日益个性化和长尾市场的出现迫使企业重新考虑自己，并达到新的灵活性水平。大规模定制是这一战略的基本组成部分。它允许生产非常小的规模，甚至是单一的独特的产品，却能保证仍然是有利可图的。个性化或定制生产变得非常重要。通过使用自动化生产系统的高可配置性，在最后时刻对产品或原型进行微小的更改成为可能。此外，全球网络化生产环境代表了实现定制生产的世界上最先进的方法。

(2)柔性生产

智能工厂的建立和智能配置机器的使用显示了更灵活的生产。在某一生产设施中，生产的产品种类更多，生产过程更灵活，对变化和暂时短缺能够迅速作出反应。

(3)提高生产速度

使用数字验证的公司大大减少了生产中断的可能性。通过使用“工业4.0”技术，可以随时检测变化并向客户提供证据。在消除设计缺陷的同时，提高了生产速度。

(4)提高产品质量，降低错误率

虽然较高的生产速度可能会降低产品质量，但在数据驱动制造的情况下，产品的质量会提高，错误率会降低。错误的信息和错误的生产降低了公司的利润，增加了额外的成本。视频监控将全程对产品质量进行控制，使生产过程中的错误能够更快的检测出来。通过大数据分析，管理所有流程的智能工厂的生产将变得更加有效。

(5)提高工作效率

数字技术和自动化过程通过识别生产链中的弱点和障碍来改进制造操作。这种技术在开始生产前也使用了预先测试的方法，基于此公司既能节省能源又能节省成本。此外，一些公司建立的智能工厂可以在没有员工的情况下继续生产——选用机器人，从而提高效率，节约成本。同时，机器人将接管更多重复的任务，使工人能够专注于更具挑战性的任务^[2]。

工业4.0的劣势

(1)劳动力、成本和失业

“工业4.0”变革了工作场所，增加了失业率和成本。因为企业需要熟练的员工理解并应用“工业4.0”的概念，然而目前还没有与“工业4.0”相关的员工实际培训概要。此外，员工需要去适应并熟练操作新系统，其中能力稍低的员工则会被淘汰。研发和投资也是企业面临的一大难题。因为确保系统之间正确的数据交换需要付出昂贵的成本代价。对于小公司来说，其成本、风险、灵活性的丧失以及战略独立性的丧失都是“工业4.0”时代下的发展劣势。事实上，公司一旦选择使用机器人和软件来保护他们的竞争力，会增加世界上许多国家的失业率。

(2)安全与保障

数字化、物联网、新服务、数据和连接等“工业4.0”时代特征也为数据劫持者和从事工业间谍活动的黑客开辟了新途径。网络风险将会增加，因为病毒可以破坏大型数据网络、智能生产系统和共享的数据，对企业生产活动产生非常坏的影响。例如，公司的数据可能最终掌握在竞争对手手中。另一方面黑客可以通过网络攻击，直接渗透并控制工厂。因此，企业必须不断更新和审计安全措施，防患于未然。不过，一切都要以生产设施不应对人类或周围环境构成威胁为前提^[2]。

工业4.0的实现方式

主要是通过CPS(信息物理系统)，总体掌控从消费需求到生产制造的所有过程，由此实现高效生产管理。

“工业4.0”的核心是通过实体系统和虚拟系统的融合(Cyber-Phyiscal System，CPS)，构造智能工厂，将传统制造业升级为智能制造的目的。CPS系统即信息物理系统，在传统制造设备基础上，融合信息和通讯技术构建的物联网平移台，实现产品服务全制造过程的数据化控制，智能化制造。整个智能制造过程包括：

(1)通过一个或多个云平台，传感器原件采集大量的生产数据信息；

(2)在制造设备中嵌入自主小型化的智能控件，实现制造过程的自主智能化；

(3)通过物联网平台实现生产服务数据的高速精确传输；

(4)通过人工开发的软件系统进行数据进行带数据处理反馈和生产指令发送，人工实时控制生产过程达到生产制造的智能化

工业4.0的应用实例

供应链作为工业4.0的一个重要子主题，在制造业企业的发展过程中具有举足轻重的作用，而工业4.0的快速发展为供应链的发展提供了新的动力。在2020年新冠疫情的影响下，全球供应链遭受重创，但是在疫情发生之前已积极实施工业4.0的企业将损失降到了最小。以中国某包装消费品公司为例，由于提前在供应链上应用了数字孪生技术，该公司得以在疫情期间模拟各种预案，积极应对工厂突然关闭或原材料供应中断等突发状况；为了扩大产能，位于地球另一端的一家北美个人防疫物资制造商安装了一条新产线，痰隋期间，他们借助增强现实技术，以远程辅助的方式成功实现了新产线的投产。同时，这次疫情也使许多企业意识到，薄弱的底层信息技术基础框架已经不能保证企业应对突如其来的危机，而这种形势下的长久发展更是一个巨大的挑战。因此，在企业生产及运营环节等各个方面积极推进工业4.0，采用适合本企业的数字技术等高端技术势在必行^[3]。

参考资料：

[1]王宏达.面向工业4.0的智能汽车生产线的设计与开发

[2]万紫妍.工业4.0时代工业品牌整合营销传播策略研究--以德国西门子为例

[3]张艳秀.工业4.0发展研究概述[J].现代工业经济和信息化，2022，12(1):20-21，34.

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工业4.0相关报告：

工业4.0与智能制造解决方案(146页).pdf

工业互联网产业联盟：中德工业互联网白皮书：工业 4.0 x 工业互联网，实践与启示(55页).pdf ；

GSMA：面向工业 4.0 的 5G IoT 私有和专用网络报告(31页).pdf ；

中国电信：践行工业4.0打造智慧工厂实现卓越制造（81页）.pdf

德勤-工业行业4.0悖论：克服数字化转型道路上的脱节[44页].pdf

中控技术-工业4.0引领者智能制造领域龙头-210805（27页）.pdf