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保障德国制造业的未来—关于实施工业4.0战略的建议 编译：工业和信息化部国际经济技术合作中心 摘要 德国制造业是世界最具竞争力的制造业之一，尤其是装备制造业在全球处于领先地位。这在很大程度上源于德国在创新性制造技术方面的研究、开发和生产，以及复杂工业过程管理的专业性。德国拥有强大的机器和设备制造业，在信息技术领域表现出很高的水平和能力，在嵌入式系统和自动化工程方面也颇有建树，这些因素共同奠定了德国在制造工程行业中的领军地位。因此，德国能以其得天独厚的优势开拓新型工业化的潜能：工业4.0。 前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。如今，将物联网及服务引入制造业正迎来第四次工业革命。不久的将来，企业能以CPS（Cyber-Physical Systems ，信息物理系统)的形式建立全球网络，整合其机器、仓储系统和生产设施。 在制造业领域，这些CPS包括能自主交换信息的智能机器、存储系统和生产设施，它们能独立运行和相互控制。这有利于从根本上改善工业过程，包括制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理。 智能工厂现在似乎已开始采用一种全新的方式来生产产品。智能产品有唯一的特征被识别，在任何时候都能被定位，我们知道它的发展历程，了解它当前状况，以及实现其目标状态的方式。从通过出口物流下订单的那一刻起，纵向与工厂和公司业务流程联网，横向连接则可实时管理衍生价值体系，这二者共同构建了嵌入式制造系统。此外，这些指令都要求启用终端间工程（模式）流经整个价值链。 工业4.0拥有巨大的潜力。智能工厂让客户个性化的定制需求得以满足，这也意味着，即使产品只生产一次，也能通过颇具收益的方式制造出来。在工业4.0中，以供应商为例，动态业务和工程流程能帮他们根据生产需要最终做出相应改变，并灵活应对生产中断和故障。 现在，制造过程中已经能够提供端到端的透明化，以促进决策优化。工业4.0将会开发出创造价值的新方法和新的商业模式。特别是，它将给初创公司和小企业的发展带来机会，下游服务也能从中受益。 此外，工业4.0将正视和解决某些当今世界面临的挑战，如资源能源利用效率、城镇化、人口结构变化等。工业4.0能持续带来覆盖整个价值网络的资源生产率和效率的增益。它能将人口结构变化和社会因素考虑在内，以适合的方式组织生产。智能辅助系统让工人从单调、程序化的工作中解放出来，能把精力集中在创新和增值业务上。 鉴于熟练工短缺的问题，工业4.0允许老工人延长职业生涯，从而长久地保持生产力。灵活的工作组织形式使工人们能够更好地整合自己的工作，私人生活和持续的职业生涯发展变得更有效率，在工作和生活之间找到了更好的平衡点。 制造工程领域的全球竞争变得愈加激烈，德国不是唯一一个认识到在制造业部署物联网及服务是大势所趋的国家。而且，并非只有亚洲的竞争对手对德国工业造成威胁，美国也在采取措施，通过推进“高端制造业”计划反对“去工业化”。 为了实现工业生产向工业4.0的转变，德国需要采取双重策略。德国装备制造业应寻求稳固在全球市场的领导地位，一如既往地把信息通信技术与其传统的高科技战略进行整合，使自己成为智能制造技术的主要供应商。与此同时，还有必要为CPS技术和产品创建新的领先市场，并为之服务。要实现上述CPS双重策略的目标，以下工业4.0的基本特征应该得到落实： （1）通过价值网络实现横向集成 （2）工程端到端数字集成横跨整个价值链 （3）垂直集成和网络化的制造系统 迈向工业4.0之路，德国要在研发上投入巨大的精力。为实施双重策略，所进行的研究得实现“制造系统的横向、纵向集成”和“工程端到端的集成”。此外，出于对工业4.0系统的要求和着眼于CPS技术的持续发展，工作场所中新的社会基础设施应该得到更多关注。 若工业4.0得以成功实现，研发活动将需要与之适应的工业政策的支持。工业4.0工作组认为，需要在以下8个关键领域采取行动： （1）标准化和参考架构: 工业4.0会涉及联网，并通过价值网络集成几家不同的公司。如果开发出一揽子共同标准，这种合作伙伴关系将成为可能。由此，需要一个参考架构来描述这些标准，并促进它们的实现。 （2）复杂系统的管理: 生产和制造系统正日益变得复杂，适当的计划和解释性模型能为管理这些复杂的系统打下基础。因此，工程师们应该备有开发出这些模型的方法和工具。 （3）一套综合的工业宽带基础设施: 毋庸置疑，高质量的综合通讯网络是工业4.0的关键要求。无论是在德国国内，还是在德国与其他伙伴国之间，宽带网络基础设施也因此需要进一步大规模拓展。 （4）安全和安保: 安全和安保对智能制造系统的成功至关重要。确保生产设施和产品本身对人或者环境不造成任何危险，这点非常重要。同时，生产设施和产品，尤其是它们所包含的数据和信息，都需要加以保护，防止被滥用和未经授权的访问 （5）工作的组织和设计: 在智能工厂，雇员的角色将发生引人注目的改变。越来越多的实时导向的控制，将改变工作内容、工作流程和工作环境。工作组织以一种社会-技术方法实现，将为员工提供承担重大责任和促进个人发展的机会。这一旦成为现实，部署合作的工作设计、终身学习的措施，以及启动参考模型课题将变得尤为重要。 （6）培训和持续的职业发展: 工业4.0将从根本上改变人们的工作和专业能力。实施适当的培训策略并以培养学习的方式组织工作因此变得尤为必要，可借此实现终身学习和基于工作地点的个人发展。为达成这一目标，示范项目和“最佳实践网络”应该推广，数字化学习技术也应投入研究。 （7）监管框架: 在工业4.0下建立新的制造流程和横向业务网络架构时，必须遵守法律；而现有法律也同样应在需要时，考虑到创新的影响进行调整。面临的挑战包括保护企业数据、责任问题、处理个人数据和贸易限制。这将不仅对立法，也对其他有商业性质的活动提出了要求——制度将作为一个涵盖面广泛的适用工具而存在，其内容包括指导方针、合同范本和公司集体协议，或者自我监管的举措如审计。 （8）资源效率: 撇开成本高不说，仅制造业在原材料和能源上的大量消耗就给环境和安全供应带来诸多风险。工业4.0将带来资源生产力和效率的提高。对企业来说，权衡“需要投资在智能工厂中的额外资源”与“带来的潜在节约”之间的利弊非常必要。 通向工业4.0，将是一个渐进的过程。为了适应制造工程的特殊需求，现有的基本技术和经验必须加以改变，还必须探索针对新地点和新市场的创新解决方案。如果成功，工业4.0将提升德国的全球竞争力，并保持其国内制造业继续发展。 一、引言 保障德国制造业的未来 德国的制造业是世界上最具竞争力的产业部门之一。这归功于德国制造业能够管理复杂的工业生产过程，不同任务由位于不同地点的合作伙伴完成。近二三十年来，德国制造业已成功地利用信息通信技术（ICT）实现对工业生产过程的管理——如今，大约90%的工业生产过程已应用ICT技术。在过去三十年甚至更早以前，IT革命使我们生活和工作的世界发生了彻底改变，其影响力可媲美分别成就前两次工业革命的机械和电力。 随着个人电脑向智能设备演变，一种新的趋势开始显现：越来越多的IT基础设施和服务通过智能网络（云计算）来提供。伴随微型化和互联网的持续发展，这一趋势宣告了人们期盼的普适计算已成为现实。 通过无线，越来越多功能强大的、自主的微型电脑（嵌入式系统）实现了与其他微型电脑和互联网的互联。这意味着物理世界和虚拟世界（网络空间）以信息-物理系统（CPS）的形式实现了融合。 新的互联网协议IPv6于2012年推出后，目前已经有足够多的IP地址可供智能设备通过互联网实现直接联网。于是，网络资源、信息、物体和人之间能实现物联网及服务互联网。这也将扩展至工业领域：在制造业中，这种技术演化可以描述为“第四阶段的工业化”或“工业4.0”。 18世纪工业化的进程，始于机械制造设备的出现。那时候，纺织机一类的机器大大改变了生产产品的方式。第一次工业革命之后，在劳动分工的基础上，20世纪的第二次工业革命实现了电力驱动的规模化生产。之后，便是从20世纪70年代初直到现在的第三次工业革命。第三次工业革命利用电子和信息技术（IT）提高了制造过程的自动化程度，机器取代了相当一大部分的“体力劳动”和一部分“脑力劳动”。 德国应充分利用其作为世界领先的制造设备供应商及在嵌入式系统领域的优势，通过利用物联网及服务互联网向制造领域扩展这一趋势，在向第四阶段工业化迈进的过程中先发制人。 工业4.0的部署不仅将增强德国的竞争地位，而且有助于应对全球挑战（如资源和能效）和国内挑战（如人口结构的变化）。 然而，在对技术创新进行考虑时，结合社会文化语境是至关重要的，因为文化和社会的变化同样也是在他们各自领域中创新的主要动力。 比如，人口结构的变化拥有改变我们社会所有关键领域的潜力，如组织学习的方式、工作的性质、健康（随着人们活的越来越长）和社区的基础设施。这又将反过来对德国生产力造成显著的影响。通过优化技术和社会创新过程的关系，我们能够为提升德国经济的竞争力和生产力做出重要贡献。 在制造业中利用物联网及服务互联网 物联网及服务互联网能够创造一个包含全部生产过程的网络，将工厂转变成为一个智能环境。信息物理生产系统由智能机器、仓储系统、生产设备组成。该生产系统是数字化的，基于ICT技术实现了端到端的整合——从运入物流到生产，再到营销、运出物流和服务（维修）。信息物理生产系统不仅使生产能够得到更加灵活的配置，也能够充分利用差异化管理和流程控制所提供的机会。 除了优化现有基于IT的流程，工业4.0还将释放对具体流程和全球范围内整体效应进行更多差异化跟踪的潜力。这些都是目前难以实现的。工业4.0还将使商业伙伴（如供应商和客户）、员工之间的关系更加紧密，并提供更多互惠互利的新机遇。 作为世界领先的制造设备供应商，德国需要发掘新形式工业化的潜力，以与其独特的地位相匹配。德国的全球市场领导者包括许多提供专业解决方案的“隐形冠军”（即小而强的公司）——德国前100名中小企业中有22家是机械和设备制造商，其中3家排名在前10位之内。许多德国机械和设备制造领域的领军人物都认为，他们的主要竞争对手是国内厂商。机械设备与汽车、化学品同为德国主要的出口产品之一。 此外，德国的机械和设备制造商都希望保持其在未来的领先地位：60%的德国机械设备制造商都相信，他们的技术竞争优势在未来五年内会得到提高，只有不到40%的制造商希望维持当前的竞争地位。 然而，机械制造领域的全球竞争正在日趋激烈。在亚洲同行日益威胁着德国制造商的同时，美国的对手也在采取措施，通过一系列方案对抗工业退化，大力推进“先进制造业”。 此外，制造业也在变得更加具有活力、也更加复杂。比如，激光烧结技术的进步意味着目前在几小时内已经能够“打印”出高质量的、复杂的3D结构。这引起了全新商业模型和服务的产生，终端消费者变得更为密切相关——消费者能够创造自己的设计，之后发送电子邮件到一家“复印店”，他们也可以让一些物品被扫描和“复印”。 根据工业-科学研究联盟的倡议，工业4.0平台的参与者制定了其工作目标——实施政府确保德国工业竞争力的战略举措。 