工業4.0-三個皮匠報告百科

工業4.0是什么

工業4.0既是指一場工業革命，又可以說是一項“戰略方案”。2011年，德國行業協會首次提出工業4.0的概念。這將是一場以智能制造為主導的工業革命，也是一種創新性的生產方法。該戰略的最主要特征就是制造業的智能化轉型，充分結合CPS(信息物理系統—網絡空間虛擬系統)和信息通訊技術。

它的兩大主題是“智能工廠”和“智能生產”。通過數字化、網絡化有機地把人，資源，機器和產品聯系在一起，使得各個生產部門之間可是實現數據共享，協同生產。其中主要涉及了生產設備的網絡化，生產流程的自動化，產品生命周期的數字化，以及物聯網、射頻識別，3D技術，智能化機器人等許多新技術。工業4.0的提出使得原先大規模批量生產向大規模定制生產轉變，集中定向生產向網絡化異地協同生產轉變，傳統制造企業向跨界融合企業轉變成為可能^[1].

工業4.0的理論框架

(1)智能工廠，智能制造，智能工廠，未來工廠：智能工廠將更加智能化、靈活性和動態性。制造業將配備傳感器、驅動器和自主系統。機器和設備將有能力通過自我優化和自主決策來改進過程。

(2)開發新系統的產品和服務：產品和服務的開發將是個性化的。在這種背景下，開放創新、產品智能以及產品記憶的方法顯得尤為重要。

(3)自我組織：在制造業中，整個供應鏈和制造鏈的過程都在變化。這些變化將對從供應商到物流和產品生命周期管理的過程的變化產生影響。隨著所有這些變化，制造過程將在企業邊界上緊密相連。

(4)智能產品：產品中嵌入了傳感器和微芯片，允許通過物聯網與彼此和人類進行通信。汽車、t恤、手表、洗衣粉等等都將變得“智能”，因為它們的制造商在包裝上安裝了傳感器，可以檢測產品的使用時間，并在掃描時與智能手機進行通信。智能產品引發了侵犯隱私的問題，進而也引發了人身安全的問題。

(5)分銷和采購方面的新制度：分銷和采購將日益個性化。

(6)適應人類需要：新的制造業和零售商的系統應該按照人類的需求來設計，而不是相反。有人認為，這些系統很可能是類似機器人的工具的組合，如個人智能代理，如Siri、Cortana等，以及物聯網。這可能成為買賣雙方互動的主導模式

(7)信息物理融合系統：系統將集成計算、網絡和物理過程。嵌入式計算機和網絡將監視和控制物理過程，在反饋回路中，物理過程影響計算，反之亦然。例如，通過移動應用程序、衣服上的傳感器以及公寓里的傳感器和監控攝像頭，控制至關重要的人體功能，從而實現緊急醫療救治

(8)智慧城市：智慧城市的定義是:智慧經濟、智慧出行、智慧環境、智慧人群、智慧生活、智慧治理六大要素構成的城市。它是以物聯網為核心，以互聯網、電信網絡、廣播網絡、無線寬帶網絡等傳感器網絡的網絡融合為基礎，加速發展新一代IT和知識經濟的產物。

(9)數字可持續性：可持續發展和資源效率日益成為智慧城市和智慧工廠設計的重點。在使用私人信息時，有必要尊重道德準則。這些因素是成功產品的基本框架條件^[2].

工業4.0的主要內容

工業4.0主要內容概括而言包括“一大系統”、“兩大主題”、“三大集成”和“八大行動計劃”。

1.“一大系統”：即信息物理系統，是實現工業4.0的技術基礎，能夠實現實體的物理系統與虛擬的網絡世界之間的有效融合。

2.“兩大主題”：為智能生產和智能工廠，智能生產是指在企業的生產制造過程中，應用人機互動、3D打印技術、智能生產物流管理等新一代智能制造技術等；而智能工廠則側重于研究智能化生產系統、智能化生產設施的分布。

3.“三大集成”：即實現價值鏈網絡的橫向集成、網絡化制造系統的垂直集成以及橫跨整個價值鏈的端對端數字集成。

4.“八大行動計劃”：工業4.0涉及到8個關鍵領域：

(1) 標準化和開放標準的一個參考體系

由于工業4.0需要各公司之間在機械、設備制造、自動化和工程生產軟件業之間進行緊密合作，第一步就是要在共同的基本術語上達成一致。盡管有一些既定的標準已經在各類學科技術、專業協會以及工作組中得到使用，但缺乏對于這些標準的有效協調。因此，很有必要將現有標準，(如在自動化領域中，通信、IT安全、建模、設備的集成、工程、數字化工廠等)納入一個全新的全球范圍內的參考體系。

