保障德国制造业的未来——关于实施工业4.0战略的建议
5. 首要行动领域
《工业战略4.0》内容复杂，包含了很多有重叠部分的领域。2012年10月，《工业战略4.0》工作小组发表了一份全面的中、长期研究建议集锦。本文下一节将聚焦在工作小组认为需要明确产业政策和商业决策的重点研究领域。研究这些重点领域的目的就是希望研究建议可以被顺利采用。《工业战略4.0》平台是为明确战略实施流程而被建立的。
5.1 标准化和为参考结构而开放标准
如果《工业战略4.0》能通过价值网络（参见第三章）推动跨企业协作和整合的话，那么我们就需要开发出一种相宜的标准。“标准化”这部分工作应聚焦在制定合作机制，和确定哪些是可被交换的信息上。完整的技术性描述和这些条例的实施方案就被我们称为“参考结构”。
因此，“参考结构”就是适用于所有合作企业的产品和服务的，最常规的解决方案。“参考结构”为架构、部署、整合和执行《工业战略4.0》相关的技术系统提供了工作框架。“参考结构”也被应用于软件服务和软件应用框架中（图9）。
但是《工业战略4.0》中的价值网是由众多商业模式迥异的企业所组成的，“参考结构”所扮演的角色则是将这些不同的解决方案平凑成一个单一、且适用广的解决方案。这需要合作伙伴同意基本架构原则、界面和数据。
生产制造系统的案例为我们提供了很多需要整合到“参考结构”的观点（图10）：
（1）考虑到加工和运输功能，生产制造流程的观点；
（2）在生产制造系统中特殊联网设备的观点，比如（智能）自动化设备、现场设备、现场网络、可编程逻辑控制器、流程设备、移动设备服务器、工作站、网络接入设备等；
（3）生产制造环境中软件应用的观点，比如通过传感器获取数据、时序控器、连续控制器、连锁、运行数据、机器数据、处理数据、存档、趋势分析、计划和优化功能等；
（4）软件应用的观点，比如企业计划和管理、跨企业物流或支持价值网络，包括与生产制造环境相关的界面和整合；
（5）生产制造系统中的工程学观点（产品生命周期管理/PLM）。举例来说，也许能使用数据推断出从生产制造过程到计划资源的必要量（同时考虑到机械和人力资源）。随后，它将有可能成功地从机器的机械性、电气性以及自动化技术性，以及直到专业化生产系统设立及上线来优化这些机器，同时也将运行和维护纳入考虑范围。
挑战
第一项挑战就是将看待以下问题的不同方式放在一起：
（1）生产工艺学、机械工程学、工艺过程
（2）自动化工程
（3）IT以及网络
并找到一个通用解决方案。但是，《工业战略4.0》要求机械领域、加工制造领域、自动化工程领域和软件领域的企业们进行协作；因此第一步就是要在这些企业间统一术语。
尽管某些已定的标准已经在多种技术学科、专业协会和工作组织中广泛使用，但是这些标准的统一注解却还是个缺口。因此，很有必要将现存标准（比如，自动化领域、工业通讯、工程学、建模、IT安全、 设备整合、数字工厂）纳入新的全球性参考标准中。
“参考结构”不能以“从上至下”的方式制定；因为“参考结构”需要整合多种不同观点，而使用“从上至下”的方式在任何情况下都需要花费很长的时间。我们得知制定“参考结构”需要从多个起始点开始。对于战略来说，最重要的就是根据当地具体情况、以独立项目的方式执行；并且在执行过程中，使其逐渐符合国际标准。
因此，我们非常有必要确认该界面在未来数年中维持稳定的状态，并且维护安装基础上的价值。在网络上，制定标准化的方式要基于多个现有机械、加工制造行业的案例，比如：
（1）开放式操作系统：以Linux为例。Linux是由商业机构、研究机构和个人组成的社区平台；超过来自100个国家的2000名开发者在开发和维护这个全球最成功的操作系统。
（2）开放式开发工具：超过1500名开发者与数百万名用户共同为建模应用而开发软件。
（3）开放式交流基础设施：“要求评论”是通过“网络社会”出版的技术性和组织性文件，最早的原文件出版于1969年4月7日。这些文件被广泛接受和使用，并被纳入非官方标准。著名的例子则包括IT协议（TCP/IP）和E-mail协议（SMTP）。
