借鑒德國“工業(yè)4.0” 推進我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級
工業(yè)4.0概念源于2011年漢諾威工業(yè)博覽會,德國業(yè)界提出該想法是想通過物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用來提高德國制造業(yè)水平。隨后,德國成立了“工業(yè)4.0工作組”,并于2013年4月發(fā)布了《保障德國制造業(yè)的未來:關(guān)于實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議》的報告。同時,德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部也于2013年將工業(yè)4.0項目納入了《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》的十大未來項目中。德國機械及制造商協(xié)會(VDMA)等協(xié)會還合作設(shè)立了“工業(yè)4.0平臺”。2013年12月,德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會發(fā)表了德國首個工業(yè)4.0標準化路線圖。在今年4月的漢諾威工業(yè)博覽會,工業(yè)4.0成為主題。德國總理默克爾將工業(yè)4.0稱作是“一個里程碑”。
目前,工業(yè)4.0的概念也引起了我國政府、產(chǎn)業(yè)界以及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。那么,德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略包含哪些主要內(nèi)容?其主要戰(zhàn)略目的與產(chǎn)業(yè)意圖又是什么?德國工業(yè)4.0對中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級有哪些啟示與借鑒?等等問題,都值得我們深入研究。
德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的主要內(nèi)容
工業(yè)4.0認為,18世紀引入機械制造設(shè)備的工業(yè)是1.0時代,20世紀初的電氣化是2.0時代,20世紀70年代開始的利用電子信息化技術(shù)的自動化是3.0時代,而工業(yè)4.0,意味著基于信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System,CPS)的智能制造時代的到來。
對德國工業(yè)4.0的核心內(nèi)容進行概括的話,可以總結(jié)為:建設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)(Cyber-Physical System,信息物理系統(tǒng))、研究兩大主題(智能工廠、智能生產(chǎn))、實現(xiàn)三大集成(橫向集成、縱向集成與端對端集成)、推進三大轉(zhuǎn)變。
一是建設(shè)一大網(wǎng)絡(luò),即信息物理系統(tǒng)(CPS)。CPS的核心思想是強調(diào)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與實體物理系統(tǒng)的融合。換而言之,即強調(diào)制造業(yè)在數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)型。進一步講,CPS的主要特征可以用六個字母(6C)來定義,即Connection(連接)、Cloud(云儲存)、Cyber(虛擬網(wǎng)絡(luò))、Content(內(nèi)容)、Community(社群)、Customization(定制化)。CPS可以將資源、信息、物體以及人員緊密聯(lián)系在一起,從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù),并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€智能環(huán)境。
二是研究兩大主題,即智能工廠與智能生產(chǎn)。實現(xiàn)工業(yè)4.0的核心是智能工廠與智能生產(chǎn)。作為目標核心載體的智能工廠,即分散的、具備一定智能化的生產(chǎn)設(shè)備,在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互之后,能夠形成高度智能化的有機體,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、分布式的生產(chǎn)設(shè)施;智能生產(chǎn)的側(cè)重點在于將人機互動、智能物流管理、3D打印等先進技術(shù)應(yīng)用于整個工業(yè)生產(chǎn)過程。
未來智能工廠與智能生產(chǎn)的實現(xiàn)意味著:較之傳統(tǒng)生產(chǎn)模式,新的生產(chǎn)方式將大幅提高資源利用率,產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的實時圖像顯示使得虛擬生產(chǎn)變?yōu)榭赡?,從而減少材料浪費;個性化定制將成為可能并且生產(chǎn)速度大幅提高。
三是實現(xiàn)三大集成,即價值鏈上企業(yè)間的橫向集成、網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的縱向集成,以及端對端工程數(shù)字化集成。
在生產(chǎn)、自動化工程以及IT領(lǐng)域,價值鏈上企業(yè)間的橫向集成是指將使用于不同生產(chǎn)階段及商業(yè)規(guī)劃過程的IT系統(tǒng)集成在一起,這包括了發(fā)生在公司內(nèi)部以及不同公司之間的材料、能源以及信息的交換(比如入站物流、生產(chǎn)過程、出站物流、市場營銷),橫向集成的目的是提供端對端的解決方案。
