从德国概念到中国战略——工业4.0

发表于  2015/01/07 15:39   约8分钟

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  究竟什么是工业4.0战略?

  时间节点:2013年4月德国在汉诺威工业博览会上首次发布《实施“工业4.0”战略建议书》,德国电气电子和信息技术协会于2013年12月发布“工业4.0”标准化路线图。2014年汉诺威工业博览会的主题“融合的工业——下一步”很好地契合了德国自2013年以来力推的创新概念——“工业4.0”。

 

  内容:该建议书将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0;20世纪初的电气化定义为工业2.0。自20世纪70年代自动化技术大发展以来,工业生产的规模越来越大,工艺越来越复杂,技术要求越来越高,在生产的效率、生产的质量上人们做了不断地改进和提高,一个大规模、大批量的简单智能化生产模式被定义为工业3.0。但随着信息技术与工业技术的高度融合,网络、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术的深度交织产生新的价值模型,在制造领域,这种资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟网络-实体物理系统(Cyber-Physical System,CPS)”被德国人称之为“工业4.0”。

  CPS包括智能机器、存储系统和生产设施,从入厂到出厂,整合整个制造和物流过程,实现数字化和基于信息技术的端对端集成。简而言之,CPS就是互联网技术运用于各行业,其核心就是通过应用信息通讯技术和利用互联网,将虚拟系统信息与物理系统相结合的手段,完成各行各业的产业升级。即生产制造系统的数字化和虚拟化(数字工厂);数字虚拟工厂与实际的对象结合起来(网络物理系统)。


  而智能工厂又是实现工业4.0的关键。在智能工厂里,人、机器和资源如同在一个社交网络里自然地相互沟通协作;生产出来的智能产品能够理解自己被制造的细节以及将如何使用。在智能工厂中,机器社区将自行组织,供应链将自动相互协调,未加工的产品将向机器发送完成其加工所需数据,然后由后者将其变成商品。机器和机器、机器和产品之间的数据传输通过使用微处理器、存储装臵、传感器和发送器来实现,这些装臵将被嵌入至几乎所有可想象的机器、未加工产品、材料、智能工具类型和用于组织数据流的新型软件。所有这些创新将使产品和机器能够相互通信并交换数据。换言之,未来工厂将可以从很大程度自行优化和控制其制造流程,而不是如同现在通过中央控制中心来实现,柔性生产的程度提高。


  背后推动力量:德国政府、德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司,以及众多中小企业等德国学术界和产业界。德国政府提供2亿欧元资金支持。

  工业4.0 时代,德国强者恒强

  微观目的:在生产能力上,与现行的大规模、批量化生产相对应,工业4.0将确保多批次、小产量状态下产业的获利能力,确保工艺流程的灵活性和资源利用率。这种生产模式成功后,能够提供品种更丰富的个性化、功能更齐全的多样性、性能更稳定的高质量、使用更人性化的产品,中国依靠大规模工业化生产的高性价比产品的吸引力将会降低。

  战略目标,在国际分工体系中:

  (1)德国成为新一代工业生产技术(即CPS)的供应国和主导市场(标准制定者、领先供应商),从而使德国制造业在持续发展的前提下提升它的全球竞争力。意味着德国人创建了新的生产环境,包括新的管理、流程、模型等,还提供新的智能生产装备和新的技术手段;将推动德国的机器人、制造成套装备、IT技术、控制技术、信息技术等核心产业的变革,并加入到工业4.0体系内;再借助这新的工业体系生产制造出来的产品冲击世界原有生产体系中的产品,确保了德国制造业的未来。

