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德国工业4.0战略对 我国推进工业转型升级的启示
点击次数:2187 发布时间:2014-11-28

德国工业4.0战略对 我国推进工业转型升级的启示

“工业4.0”的概念源于2011年德国 汉诺威工业博览会,其初衷 是通过应用物联网等新技术提高德国制造业水平。在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子 公司等学术界和产业界的大力推动下,德国联 邦教研部与联邦经济技术部于2013年将“工业4.0”项目纳入了《高技术战略2020》的十大未来项目中,计划投入2亿欧元资金,支持工 业领域新一代革命性技术的研发与创新。随后,德国机 械及制造商协会(VDMA)等设立了“工业4.0平台”,德国电 气电子和信息技术协会发表了德国*工业4.0标准化路线图。

  德国政府认为,尽管德 国拥有强大的机械和装备制造业,但中国 对德国工业构成了竞争威胁,美国也 在通过各种计划促进先进制造业发展,因此,制定“工业4.0”战略的目的就是为了“确保德国制造的未来”。当前,正值我 国大力推动两化深度融合、促进工 业转型升级的关键时期,德国推行“工业4.0”战略的理念、内容和 做法等诸多方面,都值得我们认真关注、学习并给出积极回应。

  “工业4.0”战略愿景与要点

  与美国 流行的第三次工业革命的说法不同,德国将 制造业领域技术的渐进性进步描述为工业革命的四个阶段,即工业4.0的进化历程(图1)。

 

 

工业1.0。18世纪60年代至19世纪中期,通过水 力和蒸汽机实现的工厂机械化可称为工业1.0。这次工 业革命的结果是机械生产代替了手工劳动,经济社会从以农业、手工业 为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

  工业2.0。19世纪后半期至20世纪初,在劳动 分工的基础上采用电力驱动产品的大规模生产可称为工业2.0。这次工业革命,通过零 部件生产与产品装配的成功分离,开创了 产品批量生产的新模式。

  工业3.0。始于20世纪70年代并 一直延续到现在,电子与 信息技术的广泛应用,使得制 造过程不断实现自动化,可称为工业3.0。自此,机器能 够逐步替代人类作业,不仅接 管了相当比例的“体力劳动”,还接管了一些“脑力劳动”。

  工业4.0。德国学 术界和产业界认为,未来10年,基于信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)的智能化,将使人 类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全 生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块集成,将形成一个高度灵活、个性化、数字化 的产品与服务的生产模式。

  “工业4.0”为我们 展现了一幅全新的工业蓝图:在一个“智能、网络化的世界”里,物联网和务联网(服务互联网技术)将渗透 到所有的关键领域,创造新 价值的过程逐步发生改变,产业链分工将重组,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。

  首先,工业4.0将使得 工业生产过程更加灵活、坚强。这将使得动态的、适时优 化的和自我组织的价值链成为现实,并带来诸如成本、可利用 性和资源消耗等不同标准的zui优化选择。包括在 制造领域的所有因素和资源间形成全新的循环网络、智能产 品独特的可识别性、个性化 产品定制以及高度灵活的工作环境等。

  其次,工业4.0将发展 出全新的商业模式和合作模式。这些模 式将力争确保潜在的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 些新进入的利益相关人。同时,工业4.0“网络化制造”、“自我组 织适应性强的物流”和“集成客户的制造工程”等特征,也使得 它追求新的商业模式以满足动态的商业网络而非单个公司,这将引 发一系列诸如融资、发展、可靠性、风险、责任和 知识产权以及技术安全等问题。

  再次,工业4.0将带来 工作方式和环境的全新变化。全新的 协作工作方式使得工作可以脱离工厂,通过虚拟的、移动的方式开展。员工将 拥有高度的管理自主权,可以更 加积极地投入和调节自己的工作。同时,随着工 作环境和工作方式的巨大改变,可以大 幅度提升老年人和妇女的就业比例,确保人 口结构的变化不会影响当前的生活水平。

  zui后,工业4.0将促进 形成全新的信息物理系统平台。全新的 信息物理系统平台能够到所有参与的人员、物体和系统,将提供全面、快捷、安全可 靠的服务和应用业务流程,支持移 动终端设备和业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程等,如图2所示。

  德国“工业4.0”战略的 要点可以概括为:建设一个网络、研究两大主题、实现三项集成、实施八项计划。

  建设一个网络:信息物理系统网络。信息物 理系统就是将物理设备连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、控制、远程协 调和自治等五大功能,从而实 现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。CPS可以将资源、信息、物体以 及人紧密在一起,从而创 造物联网及相关服务,并将生 产工厂转变为一个智能环境。这是实现工业4.0的基础。

