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.很可能能建立以人为为本的工作组组织形式，这这种工作组织织形式也可称称为自组织和和自治。尤其其有可能出现现适合老年人人的工作组织织形式。2.工业44.0作为一一套社会技术术系统，为拓拓展员工的工工作范围、提提高员

2、工的素素质和技能、大大幅提高员工工的知识水平平提供了机会会。3.促进学学习的工作设设备(学习工工具)和有利利于沟通的工工作方式(实实践社区)会会提高教学效效率；而员工工不断提高信信息技术能力力有助于在继继续教育中补补充新内容。4.把简单单易用且能促促进学习的设设备作为学习习工具，能够够自然而然地地把设备的功功能传授给用用户。技术5.工业44.0的系统统对于用户来来说简单易用用而且操作直直观。这些系系统可以促进进学习并给出出可靠的反馈馈。6.通用的的、公开的解解决方案模板板允许多个参参与者共同设设计、实施和和操作工业44.0系统(基于设计的的工业4.00)。7.产品和和业务流程的的网络化和个个性

3、化会带来来复杂性。可可以通过建模模、仿真、自自组织对这种种复杂性进行行管理，更快快速的分析可可以扩大求解解空间，并更更快地确定解解决方案。8.能够对对资源有效性性和资源效率率进行持续的的规划、实施施、监控和自自动优化。9.智能产产品是良好的的信息载体，能能对各个生命命周期阶段进进行定位和识识别。10.同样样，系统组件件可在内部对对生产资料进进行寻址和识识别。工业44.0的系统统组件支持生生产系统和生生产流程的虚虚拟规划。11.新型型的系统组件件是可更换的的，并且具有有功能兼容性性。12.系统统组件提供的的功能本身作作为一种服务务，可供外部部访问。13.只有有创造一种新新型的安全文文化，才能最最

4、终建立可靠靠、灵活、受受欢迎的“工工业4.0”系系统。组织14.新的的和现有的价价值网络通过过集成产品设设计、生产过过程和服务过过程获得增值值，并使分工工得以动态调调整。15.合作作和竞争促使使企业管理和和法律发生结结构性转变。16.有效效的法律框架架反映了对应应的系统结构构和业务流程程。新的法律律解决方案将将可能产生新新的协议模式式。17.工业业4.0的发发展有利于协协调区域性的的和发展中市市场的价值创创造。为了开展上上述课题的研研究，工业44.0平台在在2014年年汉诺威工业业博览会上发发表的工业业4.0研发发课题白皮书书介绍了上上述多个课题题领域及其内内容和目标。另另外还粗略制制定了完成

5、这这些课题的时时间计划。课课题领域及其其时间计划(详见第4章章和第5章)有工业4.0平台工作作小组拟定。4 工业4.0实施战略略为了加强德德国的经济地地位，工业44.0平台制制定了工业44.0的实施施战略。一方方面制定出工工业4.0技技术、标准、商商业模式和组组织模式等方方面的跨部门门实施方法；另一方面，加加强大学和研研究机构与中中小企业和工工业企业的紧紧密合作，推推动工业4.0的实施。实施工业44.0的目标标是，创造新新的价值链和和价值网络，并并不断加强它它们的数字化化程度，最终终实现自动化化。图1列出出工业4.00实施战略的的核心模块和和相关课题领领域，其中核核心模块包括括： 研究究与创新

6、 参考考体系结构、标标准化与标准准 网络络化系统的安安全性 建立立法律框架除“建立法法律框架”以以外，其他核核心模块的相相关内容由工工业4.0平平台的具体工工作组拟定。而而“建立法律律框架”模块块的工作则是是由德国工业业联合会(BBDI)工作作组来承担。在“研究与与创新”这个个核心模块，工工业4.0平平台与德国科科学顾问委员员会共同制定定了实施工业业4.0所需需的“研究与与创新路线图图”，并从德德国工业的视视角出发协调调和推动创新新和研究活动动。以下是几几个最重要的的相关课题领领域(详见第第5章)： 价值值网络的横向向集成：这个个领域的重点点在于加强跨跨企业的合作作(包括供应应商、中小企企业、

7、制造企企业等)，其其中包括建立立新商业模式式的各个方面面和各种方法法。 全生生命周期工程程的连贯性：这个领域的的中心课题是是“基于产品品生命周期管管理(PLMM)的工程”。在在这个课题中中，要将产品品设计和生产产设计结合起起来，从而实实现对整个价价值创造过程程的持续支持持。这就要求求对系统工程程、建模和仿仿真中的技术术要素进行综综合性的考虑虑。 纵向向集成与网络络化的生产系系统：这个领领域的中心课课题是生产的的网络化，而而生产的网络络化能否实现现往往取决于于能否满足实实时的要求。课课题重点包括括：确保必要要的应变能力力和生产技术术的安全性(例如，通过过信息冗余和和容错达到安安全要求)。这这既需

8、要进一一步开发相关关组件和系统统(例如传感感器网络)，还还需要深入研研究预测性分分析等方法。工作中的的新型社会性性基础设施：“人”永远远是工业4.0成功的决决定性因素。因因此，积极推推动工作场所所的变革，给给予所有参与与者(包括工工会和雇主组组织)支持和和鼓励，都具具有重大的意意义。除了改改革和完善培培训和继续教教育方面，还还需要在技术术方面作出改进，如如采用新型的的人机系统和和通用的辅助助系统。 不断断开发通用技技术：为了实实现工业4.0，需要为为实施各种技技术创造条件件，确切来讲讲是需要在工工业应用中结结合不同技术术。重要的技技术包括网络络通讯、宽带带网络、云计计算、数据分分析、网络安安全

