德国信息技术、电信和新媒体协会(BITKOM)：德国工业40实施战略报告

1、3 德国科学顾问委员会的课题德国科学顾问委员会由 16 位来自生产与自动化、计算机科学、法学和社会学这几个专 业领域的教授组成。 该委员会为工业 4.0 平台提供与当前研究紧密相关的、 科技和编程方面 的研究课题。德国科学顾问委员会在 2014年汉诺威工业博览会上 （2014 年 4月 3日）公开发表了相关 的课题，这些课题还公布在工业 4.0 平台的网站上。以下引用的课题按照人类、技术、 组织 三个方面进行划分：人类1. 很可能建立以人为本的工作组织形式， 这种工作组织形式也可称为自组织和自治。 尤 其有可能出现适合老年人的工作组织形式。2. 工业 4.0 作为一套社会技术系统，为拓展员工的

2、工作范围、提高员工的素质和技能、 大幅提高员工的知识水平提供了机会。3. 促进学习的工作设备 （学习工具 ） 和有利于沟通的工作方式 （实践社区 ）会提高教学效 率；而员工不断提高信息技术能力有助于在继续教育中补充新内容。4. 把简单易用且能促进学习的设备作为学习工具， 能够自然而然地把设备的功能传授给 用户。技术5. 工业 4.0 的系统对于用户来说简单易用而且操作直观。 这些系统可以促进学习并给出 可靠的反馈。6. 通用的、公开的解决方案模板允许多个参与者共同设计、 实施和操作工业 4.0 系统（ 基 于设计的工业 4.0） 。7. 产品和业务流程的网络化和个性化会带来复杂性。 可以通过建

3、模、 仿真、 自组织对这 种复杂性进行管理，更快速的分析可以扩大求解空间，并更快地确定解决方案。8. 能够对资源有效性和资源效率进行持续的规划、实施、监控和自动优化。9. 智能产品是良好的信息载体，能对各个生命周期阶段进行定位和识别。10. 同样，系统组件可在内部对生产资料进行寻址和识别。工业 4.0 的系统组件支持生 产系统和生产流程的虚拟规划。11. 新型的系统组件是可更换的，并且具有功能兼容性。12. 系统组件提供的功能本身作为一种服务，可供外部访问。13. 只有创造一种新型的安全文化，才能最终建立可靠、灵活、受欢迎的“工业4.0”系统。组织14. 新的和现有的价值网络通过集成产品设计、

4、生产过程和服务过程获得增值，并使分 工得以动态调整。15. 合作和竞争促使企业管理和法律发生结构性转变。16. 有效的法律框架反映了对应的系统结构和业务流程。新的法律解决方案将可能产生 新的协议模式。17. 工业 4.0 的发展有利于协调区域性的和发展中市场的价值创造。为了开展上述课题的研究，工业 4.0 平台在 2014 年汉诺威工业博览会上发表的工业4.0 研发课题白皮书介绍了上述多个课题领域及其内容和目标。另外还粗略制定了完成这 些课题的时间计划。 课题领域及其时间计划 （详见第 4 章和第 5 章）有工业 4.0 平台工作小组 拟定。4 工业 4.0 实施战略为了加强德国的经济地位，

5、工业 4.0 平台制定了工业 4.0 的实施战略。 一方面制定出工 业 4.0 技术、标准、 商业模式和组织模式等方面的跨部门实施方法；另一方面，加强大学和 研究机构与中小企业和工业企业的紧密合作，推动工业 4.0 的实施。实施工业 4.0 的目标是，创造新的价值链和价值网络，并不断加强它们的数字化程度， 最终实现自动化。 图 1 列出工业 4.0 实施战略的核心模块和相关课题领域， 其中核心模块包 括： 研究与创新 参考体系结构、标准化与标准 网络化系统的安全性 建立法律框架除“建立法律框架”以外， 其他核心模块的相关内容由工业 4.0 平台的具体工作组拟定。 而“建立法律框架”模块的工作则

6、是由德国工业联合会 （BDI） 工作组来承担。在“研究与创新”这个核心模块， 工业 4.0 平台与德国科学顾问委员会共同制定了实施 工业 4.0 所需的“研究与创新路线图”， 并从德国工业的视角出发协调和推动创新和研究活 动。以下是几个最重要的相关课题领域（详见第 5章） ： 价值网络的横向集成：这个领域的重点在于加强跨企业的合作 （ 包括供应商、中小 企业、制造企业等 ） ，其中包括建立新商业模式的各个方面和各种方法。 全生命周期工程的连贯性：这个领域的中心课题是“基于产品生命周期管理 （PLM） 的工程”。 在这个课题中， 要将产品设计和生产设计结合起来， 从而实现对整个价值创造过 程的持

7、续支持。这就要求对系统工程、建模和仿真中的技术要素进行综合性的考虑。 纵向集成与网络化的生产系统： 这个领域的中心课题是生产的网络化， 而生产的网 络化能否实现往往取决于能否满足实时的要求。 课题重点包括： 确保必要的应变能力和生产 技术的安全性 （例如，通过信息冗余和容错达到安全要求 ） 。这既需要进一步开发相关组件和 系统 （例如传感器网络 ） ，还需要深入研究预测性分析等方法。工作中的新型社会性基础设施： “人”永远是工业 4.0 成功的决定性因素。 因此， 积 极推动工作场所的变革， 给予所有参与者 （ 包括工会和雇主组织 ）支持和鼓励， 都具有重大的 意义。 除了改革和完善培训和继续

