理解工业4.0的新视角——应用场景

上述过程中，各参与方之间交换的电子数据的完整性、时效性和权威性的保证，以及自行车制造商的知识产权的保护，非常重要，是合同能够被成功授予供应商的前提条件，工业4.0的安全问题。

自行车产品价值链，需要依据商业模型，动态自组织完成，工业4.0的商业模型研究问题；发包方与承包方的合同关系是动态生成的，这种合同关系，恐怕还不为现有的法律法规体系所支持，工业4.0的法律法规问题。

个性化定制的车把，对制造工人的技能要求更高，需要给工人更多的培训，需要给工人提供更强大支持工具。工业4.0的劳动组织与技能问题。

03端到端工程的集成

端到端工程集成，恐怕是工业4.0中，最让人难以理解的地方了。

这里的端到端，应当理解为，从产品订单，经过创意、设计、制造、售后服务，到回收，这样一条动态创建的价值链的端到端，理论上可以有无数个端到端。

这种端到端的集成需求，前所未见，闻所未闻。要实现这种端到端的集成，应该研究新的集成方法，工业4.0的研究问题。工业4.0参考模型，标准，语义等方面的研究工作服务于这一目标，而工业4.0组件管理壳概念的提出，是向端到端集成这一目标迈出的重要一步。

而基于工程的集成，则是因为工业4.0时代，产品是个性化定制的，每一个产品或多或少都需进行设计，要遵循产品研发的工程过程，当然包含制造已开始后的变更。工程的结果（电子文档，产品模型，制造工艺等），为价值链中每一种价值增值活动所必须。应该有一个服务于价值增值全过程的产品工程模型，工业4.0的研究问题。

总之，实施工业4.0，现有的条件还不具备，还需进行大量的创新性的技术研究，还需在法律法规、安全、劳动力与技能等方方面面做出重大改变。

下图为其给出的研究路线图

下图为九个应用场景

与研究路线图的关系

05

具有适配能力的工厂

实现企业内部外部价值链一体化

除此之外，工业4.0还有更大的抱负。期望这种动态价值链，不仅存在企业之间，还要进入到企业内部。在企业内部，依据标准工艺步骤，将生产过程模块化，这些标准模块，可以参与到跨企业边界的动态价值链中，发挥其应用的作用，这就是应用场景——具有适配能力的工厂，所描绘的。

该应用场景英文翻译如下：

即插即生产——在工厂内可适应性的制造配置 ，以快速改变生产能力和产量。即插即用——使用一台家用计算机和一条USB电缆，非常容易地就可以连接新设备，并几乎立刻就可以使用该设备，而没有任何额外的努力。这种灵活性，在台式计算机上已经存在相当一段时间了，此刻在工业生产方面开始变得也来越重要了。

就生产基础架构而言，适配性的需求一直快速增加。越来越短的产品周期和革新周期，带来对新生产设施投资决定的需求，这反映了对生产和过程变化以及任何可能的地方的未来需求。此外，不断增长的订单违约，带来了不断增加频次地阻碍了制造线的优化使用。灵活性和适配性将成为越来越重要的决策判据，当考虑新的生产设施建造和运营时。

一个例子是产品标识。存在各种各样的打印技术，例如，棉条打印机，喷墨打印机，以及激光打印机。在一个适配性工厂里，这种类型的操作设备可以被直接连接到自动化的过程里。例如，把将材料简单地放下后，被打印的材料说：“打印我”，然后棉条打印机将问道：“这个材料是无油脂打印吗？”。喷墨打印机然后询问材料特征，应为它使用加热来完成干燥过程。激光打印机则会询问材料是否能保证足够的对比度。

① 关键点

可适配工厂应用场景描绘了一个制造设施的快速（在某些情况下是完全自动化的）转换，通过即改变生产的产量能力，也改变生产的产品品种的潜能。

实现可适配工厂的关键点是一种模块化进而可适配的工厂内制造设计。智能化的并可互操作的模块（该模块基本上可依据修改后的配置自己进行适配），以及这些模块之间的接口，允许快速且简单的转换，以适配市场和客户要求的变化。当订单控制的生产场景借助于智能连接，将重心放在了现有制造设施的灵活使用上时，可适配工厂场景则通过（物理上）转换，描绘了单个工厂的可适配性。

