德国第四次工业革命

第四次工业革命不会是一个从今天到明天，一下子抛弃全部已有设备的突变，而是一个渐进的过程（2020年—2030年）。

德国第四次工业革命

文/张海平

“第四次工业革命”（Industrie 4.0）最早由三位大学教授在2011年汉诺威博览会上提出。

这是一场有组织的革命，制造业在德国的国民经济中占26%，作为提升传统制造业的战略发展方向，项目研究组在2012年10月2日向德国联邦政府负责此项目牵头的教育科研部（BMBF）、经济部（BMWi）和内政部（BMI）提交了实施建议报告。德国政府已拨款2亿欧元作为第一步的研发经费。德国的机械设备制造协会（VDMA）、电子工业中央联盟（ZVEI）和信息通讯新媒体协会（BITKOM）有史以来第一次搭建了一个联合工作平台，并于2013年4月开始工作，任务之一就是协调已有的和准备开始的研究项目。 德国如何划分工业革命

在德国，工业革命是如此认定划分的：

第一次，机械化。从18世纪末开始，蒸汽机逐步取代人力。当时，机器采用集中动力驱动，动力从上空的动力轴通过皮带传给机器。机械制造之前已开始有分工，但直到采用新动力方式，才开始如今天的动态。

第二次，流水线生产。始于1913年，当时美国人福特采用流水线制造汽车，规格化生产，成本大大下降。但同时也大大地放弃了个性化。机器和流水线开始逐步由电驱动，更易控制。

第三次，自动化。始于1974年，当时在德国一个小地方Neuhausen im

Enzkreis的一个小企业Klaschka GmbH研发出由集成电路制成的PLG（可编程逻辑控制器）。控制逻辑，相对继电器组成的控制器，可以更方便、更灵活地更换或修改，迈出了微处理器控制工业应用的第一步。但当时正值冷战时期，没人想到这个小东西会给工业生产带来如此大的变化，以致值得称之为“革命”。之后，硬件水平、集成度不断提高，采用了C语言和更高级的编程语言，不仅可以描述简单的语言或逻辑关系，还可以描述各种复杂的控制策略，比如PID、自适应、自学习等，现在已被广泛使用，几乎无处不在。

一个典型的例子是汽车工业。在上世纪八十年代末，美国麻省理工学院完成的一项耗资500万美元的调研报告《改变了世界的机器》说，日本汽车工业之所以能在20年里抢占世界1/3市场，除了“苗条”（零库存）的工厂外，最重要的一点是，它广泛实现了装配自动化，机器人辅助的装配大幅度地提高了质量与生产率，因此今后美国和欧洲的汽车工业很难与之竞争。但德国汽车工业挺住了，其中一个原因是，德国的机器人都装有PLC，程序可以灵活地不断更换、改进。

第四次工业革命的目标则是工厂智能化。其中心是让网络技术进入制造业，其背景是今后制造业将面临的形势—紧缺的资源、能源转变、员工年龄结构改变和全球化，其技术基础是网络和空间分布系统、顺畅的通讯，宽带速度大7000Mbit/s，其特点是灵活易变、高资源效率、考虑人类工程学、以及使企业与顾客、业务伙伴最紧密地结合。

怎么变

德国专家设想的变革大致发生在以下几个方面：

一是生产工艺与信息技术融合。

目前所说的数字化工厂，首先强调的是生产计划数字化和大量使用各种计算机辅助技术，比如CAD、CAM、CIM、PPS（生产计划控制系统）、PDM、DMU（数字实验模型）、PLM(产品生命周期管理)等，较多地基于一个相对固定、由上而下的生产集中控制系统。而新的革命则强调分散，降低集中控制度，增加生产设备的自主控制，把分散的、自主的、智能化的制造设备，通过网络的形式紧密地联接在一起，具有更开放、更积极通讯的系统结构，更具动态性和灵活性，从而能发掘出更多优化的可能，估计可以提高生产效率30%。其中，CPS（Cyber—Physical System,网络实体融合控制系统）将起一个核心的作用。

