网络经营原理——工业4.0（上）

“工业4. 0”一词最早出现在德国2011年汉诺威工业博览会上。次年10月上旬，由博世公司牵头的“工业4. 0小组”，向德国联邦政府提出了一套完整的“工业4. 0”发展建议。该小组于2013年4月8日在汉诺威工业博览会中提交了最终报告，正式向全世界提出了“工业4. 0”的概念。德国联盟教研部与联邦经济技术部、德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等政、学、商界单位，纷纷对“工业4. 0”表示支持，并联手将其付诸实践。德国政府把“工业4. 0”列入《高技术战略2020》大纲的十大未来发展项目之一，并投入多达2亿欧元的经费。

工业4.0战略要点主要包括：

一个中心——信息物理系统CPS，两个主题——智能工厂和智能生产，三项集成——横向集成、纵向集成、端到端集成，八个方面具体目标和八大优先行动领域。

一个中心——信息物理系统CPS

CPS是融合技术，连接了信息世界与物理世界，使智能工厂与物联网及服务网络高度融合。具备计算、通信以及控制能力。CPS是计算机技术、通信技术、控制技术有机融合的产物，能对任何工程系统与信息交互系统进行实时感知与动态控制，并提供相应的信息服务。从信息化与工业化结合的角度来说，CPS的意义在于，把不同的物理设备接入一个互联网体系当中。从根本上说，CPS就是一种具备控制系统功能的互联网体系，比普通的控制系统多了开放、共享、信息交换功能。中国科学院何积丰院士认为：CPS，从广义上理解，就是一个在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信和控制能力的可控可信可扩展的网络化物理设备系统，他通过计算进程和物理进程相互影响的反馈实现深度融合和实时交互来增强和扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体。在“工业4.0”时代，在计算、通信和控制的基础上，又增加了内容（Content，语义分析）、社群（Community，协同合作）与定制化（Customization，个性化定制）。CPS可能是一种包含若干子系统的分布式异构系统。这些子系统的构造与用途各不相同，可能分散于不同的地理位置，通过智能联网来协调工作。CPS应当是一个能够自主“思考”的智能系统。它不仅仅能从环境中收集数据、挖掘有用信息，还可以按照系统来控制相关设备，对环境产生可控制的影响。这种系统将物理过程与计算过程进行了集成，从而让信息系统包含的虚拟世界与物理设备所在的现实世界进行交互协同。这个互联网体系是由大数据云平台、物联网、服务互联网、工厂、科研机构、供应商、消费者等部分共同构成的。CPS好比是这个互联网体系的神经中枢。机器设备、数据流、物流、资金流也将融为一体。CPS就是各大企业构建全球性工业互联网的重要工具。唯有在这个系统的框架下，生产设备、仓储系统、物流系统、工业产品等现实世界的事物，才能与大数据、智能分析软件等虚拟世界的事物实现无缝连接。在制造业领域中，主要包含以下组成部分：能够独立交换数据的小型智能机器；能自动记录信息数据的存储系统；高效运作的产品管理设备。由此构建的CPS，不但能有效控制整个生产生命周期与产品生命周期的生产流程，还能随时检测原材料的库存、供应链状况、生产设备潜在的故障。

当企业决策者的生产指令输入系统时，CPS会将每一条指令都扩散给整个产业物联网。从纵向角度来融合公司的整个生产过程与商业流程，并从横向融合能够实时管控的衍生价值体系。可以说，没有CPS，就不会有工业4. 0的智能制造与智能工厂。开发新的嵌入式系统，组建适用于不同领域的CPS，成为第四次工业革的重要基础建设性工作。

两个主题——智能工厂和智能生产

智能工厂可以通过数据交互技术、虚拟可视化等技术，实现设备与设备、设备与工厂、各工厂之间的无缝对接，并实时监测分散在各地的生产基地。制造结构（包含模型、数据、通信、算法）不再是事先固定好的而是开发一系列信息技术组合规则，使之根据不同的情况自动生成特定的结构。智能制造体系将实现兼具效率与灵活性的大规模个性化甚至完全的个性化生产，从而降低个性化定制产品的成本，并缩短产品的上市时间。产品在生产制造过程中的不确定因素将变得“透明化”。企业将从反应型制造转变为预测型和定制化制造。

智能生产，根据个性化产品需求，全面整合“分布式自组织式”的生产流程与大规模单件生产工艺。把信息与实体进行无缝对接，一切机器设备都被纳入统一的智能化网络。智能的生产设备能够根据相关信息，自主组织生产、自主切换生产模式和更换生产资料，从而调整为最优的生产作业。即使在生产过程中环境需求出现变动，都能有随时变更解决方案。以最有效率的生产方式制造出多样化的个性化定制产品。

三项集成——横向集成、纵向集成、端到端集成

横向集成指的是网络协同制造的企业间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源信息共享与资源整合，确保各企业间的无缝合作，提供实时的产品和服务机制。横向集成体现在空间跨度上，是指企业间业务管理系统的集成。

纵向集成指的是企业内部物流、信息流、资金流、分散式生产、各个部门、各个生产环节（技术研发、产品设计、零部件生产、产品制造、企业运营、生产管理、物流服务）等生产制造流程各环节的集成，建立企业内部有效的纵向生产体系。