1、工业4.0拥有巨大的潜力： （1）满足用户的个性化需求 工业4.0能够在设计、配置、排序、规划、制造和运行等阶段中纳入个性化的、用户特定的标准，并能够合并最后的修改。通过工业4.0，即使生产一次性项目和极小的生产量（批量大小为一）也可以实现获利。 （2）灵活性 基于CPS的特别网络，使业务流程的不同方面（如质量、时间、任务、稳健性、价格和生态友好性）实现动态配置。这有助于材料和供应链的持续“调整”。这也意味着工程流程能够变得更加灵活，制造流程可以被改变，暂时性短缺（比如由于供应问题）能够被弥补，并且在短时间内实现产量的大幅提高。 （3）优化决策 为了在全球市场获得成功，采取正确的决策（往往在没有事先通知的情况下）变得越来越重要。工业4.0能够提供实时的、端到端的透明度，使工程领域的设计决策得到提早验证，并且能够对损坏做出更加灵活的反应，同时对生产领域中一家公司的所有工厂进行全局优化。 （4）资源生产率和效率 工业生产流程的首要战略目标仍然适用于工业4.0：用定量的资源实现最高的产量（资源生产率）和用最少的资源实现特定的产量（资源效率）。CPS使制造流程在个案基础上实现整个价值网络的优化。此外，无需停止生产，系统能够在生产期间对资源和能源消耗进行持续优化，减少其排放量。 （5）通过新服务创造价值机遇 工业4.0为价值创造提供了新途径，也促成了就业的新形式。比如，智能算法能通过智能设备用于大量的不同数据（即大数据），从而产生新型的服务。这对于为工业4.0开发B2B服务的中小企业和初创型企业而言，是个巨大的机遇。 （6）应对劳动力的人口结构变化 连同工作组织和能力发展计划，人类和技术系统的交互合作将为企业提供将人口结构变化转变为其优势的新途径。面对技术劳动力的短缺和日益多元化（年龄、性别、文化背景），工业4.0将促成多样的、灵活的职业道路，使人们能够持续工作，并在更长的一段时间内保持生产力。 （7）生活和工作的平衡 应用CPS将使公司的工作组织形式变得更加灵活，这意味着公司能够更好的满足员工对于平衡工作和个人生活、个人发展和持续职业发展的需求。比如，智能辅助系统提供了一个灵活性的新标准，在满足公司要求的同时也能够满足员工的个人需求，从而为工作的组织提供了新机遇。随着劳动力规模的下降，该系统将在招募最佳员工的时候使CPS公司获得更多优势。 （8）高工资经济仍拥有竞争力 工业4.0的双重策略将使德国增强其作为领先供应商的地位，并使其成为工业4.0解决方案的领先市场。 然而，工业4.0对于相关行业而言，并不会构成一个专业的技术或IT相关的挑战。不断变化的技术将引起深远的、广泛的影响，为开发新的业务和企业模型、促进更大规模的就业提供新的机会。 在二十世纪80年代，德国通过将可编程序控制器（PLS）整合到制造技术，实现了更加灵活的自动制造，同时通过一种基于社会伙伴关系的措施对劳动力的影响进行管理，从而成功地实施了第三次工业革命（工业3.0）。德国雄厚的工业基础、成功的软件工业和语义技术领域的专业技能，都意味着德国处于实施工业4.0的极其有利地位。当前的障碍是可以克服的，比如技术接受问题、劳动力市场中技术工人的短缺问题等。 然而，只有所有利益相关者密切合作起来，释放物联网及服务互联网对于制造业的潜力，才能确保德国工业的未来。 自2006年以来，德国政府就一直通过高技术战略推动物联网和服务互联网。目前已经成功推出一些技术项目。工业-科学研究联盟目前在跨行业的层面上，推动工业4.0项目的进展。该项目实施的下一步是工业4.0平台的建立。 该平台的秘书处由专业协会德国信息技术、电信和新媒体协会（BITCOM）、德国机械设备制造商联合会（VDMA）和德国电子电气制造商协会（ZVEI）组成。下一步任务将是为关键主题确定研发路线图。 保障德国制造业的未来——这是工业4.0平台所有参与者为他们自己设定的目标。该平台邀请所有利益相关者继续探索工业4.0提供的机遇，这样我们可以一起推动并确保其革命愿景的成功实现。 2、愿景：工业4.0作为智能、互联世界的一部分 在一个“智能互联的世界”中，物联网和服务互联网的影响将遍布各个关键领域。这一转变将导致能源供应领域中智能电网、可持续的移动策略（智能移动、智能物流）和医疗保健领域中智能医疗的出现。在制造领域中，端到端工程的垂直网络、以及囊括越来越多智能产品和系统的整个价值链的平行整合，将引领我们进入工业化的第四阶段——“工业4.0”。 工业4.0以创造智能产品、程序和流程为重点。智能工厂也是工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够胜任管理的复杂度，对损坏具有更强的承受力，且生产效率更高。在智能工厂中，人类、机器和资源能够实现互相通信，就像社交网络中一样自然。智能产品“知道”他们如何被制造出来的细节，也知道他们的用途。他们将主动地对制造流程提供支持，回答诸如“我什么时候被制造的？”、“对我进行处理应该使用哪种参数？”、“我应该被传送到何处”等问题。它的界面与智能移动、智能物流和智能电网一起，将使智能工厂成为未来智能基础设施的关键组成部分。这将引起传统价值链的转变，以及新型业务模式的出现。 因此，工业4.0在孤立中是无法实现的，它应该被视为一系列需要采取行动的关键领域。因此，工业4.0应该通过一种跨学科的方式且通过与其他关键领域的紧密合作来实现。 2.1 塑造工业4.0的愿景 实现工业4.0所需要的思维模式转移是一项长期的项目。纵观这一流程，确保现有制造体系价值得到保持是十分重要的。有必要提出从早期阶段（详见第3章和5.4节）便能体现优势的迁移策略。然而，在一些个别部门，创新造成的产量差距可能还会扩大。 德国工业的生存和发展，需要在第四次工业革命中发挥积极作用，也有必要借鉴以下德国工业和研究的传统优势： （1）机械和工厂制造业的市场领导者 （2）全球强势IT产业集群 （3）嵌入式系统和自动化工程领域的创新先锋 （4）具备高技能和充满干劲的劳动力 （5）供应商和用户之间较密切的合作 （6）优秀的研究和培训设施 实施德国工业4.0战略的目的是依靠德国劳动力的技能、表现和专长进行系统创新，通过利用现有的技术和经济潜力，打造最佳经济体。德国工业4.0战略将主要关注以下方面： （1）通过价值网络实现横向一体化 （2）整个价值链工程的端对端数字一体化 （3）垂直一体化及网络化制造系统 以上内容在第3章中有更为详尽的阐述。 2.2 实施工业4.0战略的德国未来如何？ 德国工业4.0战略将更具灵活性，也更强劲，在工程、规划、制造、运营和物流流程中实施最高标准。这将催生动态的、实时优化、自我组织的价值链，并可通过一系列标准（如成本、可用性和资源消耗）进行优化.这一价值链还需要适当的监管框架、标准化接口和统一的业务流程。 以下是德国工业4.0战略的愿景： （1）它的最大特点是制造业中所有参与者及资源的高度社会技术互动。互动主要围绕制造资源网络（制造机械、机器人、输送机和仓储系统及生产设施）进行，这些网络独立自主，在不同情况下能自我管理，自我配置，还装备了传感器，分散安装，并融入了相关规划及管理系统。作为这一愿景的关键组成部分，智能工厂将被纳入公司内部价值网络，它的特点是包括制造过程和制造产品的端对端工程，实现数字和物理世界的无缝衔接。智能工厂将使不断复杂的制造流程便于管理，并能同时确保生产过程的吸引力、生产效益以及工厂在市区环境的可持续性发展。 （2）德国工业4.0战略中的智能产品可明确识别，并有可能随处可见。即使还在生产环节，其自身制造流程的所有细节均可被控。这意味着，在某些领域，智能产品可以控制各生产阶段，进行半自主生产。此外，这还能确保成品了解自身发挥最优性能的参数，并辨别生命周期中发生磨损和毁坏的标记。这些数据可集合使用，以便优化智能工厂的物流、布局、维护以及与业务管理应用程序的整合。 （3）德国工业4.0战略实施后，将有可能把个人客户和产品的独特特性融入到设计、配置、订购、计划、生产、运营和回收阶段。它甚至可以在制造和运营之前最后一分钟或进行中提出改变的请求，这将使生产一件定制产品和小批量产品也能产生利润。 （4）德国工业4.0战略的实施，将使员工能根据具体情况进行控制、监管和配置智能制造资源网络和制造步骤。员工再也无需完成例行任务，他们可以更多地关注创新和具有附加值的活动。因此，他们在确保产品质量方面将起到关键作用。同时，灵活的工作条件也将他们的工作和个人需求更好地结合起来。 （5）德国工业4.0战略的实施，需要进一步扩展相关的网络基础设施，并通过服务水平协议进一步规范网络服务质量。这将有望满足大流量数据应用程序和服务供应商的高带宽需求，以保证关键应用程序的运行时间。 2.3 新的商业机会和模式 德国工业4.0战略将催生更好满足个人、“最后一分钟”用户要求的新业务和合作模式。这些模式也将让中小企业有条件使用服务和软件系统，而这些服务和软件系统是他们在现行许可和商业模式下无法负担的。新的商业模式将提供很多问题的解决方案，如需考虑到客户和竞争对手情况的动态定价，并努力确保在价值链中的所有利益相关者均分利润。更多的监管要求，如减少二氧化碳排放（详见5.8节），应纳入到这些商业模式中，使商业网络中所有合作伙伴能同时满足这些要求。 德国工业4.0战略使用案例情境（如有关“联网制造”，“自组织自适应物流”和“以客户为中心的工程”）需要商业模式的实施主体是一个高度动态的商业网络而不是一家单一的公司。这将引发有关融资、开发、可靠性、风险、责任、知识产权及专业保护等一系列问题。就组织网络及服务差异化而言，确保商业网络中各方的责任将至关重要，需签署具有约束力的文件。 商业模式的实时详细监测，也将在记录处理步骤和系统状态上发挥重要作用，以显示其合约性。业务流程的各个步骤在任何时候都将被跟踪，并提供相应的证据（详见5.7节）。为确保有效提供个人服务，有必要精准地测算相关服务的生命周期，确保承诺的实现以及加入该商业网络的新合作方（特别是中小企业）的许可模式和条件。 鉴于上述情况，德国工业4.0战略极有可能产生意想不到的全球影响，创造极富动态的环境。新技术的破坏性本质，以及它们对法律问题的影响（例如，敏感的企业数据、负债、数据保护、贸易限制、密码使用等）可能对现行立法的执行构成威胁。创新周期的缩短，要求监管框架的不断更新，也会造成执法上的不断失误。因此，有必要采取一种新方法，在技术开发之前或过程中就对技术与法规的兼容性进行测试（详见5.7节）。德国工业4.0战略成功的另一因素是安全问题（详见5.4节）。这一问题也需要一项更加积极主动的措施。此外，安全设计不单纯局限于功能组件这一理念非常重要。 2.4 工作场所的新型社会基础设施 德国工业4.0战略将为正处于人口变化的德国带来众多创新。德国人口的老龄化程度在全球排名第二，仅次于日本，许多德国制造公司劳动力的平均年龄在四十多岁。年轻员工的数量在不断减少，已经出现熟练劳动力和学徒工短缺的现象。为了确保人口的变化不以牺牲当前生活水平为代价，德国应更好地利用现有劳动力，同时保持和提升劳动力生产效率。增加就业人口中的老年人和妇女比例尤其重要。 最新研究表明，个人生产力不在于一个人的年龄，而和他们在一个岗位上所呆的时间长短，他们的工作组织方式和他们的工作环境有关。如果在延长工作时间的过程中要保持和提高生产率，就有必要协调和改造工作场所的方方面面，包括健康管理和工作组织，终身学习和职业路径模式，团队结构和知识管理。