(2) 管理復雜的系統

現代工業產品以及其相關制造系統日趨復雜。這是由于產品功能的增加、用戶特定需求的增加、交付要求的頻繁變化、不同的技術、學科和組織的日益融合、以及不同公司之間合作的形式迅速變化產生的結果。建?？梢宰鳛橐环N有效的手段，管理這一日益復雜而靈活的系統。工業4.0的一項主要挑戰就是在更廣泛的工業工程領域不斷提高對制造模型潛力的認識，為工程師提供方法和工具，使其能在虛擬世界中恰當的使用模型來描述真實世界中的系統。

(3) 為工業提供一個全面寬頻的基礎設施

工業4.0的核心需求之一是提升現有的工業通信網絡，用于提供準確的延遲時間、可靠的性能、優質的服務質量以及通用帶寬。

(4) 安保是工業4.0成功至關重要的因素

對于生產設施和制造的產品來說，安保包含兩個關鍵環節。一方面，它們不應該對人和環境(安全)構成危險；另一方面，生產數據和它們所包含的規則，需要加以保護，以防誤操作或者未經授權的訪問。隨著工4.0的到來，關于安保提出了進一步要求。工業4.0的制造系統和高度網絡化的系統結構，將大量的有關人員、IT系統、機器信息和自動化元件納入其中。安全問題是整個系統必須考慮的。

(5) 數字化工業時代工作的組織和設計

在工業4.0時代，工作性質很可能將在復雜局面的管理、抽象的工作與問題的解決方面，對員工提出了更高的要求。員工需要具備更強的主觀能動性、更好的溝通交流能力和組織自身的工作的能力。簡單來說，就是對員工的主觀能力以及潛在的發展提出了更高的要求。

(6) 培訓和持續的職業發展

工業4.0還進一步要求IT專家的培養方式需要做改變。對不同行業間應用程序需求的識別能力，以及從世界各地聯系開發合作伙伴的能力的重要性將超過純粹的技術專長。

(7)規章制度

在通常情況下，當技術發展達到了設計法規層面時，工程師將越來越需要了解法律的問題，使他們可以和法律工作者進行全面的對話。通過這樣的方法，工程師和法律專家之間的合作關系可以為工業4.0市場中提供的競爭優勢。因此，確保法律專家從早期設計階段參與到工業4.0的各個工作中去是非常重要的。

(8)資源效率

工業4.0作為一個整體，必須要研究如何減少工業生產過程中能源的消耗，以及在設計，生產過程中使用的機器、設備、工具等的能源消耗^[1]。

工業4.0的來源

“工業4.0”是德國政府大力支持工業發展的戰略舉措，于2011年在漢諾威博覽會上首次提出，這可以看作是德國保持其作為機械和汽車制造業最具影響力大國地位的一種行動?；ヂ摼W和物聯網的使用、企業技術流程和業務流程的整合、現實世界的數字地圖和虛擬化、包括工業生產“智能”手段和“智能”產品在內的“智能”工廠，都是“工業4.0”所使用的概念。除了引進新技術和數字化，它還發現了盈利和削減成本的機會。

Nanry在2015年稱“工業4.0”生產可以使工廠生產成本降低10-30%，物流成本降低10-30%，質量管理成本降低10-20%?！肮I4.0”被認為是制造業數字化的下一個階段，它出現了四大趨勢：數據、計算能力和連通性飛速增長；商業智能分析出現；人機交互產生全新形式；以及物理世界數字傳輸指令改進。然而，這四個趨勢并不是“工業4.0”的原因。相反，這是繼20世紀70年代的精益革命、20世紀90年代的外包現象以及21世紀頭十年開始的自動化之后，現代制造業的第四次重大變革。

麥肯錫(McKinsey)的一項調查顯示，企業并不總是意識到這些新興技術。麥肯錫在2015年1月調查了300位制造業領袖，只有48%的制造商認為自己已經準備好迎接“工業4.0”。

工業4.0的發展歷程

從歷史上看，經濟轉型都伴隨著新型能源系統和新型能源技術的結合?；谑澜绻I發展歷史，根據工業技術不同發展階段可以將世界工業發展劃分為四個不同的階段：

1.“工業1.0”(蒸汽革命)

