工业4.0详解分析

互联网与工业4.0的关系工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。“工业4.0”项目主要分为三大主题：一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者；三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。德国学术界和产业界认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统—信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem)[5]相结合的手段，将制造业向智能化转型。德国的工业4.0没有明确指出它与互联网有什么关系，但实质上工业4.0依然是互联网进化过程中的一个组成部分，通俗的说，就是无数个行业被互联网浪潮冲击后，互联网开始改造工业制造业了。我们在2007年发表的互联网进化论论文中提出“互联网将向着与人类大脑高度相似的方向进化，它将具备自己的视觉、听觉、触觉、运动神经系统，也会拥有自己的记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统，也就是是说，互联网正在形成一个互联网大脑”，并绘制了下列互联网未来结构图.1.物联网是互联网大脑的感觉神经系统，因为物联网重点突出了传感器感知的概念，同时它也具备网络线路传输，信息存储和处理，行业应用接口等功能。而且也往往与互联网共用服务器，网络线路和应用接口，使人与人（HumantiHuman,H2H），人与物（Humantothing，H2T）、物与物（ThingtoThing,T2T）之间的交流变成可能，最终将使人类社会、信息空间和物理世界（人机物）融为一体2.云计算是互联网大脑的中枢神经系统，在互联网虚拟大脑的架构中，，互联网虚拟大脑的中枢神经系统是将互联网的核心硬件层，核心软件层和互联网信息层统一起来为互联网各虚拟神经系统提供支持和服务，从定义上看，云计算与互联网虚拟大脑中枢神经系统的特征非常吻合。在理想状态下，物联网的传感器和互联网的使用者通过网络线路和计算机终端与云计算进行交互，向云计算提供数据，接受云计算提供的服务。3.大数据是互联网智慧和意识产生的基础，也是互联网梦境时代到来的源泉，随着互联网大脑的日臻成熟，虚拟现实技术开始进入到一个全新的时期，与传统虚拟现实不同，这一全新时期不再是虚拟图像与现实场景的叠加（AR），也不是看到眼前巨幕展现出来的三维立体画面（VR)。它开始与大数据、人工智能结合得更加紧密，以庞大的数据量为基础，让人工智能服务于虚拟现实技术，使人们在其中获得真实感和交互感，让人类大脑产生错觉，将视觉、听觉、嗅觉、运动等神经感觉与互联网梦境系统相互作用，在清醒的状态下产生梦境感（Realdream)，可以形成如下这幅图：从这幅图中我们也同样可以看出工业4.0或工业互联网本质上是互联网运动神经系统的萌芽，互联网中枢神经系统也就是云计算中的软件系统控制工业企业的生产设备，家庭的家用设备，办公室的办公设备，通过智能化，3D打印，无线传感等技术使的机械设备成为互联网大脑改造世界的工具。同时这些智能制造和智能设备也源源不断向互联网大脑反馈大数据数，供互联网中枢神经系统决策使用。总体看，西方企业和理论界不断提出互联网新概念，但相互之间还比较割裂，但实质上，无论是物联网，云计算，大数据，移动互联网还是工业4.0依然是互联网未来发展的一部分。它们起到不同的作用。中国如何根据现状跟上工业4.0？德国工业4.0战略给了我们很多启示，很多地方值得我们认真学习，我们要结合中国的实践，坚定不移地实施两化深度融合战略。（一）凝聚行业共识：把智能制造作为两化融合的主攻方向智能制造是两化深度融合、德国工业4.0、美国产业互联网概念背后的最大公约数。苗圩部长曾指出，两化深度融合应当成为建设制造强国的制高点，要把智能制造作为两化融合的主攻方向。