这些案例大大推动了标准化工作的进程与速度。
最后，在“参考结构”之中建立起信任机制，也是非常重要的。这与如何维护“信任”（见5.7节）有着非常密切的关系。这也是在确保“参考结构”中所有潜在用户在设计早期就完全接受它们的设计。
建议行动纲领
《工业战略4.0》工业小组建议在《工业战略4.0》平台的基础上创建工作小组，以此获得独家解决标准化和“参考结构”的问题。此工作小组将有以下几个任务：
（1）达成对目标、利益、潜能和风险、制度构想和战略实施的共识，并为了联合履行机制而在双方间树立信心。专业协会应担负起树立信心的这个任务。
（2）将专业术语和《工业战略4.0》所用术语结合起来。并且，需要对《工业战略4.0》以下几个领域特别注意：
- 模式共性（指核心模式、参考模式、结构设计）
- 《工业战略4.0》服务架构标准
- 超自动化（supra-automation）级别程序上和功能上描述的标准
- 术语标准和知识的使用
- 对自主和自我组织系统的认知，包括其策划、运行和安保
- 特色维护和系统结构描述
- 转移现有架构方法
（3）由下至上地图的产品勾画了现有标准化实体。现在，创建“自动化参考结构”的方法和案例将会在地图上显示。这可能为考虑到进一步发展和转移《工业战略4.0》的内容而评估不同的概念，并且为发现现在未包含在体系内的概念体系而服务。
（4）开始处理“由上至下地图”中包含的产品，将“成本效益”和时间限制列入考量范围。为在标准化和个体化之间寻求到完美平衡，我们应从全盘着眼。结构应向大众开放并透明，所有受益者应该参与到开发和使用标准中。执照模式也应该得到解决。
（5）与从多个不同企业的会员共同开发《工业战略4.0》。这些企业自认对“参考结构”的技术性执行负有责任，并有能力长期展示与维护这个“参考结构”。这就要求制定一个稳定的执照模式，并选择一个适当的社区进程。
（6）工作小组的其他任务则包括调节、建议、评估和促进。
工作小组也负责对旗舰项目的创立提供建议，并以此成功开发和部署“参考结构”。图11为我们展示了通过价值网络进行水平整合的、具有可能性的“参考结构”的案例。
关于“参考结构”的其他话题，包括产品的终端对终端工程及其辅助制造系统或对管理进行实时通讯，以及对高度动态工业生产流程的控制。
5.2 对复杂系统的管理
随着产品功能的扩展、客户需求的增加，在一件产品中融入了越来越多的技术规则，企业间的合作方式也在不断转变，产品生产制造系统也变得日益复杂。模型的不断改革从另一方面促成了制造系统的升级，它的出现为我们了解真实的产品提供了模拟实验的平台，以便了解产品可能存在的问题。由此，模型的应用也将成为工业4.0的核心内容。
涉及的模型分为两类，它们存在着明显的差别，具体内容如下：
（1）规划模型能够保证由工程师生成的开创型增值服务的透明度，因此规划模型一般用于构建较为复杂的系统。一个规划模型的例子就是，工程师用于解释他是如何应用合适的函数来满足系统需要的一张图表。正如此例，模型包含了工程师的专业知识。
（2）解释模型的存在则是通过建模对现有系统进行说明，典型方法包括不同的分析过程（如：模拟，通过这一方式，可以计算出工厂的能耗）。解释模型通常被用于验证工程师在设计时做出的选择是否正确。
现在，工业领域中由设计模型带来的数字世界对于真实世界的影响是巨大的；同时，真实世界也会影响模型在数字世界中的应用（通过解释模型得到这一观点）。
模型中一般都含有形式描述数据以便实施计算机处理，即由计算机负责对程序工程任务的处理（如：运算或重复性程序）。使原来的人工程序自动化，并使原先真实的程序数字化，这都是模型的好处。模型潜力巨大，如利用模型可以在前期阶段发现并避免项目可能出现的错误，预测系统需求，以及寻求解决方法以满足需求；模型还可以为工业制造提供一系列透明化信息，通过这些信息，人们得以提升学科和行业间的协作、并提高工程数据的统一性，以更为有效的方式完成工程设计和实施。