18世紀初到19世紀中期，以水力、蒸汽機為動力的機械設備在輕紡行業中應用的工業機械化生產是“工業1.0”時代的標志，被稱為“蒸汽革命”。此次工業革命使得機械設備廣泛應用于工業生產從而代替了手工勞動，極大的解放了手工勞動力，經濟社會的基礎也發生了根本性的的轉變，是工業革命的開端。第一次工業革命伴隨著蒸汽和印刷術的結合。

2. “工業2.0”(電力革命)

工業革命使得機械化生產成為經濟社會的基礎，機械化生產促進了勞動分工極大提高了生產效率。供給端的豐富帶來的需求端的增長，機械化生產已經跟不上需求的增長，因此必然會帶來技術的革新。1834年，以電力為動力電動機的應用使得規?；a成為現實，再次帶來工業生產方式第二次革新。在勞動分工的基礎上，生產線生產和規?；M裝成為新的生產模式，使得產品得以批量化和規?；a?！肮I2.0”時代，產業結構發生了深刻的變化，以電力、石油為驅動力帶來汽車、航空、電子、化學等一大批技術密集型產業興起，工業機械化時代進入了電氣化時代。第二次工業革命伴隨著石油和電信技術的結合。

3.“工業3.0”(信息革命)

第三次工業革命以電子信息技術為開端，始于20世紀70年代。計算機的廣泛應用使得生產過程自動化程度更高。自動化生產的出現代替了勞動力從而帶動產業結構再次得到革新，造成第一、二產業在國民經濟中比重下降，第三產業的比重上升。第三次工業革命也造成了貧富差距擴大，促進了世界范圍內的生產關系的變革。

4.“工業4.0”(智能革命)

基于“信息物理系統”(CPS)的智能化生產方式成為第四次工業革命的開端并仍將延續。智能化生產是第四次工業革命最主要的特點，以物聯網技術和制造業服務化傾向將成為新的生產方式?！肮I4.0”是將通過虛擬網絡與傳統制造業結合，實現產品與服務全生命周期和全制造流程的數字化、信息化、智能化生產模式。

工業4.0的優勢

“工業4.0”可以積極滿足個人客戶需求、提高生產靈活性、增加通過新服務創造價值的機會。此外，還有其他很多優勢，包括新產品上市時間更短、工作環境更友好以及自然資源和能源更為有效加以利用。

(1)大規模定制，快速反應客戶需求

需求的日益個性化和長尾市場的出現迫使企業重新考慮自己，并達到新的靈活性水平。大規模定制是這一戰略的基本組成部分。它允許生產非常小的規模，甚至是單一的獨特的產品，卻能保證仍然是有利可圖的。個性化或定制生產變得非常重要。通過使用自動化生產系統的高可配置性，在最后時刻對產品或原型進行微小的更改成為可能。此外，全球網絡化生產環境代表了實現定制生產的世界上最先進的方法。

(2)柔性生產

智能工廠的建立和智能配置機器的使用顯示了更靈活的生產。在某一生產設施中，生產的產品種類更多，生產過程更靈活，對變化和暫時短缺能夠迅速作出反應。

(3)提高生產速度

使用數字驗證的公司大大減少了生產中斷的可能性。通過使用“工業4.0”技術，可以隨時檢測變化并向客戶提供證據。在消除設計缺陷的同時，提高了生產速度。

(4)提高產品質量，降低錯誤率

雖然較高的生產速度可能會降低產品質量，但在數據驅動制造的情況下，產品的質量會提高，錯誤率會降低。錯誤的信息和錯誤的生產降低了公司的利潤，增加了額外的成本。視頻監控將全程對產品質量進行控制，使生產過程中的錯誤能夠更快的檢測出來。通過大數據分析，管理所有流程的智能工廠的生產將變得更加有效。

(5)提高工作效率

數字技術和自動化過程通過識別生產鏈中的弱點和障礙來改進制造操作。這種技術在開始生產前也使用了預先測試的方法，基于此公司既能節省能源又能節省成本。此外，一些公司建立的智能工廠可以在沒有員工的情況下繼續生產——選用機器人，從而提高效率，節約成本。同時，機器人將接管更多重復的任務，使工人能夠專注于更具挑戰性的任務^[2]。