端到端集成指的是智能工厂对整个产品生命周期的控制，从原材进入工厂端到产品送入客户端，把在一个企业之中或多个企业之间的产品价值链都实现了端到端的智能化集成，确保个性化产品能够实现。

工业4.0产业集成的智能制造体系是系统的系统，一个多种产业、行业、企业集合而成的智能生态系统。这个生态系统主要包含了五个层次:智能产品构成的系统；产品制造环节构成的系统；各级供应网络构成的系统；企业运营流程构成的系统；客户关系管理构成的系统。在这个生态系统中，所有的要素都实现了智能化与网络化。

德国高科技企业联合会与弗劳恩霍夫研究所认为，“工业4. 0”的产业集成将在以下领域率先完成：机器设备制造业；汽车制造业；机械化生产农业；化学工业；电子技术产业；信息工程；新能源产业。

按照德国人的解释，移动互联网、社会化媒体、物联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术是工业4. 0的主要驱动力。工业4. 0体系将在CPS的基础上，对机械制造、自动化、电子设备、软件等技术进行深度融合，同时彻底改变传统的企业生产模式、商业模式及运营管理模式。不仅能大幅度地提高生产效率与产品质量，还能有效地降低资源消耗，并满足消费者对产品的个性化需求。

智能要素和过程

智慧的人

在智慧制造过程，人仍然将发挥重要的主导作用，科研人员、产品设计师、企业的业务伙伴、管理者与最终用户在智能网络的帮助下，随时可以把他们的智慧介入到智慧制造过程中。

智能物料

从采购开始到被生产过程采用，被附加RFID的物料能够记录它的全部信息，包括供货商、用途、采购时间、批次、出入库信息、仓库存储位置、库存余量、包括用户信息、对应的产品信息等。通过对生产线上智慧产品信息的读取，可以获得零件的消耗及库存数量数据，这些数据通过管理信息系统传送到仓库管理系统，然后生成派送指令，物料识别后就通过自动输送装置准确地送到工作位置，并同时支持自动化盘点、库存预警，自动通知供货商等功能。

产品的智能化。

智能制造技术的关键，是让产品能够被自动化生产线有效识别、定位、追溯，从而让生产线上的智能机器设备可以根据不同产品的定制要求进行制造加工。这就要求产品本身具备自动存储数据、感知指令、与控制中心通信的能力。具体而言就是，在各种待加工产品中加入智能传感器、处理器、信息存储器、无线通信器等微型智能设备。每个待加工的产品与所需零部件，都能与生产线上的智能传感器进行“对话”，让所有的智能机器人能准确理解个性化生产作业的相关要求。

工业设备的智能化

智能制造的主体是智能化的工业设备。例如，从单个的智能机械手、智能传感器、智能机床到智能生产线、智能工厂，工业生产设备都采用高水平的人工智能。获得了数据计算、实时通信、精确控制、远程协调与自我管理五个功能。实现零件与机器沟通、机器与机器之间的沟通。管理者的大数据平台、产品设计师的电脑、智能生产线上的设备、物流配送中心的控制系统能实现实时数据共享，精准快速地协调整个智能生产线，甚至智能工厂的工作流程及内容。机器设备要能实时记录自己在生产过程中产生的数据。智能机器能够“学习”大数据中心分析出来的“经验”，不断进化自己的智能水平，从而对生产流程中的各种情况做出准确预测，并能自行组织协调生产。智能机械需要具备强大的自动联网的特征，还需要能够进行自我故障诊断和健康维护，以及对自身生命周期的管理支持。

生产方式的智能化

智能化的生产方式，主要指的是个性化生产与服务型制造。在工业4. 0时代，智能工厂完全根据消费者的个性化需求进行自动生产。企业内部组织将与产品的最终用户、业务合作伙伴形成一个新的产业价值链。在产业物联网与大数据云平台的帮助下，智能工厂可以追踪整个产品生命周期，收集更完整的产品数据，从而更准确地挖掘用户的个性化消费需求。这将使得企业与最终用户、合作伙伴处于同一个智能网络三方可以随时随地密切沟通、交换信息。最终用户可以直接参与智能工厂的整个生产流程。

管理的智能化

企业在工业大数据的帮助下实现了横向、纵向、端到端集成，可以及时、完整、精确地获得海量的用户数据。企业将与产业价值链上的所有利益相关方共同打造产业物联网，从而更加科学、高效、灵活、便捷地管理企业。未来的智能工厂将由智能网络、智能分析、智能制造、智能物流等体系共同构成。

服务的智能化。

智能制造模式可以让最终用户全程参与整个产品的生命周期，与智能工厂携手完成研发设计、制造加工、组装包装、物流配送等环节。由于实现了与消费者的全程无障碍沟通，智能工厂可以在整个产品生命周期中为消费者提供更加人性化的服务。

商业模式

用物联网来连通产业价值链上的所有利益相关方。

组织

美国专家预测：未来的企业组织形式可能接近机动灵活的特种部队，以研发、生产、营销、服务一体化的编制精干的小组为基本单位，独立负责处理各自的细分市场。而企业高层一方面在战略决策环节集权化，另一方面又将战术层次的决策管理权下放至各个小组，寻求集权与放权的平衡，实现从指令性管理向合作式管理的转型。制造业也将颠覆传统的“集中式控制”的组织形式，推广更加灵活的“分散式增强型控制”的组织形式。生产“分散化”与人、机器、信息的“一体化”，是智能化生产的普遍形式。