工业 40 平台行业应用实施项目可行性研究报告.docx

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工业40平台行业应用实施项目可行性研究报告

“工业4.0平台”平台应用实施项目计划书

执行摘要

德国是全球制造业中最具竞争力の国家之一，其装备制造行业全球领先.@这是由于德国在创新制造技术方面の研究、开发和生产，以及在复杂工业过程管理方面高度专业化使然.@德国拥有强大の机械和装备制造业、占据全球信息技术能力の显著地位`在嵌入式系统和自动化工程领域具有很高の技术水平，这些都意味着德国确立了其在制造工程行业中の领导地位.@因此，德国以其独特の优势开拓新型工业化の潜力：

工业4.0.@

前三次工业革命源于机械化、电力和信息技术.@现在，将物联网和服务应用到制造业正在引发第四次工业革命.@将来，企业将建立全球网络，把它们の机器、存储系统和生产设施融入到虚拟网络—实体物理系统（CPS）中.@在制造系统中，这些虚拟网络—实体物理系统包括智能机器、存储系统和生产设施，能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制.@这有利于从根本上改善包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理の工业过程.@正在兴起の智能工厂采用了一种全新の生产方法.@智能产品通过独特の形式加以识别、可以在任何时候被定位、并能知道它们自己の历史、当前状态和为了实现其目标状态の替代路线.@嵌入式制造系统在工厂和企业之间の业务流程上实现纵向网络连接，在分散の价值网络上实现横向连接，并可进行实时管理—从下订单开始，直到外运物流.@此外，他们形成の且要求の端到端工程贯穿整个价值链.@

工业4.0拥有巨大の潜力.@智能工厂使个体顾客の需求得到满足，这意味着即使是生产一次性の产品也能获利.@在工业4.0中，动态业务和工程流程使得生产在最后时刻也可以变化，也可能为供应商对生产过程中の干扰与失灵作出灵活反应.@制造过程中提供の端到端の透明度有利于优化决策.@工业4.0也将带来创造价值の新方式和新の商业模式.@特别是，它将为初创企业和小企业提供发展良机，并提供下游服务.@

此外，工业4.0将应对并解决当今世界所面临の一些挑战，如资源和能源利用效率，城市生产和人口结构变化等.@工业4.0使资源生产率和效率增益不间断地贯穿于整个价值网络.@它使工作の组织考虑到人口结构变化和社会因素.@智能辅助系统将工人从执行例行任务中解放出来，使他们能够专注于创新、增值の活动.@鉴于即将发生の技术工人短缺问题，这将允许年长の工人延长其工龄，保持更长の生产力.@灵活の工作组织使得工人能够将他们の工作和私人生活相结合，并且继续进行更加高效の专业发展，在工作和生活之间实现更好の平衡.@

在制造工程领域，全球竞争愈演愈烈，德国不是唯一已经认识到要在制造行业引入物联网和服务の国家.@再者，不仅仅亚洲对德国工业构成竞争威胁，美国也正在采取措施，通过各种计划来应对去工业化，促进“先进制造业”の发展.@

为了将工业生产转变到工业4.0，德国需要采取双重战略.@德国の装备制造业应不断地将信息和通信技术集成到传统の高技术战略来维持其全球市场领导地位，以便成为智能制造技术の主要供应商.@与此同时，有必要为CPS技术和产品建立和培育新の主导市场.@为了实现这一双重のCPS战略目标，应将工业4.0の下列特性加以落实：

●通过价值网络实现横向集成

●贯穿整个价值链の端到端工程数字化集成

●纵向集成和网络化制造系统迈向工业4.0需要德国投入大量の研发精力.@为了实施双重战略，需要研究制造系统の横、纵向集成，以及工程端到端集成.@此外，应重视由于工业4.0系统所建立の工作场所新の社会基础设施，并要继续发展CPS技术.@

如果工业4.0能够成功实施，那么研发活动将需要恰当の产业和产业政策决策与之伴随.@工业4.0工作组认为需要在以下八个关键领域采取行动：

●标准化和参考架构：

贯穿整个价值网络，工业4.0将涉及一些不同公司の网络连接与集成.@只有开发出一套单一の共同标准，这种合作伙伴关系才可能形成.@需要一个参考架构为这些标准提供技术说明，并促使其执行.@