  研究两大主题:智能工厂和智能生产。“智能工厂”是未来 智能基础设施的关键组成部分,重点研 究智能化生产系统及过程以及网络化分布生产设施的实现。“智能生产”的侧重 点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等 先进技术应用于整个工业生产过程,从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。生产流 程智能化是实现工业4.0的关键。

  实现三项集成:横向集成、纵向集 成与端对端的集成。“工业4.0”将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络,使人与人、人与机器、机器与 机器以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和 端对端的高度集成。“横向集成”是企业 之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合,是为了 实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务;“纵向集成”是基于 未来智能工厂中网络化的制造体系,实现个性化定制生产,替代传 统的固定式生产流程(如生产流水线);“端对端集成”是指贯 穿整个价值链的工程化数字集成,是在所 有终端数字化的前提下实现的基于价值链与不同公司之间的一种整合,这将zui大限度 地实现个性化定制。

  实施八项计划:“工业4.0”得以实现的基本保障。一是标 准化和参考架构。需要开 发出一套单一的共同标准,不同公 司间的网络连接和集成才会成为可能。二是管理复杂系统。适当的 计划和解释性模型可以为管理日趋复杂的产品和制造系统提供基础。三是一 套综合的工业宽带基础设施。可靠、全面、高品质的通信网络是“工业4.0”的一个关键要求。四是安全和保障。在确保 生产设施和产品本身不能对人和环境构成威胁的同时,要防止 生产设施和产品滥用及未经授权的获取。五是工 作的组织和设计。随着工作内容、流程和环境的变化,对管理 工作提出了新的要求。六是培 训和持续的职业发展。有必要 通过建立终身学习和持续职业发展计划,帮助工 人应对来自工作和技能的新要求。七是监管框架。创新带 来的诸如企业数据、责任、个人数 据以及贸易限制等新问题,需要包括准则、示范合同、协议、审计等 适当手段加以监管。八是资源利用效率。需要考 虑和权衡在原材料和能源上的大量消耗给环境和安全供应带来的诸多风险。

  总的来看,“工业4.0”战略的核心就是通过CPS网络实现人、设备与 产品的实时连通、相互识别和有效交流,从而构 建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下,生产由 集中向分散转变,规模效 应不再是工业生产的关键因素;产品由 趋同向个性的转变,未来产 品都将完全按照个人意愿进行生产,极端情 况下将成为自动化、个性化的单件制造;用户由 部分参与向全程参与转变,用户不 仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参 与生产和价值创造的全过程。

  “工业4.0”战略目的与意图

  积极应 对新科技产业革命,争夺国 际产业竞争话语权的重要举措。美国等 发达国家纷纷把重振制造业作为近年来zui优先的战略议程。当前,信息通信、新能源、新材料、生物等 领域的多点突破,正孕育 和催生新一轮科技和产业变革。为在国 际竞争中赢得主动权,2009年初美 国开始调整经济发展战略,同年12月公布《重振美国制造业框架》;2011年6月和2012年2月相继启动《先进制造业伙伴计划》和《先进制 造业国家战略计划》,并通过 积极的工业政策,鼓励制 造企业重返美国。从实际效果看,美国制造业占GDP的比重从2010年的12%回升至2013年的15%。此外,日本、韩国等 也特别重视对以信息技术、新能源 为代表的新兴产业的扶持。例如,2009年3月,日本出 台信息技术发展计划,促进IT技术在医疗、行政等领域的应用;同年4月推出新增长策略,支持环保型汽车、电力汽车、太阳能 发电等产业的发展。韩国制定《新增长 动力规划及发展战略》,将绿色技术、产业等领域共17项新兴 产业确定为新增长动力。

  中国等 新兴经济体在全球制造业领域的影响力和竞争力迅速提升。1990-2011年间,传统工 业化国家制造业增加值平均增长了17%,而以金砖四国(中国、俄罗斯、印度、巴西)为代表 的新兴工业国家则增长了179%。在新兴经济体中,中国制 造业产出约占全球的20%,成为全球制造业*大国。同时,中国政府制定了《工业转型升级规划》、《国家战 略性新兴产业发展规划》等,积极推 动制造业的转型提升。2011年,印度通 讯和信息技术部正式启动“信息物 理系统创新中心”,开展包 括人形机器人在内的多个领域的研究。根据Zebra Tech公司的zui新调查,即便目前,印度企 业使用物联网技术的水平也位于世界前列。