我们理解，智能制造是利用智能制造系统（CPS），依托于传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式，实现人、设备、产品等制造要素和资源的相互识别、实时联通、有效交流，促进制造业研发、生产、管理、服务与互联网紧密结合，推动生产方式的定制化、柔性化、绿色化、网络化，从而不断充实、提升、再造制造业全球竞争新优势。可以从五个方面认识和理解智能制造，即产品的智能化、装备的智能化、生产的智能化、管理的智能化和服务的智能化。一是产品的智能化。即是把传感器、处理器、存储器、通信模块、传输系统融入到各种产品中，使得产品具备动态存储、感知和通信能力，实现产品的可追溯、可识别、可定位。有人说，90后是互联网的“原住民”，60后、70后是互联网的“移民”，还有分部同志是互联网的“边民”，被边缘化了。我想说，对于“物”也是一样的。计算机、智能手机、智能电视、智能机器人、智能穿戴是物联网的“原住民”，这些产品诞生的时候就是一个网络终端；传统的空调、冰箱、汽车、机床、风机等是物联网的“移民”，这些产品正排着队连接到网络世界。专家们估计到2020年这些物联网的“原住民”和“移民”加起来将超过500亿个；尽管人们提出了万物互联（IOE）的概念，但多年以后，还会有大量的物联网“边民”，难以成为一个网络的终端。但它给每一个企业提出一个富有挑战性的问题，企业的产品会在什么时间、以什么样方式实现智能互联，成为一个智能产品？二是装备的智能化。通过先进制造、人工智能等技术的集成融合，形成具有感知、决策、执行、自主学习及维护等自组织、自适应功能的智能生产系统以及网络化、协同化的生产设施。装备的智能化至少是在两个维度上进行，即单机智能化以及单机设备的互联而形成的智能生产线、智能车间、智能工厂，这一进程将伴随着ICT技术创新应用的演进而不断深化，需要用30年这样的时间尺度来考虑这一进程的发展阶段。三是生产的智能化。更准确的说是生产方式的现代化、智能化。当一个产品的生产过程中每一个环节传感无所不在、连接无所不在、数据无所不在、计算无所不在、服务无所不在的时候，就意味着生产组织方式全面变革时代的来临，来自不同国家、不同行业、不同规模的企业都在不断探索个性化定制、极少量生产、服务型制造以及云制造等新业态新模式，其本质是在重组客户、供应商、销售商以及企业内部组织的关系，重构生产体系中信息流、产品流、资金流的运行模式，重建新的产业价值链、生态系统和竞争格局，它带给人们的启示是，企业需要不断思考我是谁、我在哪里、我的边界在哪里、我的竞争优势的来源在哪里、我的价值在哪里等这样一些基本问题。四是管理的智能化。工信部自2009年以来，在35个行业3万多家企业开展两化融合水平评估基础上，提炼和形成了旨在指导中国企业实践的两化融合管理体系标准，通过将信息技术与现代管理理念融入企业管理，实现企业流程再造、信息集成、智能管控、组织优化，形成数据驱动型的企业，不断提升信息化背景下企业核心竞争力，这项工作从全球来看，也具有创新性。在德期间，苗圩部长也和德国工业4.0相关协会和企业分享了中国在这一领域的实践和探索，德国专家也表现出了浓厚的兴趣。五是服务的智能化。德国工业4.0中有一个非常重要的概念叫（服）务联网，他们把智能服务作为智能制造的一个核心内容。服务的智能化，既体现为企业如何高效、准确、及时挖掘客户的潜在需求并实时响应，也体现为产品交付后对产品实现线上线下（O2O）服务，实现产品的全生命周期管理。两股力量在服务的智能化方面相向而行，一股力量是传统的制造企业不断拓展服务业务，一股力量是互联网企业从消费互联网进入到产业互联网，如腾信提出微信、QQ未来连接的不仅是人，而且还包括人和设备、设备和设备、服务和服务、人和服务。这两股力量的胜利会师将不断激发智能服务领域的技术创新、理念创新、业态创新和模式创新。把智能制造作为两化深度融合的主攻方向，就是要把握全球新一代制造技术变革的新趋势，以实现重大智能装备和产品的自主可控为突破点，以推广普及智能工厂为切入点，以提升制造企业研发、生产、管理和服务的智能化水平为落脚点，完善制造业国家创新体系和综合标准化体系，建设智能制造人才培养体系，打造制造业竞争新优势，实现中国制造的跨越式发展。