这一挑战不仅需要企业的努力，还特别需要教育系统的努力。 因此，决定德国未来竞争力的，不仅包括新技术、商业和法律因素，还有工业4.0工作场所中的新社会基础设施，这些基础设施能让工人更广泛地参与到创新过程中。 此外，工业4.0战略所带来的人类技术和人类环境互动的范式也将发挥重要作用，因为新形式的协作工厂让虚拟工作和移动工作场所成为现实。多模式、用户友好界面的智能辅助系统将协助员工的工作。 除了全面的培训和进修，工作的组织和设计模型将成为受劳动者欢迎的成功转型的关键。这些模型应与高度自我调节的自主领导和管理方法相结合，员工应该有更大的决策自由，更加积极地参与和调节自己的工作量。 在进一步认识到创新过程中人类活动重要性的基础上，工业4.0战略中的社会技术方法将为亟需创新提供新的发展潜力。 2.5 新型的以服务为基础的实时CPS平台 德国工业4.0战略将催生新型CPS平台，旨在支持协作工业流程和智能工厂以及智能产品生命周期相关的业务网络。这些平台所提供的服务和应用程序将把人、物和系统相连接，并具有以下特点： （1）服务和应用业务流程的快速和简单带来灵活性，包括CPS软件 （2）参照应用商店模式对业务流程的简单分配和部署 （3）对整个业务流程提供全面、安全、可靠的支持 （4）从传感器到用户界面，100%的安全可靠 （5）支持移动终端设备 （6）支持业务网络中的协同制造、服务、分析和预测流程 在业务网络中，共享CPS平台特别需要服务和应用业务流程的IT开发工作，因为这是工业业务流程中CPS、应用、服务水平和垂直一体化具体要求的体现（见5.1节）。对德国工业4.0战略来说， “业务流程”一词的定义比在网络服务中更宽泛。 它应明确包括公司间协作流程和业务网络中共享服务和应用的建立。安全、保密、可靠性、使用、操作者模式趋同、实时分析和预测等问题都需进行审查，不仅为了业务流程，也为后续高效、可靠、安全地操作协同制造和服务流程，以及CPS平台上动态业务流程的执行。这还包括应对大量不同数据源和终端设备所带来的挑战。 上述要求当前只在普通云计算基础设施得到一个基本的满足。IT、软件及服务提供商和用户所形成的公司间CPS平台将需要一个德国工业4.0战略架构，能考虑到ICT和制造业等不同方面（见5.1节）。为这些CPS平台开发新的应用和服务将需要模型化的方式，以管理日益功能化、个性化、动态化和合作化所带来的复杂性（见5.2节）。一个安全高效且高带宽的网络基础设施将成为安全数据交换的必要保障（见5.3节）。 2.6 德国工业4.0战略实现之路 德国工业4.0战略愿景的实施，将是一个不断演进的过程，不同公司和行业演进的速度各不相同。今年初，BITKOM、VDMA和ZVEI开展的关于“德国工业4.0战略前景”的调查再次证实了德国工业竞争力的重要性，以及对更全面和有针对性信息的需求。在调查中，47％的公司表示它们已经积极参与到工业4.0战略中；18％的公司表示它们正参与德国工业4.0战略的研究工作；而12％的公司声称它们已把该战略付诸实践。 实施工业4.0战略愿景中碰到的三大挑战，分别是标准化、工作组织和产品可用性。 除了积极参与工作组，参与调查公司所提出的扶持措施还包括举办有针对性的研讨会，他们可以在研讨会上分享经验和获得信息。 专业协会将在确保顺畅沟通，与社会合作方、学术圈和公众的紧密联系方面发挥重要作用。约50％的受访企业表示，他们已经从专业协会收到有关工业4.0战略的相关信息。 此外，工作组认为以下措施有助于企业平稳向工业4.0转型： （1）实时CPS解决方案的实施，将在空间、技术质量和可靠性方面对服务可用性和网络基础设施提出很高要求。为了确保德国的国际竞争力，应呼吁出台服务规范和商业模式的国际标准（见5.1和5.3节）。 （2）目前，制造业的业务流程往往是静态的，并仅通过极不灵活的软件系统实施。不过，不能在一夜之间将它们替换成服务型系统。在旧系统上融入新技术（反之亦然）非常重要，旧系统需要通过实时功能系统进行更新。 （3）在物联网和服务化的背景下，制造业新商业模式的发展速度将接近互联网本身的发展速度和活力。 （4）员工将参与到工作组织、CPD（Continuing Professional Development）和技术开发的创新性社会技术设计的早期阶段工作中（见5.5节）。 （5）为了成功过渡到工业4.0，ICT产业（习惯上认为创新周期短）应和机械、设备制造商以及机电系统供应商（倾向于认为创新周期较长）密切配合，以开发出所有合作伙伴都能接受的商业模式。 应用例子1：在车辆组装流水线不开工时减少其能源消耗 目前，机械对于能源效率的要求很高。能够达到这个要求的一个促成因素是在生产间歇期间把不工作的部分断电。工业4.0通过将生产设备的计划和操作更系统地整合来实现这个功能。 现在： 目前，许多生产线在其他部分没有生产任务时，如生产间歇期间，或在周末持续运转，消耗大量能量。例如：一条使用激光焊接技术的车辆组装线的全部能源消耗的12%都是在生产间歇期间消耗的。生产线一周运转5天，轮3次岗。虽然这个复杂的机器在周末不工作，但是它还是保持电源的开启状态以便在周末结束后能够立即投入生产。 在生产间歇期间，90%的电力消耗中：遥控装置（占20%到30%），抽烟机（占35%到100%），激光器及其冷却系统（占0到50%）。 在未来，遥控装置（robots）在生产的间歇期间将被断电。在生产的较长的间歇期间，遥控装置将进入一种叫做Wake-On-LAN的待命模式。抽烟机将使用可以按照需求进行调节速度的发电机，而不再使用不能够按照需求进行调节的发电机。对于激光器 (laser sources)来说，只有使用全新的系统才是唯一的提升途径。 未来： 总的来说，这些措施能够减少12%的总的能源消耗（大约从45000kWh/w降到40000kWh/w），并且在生产的间歇期间能够减少90%的能源消耗。在设计物理网络系统的初级阶段就应该把能源效率这一因素考虑进去。 3. 双重战略：成为领先的市场和供应商 第四次工业变革对于德国制造业意义重大。CPS能够提高国内生产效率，它在工厂的逐渐部署将加强德国制造业。与此同时，物理网络系统技术的发展将为出口技术和产品提供无限机会。工业4.0的执行，应该致力于通过采用双重战略来释放市场潜力，这个双重战略包括在制造业中部署物理网络系统，另外一个是物理网络系统的营销，以便加强德国制造设备产业。 3.1 领先的供应商战略 领先的供应商应从设备供应产业的视角，强调工业4.0的潜力。德国设备供应商提供制造业与世界领先的技术解决方案，所以在工业4.0产品的开发、生产和国际营销方面处于有利地位。 问题的关键是如何选出一个明智的方法，将领先的技术解决方案同信息技术提供的新潜力融合在一起，以便实现创新的巨大突破。就是这种信息通信技术和传统的高技术战略的系统融合，才使得市场迅速变化、使得管理越来越复杂的全球市场变为可能，企业才能够为自己在其中开拓新的市场机遇。 现有的基础电子信息技术需要被改进，以满足制造业的特殊需求，并且在继续开发的过程中还要时刻注意这一点。为了得到规模经济和效用，需要加强制造技术和信息技术，依靠物理网络系统作为向工业4.0迈进的部分战略。与此同时，有必要开发模型和战略，以便进行新址设计和执行物理网络系统制造框架。 如果德国希望保持工业4.0 设备供应商的领先地位，应将研究、技术和培训应作为优先领域，在自动化工程模拟和系统优化领域开发方法和实验性的应用（见5.2节）。 另外一个主要挑战，就是使用技术来创造新价值网络。这涉及到开发新的商业模型，特别是连接商品和服务的商业模型。 3.2 领先的市场战略 率先实施工业4.0战略的领域是德国国内制造产业。为了塑造并且成功拓展这个领先的市场，要求在不同厂址的商务间的紧密联系，并且需要不同企业间的密切合作。这将进一步要求符合逻辑的、不同价值创造阶段、生命周期产品、产品范围和相应制造系统的点对点的数字化整合。 一个特殊的挑战将是把现存的大规模任务和通常在区域层面的中小企业同步整合在新的价值网络中。由于包括一大批中小企业和一小部分大型企业的平衡的产业结构，使得德国的制造业力量强大。但是许多中小企业还没有准备好应对工业4.0带来的结构变化，究其原因，或许是因为它们缺乏必须的专业性人才，或许是因为对它们还不熟悉的技术战略持有怀疑态度。 使中小企业融入到全球价值网络的一个关键的战略是设计并且执行一个全面的知识和技术转移倡议。例如：大型工业网络的实验性应用和最佳实践，中小企业可以帮助价值链网络可视化增强，并且说服中小企业采用方法和组织工具，以及领先供应商的技术。这样做可以消除障碍，使中小企业了解物理网络系统，并在它们自己的业务中应用物理网络系统。 为实现这一点，加速技术基础设施的开发和使用非常关键，包括高速宽带数字传输（见5.3节）。同时，培养和训练技术工人也变得非常重要（见5.6节），并且同步为复杂工作开发客户化的和高效的组织设计（见5.5节）。 3.3 双重战略以及其主要特征 传递工业4.0 目标的最优方法只能通过领先的供应商战略和领先的市场战略的相互协调，以便确保它们潜在的效益互补。今后，这一方法将被称作“双重战略”。这个战略包括三个主要特征（见2.1节）： （1）通过横向整合，开发不同公司间的价值链和网络 （2）横跨整个价值链的产品和相关制造系统的数字化端对端工程 （3）灵活和可重构的制造系统的开发、执行和垂直化整合 这些特征是制造商在面对变幻莫测的市场能够取得稳固地位的重要因素，同时使它们的价值创造活动适应变化的市场需求。双重物理网络系统战略中提到的特征将允许制造企业在高度动态的市场中达到快速的、准时的、无故障的生产。 3.3.1通过价值网络进行横向整合 模型、设计以及通过价值网络的横向整合应该可以回答下面的问题：物理网络系统如何支持企业的商务战略、新价值网络以及新商业模式？ 这个问题同样适用于研究、开发和应用领域（图6）。除了“商业模型”、“不同企业间的合作形式”，还有一些话题值得研究，比如“可持续性”、“技能保护”、“标准战略”，以及“中到长期训练和员工发展倡议”。 3.3.2横跨整个价值链的端对端工程 下面的关键问题是关于通过工程过程实现端对端数字整合，以达到产品整个价值链数字世界和真实世界的整合，同时满足客户的需求：物理网络系统如何实现端对端的包括工程工作流的商业过程？ 对于这一点，建模在管理越来越复杂的技术系统中起到了关键的作用（见5.2节）。应该部署适当的信息技术系统，以便为整个价值链提供端对端的支持，从产品开发到制造系统工程、生产和服务。需要一个涵盖不同技术领域的整体的工程方法系统。为了实现这个目标，工程师们需要接受适当的培训。 3.3.3垂直整合与网络制造系统 就垂直整合来说，需要回答下面的问题：物理网络系统如何创造灵活和可重构的制造系统？ 垂直整合的地点是工厂。在明天的智能工厂，制造结构将不是固定的和事先定义好的。相反，一系列信息技术组合规则将被定义，这些信息技术组合规则可以被应用到不同的案例中，为不同情况自动形成特定的结构，包括模型、数据、通信和算法。 为了完成垂直化整合，确保调节器和传感器信号在ERP不同层面的端对端的数字化整合非常重要。开发模块化以及重新使用战略来完成点对点网络和制造系统重构，以及恰当的智能系统描述也很重要。