今天，当创建一条生产线时，焦点通常不再仅仅是质量，也包括一个预想的产品范围的生产效率和利润的最大化。各个独立的组件被静态地连接起来，能够产生预想的功能和预估的数量。常常是，一个系统集成者关注于独立组件协同，进而为整个工厂开发出一个控制系统。但是，如果订单是被强产品个性化驱动的，或者是被需求的高波动驱动的，公司可能不再会依赖特定生产线的优势。

在此情况下，模块化的，面向订单的，可适配的制造配置，变得更加具有吸引力：例如，他们能够增加总的利用率或交付产品的能力。但同时，对个性化机器/制造模块的要求也增加了。甚至，比特定制造步骤高度差异化更为重要的是，将单个模块容易且在任何情况下组合起来的能力。为了能够达到这一点，模块必须包含关于被非常快速与健壮地组合或转换为一台机器或工厂的能力的自描述。下面的例子解释了这些要求：

● 一个新的网络使能的现场设备，例如一个带新固件版本的驱动器，被连接到生产线上。这个新设备必须被自动提供网络连接能力，且被所有在线子系统所知道。参与的子系统必须进行相应的更新。

● 一个未被配置的现场设备被引入生产中，例如要快速替换另一个有缺陷的设备。这个现场设备，现在必须被个性化且参数化，依赖于软件组件中的信息。

● 一个生产设施被转换或修改了，由于某种新产品的差异被规划出来。与变化相关的控制与软件，必须被检测到且自动地被传送给所有参与的系统。

● 在一个工厂被转换后，它应该能够移动，用于过程管理的软件组件，到分散的控制单元，同时遵循某些判据，如输出或可用性。

● 一个MES（新）功能被加入或修改了，如某种先前不被要求的可视化。这种可视化应该被自动完成，且访问来自现场级别的必要信息也应该是自动授予的。

这要求机械工程师有依据地设计内部的开发过程。模块化的机器要求模块化的工程设计，基于可重用模块库（平台化开发）。机器的架构必须被这样设计，以便可组合的机电一体化的模块可以被创建出来，包含了生产模块的即插入即生产能力，使用可互操作的接口和适配性自动化技术。这要求“服务”慨念的进一步拓展，跨越制造商的边界，诸如归档，告警或可视化，还必须具有一种低成本的与MES功能的集成。

② 对价值链的影响

增值工作被从系统集成者转移到了机器提供者或供应商，因为机器或组件已经被增强了，以至于它们更容易的集成起来。系统集成的类型和质量变化了。当前（生产）技术的焦点，转移到了对与生产过程相关连的组织和业务过程方面的一个更强力的关注。在极端情况下，系统集成者很可能被淘汰，如果智能的、自配置和互操作的制造模块被在机器提供商的层面上创造出来的话。

③ 参与者的增值

对于制造公司而言，如果一种快速、廉价并可靠的制造转换成为可能，那么他们可以对客户与市场需求的变化做出快速相应，不断增加的标准化和模块化，也扩展了将各种供应商的制造实体，组合起来的可能性，进而找到每个单独模块最经济的解决方案。

机器的模块化开辟了机械制造商的规模化的新时代。

下图为其给出的

具有适配能力的工厂的价值网络

具有适配能力的工厂，是除了应用场景——订单控制的生产之外的最能体现工业4.0的精髓的应用场景。其要点是采用计算机行业通行的即插即用的方法，来大幅提高工厂设备、生产线等基础设施的柔性化水平，更深层次的想法是在更大范围提升企业参与到工业4.0时代产品动态价值链的能力。

具有适配能力的工厂，在工业4.0时代，由于要支持大批量个性化定制的生产组织模式，是必须的。但对工业3.0时代的多品种小批量的生产组织模式而言，它同样是赢得市场竞争的利器。这个场景，应该是现阶段，从事自动化、机器人、生产线、设备制造、数字化工厂等方面的人士，就要重点关注的地方。

06

其他应用场景

除了订单控制的生产之外，还有7个场景，它们逻辑上依附于上述两个场景，是工业4.0时代大批量个性化定制的生产组织模式所必须。个性化定制的生产模式，价值链是动态的，物流也必须是动态的。

产品是个性化的，无论是设计过程，制造过程所需的各种设施，还是之后的服务过程，都需得到比以往更多的技术支持，来实现这种个性化；企业从以生产为中心的组织模式，转变为以个性化产品为中心的组织模式；产品智能化本身，就是对这种全新生产组织模式的最好的技术支撑。如此等等。