如前所述，解释模型，因其通常用来对关系和行为进行描述，在现实世界中产生的作用不局限于产品的研发阶段；未来它甚至还将应用在生产中，让人们得以发现生产过程是否顺利、在不需要停下生产程序的情况下实现检测磨损或对生产过程中的各组件可能的损耗程度进行预计。
挑战
目前，对于中小企业而言，在建构和寻求制造优化的过程中使用模型进行模拟实验还不是他们通常会采用的“标准动作”。工业4.0目前面临的一项重大挑战在于：在范围更广的工程界提高对模型应用的意识，为业内工程师们配备相应的方法和工具以帮组他们选择恰当的模型完成模拟实验（见5.6节）。然而，也有一些领域无法找到合适的模型匹配（如：生产过程中发生的化学作用），这些领域是很难用模型的方式来加以描述的。
工业4.0报告表明：生产制造过程中运用了模型的企业与未利用模型的企业相比，在财务收入方面明显占优，原因在于模型运用在生产过程之初是一项具有增值意义的措施，它可以使后续的生产过程实现降低成本的目的，而且结果也因企业业务类型的不同产生很大的差异。
通常情况下，企业在生产投入之初，更愿意接受高投资大型生产规模的行业（如：汽车），或者对安全标准要求很高的产业（如：航空电子）；而不愿意选择那些生产规模小的产业。企业成本投入的比例与客户活动的关系十分紧密，客户活动也在对生产投入的决策上扮演着重要的角色。模型应用的关键在于企业应该在运用它的时候，不断拓展模型应用对成本降低和效率提高方面的作用；同时模型的应用不应局限在产品设计阶段，更应该贯穿生产活动的始终。
模型和模拟实验应由专业人士操作，这就可以解释相关企业也应为这些专业人士设置适当的就业机会的重要性。实际情况却并不容乐观，目前供职于中小企业的机械工程部门的人员却往往身处尴尬境地。
这一情况也就迫切需要工业4.0模式的引入来加以改善，首先，必须将产品和生产系统纳入模块化设计，并将包括如制造工程、自动化工程和IT在内的因素也考虑在其中；其次，应对工厂中生产的实际发展过程、工程和制造过程进行有针对性地具体分析；最后，模型的建立需要有效的软件工具支持，以确保模型具备完善的功能，使建立起来的模型与现有的工具和过程相互兼容。
5.3 为工业提供综合的宽带基础设施
如果要在更广的基础上推行CPS，就要求建立容量和数据处理能力都更强大的基础设施系统，现有的通讯网络设施肯定是无法满足这一要求的。工业4.0的一项核心要求在于加强现有的通讯网络以提供延迟时间更短、更为可靠、服务质量更高的全球宽带网络。
2011年召开的全国IT高峰会议（已被记录在2011年的《数字基础设施年鉴》中）提出：宽带互联网基础设施亟待扩大规模，规模的扩大不仅局限于德国内部还应该包括扩大德国与其他制造业伙伴国的规模。
“更可靠的运作方式和数据连接是机械工程和自动化工程应用非常重要的保障因素；而更短的延迟时间和连接的稳定性则是关键因素，二者可以影响相关领域应用的表现。网络运营商们应该将此作为努力方向，使所提供的网络符合相关领域的发展要求。”可能涉及的措施如下：
（1）订立可靠并有效力的服务水平协议（SLA）
（2）保证网络容量和运行质量
（3）为数据传输中的故障排除和追踪提供支持，特别是相关的技术支持
（4）提供范围广且质量可靠的通信量（固定可靠的宽带连接）
（5）提供跨运营商的短信息收发状态通知
（6）提供覆盖全部运营商的标准化的应用程序接口（API）（SIM卡激活或未被激活状态）
（7）提供资费管理
（8）提供移动服务的合约成本控制
（9）提供价格合理的全球漫游服务
（10）提供适用多种制式的SIM卡
（11）服务不能覆盖的地区提供卫星解决方案（特别是在人口稀少的地区）
上述网络基础设施的要求不仅适用于工业4.0，还应该适用于全部CPS应用，包括能源和医疗健康领域（见本文第2.1章）。
挑战
总体而言，对于有效宽带网络基础设施的要求可以用几个词来概括，即：简便、易扩展、安全、有效和价格合理。