8、教育方面， 还需要在技术方面作出改进， 如采用新型的人 机系统和通用的辅助系统。 不断开发通用技术：为了实现工业4.0 ，需要为实施各种技术创造条件，确切来讲是需要在工业应用中结合不同技术。 重要的技术包括网络通讯、宽带网络、 云计算、数据分 析、网络安全、安全的终端设备，以及机对机的解决方案 （ 包括语义学 ）。“参考体系结构、 标准化与标准”这个核心模块的目标是在标准的运用和制定的基础上， 构建一个适用于所有解决方案的参考体系结构。 （详见第 6 章）在“网络化系统的安全性”这个核心模块中， 应该在示范性价值链的基础上， 研究用于 保证横向网络 （客户和供应商 ）和纵向网络 （ 企业内部

9、） 中信息技术安全的概念。 这将有助于确 定一般性的安全要求和信息安全原则（详见第 7 章） 。要成功设计出迭代的流程， 涉及到研究和标准化两个方面，而创建工业 4.0 参考体系结构正好促进了这两方面的发展。“法律框架”这个核心模块中的课题主要解决如何合法地建立新生产流程和横向业务 网络的问题。其中， 合同法 （ 自动化价值链中动态的合同缔结 ） 、企业数据保护、数字资产的 处理、赔偿责任问题以及个人信息处理都是极具挑战性的课题。5. 研究与创新5.1 序言工业 4.0 平台致力于将工业 4.0 领域的研究活动进行梳理和整合， 并据此对研究议程进 行结构化和优先级排序。本章将以上述工业 4.0

10、 平台拟定的研究议程作为依据，阐述工业 4.0 研究路线图的相关内容。另外，工业 4.0 平台将可能为随后的研究工作提供充足且具有 国际竞争力的资金预算。 这可以为参与其中的企业提供更多资源， 同时为有针对性地解决实 施工业 4.0 过程中遇到的问题创造重要条件。此外，政府必须通过适当的措施和融资工具 （ 顶尖集群、示范实验室、示范设施、示范 工厂等等 ） 支持、投资和规范企业与研究机构之间、不同规模的企业之间以及不同部门之间 的进一步联网和合作。由于不同的企业对不同的领域感兴趣并且有不同的期望， 很难确定单一确切的工业 4.0 愿景。因此，在国家主导下实施预设的路线图并不能最终实现工业 4.

11、0 。确切地说，一系列 具体应用场景的实现 （ 包括对实施工业 4.0 的效益和价值创造潜力进行分析 ）将带来渐进式 发展， 而工业 4.0 将会是这些发展的结果。 理想情况下， 德国联邦政府应该考虑对更为务实 的计划给予支持。 这些支持有助于确立完整的创新路径： 从探讨新方法和新技术， 到利用大 学附近的演示设备，再到建设试点工厂。本章将以德国科学顾问委员会的课题为基础概述工业 4.0 的“研究与创新”这个核心 模块。早在 2014 年的汉诺威工业博览会上，这些课题的初步成果便被发表于工业 4.0 研 发课题白皮书之中。在此之后还针对指定的相关课题开展进一步的研究工作。随后，在 2015 年

12、 2月发布了修订版 （ 修订工作由工业 4.0 平台负责， 修订版中对各个课题领域进行了 更详细的介绍，而本报告仅涉及当中的部分内容 ) 。同时在 2015年的上半年也出版了工业 4.0 研发课题白皮书的新版本，当中更详细地探讨了这些课题。下面简要概括所有的课题，包括： (1) 研究与创新的内容概述； (2) 预期成果； (3) 主要 的里程碑。5.2 课题领域：价值网络的横向集成横向集成是指对用于支持或实施不同价值创造过程(比如生产、物流、营销、管理、服务) 的不同信息技术系统的集成。横向集成是制造企业内部和不同企业之间一种普遍适用的 解决方案。5.2.1 课题：创建新商业模式的方法研究与创

13、新的内容商业模式简要描述了一家企业如何运作和如何进行价值创造， 即抽象地描述这家企业和 哪些合作伙伴、在哪些市场、针对哪些顾客群、怎样获得收入等问题。在工业 4.0 背景下， 由于新的价值创造过程催生了新业务， 也由于价值网络中分工的变化， 新的商业模式将在企 业中产生。这个课题需要考虑的方面包括： 进入市场策略 (GTMs) 分析需求、创造需求和评估潜力的方法 支付模式与结算模式 针对网络中的每个参与者的效益评估与风险评估 法律方面 激励与认可制度研究与创新的预期成果人们一致认为， 商业模式是可持续地发挥跨企业网络的潜力的先决条件。 创建新商业模 式的方式方法应相互结合并加以完善， 尤其应该

14、系统化地理解和掌握不同部门得出的最佳实 践和经验， 然后将其转化到生产上， 并且分析由此产生的效果。在此过程中，应仔细观察价 值网络中的不同角色。以下为这个课题的预期成果： 根据最佳实践拟定示范性的、针对价值网络中不同供应商角色的进入市场策略 根据实施工业 4.0 的需求，从价值网络的各个方面考虑创建新商业模式的适用方法 示范性的支付、结算和许可模式 评估工业 4.0 典型效益和相关风险的指南 法律方面的指南， 除此以外还应明确软件即服务 (SaaS) 和平台即服务 (PaaS) 的服务 水平协议 (SLA) 所涉及的责任问题。主要的里程碑5.2.2 课题：价值网络的框架研究与创新的内容价值网