9、、安全的的终端设备，以以及机对机的的解决方案(包括语义学学)。“参考体系系结构、标准准化与标准”这这个核心模块块的目标是在在标准的运用用和制定的基基础上，构建建一个适用于于所有解决方方案的参考体体系结构。(详见第6章章)在“网络化化系统的安全全性”这个核核心模块中，应应该在示范性性价值链的基基础上，研究究用于保证横横向网络(客客户和供应商商)和纵向网网络(企业内内部)中信息息技术安全的的概念。这将将有助于确定定一般性的安安全要求和信信息安全原则则(详见第77章)。要成成功设计出迭迭代的流程，涉涉及到研究和和标准化两个个方面，而创创建工业4.0参考体系系结构正好促促进了这两方方面的发展。“法律框

10、架架”这个核心心模块中的课课题主要解决决如何合法地地建立新生产产流程和横向向业务网络的的问题。其中中，合同法(自动化价值值链中动态的的合同缔结)、企业数据据保护、数字字资产的处理理、赔偿责任任问题以及个个人信息处理理都是极具挑挑战性的课题题。5.研究与创新新5.1 序言工业4.00平台致力于于将工业4.0领域的研研究活动进行行梳理和整合合，并据此对对研究议程进进行结构化和和优先级排序序。本章将以以上述工业44.0平台拟拟定的研究议议程作为依据据，阐述工业业4.0研究究路线图的相相关内容。另另外，工业44.0平台将将可能为随后后的研究工作作提供充足且且具有国际竞竞争力的资金金预算。这可可以为参与

11、其其中的企业提提供更多资源源，同时为有有针对性地解解决实施工业业4.0过程程中遇到的问问题创造重要要条件。此外，政府府必须通过适适当的措施和和融资工具(顶尖集群、示示范实验室、示示范设施、示示范工厂等等等)支持、投投资和规范企企业与研究机机构之间、不不同规模的企企业之间以及及不同部门之之间的进一步步联网和合作作。由于不同的的企业对不同同的领域感兴兴趣并且有不不同的期望，很很难确定单一一确切的工业业4.0愿景景。因此，在在国家主导下下实施预设的的路线图并不不能最终实现现工业4.00。确切地说说，一系列具具体应用场景景的实现(包包括对实施工工业4.0的的效益和价值值创造潜力进进行分析)将将带来渐进

12、式式发展，而工工业4.0将将会是这些发发展的结果。理理想情况下，德德国联邦政府府应该考虑对对更为务实的的计划给予支支持。这些支支持有助于确确立完整的创创新路径：从从探讨新方法法和新技术，到到利用大学附附近的演示设设备，再到建建设试点工厂厂。本章将以德德国科学顾问问委员会的课课题为基础概概述工业4.0的“研究究与创新”这这个核心模块块。早在20014年的汉汉诺威工业博博览会上，这这些课题的初初步成果便被被发表于工工业4.0研研发课题白皮皮书之中。在在此之后还针针对指定的相相关课题开展展进一步的研研究工作。随随后，在20015年2月月发布了修订订版(修订工工作由工业44.0平台负负责，修订版版中对

13、各个课课题领域进行行了更详细的的介绍，而本本报告仅涉及及当中的部分分内容)。同同时在20115年的上半半年也出版了了工业4.0研发课题题白皮书的的新版本，当当中更详细地地探讨了这些些课题。下面简要概概括所有的课课题，包括：(1)研究究与创新的内内容概述；(2)预期成成果；(3)主要的里程程碑。5.2 课题领域：价值网络的的横向集成横向集成是是指对用于支支持或实施不不同价值创造造过程(比如如生产、物流流、营销、管管理、服务)的不同信息息技术系统的的集成。横向向集成是制造造企业内部和和不同企业之之间一种普遍遍适用的解决决方案。5.2.11 课题：创建新商业业模式的方法法 研研究与创新的的内容商业模

14、式简简要描述了一一家企业如何何运作和如何何进行价值创创造，即抽象象地描述这家家企业和哪些些合作伙伴、在在哪些市场、针针对哪些顾客客群、怎样获获得收入等问问题。在工业业4.0背景景下，由于新新的价值创造造过程催生了了新业务，也也由于价值网网络中分工的的变化，新的的商业模式将将在企业中产产生。这个课题需需要考虑的方方面包括： 进入入市场策略(GTMs) 分析析需求、创造造需求和评估估潜力的方法法 支付付模式与结算算模式 针对对网络中的每每个参与者的的效益评估与与风险评估 法律律方面 激励励与认可制度度 研研究与创新的的预期成果人们一致认认为，商业模模式是可持续续地发挥跨企企业网络的潜潜力的先决条条

15、件。创建新新商业模式的的方式方法应应相互结合并并加以完善，尤尤其应该系统统化地理解和和掌握不同部部门得出的最最佳实践和经经验，然后将将其转化到生生产上，并且且分析由此产产生的效果。在在此过程中，应应仔细观察价价值网络中的的不同角色。以下为这个个课题的预期期成果： 根据据最佳实践拟拟定示范性的的、针对价值值网络中不同同供应商角色色的进入市场场策略 根据据实施工业44.0的需求求，从价值网网络的各个方方面考虑创建建新商业模式式的适用方法法 示范范性的支付、结结算和许可模模式 评估估工业4.00典型效益和和相关风险的的指南 法律律方面的指南南，除此以外外还应明确软软件即服务(SaaS)和平台即服服务

16、(PaaaS)的服务务水平协议(SLA)所涉及的责责任问题。 主主要的里程碑碑5.2.22 课题：价值网络的的框架 研研究与创新的的内容价值网络是是以各个价值值创造阶段及及相应技术之之间的关系为为基础建立的的系统。每个个价值创造阶阶段都由自主主、合法且独独立的价值网网络参与者完完成。他们通通过自身所处处的价值网络络形成了复杂杂的、相互的的紧密关系，同同时他们建立立起了一个价价值创造伙伴伴关系的利益益共同体，这这一共同体致致力于获得可可持续的经济济增值。这个课题需需要考虑的方方面包括： 新型型价值网络形形成的前提条条件、驱动力力与结果 信息息物理融合系系统平台在增增值中扮演重重要角色，即即作为价

