工业4.0是智能制造的代名词，简单地说，当人、机器和工业生产过程智能联网的时候，就是我们所说的工业4.0。从18世纪60年代开始，机械、电器、信息、数字四个关键词高度概括了工业1.0至4.0时代的进化历程，与前三次工业革命相比，工业4.0涵盖了计算和物理网络的多维复杂系统。

与传统的嵌入式系统（traditional embedded systems）不同，工业4.0的信息系统是将多个设备联网，涵盖了产品的整个生命周期：从概念到开发、制造、使用和维护，再到回收。智能、数字化系统和生产流程是技术基础，工业4.0将生产方法与最先进的信息和通信技术相结合，可以根据客户的个性化需求制造产品，例如量身定制、带有独特设计的运动鞋，或用户个人设计的家具，不仅可以获得更优质的品质，而且在时间和产量方面也会达到前所未有的水平。

 

 

一、德国工业发展的背景

德国工业化起步晚于英法美等资本主义国家。1871年普法战争结束后，德国实现了统一。统一后的德国政治经济实力大为增强，工业化的发展更加迅速。经济的发展推动了德国工业产量的增长。从1867年至1914年，德国工业总量增长了8倍，法国增长了3倍，英国仅增长了2倍。在1913年，德国的工业生产总量仅次于美国，位居世界第二。德国经济的发展和工业化的快速推进促使德国各行业的就业人数也发生了变化。这一时期，德国的产业结构实现了从第一产业向第二产业的转变。到20世纪初，德国已成为了一个以工业为主导的资本主义强国。经济的发展促进了对外投资和贸易。据统计，在1880年，德国出口额仅为23亿马克，到了1913年出口额就上升到100亿马克。

工业4.0最早是在2011年的汉诺威工博览会提出，被纳入“德国2020高科技战略行动计划”。在德国国家科学与工程院的协调下，由德国信息技术、通信与新媒体协会（BITKOM），德国机械设备及制造商协会（VDMA）以及德国电气和电子制造商协会（ZVEI）三个专业协会组建的工业4.0工作组在2012年1～10月期间提出了初步实施建议，并于2012年10月2日在产学研联盟的实施论坛上将这些建议以报告（《确保德国制造业的未来——对实施“工业4.0”战略计划的建议》）的形式提交给德国政府。工业4.0的实施方案将通过工业4.0平台下的众多子工作组来推进。

 

德国工业4.0是工业化与信息化结合的产物，根据德国工业巨头西门子公司的介绍，工业4.0的核心是智能制造，通过嵌入式的处理器、存储器、传感器和通信模块，把设备、产品、原材料、软件联系在一起，使得产品和不同的生产设备能够互联互通并交换命令。它的主旨在于把德国的工业产业推向更高的一个层次，彻底的改革德国的工业生产技术，把德国工业生产技术推向最先进的智能化生产，达到“车间无人”、生产效益“最优”“最大”“最尖”的三最的地步。

二、德国工业4.0的发展愿景

德国工业4.0的核心理念是：深度应用信息通信技术，推动实体物理世界和虚拟网络世界的融合，在制造领域形成资源、信息、物品和人相互关联的“信息物理系统”，从总体上掌控从消费需求到生产制造的所有过程，实现互联的工业和高效的生产管理。从本质上看，工业4.0是以智能制造和智能服务为标志的生产方式的革命。

 

德国工业4.0愿景2030

德国工业4.0从自主性、互通性、可持续性三个方面描述了全球数字生态应具备的要素，并阐述了实现愿景的重要战略。

1.自主性

自主性是指市场上所有利益相关方(企业、员工、科研人员、个人)享有自主、独立决策和公平竞争的自由，包括商业模式的定义和设计，以及在工业4.0生态系统中购买决策的自主权。全球工业4.0生态系统中的自主性包括：数字基础设施、安全性、技术进步。