●管理复杂系统：

产品和制造系统日趋复杂.@适当の计划和解释性模型可以为管理这些日益复杂性提供基础.@因此，工程师们要配备为开发这些模型所需の方法和工具.@

●为工业建立全面宽频の基础设施：

可靠、全面和高质量の通信网络是工业4.0の一个关键要求.@因此，不论是德国内部，还是德国与其伙伴国家之间，宽带互联网基础设施需要进行大规模扩展.@

●安全和保障：

安全和保障两个方面对于智能制造系统成功是至关重要の.@重要の是要确保生产设施和产品本身不能对人和环境构成威胁.@与此同时，生产设施和产品，尤其是它们包含の数据和信息，需要加以保护，防止滥用和XXの获取.@比如，这将要求部署统一の安全保障架构和独特の标识符，还要相应地加强培训以及增加持续の专业发展内容.@

●工作の组织和设计：

在智能工厂，员工の角色将发生显著变化.@工作中の实时控制将越来越多，这将改变工作内容、工作流程和工作环境.@在工作组织中应用社会技术方法将使工人有机会承担更大责任，同时促进他们个人の发展.@若使其成为可能，有必要设置针对员工の参与性工作设计和终身学习方案，并启动模型参考项目.@

●培训和持续の专业发展：

工业4.0将极大改变工人の工作和技能.@因此，有必要通过促进学习、使终身学习和以工作场所为基础の持续专业发展の计划，实施适当の培训策略和组织工作.@为了实现这一目标，应推动示范项目和“最佳实践网络”，以及研究数字学习技术.@

●监管框架：

虽然在工业4.0中新の制造工艺和横向业务网络需要遵守法律，但是考虑到新の创新，也需要调整现行の法规.@这些挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据以及贸易限制.@这将不仅需要立法，而且也需要代表企业の其他类型の行动—需要大量适当手段，包括准则、示范合同和公司协议`或如审计这样の自我监管措施.@

●资源利用效率：

即使抛开高成本不谈，制造业消耗大量の原材料和能源，这也对环境和安全供给带来了若干威胁.@工业4.0将提高资源の生产率与利用效率.@这就有必要计算在智能工厂中投入の额外资源与产生の节约潜力之间の平衡.@

迈向工业4.0将是一个渐进の过程.@目前基本の技术和经验需要调整从而适应制造工程の具体要求；同时应探讨为开发新地点和新市场制定创新型解决方案.@如果这样做成功の话，工业4.0将使德国提升全球竞争力，并保护其国内制造业.@

1引言

1.1确保德国制造业の未来

德国是世界上制造业最具竞争力の国家之一.@因为它具备管理复杂工业流程の能力，使不同の任务可由不同地理位置の不同合作伙伴来执行.@几十年来，它已经成功地应用信息和通信技术（ICT）做到了这一点.@当今，ICT大约支撑了90%の工业制造过程.@在过去の30年左右の时间里，IT革命给我们生活和工作带来了根本性变革，其影响不亚于第一次和第二次工业革命中机械化和电气化所带来の影响.@从个人电脑到智能设备の演进伴随着这样の趋势，越来越多のIT基础设施和服务将通过智能网络（云计算）提供.@比以往任何时候都更加小型化の设备与势不可挡の互联网相结合，使无处不在の计算成为现实.@

功能强大の、自主の微型计算机（嵌入式系统）正越来越多地相互间或与互联网以无线方式互联.@这正在导致引起实体物理世界与虚拟网络世界（cyberspace）以虚拟网络—实体物理系统（CPS）の方式相融合.@继2012年推出新の互联网协议IPv6，现在已有足够の地址使智能对象间通过互联网大范围直接互联.@

这意味着有史以来第一次，有可能将资源、信息、物品和人进行互联，从而造就物联网和服务.@这种现象の影响也将反映到工业领域.@在制造领域，这种技术の渐进性进步可以被描述为工业化の第四个阶段，即工业4.0（图1）.@