17、值网网络的集成者者 业务务上潜在的问问题以及由此此造成的后果果 价值值网络的组织织形式、不同同的组成部分分及其角色，还还有价值网络络的合理实施施2 研究与与创新的预期期成果在客户、供供应商、合作作伙伴和市场场加强参与价价值网络的背背景下，为了了阐明诸如(新)商业战战略、商业模模式与商业流流程这样的课课题，应拟定定实施价值网网络的方案并并且将其应用用在试点项目目中。为此，应应该制定具体体的示范性商商业计划，并并收集相关的的规划经验。这这些商业计划划和经验将被被公布，而这这正是构建支支持价值网络络的信息物理理融合系统平平台所必需的的。以下为这个个课题的预期期成果： 在生生产中灵活地地集成价值网网络

18、 从价价值网络伙伴伴及其客户的的角度，提出出分析和评估估经济潜力与与技术潜力的的方法 动员员中小企业参参与到价值网网络的合作中中 发掘掘新商机 建立立双赢的价值值网络伙伴关关系以及可持持续的、“集集成”的商业业模式 主主要的里程碑碑5.2.33 课题：价值网络的的自动化 研研究与创新的的内容价值创造过过程的自动化化可使横向集集成的自动化化程度得到提提高。其中需需要重点研究究价值创造过过程中可以实实现自动化的的阶段，即可可以与“数字字世界”融合合的阶段。这个课题需需要考虑的方方面包括： 信息息流的连贯性性 运用用建模、计算算、仿真和优优化的方法 对产产品生命周期期管理(PLLM)、先进进生产计划

19、与与调度(APPS)、制造造执行系统(MES)、供供应链管理(SCM)和和企业资源规规划(ERPP)这些系统统的应用进行行集成 全员员参与，作为为全球价值流流中的创造性性实践者 构建建人机界面 培训训措施和迁移移过程的关系系 研研究与创新的的预期成果价值创造过过程应该有效效、灵活并且且具有较高的的可预见性，而而人们应该从从毫无创造性性的工作中解解放出来。达达到这个目标标的关键是生生产率、资源源效率以及自自动化程度的的提高。通过过不断提高复复杂规划过程程中每一环节节的自动化程程度，可根据据全球目标对对价值链、价价值网络和业业务进行优化化。在此过程程中，应顾及及到其中的各各种关系并达达到协同效应应

20、。最终，通通过集成分层层的流程以及及使部分流程程实现同步或或自主运行来来实现上述目目标。以下为这个个课题的预期期成果： 得出出能够直接或或者间接描述述所有业务流流程的关系和和相关性的方方法论(业务务流程包括企企业资源计划划、产品生命命周期管理、先先进生产计划划与调度、制制造执行系统统等)。 建立立统一的目标标层次体系。所所有根据该全全球目标开展展的活动和流流程所产生的的影响将以此此为参照。 根据据上述目标层层次体系，从从达成最佳全全球目标的角角度出发，设设计与组织最最优的流程与与活动。 易于于应用与集成成且能够自我我描述的模块块。 可以以通过简单、直直观的演示和和连续仿真的的能力来支持持用户的

21、工具具和程序。 主主要的里程碑碑5.3 课题题领域：全生生命周期工程程的连贯性产品生命周周期指的是一一个产品的开开发过程以及及与生产系统统有关的工程程。产品由生生产系统负责责生产，然后后交付用户使使用，最终被被回收。人们们应该将整个个生命周期中中有关产品的的所有信息联联系起来。5.3.11 课题：现实世界与与虚拟世界的的结合 研研究与创新的的内容现实世界与与虚拟/数字字世界的相互互作用是工业业4.0的核核心。所有物物体都有一个个数字化的映映像(模型)。在模型中中，我们通常常用亟待解决决的问题及其其决策过程的的特征来刻画画现实世界。虚虚拟/数字世世界的要素是是仿真模型、规规划模型和解解释模型。此

22、此外，协同建建模能够在不不同的尺度上上对两个世界界的界面进行行观察。从根本上讲讲，规划模型型是构建复杂杂系统的基础础。人们借助助解释模型分分析这些复杂杂系统并将分分析转化为最最终的解决方方案和决策。就就这方面而言言，虚拟世界界通过上述两两个模型对现现实世界的构构建具有重大大影响。与此此同时，构建建模型时需要要估计现实世世界的客观条条件、要求和和目标并且评评估其对虚拟拟世界产生的的影响。在机械设备备制造中，需需要有与生产产建模理论相相关的科学基基础。经过验验证的、结合合了计算机科科学基础技术术的理论、描描述方式和方方法将通过适适当的调整、拓拓展和结合，便便能广泛应用用到各种工艺艺中，从而得得到进

23、一步加加强。在这个个过程中，对对现有的、针针对特定领域域的工作方法法与软件工具具进行适当的的集成起到关关键作用。这个课题需需考虑的方面面包括： 在构构建建模理论论的基础时，需需要回答下列列问题：“什什么是好的模模型?”(包包括不确定性性评估)、“我我怎么能找到到适合的模型型?”、“我我在数字世界界中和现实世世界中各能实实现什么?”和和“如何在虚虚拟世界和现现实世界之间间搭建界面?”。另外，现现有模型也必必须纳入考虑虑范围之内。 在建建模理论中，必必须在已定义义语义的基础础上把概念和和指导思想确确定下来，例例如：抽象概概念、普遍性性、视角、相相关性、类型型和案例、模模块化、深度度建模和模型型驱动