不仅如此，领班和操作者需要接受培训以便了解操作制造系统的方法所产生的影响。 应用例子2：整个价值链的端对端系统工程 现在的价值链（从客户需求到产品设计和生产）已经存在多年并相对稳固，IT支持系统通过一系列接口或者界面进行信息交换，但只能对特定案例使用这些信息。所以，客户不能自由地选择他们产品的所有功能和特征，即使理论上可行。例如，要为一辆旅行车选择后挡风玻璃的雨刷，但却不能从该公司为一辆豪华轿车选择雨刷。不仅如此，IT系统的维护成本现在也非常高。 未来：物理网络系统支持的基于模型的开发可以实现端对端的数字化的部署，涵盖了客户对于产品设计和最终产品制造需求的每一个方面。这使得各个相互依赖的方面都可以被确认，并且可以在端对端的工程工具链中描述。制造系统是基于相同的范式被开发，这意味着它总是能够跟上产品开发的角度。所以，这使制造单个产品成为可能。 可以保留现在已经安装的设备，在此基础上把这个工具链分几个阶段逐渐地融入其中。 4. 研究要求 尽管《工业4.0战略》的大部分内容将由产业自身去执行；但还是需要进一步研究。《工业4.0战略》工作小组于2012年10月阐明并出版了主要的中、长期研究要求与行动纲领。在接下来的章节，我们将对这份研究要求和行动纲领进行概述。 《工业4.0战略》的主要目标就是在主要供应商和主要市场战略间进行协调的基础上实行“双重战略”（见第3章）。实行本战略的基础应是建立在研究行为上的。《工业4.0战略》希望那些革命性的应用应是结合ICT与制造业和自动化技术的结果。 为了实现这个目标，需要将现有的CPS内容嵌入制造业系统的中期部署计划中。这就要求机器或加工厂商利用自身优势，拥有与ICT产业和汽车产业为新的CPS创建有目标的、具有创造性发展过程的能力。网络连接的新级别则要求达到产品模型终端到终端的整合能力，生产资源和生产系统需要在更长的时期内进行大量的研究和发展工作。 深入研究的首要任务是将研究重点转向完全可描述、可管理、与前后相关的、可控或可自我调控的专业化生产系统的探索和开发。 从长期上看，这些功能性CPS的组成部分将来自于跨领域、模块化套件。这应该也有大大加强计划中和实际生产过程整合的可能性。从长期上看，对于研究者来说，将开发模块CPS或相应配件目录作为任何模型智能工厂的主要目标是非常有必要的。 只有现有基础科技以应用方式并为了迎合某种制造环境中的特殊需求而被开发时，我们才能在创新上取得重大突破。最终方法、途径和最佳应用案例需要在不同等级的价值网络中进行渗透；这完全是为了知识和技术在不同的领域之间进行流通。出于这个原因，实施双重战略的产业部门（见第3章）已经对5个研究主题中的3个具有很深的了解： （1）通过价值网络实现水平整合 （2）遍布整个价值链的终端对终端工程 （3）垂直整合和专业化生产系统联网 从长期上看，这项由技术驱动、并在生产制造系统应用中心的研究项目将导致跨公司或跨部门间的合作增多。这种合作方式将充当主要为中小型机械与加工企业推动战略的角色。这就要求产业对市场要求作出更敏捷的反应，并将自身打造成新产品、服务和商业模式这些广阔领域中领先供应商。 然而，多重领域协作并不单纯源于工程师和汽车工程师间更亲密的合作。第四次工业革命在未来工业就业领域中造成的最显著的影响就是：某些问题必须同时经理论和实际层面才能得到解决。这就为我们带来了第四项研究要求： （4）工作场所中的新社会基础构架 社会责任所带来的益处，将有必要加强雇员参与，并强化其所作出的承诺。这是考虑到，即使在流程化工作环境中，也要利用雇员的技术和经验。CPS需要新的工作组织构架覆盖整个价值网络，出于激发雇员生产力的考虑，也是出于能够提供支撑个人终身发展的组织化架构的考虑。 跨领域解决方案应该能适用于这些事件，将专家从由工程师、IT专家、心理学家、生物工程学者、社会和职业科学家、医生和设计师所组成的团队中抽调出来。 上述基本观点表明，应用方法和基础科学技术能促成生产制造业和自动化工程业之间的合作；这在现今社会中，在很多领域中还是无法实现的一点。 为了确保这些应用方法和基础科学技术能适用于应用了不同IT系统、科技来源和能力的企业和产业中，基础ICT技术应符合自动化工程的要求。获得成功的另一个关键因素则是实用参考构架的建立。 除去其他因素，实用参考架构的建立也与ICT平台的需求有关，详情请参见第2章。这些基础架构需要进行标准化。这样才能使它们适用于不同类型的企业和技术架构；这也是出于通过创建配套的网络服务来推动共享商业网络中更多元化的创新。 《工业战略4.0》对研究和行动纲领的最终要求： （5）互联网-物理系统技术 在本章节，我们将描述整合后的研究要求——我们将其分为五个研究领域。《工业战略4.0》工作小组从各商业和研究机构处获取、并建立在通讯推动小组所提建议的基础上的反馈信息，来源于工业-科学研究联盟于2011年1月和9月提交的两份报告。我们依然乐于结合《整合的研究日程互联网-物理化系统》（由BMBF赞助）以及《服务互联网的经济潜力》（BMWi研究之一）研究成果来执行这些建议。 因此，这些建议应该被理解为汽车和制造工程业启用基本ICT技术的要求的一种需要，包括在这个领域中为解决一般研究要求而做出的持续努力。 这些建议也应被看作是为执行前文所描述的“工业化工程”的特殊应用，而所作的行动纲领的具体描述，为给相关资金项目提供意见和指南，《工业战略4.0》工作小组已经进一步为我们指明了中长期重要行动和研究要求。 5. 首要行动领域 《工业战略4.0》内容复杂，包含了很多有重叠部分的领域。2012年10月，《工业战略4.0》工作小组发表了一份全面的中、长期研究建议集锦。本文下一节将聚焦在工作小组认为需要明确产业政策和商业决策的重点研究领域。研究这些重点领域的目的就是希望研究建议可以被顺利采用。《工业战略4.0》平台是为明确战略实施流程而被建立的。 5.1 标准化和为参考结构而开放标准 如果《工业战略4.0》能通过价值网络（参见第三章）推动跨企业协作和整合的话，那么我们就需要开发出一种相宜的标准。“标准化”这部分工作应聚焦在制定合作机制，和确定哪些是可被交换的信息上。完整的技术性描述和这些条例的实施方案就被我们称为“参考结构”。 因此，“参考结构”就是适用于所有合作企业的产品和服务的，最常规的解决方案。“参考结构”为架构、部署、整合和执行《工业战略4.0》相关的技术系统提供了工作框架。“参考结构”也被应用于软件服务和软件应用框架中。 但是《工业战略4.0》中的价值网是由众多商业模式迥异的企业所组成的，“参考结构”所扮演的角色则是将这些不同的解决方案平凑成一个单一、且适用广的解决方案。这需要合作伙伴同意基本架构原则、界面和数据。 生产制造系统的案例为我们提供了很多需要整合到“参考结构”的观点： （1）考虑到加工和运输功能，生产制造流程的观点； （2）在生产制造系统中特殊联网设备的观点，比如（智能）自动化设备、现场设备、现场网络、可编程逻辑控制器、流程设备、移动设备服务器、工作站、网络接入设备等； （3）生产制造环境中软件应用的观点，比如通过传感器获取数据、时序控器、连续控制器、连锁、运行数据、机器数据、处理数据、存档、趋势分析、计划和优化功能等； （4）软件应用的观点，比如企业计划和管理、跨企业物流或支持价值网络，包括与生产制造环境相关的界面和整合； （5）生产制造系统中的工程学观点（产品生命周期管理/PLM）。举例来说，也许能使用数据推断出从生产制造过程到计划资源的必要量（同时考虑到机械和人力资源）。随后，它将有可能成功地从机器的机械性、电气性以及自动化技术性，以及直到专业化生产系统设立及上线来优化这些机器，同时也将运行和维护纳入考虑范围。 挑战 第一项挑战就是将看待以下问题的不同方式放在一起： （1）生产工艺学、机械工程学、工艺过程 （2）自动化工程 （3）IT以及网络 并找到一个通用解决方案。但是，《工业战略4.0》要求机械领域、加工制造领域、自动化工程领域和软件领域的企业们进行协作；因此第一步就是要在这些企业间统一术语。 尽管某些已定的标准已经在多种技术学科、专业协会和工作组织中广泛使用，但是这些标准的统一注解却还是个缺口。因此，很有必要将现存标准（比如，自动化领域、工业通讯、工程学、建模、IT安全、 设备整合、数字工厂）纳入新的全球性参考标准中。 “参考结构”不能以“从上至下”的方式制定；因为“参考结构”需要整合多种不同观点，而使用“从上至下”的方式在任何情况下都需要花费很长的时间。我们得知制定“参考结构”需要从多个起始点开始。对于战略来说，最重要的就是根据当地具体情况、以独立项目的方式执行；并且在执行过程中，使其逐渐符合国际标准。 因此，我们非常有必要确认该界面在未来数年中维持稳定的状态，并且维护安装基础上的价值。在网络上，制定标准化的方式要基于多个现有机械、加工制造行业的案例，比如： （1）开放式操作系统：以Linux为例。Linux是由商业机构、研究机构和个人组成的社区平台；超过来自100个国家的2000名开发者在开发和维护这个全球最成功的操作系统。 （2）开放式开发工具：超过1500名开发者与数百万名用户共同为建模应用而开发软件。 （3）开放式交流基础设施：“要求评论”是通过“网络社会”出版的技术性和组织性文件，最早的原文件出版于1969年4月7日。这些文件被广泛接受和使用，并被纳入非官方标准。著名的例子则包括IT协议（TCP/IP）和E-mail协议（SMTP）。 这些案例大大推动了标准化工作的进程与速度。 最后，在“参考结构”之中建立起信任机制，也是非常重要的。这与如何维护“信任”（见5.7节）有着非常密切的关系。这也是在确保“参考结构”中所有潜在用户在设计早期就完全接受它们的设计。 建议行动纲领 《工业战略4.0》工业小组建议在《工业战略4.0》平台的基础上创建工作小组，以此获得独家解决标准化和“参考结构”的问题。此工作小组将有以下几个任务： （1）达成对目标、利益、潜能和风险、制度构想和战略实施的共识，并为了联合履行机制而在双方间树立信心。专业协会应担负起树立信心的这个任务。 （2）将专业术语和《工业战略4.0》所用术语结合起来。并且，需要对《工业战略4.0》以下几个领域特别注意： - 模式共性（指核心模式、参考模式、结构设计）
- 《工业战略4.0》服务架构标准
- 超自动化（supra-automation）级别程序上和功能上描述的标准
- 术语标准和知识的使用
- 对自主和自我组织系统的认知，包括其策划、运行和安保
- 特色维护和系统结构描述
- 转移现有架构方法
