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工业4.0为仪器仪表转型升级指明方向

行业聚焦点中国仪表网2014年07月31日 09:36人气:6349

  导读:我国仪器仪表行业是一个高速、平稳发展的行业,由于国家的重视和支持,近年来我国仪器仪表与测量控制取得了可喜的成绩,获得了较大的发展。但不可否认,即便是中国仪器仪表行业取得了突飞猛进的发展,但一样存在很多问题。而德国工业4.0战略的出现,似乎为我们展现了一幅全新的发展蓝图。德国“工业4.0”战略为我国两化深度融合指明了发展路线,其将为仪器仪表等制造业实现解困突围。
  

 
  “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首个工业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-PhysicalSystem,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最优化选择。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率先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。
  
  最后,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联系到所有参与的人员、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、精确控制、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、物体以及人紧密联系在一起,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,这将最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最优先的战略议程。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、尖端产业等领域共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%,成为全球制造业第一大国。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公司的最新调查,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,尽管德国拥有世界一流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。为了保持作为全球领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前所未有的广度和深度,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第一个“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。
  
  用标准引领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第一位,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首个“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引领作用,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。
  
  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。
  
  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。
  
  (作者系中国电子信息产业发展研究院院长 罗文)
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