工業4.0之父獨家解讀 |【重磅】還原工業4.0

對話人：林雪萍，作為「中德10+10高級別經濟學家圓桌會議」的中方代表之一，2017年在柏林參加慶祝中德建交45周年，對德國工業4.0之父、德國國家科學和工程院院長Heinnin Kagermann先生做過面對面的交流。本文曾經發表在《環球新工業》雜誌上，內容有增減。

工業4.0的前世

工業4.0源自德國對2008年金融危機的一個應激式反應，當時整個歐洲大陸都在尋找改善經濟的機會。對於德國而言，一個重要的結論就是，德國必須形成更加柔性與靈活的生產鏈條，堅定不移地轉向大規模定製以適應動態的外部環節。

而整個世界正好能夠感受和預見到數字轉型對製造環境的巨大影響，這就是工業4.0撲面而來。前三次工業革命浪潮分別是機械化、電氣化和IT技術。而現在是第二波數字化浪潮，大大拓展了人們感知、理解、執行和學習的能力，從而醞釀著第四次工業革命。

德國工業4.0也是通過幾個階段而不斷發展，可以分為四個階段。德國國家科學和工程院（acatech）發展和完善了「工業4.0」這個概念。隨後，科學界、工業界的聯合體與政治家一起，向聯邦政府建議在幾個特定的領域培育數字化。

最終德國政府非常認同這個描述，並且將工業4.0從一個戰略項目，最終確立為國家級的工業4.0平台（第二個工業4.0平台）。通過聯合產學研政各家力量，協調各種國家戰略，也與其他國家之間的戰略對接，並形成專業的知識交換平台。

工業4.0是一個德國提出來的概念，不同國家面臨同樣的數字化大潮可以採用不同的名字和內涵。因此，所有的國家都能夠相互學習，但每一個國家都需要去發展適合自己經濟結構和需求的概念。

工業4.0的潛力

工業4.0有著各種巨大的可能，比如，它可以使得單件生產成為可能，充分滿足個別用戶的定製需求。在工業4.0的世界，商業環境和工藝流程的動態結合，這使得即使在最後一刻需求發生變化的時候，生產仍然成為可能。與此同時，在整個供應鏈上，當個別供應商出現問題的時候，整個工廠仍然可以保持充分的柔性。

而終端用戶也呈現出連接的狀態，其巨大的透明性，可以貫穿整個製造流程之中，這使得商業決策可以大大優化。這就會產生許多不同的價值和全新的商業模式——尤其對於中小企業和新創公司，它們很容易在全流程的價值服務中找到自己的位置。

工業4.0還致力於解決資源短缺、能源效率低下、城市生產和人口變化所帶來的挑戰。由於工業4.0可以在整個價值鏈上優化資源效率，它可以充分考慮到人口變化和社會因素，從而形成有效的組織。而作為工業價值鏈上重要的一環——智能服務，作為相輔相成的補充概念，可以使得製造業的環節，更加廣泛地向外延伸。

未來世界的形式是CPS

在未來，各種設備、庫房和產線都以賽博物理系統CPS的形式出現，形成一個全球化的網路。

在製造環境中，這些CPS系統包含了智能機器、自動化倉儲、自適應產線等。它們自主交換信息，實現各自獨立的自動執行和控制，使得生產、工藝、物料和供應鏈，可以在全生命周期內得到系統性地優化。

根據德國國家科學和工程院（acatech）的定義，賽博物理系統CPS正在成為未來全球化網路世界的一部分。在這裡，產品、設備和零部件都通過各種不同功能的嵌入式系統和軟體，進行交互。藉助於感測器強大的感知力量，這些系統可以處理物理世界產生的數據，並將其轉化為基於網路的服務。反過來，這些數據將通過執行器反作用在物理系統上。通過這個CPS系統，物理實體與數字空間緊密結合，從而形成一個由物聯網、數據中心和務聯網所組成的世界。

CPS可以看成是工業4.0的起點。在CPS的世界上，數字孿生（digital twins）可以被創建、執行和交互。數字孿生是實體系統、流程或者產品在CPS的數字映射，並且隨著實際運行時間而逐漸發展。工業4.0中的所有對象，都包含一個資產管理殼，可以對應一個數字孿生。而當數字孿生發生變化時，潛在風險和缺陷就會被檢測、識別，從而實現早期修復。此外，真實系統的實際運行規律，也會被進行虛擬化處理，實現預先檢查，甚至整個生產流程都可以在基於雲的物聯網平台上進行模擬。許多企業先行的實踐者，已經接受了這個概念並在項目中使用。

實施工業4.0的兩大法寶

如何能夠高度抽象地統一不同企業、組織的共同行動？這就是需要建立一個頂層框架。德國工業4.0的頂層設計，就是工業4.0參考框架RAMI。這是一個三維模型，它定義了「層、流、級」三個維度，分別是生產層（Layers）、生命周期價值流、系統層級（Levels）。而在每一個維度上，都有相應的技術指南和標準。