（1）数字基础设施：在不同国家、企业、个人之间构建一个持续且动态的价值网络，为数字化的工业价值创造提供强大而自主的基础设施。数字基础设施必须对市场中所有参与者无限制平等开放，数字基础设施提供了进入工业4.0生态的途径，并保证了行动多元化和市场多样性。作为一项战略资产，数字基础设施为跨国界、跨行业的数据收集、交换、分析和使用提供重要的条件和服务。

（2）安全性：数据保护、信息技术和信息安全是工业4.0和数字生态系统的基本前提。公司、员工和个人对数据的安全性也有了越来越高的要求，包括使自己提供的数据受到保护、数据使用透明化、能够自主决定数据如何使用，以及何时使用“被遗忘权”。

（3）技术进步：工业4.0的数字主权原则要求在数字化工业价值创造的核心领域开展“技术中立”的研发和创新。除了坚持技术进步以外，还必须重点考虑数据保护的实施、“设计安全”（security by design）、可持续性和可操作性。

2.互通性

互通性将不同的利益相关者灵活地连接起来，形成敏捷的价值网络。在塑造复杂的、去中心化的价值网络时，所有利益相关者的互通性是关键的战略要素。一方面，高度的互通性是确保跨企业和跨行业的工厂和流程能够直接联网的必要条件；另一方面，互通性的架构和接口让制造商和客户能够轻松地接入数字价值网络，在此基础上创造新商业模式。全球工业4.0生态系统中的互通性包括：标准和集成、监管框架、分布式系统和人工智能。

（1）标准和集成：当涉及到将单个解决方案集成为工业4.0系统解决方案时，标准和集成为互通性奠定了基础，德国致力于制定更加完备的标准体系，从而实现“工业4.0标配”。

（2）监管框架：为了确保在开放的生态系统中建立网络、交流与合作，为所有利益相关方提供公平和平等的条件，需要在德国、欧洲和国际层面建立一个监管框架。

（3）分布式系统和人工智能：在工业4.0生态中，基于标准化的架构，各种类型的机器和用户数据开放使用和互联，可以通过各种方式使用人工智能开发新的解决方案和商业模式。

3.可持续性

经济、环境和社会的可持续性是社会价值观的重要支柱。全球工业4.0生态中的可持续性包括良好的就业和教育、社会参与、气候变迁。

（1）良好的就业和教育：工业4.0以人为本，致力于改善人们的工作环境。德国为员工的资格认证设定了框架，并通过不同的计划和工具提升人员素质，例如开展必要的技能培训和能力提升计划。

（2）社会参与：工业4.0是一个变革的过程，涵盖整个社会的转型，社会变革的过程不仅要求企业层面的紧密合作，还要求所有利益相关者共同参与、共商决策。

（3）气候变迁：工业4.0促使资源效率进一步提高，将成为循环经济、环境保护和气候调节的关键推动者。基于数字化的设计方法与操作流程，可以在产品整个生命周期中实现材料的循环利用。在面向服务的商业模式中，产品是服务的基础，制造商负责对产品进行维护，因此制造商倾向于打造更具有持续性的产品设计。

 

三、德国工业4.0的研究主题

德国工业4.0平台确定了四个具体的关键主题，将研究和发展工作的需要分为不同的类别。在每一个主题中，都概述了目前的发展情况，并以此作为确定研究和发展需要的基础。

 

德国工业4.0平台的关键主题

第一个主题“工业4.0的价值创造场景”，从经济角度定义了研发需求。包括设计和实施的创新、数据或知识驱动的商业模式（这些商业模式具有价值主张、收入模式和价值创造架构的通用维度）、数字价值网络或生态系统的可持续性方面，以及澄清法律确定性和责任问题。

第二个主题“未来技术趋势”，重点首先在于灵活的、模块化可配置的生产系统及其系统架构，其次在于重要的技术驱动。在AI和自动驾驶、传感器和执行器系统以及通信技术方面，有大量的研发需求。

第三个主题“工业4.0的新方法和新工具”，包括一系列在工业4.0解决方案的战略规划和设计中用到的方法和技术要求。

第四个主题“工作与社会”，是从社会学角度和与未来工作需要相关进行的研究。包括与社会技术系统有关的方法培训、技能发展的必要性、培训战略的实施、培养对工业4.0的接受度、增加参与度、转变管理文化、推进对工业4.0所带来的社会风险和机遇的研究等等。