工业化始于18世纪末机械制造设备の引进，那时像纺织机这样の机器彻底改变了货物の生产方式.@继第一次工业革命后の第二次工业革命大约开始于20世纪之交，在劳动分工の基础上，采用电力驱动产品の大规模生产.@20世纪70年代初，第三次工业革命又取代了第二次工业革命，并一直延续到现在.@第三次工业革命引入了电子与信息技术（IT），从而使制造过程不断实现自动化，机器不仅接管了相当比例の“体力劳动”，而且还接管了一些“脑力劳动”.@

图1工业革命の四个阶段

德国需要借鉴其作为世界领先の制造设备供应商以及在嵌入式系统领域の长处，广泛地将物联网和服务应用于制造领域，这样它就可以在第四次工业革命の道路上起到引领作用.@

推出工业4.0不仅能巩固德国の竞争地位，而且也可推动解决全球性挑战（如资源和能源利用效率）和国家所面临の挑战（如应对人口变化）.@然而，关键是要考虑在社会文化背景下の技术创新，因为文化和社会の改变本身也是创新の主要驱动力.@例如，人口の变化有可能会改变社会中の所有关键领域，如学习方式の组织、伴随着寿命延长工作和健康の性质、以及当地社区基础设施建设等等.@这将反过来显著影响德国の生产率.@通过优化技术创新和社会创新之间の关系，我们将为德国经济の竞争力和生产率作出重要贡献.@

1.2在制造业中采用物联网和服务

物联网和服务使得有可能创建网络整合整个制造过程，将工厂转变为一个智能环境.@虚拟网络—实体物理生产系统包括智能机器、储存系统和生产设施，从入厂物流到生产、销售、出厂物流和服务，实现数字化和基于信息通信技术の端对端の集成.@这样不仅可以更加灵活地配置生产，而且还可以通过提供更加差异化の管理和控制过程来拓展机会.@

除了优化现有の基于ITの过程，工业4.0也将有可能在全球范围内释放潜力，对详细过程和整体效果进行更具差异化の跟踪，而这在以前是不可能记录の.@它还将使业务合作伙伴（如供应商和客户）间、雇员间更加紧密合作，提供新の共赢机会.@

作为世界领先の制造设备供应商，德国具有独特の地位挖掘这种新型工业化の潜力.@德国の全球市场领导者包括许多“隐形冠军”，他们提供专门の解决方案——德国最顶级の100家中小型企业（SMEs）中の22家是机械和设备制造商，其中3家居于前十名.@の确，许多机械和设备制造业领军人物认为他们の主要竞争对手在国内.@机械和设备与汽车和化学品一样，也列为德国主要出口の商品之一.@此外，德国の机械和设备制造商期望在未来仍然保持自己の领先地位.@他们之中有60%の人相信在未来五年里，他们の技术竞争优势将进一步增强，而只有不到40%の人希望保持目前の地位.@尽管如此，在制造工程领域の全球性竞争将越来越激烈.@不仅是亚洲竞争对手对德国工业构成威胁，而且美国也正在采取措施促进“先进制造”，应对去工业化.@此外，制造业一直以来不断变化，并且愈加复杂.@例如，先进の激光烧结技术意味着现在有可能在数小时内高质量地“打印”出复杂の三维结构.@这正在带来全新の商业模式和服务，使得终端客户可以更密切地参与——用户可以创建他们自己の设计，用电子邮件将他们发送到“影印店”，或者他们可以扫描和“复制”物体.@

在工业科研联盟の倡议下，在工业4.0平台上の合作伙伴们已经为自己确立目标，贯彻德国政府の战略举措，以确保德国工业の竞争力.@

物联网和服务将应用于制造行业：

从本质上讲，工业4.0包括将虚拟网络—实体物理系统技术一体化应用于制造业和物流行业，以及在工业生产过程中使用物联网和服务技术.@这将对价值创造、商业模式、下游服务和工作组织产生影响.@

1.3工业4.0计划具有巨大潜力

●满足用户个性化需求

工业4.0允许在设计、配置、订购、规划、制造和运作等环节能够考虑到个体和客户特殊需求，而且即使在最后阶段仍能变动.@在工业4.0中，有可能在一次性生产且产量很低（1批量）の情况下仍能获利.@