根據相對應的虛擬數字映射和技術功能描述，與RAMI相呼應的還有一個重要的支撐概念：「管理殼」。 「管理殼」可以是一個或多個生產組件，但必須能夠跟RAMI所定義的三個維度上的要素之一相呼應，並且需要滿足相關技術標準。藉助於管理殼，確定設備資產的數據、功能和安全需求就變得非常容易，無需重複定義，而且可以確保相互連接。因此，管理殼和RAMI都是實施工業4.0的重要保障。

2017年10月20日在法蘭克福開展的「管理殼日」是工業4.0平台走向工作標準化的一個重要步驟。

此外，RAMI是國際間進行合作、形成相互映射的參考架構的基礎。目前跟工業互聯網聯盟的架構IIRA已經開始合作，與其他國家如中國和日本也有交流合作。

顛覆性的平台經濟

工業4.0與平台經濟密切相關，最重要的關聯點就是智能工廠。在智能工廠中，整個生產流程和供應鏈都是虛擬的，而且高度柔性化，最極端的批量為1件產品。而這些都是由單獨的個人訂單所驅動。在智能工廠可以廣泛地生產智能產品，後者是高度互聯的物理實體、設備和機器，從而產生大量的數據。通過有意義的分析、解讀、連接和補充，這些數據可以重新定義，成為「智能數據」。

基於這一點，企業不僅僅可以有效地控制、維護和提升智能產品，而且可以生成知識，從而作為「智能服務」的基礎。實際上，智能服務是全新的、定製化的服務，並且基於數據驅動的商務模式，從而提供了更多商業化的機會。

要提供智能服務，所有的機器、設施和工廠都必須通過數字化平台連接到物聯網上，而這個數字化平台就會逐漸演化成一個生態系統。這個生態系統有一個基本原則，那就是「即插即用」。通過數字服務平台，一個公司的服務就可以模塊化，與第三方的各種服務平台有機結合，共同對外來滿足用戶的各種實時需求。

在平台經濟或者服務驅動的商業模式下，一家一家的提供商和其產品就不再是重點。所有的重心都轉移到用戶的個性化需求上。從工業生產的實例來看，一個壓縮機不再是出售空壓機，而是將「提供壓縮空氣」當作一種服務。這就打破了既有的商業模式，代表了一種新的範式轉換。高品質的產品供應商，將轉向基於產品服務系統或者智能服務系統。

中小企業的挑戰

乍看起來，中小企業可以更好更快地實施工業4.0，因為他們對於業務的理解往往更加清晰，便於實施。但事實上，這是一個巨大的挑戰，尤其是對於中小企業，因為他們往往缺少足夠的領導力、優秀的僱員和良好的財務結構，來識別急需優化的領域，以及實施路徑。

要實現從產品銷售到「服務為基礎」的商業模式，要向將其增值的價值鏈部分進行數字化，中小企業都面臨巨大的挑戰。為此，德國政府實施了一系列的資助項目，來提高中小企業對工業4.0的認識，並且確保他們能跟專業人才相銜接。

有很多方法可以推動工業4.0的實現。每家公司都可以採用不同方法、不同工具來實施。德國國家科學和工程院今年發布了一個工業4.0成熟度指數，將成熟度視為一個六級層級的模型。

與此同時，《工業4.0成熟度指數》將企業結構分解為資源、信息系統、文化和組織結構四個結構領域。每一結構領域都包含兩個指導原則和必要能力。這些能力用於實現各個發展等級，並為製造型企業向敏捷型組織的轉型提供基礎。

該模型在一些中小企業，例如德國的Harting公司，已經實際得到了驗證。

數字化需要全社會介入

數字化不能被認為只是精英的事情：整個社會都需要介入。在德國，業界已經聯合起來形成一個 「工作4.0」的工作組；在韓國，政府則致力於成為「世界上最數字化的社會」；日本也發布了「社會5.0」概念。每一種業務都需要重新考慮工作地點、流程、組織領導風格。對每一個國家，這都是一個極具挑戰的開始，需要工業界、官員和科學家一起來努力。我們需要在一個全新的教育理念下，建立領先的數字化能力，讓有能力的專家用得其所，從而真正能夠推動一個全新的製造範式。

本文由Kagermann先生獨家授權《知識自動化》發布。

作 者

Henning Kagermann：德國國家科學和工程院（acatech）院長，德國「工業4.0」三位發起人之一，被德國聯邦經濟與能源部、聯邦教研部任命為「工業4.0」平台全球代表和顧問。

對話人

林雪萍：北京聯訊動力諮詢有限公司 南山工業書院創始人。

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