（二）整合产业资源：把增强智能装备和产品自主发展能力作为智能制造的突破口尽管产品智能化已走过了很长的历史进程，但从新一代信息技术的潜能来看，我们现在所看到的产品智能化处仍处于起步阶段，在未来30年乃至更长的时间尺度内，重大装备和产品的智能有可能走向成熟。因此，需要围绕重大装备和大宗消费品的智能化，整合科技创新资源，打造贯穿全产业链的新兴信息技术推广应用服务平台，增强重大智能产品的自主发展能力。一是重大智能装备的自主可控。就是要适应智能制造发展趋势，在产业发展的布局上，在集中力量突破单机智能设备及关键部件核心技术和产业瓶颈基础上，要集中优势资源，加强前瞻布局，加快实现汽车、轨道交通、船舶、电子、家电、纺织、钢铁、石化、冶金等重点行业的智能生产线、智能工厂核心装备技术和产品的自主可控，从智能生产线装备、智能工厂装备等系统级的角度重新思考产业突破方向。二是大宗消费型智能产品的自主可控。有两条主线需要关注，一是传统产品智能化之路，吉利李书福说，汽车是“四个轮子+两个沙发”，比尔盖次说汽车“四个轮子+一部计算机”，两种极端状态下汽车的智能化有很多形态。二是新的智能硬件产品不断涌现，如百度的智行车（DuBike）、智能筷子（筷搜）等，我们看到北京、深圳、上海正在兴起一轮创客潮流，以新的智能硬件（硬件+软件+互联网）为代表的创新创业形态正在兴起，一个新的创新网络、分工网络正在形成。因此，围绕传统产品智能化和新的智能产品形态这两条主线，完善信息技术与制造技术的协同创新机制，发展智能汽车、智能服务机器人、消费电子、智慧家庭、医疗设备、智能穿戴等产品，带动制造业产品高端化发展。（三）突出试点示范，把推广普及智能工厂作为智能制造的切入点发现最佳实践，总结行业经验，加强交流推广，开展试点示范，是过去几年推进两化融合工作的基本思路，也是德国在推行工业4.0的基本方法。西门子、大众、宝马、博世等在讲到智能制造时，都提到他们所认为的最能体现工业4.0理念的全球最佳智能工厂，而且有许多是在中国。在行业及区域层面推广智能工厂和智能制造体系应当是下一步可以考虑的重要工作方向。一是在行业层面推广智能工厂。选择电子、汽车、机床、机械、冶金、纺织等重点行业开展智能工厂应用示范，首先要推广普及单机智能化，围绕推广普及智能制造单元—智能车间—智能工厂—智能制造系统，组织开展装备智能升级、工艺流程再造、基础数据共享、远程诊断维护等试点，逐步实现车间级、工厂级的智能化改造，不断探索智能工厂普及过程，不同行业新的产业生态系统的演进规律和发展模式。这将是一项长期而艰巨的历史任务。二是在区域层面推广智能制造系统。在产业集群内构建跨企业的智能制造生产体系是制造业未来发展的重要方向，未来的智能制造将是一个复杂的巨系统。在这方面，德国工业4.0和IBM的智慧地球都用了同一关键词：系统的系统（systemofsystem）。IBM说城市是系统的系统，弗劳恩霍夫研究所给我们介绍时也说到智能制造是系统的系统。制造过程的信息感知、互联、集成必然把制造带到一个系统的系统时代，树立智能制造的系统观也是理解智能制造本质的重要内容。要以增强国家级产业集群竞争优势为出发点，围绕集群内生产装备的数字化、智能化、网络化改造，深化产业链上下游协同研发设计、协同供应链管理、网络制造的集成应用，探索如何构建企业间高效协同的智能制造体系和产业价值链体系。（四）创新体制机制，把培育新业态、新机制、新模式作为智能制造的核心任务有人说全球的互联网经济正在形成“中美”主导的双子星座，全球10大互联网公司美国有6家、中国有4家，全球30大互联网公司中美国有17家、中国有8家。在新一轮产业技术变革中，在抢占新一轮产业竞争制高点的过程中，我们要充分认识到中国在互联网经济的优势，这一优势是德国及欧洲国家所不具备的。如何持续创新体制机制，把互联网与工业融合创新这篇大文章做好，事关工业由大变强的整体战略布局。一是理性客观认识互联网经济在智能制造战略布局中的地位。目前，关于互联网企业在中国制造业转型发展中的作用有不同认识，有蔑视的、有不屑的，也有吹捧的、夸大的，站在不同角度这些认识都是可以理解的。但是有一点是明确的，我们不能把中国的互联网企业与制造业的作用对立起来，不是谁把谁颠覆、谁把谁灭掉、谁把谁替代这样一种关系，而是在中国崛起的道路上互联网企业与传统制造企业如何融合创新、手牵着手向前走的关系。