24、的体系系结构。 建模模的经济可行行性：除了因因建模过程本本身的成本，还还应考虑在全全生命周期中中使用模型的的成本。人们们对模型如何何能在其生命命周期内“共共同成长”这这一问题十分分感兴趣。此此外，通过保保留参考数据据增加现有数数据源有利于于日后持续对对相关方面的的系统归纳。 研研究与创新的的预期成果在生产领域域中，建模的的长期目标是是通过建立反反映生产企业业能力的、有有针对性的、双双向的经济模模型，使虚拟拟世界的要素素能够在较高高的语义层面面上、跨学科科地与真实世世界联系，从从而大幅提高高内部指令处处理的效率和和决策的安全全性。为此，人人们对机械制制造、电气工工程和计算机机科学的模型型有一致的

25、理理解是必要的的基础。以下为这个个课题的预期期成果： 建模模理论包括由由(自动化的的所有层面上上的)工具、数数据流或信息息流衍生出来来的要求 证明明经济可行性性和进行案例例研究的方法法 可行行的建模规则则 有工工具支持的一一般性元模型型 主主要的里程碑碑5.3.22 课题：系统工程 研研究与创新的的内容系统工程是是用于技术系系统开发的、通通用的跨领域域学科(涉及及各个方面)。系统工程程主要用于开开发跨学科系系统，它体现现了所有研发发活动的整体体水平。这个课题需需要考虑的方方面包括： 对产产品、流程以以及生产系统统进行综合开开发。从开发发的最初阶段段就必须考虑虑到各个方面面紧密的相互互作用，并在

26、在市场周期中中不断完善产产品。 在早早期阶段对设设计决策进行行测试与验证证，同时要考考虑到哪些预预期的机械化化和电气化功功能随后会由由硬件、软件件或者服务实实现。 所有有相关数据和和流程可用于于不同系统(子系统、机机器/流程、生生产设备、工工厂)和不同同企业，从而而为建立可扩扩展的系统做做好准备。 设备备与系统的模模块化和再利利用有助于管管理日益增加加的复杂性和和可扩展性。 设备备和系统被用用于开发、工工程或操作的的过程，应通通过这个使用用过程收集经经验。 使用用系统工程的的方法有助于于形成具有互互操作性的工工程链。该工工程链可以安安全地用于工工程系统、仿仿真系统和企企业目前使用用的各类系统统

27、(例如用作作数据交换、演演示模型和访访问方式)。该该工程链还可可以形成不同同的版本，应应用于各种商商业模式中(例如授权许许可、结算系系统)。 研研究与创新的的预期成果系统工程的的目标是把跨跨学科整体设设计复杂系统统的方法融入入到机械、电电子、软件、设设备制造和工工艺等相关技技术领域现有有的开发方法法和工具环境境中，最终实实现对这些开开发方法和工工具环境的改改进。企业，尤其其是中小企业业应该广泛采采用系统工程程来提高协作作能力，以便便管理工业44.0系统日日益增加的复复杂性。这使使人们能够在在工程网络与与生产网络中中高效且有效效地开展项目目。以下为这个个课题的预期期成果： 制定定统筹兼顾的的方法

28、，形成成协调的工具具链和开发环环境 工具具的利用不受受系统与地点点的限制 应用用接口的语义义 对复复杂系统中的的需求进行跨跨学科的、持持续的管理 主主要的里程碑碑5.4 课题题领域：纵向向集成和网络络化的生产系系统纵向集成是是指对一个生生产系统中不不同层面(例例如促发器和和传感器层面面、控制层面面、生产管理理层面、制造造执行层面、企企业规划层面面)的信息技技术系统进行行集成，从而而形成通用的的解决方案。5.4.11 课题：传感器网络络 研研究与创新的的内容分析传感器器数据的主要要目的在于不不断记录(技技术)流程的的信息，这些些信息要么作作为控制和管管理流程的基基础，要么用用于诊断或警警告等。例

29、如如，可以通过过访问流程参参数对其进行行调整；或通通过诊断预报报机器故障。其中，主要要的挑战是如如何把这些传传感器连接起起来并对它们们产生的数据据进行评估(特别是在临临界的实时条条件下)。这个课题需需要考虑的方方面包括： 在实实践中，如何何通过大量的的传感器采集集实时数据? 哪里里能进行有效效的数据处理理? 如何何确定被测值值与所产生效效果之间的定定性和定量的的关系，并将将其转化为(状态)模型型? 研研究与创新的的预期成果在工业4.0的场景中中，应该建立立一个框架，以以便于实施对对不同状态的的监测和控制制。对负责传传感器数据处处理的主要组组件(层面)的访问应尽尽可能标准化化。如果能够够建立一个

30、软软件架构，就就不必掌握传传感器物理层层面的知识也也能够访问传传感器，尤其其是在接入无无线传感器时时。应该通过过即插即用的的方式实现图图像化和交互互式的调试和和配置。即使使不对每个应应用进行单独独开发，也能能使用更多的的传感器数据据流，从而实实现数据融合合。为了实现现传感器网络络的高度自主主性，应丰富富传感器的语语义描述(开开发语义传感感网络技术)。以下为这个个课题的预期期成果： 扩展展和完善用于于确定系统/生产状态的的模型，这种种模型用于推推导有效的行行动建议 生产产流程的在线线管理需要根根据流程中循循环的、有关关流程产出质质量的实时数数据 为了了保证质量，采采用针对具体体情况的、自自适应的