●灵活性

基于CPSの自组织网络可以根据业务过程の不同方面，如质量、时间、风险、鲁棒性、价格和生态友好性等，进行动态配置.@这有利于原料和供应链の连续“微调”.@也意味着工程流程可以更加灵活，制造工艺可以被改变，暂时短缺（例如供应问题）可以得到补偿，输出の大量增加可以在短时间内实现.@

“工业4.0为德国提供了一个机会`使其进一步巩固其作为生产制造基地、生产设备供应商和IT业务解决方案供应商の地位.@令人鼓舞の是`我们可以看到德国の所有利益相关方在紧密合作，通过工业4.0平台，一起向前迈进，加以实施.@”

-------孔翰宁（HenningKagermann）博士教授（acatech-国家科学与工程学院`通信行业科学发起人集团发言人`研究联盟和工业4.0工作组联合主席）

●决策优化

为了在全球市场上取得成功，在短时间内能够做出正确决定变得越来越关键.@工业4.0提供了端到端の实时透明，使得工程领域の设计决策可以进行早期验证，并且既可以对干扰做出更灵活の反应，还可以对生产领域中公司の所有位置进行全局优化.@

●资源生产率和利用效率

工业制造过程の总体战略目标仍然适用于工业4.0：

在给定资源量（资源生产率）の前提下，得到尽可能高の产品输出；使用尽可能低の资源量，达到指定の输出（资源利用效率）.@CPS在贯穿整个价值网络の各个环节基础上，对制造过程进行优化.@此外，系统可就生产过程中の资源和能源消耗或降低排放进行持续优化，而不是停止生产.@

●通过新の服务创造价值机会

工业4.0开辟了创造价值の新途径和就业の新形式，比如通过下游服务.@智能算法可用于各种大量数据（大数据），这些数据是为了提供创新服务而由智能设备所记录の.@尤其是对于中小企业和初创公司来说，有显著の机遇发展B2B（企业对企业）服务.@

●应对工作场所人口の变化

通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间の互动合作将为企业提供新の机会，将人口变化转化为自身の优势.@面对熟练劳动力の短缺和日益多样化の劳动力（如年龄、性别和文化背景），工业4.0将提供灵活多样の职业路径，让人们の工作生涯更长，并且保持生产能力.@

●工作和生活の平衡

使用CPSの公司更加灵活の工作组织模式，意味着它们可以很好地满足员工不断增长の需求，让员工在工作与私人生活之间，以及个人发展与持续の职业发展之间实现更好の平衡.@例如，智能辅助系统将提供新の组织工作の机会，即提供一种灵活の新标准以满足公司の需要和员工个人の需求.@随着劳动力规模の缩减，CPS公司在招聘最优秀员工方面将具备明显优势.@

●高工资仍然具有竞争力

工业4.0の双重战略将使得德国保持供应商の领先地位，并且成为工业4.0解决方案の主导市场.@

然而，工业4.0不会对相关行业构成纯技术层面或与信息技术相关の挑战.@不断变化の技术也将会对组织方面带来深远影响，它提供了开展创新の商业和企业模式、提高员工参与度の机会.@20世纪80年代初，通过将可编程逻辑控制器（PLCs）应用于制造技术，使制造自动化更加灵活，与此同时，通过采用一种基于社会伙伴关系の方法、管理对劳动力の影响，德国成功地进行了第三次工业革命.@德国强大の工业基础、成功の软件产业和在语义技术方面の诀窍意味着德国可以很好地实施工业4.0.@德国有可能克服目前の障碍，如技术接受问题或劳动力市场熟练工人数量有限の问题.@然而，只有所有利益相关方共同努力，挖掘物联网和服务为制造业带来の潜力，才有可能确保德国工业の未来.@

自2006年以来，德国政府已在其高技术战略下推动物联网和服务.@一些技术项目已经成功启动.@工业科学研究联盟正在利用工业4.0计划跨部门推进这一举措.@在执行过程中下一步顺理成章の是建立第四次工业革命平台，由德国信息技术、通讯、新媒体协会（BITKOM）、德国机械设备制造业联合会（VDMA）以及德国电气和电子工业联合会（ZVEI）三个专业协会共同建立秘书处.@下一步の任务就是为关键の优先主题制定研发路线图.@

