保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议
2、愿景：工业4.0作为智能、互联世界的一部分
在一个“智能互联的世界”中，物联网和服务互联网的影响将遍布各个关键领域。这一转变将导致能源供应领域中智能电网、可持续的移动策略（智能移动、智能物流）和医疗保健领域中智能医疗的出现。在制造领域中，端到端工程的垂直网络、以及囊括越来越多智能产品和系统的整个价值链的平行整合，将引领我们进入工业化的第四阶段——“工业4.0”。
工业4.0以创造智能产品、程序和流程为重点。智能工厂也是工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够胜任管理的复杂度，对损坏具有更强的承受力，且生产效率更高。在智能工厂中，人类、机器和资源能够实现互相通信，就像社交网络中一样自然。智能产品“知道”他们如何被制造出来的细节，也知道他们的用途。他们将主动地对制造流程提供支持，回答诸如“我什么时候被制造的？”、“对我进行处理应该使用哪种参数？”、“我应该被传送到何处”等问题。它的界面与智能移动、智能物流和智能电网一起，将使智能工厂成为未来智能基础设施的关键组成部分。这将引起传统价值链的转变，以及新型业务模式的出现。
因此，工业4.0在孤立中是无法实现的，它应该被视为一系列需要采取行动的关键领域。因此，工业4.0应该通过一种跨学科的方式且通过与其他关键领域的紧密合作来实现。
2.1 塑造工业4.0的愿景
实现工业4.0所需要的思维模式转移是一项长期的项目。纵观这一流程，确保现有制造体系价值得到保持是十分重要的。有必要提出从早期阶段（详见第3章和5.4节）便能体现优势的迁移策略。然而，在一些个别部门，创新造成的产量差距可能还会扩大。
德国工业的生存和发展，需要在第四次工业革命中发挥积极作用，也有必要借鉴以下德国工业和研究的传统优势：
（1）机械和工厂制造业的市场领导者
（2）全球强势IT产业集群
（3）嵌入式系统和自动化工程领域的创新先锋
（4）具备高技能和充满干劲的劳动力
（5）供应商和用户之间较密切的合作
（6）优秀的研究和培训设施
实施德国工业4.0战略的目的是依靠德国劳动力的技能、表现和专长进行系统创新，通过利用现有的技术和经济潜力，打造最佳经济体。德国工业4.0战略将主要关注以下方面：
（1）通过价值网络实现横向一体化
（2）整个价值链工程的端对端数字一体化
（3）垂直一体化及网络化制造系统
以上内容在第3章中有更为详尽的阐述。
2.2 实施工业4.0战略的德国未来如何？
德国工业4.0战略将更具灵活性，也更强劲，在工程、规划、制造、运营和物流流程中实施最高标准。这将催生动态的、实时优化、自我组织的价值链，并可通过一系列标准（如成本、可用性和资源消耗）进行优化.这一价值链还需要适当的监管框架、标准化接口和统一的业务流程。
以下是德国工业4.0战略的愿景：
（1）它的最大特点是制造业中所有参与者及资源的高度社会技术互动。互动主要围绕制造资源网络（制造机械、机器人、输送机和仓储系统及生产设施）进行，这些网络独立自主，在不同情况下能自我管理，自我配置，还装备了传感器，分散安装，并融入了相关规划及管理系统。作为这一愿景的关键组成部分，智能工厂将被纳入公司内部价值网络，它的特点是包括制造过程和制造产品的端对端工程，实现数字和物理世界的无缝衔接。智能工厂将使不断复杂的制造流程便于管理，并能同时确保生产过程的吸引力、生产效益以及工厂在市区环境的可持续性发展。
（2）德国工业4.0战略中的智能产品可明确识别，并有可能随处可见。即使还在生产环节，其自身制造流程的所有细节均可被控。这意味着，在某些领域，智能产品可以控制各生产阶段，进行半自主生产。此外，这还能确保成品了解自身发挥最优性能的参数，并辨别生命周期中发生磨损和毁坏的标记。这些数据可集合使用，以便优化智能工厂的物流、布局、维护以及与业务管理应用程序的整合。
（3）德国工业4.0战略实施后，将有可能把个人客户和产品的独特特性融入到设计、配置、订购、计划、生产、运营和回收阶段。它甚至可以在制造和运营之前最后一分钟或进行中提出改变的请求，这将使生产一件定制产品和小批量产品也能产生利润。
（4）德国工业4.0战略的实施，将使员工能根据具体情况进行控制、监管和配置智能制造资源网络和制造步骤。员工再也无需完成例行任务，他们可以更多地关注创新和具有附加值的活动。因此，他们在确保产品质量方面将起到关键作用。同时，灵活的工作条件也将他们的工作和个人需求更好地结合起来。