15、络是以各个价值创造阶段及相应技术之间的关系为基础建立的系统。 每个价值创 造阶段都由自主、 合法且独立的价值网络参与者完成。 他们通过自身所处的价值网络形成了 复杂的、 相互的紧密关系， 同时他们建立起了一个价值创造伙伴关系的利益共同体， 这一共 同体致力于获得可持续的经济增值。这个课题需要考虑的方面包括： 新型价值网络形成的前提条件、驱动力与结果 信息物理融合系统平台在增值中扮演重要角色，即作为价值网络的集成者 业务上潜在的问题以及由此造成的后果 价值网络的组织形式、不同的组成部分及其角色，还有价值网络的合理实施研究与创新的预期成果在客户、 供应商、合作伙伴和市场加强参与价值网络的背景下，

16、为了阐明诸如 （ 新）商业 战略、商业模式与商业流程这样的课题， 应拟定实施价值网络的方案并且将其应用在试点项 目中。 为此，应该制定具体的示范性商业计划，并收集相关的规划经验。这些商业计划和经 验将被公布，而这正是构建支持价值网络的信息物理融合系统平台所必需的。以下为这个课题的预期成果： 在生产中灵活地集成价值网络 从价值网络伙伴及其客户的角度，提出分析和评估经济潜力与技术潜力的方法 动员中小企业参与到价值网络的合作中 发掘新商机 建立双赢的价值网络伙伴关系以及可持续的、“集成”的商业模式主要的里程碑5.2.3 课题：价值网络的自动化研究与创新的内容价值创造过程的自动化可使横向集成的自动化程

17、度得到提高。 其中需要重点研究价值创 造过程中可以实现自动化的阶段，即可以与“数字世界”融合的阶段。这个课题需要考虑的方面包括： 信息流的连贯性 运用建模、计算、仿真和优化的方法 对产品生命周期管理（PLM）、先进生产计划与调度（APS）、制造执行系统（MES）、供 应链管理（SCM）和企业资源规划（ERP）这些系统的应用进行集成 全员参与，作为全球价值流中的创造性实践者 构建人机界面 培训措施和迁移过程的关系研究与创新的预期成果价值创造过程应该有效、 灵活并且具有较高的可预见性， 而人们应该从毫无创造性的工 作中解放出来。 达到这个目标的关键是生产率、 资源效率以及自动化程度的提高。 通过不

18、断 提高复杂规划过程中每一环节的自动化程度， 可根据全球目标对价值链、 价值网络和业务进 行优化。在此过程中，应顾及到其中的各种关系并达到协同效应。 最终，通过集成分层的流 程以及使部分流程实现同步或自主运行来实现上述目标。以下为这个课题的预期成果： 得出能够直接或者间接描述所有业务流程的关系和相关性的方法论（业务流程包括企业资源计划、产品生命周期管理、先进生产计划与调度、制造执行系统等）。 建立统一的目标层次体系。 所有根据该全球目标开展的活动和流程所产生的影响将 以此为参照。 根据上述目标层次体系， 从达成最佳全球目标的角度出发， 设计与组织最优的流程 与活动。 易于应用与集成且能够自我描

19、述的模块。 可以通过简单、直观的演示和连续仿真的能力来支持用户的工具和程序。主要的里程碑5.3 课题领域：全生命周期工程的连贯性产品生命周期指的是一个产品的开发过程以及与生产系统有关的工程。 产品由生产系统 负责生产， 然后交付用户使用， 最终被回收。 人们应该将整个生命周期中有关产品的所有信 息联系起来。5.3.1 课题：现实世界与虚拟世界的结合研究与创新的内容现实世界与虚拟 / 数字世界的相互作用是工业 4.0 的核心。所有物体都有一个数字化的 映像 （模型 ） 。在模型中，我们通常用亟待解决的问题及其决策过程的特征来刻画现实世界。 虚拟 / 数字世界的要素是仿真模型、规划模型和解释模型。

20、此外，协同建模能够在不同的尺 度上对两个世界的界面进行观察。从根本上讲， 规划模型是构建复杂系统的基础。 人们借助解释模型分析这些复杂系统并 将分析转化为最终的解决方案和决策。 就这方面而言， 虚拟世界通过上述两个模型对现实世 界的构建具有重大影响。 与此同时， 构建模型时需要估计现实世界的客观条件、 要求和目标 并且评估其对虚拟世界产生的影响。在机械设备制造中， 需要有与生产建模理论相关的科学基础。 经过验证的、 结合了计算 机科学基础技术的理论、 描述方式和方法将通过适当的调整、 拓展和结合， 便能广泛应用到 各种工艺中，从而得到进一步加强。 在这个过程中，对现有的、针对特定领域的工作方法

21、与 软件工具进行适当的集成起到关键作用。这个课题需考虑的方面包括： 在构建建模理论的基础时， 需要回答下列问题： “什么是好的模型 ?”（ 包括不确定 性评估 ） 、“我怎么能找到适合的模型 ?”、 “我在数字世界中和现实世界中各能实现什么 ?” 和“如何在虚拟世界和现实世界之间搭建界面 ?”。另外，现有模型也必须纳入考虑范围之 内。 在建模理论中， 必须在已定义语义的基础上把概念和指导思想确定下来， 例如： 抽 象概念、普遍性、视角、相关性、类型和案例、模块化、深度建模和模型驱动的体系结构。 建模的经济可行性： 除了因建模过程本身的成本， 还应考虑在全生命周期中使用模 型的成本。 人们对模型