  德国亟 须通过战略调整指引企业积极争夺国际制造业竞争制高点。新一代 信息通信技术的发展,催生了移动互联网、大数据、云计算、工业可 编程控制器等的创新和应用,推动了 制造业生产方式和发展模式的深刻变革。在这一过程中,尽管德国拥有世界*的机器 设备和装备制造业,尤其在 嵌入式系统和自动化工程领域更是处于领军地位,但德国 工业面临的挑战及其相对弱项也十分明显。一方面,机械设 备领域的全球竞争正日趋激烈,不仅美 国积极重振制造业,亚洲的 机械设备制造商也正奋起直追,威胁德 国制造商的地位。另一方面,软件与 互联网技术是德国工业的相对弱项。为了保持作为全球ling先的装 备制造供应商以及在嵌入式系统领域的优势,面对新 一轮技术革命的挑战,德国提出自己的“工业4.0”战略,目的就 是充分发挥德国的传统优势,大力推 动物联网和服务互联网技术在制造业领域的应用,在向工 业化第四阶段迈进的过程中先发制人,与美日 等国争夺新科技产业革命的话语权。

  顺应全 球制造业发展新趋势,推进智 能制造新模式的客观要求。信息技术在装备、管理、交易等 环节的应用不断深化,推动柔性生产、智能制 造和服务型制造日益成为生产方式变革的重要方向。信息网 络技术的广泛应用,使得集成了生产经验、成熟工艺、科学方 法的全自动生产线加快普及,不仅大 大提高了生产效率,还极大 地促进了生产过程的无缝衔接和企业间的协同制造。互联网 理念扩展到工业生产和服务领域,催生了众包设计、个性化定制等新模式,将促进 生产者与消费者实时互动,使得企 业生产出来的产品不再大量趋同而是更具个性化。信息技术、大数据等的广泛应用,还不断 推动企业生产从以传统的产品制造为核心转向提供具有丰富内涵的产品和服务,直至为 顾客提供整体解决方案。互联网 企业与制造企业、生产企 业与服务企业之间的边界日益模糊。越来越多的事实表明,信息技 术特别是互联网技术的发展和应用正以的广度和深度,加快推 进制造业生产方式、发展模式的深刻变革。

  “工业4.0”强调通 过信息网络与物理生产系统的融合来改变当前的工业生产与服务模式,将成为 企业提高产品附加值、增强市 场竞争力的重要手段。在“工业4.0”时代,产品与生产设备之间、不同的生产设备之间,通过数 据交互连接到一起,让工厂 内部纵向之间甚至工厂与工厂横向之间都能成为一个整体,从而形 成生产的智能化。2013年德国Zeiss集团在 欧洲机床展上展示了一套名为PiWeb的系统。该系统 能够实现跨国公司分布在不同地区工厂的机器测量数据的网络共享,实现全 球不同工厂数据的同步监测。德国的博世、奔驰和 大众等公司已经开始使用这套系统。此外,在2014年的汉 诺威工业博览会上,德国展示了共有10家企业 联合参与研发的全球*个“工业4.0”演示系统,以证明 该概念实现的可能性。这表明,德国不 仅能够向全球提供利用智能制造系统生产的工业产品,也力图 成为先进智能制造技术的创造者和供应者,由此促 进德国制造业智能化、服务化。

  “工业4.0”战略的中国启示

  把两化 深度融合作为主要着力点。德国“工业4.0”战略与 我国提出的两化深度融合有很多相通之处。在某种程度上,两化融 合可称为我国工业的3.0,两化深 度融合可以说是我国工业的4.0。在新的发展背景下,只有将 信息化的时代特征与我国工业化历史进程紧密结合起来,把两化 深度融合作为主线,才能为 推动工业转型升级注入新的动力,也才能 在向工业化迈进的过程中占得先机。