與此相對應(yīng),網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的縱向集成是指將處于不同層級的IT系統(tǒng)進行集成(例如,執(zhí)行器和傳感器、控制、生產(chǎn)管理、制造和企業(yè)規(guī)劃執(zhí)行等不同層面),其目的同樣是為了提供一種端對端的解決方案。
端對端工程數(shù)字化集成是指貫穿整個價值鏈的工程化數(shù)字集成,是在所有終端實現(xiàn)數(shù)字化的前提下所實現(xiàn)的基于價值鏈與不同公司之間的一種整合,這將在最大程度上實現(xiàn)個性化定制。在此模式下,客戶從產(chǎn)品設(shè)計階段就參與到整條生產(chǎn)鏈,并貫穿加工制造、銷售物流等環(huán)節(jié),可實現(xiàn)隨時參與和決策并自由配置各個功能組件。
四是促進三個轉(zhuǎn)變。一是實現(xiàn)生產(chǎn)由集中向分散的轉(zhuǎn)變,規(guī)模效應(yīng)不再是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,工業(yè)生產(chǎn)的基本模式將由集中式控制向分散式增強型控制轉(zhuǎn)變;二是實現(xiàn)產(chǎn)品由大規(guī)模趨同性生產(chǎn)向規(guī)?;ㄖ粕a(chǎn)轉(zhuǎn)變,未來產(chǎn)品都將完全按照個人意愿進行生產(chǎn),極端情況下,將成為自動化、個性化的單件制造;三是實現(xiàn)由客戶導(dǎo)向向客戶全程參與的轉(zhuǎn)變,客戶不僅出現(xiàn)在生產(chǎn)流程的兩端,而是廣泛、實時參與生產(chǎn)和價值創(chuàng)造的全過程。
歸納而言,德國工業(yè)4.0的核心,就是利用信息通信技術(shù)把產(chǎn)品、機器、資源和人有機結(jié)合在一起,通過信息通信技術(shù)建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的智能制造模式。在此模式中,CPS系統(tǒng)將推動生產(chǎn)對象直接或借助互聯(lián)網(wǎng)通過M2M(Machine-to-Machine,機器對機器)通信自主實現(xiàn)信息交換、運轉(zhuǎn)和互相操控;智能工廠能夠自行運轉(zhuǎn),產(chǎn)品與機器可以相互交流,機器可以自組織生產(chǎn),供應(yīng)鏈將自動化協(xié)同,產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組,創(chuàng)造新價值的過程將發(fā)生改變。
德國工業(yè)4.0的戰(zhàn)略目的與產(chǎn)業(yè)意圖
一是確保德國制造業(yè)的國際競爭力,爭奪新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的話語權(quán)。這是德國推進工業(yè)4.0的主要戰(zhàn)略目的。
德國作為世界上最具競爭力的制造業(yè)強國,擁有世界一流的機器設(shè)備和裝備制造業(yè),尤其在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程領(lǐng)域更是處于領(lǐng)軍地位。機械設(shè)備、汽車和化學(xué)品是德國主要的出口產(chǎn)品,尤其在機械設(shè)備領(lǐng)域,德國作為全球市場領(lǐng)導(dǎo)者,擁有許多提供專業(yè)解決方案的“隱形冠軍”——德國前100名的中小企業(yè)有22家是機械設(shè)備制造商。
但德國工業(yè)面臨的挑戰(zhàn)以及其相對弱項也十分明顯。首先,機械設(shè)備領(lǐng)域的全球競爭正日趨激烈,不僅美國在全球金融危機后大力推進“再工業(yè)化”戰(zhàn)略與措施,大力發(fā)展先進制造業(yè),亞洲的機械設(shè)備制造商也正奮起直追,威脅德國制造商。其次,軟件與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是德國工業(yè)的相對弱項。與美國相比,德國的國內(nèi)市場較小,不利于IT解決方案的大規(guī)模實施,德國在國際上比較有影響力的IT企業(yè)僅有SAP等企業(yè)。而美國涌現(xiàn)了Google、Amazon等跨界融合企業(yè),大力研究人工智能技術(shù),探索無人機以及無人駕駛汽車。德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略的核心概念——CPS的主要思想,也是美國在2006年提出來的。可以說,在工業(yè)信息化方面,美國硅谷代表了一個完整的企業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng),而德國并沒有太多的領(lǐng)先優(yōu)勢。
因此,為了保持作為全球領(lǐng)先的裝備制造供應(yīng)商以及在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的優(yōu)勢,面對新一輪技術(shù)革命的挑戰(zhàn),德國提出自己的工業(yè)4.0戰(zhàn)略,其目的就是要充分發(fā)揮德國的傳統(tǒng)優(yōu)勢,通過在制造業(yè)領(lǐng)域大力應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)以及服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),在向工業(yè)化第四階段的邁進過程中先發(fā)制人,與美國等國爭奪新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的話語權(quán)。
