1 引言

2020年07月19日 332 本文共3867字,预计阅读时间12分钟

确保德国制造业的未来

德国是世界上制造业最具竞争力的国家之一。因为它具备管理复杂工业流程的能力,使不同的任务可由不同地理位置的不同合作伙伴来执行。几十年来,它已经成功地应用信息和通信技术(ICT)做到了这一点。当今,ICT 大约支撑了 90%的工业制造过程。在过去的 30 年左右的时间里,IT 革命给我们生活和工作带来了根本性变革,其影响不亚于第一次和第二次工业革命中机械化和电气化所带来的影响。从个人电脑到智能设备的演进伴随着这样的趋势,越来越多的 IT 基础设施和服务将通过智能网络(云计算)提供。比以往任何时候都更加小型化的设备与势不可挡的互联网相结合,使无处不在的计算成为现实。

功能强大的、自主的微型计算机(嵌入式系统)正越来越多地相互间或与互联网以无线方式互联。这正在导致引起实体物理世界与虚拟网络世界(cyberspace)以虚拟网络—实体物理系统(CPS)的方式相融合。继 2012 年推出新的互联网协议 IPv6, 现在已有足够的地址使智能对象间通过互联网大范围直接互联。

这意味着有史以来第一次,有可能将资源、信息、物品和人进行互联,从而造就物联网和服务。这种现象的影响也将反映到工业领域。在制造领域,这种技术的渐进性进步可以被描述为工业化的第四个阶段,即工业 4.0(图 1)。

工业化始于 18 世纪末机械制造设备的引进,那时像纺织机这样的机器彻底改变了货物的生产方式。继第一次工业革命后的第二次工业革命大约开始于 20 世纪之交,在劳动分工的基础上, 采用电力驱动产品的大规模生产。20 世纪 70 年代初,第三次工业革命又取代了第二次工业革命,并一直延续到现在。第三次工业革命引入了电子与信息技术(IT),从而使制造过程不断实现自动化,机器不仅接管了相当比例的“体力劳动”,而且还接管了一些“脑力劳动”。

图 1 工业革命的四个阶段

德国需要借鉴其作为世界领先的制造设备供应商以及在嵌入式系统领域的长处,广泛地将物联网和服务应用于制造领域, 这样它就可以在第四次工业革命的道路上起到引领作用。

推出工业 4.0 不仅能巩固德国的竞争地位,而且也可推动解决全球性挑战(如资源和能源利用效率)和国家所面临的挑战(如应对人口变化)。然而,关键是要考虑在社会文化背景下的技术创新,因为文化和社会的改变本身也是创新的主要驱动力。例如, 人口的变化有可能会改变社会中的所有关键领域,如学习方式的组织、伴随着寿命延长工作和健康的性质、以及当地社区基础设施建设等等。这将反过来显著影响德国的生产率。通过优化技术创新和社会创新之间的关系,我们将为德国经济的竞争力和生产率作出重要贡献。

在制造业中采用物联网和服务

物联网和服务使得有可能创建网络整合整个制造过程,将工厂转变为一个智能环境。虚拟网络—实体物理生产系统包括智能机器、储存系统和生产设施,从入厂物流到生产、销售、出厂物流和服务,实现数字化和基于信息通信技术的端对端的集成。这样不仅可以更加灵活地配置生产,而且还可以通过提供更加差异化的管理和控制过程来拓展机会。

除了优化现有的基于 IT 的过程,工业 4.0 也将有可能在全球范围内释放潜力,对详细过程和整体效果进行更具差异化的跟踪,而这在以前是不可能记录的。它还将使业务合作伙伴(如供应商和客户)间、雇员间更加紧密合作,提供新的共赢机会。

作为世界领先的制造设备供应商,德国具有独特的地位挖掘这种新型工业化的潜力。德国的全球市场领导者包括许多“隐形冠军”,他们提供专门的解决方案——德国最顶级的 100 家中小型企业(SMEs)中的 22 家是机械和设备制造商,其中 3 家居于前十名。的确,许多机械和设备制造业领军人物认为他们的主要竞争对手在国内。机械和设备与汽车和化学品一样,也列为德国主要出口的商品之一。此外,德国的机械和设备制造商期望在未来仍然保持自己的领先地位。他们之中有 60%的人相信在未来五年里,他们的技术竞争优势将进一步增强,而只有不到 40%的人希望保持目前的地位。尽管如此,在制造工程领域的全球性竞争将越来越激烈。不仅是亚洲竞争对手对德国工业构成威胁,而且美国也正在采取措施促进“先进制造”,应对去工业化。此外,制造业一直以来不断变化,并且愈加复杂。例如,先进的激光烧结技术意味着现在有可能在数小时内高质量地“打印”出复杂的三维结构。这正在带来全新的商业模式和服务,使得终端客户可以更密切地参与——用户可以创建他们自己的设计,用电子邮件将他们发送到“影印店”,或者他们可以扫描和“复制”物体。在工业科研联盟的倡议下,在工业 4.0 平台上的合作伙伴们已经为自己确立目标,贯彻德国政府的战略举措,以确保德国工业的竞争力。

物联网和服务将应用于制造行业:

