工业4.0的前世

 

前三次工业革命浪潮分别是机械化、电气化和IT技术。

 

而现在是第二波数字化浪潮，大大拓展了人们感知、理解、执行和学习的能力，从而酝酿着第四次工业革命。

 

这种数字化转型对制造环境的巨大影响，就是工业4.0。 

 

工业4.0是一个德国和欧盟应对2008年金融危机的一个应激式的反应，当时整个欧洲都在寻找改善经济的机会。

 

对于德国而言，一个重要的发现就是，德国必须形成更加柔性与灵活的生产链条，坚定不移地转向大规模定制。

 

德国国家科学和工程院（acatech）进一步发展了“工业4.0”这个概念。

 

随后，科学界、工业界的联合体与政治家一 起，向联邦政府建议在几个特定的领域培 育数字化。

 

最终，德国政府工业4.0平台正式成立，并且联合产学研政各家力量，协调各种国家战略，也与其他国家之间的战略对接，并形成专业的知识交换平台。

 

工业4.0是一个德国术语，不同国家可能采用了不同的名字和内涵。

 

实际上，工业4.0是一个德国制造的品牌，它是为德国工业量身定做的。当然，所有的国家都能够相互学习，但每一个国家都需要去发展适合自己经济结构和需求的概念。
 

工业4.0的潜力

 

工业4.0有着各种巨大的可能。

 

智能工厂，使得单件生产成为可能，充分满足个别用户的定制需求。

 

在工业4.0的世界，它是商业环境和工艺流程的动态结合，这使得即使在最后一刻需求发生变化的时候，生产仍然成为可能。

 

当个别供应商出现问题的时候，整个工厂仍然可以保持充分的柔性。 

 

而终端用户的透明性，则贯穿整个制造流程之中，这非常有利于决策优化。

 

工业4.0还将产生不同的价值和全新的商业模式。

 

尤其对于中小企业和新创公司，它很容易提供全流程的价值服务。

 

工业4.0还致力于解决资源短缺、能 源效率低下、城市生产和人口变化所带来的挑战。

 

工业4.0可以在整个价值链上优化资源效率。

 

它可以充分考虑到人口变化和社会因素，从而形成有效的组织。而智能服务，作为相辅相成的补充概念，使得 制造业的环节可以更加广泛地向外延伸。

 

未来世界的形式是CPS

 

在未来，各种设备、库房和生产线都以信息物理系统（CPS）的形式出现，形成一个全球化的网络。 

 

在制造环境中，这些CPS系统包含了 智能机器、仓储、自适应生产线等。它们自主交换信息，实现各自独立的自动执行和控制。

 

这将使得生产、工艺、物料使用和供应链在全生命周期内得到极大的优化。

 

根据德国国家科学和工程院的定义，CPS正在成为未来全球化网络世界的一部分。

 

在这里，产品、设备和零部件，都通过各种不同功能的嵌入式系统和软 件，进行交互。

 

借助于传感器强大的感知力量，这些系统可以处理物理世界产生的数据，并将其转化为基于网络的服务。

 

反过来，这些数据将通过执行器反作用在物理系统上。通过这个CPS系统，物理实体与数字虚体紧密结合，从而形成物联网、 数据中心和务联网的世界。

 

CPS是工业4.0的起点。通过CPS，数字孪生（digital twins）就可以被创建。数字孪生是实体系统、流程或者产品在CPS 的数字影像，并且随着实际运行时间而逐渐发展。

 

工业4.0中的所有对象，都包含一个资产管理壳，例如一个数字孪生。许 多企业先行者，已经接受了这个概念并在项目中使用。

 

当数字孪生发生变化时，潜在风险和缺陷就会被检测、识别，从而实 现早期修复。此外，真实系统的实际运行 规律，也会被进行虚拟化处理，实现预先检查，甚至整个生产流程都可以在基于云的物联网平台上进行模拟。

实施工业4.0的两大法宝

 

如何能够高度抽象地统一不同企业、组织的共同行动？这就是需要建立一个顶层框架。

 

德国工业4.0的顶层设计， 就是工业4.0参考框架RAMI。这是一个三 维模型，它定义了“层、流、级”三个维 度，分别是生产层（Layers）、生命周期价值流、系统层级（Levels）。而在每一 个维度上，都有相应的技术指南和标准。