二是推動德國制造業(yè)從單純的圍繞產(chǎn)品制造的產(chǎn)銷模式,向基于大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)上的智能制造模式轉(zhuǎn)型。這是德國推進工業(yè)4.0戰(zhàn)略的主要產(chǎn)業(yè)意圖。
德國是一個高端制造業(yè)大國,但與美國相比,德國的制造業(yè)服務(wù)化相對比較弱,其產(chǎn)品提供了功能的價值,卻沒有充分挖掘服務(wù)的價值。因此,工業(yè)4.0的提出,意味著德國試圖利用其變革德國制造業(yè)的方向,即通過向智能制造的轉(zhuǎn)型,大力推進制造業(yè)服務(wù)化,不僅通過賣產(chǎn)品創(chuàng)造價值,也通過賣技術(shù)、賣服務(wù)創(chuàng)造財富。
工業(yè)4.0強調(diào)通過信息網(wǎng)絡(luò)與物理生產(chǎn)系統(tǒng)的融合來改變當前的工業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)模式。在工業(yè)4.0時代,產(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備之間、不同的生產(chǎn)設(shè)備之間,通過數(shù)據(jù)交互連接到一起,讓工廠內(nèi)部縱向之間甚至工廠與工廠橫向之間都能成為一個整體,從而形成生產(chǎn)的智能化。在信息物理系統(tǒng)實現(xiàn)過程中產(chǎn)生的工業(yè)大數(shù)據(jù),其應(yīng)用和分析等相關(guān)技術(shù)必然成為工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。由此,在工業(yè)4.0時代,制造業(yè)也將從單純的圍繞產(chǎn)品制造的產(chǎn)銷模式,向基于大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用基礎(chǔ)上的智能制造模式轉(zhuǎn)變。
對中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的啟示與借鑒
工業(yè)4.0是德國從政府層面提出的戰(zhàn)略,代表德國從國家層面對未來制造業(yè)走向和相關(guān)問題的戰(zhàn)略布局和對策,與我國提出的兩化深度融合戰(zhàn)略有很多相似之處,其提出的一系列政策措施,值得我們認真借鑒。
一是制造業(yè)智能化、互聯(lián)網(wǎng)化是新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的大趨勢,要抓緊制定相應(yīng)的頂層戰(zhàn)略設(shè)計,重視話語權(quán)建設(shè)。為推進工業(yè)4.0計劃的落實,德國資訊技術(shù)和BITKOM、德國機械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)以及德國電氣和電子工業(yè)聯(lián)合會(ZVEI)等三大協(xié)會共同建立了跨界研究小組“工業(yè)4.0平臺”,以協(xié)調(diào)所有參與工業(yè)4.0戰(zhàn)略計劃的資源。這也是德國推進工業(yè)4.0的組織保障。充分重視釋放市場潛力的戰(zhàn)略設(shè)計,為了執(zhí)行工業(yè)4.0戰(zhàn)略,德國采用了“領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略”與“領(lǐng)先的市場戰(zhàn)略”的雙重戰(zhàn)略來釋放市場潛力。領(lǐng)先的供應(yīng)商戰(zhàn)略強調(diào)德國裝備制造供應(yīng)商要通過技術(shù)創(chuàng)新和集成,不斷提供世界領(lǐng)先的技術(shù)解決方案,并藉此成為工業(yè)4.0產(chǎn)品的全球領(lǐng)先的開發(fā)商、生產(chǎn)商。重視在新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的話語權(quán)建設(shè)。為了充分發(fā)揮德國的傳統(tǒng)優(yōu)勢,德國在吸收美國提出的CPS概念的基礎(chǔ)上推陳出新,提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略,其目的就是要爭奪話語權(quán),為德國的新技術(shù)與產(chǎn)品出口創(chuàng)造機會。
德國的工業(yè)4.0戰(zhàn)略,可以說是對于先進制造業(yè)發(fā)展方向和升級路徑的決策,目標明確、戰(zhàn)略務(wù)實、發(fā)展路徑清晰,與我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃中的兩化深度融合的提法異曲同工。我國兩化融合和兩化深度融合概念雖然提出已久,但戰(zhàn)略設(shè)計、組織保障、推進路線等方面的認知還沒有達到一定的水平,兩化深度融合的提法也還沒有提升到爭奪全球新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的話語權(quán)的高度來制定戰(zhàn)略目標與執(zhí)行路線。在這方面我們必須向德國、美國學(xué)習,立足于充分發(fā)揮中國制造業(yè)的現(xiàn)有優(yōu)勢,在深刻認識新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的規(guī)律與特性的基礎(chǔ)上,推進我國新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃,力爭在全球新的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命中建立自身的話語權(quán)。