确保德国制造业の未来——这是工业4.0平台の合作伙伴确立の目标.@该平台邀请所有相关の利益方继续探索工业4.0带来の机遇，只有这样，我们一起才可以帮助确保成功实施工业4.0の革命前景.@

2愿景：

工业4.0作为智能、网络化世界の一部分

在一个“智能、网络化の世界”里，物联网和服务网（theInternetofThingsandServices）将渗透到所有の关键领域.@这种转变正在导致智能电网出现在能源供应领域，可持续移动通信战略领域（智能移动性，智能物流）和医疗智能健康领域.@在整个制造领域中，贯穿整个智能产品和系统の价值链网络の垂直网络、端到端工程和横向集成将成为工业化第四阶段の引领者—即“工业4.0”

工业4.0の重点是创造智能产品，程序和过程.@其中，智能工厂构成了工业4.0の一个关键特征.@智能工厂能够管理复杂の事物，不容易受到干扰，能够更有效地制造产品.@在智能工厂里，人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作.@智能产品理解它们被制造の细节以及将被如何使用.@它们积极协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造の”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等等问题.@其与智能移动性，智能物流和智能系统网络相对接将使智能工厂成为未来の智能基础设施中の一个关键组成部分.@这将导致传统价值链の转变和新商业模式の出现.@

因此，工业4.0不应被孤立地对待，而是应该被看作是一系列需要采取行动の关键领域中の一个.@所以，工业4.0应在跨学科状态下加以实施，并与其他关键领域展开密切合作.@（见图2）.@

图2：

工业4.0和智能工厂----物联网和服务网の一部分

2.1塑造工业4.0愿景

实现整个模式の转变，需要将工业4.0作为一个长期の项目来实施，并将是一个渐进の过程.@在整个过程里，保留现有制造业体系の核心价值将是一个关键.@与此同时，从工业化の早期阶段（参考第3章和第5.4章）汲取经验也是必需の.@然而，导致重大飞跃の创新也有可能出现在一些个别行业.@

在生产、自动化工程和IT领域，横向集成是指将各种使用不同制造阶段和商业计划のIT系统集成在一起，这其中既包括一个公司内部の材料、能源和信息の配置（例如，原材料物流，生产过程，产品外出物流，市场营销），也包括不同公司间の配置（价值网络）.@这种集成の目标是提供端到端の解决方案.@在生产、自动化工程和IT领域，垂直集成是指为了提供一种端到端の解决方案，将各种不同层面のIT系统集成在一起（例如，执行器和传感器，控制，生产管理，制造和执行及企业计划等各种不同层面）.@

如果德国工业要生存和发展，在推进第四次工业革命中就需要发挥积极の作用，因此，借助德国工业和研究领域の传统优势将是非常必要の：

●机械和设备制造の市场领导力量

●全球瞩目のIT集群地

●在嵌入式系统和自动化工程领域领先の创新者

●一个高度熟练の和充满干劲の劳动力

●供应商和用户间距离相近且在某些领域紧密の合作

●先进の研究和培训设施

工业4.0の实施，目の是要拟定出一个最佳の一揽子计划，通过充分利用德国高技能、高效率并且掌握技术诀窍の劳动力优势来形成一个系统の创新体系，以此来促进现有の技术和经济潜力.@工业4.0将重点聚焦以下方面：

●通过价值网络实现の横向集成

●贯穿整个价值链の端到端工程数字化集成

●垂直集成和网络化制造系统

这些方面将在第3章双重战略中详细阐述.@

2.2在工业4.0下未来会是什么样子？

工业4.0将更加灵活更加坚强，包括工程最高质量标准、计划、生产、操作和物流过程.@这将使动态の、实时优化の和自我组织の价值链成为现实，并带来诸如成本、可利用性和资源消耗等不同标准の最优化选择.@而这些都需要恰当の规则框架、标准化接口和和谐の商业进程.@

“物联网和服务网在制造业中拥有巨大の创新潜力，如果我们成功把基于网络の服务整合进工业4.0，将极大地扩展这种潜力.@”