 

根据相对应的虚拟数字映射和技术功能描述，与RAMI相呼应的还有一个 重要的支撑概念：“管理壳”。 

 

“管理壳”可以是一个或多个生产组件，但必须能够跟RAMI所定义的三个维度上的要素之一相呼应，并且需要满足相关技术标准。借助于管理壳，确定设备资产的数据、功能和安全需求就变得非常容易，无需重复定义，而且可以确保相互连接。

 

因此，管理壳和RAMI都是实施工业4.0的重要保障。2017年10月20日在法兰克福开展的“管理壳日”，是工业4.0平台走向工作标准化的一个重要步骤。

 

 

此外，RAMI是国际间进行合作、形成相互映射的参考架构的基础。目前跟美 国工业互联网联盟的架构IIRA已经开始合作，与其他国家如中国和日本也有交流合作。

颠覆性的平台经济

 

工业4.0与平台经济密切相关，最重要的关联点就是智能工厂。

 

在智能工厂中，整个生产流程和供应链都是虚拟的，而且高度柔性化，最极端的批量为一件产品。而这些都是由单独的个人订单所驱动。

 

在智能工厂可以广泛地生产智能产品，后者是高度互联的物理实体、设备和 机器，从而产生大量的数据。

 

通过有意义的分析、解读、连接和补充，这些数据可以重新定义，成为“智能数据”。 

 

基于这一点，企业不仅仅可以有效地控制、维护和提升智能产品，而且可以生成知识，从而作为“智能服务”的基础。

 

实际上，智能服务是全新的、定制化 的服务，并且基于数据驱动的商务模式，从而提供了更多商业化的机会。

 

要提供智能服务，所有的机器、设施和工厂都必须通过数字化平台连接到物联网上，而这个数字化平台就会逐渐演化 成一个生态系统。

 

这个生态系统有一个基本原则，那就是“即插即用”。

 

通过数字服务平台，一个公司的服务就可以模块化，与第三方的各种服务平台有机结合， 共同对外来满足用户的各种实时需求。

 

在平台经济或者服务驱动的商业模式下，一家一家的提供商和其产品就不再是重点。

 

所有的重心都转移到用户的个性化需求上。

 

从工业生产的实例来看，一个 压缩机不再是出售机器，而是将“提供压 缩空气”当作一种服务。这就打破了既有的商业模式，代表了一种新的范式转换。 

 

高品质的产品供应商，将转向基于产品服务系统或者智能服务系统。这是一个巨大的挑战，尤其是对于中小企业来说，因为他们往往缺少足够的领导力、优秀的雇员和良好的财务结构。

 

中小企业的挑战

 

乍一看起来，中小企业似乎可以更好更快地实施工业4.0，因为他们对于业务的理解往往更加清晰。

 

但事实上，中小企业需要有一种支撑能力，从而可以识别急需优化的领域，以及如何实施的路径。

 

尤其是要实现从产品销售到“服务为基础”的商业 模式，中小企业面临巨大的挑战。

 

中小企业往往缺乏足够的人才和财力支撑，很难将他们的增值价值链部分进行数字化。

 

德国政府实施了一系列的资助项目，来提高中小企业对工业4.0的认识，并且确保他们能跟专业人才相衔接。

 

有很多方法可以推动工业4.0的实现。每家公司都可以采用不同方法、不同工具来实施。德国国家科学和工程院今年 发布了一个工业4.0成熟度指数，将成熟度视为一个六级层级的模型，同时将企业能力分为四个方面：资源、信息系统、文化和企业组织结构。每一个层级，都有一个收益可测量的方法。该模型在一些中小 企业已经得到了实际验证。

数字化需要全社会介入

 

数字化不能被认为只是精英的事情：整个社会都需要介入。在德国，业界 已经联合起来形成一个“工作4.0”的工作组；在韩国，政府则致力于成为“世界上最数字化的社会”。日本也发布了“社会5.0”的概念。

 

每一种业务，都需要重新考虑工作地点、流程、组织领导风格。 对每一个国家，这都是一个极具挑战的开始，需要工业界、官员和科学家一起来努力。

 

我们需要在一个全新的教育理念下， 建立领先的数字化能力，让有能力的专家 用得其所，从而真正能够推动一个全新的 制造范式。

 

（来源：环球新工业）
 

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