需要强调的是，场景——基于价值的服务，从解决问题的角度，与GE的工业互联网存在着一些交集，都与服务有关。区别是，工业4.0中的基于价值的服务，更强调的是服务价值链上的分工协作，价值链的变革，价值链上出现的新业务模式。

而GE工业互联网，根本目的是要企业设备等重资产利用率提升与运行成本降低，这一目的，是要通过“智能设备+数据采集+平台+智能数据分析”这一具体的技术路线来实现，是服务的一种具体实现手段。所以二者之间，存在互补性，是IIC与工业4.0可以合作的地方之一。此外，基于价值的服务，与国内当前所提倡的服务型制造或制造业服务化，有异曲同工之处。关于基于价值的服务，感兴趣的读者，可以参考杨晔、林雪萍两位的《德国从工业4.0的角度看工业互联网》一文的介绍。从应用场景方面来看，个人认为工业4.0比GE工业互联网有更大的作用域。

鉴于篇幅的关系，其余的应用场景的解读，恕不能一一展开了。需要强调的是，其他应用场景，在现阶段，或多或少，都能找到它们的身影。区别是，在工业4.0时代，这些场景是必须的，都要参与到，以实现大规模个性化定制为目标的，企业动态、自组织、自治的价值链中。

07

工业4.0体系中的四次革命论

具有讽刺意义的是，德国人提出的工业4.0战略，四次革命提法的影响力，远远高于工业4.0要做事情的本身的影响力，在全世界特别是在国内，赚足了眼球。是不是也间接地说明了国内的人心浮躁？

① 第四次工业革命还是一种愿景

四次工业革命论，如下图所示：

四次革命的提法，只是德国人自己的观点或逻辑推演，并没有得到科学的验证。至少不如，GE工业互联网理论体系中给出的三次革命论，还可以通过经济增长GDP数据来验证革命是否发生，更为科学一点。虽然本人直觉上大体上同意这种四次革命的划分。但需要强调的是，工业4.0是德国未来的场景，严格来讲，第四次工业革命是一种预测，一种期待，一种愿景，而不是当下已经发生的事实。

② 四次革命划分的标准

从理论上，德国四次工业革命的划分，标准不统一。第一次工业革命是蒸汽机驱动的机械化，第二次工业革命是电力驱动的基于劳动分工的大批量生产，第三次工业革命是使用了电子与IT技术的更高程度的自动化，第四次工业革命则基于CPS。这里，既有基于技术手段的划分，也有基于生产组织方式的划分。标准的不统一，显得这种划分科学性不高，人为的因素或主观随意性太强。

特别是将CPS作为第四次工业革命的标志，让人觉得更加不科学了。虽然CPS这一概念推出不久，但使用CPS技术的事实，在从事嵌入式系统的工业控制行业，在从事PLC应用或基于微处理器应用的自动化行业，早就存在了。说工业4.0基于CPS这一结论没有错，但只是一个必要条件，并不是充分条件。

在国内，还有各种各样的观点。如，第四次工行业革命，是智能革命，是物联网技术在制造业中国的应用，是人工智能在制造业的应用，或新一代人工智能技术在制造业中的应用，如此等等。这就是依据特定技术，进行革命划分所带来的不唯一性问题。哪一个都有其合理性，哪一个都正确，但哪一个也都不完整。

工业革命，固然发源于技术，但技术手段只是一种外在的动力。市场需求的变化，才是技术大范围大规模使用的内在动力。只有两者之间进行融合，形成了相对固定的生产组织模式模式，才是革命到来的真正标志。

或许，依据是否形成特定的生产组织方式，来进行工业革命阶段的划分，比单纯依据某种技术手段的使用来进行工业革命的划分，更为科学一些。如果将，有组织的生产模式（现代意义上的工厂）、大批量生产模式、多品种小品量生产模式（大规模定制）、大批量个性化定制生产组织模式的出现，分别作为四次工业革命出现标志，更为科学一点。

③ 工业革命的四个阶段

说四次工业革命，不如说是工业革命的四个阶段，更为准确。建议仔细思考一下德国四次革命图的画法，台阶式。其深层次的含义是工业1.0、工业2.0、工业3.0乃至工业4.0对应的生产组织模式，在市场上将长期共存。既有取代，也有继承，是一种增量式的取代与继承。