31、测量量战略 建立立一个跨领域域的社区 主主要的里程碑碑5.4.22 课题：智能、柔性性、可变性 研研究与创新的的内容智能生产系系统是自适应应的，也就是是说这些系统统基于集成模模型知识与它它们的环境相相互作用并自自主地适应环环境。这些系系统非常强大大，能够在不不断变化的环环境中应付系系统开发者没没有考虑到的的意外情况，并并且效率丝毫毫不受影响。这这些系统还具具有前瞻性，它它们能根据经经验知识预测测在不同影响响因素下将产产生的结果。最最后，这些系系统也是便于于使用的，它它们不仅考虑虑到用户的不不同行为，还还考虑到了不不同的信息需需求并自主适适应这一切。柔柔性的意思是是，流程或系系统中预设且且有限的

32、路径径中被事先考考虑过了，因因此能满足各各种不同的要要求。在生产产环境中，这这意味着在生生产不同产品品时人员、机机器、生产系系统的协作。可可变性是指，通通过调整柔性性路径的边界界，能够变更更或者重组流流程与系统中中结构性的步步骤。在生产产环境中，这这意味着可以以轻松地重组组一台机器制制造新产品及及其变体的过过程，或改变变生产系统的的结构。这个课题需需要考虑的方方面包括： 识别别、形式化和和描述对全球球目标有直接接和间接影响响的柔性和可可变性特征 对接接口进行标准准化，从而能能够运用生产产单元(模块块)建立灵活活可变的生产产流程 社会会、伦理、生生态以及人体体工程学方面面的影响在生生产环境中对对

33、自治系统实实施工程和测测试时，要求求自治系统的的开发人员必必须接受过相相关的教育和和培训。2 研究与与创新的预期期成果智能使产品品和生产系统统能够发挥新新功能并减轻轻用户的负担担：开发、工工程、维护和和生命周期管管理等方面得得以改进；产产品和生产系系统的可靠性性、安全性和和可用性得以以提高；资源源(比如能源源和材料)将将被更高效地地利用；生产产流程与生产产系统也具有有极高的柔性性和可变性。以下为这个个课题的预期期成果： 识别别自治、可再再用的生产单单元(模块)，并分析实实施这些模块块对工作模式式的要求和影影响 通过过强大而可靠靠的算法获得得集中的和分分散的智能 智能能系统在生产产环境中协作作的

34、策略 直观观人机交互的的相关技术和和应用实例 通过过迁移策略实实现柔性可变变的生产 主主要的里程碑碑5.5 课题领域：工作中的新新型社会基础础设施工业4.00平台工作组组3(AG33)根据自身身的能力与经经验，仅能从从技术的角度度提出研发要要求。因此，本本章内容由德德国科学顾问问委员会撰写写。5.5.11 课题：多模式辅助助系统 研研究与创新的的内容该课题是关关于以人为本本的人机交互互界面的设计计原则。人与与技术交互方方式的改变是是工业4.00的内容之一一：机器将适适应人，而不不是反过来由由人适应机器器。多模式的的、界面友好好的智能工业业辅助系统能能够支持员工工的工作，并并且将数字化化学习技术

35、直直接带到工作作场所中去。在设计人机机交互界面时时需要考虑的的因素包括： 输入入/输出的清清晰度 在恶恶劣环境下的的能见度 可识识别性，确保保不发生混淆淆 适应应任务的能力力 自我我描述能力 可控控性 符合合预期的可能能性 研研究与创新的的预期成果在工厂里，应应该在智能辅辅助系统的支支持下形成协协作式的新型型工作模式。增增强现实、二二维现实和同步步多维现实的的方法和技术术(即传感器器驱动的、语语义的工厂模模型与真实工工厂实时同步步)使高度复复杂的组件能能够进行协作作式的远程操操作(如故障障排除)。因因此，工作模模式将发生根根本上的改变变。例如，借借助自适应的的社会网络和和社交媒体，员员工可以突

36、破破企业和受教教育程度的限限制进行合作作和协作。因因为在系统开开发过程中针针对特定目标标员工群体进进行了个性化化设计，所以以这些适应性性强的交互系系统能够考虑虑到不同员工工的差异。以下为这个个课题的预期期成果： 运用用集成虚拟人人体模型来支支持机械化生生产流程的仿仿真 提供供必要条件支支持员工利用用和获得经验验知识，这些些条件也是稳稳定的系统操操作的前提 确保保系统状态对对员工透明可可见 保证证所有员工能能够接受培训训 促进数数字化学习技技术的使用 进一步步开发数字化化学习技术 主主要的里程碑碑5.5.2 课题：技技术的接受度度与工作设计计 研研究与创新的的内容生产员工接接受工业4.0的前提在

37、在于：工业44.0为员工工提供灵活的的工作环境并并能支持他们们发展创造与与学习的能力力。“多模式式辅助系统”将将为此创造技技术方面的前前提条件。这这一课题的其其他研究重点点还包括：技技能发展和工工作组织，适适应工业4.0系统的工工作工具的设设计。这个课题需需要考虑的方方面包括： 对工工业4.0的的基本理解如如下：它是一一个社会技术术系统，在这这个系统中，技技术、组织以以及人员必须须系统地相互互协调。 工作作设计应使员员工获得能力力的发展并拥拥有舒适健康康的工作环境境，从而接受受工业4.00 员工工和工会的工工作小组应参参与决策过程程 研研究与创新的的预期成果企业应扩大大员工的职责责范围，同时时

38、应完善他们们获得知识的的途径，从而而提升他们的的素质和技能能。这样做的的发点是为了了能够形成协协作式的新型型生产工作模模式。此外，工工业4.0可可以增加生产产工作的吸引引力和应对未未来技能人才才短缺的问题题。最后，通通过工作设计计方面的措施施，可以较好好地解决劳动动力老化的问问题。以下为这个个课题的预期期成果： 提出出对生产活动动和任务进行行设计的概念念，这一概念念可以确保员员工获得能力力的发展并拥拥有舒适健康康的工作环境境，从而接受受工业4.00 有关关整合工作场场所中计划、组组织、执行和和控制等一系系列活动的建建议 建立立模型，用于于在要求较低低的例行任务务和要求较高高的问题求解解任务之间