（3）由下至上地图的产品勾画了现有标准化实体。现在，创建“自动化参考结构”的方法和案例将会在地图上显示。这可能为考虑到进一步发展和转移《工业战略4.0》的内容而评估不同的概念，并且为发现现在未包含在体系内的概念体系而服务。 （4）开始处理“由上至下地图”中包含的产品，将“成本效益”和时间限制列入考量范围。为在标准化和个体化之间寻求到完美平衡，我们应从全盘着眼。结构应向大众开放并透明，所有受益者应该参与到开发和使用标准中。执照模式也应该得到解决。 （5）与从多个不同企业的会员共同开发《工业战略4.0》。这些企业自认对“参考结构”的技术性执行负有责任，并有能力长期展示与维护这个“参考结构”。这就要求制定一个稳定的执照模式，并选择一个适当的社区进程。 （6）工作小组的其他任务则包括调节、建议、评估和促进。 工作小组也负责对旗舰项目的创立提供建议，并以此成功开发和部署“参考结构”。图11为我们展示了通过价值网络进行水平整合的、具有可能性的“参考结构”的案例。 关于“参考结构”的其他话题，包括产品的终端对终端工程及其辅助制造系统或对管理进行实时通讯，以及对高度动态工业生产流程的控制。 5.2 对复杂系统的管理 随着产品功能的扩展、客户需求的增加，在一件产品中融入了越来越多的技术规则，企业间的合作方式也在不断转变，产品生产制造系统也变得日益复杂。模型的不断改革从另一方面促成了制造系统的升级，它的出现为我们了解真实的产品提供了模拟实验的平台，以便了解产品可能存在的问题。由此，模型的应用也将成为工业4.0的核心内容。 涉及的模型分为两类，它们存在着明显的差别，具体内容如下： （1）规划模型能够保证由工程师生成的开创型增值服务的透明度，因此规划模型一般用于构建较为复杂的系统。一个规划模型的例子就是，工程师用于解释他是如何应用合适的函数来满足系统需要的一张图表。正如此例，模型包含了工程师的专业知识。 （2）解释模型的存在则是通过建模对现有系统进行说明，典型方法包括不同的分析过程（如：模拟，通过这一方式，可以计算出工厂的能耗）。解释模型通常被用于验证工程师在设计时做出的选择是否正确。 现在，工业领域中由设计模型带来的数字世界对于真实世界的影响是巨大的；同时，真实世界也会影响模型在数字世界中的应用（通过解释模型得到这一观点）。 模型中一般都含有形式描述数据以便实施计算机处理，即由计算机负责对程序工程任务的处理（如：运算或重复性程序）。使原来的人工程序自动化，并使原先真实的程序数字化，这都是模型的好处。模型潜力巨大，如利用模型可以在前期阶段发现并避免项目可能出现的错误，预测系统需求，以及寻求解决方法以满足需求；模型还可以为工业制造提供一系列透明化信息，通过这些信息，人们得以提升学科和行业间的协作、并提高工程数据的统一性，以更为有效的方式完成工程设计和实施。 如前所述，解释模型，因其通常用来对关系和行为进行描述，在现实世界中产生的作用不局限于产品的研发阶段；未来它甚至还将应用在生产中，让人们得以发现生产过程是否顺利、在不需要停下生产程序的情况下实现检测磨损或对生产过程中的各组件可能的损耗程度进行预计。 挑战 目前，对于中小企业而言，在建构和寻求制造优化的过程中使用模型进行模拟实验还不是他们通常会采用的“标准动作”。工业4.0目前面临的一项重大挑战在于：在范围更广的工程界提高对模型应用的意识，为业内工程师们配备相应的方法和工具以帮组他们选择恰当的模型完成模拟实验（见5.6节）。然而，也有一些领域无法找到合适的模型匹配（如：生产过程中发生的化学作用），这些领域是很难用模型的方式来加以描述的。 工业4.0报告表明：生产制造过程中运用了模型的企业与未利用模型的企业相比，在财务收入方面明显占优，原因在于模型运用在生产过程之初是一项具有增值意义的措施，它可以使后续的生产过程实现降低成本的目的，而且结果也因企业业务类型的不同产生很大的差异。 通常情况下，企业在生产投入之初，更愿意接受高投资大型生产规模的行业（如：汽车），或者对安全标准要求很高的产业（如：航空电子）；而不愿意选择那些生产规模小的产业。企业成本投入的比例与客户活动的关系十分紧密，客户活动也在对生产投入的决策上扮演着重要的角色。模型应用的关键在于企业应该在运用它的时候，不断拓展模型应用对成本降低和效率提高方面的作用；同时模型的应用不应局限在产品设计阶段，更应该贯穿生产活动的始终。 模型和模拟实验应由专业人士操作，这就可以解释相关企业也应为这些专业人士设置适当的就业机会的重要性。实际情况却并不容乐观，目前供职于中小企业的机械工程部门的人员却往往身处尴尬境地。 这一情况也就迫切需要工业4.0模式的引入来加以改善，首先，必须将产品和生产系统纳入模块化设计，并将包括如制造工程、自动化工程和IT在内的因素也考虑在其中；其次，应对工厂中生产的实际发展过程、工程和制造过程进行有针对性地具体分析；最后，模型的建立需要有效的软件工具支持，以确保模型具备完善的功能，使建立起来的模型与现有的工具和过程相互兼容。 5.3 为工业提供综合的宽带基础设施 如果要在更广的基础上推行CPS，就要求建立容量和数据处理能力都更强大的基础设施系统，现有的通讯网络设施肯定是无法满足这一要求的。工业4.0的一项核心要求在于加强现有的通讯网络以提供延迟时间更短、更为可靠、服务质量更高的全球宽带网络。 2011年召开的全国IT高峰会议（已被记录在2011年的《数字基础设施年鉴》中）提出：宽带互联网基础设施亟待扩大规模，规模的扩大不仅局限于德国内部还应该包括扩大德国与其他制造业伙伴国的规模。 “更可靠的运作方式和数据连接是机械工程和自动化工程应用非常重要的保障因素；而更短的延迟时间和连接的稳定性则是关键因素，二者可以影响相关领域应用的表现。网络运营商们应该将此作为努力方向，使所提供的网络符合相关领域的发展要求。”可能涉及的措施如下： （1）订立可靠并有效力的服务水平协议（SLA） （2）保证网络容量和运行质量 （3）为数据传输中的故障排除和追踪提供支持，特别是相关的技术支持 （4）提供范围广且质量可靠的通信量（固定可靠的宽带连接） （5）提供跨运营商的短信息收发状态通知 （6）提供覆盖全部运营商的标准化的应用程序接口（API）（SIM卡激活或未被激活状态） （7）提供资费管理 （8）提供移动服务的合约成本控制 （9）提供价格合理的全球漫游服务 （10）提供适用多种制式的SIM卡 （11）服务不能覆盖的地区提供卫星解决方案（特别是在人口稀少的地区） 上述网络基础设施的要求不仅适用于工业4.0，还应该适用于全部CPS应用，包括能源和医疗健康领域（见本文第2.1章）。 挑战 总体而言，对于有效宽带网络基础设施的要求可以用几个词来概括，即：简便、易扩展、安全、有效和价格合理。 5.4 安全是确保工业4.0顺利实施的重要保障 安全是生产设施和其所出产产品的重要保障。一方面，生产过程不得对人和环境构成危害；同时另一方面，生产设施和产品，特别是其中蕴含的相关数据和专有技术必须受到保护。安全问题在产品生产设备的设计阶段已经受到了重视。安全应该成为各类相关规定和标准制定时所应考虑的重中之重。 自信息技术与机械和电子产业融合之初（上世纪60年代的工业3.0时代），对制造业涉及的信息安全问题和相应标准的要求已经引发了人们的高度关注。由现在越来越复杂的操作模式带来的对安全问题的顾虑也变得越来越明显，工业3.0时代（也有人称之为工业4.0的测试版本）就已经出现了很多涉及安全的问题，而且至今仍未得到妥善解决。安全举措的推行十分缓慢，而且通常只能逐步实施改进方案。 随着工业4.0的提出，一些对安全的额外要求也应运而生，工业4.0的CPS制造系统要求更高的网络系统与人工、IT系统、自动化组件和机器间的协作。大容量、对时间程序要求严格的数据和信息交换不断地发生在技术系统中，而且很多时候是自动发生的。 同时，价值链条中也包括了更多的因素（见第2-3章）。安全由此成为整个系统的关键，不仅仅存在于生产操作环节，还存在于由此延伸的网络环节，至少由通讯网络为生产过程带来的新因素（比如第三方接入）就会对工业4.0带来一系列新的安全问题。只有在以下问题得到落实后，工业4.0的推行才能实现，人们也才能真正接受它： （1）安全性设计作为主要的设计宗旨：过去，对于外部攻击的保护通常是由物理方式来避免的（如：访问限制和其他安全措施）。而发展到CPS为基础的制造系统阶段，等到发生了安全问题再来为系统添加相关抵御功能就远不能满足要求了，我们需要做到的是在系统还未投入使用前就要提前设计好对可能遇到的安全问题的防范措施，使系统从一开始就具有防御功能。 （2）需要研究并出台相应的IT安全策略、架构和标准：在高度发展的网络和同时具备各类开放及多样性组件的生产环境中，我们必须提高整个系统的机密性、完整性和有效性，这就对形成一个适当的、可靠的以及价格合理的解决方案提出了要求，通过该解决方案我们才能实现保护每个制造企业的数据安全和知识产权。（见5.7节） 对于工业4.0的实施而言，在全球范围内探索安全的解决途径非常必要。首先，我们必须充分考虑各种安全措施（包括加密过程和认证过程）产生的实际作用（如：时间关键性作用和资源的可获取性），以及反之可能造成的影响（如：是否会增加受攻击的风险等）。 针对目前的形势，更进一步而言，为了应对安全问题，工业4.0应该采取双重策略。 首先，现有的工厂应对其安全措施和系统进行升级以适应新环境的要求。机械设备的较长使用寿命及较短的更新周期和不同情况下可能产生的各种各样的问题（如：老旧设备无法适应网络环境下的新要求）就决定了这并非易事。 其次，对于新兴工厂和机械设备来说，应该做的是探索出全新解决方案以满足要求。第三次工业革命到第四次工业革命必须做到尽可能实现“无缝化”过度…… 对于该策略的两大支柱而言，关键是整个价值链上的所有行动者在实施措施之前，能够就安全问题和相关的结构问题达成共识。 挑战 在工业4.0的背景中，存在各种安全和安保问题的挑战。除了技术上的挑战，一个成功的安全和安保的解决方案还必须同时解决商业、心理和教育问题。例如，行业目前缺乏的是，专门为实现足够的安全与安保解决方案而制订的、完全标准化的操作平台。这个操作平台是在具体实施和成本控制方面根据工业需求特别定制的，不仅仅是成本的驱动原因。扩展或升级现有的基础设施通常很难做到，尤其是许多安全和安保解决方案最初是为其他行业或应用程序开发出来的。 此外，安全意识往往起关键作用，特别是关于IT的安全问题。目前在不同的行业，关于安全意识的水平有太多的差异。鉴于工业4.0将涉及到在一个价值链上不同合伙人之间的新增的合作，因此，对合伙人而言，对彼此的能力（安全＆信任）充满信心，并且能为自身能力提供有力证据是十分必要的。 机械和设备制造商正变得越来越意识到软件的增值潜力，导致开发生产设备和机械软件组件的人数急剧上升。然而，很少有人知道与信息技术有关的威胁。鉴于周围恶意软件的公开争论（如Stuxnet,Duqu或者 Flame软件），自动化工业才刚刚开始讨论IT安全问题。此外，软件在完成交付和维护安全与安保方面也发挥着越来越重要的作用。但是，还有一些问题尚未被制造流程纳入讨论范围之中，尽管解决方案是可行的，但是尚未实施。 一般而言，工业4.0将需要一个比迄今为止更积极的安全和安保（尤其是关于安全的设计）方法。目前，安全和安保问题往往只是在开发过程结束、或者特定的安全或安保问题发生时，才相应地提出来。然而，这种滞后的安全及安全方案的实施，既昂贵又通常不能提供永久的解决方案。 因此，安全和安保方案不能简单地分解为功能步骤，而是应该近似地看成一个过程。为了实现时间上的快速响应，通过监控措施和全面的跨部门信息交流来提供支持同样很重要。 目前，没有足够的风险评估指标的监测，特别是关于工业IT安全方面，以及任何关于安全和安保事故的信息交换。在这些领域的行动将有助于阻止病毒传播或大范围网络攻击。 作为其网络安全问题研究的一部分，联邦信息安全办公室（BSI）起草了一份关于当前工业控制系统(ICS) 面临的十大最重要的威胁的“列表6”。同时，工业4.0工作组已经与一些专家一起，为安全及安保领域的行动制订了一个关于“八个优先领域”的补充列表。 （1）综合性的安全和安保策略、架构及标准 工业4.0将需要修改工业安全和安保策略，连同贯穿整个系统的生命周期的相关原则和方法的系统应用。一个基本的“知识池”应该被开发出来，作为这一方法的基础。当IT界、汽车和航空航天工业都采取这种安全和安保策略时，即满足于工业4.0特定要求的策略，那么，目前应用于过程自动化和机电工程产业的策略和流程都将得到改善。 - 对于不同的制造商和运营商的“假设开放”和“协作子系统”，一个安全和安保策略的研究是必需的。这些策略应该是基于一些受威胁的情景而开发的，可能最初只是被开发应用于某个工业部门，例如机械工程或汽车供应行业，但其最终必须适用于所有行业。