  (2)中国作为生产世界1/3产品的制造大国,一方面,规模化生产模式生产出来的产品将受到挑战;另一方面,产业升级时将被动接受德国的新标准、新设备。

  美日积极推进新工业战略

  与德国的工业4.0相比,其他工业化国家虽然未普遍使用这一术语,但尽可能降低生产操作成本、提高灵活性和加快创新周期也是这些国家的共同目标。

  (1)美国:2009年初,美国开始调整经济发展战略,同年12月,公布《重振美国制造业框架》,2011年6月和2012年2月,相继启动《先进制造业伙伴计划》和《先进制造业国家战略计划》,实施再工业化。包括调整、提升传统制造业结构及竞争力和发展高新技术产业两条主线。提出要发展包括先进生产技术平台、先进制造工艺及设计与数据基础设施等先进数字化制造技术。2013年5月,美国政府又宣布成立数字化制造与设计创新(DMDI)研究所,这是奥巴马政府继增材制造(3D打印)创新研究所(NAMII)后提出设立的第二家创新研究中心,旨在提升数字化设计、制造能力。

  同时美国通用公司提出的工业互联网与德国的工业4.0战略有异曲同工之妙。工业互联网将智能设备、人和数据连接起来,并以智能的方式利用这些交换的数据。AT&T、思科(Cisco)、通用电气(GE)、IBM 和英特尔(intel)已经在美国波士顿宣布成立工业互联网联盟(IIC),以期打破技术壁垒,促进物理世界和数字世界的融合。

  (2)日本:一是采用小生产线的企业增多,本田公司通过采取新技术减少喷漆次数、减少热处理工序等措施把生产线缩短了40%,并通过改变车身结构设计把焊接生产线由18道工序减少为9道,建成了世界最短的高端车型生产线。二是采用小型设备的企业增多,日本电装公司对铝压铸件的生产设备、工艺进行改革,使得铸造线生产成本降低了30%,设备面积减少80%,能源消费量降低50%。三是通过机器人、无人搬运机、无人工厂、细胞生产方式等突破成本瓶颈,佳能公司从细胞生产方式到机械细胞方式,再到世界首个数码照相机无人工厂,大幅度地提高了成本竞争力。此外政府加大了开发力度,加大对3D打印机等尖端技术的财政投入。2014年,经济产业省继续把3D打印机列为政策优先扶持对象,计划当年投资45亿日元,实施名为“以3D造型技术为核心的产品制造革命”的大规模研究开发项目,开发世界最高水平的金属粉末造型用3D打印机。

  中国版工业4.0战略的横空出世

  2014年3月,中德关系也将在现有高水平的基础上,进入一个精确磨合和深度对接的新阶段。这被市场一致认为是中国正式提出加速制造业发展的关键一步。

  2014年10月,宣布了中德两国将开展工业4.0合作,这对于中国企业而言意味着巨大的转型契机,该领域合作有望成为中德未来产业合作的新方向。

  10月28日,我国同济大学与德国菲尼克斯电气历时1年共同建成了国内首个工业4.0——智能工厂实验室。未来该实验室将从概念走向工程实践,走向国内工程教育第一线,进一步推动我国工业4.0进程。


  11月,第16届中国国际工业博览会(简称工博会)在上海开幕,工信部部长苗圩在开幕词中指出,就工业整体而言,要更加注重推进信息化和工业化的深度融合,把智能制造作为主攻方向和重点内容。推进信息技术的集成、综合应用和融合创新,促进制造业的数字化、智能化、网络化的发展,全面加快工业的转型升级,推动工业由大变强。

  在工博会上,来自国内外的厂家向参会人员展示了各种工业4.0产业线的相关设备,体现出了工业4.0的两大特点:一是多批次小批量,定制生产满足个性化需求;二是智能化。如果你想要一支黑色的铅笔,在网上下单,指令第一时间传到生产铅笔的机器上,不需要任何中间流程。这台机器同时能生产5种颜色的铅笔,但接到指令,它只“蹦”出黑色的来。


  作者:史成波

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当德国工业4.0的生产模式成功后,中国规模化生产的产品将受到很大挑战。同时,我们在产业升级时也将被动接受德国的新标准、新设备。

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