  超前部 署建设国家信息物理系统网络平台。信息物 理系统将改变人类与物理世界的交互方式,物质生产力、信息生产力,能源、材料和 信息三种资源高度融合,将使未 来产业发生真正革命性的变革,对未来 世界产生深远影响。美、德等世 界工业强国都高度重视信息物理空间构建,加强战略前瞻部署,并取得积极研究进展。中国要 决胜未来的竞争,必须在 构建信息物理系统网络平台上先行一步。一方面,在国家 新的信息化发展战略中加强对CPS的总体布局,研究制定CPS建设的战略目标、重点任务、发展路径和政策举措。同时,在制造业发展、智慧城市建设、国家网 络和信息安全等工作中加强前瞻部署和应用推广。另一方面,可借鉴美国组建“国家制 造创新网络中心”的做法,组建一 批国家信息物理系统网络平台,负责承 担基础理论研究,组织力量研发突破CPS软件、传感器、移动终 端设备等工具和装备,推动重 点行业企业的开发应用。

  启动国 家智能制造重大专项工程。智能制 造已成为全球制造业发展的新趋势,智能设 备和生产手段在未来必将广泛替代传统的生产方式。当前,我国在智能测控、数控机床、机器人、新型传感器、3D打印等领域,初步形 成完整的产业体系。但总体看,我国制 造业发展仍然以简单地扩大再生产为主要途径,通过智能产品、技术、装备和 理念改造提升传统制造业的任务艰巨而迫切。建议从 国家层面启动实施智能制造专项工程,加强技术攻关,开展应用示范,推动制 造业向智能化发展转型。一是重 点突破智能机器人。开展智 能机器人及智能装备系统集成、设计、制造、试验检 测等核心技术研究,攻克精密减速器、伺服驱动器、传感器等关键零部件。二是开 展数字工厂应用示范。在全国 范围内分行业分区域选取试点示范企业,给予扶持,建设数 字制造的示范工厂,发挥其“种子”作用。三是推 动制造业大数据应用。以行业 龙头企业为先导,鼓励其 应用大数据技术提升生产制造、供应链管理、产品营 销及服务等环节的智能决策水平和经营效率。

  用标准 信息网络技术与工业融合。“工业4.0”战略的 关键是建立一个人、机器、资源互 联互通的网络化社会,各种终端设备、应用软 件之间的数据信息交换、识别、处理、维护等 必须基于一套标准化的体系。为了保障“工业4.0”的顺利实现,德国把 标准化排在八项行动中的*位,同时建议在“工业4.0”平台下 成立一个工作小组,专门处 理标准化和参考架构的问题。2013年12月,德国电 气电子和信息技术协会发表了德国*“工业4.0”标准化路线图。可以说,标准先行是“工业4.0”战略的突出特点。为此,我们在 推进信息网络技术与工业企业深度融合的具体实践中,也应高 度重视发挥标准化工作在产业发展中的作用,及时制定出台“两化深度融合”标准化路线图,引导企 业推进信息化建设。同时,还要着 力实现标准的国际化,使得中 国制定的标准得到国际上的广泛采用,以夺取 未来产业竞争的制高点和话语权。

  产学研 用联合推动制造业创新发展。德国“工业4.0”是由德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子 公司等联合发起的,工作组 成员也是由产学研用多方代表组成的。因此,“工业4.0”战略一经提出,很快得到了学术界、产业界的积极响应。事实上,政府支 持产学研合作的动机不单纯来自于市场考量,通过产 学研合作创新促进竞争往往成为发达国家重要的战略意图。我国应 该充分吸收和借鉴发达国家产学研用联合模式,一方面,针对不 同类型自发的产学研合作网络或产业研发联盟,政府要 通过引导和支持的方式促进其发展;另一方面,选择几 个重点行业和关键技术领域进行试点,以行业 骨干企业为龙头,联合科 研实力雄厚的大学和科研机构,组建多 种形式的产学研研发联盟,充分调 动各方资源和力量,共同推 进技术研发和应用推广。 

       构建有 利于工业转型升级的制度保障体系。德国“工业4.0”战略十 分重视产业创新、组织创 新与现有制度相冲突的问题。“工业4.0”一方面 增加了管控的复杂性,技术标 准的制定需要符合相应的法律法规;另一方 面也需要制定相应的规章制度促进技术创新。“工业4.0”采取了 一系列措施以加强制度保障,比如设 立处理各类问题的专职工作组,制定和 实施安全性支撑行动,建立培 训和再教育制度等。我国在 推动工业转型升级的问题上,也同样 面临制度保障方面的相关问题。因此,非常有 必要建立和完善有利于工业转型升级的长效机制,比如知 识产权保护制度,节能环保、质量安 全等重点领域的法律法规,人才培 养和激励机制等,从而形 成推动工业转型升级的制度保障。

  (来源:《工业经济论坛》杂志第4期工经论坛栏目)

 

 

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