- 相关策略和系统的研发，应该与其它安全与安保研究项目的议题密切配合，这一点十分重要。例如安全身份证明、网络安全或关键基础设施保护，还有与其他产业（如汽车和航空航天工业）的知识交换等。
- 根据工业4.0倡议，为制造系统构建这些策略、安全和安保结构应该被定义为参考架构。这些应该尽可能地兼容现有工业3.0的体系。
除了确保标准化的方法和程序，建立这些参考架构是工业4.0成功的关键。这些参考架构也使测试过程的定义和测试设施的建立成为可能。它可以用来测试每一个层面的整体安全系统，从个人机到整个机器网络和应用阶段。参考架构还可以作为签发安全标准和执照的基础，尤其是对现有的子系统而言。这种方法会形成迁移策略的一部分。 （2）产品、流程和机器的独一性和安全ID 在整个制造过程中的安全信息交换，是工业4.0受到认可和成功的关键。它适用于机器、机器组件、交换数据、受影响的程序和参与进来的组织单位。为确保这种交换的实现，个人机器、程序、产品、部件和材料都要拥有唯一的电子ID。此外，给组件发放“安全护照”也是适合的方法，这种安全护照中包含已经考虑到的风险、在开发中抵消掉的风险和需要考虑的风险细节，以及需要由积分器、安装程序、运营商或用户考虑的风险。这些护照也包含上述提到的安全等级分类。 作为安全ID的一部分，这些护照能形成评级系统的基础，这个评级系统可以对一个CPS在制造环境（包括开发和生产过程中本身）中的整体安全性进行评级。安全评级会考虑产品的价值、潜在的威胁、修改的或适当的对策。安全ID的战略计划应该因此被扩大到包括“产品”、“机器”和“过程”几个部分，并且既包括虚拟产品也包括实体产品。 （3）从工业3.0到工业4.0的一个迁移策略 迁移策略的目标是逐步改善当前的工业3.0设施（这在相当长的一段时间仍然要使用）的安全性，同时为转换到工业4.0做准备。然而，设备的异质性、现有的生产设施的独特特点，都阻碍了IT安全解决方案的共同标准的发展。 因此，除了上述对现有设施现状的评估，迁移策略还需要开发一个标准化的流程模型，使个人安全解决方案能够快速实现、实用且具备成本效益。这个流程可以达到改进现有（通用）IT安全流程的目的，该流程的基础是个人安全目标的定义、识别弱点和威胁的情境分析，和随后的有待实施的方法列表的建立。 （4）用户友好型的安全与安保解决方案 人们倾向于避免使用不友好的应用程序。因此，非常有必要开发出针对用户的需求的、具有友好用户界面的、保证应用程序执行的安全及安保解决方案。这些因素，在最初的设计阶段到实际操作，直到维护过程，都要考虑进来。 （5）安全与安保业务管理环境 不可避免地，安全和安保总是成为成本因素。机器损坏时，可以既产生直接影响（如低周转率）又产生间接影响（如客户、供应商和合作伙伴索取赔偿，或损坏公司的形象）。然而，直到现在，仍然很少有制造商对IT问题的损害缴纳保险。 因此，非常有必要开发一种方法，清晰地计算与工业4.0有关的风险，并且能计算出相关的安全解决方案的成本效益。而不是在真实的或可能的IT威胁事件发生后，选择关闭生产设施。 （6）抵抗盗版产品的安全防范措施 成功的产品注定会成为盗版的目标。因此，在全球市场范围内，知识产权保护是高收入经济体生存的关键。与盗版现象相关的问题并不仅限于其对销售的影响，也包括企业形象的损害和技术的流失。在最极端的情况下，昔日的强盗甚至可以成为竞争对手。 此外，盗版问题不再是局限于通常相当复杂的对产品的实体复制，而是对公司和产品知识技术的窃取，这一现象现在也变得越来越普遍，特别是软件或配置的制造技术，目前仍然很容易复制。 由于工业4.0中，不同的合伙人在价值网络中有更高程度的合作，因此，防范盗版产品在工业4.0中更加重要。因此统一的技术标准非常重要，尤其是有关公司和竞争的法律标准。这些法律标准在保证平台内的相互间的信任和透明的同时，也要保护关键业务的知识。 （7）培训和（内部）CPD 掌握IT安全的知识，对于组织内的所有成员都很重要。关键是要使所有参与到生产的人员提高意识，从熟练的机器操作员，到安全软件开发人员和规划工程师，所有在设备工程中工作人员都要如此。当安全解决方案在一项业务中实现时，仅仅安装一个技术产品是不够的，即使它是用户友好型的，员工也需要得到关于安全需求的足够训练。 针对生产环境，进行一些适当的提高安全意识的宣传活动，可能有助于克服当前在这方面的缺点。同时，针对这个话题在高等教育机构引入必修课，将会有助于未来的工作（见5.6节）。 （8）工业4.0 的数据保护“社区建设” 工业4.0将要求更严格的数据保护安排，例如，利用智能工厂的机器或通过智能辅助系统，对员工健康信息的记录和分析，在技术上都是可能实现的。在德国，使用个人信息是一个特别敏感的问题，德国非常关注信息自主的权利。 因此，一个提议是，提出数据保护话题应该与倡议“安全身份”的战略密切结合，同时与联邦信息安全办公室（BSI）、联邦和地区数据保护专员、工会和劳资联合委员会（见5.7节）合作开展。 工业4.0的平台需要进行一个深入的讨论，这个讨论的目的是，根据起草一份路线图或产生一个需求列表的观点，建立一个“优先级”。当设想工业4.0的优化解决方案时，不只是考虑如何提供机器和组件间的安全交流，还要考虑个别机器的内部安全。建议把重点放在务实的解决方案上，务实的解决方案可以在现有的设施上迅速实现，而无需等待即将被开发的长期“理想”解决方案（见2.1节）。 德国在复杂的IT安全解决方案和安全领域，都处于世界领先地位。而德国的安全性和安保专家在全球都享有盛誉。然而，传统的IT安全产品却主要产生于其他国家，比如美国和以色列。与CPS和CPS产品开发并行的是，因为德国在制造和自动化流程、机械电子工程、嵌入式系统的特定技术具有比较优势，德国有机会为工业4.0建立自己的安全行业。为了确保这个优势应用于德国在工业4.0的全部潜力中，迅速采取行动是非常重要的。 “工业4.0要求提供一个在技术和组织上适应中小企业需要的解决方案。它将需要利用企业内专家的知识。员工友好型的工作组织和基于培训的工作场所是其实现的关键。” ——乔治·舒特博士（联邦教育和研究部国务秘书） 5.5 数字工业时代的工作组织和工作设计 工业4.0在工作场所将产生什么影响？在一个分散的高科技经济中，当CPS已经司空见惯，企业和社会要满足什么责任？世界上的工作应该如何应对这些变化？在布满自动化和实时导向控制系统的未来，我们怎样才能确保人们的工作是有益的、安全的、公平的？这些问题的答案将决定是否有可能动员现有的创新和生产力储量，通过广泛部署自动控制、知识型、装备传感器制造系统来获得比较优势。 创新的努力不能仅仅关注如何克服技术挑战。创新的范围需要持续扩大，包括工作的智能组织和员工的技能，因为员工在实现和同化技术创新中会扮演一个关键角色。在开放的虚拟工作平台和广泛的人-机器和人-系统的交互作用下，员工的作用很有可能将发生显著改变。工作内容、工作流程和工作环境将有极大转变，将会影响工作的灵活性、工作时间的规定、医疗保健、人口变化和人们的私人生活。因此，为了取得未来技术的成功集成，员工们需要巧妙地嵌入到一个创新的社会组织中（在工作站点中）。 就管理的复杂性、抽象性和问题的解决而言，工业4.0的工作性质很有可能将对所有劳动力成员提出更高的要求。员工还应能够更加主动地行动，并且具备良好的沟通能力，具备组织自己工作的能力。 简而言之，对员工的主观能力和潜力都提出了更高的要求。在定性改进自己的工作方面，这将提供一次机会，一个更有趣的工作环境，更大的自治权和更多的自我发展机会。 然而，对于全新的、虚拟的工作场所的要求，对维护人力资本产生一定威胁。随着技术集成程度的提高，要求员工更加灵活并且执行更苛刻的任务是危险的，同时虚拟世界和工人自身经验世界的关系也日益紧张。这很可能使他们从工作中感受到失控感和疏离感，这缘于业务和工作流程的非物质化和虚拟化的进步。也有可能“旧”和“新”的威胁在一个新的维度一起发生作用，从而导致重大的创造力和生产力损失和员工过度工作的倾向。 最后，要考虑在制造业出现越来越多的IT技术将对员工产生的影响。简单的手工业务数量可能还会继续下降。这可能威胁到至少一些雇员群体，尤其是半熟练工人。出于社会包容度的考虑，这对员工自己和大众角度而言都是不可接受。此外，它将会严重妨碍工业4.0的初步实施。 技术和工作组织的一致的方法 智能工厂，为建立一个考虑到全体员工利益的、新的工作文化提供了机会。然而，这种潜在的机会不只是简单地存在于协议中，如何雇佣工作员工和设计模型也是非常关键的。模型的设计需要结合个人责任和分散领导下的自治管理方法，这种管理方法让员工有更多的自由做决定，更多地参与和调节自己的工作负载，而同时也能够灵活地安排工作。 使用技术很可能是为了不同的目的。系统可以设置成每隔五分钟就对个人的工作细节强加限制控制，或者系统也可以被配置为一个开放的信息来源，这个信息来源成为员工做决定的基础。换而言之，人的工作质量并不取决于技术或任何技术约束，而是取决于设定并建立智能工厂的科学家和管理人员。 因此，采取社会技术方法是十分必要的。在社会技术领域中，工作组织、持续的专业发展措施、技术和软件基础紧密配合地开发出来。这些技术的开发，是为了在整个价值链中提供一个专注于实现员工之间的智能合作和自我组织的相互作用，和/或技术操作系统的单一的、一致的解决方案。 “更好，而不是更低价”是工业转型的契机和品牌 社会技术方法认为，基于高度标准化和单调工作的频繁重复，采用一个更极端版本的工作组织方式的科学管理，几乎是实现以新的效益方式与员工合作的工业4.0计划的最具潜力的方式。事实上，智能工厂将被配置为高度复杂的、动态的和灵活的系统，那意味着它们将需要被授权的员工担当决策者和管控者。 因此，智能工厂需要获得以顾客为中心的配置文件的支持，这配置文件中要包含多方面的培训、促进学习的工作组织模型、培训自动化工作的全面持续专业的发展等内容，智能工厂应该被设计成促进系统的员工发展和职业发展的有效仪器。 在工业4.0中，技术发展目标和工作组织模型，应该根据具体的经济和社会条件一起建立和配置。一方面使更多灵活的制造成为可能，另一方面在员工的工作和私人生活之间建立清晰的界线，这样做是很有必要的，可以使他们达到现实的工作-生活的平衡。 在这个背景下，创新战略得到工会“更好，而不是更低价”的口号的支持，这一策略确立了稳健的标准，也指明了路径——为制造业界及其雇员创造良好公平的就业，提供一个安全的未来。 该策略包含了一个以劳动力为导向的组织设计，员工的参与权利、共同决议权力和培训机会增多了。尽管如此，它仍然能够满足全球竞争的需求和更大的灵活性需求。“更好，而不是更低价”的战略，把技术领导力视作保障德国工业的未来的基础。 因此，良好的就业、技术创新和职工共同决议制，在工业4.0倡议的背景下，并不是相互排斥的。相反，他们找到了一个前瞻性的路径来寻找技术有效的解决方案，这也是社会可持续发展的方案。 行动建议 （1）工业4.0平台体系应该组建一个跨学科专家工作组，持续研究“工业4.0中的人与工作”这个问题。工作组的职责应该包括三个主要目标： - 确定并记录该策略对工作和就业（机遇与风险）的影响，连同员工导向的劳工培训政策指导的行动；