22、如何能在其生命周期内“共同成长”这一问题十分感兴趣。 此外， 通 过保留参考数据增加现有数据源有利于日后持续对相关方面的系统归纳。研究与创新的预期成果在生产领域中， 建模的长期目标是通过建立反映生产企业能力的、 有针对性的、 双向的 经济模型， 使虚拟世界的要素能够在较高的语义层面上、 跨学科地与真实世界联系， 从而大 幅提高内部指令处理的效率和决策的安全性。为此， 人们对机械制造、 电气工程和计算机科学的模型有一致的理解是必要的基础。以下为这个课题的预期成果： 建模理论包括由 （ 自动化的所有层面上的 ） 工具、数据流或信息流衍生出来的要求 证明经济可行性和进行案例研究的方法 可行的建模规则

23、 有工具支持的一般性元模型主要的里程碑5.3.2 课题：系统工程研究与创新的内容系统工程是用于技术系统开发的、 通用的跨领域学科 （涉及各个方面 ） 。系统工程主要用 于开发跨学科系统，它体现了所有研发活动的整体水平。这个课题需要考虑的方面包括： 对产品、 流程以及生产系统进行综合开发。 从开发的最初阶段就必须考虑到各个方 面紧密的相互作用，并在市场周期中不断完善产品。 在早期阶段对设计决策进行测试与验证， 同时要考虑到哪些预期的机械化和电气化 功能随后会由硬件、软件或者服务实现。 所有相关数据和流程可用于不同系统 （ 子系统、机器 / 流程、生产设备、工厂 ） 和不 同企业，从而为建立可扩展

24、的系统做好准备。 设备与系统的模块化和再利用有助于管理日益增加的复杂性和可扩展性。 设备和系统被用于开发、工程或操作的过程，应通过这个使用过程收集经验。 使用系统工程的方法有助于形成具有互操作性的工程链。 该工程链可以安全地用于 工程系统、仿真系统和企业目前使用的各类系统 （例如用作数据交换、 演示模型和访问方式 ） 。 该工程链还可以形成不同的版本，应用于各种商业模式中（ 例如授权许可、结算系统 ）。研究与创新的预期成果系统工程的目标是把跨学科整体设计复杂系统的方法融入到机械、 电子、 软件、 设备制造和工艺等相关技术领域现有的开发方法和工具环境中， 最终实现对这些开发方法和工具环 境的改进

25、。企业， 尤其是中小企业应该广泛采用系统工程来提高协作能力，以便管理工业 4.0 系统日益增加的复杂性。这使人们能够在工程网络与生产网络中高效且有效地开展项目。 以下为这个课题的预期成果： 制定统筹兼顾的方法，形成协调的工具链和开发环境 工具的利用不受系统与地点的限制 应用接口的语义 对复杂系统中的需求进行跨学科的、持续的管理主要的里程碑5.4 课题领域：纵向集成和网络化的生产系统纵向集成是指对一个生产系统中不同层面 （ 例如促发器和传感器层面、控制层面、生产管理层面、制造执行层面、企业规划层面 ） 的信息技术系统进行集成，从而形成通用的解决5.4.1 课题：传感器网络研究与创新的内容分析传感

26、器数据的主要目的在于不断记录（ 技术） 流程的信息，这些信息要么作为控制和管理流程的基础，要么用于诊断或警告等。例如， 可以通过访问流程参数对其进行调整；或 通过诊断预报机器故障。其中，主要的挑战是如何把这些传感器连接起来并对它们产生的数据进行评估（ 特别是在临界的实时条件下 ） 。这个课题需要考虑的方面包括： 在实践中，如何通过大量的传感器采集实时数据 ? 哪里能进行有效的数据处理 ? 如何确定被测值与所产生效果之间的定性和定量的关系，并将其转化为（ 状态 ） 模型?研究与创新的预期成果在工业 4.0 的场景中， 应该建立一个框架， 以便于实施对不同状态的监测和控制。 对负 责传感器数据处理

27、的主要组件 （层面 ） 的访问应尽可能标准化。如果能够建立一个软件架构， 就不必掌握传感器物理层面的知识也能够访问传感器，尤其是在接入无线传感器时。 应该通过即插即用的方式实现图像化和交互式的调试和配置。即使不对每个应用进行单独开发， 也能使用更多的传感器数据流， 从而实现数据融合。 为了实现传感器网络的高度自主性， 应丰 富传感器的语义描述 （ 开发语义传感网络技术 ）。以下为这个课题的预期成果： 扩展和完善用于确定系统 / 生产状态的模型，这种模型用于推导有效的行动建议 生产流程的在线管理需要根据流程中循环的、有关流程产出质量的实时数据 为了保证质量，采用针对具体情况的、自适应的测量战略

28、建立一个跨领域的社区主要的里程碑5.4.2 课题：智能、柔性、可变性研究与创新的内容智能生产系统是自适应的， 也就是说这些系统基于集成模型知识与它们的环境相互作用 并自主地适应环境。 这些系统非常强大， 能够在不断变化的环境中应付系统开发者没有考虑 到的意外情况， 并且效率丝毫不受影响。 这些系统还具有前瞻性， 它们能根据经验知识预测 在不同影响因素下将产生的结果。 最后， 这些系统也是便于使用的， 它们不仅考虑到用户的 不同行为， 还考虑到了不同的信息需求并自主适应这一切。 柔性的意思是， 流程或系统中预 设且有限的路径中被事先考虑过了， 因此能满足各种不同的要求。 在生产环境中， 这意味着