39、取取得适当平衡衡 开发发促进学习且且能支持工作作组织的工作作工具 建立立模型，用于于展现相关员员工和企业工工会参与实施施工业4.00的过程 主主要的里程碑碑5.6 课课题领域：工工业4.0的的通用技术本章的通用用技术列表并并不是详尽无无遗的，而是是可扩展的。为为了技术进一一步发展，必必须分别强调调各项通用技技术在工业44.0中的重重要性。5.6.11 课题：工业4.00场景中的网网络通信 研研究与创新的的内容这一课题研研究信息物理理融合系统(CPS)包包含的各个固固定组件和移移动组件之间间的网络通信信。正是在企企业车间和后后台系统的组组件、服务系系统和生产系系统中，数据据在相连的供供应链和生命

40、命周期各阶段段进行交换。这个课题需需要考虑的方方面包括： 根据据需求在办公公室和车间中中利用无线通通信 不同同的无线和有有线通信系统统和个人专属属系统的共存存 不同同无线通信系系统的互操作作性 在变变化的系统配配置中进行预预测性的效果果分析 产品品被用于全球球可用的生产产线上 对有有关带宽、确确定性和实时时性的要求进进行管理 在可可互操作的工工程链中可扩扩展和一般性性的应用 信息息安全和作业业安全 研研究与创新的的预期成果为了满足工工业4.0生生产场景应用用中的所有要要求，应该开开发和评估跨跨领域的网络络化和网络接接入解决方案案。另外，发发送功率、稳稳定性、保密密性、安全性性和可靠性的的要求，

41、以及及经济可行性性和国际部署署能力，都是是这个课题的的目标。以下为这个个课题的预期期成果： 通过过标准化的解解决方案提高高工业4.00的成效和被被接受程度，这这些解决方案案的标准考虑虑到了互操作作性、可扩展展性、成本敏敏感性(例如如减少昂贵传传感器的使用用)和要求的的可接受性等等目标。标准准通过一定的的机制评定，可可用于一般的的开发流程，不不需要高成本本的认证(既既非技术驱动动也非空间驱驱动)，比如如使用尽可能能开放的认证证方法(例如如欧共体CEE认证的“制制造商自行申申报”)。 对目目前和未来的的潜力进行评评估 工业44.0场景中中的开放网络络 无线局局域(WLAAN)技术和和备选技术方方案

42、，如蓝牙牙技术 工业44.0场景中中的近场技术术 明确确特定的需求求 无线电电技术、开放放网络的网络络技术、专用用解决方案以以及备选方案案的确定 建筑、工工艺技术或基基础设施(能能源、水、交交通运输)等等应用领域 主主要的里程碑碑5.6.22 课题：微电子技术术 研研究与创新的的内容在工业4.0中，信息息物理融合系系统用于智能能地识别、监监测和操控生生产与物流过过程，而微电电子技术是信信息物理融合合系统硬件的的基础。微电电子技术为逐逐步实现工业业4.0奠定定基础。在此此，微电子技技术具有特殊殊意义，它既既代表了“摩摩尔定律”，也也代表了“超超越摩尔”。在在微电子技术术的发展过程程中，系统集集成

43、技术(例例如：圆晶级级芯片的3DD集成、自我我诊断功能、能能源效率)起起到关键作用用。该课题的研研究重点包括括： 含传传感器和促动动器的微机电系统(MEMS) 芯片片上的嵌入式式系统，包括括：专用处理理器、专用实实时微控制器器、最低功耗耗的高性能高高科技多核架架构存储器 用于于高性能促动动器系统的工工业电子技术术 无线线电通信(低低功耗、低延延迟) 能源源收集带来尽尽可能高的收收益 系统统集成 嵌入入式信息技术术安全体系结结构 鲁棒棒性与耐用性性 研研究与创新的的预期成果微电子技术术是工业4.0中的关键键技术之一，有有助于实现提提高灵活性和和生产率以及及降低成本的的目标。而专专用电子硬件件和智

44、能软件件之间的优化化组合是实现现上述目标的的必要前提。唯唯有开发出适适用的微电子子组件和系统统，才能满足足工业4.00场景的具体体需求，因此此需要持续地地研发微电子子技术。 主主要的里程碑碑5.6.3 课题：作业业安全与信息息安全研究与与创新的内容容“信息安全全”是指保证证工业4.00设备与系统统中信息的可可用性、完整整性和机密性性。因此，保保证信息安全全是为了阻挡挡对设备及其其功能产生影影响的威胁，尤尤其是别有动动机的攻击。所所有功能的信信息安全都应应得到保障既指操作作功能，也指指监测功能和和保护功能(例如作业安安全功能)。“作业安全全”则是指“功功能性安全”，即即系统采取适适当的措施使使机

45、器或设备备的功能不会会对人或环境境产生危害。“作作业安全”属属于保护功能能的一部分，旨旨在保证机器器或设备的可可靠性。工业4.00的产品、组组件和设备涉涉及下列安全全性目标： 可用用性和完整性性 可靠靠性 专有有技术保护 数据据保护在工业4.0背景中，通通过身份证明明保证安全性性十分重要。这个课题需需要考虑的方方面包括： 拟定定评估潜在威威胁和风险的的方法，包括括安全措施的的成本效益分分析 保护护对外和对内内的接口 保护护生产设备中中的通信系统统 信息息安全漏洞对对设备可靠性性的损害 在数数据保护中，法法律法规与信信息安全的相相互作用 基于于设计的信息息安全 长期期适用的安全全解决方案 对攻攻

