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【探秘】工业4.0,第四次工业革命正向我们走来

发布时间:2019/04/17 新闻及媒体 行业动态 浏览次数:160

关于德国工业4.0,越来越多的人在关注,也有不少的人意识到以工业4.0为代表的新一轮工业革命,是中国制造业转型升级的重要契机。但是对于大部分人来说,它依然是一个模糊的概念。

1、什么是”工业4.0″?

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″。


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。

 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4.0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”。

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”。

2、”工业4.0″具有哪些核心特征?

德国制造业是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-Physical Systems ,信息物理系统)的形式建立全球网络,整合其机器、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,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

这些特征是制造商在面对变幻莫测的市场能够取得稳固地位的重要因素,同时使它们的价值创造活动适应变化的市场需求。双重物理网络系统战略中提到的特征将允许制造企业在高度动态的市场中达到快速的、准时的、无故障的生产。

通过价值网络进行横向整合

模型、设计以及通过价值网络的横向整合应该可以回答下面的问题:物理网络系统如何支持企业的商务战略、新价值网络以及新商业模式?

这个问题同样适用于研究、开发和应用领域。除了”商业模型”、”不同企业间的合作形式”,还有一些话题值得研究,比如”可持续性”、”技能保护”、”标准战略”,以及”中到长期训练和员工发展倡议”。

横跨整个价值链的端对端工程

下面的关键问题是关于通过工程过程实现端对端数字整合,以达到产品整个价值链数字世界和真实世界的整合,同时满足客户的需求:物理网络系统如何实现端对端的包括工程工作流的商业过程?对于这一点,建模在管理越来越复杂的技术系统中起到了关键的作用。应该部署适当的信息技术系统,以便为整个价值链提供端对端的支持,从产品开发到制造系统工程、生产和服务。需要一个涵盖不同技术领域的整体的工程方法系统。为了实现这个目标,工程师们需要接受适当的培训。

垂直整合与网络制造系统

就垂直整合来说,需要回答下面的问题:物理网络系统如何创造灵活和可重构的制造系统?

垂直整合的地点是工厂。在明天的智能工厂,制造结构将不是固定的和事先定义好的。相反,一系列信息技术组合规则将被定义,这些信息技术组合规则可以被应用到不同的案例中,为不同情况自动形成特定的结构,包括模型、数据、通信和算法。

为了完成垂直化整合,确保调节器和传感器信号在ERP不同层面的端对端的数字化整合非常重要。开发模块化以及重新使用战略来完成点对点网络和制造系统重构,以及恰当的智能系统描述也很重要。不仅如此,领班和操作者需要接受培训以便了解操作制造系统的方法所产生的影响。

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。

3、工业4.0有什么优势?

根据工业-科学研究联盟的倡议,工业4.0平台的参与者制定了其工作目标——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

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

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。

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4.0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。

4″工业4.0″的愿景是怎样的?

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。

(3)德国工业4.0战略实施后,将有可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。

5、显鸿科技,消费品工业4.0引领者

当前,中国正处工业4.0蓬勃发展,”中国制造”向”中国智造”转型的关键时期。在消费品领域,智能制造的技术水平日益提高,内蒙古显鸿科技股份有限公司以”共赢、共享”为核心,坚持 “工业智能化+消费者个性化”的理念,专注于为客户提供商品信息化+智能化的综合解决方案,致力于成为中国消费品工业4.0的引领者,引导消费品工业向智能化、个性化、高端化方向发展。

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