- 为开发和实施社会技术方法提供指导方针和实际帮助，连同相关的参考项目；
- 在多方参与的工作组织和终身学习中推广创新方法，并且向所有劳动者开放，不论年龄、性别或资历；
（2）该平台应该建立定期的社会合作伙伴之间的对话，使信息鉴别的透明度、关键性进展的探讨、存在的问题和可能的解决方案，同工业4.0的实现结合在一起。 （3）该平台应该在公司内外利益相关者之间，安排一个兼顾国内国际水平的有效的知识转移。除了创新的知识管理，这也将需要建立起一个广泛的社会网络。 5.6 培训和持续的专业发展 实施工业4.0将对职业和专业培训以及进修（CPD）带来新挑战。挑战具体包括需要扩展制造业工程领域的开发人员及其用户。工业4.0很可能对工作和技能带来显著的改变，主要有两个方面的原因： 首先，传统分工清晰的制造过程将嵌入到一个综合决策、协调、控制和服务支持功能于一体的新组织业务架构下； 其次，虚拟和真实世界之间，工厂控制系统和生产管理系统之间有必要进行交互组织和协调。 实际上，意味着ICT、制造和自动化技术、软件等领域将产生许多新的任务，而目前的很多任务存在于一个较宽泛的技术、组织和社会背景下。 工业4.0也需要对IT专家培训进行根本性改变，识别不同行业应用需求，以及寻求与来自世界各地的伙伴合作，这些比纯粹的技术专业知识更重要。极其广泛的潜在应用，意味着将受限于标准化的培训。 因此，未来，企业和高等教育机构之间的培训伙伴关系将变得更加重要。短期基础培训需兼顾工作实习和高级学习课程原则进行设置。科学、工程研究和可以转让的技术将更为重要，当然，企业管理或项目管理同样非常重要。 由企业、还是企业的客户来推动IT专家培训系统的改变呢？前提是应遵照工业4.0原则进行。包括IT各环节的紧密衔接，以及生产工程领域的培训，需要开发相关的学习内容和适宜的教学方法和措施，尤其是在一些创造性的业务范畴，譬如跨学科的产品和工艺开发，可能需要全新的资质，这构成了企业双重战略的一部分，使公司能够应对萎缩的劳动力市场和较高的市场波动带来的挑战。在此背景下，开发提供专业化的成人教育培训就非常关键。 技能评估。应将技能评估应用于促使职业教育和学历教育分流，以及进修和其他各种培训的分流。同时提高与工作有关的技能认证评估，尽管它或许与就业人员的专业领域不相关。 为确保个人培训潜力被认可，以及评价透明，从而有必要制定相应的规则标准，进而促进认可非正式教育，使人们了解一个新的、系统全面的组织模式，以及确保这一评价体系客观透明，将促使就业人员对他们正从事的工作充满信心。 推荐措施 （1）项目示范推广。项目应包括可用来开发培训和进修的策略，这些策略包括：促进职业和学术训练之间，不同培训和进修课程之间的流动性，以及承认员工具有其特殊的专业领域之外的额外技能。 （2）最佳实践网络的建立和推广。为了保证知识传递和可持续发展，通过竞争性投标建立培训和进修的“最佳实践网络”。由这些网络负责开发和记录相关案例方面的研究，并通过这一网络来支持知识传递。 （3）研究在工作中获取知识和技能的新方法，开发数字化的学习技术。数字媒体和具有创新性的电子学习（e-learning）将在知识传播和技能开发中发挥突出作用。考虑到技术和人员变化，以及不同学习者的不同需求，因此很有必要开发新的学习方法和学习辅助系统。 （4）交叉工作组织方法的推广。对有关工作组织、过程设计、管理、合作，以及它们对工业4.0中的工作和培训的影响等问题进行探讨至关重要。同时，也应包括在预期寿命增长背景下，如何维持年龄较大的工人的就业能力。为了使组织工作更有利于促进学习，开发合适的培训策略、分析方法和管理模式将非常必要。 总体而言，将对培训和进修带来一系列重大挑战，具体包括提供全面的进修，以及至少要对培训系统进行部分改变。 （5）促进工业4.0特定内容的推广以及跨学科的合作。开发和提供一个系统性的工程方法，很有必要促进多学科之间的合作，譬如需要制造、工程、自动化和IT之间的合作，这就需要不同学科之间相互理解对方的方法和立场，并对策略、业务流程和系统进行综合整合。 跨学科研究还涉及到技术和法律层面的对接问题，法律专家应在研发初始阶段介入，同样，工程师应对法律问题有一个基本的认识以便能与法律同行能进行全面的沟通对话。 （6）基于IT技术系统仿真模拟。包括以适当的描述形式和方法，对现实世界和数字世界之间的交互进行仿真模拟。譬如，机电工程方面的模拟，可考虑改进和发展现有的系统，而不是全面从零开始开发新系统。 5.7 规章制度 与其他的基础技术创新一样，工业4.0中制造工艺创新将面临与现有管控相冲突的问题，带来两个相互关联的挑战：一方面，关于新技术的合规性，以及相关责任和数据保护问题的不确定性，会抑制这一新技术的接受认可度，进而延缓创新进程。另一方面，新技术本身及其商业模式的巨大能量，使其几乎不可能强化现有的规制。 然而，总体上，工业4.0增加了管控的复杂性，技术标准的制定需要符合相应的法律法规，同时也需要制定相应的规章制度促进技术创新，在工业4.0中，一般的法律条款就能实现这一目标。上述因素决定了应尽可能在研发早期阶段就进行新技术的合规性分析，而不是等新技术研发完成并已应用才着手进行。 挑战 （1）保护公司数据 随着智能工厂中物联网的建立，产生的数据无论是量，还是数据的详细程度都将大大增加。此外，商业模式不再局限于一家企业，而是由众多企业组成的高度动态化的网络，从而形成新的价值链。数据将由智能机器自动生成和发送，这些数据不可避免要跨越不同的企业。 在这样的背景下，无疑将产生潜在风险。最初的数据交换是为了使不同企业间生产制造和物流活动协调衔接，如果与其他数据共同读取，就可能将合作伙伴的一些高度敏感数据意外提供给第三方，例如，可能让第三方有机会洞察到其商业策略。如果企业希望掌控这些知识秘密以便保护自己的竞争优势，那么就需要新的保护手段。 同样，对于新的、受监管的商业模式而言，原始数据包括的相关信息或许对第三方很有价值，因此，企业希望收费共享。像这样的商业模式创新同样需要受法律保护，以确保所形成的增值能公平共享。 当前，企业数据保护仅解决了这些危险的一部分。一般需要将数据分为业务数据和商业秘密。针对数据非法披露，应尽可能采用自律（譬如保密协议）等方式来堵住相关法律漏洞。 合同法提供了满足不同情景实现特定条款的手段，但需要明确数据的敏感性和保护程度，个人隐私保护法在这方面提供了一个可供借鉴的蓝本。当然，依靠合同本身有很大的局限，特别是在量大面广的一些问题上，需要大量的风险评估和条款分割，并对每一单个案例进行谈判。因此，有必要允许企业探索新的契约模式，保护他们自有数据的权利。 （2）责任 不同企业间的敏感数据交换存在一定风险，譬如他们可能使用这些数据或非法对数据进行公开，假如数据接收方没有实施充分的信息安全措施，数据就可能被第三方的黑客行为截获。解决这一问题的方案之一就是制定针对性的合同条款和附加措施（譬如有义务报告安全问题或漏洞），一旦违规将受到相应处罚。 较之过去，工业4.0中的制造设施涵括的范围更广，担责的范围不仅包括最基本方面（譬如产品的耐用性，正确运行与否），更包括作为网络整体中的智能化角色的故障失灵。 当网络中部署配置了自动化系统，相关的责任和义务就更加重要。因为，如果缺乏结构化的数据及透明化处理，系统将不能清晰识别和判断由谁来执行特定的动作，结果是出现大量的不确定性。 可以确定的是，企业在制造系统中使用自动化的数据处理，应对制造设施和产品的安全负责，当前的侵权责任和产品责任法在这一领域已有充分的覆盖。 然而，如果网络中的其他合作伙伴希望避免负连带责任，或者他们至少希望有对其他合作伙伴的追索权，那么就有必要通过合同规定其应有的责任，并且从一开始就清楚明了。 （3）处理私人数据 由于工作人员和CPS系统之间的交互越来越多，每一名员工掌握了大量详细的私人数据。尤其是在辅助系统中详细记录了员工的所在地点、健康状况，甚至他们的工作质量状况，这些无疑将威胁到员工个人隐私权。德国数据保护法严格限制从智能工厂中获取的数据外包给欧盟以外的企业进行分析，以及严格限制披露包含员工个人信息的企业数据。 但是在全球价值链中，这一问题将很难约束，当前的法律条款不能解决这些问题。外包数据处理模式已经遭遇了困境（譬如在云计算领域），因为，本地数据保护标准一般不适用于欧洲之外的国家，实际上，也就意味着欧洲之外的甲方公司（客户）不太可能遵从数据保护责任。 因此，企业越来越需要一个合法、明确和适用的解决方案来处理个人数据。通过集体协议，企业之间内部达成一致并共同遵守规则是一种可行的方案，当然，重要的是，在任何情况下需要确保不能削弱和低于现有的数据保护标准。另外，可以考虑在最终产品中加入数据处理组件，但是使用内置组件，必须要在数据保护法中进行严格明确。 （4）贸易限制 在工业4.0中部署着众多的复杂系统，一些模块或零部件很可能受到国际贸易限制。以保密技术产品为例，客户需要和期待加密技术，以确保CPS通信中信息保密和完整。 然而，一些新兴市场国家，譬如中国，使用、销售、进出口保密产品要通过许可证授权。而在欧盟，保密技术产品进出口只允许在欧洲内部，以及欧洲之外的特定国家（譬如日本、加拿大和美国）之间进行。 时至今日，企业希望在全球市场有所斩获，某种程度上，如果加密组件已在大型生产设施中应用，企业发现自己被迫仅限于不超过法律的灰色地带经营。这种不确定性将在工业4.0中强化，必将成为一个重要的贸易壁垒。 推荐措施 综上所述，工业4.0在规制上面临不小挑战，工业4.0计划的成功有必要寻求相应的解决方案，在大多数情况下，这些方案不需要立法，但需要一个集规则、技术和政策于一体的综合体。 此外，有必要意识到中小企业加入专业协会存在的问题，以及政府起到的放大器作用。制定操作指南、清单、合同条款模式，对中小企业特别重要。 新的合同模式需要确保企业商业秘密安全，同时也需要确保在新的商业模式下产生的价值增值能向外公平共享。因此，有必要尽可能精确地界定不同合作伙伴的角色。 就责任界定而言，应重点聚焦于数据安全，尤其是不同伙伴之间衔接传递后的关键点。至于员工数据保护，最佳模式应该是将数据保护纳入企业协议中。工业4.0中所需要做的就是确保不侵权。 对属于第三方的高敏感企业数据的保密安全，可取的办法是致力于采取一定的措施来促进自律，譬如采取审计或者符合IT安全标准的认证。 然而，一些特定问题仍然有必要立法，其中就包括外包数据处理事项，尽管目前，在欧盟层面上，这一领域的立法已经存在。 再就是，在贸易限制方面，尤其是保密产品，急切需要多方进行协调。