29、 在生产不同产品时人员、机器、生产系统的协作。可变性是指，通过调整柔性路径的边界， 能够变更或者重组流程与系统中结构性的步骤。 在生产环境中， 这意味着可以轻松地重组一 台机器制造新产品及其变体的过程，或改变生产系统的结构。这个课题需要考虑的方面包括： 识别、形式化和描述对全球目标有直接和间接影响的柔性和可变性特征 对接口进行标准化，从而能够运用生产单元（模块 ）建立灵活可变的生产流程 社会、 伦理、 生态以及人体工程学方面的影响在生产环境中对自治系统实施工程和 测试时，要求自治系统的开发人员必须接受过相关的教育和培训。研究与创新的预期成果智能使产品和生产系统能够发挥新功能并减轻用户的负担：开

30、发、工程、 维护和生命周期管理等方面得以改进；产品和生产系统的可靠性、安全性和可用性得以提高；资源（ 比如能源和材料 ） 将被更高效地利用；生产流程与生产系统也具有极高的柔性和可变性。以下为这个课题的预期成果： 识别自治、 可再用的生产单元 （ 模块 ） ，并分析实施这些模块对工作模式的要求和影响 通过强大而可靠的算法获得集中的和分散的智能 智能系统在生产环境中协作的策略 直观人机交互的相关技术和应用实例 通过迁移策略实现柔性可变的生产主要的里程碑5.5 课题领域：工作中的新型社会基础设施工业 4.0 平台工作组 3（AG3） 根据自身的能力与经验， 仅能从技术的角度提出研发要求。 因此，本章

31、内容由德国科学顾问委员会撰写。5.5.1 课题：多模式辅助系统研究与创新的内容该课题是关于以人为本的人机交互界面的设计原则。人与技术交互方式的改变是工业 4.0 的内容之一：机器将适应人，而不是反过来由人适应机器。多模式的、界面友好的智能 工业辅助系统能够支持员工的工作，并且将数字化学习技术直接带到工作场所中去。在设计人机交互界面时需要考虑的因素包括： 输入 / 输出的清晰度 在恶劣环境下的能见度 可识别性，确保不发生混淆 适应任务的能力 自我描述能力 可控性 符合预期的可能性研究与创新的预期成果在工厂里， 应该在智能辅助系统的支持下形成协作式的新型工作模式。 增强现实、 二维 现实和同步多维

32、现实的方法和技术 （ 即传感器驱动的、 语义的工厂模型与真实工厂实时同步 ） 使高度复杂的组件能够进行协作式的远程操作（ 如故障排除 ） 。因此，工作模式将发生根本上的改变。 例如， 借助自适应的社会网络和社交媒体， 员工可以突破企业和受教育程度的限制 进行合作和协作。 因为在系统开发过程中针对特定目标员工群体进行了个性化设计， 所以这 些适应性强的交互系统能够考虑到不同员工的差异。以下为这个课题的预期成果： 运用集成虚拟人体模型来支持机械化生产流程的仿真 提供必要条件支持员工利用和获得经验知识， 这些条件也是稳定的系统操作的前提 确保系统状态对员工透明可见 保证所有员工能够接受培训O促进数字

33、化学习技术的使用O进一步开发数字化学习技术主要的里程碑5.5.2 课题：技术的接受度与工作设计研究与创新的内容生产员工接受工业 4.0 的前提在于：工业 4.0 为员工提供灵活的工作环境并能支持他们 发展创造与学习的能力。 “多模式辅助系统”将为此创造技术方面的前提条件。 这一课题的 其他研究重点还包括：技能发展和工作组织，适应工业 4.0 系统的工作工具的设计。这个课题需要考虑的方面包括： 对工业 4.0 的基本理解如下：它是一个社会技术系统，在这个系统中，技术、 组织 以及人员必须系统地相互协调。 工作设计应使员工获得能力的发展并拥有舒适健康的工作环境， 从而接受工业 4.0 员工和工会的

34、工作小组应参与决策过程研究与创新的预期成果企业应扩大员工的职责范围， 同时应完善他们获得知识的途径， 从而提升他们的素质和 技能。这样做的发点是为了能够形成协作式的新型生产工作模式。 此外，工业4.0 可以增加 生产工作的吸引力和应对未来技能人才短缺的问题。 最后，通过工作设计方面的措施， 可以 较好地解决劳动力老化的问题。以下为这个课题的预期成果： 提出对生产活动和任务进行设计的概念， 这一概念可以确保员工获得能力的发展并 拥有舒适健康的工作环境，从而接受工业 4.0 有关整合工作场所中计划、组织、执行和控制等一系列活动的建议 建立模型， 用于在要求较低的例行任务和要求较高的问题求解任务之间

35、取得适当平 衡 开发促进学习且能支持工作组织的工作工具 建立模型，用于展现相关员工和企业工会参与实施工业 4.0 的过程 主要的里程碑5.6 课题领域：工业 4.0 的通用技术本章的通用技术列表并不是详尽无遗的， 而是可扩展的。 为了技术进一步发展， 必须分 别强调各项通用技术在工业 4.0 中的重要性。5.6.1 课题：工业 4.0 场景中的网络通信研究与创新的内容这一课题研究信息物理融合系统 (CPS) 包含的各个固定组件和移动组件之间的网络通信。 正是在企业车间和后台系统的组件、 服务系统和生产系统中， 数据在相连的供应链和生命周 期各阶段进行交换。这个课题需要考虑的方面包括： 根据需求