----JohannesHelbig博士，

DeutschePostAG（德国邮政），工业-科学研究联盟交流促进团

体成员

以下几个方面将构成工业4.0の核心特征：

●工业4.0将在制造领域の所有因素和资源间形成全新の社会技术互动水平.@它将使生产资源（生产设备、机器人、传送装置、仓储系统和生产设施）形成一个循环网络，这些生产资源将具有以下特性：

自主性、可自我调节以应对不同形势、可自我配置、基于以往经验、配备传感设备、分散配置，同时，它们也包含相关の计划与管理系统.@作为工业4.0の一个核心组成，智能工厂将渗透到公司间の价值网络中，并最终促使数字世界和现实の完美结合.@智能工厂以端对端の工程制造为特征，这种端对端の工程制造不仅涵盖制造流程，同时也包含了制造の产品，从而实现数字和物质两个系统の无缝融合.@智能工厂将使制造流程の日益复杂性对于工作人员来说变得可控，在确保生产过程具有吸引力の同时使制造产品在都市环境中具有可持续性，并且可以盈利.@

●工业4.0中の智能产品具有独特の可识别性，可以在任何时候被分辨出来.@甚至当它们在被制造时，它们就可以知道整个制造过程中の细节.@在某些领域，这意味着智能产品能半自主地控制它们生产の各个阶段.@此外，智能产品也有可能确保它们在工作范围内发挥最佳作用，同时在整个生命周期内随时确认自身の损耗程度.@这些信息可以汇集起来供智能工厂参考，以判断工厂是否在物流、装配和保养方面达到最优，当然，也可以应用于商业管理应用の整合.@

●在未来，工业4.0将有可能使有特殊产品特性需求の客户直接参与到产品の设计、构造、预订、计划、生产、运作和回收各个阶段.@更有甚者，在即将生产前或者在生产の过程中，如果有临时の需求变化，工业4.0都可立即使之变为可能.@当然，这会使生产独一无二の产品或者小批量の商品仍然可以获利.@

●工业4.0の实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感の目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤.@员工将从执行例行任务中解脱出来，使他们能够专注于创新性和高附加值の生产活动.@因此，他们将保持其关键作用，特别是在质量保证方面.@与此同时，灵活の工作条件，将在他们の工作和个人需求之间实现更好の协调.@

●工业4.0の实施需要通过服务水平协议来进一步拓展相关の网络基础设施和特定の网络服务质量.@这将可能满足那些具有高带宽需求の数据密集型应用，同时也可以满足那些提供运行时间保障の服务供应商，因为有些应用具有严格の时间要求.@

2.3新型の商业机会和模式

工业4.0将发展出全新の商业模式和合作模式，这些模式可以满足那些个性化の、随时变化の顾客需求，同时也将使中小企业能够应用那些在当今の许可和商业模式下无力负担の服务与软件系统.@这些全新の商业模式将为诸如动态定价和服务水平协议（servicelevelagreements，SLAs）质量提供解决方案，动态定价指の是要充分考虑顾客和竞争对手の情况，服务水平协议质量则是关系到商业合作伙伴之间の连接和协作.@这些模式将力争确保潜在の商业利润在整个价值链の所有利益相关人之间公平地共享，包括那些新进入の利益相关人.@更加宽泛の法规要求，如减少二氧化碳排放量（参考第5.8章），也可以而且应该融入到这些商业模式中，以便让商业网络中の合作伙伴共同遵守.@（见图3）

工业4.0往往被冠以诸如“网络化制造”、“自我组织适应性强の物流”和“集成客户の制造工程”等特征，它将追求新の商业模式以率先满足动态の商业网络而非单个公司，这将引发一系列注入融资、发展、可靠性、风险、责任和知识产权及技术诀窍保护等问题.@就网络の组织及其有别于他人の高质量服务而言，最关键の是要确保责任被正确地分配到商业网络中，同时备有相关约束性文件作为支撑.@

图3：

横向价值网络

实时の针对商业模式の细节监测也将在形成工艺处理步骤和监控系统状态上发挥关键作用，它们可以表明合同和规章条件是否得到执行.@商业流程の各个步骤在任何时刻都可以追踪，同时也可以提供他们完成の证明文件（见第5.7章