46、击进行检测测和分析同时还应考考虑下列几点点： 对相相关的水平和和垂直价值网网络进行安全全评估 对具具体用例进行行研究并将其其尽快转化成成可应用的成成果，以表明明研究的实用用性 应考考虑到与“人人”有关的方方面：透明度度、可用性、用用户接受度、数数据保护 研研究与创新的的预期成果如今有各种种各样安全标标准和技术，然然而目前为止止，它们很少少被应用到工工业环境中。其其原因是多方方面的，但最最根本的原因因在于，自动动化解决方案案的主要目的的不在于实现现信息安全功功能。对于供供应商而言，用用于保证信息息安全的流程程会增加开发发和制造的成成本，并且不不能使用现成成的知识。另另外，为操作作人员设计的的安全

47、方案往往往由于成本本和接受度的的问题而无法法落实。为了提高各各方面对安全全方案的接受受度，并最终终落实便于用用户使用的方方案，方案开开发者应该提提供能够轻松松、高效地进进行信息安全全评估的方法法。以下为这个个课题的预期期成果： 易于于操作和使用用的信息安全全方法 可扩扩展的工业信信息安全基础础设施 开发发出简单易用用的方法和程程序，用以评评估工业4.0设备及其其组件的信息息安全属性。可可考虑采用即即插即用的方方法和自治、动动态的配置 考虑虑到目前的信信息安全水平平无法抵御作作业安全方面面的残留风险险，应采取动动态检测和评评估设备作业业安全功能的的方法。 为信信息安全的标标准化做好准准备 拟定定

48、合理的安全全措施目录，以以便应对安全全漏洞带来的的威胁，例如如参考“计算算机安全应急急响应组”(CERT)的方法 主主要里程碑有关“信息息安全与作业业安全”课题题长期规划的的里程碑，即即该课题涉及及的方法论、解解决方案和前前提条件尚未未提出。5.6.4 课题：数数据分析 研研究与创新的的内容数据分析的的主要目的包包括两方面：一方面是数数据分析可能能产生(新)知识；另一一方面是数据据分析可以得得出“可操作作的”建议，有有助于支持人人们的决策和和机器的自主主决策(在什什么时候对什什么人提供什什么信息)，这这将帮助企业业提高产品质质量和生产效效率并能够尽尽早发现潜在在的不利趋势势。这一切都都是新商业

49、模模式的基础。为为此，人们将将采用预测性性分析方法，该该方法运用统统计学、机器器学习和数据据挖掘等基础础技术。当前前和历史的测测量值以及来来自社交网络络等来源的“非非结构化”数数据将得到分分析，由此揭揭示目前尚不不为人所知的的事物之间的的联系(描述述性分析)，同同时可以据此此评估未来系系统行为及其其影响(预测测性分析)。最最终，新获得得的知识不仅仅能用于评估估不同的行动动备选方案，还还能用于不断断优化系统、流流程和策略(规范性分析析)。然而，在在数据分析的的基础上提出出行动建议或或是直接措施施才是重大挑挑战。这个课题需需要考虑以下下几个方面： 数据据处理 状态态检测 预测测性评估 提出出建议

50、研研究与创新的的预期成果应拟定进行行数据分析所所需的标准目目录，以便于于实施下列规规则： 在不不了解具体(物理)来源源的情况下(封装或虚拟拟化)允许访访问数据 采取取即插即用的的方法，通过过标准化接口口集成新的数数据源 利用用跨领域价值值网络中的数数据 应建建立广泛且能能持续扩展的的工艺基础，从从而促使新应应用场景的产产生 提供供法律保障(什么人对什什么数据以及及由此产生的的知识有什么么权利)另外，软件件架构和相应应的接口应能能够处理多个个数据流(即即实现元层面面的数据融合合)，而不必必针对各个应应用场景进行行单独开发。为为此，应该拟拟定和实施相相应的规则： 解释释模型可用于于描述当前状状态和

51、判断未未来状态 应该该开发能够高高效且有效的的应用程序和和算法，用以以分析不断增增加的大量数数据 主主要里程碑5.6.5 课题：工工业4.0的的句法和语义义 研研究与创新的的内容实现工业44.0场景的的前提是操作作主体(如：人员、软件件工具、软件件智能体、控控制系统、软软件服务)能能够对参与对对象(例如机机器、机械零零件、产品和和产品说明或或是数字工厂厂相关资源)进行解释，也也就是说，操操作主体能够够识别并理解解参与对象。为为此，必须以以信息模型为为基础描述参参与对象的相相关特征，例例如在模型中中设定相关的的属性或符合合对象角色的的任务。人们们需要生产环环境中的(数数据)模型、系系统模型、解解

52、释模型、规规划模型和组组件模型，才才能在计算机机中完成上述述过程。在这里，句句法中包含了了描述文件与与数据的有效效符号(如字字母、数字、特特殊字符、图图形符号)，同同时说明了这这些字符如何何正确地相互互连接成符号号链。语义则通过过给符号链或或数据赋予意意义，建立符符号与模型之之间的关系，这这样我们才能能从数据中得得出信息。例例如，协议就就是这样一种种关系。一个个协议文件中中的某个字符符串描述模型型中的某个属属性，协议文文件还确切指指出这些模型型属性描述的的是哪些特征征，以及这些些特征可能有有哪些体现。 研研究与创新的的预期成果该课题旨在在为工业4.0场景开发发一套形式化化的、计算机机可处理的通