（5）德国工业4.0战略的实施，需要进一步扩展相关的网络基础设施，并通过服务水平协议进一步规范网络服务质量。这将有望满足大流量数据应用程序和服务供应商的高带宽需求，以保证关键应用程序的运行时间。
2.3 新的商业机会和模式
德国工业4.0战略将催生更好满足个人、“最后一分钟”用户要求的新业务和合作模式。这些模式也将让中小企业有条件使用服务和软件系统，而这些服务和软件系统是他们在现行许可和商业模式下无法负担的。新的商业模式将提供很多问题的解决方案，如需考虑到客户和竞争对手情况的动态定价，并努力确保在价值链中的所有利益相关者均分利润。更多的监管要求，如减少二氧化碳排放（详见5.8节），应纳入到这些商业模式中，使商业网络中所有合作伙伴能同时满足这些要求（图3）。
德国工业4.0战略使用案例情境（如有关“联网制造”，“自组织自适应物流”和“以客户为中心的工程”）需要商业模式的实施主体是一个高度动态的商业网络而不是一家单一的公司。这将引发有关融资、开发、可靠性、风险、责任、知识产权及专业保护等一系列问题。就组织网络及服务差异化而言，确保商业网络中各方的责任将至关重要，需签署具有约束力的文件。
商业模式的实时详细监测，也将在记录处理步骤和系统状态上发挥重要作用，以显示其合约性。业务流程的各个步骤在任何时候都将被跟踪，并提供相应的证据（详见5.7节）。为确保有效提供个人服务，有必要精准地测算相关服务的生命周期，确保承诺的实现以及加入该商业网络的新合作方（特别是中小企业）的许可模式和条件。
鉴于上述情况，德国工业4.0战略极有可能产生意想不到的全球影响，创造极富动态的环境。新技术的破坏性本质，以及它们对法律问题的影响（例如，敏感的企业数据、负债、数据保护、贸易限制、密码使用等）可能对现行立法的执行构成威胁。创新周期的缩短，要求监管框架的不断更新，也会造成执法上的不断失误。因此，有必要采取一种新方法，在技术开发之前或过程中就对技术与法规的兼容性进行测试（详见5.7节）。德国工业4.0战略成功的另一因素是安全问题（详见5.4节）。这一问题也需要一项更加积极主动的措施。此外，安全设计不单纯局限于功能组件这一理念非常重要。
2.4 工作场所的新型社会基础设施
德国工业4.0战略将为正处于人口变化的德国带来众多创新。德国人口的老龄化程度在全球排名第二，仅次于日本，许多德国制造公司劳动力的平均年龄在四十多岁。年轻员工的数量在不断减少，已经出现熟练劳动力和学徒工短缺的现象。为了确保人口的变化不以牺牲当前生活水平为代价，德国应更好地利用现有劳动力，同时保持和提升劳动力生产效率。增加就业人口中的老年人和妇女比例尤其重要。
最新研究表明，个人生产力不在于一个人的年龄，而和他们在一个岗位上所呆的时间长短，他们的工作组织方式和他们的工作环境有关。如果在延长工作时间的过程中要保持和提高生产率，就有必要协调和改造工作场所的方方面面，包括健康管理和工作组织，终身学习和职业路径模式，团队结构和知识管理。这一挑战不仅需要企业的努力，还特别需要教育系统的努力。
因此，决定德国未来竞争力的，不仅包括新技术、商业和法律因素，还有工业4.0工作场所中的新社会基础设施，这些基础设施能让工人更广泛地参与到创新过程中。
此外，工业4.0战略所带来的人类技术和人类环境互动的范式也将发挥重要作用，因为新形式的协作工厂让虚拟工作和移动工作场所成为现实。多模式、用户友好界面的智能辅助系统将协助员工的工作。
除了全面的培训和进修，工作的组织和设计模型将成为受劳动者欢迎的成功转型的关键。这些模型应与高度自我调节的自主领导和管理方法相结合，员工应该有更大的决策自由，更加积极地参与和调节自己的工作量。
在进一步认识到创新过程中人类活动重要性的基础上，工业4.0战略中的社会技术方法将为亟需创新提供新的发展潜力。
2.5 新型的以服务为基础的实时CPS平台
德国工业4.0战略将催生新型CPS平台，旨在支持协作工业流程和智能工厂以及智能产品生命周期相关的业务网络。这些平台所提供的服务和应用程序将把人、物和系统相连接（图4），并具有以下特点：
（1）服务和应用业务流程的快速和简单带来灵活性，包括CPS软件
（2）参照应用商店模式对业务流程的简单分配和部署
（3）对整个业务流程提供全面、安全、可靠的支持
（4）从传感器到用户界面，100%的安全可靠
（5）支持移动终端设备
（6）支持业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程