36、在办公室和车间中利用无线通信 不同的无线和有线通信系统和个人专属系统的共存 不同无线通信系统的互操作性 在变化的系统配置中进行预测性的效果分析 产品被用于全球可用的生产线上 对有关带宽、确定性和实时性的要求进行管理 在可互操作的工程链中可扩展和一般性的应用 信息安全和作业安全研究与创新的预期成果为了满足工业 4.0 生产场景应用中的所有要求， 应该开发和评估跨领域的网络化和网络 接入解决方案。另外，发送功率、稳定性、保密性、安全性和可靠性的要求，以及经济可行 性和国际部署能力，都是这个课题的目标。以下为这个课题的预期成果： 通过标准化的解决方案提高工业 4.0 的成效和被接受程度， 这些解决方

37、案的标准考 虑到了互操作性、 可扩展性、 成本敏感性 （ 例如减少昂贵传感器的使用 ）和要求的可接受性等 目标。标准通过一定的机制评定，可用于一般的开发流程，不需要高成本的认证 （ 既非技术 驱动也非空间驱动），比如使用尽可能开放的认证方法（例如欧共体CE认证的“制造商自行申报”）。 对目前和未来的潜力进行评估O工业4.0场景中的开放网络O 无线局域（WLAN技术和备选技术方案，如蓝牙技术O工业4.0场景中的近场技术 明确特定的需求 无线电技术、开放网络的网络技术、专用解决方案以及备选方案的确定 建筑、工艺技术或基础设施 （ 能源、水、交通运输 ） 等应用领域主要的里程碑5.6.2 课题：微电

38、子技术研究与创新的内容在工业 4.0 中，信息物理融合系统用于智能地识别、 监测和操控生产与物流过程， 而微 电子技术是信息物理融合系统硬件的基础。 微电子技术为逐步实现工业 4.0 奠定基础。在此， 微电子技术具有特殊意义， 它既代表了“摩尔定律”， 也代表了“超越摩尔”。 在微电子技 术的发展过程中，系统集成技术 （例如：圆晶级芯片的 3D集成、自我诊断功能、能源效率 ） 起到关键作用。该课题的研究重点包括： 含传感器和促动器的微机电系统 （MEMS） 芯片上的嵌入式系统， 包括：专用处理器、 专用实时微控制器、 最低功耗的高性能 高科技多核架构存储器 用于高性能促动器系统的工业电子技术

39、无线电通信 （低功耗、低延迟 ） 能源收集带来尽可能高的收益 系统集成 嵌入式信息技术安全体系结构 鲁棒性与耐用性研究与创新的预期成果微电子技术是工业 4.0 中的关键技术之一， 有助于实现提高灵活性和生产率以及降低成 本的目标。 而专用电子硬件和智能软件之间的优化组合是实现上述目标的必要前提。 唯有开 发出适用的微电子组件和系统， 才能满足工业 4.0 场景的具体需求， 因此需要持续地研发微 电子技术。主要的里程碑5.6.3 课题：作业安全与信息安全“信息安全”是指保证工业 4.0 设备与系统中信息的可用性、完整性和机密性。因此， 保证信息安全是为了阻挡对设备及其功能产生影响的威胁， 尤其是

40、别有动机的攻击。 所有功 能的信息安全都应得到保障既指操作功能，也指监测功能和保护功能 （ 例如作业安全功 能）。“作业安全”则是指“功能性安全”， 即系统采取适当的措施使机器或设备的功能不会 对人或环境产生危害。 “作业安全”属于保护功能的一部分， 旨在保证机器或设备的可靠性。工业 4.0 的产品、组件和设备涉及下列安全性目标： 可用性和完整性 可靠性 专有技术保护 数据保护在工业 4.0 背景中，通过身份证明保证安全性十分重要。这个课题需要考虑的方面包括： 拟定评估潜在威胁和风险的方法，包括安全措施的成本效益分析 保护对外和对内的接口 保护生产设备中的通信系统 信息安全漏洞对设备可靠性的损

41、害 在数据保护中，法律法规与信息安全的相互作用 基于设计的信息安全 长期适用的安全解决方案 对攻击进行检测和分析同时还应考虑下列几点： 对相关的水平和垂直价值网络进行安全评估 对具体用例进行研究并将其尽快转化成可应用的成果，以表明研究的实用性 应考虑到与“人”有关的方面：透明度、可用性、用户接受度、数据保护 研究与创新的预期成果如今有各种各样安全标准和技术， 然而目前为止， 它们很少被应用到工业环境中。 其原 因是多方面的， 但最根本的原因在于， 自动化解决方案的主要目的不在于实现信息安全功能。 对于供应商而言， 用于保证信息安全的流程会增加开发和制造的成本， 并且不能使用现成的 知识。另外，

42、为操作人员设计的安全方案往往由于成本和接受度的问题而无法落实。为了提高各方面对安全方案的接受度， 并最终落实便于用户使用的方案， 方案开发者应 该提供能够轻松、高效地进行信息安全评估的方法。以下为这个课题的预期成果： 易于操作和使用的信息安全方法 可扩展的工业信息安全基础设施 开发出简单易用的方法和程序，用以评估工业 4.0 设备及其组件的信息安全属性。 可考虑采用即插即用的方法和自治、动态的配置 考虑到目前的信息安全水平无法抵御作业安全方面的残留风险， 应采取动态检测和 评估设备作业安全功能的方法。 为信息安全的标准化做好准备 拟定合理的安全措施目录， 以便应对安全漏洞带来的威胁， 例如参考