CPS是一个有传感器、控制电脑、执行器以及网络组合的控制系统。目前在某些领域，如航空、汽车、化工生产、基础建设、能源、健康、制造 、交通控制、娱乐和消费型电子产品等，已出现了类似于CPS的电子组合控制系统，但这些系统目前通常都是嵌入式系统，比较强调其运算控制能力，CPS则更强调实体装置和电脑网络的连结。

CPS是借用技术手段实现人的控制在时间、空间等方面的延伸，本质就是人、机、物的融合。所以，也被称为“人机物融合系统”。

二是产品个性化。

生产高度灵活的工厂可以迎合顾客对产品个性化、多样化、不断改变的要求，可以通过现代化的手段，以大批量生产的成本，制造批产量的产品。从某种意义上说，回到了第一次工业革命之前。顾客与工厂频繁交流沟通，不仅在订合同签，而且在下订单后、设计、加工、装配、调试阶段。

因此，顾客甚至可以在产品生产过程中改动他的订单细节。比如力士乐泵厂，虽说年产100万台以上，但十几个大类，每类有十几个规格，每个规格的变量功能有十几种，不同的限压、恒功率值等要设定。因此，最终产品有好几万种，每批量并不很多，所以，灵活多变的管理是极其重要的。

三是生产人性化。

通过工厂智能化，更多的员工可以灵活的工作时间，因此工作更安心了。利用网络，生产可以分散，从而可以分散能量供应；利用网络，员工可以就近，甚至在家里上班，如果大量员工每天长途开车上班，到厂里再花很大力气节能减排，又有多大实际意义呢？

未来的生产图景

可以设想一下未来这样的生产场景：所有加工设备、待加工部件（运输小车）、装料机器手都装有CPS,都具有无线上网功能；待加工部件不通过中央控制器，直接与加工设备联系确定，到哪台设备进行哪些加工，工件控制工厂；负责下道工序的加工设备直接调用待加工件，独立自主地运输小车根据地下铺设的感应线路，把工件送给装料机器手；所有后续工序需要的产品信息，包括生产销售文件都由各工件自己携带；如果出现差错，或顾客的特别要求与现有的CAM数据不符，研发部的工程师会立刻得到报警，补充改进措施会立刻在一个虚拟的试验环境下检查，然后发给工件。

事实上，上述场景已经不是幻想。德国应用技术研究院的制造设备与生产技术研究所和柏林工大的机床与工厂管理研究所合作，自2008年起就建立了一个名为Sopro(生产自我组织)的示范性车间以笔记本电脑模拟产品，自我安排加工，起中心领导作用。在Kaiserlautern市的人工智能研

究中心已经建立了一个示范工厂，20个企业参与了工厂的运营。

德国Wittenstein公司在斯图加特市内新建了一个所谓“住宅区工厂”，机床、生产工具和半成品都已联网，产品细节在最后一分钟还可以更改。制造的精密齿轮被用于方程式I的赛车、航空与航天等设备中。

力士乐公司推出了“开放核心”，即工程师可以用各种高级编程语言，通过各种编程工具，从各类硬件的各种操作系统出发，调用核心的控制功能，完成各种应用。演示模型是一个平板电脑，通过无线网络，控制一个有自由度的平台，随平板电脑摆动。力士乐设想的将来的工厂是这样的—全自动车间，技师带着平板电脑，利用无线网络，与各设备联络，了解情况，调整状况。

“第四次工业革命”在2013汉诺威工业博览会上被广泛地讨论。与会者较普遍的意见是：德国在机械制造、自动化及信息技术方面已经很强大，德国经济就是依靠know—how（技能）、高质量和首创的产品生存，所以有最好的前提条件，在第四次工业革命中其起领导作用，以保持并扩大德国制造业的传统核心和国际领先地位。第四次工业革命不会是一个从今天到明天，一下子抛弃全部已有设备的突变，而是一个渐进的过程（2020年—2030年）。因为，在进行实质性的工程技术改造之前，首先需要的是，在参与者的脑子里发生改变，要进行跨技术领域的思考。很重要的是，要注重实效、不断改进、不停创新，而最终要赢得的是商业伙伴和员工，如果做不到的话，所有闭门思考出来的方案都是没用的。