从历史上看，每一次工业革命，都会带来一种全新的生产组织方式，外在动力是市场竞争的需要。在产品处于卖方市场阶段，工业1.0的组织方式就可以满足市场需求；工业2.0的大批量生产组织方式，可以降低产品价格，进一步刺激市场需求。

在产品处于买方市场阶段，工业2.0可以降低产品价格、提升产品质量，也是一种赢得市场竞争的重要手段；当不同厂家的产品功能、质量、价格接近后，工业3.0追寻的多品种小批量的生产组织模式（精益生产——追求以大批量生产的成本与质量，实现多品种小批量的生产组织模式），则是赢得市场竞争的重要武器；当市场竞争进一步加剧，工业4.0的大批量个性化定制的生产组织模式，则是一种历史必然的选择，即将出现在历史的舞台上。

所以，“工业2.0补课、工业3.0普及、工业4.0示范”这一观点，具有战略上的重要意义。但在战术上，特定企业应当根据自己所生产的产品在市场竞争中所处的阶段，或预测将要进入的市场竞争阶段，来选择不同的竞争策略。能够解决企业面临的实际问题，才是永恒的选择标准。

大体上，个人认为，手工艺品还是采用工业1.0模式为好，采用工业0.0也没问题。制造业中的标准件，采用数字化技术支撑的工业2.0生产组织模式足以。工具性质的产品，如汽车，采用工业3.0的生产组织模式为合适。而直接面向人类消费的产品，如服装，或许是采用工业4.0生产组织模式的最佳场景。当然，还有众多产品，近乎属于单件生产的飞机、高端装备，到底适合采用哪一种生产组织模式，还需要我们探讨，思考。基于企业的实际需求，找到、提出或创新出，适合于企业自身特点的生产组织模式，才是永恒不变真理。

08

个性化定制

产品个性定制这个词汇，现在用得比较多，大体上有三种含义。

一种是将产品进行模块化设计，通过组合，生产不同规格的产品，向市场销售。用户在购买时进行选择。

第二种是，由最终用户在经销商处，自行选择产品组件，完成产品配置，厂家完成制造后，交付用户。

第三种是，在互联网上，使用厂商的产品配置工具，自行选择产品模块化部件，甚至可以在网上完成支付，厂家完成制造交付。现在有一个非常时髦的专有词汇来描述——C2M或C2B，这种模式在厂商内部的制造环节，与第二种模式区别不大，可以称为个性化组装，也可以称之为大规模定制。

最后一种是，工业4.0所追求的大批量个性化定制。即每一件产品一定要具有用户要求的独特的个性化特征，这种特征必须通过产品的设计来实现。而且，产品的制造成本，要接近大批量生产时的制造成本。这种定制，不借助于动态、自组织、自治的价值链，恐怕难以实现。

09

工业4.0与工业互联网、

IVI、智能制造的比较

总体上看，这些理论体系，都源于两化融合这一思路，但要解决的问题不同，目标有所差异。

GE工业互联网要解决的是，设备等工业重资产的使用效率及运行成本问题，是经过实际工程应用验证过的、此刻可以进行推广的、已经在路上的思想体系。工业4.0是要建立面向未来的、用于赢得市场竞争的、全新的产品制造价值链体系。其复杂度、困难度，无与伦比。GE工业互联网要解决的问题，与工业4.0相比，小巫见大巫。但GE工业互联网应用场景，却给出了一条明晰具体可行的技术路线。而工业4.0，还在探寻的路上。

日本的工业价值链——IVI，是要建立企业间的产品制造价值链，并将这种价值链延伸到企业内部，实现“互联工厂”，与工业4.0相比，都是将着力点放在了价值链上，但没有强调是动态、自组织、自治的价值链，所以是一种大体上利用当前的ICT技术就可以完成的思想体系。

AII工业互联网，是要基于互联网，实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接，形成全新的工业生产制造和服务体系。实际上也关注了价值链集成，与工业4.0与IVI有异曲同工之处。区别是没有明确强调，是支持大批量个性化定制生产组织模式的动态、自组织、自治的价值链， 是一种大体上现阶段就可以实施的计划。

智能制造呢？包含的内容太多，太宽广。现实是，即可以指当下，也可以指未来；即可以指企业内，也可以指企业外；即可以指设备，也可以指管理；即可以指生产，也可以指设计；即可以指制造，也可以指服务；即可以是局部，也可以是整体。不知道从什么地方下手进行比较。但有一点可以明确的是，一定属于两化融合的技术范畴。

