什么是工业4.0

1.工业4.0概述

工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划，是指利用物联信息系统（Cyber Physical System 简称 CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到有效、快速、个性化的产品供应。该项目由德国联邦教育局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在德国被认为是第四次工业革命，最早在2011年提出。工业4.0标准建立，确定事项、数据、流程三个纬度标准化，从实体性质到工作流程，由使用流程实现生产，服务及回收。工业4.0是个渐进过程，目前虽广泛运用，但离工业4.0愿景还有差距，尤其是中小企业。但一些大企业运用大数据实现设计，生产和检查，维修等。监控设备运行情况，数据的采集，加工和处理。大众在中国六个生产基地，德国五个基地，相互可以数据交换，通过生产过程数据分析比较可以预测生产情况。比如，工业4.0在交通指挥上的应用。出现交通堵塞时，每个车通过GPS系统计算每个车的速度，就可以计算不同的路径，指挥交通系统。更进一步，无人驾驶车辆通过这套系统车与中心，与车相互交流数据，目前在德国企业内部已经实现。2017年汽车气囊打开就实现上传汽车位置实现救护。在生产广场设备有故障马上可以报警，通过无人驾驶汽车运输零部件进行维修。再如，工业4.0运用到生活领域，机器人做手术非常精准，已经在医疗行业运用。

工业4.0的发展要素包括4个方面。一是标准化要素。工厂要对内外各种物品与服务进行联网，那么，通信方式、数据格式等许多内容都需要标准化。标准先行是“工业4.0”战略的突出特点。为了保障“工业4.0”顺利实施，德国将标准化排在行动首位，成立一个工作组，专门处理标准化和参考架构方面的问题。2013年12月，德国电气电子和信息技术协会发布了“工业4.0”标准化路线图。此外，跨学科、跨领域是制造业高技术发展的显著特点。随着制造业技术不断发展，各种高新技术以前所未有的广度和深度渗透到制造业的各个环节中，使制造业的产品生产过程和管理方式都发生了深刻，甚至是革命性的变化，催生了一大批新兴高技术制造业出现。在这个不断融入、集成的复杂系统化过程中，亟需标准化的约束和引导。二是复杂的系统管理要素。德国认为，迈向“工业4.0”的道路上，生产过程与各种业务管理系统协同之后，系统整体会更加复杂化，对其进行管理将更为困难。为此，需要实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。横向集成主要解决企业和企业之间复杂系统管理，实现信息无缝的交流；纵向集成主要解决企业内部的复杂系统管理，在企业的研发、设计、制造、验证、物流、交互各环节，所有的信息都无缝隙、高效、顺畅地传递；端到端集成主要解决贯穿整个价值链的工程化信息系统集成的复杂系统管理问题，以保障大规模个性化定制的实施。三是通信基础设施建设要素。德国“工业4.0”的本质就是基于信息物理系统（CPS）实现“智能工厂”，让制造业的各个环节充分地与互联网融合，形成工业互联网。而实现工业互联网就需要适用于工业的、具有高可靠性的通信基础设施建设作为基本保障。此外，随着工业互联网的形成，也必然会出现工业大数据。工业大数据的采集、传输、交互和共享，必然要求建立容量、带宽、存储与数据处理能力更强大的基础实施。而当前的网络基础设施恐怕难以满足“工业4.0”时代的要求。因此，构建容量更大、服务质量更可靠的工业通信基础设施，将成为未来制造业迫切需要解决的一项课题。四是网络安全保障要素。工厂与外界实现联网之后，恶意软件入侵、网络受到攻击的危险性会有所提升，这就需要制定保障网络安全的对策与解决方案。随着“工业4.0”时代的到来，人力、物料、生产设备、各种生产管理系统以及价值链上的众多协同企业都将互联，随之而来的是网络安全问题的隐忧，这就迫切需要建立一套完善的工业互联网信息安全认证体系，此外在认证制度的设计和标准规范的研究与设计方面，还需要大量的经验积累。

2.工业4.0战略指导下的产品设计思维

设计思维是以人为中心的创新思维，强调观察、协作、快速学习、想法视觉化、概念原型化,并让消费者、设计者和商业人士参与到统一的产品、服务和商业体验流程中，形成综合思维，对产品、流程、服务等进行全方位的设计。传统的产品设计开发是以产品为中心，强调产品的外观使用等特点，在工业4.0战略指导下，设计思维主要集中在强调用户体验。以用户为中心的设计和体验设计是指设计一种产品或一种服务的方案，这种产品或方案把客户放在整个设计工作环节的中心，其基础是确定产品或方案的使用对象，目的是满足客户群体的需求。具体体现在四个方面：一是对自有资源和外部资源，特别是跨界的外部资源进行整合，碰撞产生好的新创意；二是利用积累起来的技术和艺术设计优势，融入文化内涵，得到好的新设计；三是利用数字化设计和快速成型技术，迅速将新设计转化为新产品；四是从新产品设计升华为以人为本，改善生活，优化环境的服务系统设计。

3.工业4.0带来的机遇与挑战

一是机遇。作为新一轮的工业革命，工业4.0时代跟前三次工业革命不同的地方是网络化，由于在生产制造核心价值创造环节大量采用了网络化技术，原有的价值创造体系将发生革命性的改变，从而促使整个社会技术体系产生变革，这是第四次工业革命存在的证据和理由。

工业界是这一革命的一线阵地。随着机器人、电子技术及人工智能所实现的跨越式进步，工业生产正大踏步地进入自动化时代。这就是工业4.0时代。从未来制造业发展的趋势来讲，利用CPS 技术，把物理世界虚拟化，是降低创新成本的最佳途径。例如，传统汽车的制造过程需要先设计出图纸，制作出模型汽车，然后用模型汽车进行碰撞等试验，检验设计的效果，这样的流程花费的成本比较高，但利用CPS技术，新设计的汽车可以在模拟的测试环境中进行多次试验，而不用担心汽车碰撞实验中的损坏，这样可以大大降低成本。

德国工业4.0战略对《中国工业2025战略》有重要的借鉴意义。在我国经济新常态的背景下，以3D打印、机器人等新兴技术为核心的智能制造将在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演重要角色，要尽早布局，抢抓产业发展的制高点，才能在下一轮经济发展中掌握主动权。

二是挑战。“工业4.0”战略的提出，凸显出全球制造业激烈竞争的新态势，这对中国制造业、特别是传统制造业形成了巨大的挑战。总体上，中国制造业“大而不强”，传统制造业比重较大，且多处于工业2.0和工业3.0阶段。早前中国制造业的绝对优势是廉价的劳动力，随着时代发展，人口密集经济相对落后的东南亚各国成了各经济发达国家制造业的“香饽饽”，这对我国制造业也有不少的冲击。