在业务网络中，共享CPS平台特别需要服务和应用业务流程的IT开发工作，因为这是工业业务流程中CPS、应用、服务水平和垂直一体化具体要求的体现（见5.1节）。对德国工业4.0战略来说， “业务流程”一词的定义比在网络服务中更宽泛。
它应明确包括公司间协作流程和业务网络中共享服务和应用的建立。安全、保密、可靠性、使用、操作者模式趋同、实时分析和预测等问题都需进行审查，不仅为了业务流程，也为后续高效、可靠、安全地操作协同制造和服务流程，以及CPS平台上动态业务流程的执行。这还包括应对大量不同数据源和终端设备所带来的挑战。
上述要求当前只在普通云计算基础设施得到一个基本的满足。IT、软件及服务提供商和用户所形成的公司间CPS平台将需要一个德国工业4.0战略架构，能考虑到ICT和制造业等不同方面（见5.1节）。为这些CPS平台开发新的应用和服务将需要模型化的方式，以管理日益功能化、个性化、动态化和合作化所带来的复杂性（见5.2节）。一个安全高效且高带宽的网络基础设施将成为安全数据交换的必要保障（见5.3节）。
2.6 德国工业4.0战略实现之路
德国工业4.0战略愿景的实施，将是一个不断演进的过程，不同公司和行业演进的速度各不相同。今年初，BITKOM、VDMA和ZVEI开展的关于“德国工业4.0战略前景”的调查再次证实了德国工业竞争力的重要性，以及对更全面和有针对性信息的需求（图5）。在调查中，47％的公司表示它们已经积极参与到工业4.0战略中；18％的公司表示它们正参与德国工业4.0战略的研究工作；而12％的公司声称它们已把该战略付诸实践。
实施工业4.0战略愿景中碰到的三大挑战，分别是标准化、工作组织和产品可用性。
除了积极参与工作组，参与调查公司所提出的扶持措施还包括举办有针对性的研讨会，他们可以在研讨会上分享经验和获得信息。
专业协会将在确保顺畅沟通，与社会合作方、学术圈和公众的紧密联系方面发挥重要作用。约50％的受访企业表示，他们已经从专业协会收到有关工业4.0战略的相关信息。
此外，工作组认为以下措施有助于企业平稳向工业4.0转型：
（1）实时CPS解决方案的实施，将在空间、技术质量和可靠性方面对服务可用性和网络基础设施提出很高要求。为了确保德国的国际竞争力，应呼吁出台服务规范和商业模式的国际标准（见5.1和5.3节）。
（2）目前，制造业的业务流程往往是静态的，并仅通过极不灵活的软件系统实施。不过，不能在一夜之间将它们替换成服务型系统。在旧系统上融入新技术（反之亦然）非常重要，旧系统需要通过实时功能系统进行更新。
（3）在物联网和服务化的背景下，制造业新商业模式的发展速度将接近互联网本身的发展速度和活力。
（4）员工将参与到工作组织、CPD（Continuing Professional Development）和技术开发的创新性社会技术设计的早期阶段工作中（见5.5节）。
（5）为了成功过渡到工业4.0，ICT产业（习惯上认为创新周期短）应和机械、设备制造商以及机电系统供应商（倾向于认为创新周期较长）密切配合，以开发出所有合作伙伴都能接受的商业模式。
应用例子1：在车辆组装流水线不开工时减少其能源消耗
目前，机械对于能源效率的要求很高。能够达到这个要求的一个促成因素是在生产间歇期间把不工作的部分断电。工业4.0通过将生产设备的计划和操作更系统地整合来实现这个功能。
现在：
目前，许多生产线在其他部分没有生产任务时，如生产间歇期间，或在周末持续运转，消耗大量能量。例如：一条使用激光焊接技术的车辆组装线的全部能源消耗的12%都是在生产间歇期间消耗的。生产线一周运转5天，轮3次岗。虽然这个复杂的机器在周末不工作，但是它还是保持电源的开启状态以便在周末结束后能够立即投入生产。
在生产间歇期间，90%的电力消耗中：遥控装置（占20%到30%），抽烟机（占35%到100%），激光器及其冷却系统（占0到50%）。
在未来，遥控装置（robots）在生产的间歇期间将被断电。在生产的较长的间歇期间，遥控装置将进入一种叫做Wake-On-LAN的待命模式。抽烟机将使用可以按照需求进行调节速度的发电机，而不再使用不能够按照需求进行调节的发电机。对于激光器 (laser sources)来说，只有使用全新的系统才是唯一的提升途径。
未来：
总的来说，这些措施能够减少12%的总的能源消耗（大约从45000kWh/w降到40000kWh/w），并且在生产的间歇期间能够减少90%的能源消耗。在设计物理网络系统的初级阶段就应该把能源效率这一因素考虑进去。