工業4.0的劣勢

(1)勞動力、成本和失業

“工業4.0”變革了工作場所，增加了失業率和成本。因為企業需要熟練的員工理解并應用“工業4.0”的概念，然而目前還沒有與“工業4.0”相關的員工實際培訓概要。此外，員工需要去適應并熟練操作新系統，其中能力稍低的員工則會被淘汰。研發和投資也是企業面臨的一大難題。因為確保系統之間正確的數據交換需要付出昂貴的成本代價。對于小公司來說，其成本、風險、靈活性的喪失以及戰略獨立性的喪失都是“工業4.0”時代下的發展劣勢。事實上，公司一旦選擇使用機器人和軟件來保護他們的競爭力，會增加世界上許多國家的失業率。

(2)安全與保障

數字化、物聯網、新服務、數據和連接等“工業4.0”時代特征也為數據劫持者和從事工業間諜活動的黑客開辟了新途徑。網絡風險將會增加，因為病毒可以破壞大型數據網絡、智能生產系統和共享的數據，對企業生產活動產生非常壞的影響。例如，公司的數據可能最終掌握在競爭對手手中。另一方面黑客可以通過網絡攻擊，直接滲透并控制工廠。因此，企業必須不斷更新和審計安全措施，防患于未然。不過，一切都要以生產設施不應對人類或周圍環境構成威脅為前提^[2]。

工業4.0的實現方式

主要是通過CPS(信息物理系統)，總體掌控從消費需求到生產制造的所有過程，由此實現高效生產管理。

“工業4.0”的核心是通過實體系統和虛擬系統的融合(Cyber-Phyiscal System，CPS)，構造智能工廠，將傳統制造業升級為智能制造的目的。CPS系統即信息物理系統，在傳統制造設備基礎上，融合信息和通訊技術構建的物聯網平移臺，實現產品服務全制造過程的數據化控制，智能化制造。整個智能制造過程包括：

(1)通過一個或多個云平臺，傳感器原件采集大量的生產數據信息；

(2)在制造設備中嵌入自主小型化的智能控件，實現制造過程的自主智能化；

(3)通過物聯網平臺實現生產服務數據的高速精確傳輸；

(4)通過人工開發的軟件系統進行數據進行帶數據處理反饋和生產指令發送，人工實時控制生產過程達到生產制造的智能化

工業4.0的應用實例

供應鏈作為工業4.0的一個重要子主題，在制造業企業的發展過程中具有舉足輕重的作用，而工業4.0的快速發展為供應鏈的發展提供了新的動力。在2020年新冠疫情的影響下，全球供應鏈遭受重創，但是在疫情發生之前已積極實施工業4.0的企業將損失降到了最小。以中國某包裝消費品公司為例，由于提前在供應鏈上應用了數字孿生技術，該公司得以在疫情期間模擬各種預案，積極應對工廠突然關閉或原材料供應中斷等突發狀況；為了擴大產能，位于地球另一端的一家北美個人防疫物資制造商安裝了一條新產線，痰隋期間，他們借助增強現實技術，以遠程輔助的方式成功實現了新產線的投產。同時，這次疫情也使許多企業意識到，薄弱的底層信息技術基礎框架已經不能保證企業應對突如其來的危機，而這種形勢下的長久發展更是一個巨大的挑戰。因此，在企業生產及運營環節等各個方面積極推進工業4.0，采用適合本企業的數字技術等高端技術勢在必行^[3]。

參考資料：

[1]王宏達.面向工業4.0的智能汽車生產線的設計與開發

[2]萬紫妍.工業4.0時代工業品牌整合營銷傳播策略研究--以德國西門子為例

[3]張艷秀.工業4.0發展研究概述[J].現代工業經濟和信息化，2022，12(1):20-21，34.

本文由@Y-L發布于三個皮匠報告網站，未經授權禁止轉載。

工業4.0相關報告：

工業4.0與智能制造解決方案(146頁).pdf

工業互聯網產業聯盟：中德工業互聯網白皮書：工業 4.0 x 工業互聯網，實踐與啟示(55頁).pdf ；

GSMA：面向工業 4.0 的 5G IoT 私有和專用網絡報告(31頁).pdf ；

中國電信：踐行工業4.0打造智慧工廠實現卓越制造（81頁）.pdf

德勤-工業行業4.0悖論：克服數字化轉型道路上的脫節[44頁].pdf

中控技術-工業4.0引領者智能制造領域龍頭-210805（27頁）.pdf