二是高度重視標準在工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、兩化深度融合戰(zhàn)略和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的引領(lǐng)作用,大力推進標準的國際化建設(shè)。德國是一個重視標準的國家,并將標準放到引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高度上,認為標準尤其是關(guān)于安全、健康和環(huán)保等方面的標準,代表著掌控科技、掌控產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。據(jù)德國標準化協(xié)會的計算,1960-1996年間德國每年3.3%的GDP增長中,標準的貢獻率占0.9%,僅次于資本投入。
工業(yè)4.0認為,實現(xiàn)工業(yè)4.0目標的關(guān)鍵是建立一個人、機器、資源互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)化社會,物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)化的智能聯(lián)接必然要求一個系統(tǒng)框架,在這個框架內(nèi),各種終端設(shè)備、應(yīng)用軟件,它們之間的數(shù)據(jù)信息交換、識別、處理、維護等必須基于一套標準化的體系。為了順利實現(xiàn)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)化,德國工業(yè)4.0工作組把標準化排在為推進工業(yè)4.0需要在關(guān)鍵領(lǐng)域采取的8項行動的第一位,工業(yè)4.0工作組還同時建議在工業(yè)4.0平臺下成立一個工作小組,專門處理標準化和參考架構(gòu)的問題。為此,2013年12月,德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會發(fā)表了“工業(yè)標準化路線圖”??梢哉f,德國工業(yè)4.0中的標準化戰(zhàn)略顯示出“前導(dǎo)+研發(fā)”的鮮明模式特征,即在先進技術(shù)的研發(fā)的同時,標準化同步甚至超前進行,以便為產(chǎn)業(yè)發(fā)展勾勒出整體框架。
為此,我們在推進兩化深度融合的戰(zhàn)略中,不僅要重視發(fā)揮標準化工作在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的引領(lǐng)作用,及時出臺兩化深度融合標準化路線圖,而且還要實現(xiàn)標準的國際化,使得中國設(shè)立的標準得到國際上的廣泛采用,以奪取戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全球制高點。
三是在實施兩化深度融合戰(zhàn)略、發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的過程中,不僅要重視關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和突破,更應(yīng)重視系統(tǒng)配套體系、企業(yè)創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。工業(yè)4.0強調(diào)系統(tǒng)、集成以及社會資源的再配置,是對整個制造業(yè)體系的發(fā)展的總體思考,而不僅僅把它作為一個新技術(shù)發(fā)展的問題。
在工業(yè)4.0的雙重戰(zhàn)略中,德國提出不僅要重視發(fā)揮大企業(yè)的龍頭作用,更高度強調(diào)如何使中小企業(yè)能夠應(yīng)用工業(yè)4.0的成果來解決“產(chǎn)、學(xué)、研、用”互相結(jié)合和促進的問題。德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略不僅有傳統(tǒng)的大公司西門子、博世、庫卡積極參與該計劃,也特別注重吸引中小企業(yè)參與,力圖使中小企業(yè)成為新一代智能制造技術(shù)的使用者和受益者,同時也成為先進制造技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者。
可以說,從技術(shù)發(fā)展、創(chuàng)新生態(tài)到社會融合,工業(yè)4.0特別注重“工業(yè)系統(tǒng)的整體躍遷”的實現(xiàn)路徑與配套體系建設(shè)。我們在實施兩化深度融合戰(zhàn)略中,不但要重視大企業(yè)的龍頭作用,還應(yīng)充分吸收中小企業(yè)參與,以推動跨學(xué)科、跨行業(yè)的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)。同時,如何為工業(yè)提供綜合的寬帶互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、如何開發(fā)和管理工業(yè)大數(shù)據(jù)、如何保證工業(yè)IT系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)的安全,這些課題都值得我們在實施工業(yè)轉(zhuǎn)型升級規(guī)劃時重點考慮。尤其重要的是,我們應(yīng)把推進工業(yè)大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展置于搶占新一輪技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的制高點的高度加以推進,不僅應(yīng)加強工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究,更要加強工業(yè)大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)的開發(fā)。