从本质上讲,工业 4.0 包括将虚拟网络—实体物理系统技术一体化应用于制造业和物流行业,以及在工业生产过程中使用物联网和服务技术。这将对价值创造、商业模式、下游服务和工作组织产生影响。

工业 4.0 计划具有巨大潜力

  • 满足用户个性化需求

工业 4.0 允许在设计、配置、订购、规划、制造和运作等环节能够考虑到个体和客户特殊需求,而且即使在最后阶段仍能变动。在工业 4.0 中,有可能在一次性生产且产量很低(1 批量) 的情况下仍能获利。

  • 灵活性

基于 CPS 的自组织网络可以根据业务过程的不同方面,如质量、时间、风险、鲁棒性、价格和生态友好性等,进行动态配置。这有利于原料和供应链的连续“微调”。也意味着工程流程可以更加灵活,制造工艺可以被改变,暂时短缺(例如供应问题)可以得到补偿,输出的大量增加可以在短时间内实现。

  • 决策优化

为了在全球市场上取得成功,在短时间内能够做出正确决定变得越来越关键。工业 4.0 提供了端到端的实时透明,使得工程领域的设计决策可以进行早期验证,并且既可以对干扰做出更灵活的反应,还可以对生产领域中公司的所有位置进行全局优化。

  • 资源生产率和利用效率

工业制造过程的总体战略目标仍然适用于工业 4.0:在给定资源量(资源生产率)的前提下,得到尽可能高的产品输出;使用尽可能低的资源量,达到指定的输出(资源利用效率)。CPS 在贯穿整个价值网络的各个环节基础上,对制造过程进行优化。此外,系统可就生产过程中的资源和能源消耗或降低排放进行持续优化,而不是停止生产。

  • 通过新的服务创造价值机会

工业 4.0 开辟了创造价值的新途径和就业的新形式,比如通过下游服务。智能算法可用于各种大量数据(大数据),这些数据是为了提供创新服务而由智能设备所记录的。尤其是对于中小企业和初创公司来说,有显著的机遇发展 B2B(企业对企业)服务。

  • 应对工作场所人口的变化

通过工作组织和能力发展计划相结合,人与技术系统之间的互动合作将为企业提供新的机会,将人口变化转化为自身的优势。面对熟练劳动力的短缺和日益多样化的劳动力(如年龄、性别和文化背景),工业 4.0 将提供灵活多样的职业路径,让人们的工作生涯更长,并且保持生产能力。

  • 工作和生活的平衡

使用 CPS 的公司更加灵活的工作组织模式,意味着它们可以很好地满足员工不断增长的需求,让员工在工作与私人生活之间,以及个人发展与持续的职业发展之间实现更好的平衡。例如, 智能辅助系统将提供新的组织工作的机会,即提供一种灵活的新标准以满足公司的需要和员工个人的需求。随着劳动力规模的缩减,CPS 公司在招聘最优秀员工方面将具备明显优势。

  • 高工资仍然具有竞争力

工业 4.0 的双重战略将使得德国保持供应商的领先地位,并且成为工业 4.0 解决方案的主导市场。

然而,工业 4.0 不会对相关行业构成纯技术层面或与信息技术相关的挑战。不断变化的技术也将会对组织方面带来深远影响,它提供了开展创新的商业和企业模式、提高员工参与度的机会。20 世纪 80 年代初,通过将可编程逻辑控制器(PLCs)应用于制造技术,使制造自动化更加灵活,与此同时,通过采用一种基于社会伙伴关系的方法、管理对劳动力的影响,德国成功地进行了第三次工业革命。德国强大的工业基础、成功的软件产业和在语义技术方面的诀窍意味着德国可以很好地实施工业 4.0。德国有可能克服目前的障碍,如技术接受问题或劳动力市场熟练工人数量有限的问题。然而,只有所有利益相关方共同努力,挖掘物联网和服务为制造业带来的潜力,才有可能确保德国工业的未来。

自 2006 年以来,德国政府已在其高技术战略下推动物联网和服务。一些技术项目已经成功启动。工业科学研究联盟正在利用工业 4.0 计划跨部门推进这一举措。在执行过程中下一步顺理成章的是建立第四次工业革命平台,由德国信息技术、通讯、新媒体协会(BITKOM)、德国机械设备制造业联合会(VDMA)以及德国电气和电子工业联合会(ZVEI)三个专业协会共同建立秘书处。下一步的任务就是为关键的优先主题制定研发路线图。

确保德国制造业的未来——这是工业 4.0 平台的合作伙伴确立的目标。该平台邀请所有相关的利益方继续探索工业 4.0 带来的机遇,只有这样,我们一起才可以帮助确保成功实施工业4.0 的革命前景。

“工业 4.0 为德国提供了一个机会,使其进一步巩固其作为生产制造基地、生产设备供应商和 IT 业务解决方案供应商的地位。令人鼓舞的是,我们可以看到德国的所有利益相关方在紧密合作,通过工业 4.0 平台, 一起向前迈进,加以实施。”

——孔翰宁(Henning Kagermann)博士教授(acatech – 国家科学与工程学院,通信行业科学发起人集团发言人, 研究联盟和工业 4.0 工作组联合主席)