 

四、工业4.0参考架构模型——RAMI4.0

RAMI4.0是由德国发布的关于智能制造的一种参考模型，英文全称为Reference Architecture Model Industrie 4.0，即工业4.0参考架构模型。该模型在智能制造全价值链中提供一个相关技术系统的构建、开发、集成和运行的框架，通过建立智能制造参考模型可以将现有标准（如工业通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、设备集成、数字工厂等），和拟制定的新标准（如语义化描述和数据字典、互联互通、系统能效、大数据、工业互联网等）一起纳入一个整体制造参考体系中。

 

工业4.0参考架构模型

该模型涵盖3个维度：层（Layers）、流（Stream）、级（Levels）共同构成了一个三维立体空间，理论上任何组织的任何业务都可以在该模型中找到自己的空间位置，所有相关的三维坐标构成整体的公司业务情况。

1.Layers

第一个轴是层，代表的是分层结构，从下到上分别是资产、集成、通讯、信息、功能、业务流程，从物理层到信息物理层再到信息层，最后到管理，将复杂的工程分组并形成容易操作的细小单元，该维度更多体现的是CPS的核心功能。

资产构成工业4.0基本单元的实体部分，RAMI4.0提出资产管理壳（administration shell）的概念，每个实体资产在数字空间均有对应的管理壳（即数字孪生），管理壳构成工业4.0基本单元的虚拟部分，实体通过管理壳接入工业4.0体系。

 

资产管理壳接入工业4.0体系

2.Life Cycle & Value Stream

流（Stream）代表的是产品生命周期以及业务价值链，将产品从需求、规划、开发、生产、上市、退市等过程及该过程中所产生的业务价值流进行综合管理，描述着整个价值链中不同数据间的相关性。同时将该过程进一步分为了Type（模拟原型）和Instance（实物制造）两个阶段，呈现出以零部件、机器和工厂为典型代表的工业要素从虚以原型到实物的具体过程，遵循的是IEC 62890标准。

 

Type（模拟原型）是指产品的开发阶段。包括下设计订单，开发和测试，直到做出第一个样品或原型机。Instance（实物制造）是每个制造出来的产品代表该类型的一个实例，例如，有一个唯一的序列号。从销售阶段向制造阶段的反馈，可以帮助产品的改进，可能导致Type文件的修改。可以使用新创建的类型来制造新的实例。因此，与每个单独的实例类似，类型也需要修改和更新。

3. Hierarchy Levels

级（Levels）代表的是不同功能、类型在工厂的分布情况，包含产品、现场设备、控制设备、生产线、车间、企业、连接边界。遵循的是IEC 62264和IEC 61512标准，期望的是实现一个“广域”的互联互通，不仅仅是内部，更是由单个工厂扩展至连接世界，一种全网协同的制造模式。

 

 

工业4.0强调的是灵活的系统和机器，网络可以跨越公司的界限，所有参与者能够相互交流，并且产品是网络的一部分。“产品”作为底层，通过灵活共享的网络系统，将产品和生产设备构建在一个无边界的系统内；在顶端添加了一个内容“连接世界”，也就是万物互联。工业4.0强调的工厂群，包括产品制造商与外部工程公司、零部件供应商和客户等的合作，期望达成的是一种互联世界、协同集成的最终目的。

工业4.0参考架构模型是一个涵盖了不同行业、不同产品的全生命周期制造过程，为各方具体实施操作提供了标准化的参考架构，将虚拟与现实在三个维度进行了结构化细分，帮助实现全球工业4.0的进一步开展实施。

 

工业4.0解决方案模型

 

最后我们用五个关键词来概况德国工业4.0，分别是：感知、连接、数据、集成以及定制。即：对工业生产系统每个环节的深度感知、万物实时高效互联、数据驱动的精益生产和智能服务、基于CPS系统的综合集成以及满足客户个性多样化的需求。

 

 

图片来源：Plattform Industrie 4.0