我之前有过这样一个比喻，如果把国家间的产业竞争比做两军对垒，我们可以看到，中国的一支突击队、先遣队已经占领了前方阵地的制高点，并在引导、指挥、掩护后续大部队（传统制造业）跟上。这支突击队、先遣队就是中国的互联网企业和ICT企业，互联网是中国产业转型千载难逢的机会。二是积极培育引导新技术新业态新模式。把握云计算、物联网、大数据等新一代信息通信基础设施对制造模式的变革作用，积极研究制订工业云、工业大数据创新发展的相关指导意见，支持面向中小企业的工业云服务平台建设，推进软件服务、制造资源、标准知识的开放共享，培育社会化、共享式制造新模式。鼓励发展基于互联网的个性化定制、网络众包、云制造等新型制造模式。三是推进制造业服务化。智能服务是德国工业4.0的核心，也是美国产业互联网的重要议题，其本质是在连接无所不在、数据无所不在的新时代，如何重构生产者与消费者的关系，建立一种服务无所不在的新模式。我们要把制造业服务化作为智能制造战略中的核心任务，摆到全局更加重要地位，做到认识到位、布局到位、政策到位，积极推进制造企业由生产型制造向服务型制造转变，引导在线监控诊断、全生命周期管理、总集成总承包、电子商务、供应链金融等新业务发展。（五）坚持标准先行：把制订智能制造标准化作为智能制造的优先领域把握智能制造发展的特点和规律，整合国内标准化资源，学习借鉴德国工业4.0标准化路线图以及美国先进制造和工业互联网标准建设的工作思路和组织方式，加快智能制造标准化体系建设。一是加快制定智能制造标准化路线图。遵循智能制造发展规律和标准化工作的一般规律，建立包括电子、通信、软件、自动化、装备等行业代表组成的智能制造标准工作组，加快制定智能制造综合标准化体系，研究制订智能制造系统互联互通的相关标准，确定在系统架构、基本原理、技术系统、组织流程等重点领域的标准化需求，明确时间表、路线图。二是尽早启动优先急需领域标准化制订工作。重点支持智能装备、智能生产线、智能车间、智能工厂等领域技术标准和规范的研制。加快制订智能产品的相关标准，包括智能工业软件和智能工业电子产品统一的系统集成、测评测试规范。研究制定面向工业控制系统、工业互联网的智能制造信息与网络安全标准。三是建设和推广企业两化融合管理体系。将实施两化融合管理体系作为推进两化融合实现智能制造的重要抓手，推进两化融合管理体系标准的研制、发布和国际化，加强两化融合管理体系的试点应用和推广，率先培育一批专业的咨询、认定和培训服务力量。积极培育和规范第三方咨询、认定和培训服务市场。（六）夯实产业基础：把构建自主的信息技术产业体系和工业基础能力作为建设智能制造的重要支撑现在业界经常讲的一句话是我们的计算机产业“缺芯少魂”，我们沿着这个思路展望一下十年后的产业格局，当十年以后我们越来越多的产品高度智能化的时候，我们会不会也面临智能汽车、智能机器人、智能穿戴、智能家电、智能工厂等这些产品“缺芯少魂”的局面。当英特尔、高通、博通、英伟达等芯片巨头，以及苹果、谷歌、微软等软件互联网巨头，在三四年前已围绕智能汽车在芯片和操作系统进行全方位布局的时候，我们有理由对智能产品未来的空心化问题表示忧虑。构建技术领先、自主可控、安全可靠的信息技术产业体系的任务更加紧迫而艰巨。一是完善面向智能制造的网络基础设施。加快宽带网络演进升级，推动下一代互联网（IPv6）与移动互联网、物联网、云计算融合发展，促进数据中心、服务器、感知设施与宽带网络的优化匹配和协同发展。加强对智能制造系统（CPS）的研发，鼓励企业探索行业CPS应用新模式。加快推广下一代互联网（IPv6），做好行业、企业、设备、产品的IPv6地址配置研究规划，为企业之间、智能设备之间、智能产品之间的信息交互传输奠定基础。二是增强电子信息技术支撑服务能力。依托科技重大专项，创新产业融资方式，突破核心电子器件，以及高端芯片、关键工艺、装备、材料的核心技术和产业化瓶颈，加快汽车、医疗、机床、电力、航空等行业应用电子发展。坚持产用互动，重点突破国产研发设计工具、制造执行系统、工业控制系统、大型管理软件等关键软件瓶颈。面向智能工厂行业应用，完善产业链协同创新体系，加大力度培养一批面向行业的智能工厂系统解决方案提供商。三是强化工业基础能力。针对关键基础材料、核心基础零部件、先进基础工艺、产业技