53、通用语义，用用以在应用层层面解释特定定领域的“语语言”，从而而使所有对象象和主体及其其结合过程(即流程、通通信网络和价价值网络)能能够运用这些些“语言”。这这样做的目的的是确保价值值链上和价值值链间的信息息流畅通无阻阻，以及消除除现有的标准准中的漏洞。 语义义和句法是数数据存储、传传输和处理过过程中实现跨跨企业互操作作性的基本前前提。 标准准化的语义描描述能够支持持价值链的自自优化和自动动化 通用用语义的开发发使生命周期期各阶段模型型的结合成为为可能(可对对工程中的产产品、流程和和资源进行语语义描述) 有了了句法和语义义，就可以创创建一般的工工具或功能 语义义和句法支持持工业4.00组件的“即

54、即插即生产”功功能，并使其其具备灵活性性和适应性这个课题中中的挑战包括括：一方面，要要尽快开发出出工业4.00的句法和语语义；同时，应应尽可能扩大大其应用范围围。 主主要里程碑5.7 课题之间的的关系不同的研究究课题并不是是孤立存在，而而是相互关联联的。因此，一一个研究领域域的最新成果果将会影响另另一研究领域域的活动。目目前，工业44.0平台工工作组3和德德国科学顾问问委员会运用用Gauseemeierr教授的场景景分析法，合合作分析课题题之间的相关关性。分析结结果将于今年年公布，不过过目前已经能能够确定，下下列课题的研研究成果对其其他研究的成成果有巨大的的影响： “智智能、柔性、可可变性”

55、“传传感器网络” “价价值网络的框框架” “信信息安全与作作业安全”6.参考体系结结构、标准化化与标准本章是多个个机构2的合作研究究成果，其中中概括了工业业4.0的参参考体系结构构，阐明了标标准化与标准准的必要性。在合作研究究过程中，工工业4.0平平台负责协调调大量子工作作组的活动，并并确保不同组组织和协会协协同行动。以以下介绍的大大量研究成果果是确保德国国工业竞争力力的重要一步步。6.1 引言工业4.00参考体系结结构其中一个个基本思路就就是在一个共共同的模型当当中体现不同同的方面。工工厂内的纵向向集成是指生生产资料的网网络化，例如如自动化设备备或服务的联联网。产品和和工件是在工工业4.0的

56、的背景下必须须考虑的新方方面，相关的的模型必需反反映这一点。工工业4.0还还涉及第二个个方面，价值值链的整体工工程意味着：在整个价值值链中，有关关一台生产设设备或一个工工件的所有技技术、管理和和商业数据都都被持久地保保存，并且随随时可以通过过网络访问。工工业4.0的的第三个方面面就是价值网网络的横向集集成，即跨越越单个工厂的的界限，动态态地组成价值值网络，并且且在一个共同同的模型中体体现上述这些些方面。在这这个模型中，控控制回路以毫毫秒为周期进进行采样，从从商业问题求求解的角度，描描述共同的价价值网络中多多个工厂之间间的动态协作作。也就是说说，要从不同同应用领域的的视角去理解解，抓住其本本质并

57、统一体体现在一个模模型中。在研究工业业4.0参考考体系结构模模型(RAMMI4.0)的具体工作作开始之前，有有必要大致了了解现有的路路径和方法。我我们很快就发发现，已经有有一系列可用用的路径，但但它们通常只只是针对工业业4.0的局局部内容，而而不能从上述述工业4.00完整视角出出发。下面我我们具体地探探讨各个路径径：通信层的实实现路径： 过程程控制标准统统一框架(OOPC UAA)：基于IIEC 622541信息层的实实现路径： 国际际电工委员会会“通用数据据词典”(CCDD)(IIEC 611360系列列/ISO 135844-42) 参考考eCIsss的属性、分分类和工具 电子子设备描述(

58、EDD) 现场场设备工具(FDT)功能和信息息层的实现路路径： 现场场设备集成(FDI)作作为集成技术术整体工程的的实现路径： AuutomattionMLL PrroSTEPP iViP eCCIss(属性)第一步是对对上述路径作作基础测试，看看是否符合本本章接下来介介绍的参考体体系结构。本本质上，上述述路径都是值值得肯定的，但但对具体概念念和方法还需需要进一步研研究。6.2 工业4.0参参考体系结构构在工业4.0的讨论中中会涉及到各各种不同的利利益群体：从从流程自动化化到工厂自动动化，不同产产业采用不同同的标准、信信息通信技术术和自动化技技术；不同的的协会和标准准组织制定出出各种标准，例例

59、如：不同的的协会包括德德国信息技术术、电信和新新媒体协会(BITKOOM)、德国国机械设备制制造业联合会会(VDMAA)、德国电电子电气制造造商协会(ZZVEI)、德德国工程师协协会(VDII)；不同的的标准组织包包括国际电工工委员会(IIEC)、国国际标准化组组织(ISOO)以及它们们在德国的分分支机构德国电气电电工信息技术术委员会(DDKE)和德德国标准化学学会(DINN)。为了就“哪哪些标准和用用例在工业44.0中是必必不可少的?”这个问题题达成共识，必必须建立一个个统一的参考考体系结构模模型，才能在在此基础上讨讨论各种关系系和细节。这项工作的的最终成果就就是工业4.0参考体系系结构(R

60、AAMI4.00)。它包含了工工业4.0的的重要方面，补补充了IECC 622664的层次结结构：在底层层补充了产品品/工件层；在顶层补充充了超越单个个工厂的“互互联世界”层层面。横轴表表示设备或产产品的生命周周期，也体现现了原型和实实物之间的区区别。在六个个层面之上，最最后结构化地地描述了工业业4.0组件件中代表信息息技术的部分分。因此，工业业4.0参考考体系结构模模型的主要特特点把生命周周期和价值链链以分层结构构的方式结合合，用于定义义工业4.00组件。此外外，这个模型型中的层次结结构还体现了了工业4.00环境中极高高的柔性，并并允许对各种种功能进行封封装。参考体系结结构模型为描描述和实施