43、“计算机安全应急响应组”(CERT的方法主要里程碑有关“信息安全与作业安全”课题长期规划的里程碑， 即该课题涉及的方法论、 解决方 案和前提条件尚未提出。5.6.4 课题：数据分析研究与创新的内容数据分析的主要目的包括两方面： 一方面是数据分析可能产生 （ 新） 知识；另一方面是数 据分析可以得出“可操作的”建议，有助于支持人们的决策和机器的自主决策（ 在什么时候对什么人提供什么信息 ） ，这将帮助企业提高产品质量和生产效率并能够尽早发现潜在的不 利趋势。这一切都是新商业模式的基础。 为此，人们将采用预测性分析方法，该方法运用统 计学、机器学习和数据挖掘等基础技术。当前和历史的测量值以及来自社

44、交网络等来源的 “非结构化”数据将得到分析， 由此揭示目前尚不为人所知的事物之间的联系 （描述性分析 ） ， 同时可以据此评估未来系统行为及其影响（ 预测性分析 ） 。最终，新获得的知识不仅能用于评估不同的行动备选方案， 还能用于不断优化系统、 流程和策略 （规范性分析 ） 。然而，在数据 分析的基础上提出行动建议或是直接措施才是重大挑战。这个课题需要考虑以下几个方面： 数据处理 状态检测 预测性评估 提出建议研究与创新的预期成果应拟定进行数据分析所需的标准目录，以便于实施下列规则： 在不了解具体 （ 物理 ） 来源的情况下 （ 封装或虚拟化 ） 允许访问数据 采取即插即用的方法，通过标准化接

45、口集成新的数据源 利用跨领域价值网络中的数据 应建立广泛且能持续扩展的工艺基础，从而促使新应用场景的产生 提供法律保障 （ 什么人对什么数据以及由此产生的知识有什么权利 ）另外，软件架构和相应的接口应能够处理多个数据流 （即实现元层面的数据融合 ） ，而不 必针对各个应用场景进行单独开发。为此，应该拟定和实施相应的规则： 解释模型可用于描述当前状态和判断未来状态 应该开发能够高效且有效的应用程序和算法，用以分析不断增加的大量数据主要里程碑5.6.5 课题：工业 4.0 的句法和语义研究与创新的内容实现工业 4.0 场景的前提是操作主体 （ 如：人员、软件工具、软件智能体、控制系统、软件服务 ）

46、能够对参与对象 （ 例如机器、机械零件、产品和产品说明或是数字工厂相关资源）进行解释， 也就是说，操作主体能够识别并理解参与对象。为此， 必须以信息模型为基础描 述参与对象的相关特征， 例如在模型中设定相关的属性或符合对象角色的任务。 人们需要生 产环境中的 （数据）模型、系统模型、 解释模型、规划模型和组件模型， 才能在计算机中完成 上述过程。在这里，句法中包含了描述文件与数据的有效符号（ 如字母、数字、特殊字符、图形符号） ，同时说明了这些字符如何正确地相互连接成符号链。语义则通过给符号链或数据赋予意义， 建立符号与模型之间的关系， 这样我们才能从数 据中得出信息。 例如， 协议就是这样一

47、种关系。 一个协议文件中的某个字符串描述模型中的 某个属性， 协议文件还确切指出这些模型属性描述的是哪些特征， 以及这些特征可能有哪些 体现。研究与创新的预期成果该课题旨在为工业 4.0 场景开发一套形式化的、 计算机可处理的通用语义， 用以在应用 层面解释特定领域的“语言”，从而使所有对象和主体及其结合过程 （ 即流程、通信网络和 价值网络 ） 能够运用这些“语言”。这样做的目的是确保价值链上和价值链间的信息流畅通 无阻，以及消除现有的标准中的漏洞。 语义和句法是数据存储、传输和处理过程中实现跨企业互操作性的基本前提。 标准化的语义描述能够支持价值链的自优化和自动化 通用语义的开发使生命周期

48、各阶段模型的结合成为可能 （ 可对工程中的产品、流程 和资源进行语义描述 ） 有了句法和语义，就可以创建一般的工具或功能 语义和句法支持工业 4.0 组件的“即插即生产”功能， 并使其具备灵活性和适应性这个课题中的挑战包括：一方面，要尽快开发出工业 4.0 的句法和语义；同时，应尽可 能扩大其应用范围。主要里程碑5.7 课题之间的关系不同的研究课题并不是孤立存在， 而是相互关联的。 因此， 一个研究领域的最新成果将 会影响另一研究领域的活动。目前，工业 4.0 平台工作组 3 和德国科学顾问委员会运用 Gausemeier 教授的场景分析法，合作分析课题之间的相关性。分析结果将于今年公布，不

49、过目前已经能够确定，下列课题的研究成果对其他研究的成果有巨大的影响： “智能、柔性、可变性” “传感器网络” “价值网络的框架” “信息安全与作业安全”6. 参考体系结构、标准化与标准本章是多个机构12的合作研究成果，其中概括了工业4.0的参考体系结构，阐明了标 准化与标准的必要性。在合作研究过程中，工业4.0平台负责协调大量子工作组的活动，并确保不同组织和协会协同行动。以下介绍的大量研究成果是确保德国工业竞争力的重要一步。6.1引言工业4.0参考体系结构其中一个基本思路就是在一个共同的模型当中体现不同的方面。工厂内的纵向集成是指生产资料的网络化，例如自动化设备或服务的联网。产品和工件是在工业