10

后记

个人最初对工业4.0的了解，是始于13年的白皮书，读完之后，有些问题，百思不得其解，特别是对端到端工程集成的提法，认识上模模糊糊，初期认为不过是又一种披上“革命”马甲的理论体系而已。对工业4.0的更深入理解，始于应用场景。

理解了场景，从逻辑上，才想清楚了工业4.0到底要做什么，才体会到了13年白皮书中提到的工业4.0确定的8大研究主题的背后的深刻原因及必要性，体会到了工业4.0生态创新、商业模式创新、劳动力组织创新等提法的深刻含义，体会到了战略制定者对德国制造业未来的忧患意识、视野的前瞻性、历史责任感，体会到了战略制定者的务实、严谨、科学的态度，体会到了战略制定者的横跨产品制造、复杂系统管理、信息通讯等技术的渊博的学识。

更体会到了，德国人设想中的，将其国内那些隐形的冠军们，通过价值链灵活地组织起来，通过“打群架”或“集团军”的方式，赢得国际市场竞争的即深远又现实的意义。虽有瑕疵，但瑕不掩瑜。

理解了场景之后，第一感觉，德国人有点异想天开、脑洞大开，有点像看科幻片带来的那种魔幻般的感觉。依据个人多年来的实践经验，建立起企业内部与企业之间的静态价值链，都相当困难，而工业4.0却试图建立动态、自组织、自治的价值链，重塑现有的制造组织体系，想都不敢想。但如果工业4.0能够成功，毫无疑问，德国的制造业整体上，将会继续长期屹立于世界民族之林。

理智思考之后，个人认为，在没有出现颠覆性的新技术前提下（如3D打印技术），在现有的制造模式大体上保持稳定的前提下，德国人提出的工业4.0有希望成功。但要想达成，支撑大批量个性化定制产品这一生产组织模式的全价值链自组织、自治这一目标，恐怕真得需要德国人所声称的数十年，虽然其研究路线图已规划到了2035年。

工业4.0时代，还没有到来。但德国人，已经在奔向工业4.0的路上了。这条路有多长，走起来有多痛苦，是否能够走到终点，时间会给出答案，我们翘首以待。但这个努力过程，做的是前人未曾做过的事，期间的创新工作，一定会硕果累累，无论工业4.0是否最终成功，这些工作应当是也必须是国人要重点关注的重点。这些工作，在未来工业4.0时代，是必须的，但在现阶段，工业2.0到工业3.0时代，也是赢得市场竞争的利器。

让我感到十分困惑的是，在工业4.0的官方平台上，开辟了一个栏目，给出了约200个左右的工业4.0使用案例地图，工业4.0已经实现了？怎么与工业4.0平台在正式官方文件中预估，存在这么大的差距？但详细看看标题下的文字，应该是指数字技术在工业中的使用，看了几个案例英文版的简单介绍，理解的没错！看来，德国人也会碰瓷。也许，德国人的心态也开始焦虑起来了，一下搞出这么多的案例来。

再强调一下，个人理解，如果依据工业4.0官方文件，完整的意义上，工业4.0是指支持大批量个性化生产模式所需的动态、自组织、自治的全新的价值链；而不完全意义上，工业4.0至少也是指采用了工业4.0特有技术的、实现了部分工业4.0特征（应用场景）的实践。关于如何判定一个产品是否是工业4.0的，参见工业4.0官方报告《工业4.0产品需要满足那些判据？指南2019》

对工业4.0的理解，仁者见仁，智者见智。在当前对工业4.0概念理解还不够深入、不够一致的情况下，给出理解工业4.0的新视角——应用场景，是本文的目的所在。听其言，更要观其行。对工业4.0最权威、最全面的理解，一定是工业4.0平台发布的官方文件。依据二手材料，可能会有偏颇。而盲人摸象似的理解，更不可取了。

在全面完整地理解了工业4.0后，至少，不会得出“工业4.0也就是工业互联网”、“一个始于90年代的工业4.0成功实践”等等这样的自娱自乐碰瓷式的论断了。西门子的两个标杆工厂，德国安贝格工厂和成都工厂，在西门子官方文件，称之为数字化工厂，而不是工业4.0工厂，反映出西门子的严谨性。

结论很重要，但思考问题的方式方法更重要。

（编辑：天瑞地安资讯网）

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