50、4.0的背景下必须考虑的新方面， 相关的模型必需反映这一点。 工业4.0还涉及第二个 方面，价值链的整体工程意味着：在整个价值链中，有关一台生产设备或一个工件的所有技 术、管理和商业数据都被持久地保存，并且随时可以通过网络访问。工业4.0的第三个方面就是价值网络的横向集成，即跨越单个工厂的界限， 动态地组成价值网络，并且在一个共同的模型中体现上述这些方面。在这个模型中，控制回路以毫秒为周期进行采样，从商业问题求解的角度，描述共同的价值网络中多个工厂之间的动态协作。也就是说，要从不同应用领域的视角去理解，抓住其本质并统一体现在一个模型中。在研究工业 4.0 参考体系结构模型 (RAMI4.0)

51、的具体工作开始之前，有必要大致了解现 有的路径和方法。我们很快就发现，已经有一系列可用的路径，但它们通常只是针对工业 4.0 的局部内容，而不能从上述工业 4.0 完整视角出发。下面我们具体地探讨各个路径：通信层的实现路径： 过程控制标准统一框架 (OPC UA) ：基于 IEC 62541信息层的实现路径： 国际电工委员会“通用数据词典” (CDD)(IEC 61360 系列 /ISO 13584-42) 参考 eCIss 的属性、分类和工具 电子设备描述 (EDD) 现场设备工具 (FDT)功能和信息层的实现路径： 现场设备集成 (FDI) 作为集成技术整体工程的实现路径： Automat

52、ionML ProSTEP iViP eCIss( 属性 )第一步是对上述路径作基础测试， 看是否符合本章接下来介绍的参考体系结构。 本质上， 上述路径都是值得肯定的，但对具体概念和方法还需要进一步研究。6.2 工业 4.0 参考体系结构在工业 4.0 的讨论中会涉及到各种不同的利益群体： 从流程自动化到工厂自动化， 不同 产业采用不同的标准、 信息通信技术和自动化技术； 不同的协会和标准组织制定出各种标准， 例如：不同的协会包括德国信息技术、电信和新媒体协会(BITKOM)、德国机械设备制造业联合会(VDMA)德国电子电气制造商协会 (ZVEI)、德国工程师协会(VDI);不同的标准组织包

53、括国际电工委员会 (IEC) 、国际标准化组织 (ISO) 以及它们在德国的分支机构德国电气电 工信息技术委员会(DKE)和德国标准化学会(DIN)。为了就“哪些标准和用例在工业 4.0 中是必不可少的 ?”这个问题达成共识，必须建立 一个统一的参考体系结构模型，才能在此基础上讨论各种关系和细节。这项工作的最终成果就是工业 4.0 参考体系结构 (RAMI4.0) 。它包含了工业 4.0 的重要方面，补充了 IEC 62264 的层次结构：在底层补充了产品 /工 件层;在顶层补充了超越单个工厂的“互联世界”层面。横轴表示设备或产品的生命周期， 也体现了原型和实物之间的区别。 在六个层面之上，

54、最后结构化地描述了工业 4.0 组件中代 表信息技术的部分。因此，工业 4.0 参考体系结构模型的主要特点把生命周期和价值链以分层结构的方式结 合，用于定义工业 4.0 组件。 此外，这个模型中的层次结构还体现了工业 4.0 环境中极高的 柔性，并允许对各种功能进行封装。参考体系结构模型为描述和实施柔性生产的概念奠定基础。这个模型可以随着工业 4.0的发展做出调整，还能够针对有特殊规定和要求的应用领域进行定义。工业 4.0 参考体系结构模型将引入 DIN SPEC 91345 标准。6.2.1 要求与目标目标工业 4.0 是专门研究“物联网与服务互联网”的领域，该领域涉及大约 15 个产业。借

55、 助参考体系结构模型， 可以对任务和流程进行具体清晰的分解， 更直观地呈现真实情况， 从 而有助于对标准化与标准等问题进行有针对性的讨论。 在解决未来的问题时也要依据现有的 标准， 找出有待拓展或修改的地方。 原有标准中疏漏或重复多余之处也可以被发现， 然后进 行讨论研究。 如果不同标准模型中出现同样或类似的方面， 便可将其作为参考体系结构模型 中优先讨论的标准。这样做的目标是在可行的范围内尽可能地减少标准的数量。标准的达成选定的标准要经过检验， 看它们在多大程度上适合工业 4.0 应用场景中已有的方案和方 法。这些标准最初在工业 4.0 应用中实施时， 能够实施一个标准的部分内容已经足够。

56、这样 有利于引入和实施工业 4.0 所必需的跨制造商解决方案， 为小企业增加和创造机会， 从而帮 助它们快速实施和适应工业 4.0 。用例参考体系结构模型也可用于工业 4.0 用例的评价， 例如用于评价用例中必需用到的标准。确定研究课题的关系不同研究课题之间的关系在参考体系结构模型中形成多个空间结构（子空间 ） 。实施工业4.0 本质上就是理解和调整这种子空间的关系。定义更高层面的规则参考体系结构模型可用于定义更高层面的工业 4.0 实施规则。目标概述： 建立直观简洁的参考体系结构模型 检验现有的标准发现并弥补标准中的漏洞 找出标准中重复多余的部分并确定首选的解决方案尽可能减少标准的数量找出不同标准中重复的部分，把它作为工业4.0中优先实施的内容确定用例的内容确定不同课题之间的关系定义更高层面的规则22 在德国工程师协会(VDI)和德国电气工程师协会(VDE)组建的计量方法与自动化技术 委员会(GMA)中的专家是我