确保德国在工业4.0中成功维持供应领域的领导者，应致力于促进中长期的国际贸易通用规则，譬如可通过WTO形成通用规则。 从更一般的角度看，工业4.0面临技术和规则的结合，需要跨学科的研究。法律专家应在研发的初始阶段尽早介入，同样，工程师需要对法律问题有一个基本的理解，以便他们能与法律同行进行全面对话交流。工程师和法律专家进行合作，将帮助德国在工业4.0计划下获得真正的竞争优势。正因如此，工业4.0平台有必要确保法律专家早期阶段就介入各工作组。 5.8 资源效率 制造业的本质意味着，它是迄今为止工业化国家最大的原料消费者。连同私营部门一起，它也是主要能源和电力的头号消费者。除了涉及到高成本以外，这种情况还产生环境和供应安全的风险，需要通过监管降到最低。因此，行业正在进行重大努力以减少能源和资源消耗，或寻找可替代的能源。 然而，如果想要有任何成功的机会，这些努力必须要持续多年。最终，这将涉及到制造工艺以及机械和工厂设计的变化，因为这是能真正影响材料和能源消费的唯一的区域。 出发点是加工制造企业所使用的资源的总量，包括企业自身内部的以及整个价值网络的剩余部分。我们可以总结出这三种类型资源之间存在的不同，并且分辨它们是如何被使用的： （1）原材料、添加剂、营业物料和所有的不同种类的能源载体，包括从一种类型的能源到另一种类型的能源的转换。 （2）人力资源，即人类的劳动。 （3）金融资源，即必要的投资和运营成本。 涉及到如何利用这些资源，可以将重点放在在拥有规定数量资源的情况下来实现最大化产量，或者使用最低数量的资源来实现一个规定的产量。在第一个方案中，重点是计算资源的生产率，而在第二个方案中重点是计算资源的效率。一系列的指标现在都可用来执行这些测量（生命周期评估、碳排放量12，等等）。 挑战 一般而言，作为一个整体，工业4.0战略需要对工业生产过程中减少资源消耗的方案进行调查和实施，并且充分利用生产过程中所使用的机械和设备。联邦联合教育与研究部（BMBF）和德国工程联合会（VDMA）共同合作的成果--“效率工厂”（Effizienzfabrik13）战略可以在这方面作为一个模型进行服务。 在实施高效的生产过程中，需要注意的是，不仅要考虑到基本功能，而且还要考虑到在动态条件下生产过程中的稳定性，如频繁的停止和启动以及预防产生不合格的产品（这是对材料和能源的浪费）。 因此，充分考虑到预防不稳定的生产过程中的生产力所导致的质量问题，是非常有必要的。质量问题反过来会导致产品需要进行修理或完全重塑。同时还需要考虑可用性。生产设备是可以进行分解的（因此，固定撤换冗余的设备来减少失败的风险是很重要的），资源并不是随时随地都可以迅速满足需要的，并且库存水平也可能并不符合需求（半成品以及成品）。 对于工业4.0战略来说，其中一个关键的挑战是需要证明，将额外的资源投入CPS（信息物理系统）部署以及相关的基础设施，可以制造充足的机会来实现基于工程、制造、生产控制、内部物流、采购和销售物流期间使用的资源总量所获得的资源生产率和资源效率。 视具体情况而定，工业4.0战略将为优化实现资源生产率和效率的首要目标提供机遇。 推荐措施 工业4.0战略工作组建议，应该通过工业4.0平台建立一个工作小组，专门处理资源生产力和效率的相关主题。工作小组的职责应该包括以下任务: （1）对BMBF（德国工程联合会） / VDMA（联邦联合教育与研究部）的“效率工厂”战略的成果进行采纳和发展。 （2）在避免因生产率或可用性问题而导致替换过程的基础上，在制造业环境里，就提高资源生产效率展示资源存储。 （3）对部署CPS所需的额外资源及其相关基础设施以及生成的潜在资源储蓄进行计算和评估，并在它们之间进行取舍。当涉及到对现代化生产线或构建新的一批自动化设备所需的资源类型进行决策时，同样也需要对不同类别的资源进行计算、评估和权衡。这些评估应该考虑到行业或领域的问题以及是否价值网络属于区域范围或全球范围。 （4）有必要在当前的项目和活动里评估资源生产率、效率和生态化考虑各种指标和KPIs （关键性能指标）。特别是在工业自动化领域内，连同所需的透明化的基本数据以及面向资源的投资决策，决策支撑关键性能指标（KPIs）的发展如绿色生产指数也应当被考虑在内。 应用范例3：支持定制制造：个人客户的需求能否得到满足？ 工业4.0的动态价值链，能实现客户与特定产品的设计、配置、命令、计划、生产和物流之间的协调。这也为满足在投入生产前甚至是生产过程中的最后时刻所提出的更改要求提供了机会。 现在： 现今的汽车工业，很难重新配置用以产生新产品变体的静态生产线(带预定义的序列)。经软件支持的制造执行系统（MES）通常是设计为具有基于生产线硬件的狭义功能，因此同样是静态的。员工的工作性质也由生产线的功能而决定，因而通常非常单调。个性化则不受鼓励。 因此，如果个人客户提出请求，希望产品能包含从同一公司的另外一个产品组中提取出来的元素，是不可能被采纳的。例如，把保时捷的座位组装到大众汽车里。 未来： 工业4.0战略引发了动态传输线路的出现。汽车成为智能产品，通过装配车间从一个能在中央处理系统使用的处理模块自主移动到另一个处理模块。生产线的动态重新配置使得混搭和匹配适合在车辆上安装的设备成为可能；此外，个体差异(如安装一个来自于另一车辆系列的座位)可以实现能够随时响应物流问题（比如妨碍生产的瓶颈环节）而不受制于集中规定的时间。 这种类型的重新配置很容易就可以被执行，汽车可以自动转移到相关工作站。现在，制造执行系统的IT解决方案从开始到结束都由一个中央组件构成---从设计一直到组装和操作。 应用范例4：远程监控 远程服务是一种已被使用多年的工具，制造商通过远程访问和控制机器来为客户提供快速、高效的支持服务。网络在制造系统中应用比重的增大开辟了提供额外生产力的新潜力。 现在： 远程服务是通过在机器供应商和用户之间建立个人通信解决方案来实现的。技术员通常通过调制解调器直接连接到机器。自从网络时代来临,VPN连接（虚拟专用网络）也逐渐流行起来，因为它们允许获得访问客户的企业网络的权限。这个方法的目标是远程诊断和控制机器用来减少计划外的停机时间和停工时间。 通信连接的配置和监管涉及大量的管理工作，因为其使用条件需要分别得到每一个客户的同意。此外,这种方法目前仅仅能被用来提供无功服务，如在发生故障后进行维修保养。 在工业4.0战略中，技术人员将不再手动连接到他们进行服务的机器。 制造系统将作为“社交机器”进行运作——在网络里，类似于社交网络，并且将自动连接到基于云计算的远程监控平台，用来寻找适合的专家来应对出现问题的情况。专家们将能够通过移动设备使用集成知识平台、视频会议工具和增强的工程方法来执行更有效的传统远程维护服务。 未来： 此外，随着形势需要，利用标准化和安全的通信连接以及远程监控平台，机器将通过自动更新或加载相关的功能和数据不断提高和扩大自己的能力。 通过将复杂的计算任务（如模拟和预测）从机器转向门户，可以使用大量的处理能力以确保它们能在最短的时间内运行，从而提供额外的生产力。 6. 德国如何与世界其他国家相匹敌？ 确定在制造业使用物联网的发展趋势（工业互联网）以及证实在工业化过程中，物联网作为对未来制造业的战略性挑战带来了破坏性影响的国家中，德国并不是唯一的。不过，世界各国使用了各种不同的术语来描述工业4.0战略所引发的现象。尤其是在英语国家及欧盟国家中，习惯于依据第三次工业革命的概念谈及物联网和数码化趋势。 4.0这个数字的提出，是将其作为第一次工业革命的一部分，同时包括第二次工业革命（机械批量式生产的建立），或者说是不将由自动化生产过程产生的第三次产业转型算在内，而是作为一次真正的独立的工业革命。 在欧洲、中国和美国，使用“智能生产”，“智能制造”或“智能工厂”这样的术语专门指的是利用生产的数字网络化来创建智能制造系统，而同样时髦的术语“先进制造”囊括了一种在制造环境中范围更广的现代化趋势。 至于全球市场内备受关注的机械、设备制造、电气工程、自动化和信息通信技术，经过挑选，以下将用一些国家的例子来说明他们是如何运用不同的政策以应对这些趋势。 国际市场发展趋势 经过2004年到2008年这段时期内的惊人增长，产量同比增长约38％，全球金融危机引发了德国机械和设备制造商之间订单和生产的急剧下滑。不过，早在2009年年中，业务便开始再次回升，因为企业全力弥补在危机期间受到的损失。需求现已恢复正常，按照预测2013年将会有2个百分点的经济增长。 “在一起工作的过程中，我们很明显能感受到，在制造技术和机械工程的领域里，德国拥有所有必需的能力，来继续享受未来物联网和服务世界所带来的全球性的成功。” ——Siegfried Dais博士（供职于Robert Bosch有限公司，工业4.0战略工作组副主席） 根据德国工程联合会（VDMA）最近的一项调查显示，多数德国机械工程企业仍然将自己视作全球领头羊之一，并且认为其主要的竞争对手均为同国企业，而把国外的竞争者如来自美国和意大利的企业远远甩在身后。机械工程行业的全球销售额在2011年约为2.1兆欧元。对于以上几个被选定国家的工程机械行业的分析数据揭示了一个极不平衡的局面。 自2002年以来，由于生产大规模转移到世界其他地区，美国机械工程行业对于进口的依赖性有了急剧的增加。在2002年到2010期间，同行业中的就业人员数下降了25％。尽管如此，自2010年以来，进口和出口的需求都有所上升，还是有一些迹象可以说明行业正在逐步复苏。记者在美国已经迅速抓住一些术语比如“重新支撑”和“派遣热潮”，用来形容这是个翻天覆地的根本性改变。 为了赶上机械工程技术领域其他国家的步伐，并加强其市场地位，中国同样付出了大量的努力。在过去的五年里，中国已经上升成为世界上最大的机械制造商，其2011年的销售额为5630亿欧元。与此同时，中国还在出口方面进行了加倍努力。2011年，中国的投资品行业的出口货物价值877亿欧元，与上年相比，同比增长超过20％。以10.2％的市场份额，中国由此一跃成为世界第四大机械出口国。 自2010年以来，俄罗斯对机械和设备的需求已经有了明显的上升，作为今年的德国汉诺威贸易博览会国家的官方合作国家，俄罗斯已经是德国机械工程公司的第四大出口市场，仅次于中国、美国和法国。 而俄罗斯是今年汉诺威贸易博览会的官方合作国，并且已经成为继中国、美国和法国之后德国机械工程企业的第四大出口市场。德国还是俄罗斯最大的机械产品供应国，市场占有率达22.6%。俄罗斯政府预测俄罗斯市场将在未来几年持续增长，政府将通过数十亿欧元的资助计划为市场增长提供支持。从长期来看，对于出口工业4.0产品的德国器械厂商来说，俄罗斯市场拥有巨大潜力。 2011年全球电气工程市场为3.414万亿欧元。德国以1160亿欧元的市场规模位居世界第五大电气工程市场，排名前四位的分别是中国（1.119万亿欧元）、美国（4960亿欧元）、日本（2840亿欧元）和韩国（1550亿欧元）。 近年来，新兴工业国家电气工程市场发展迅速，2011年市场规模首次赶上发达国家，目前新兴工业国家的规模已达1.7万亿欧元，是全球电气工程市场增长的大部分来源。据估计，2012年和2013年，新兴工业国家在电气工程领域的增长将继续大大超过发达国家。 最近，全球自动化市场已增长到3500亿欧元，占世界电气工程市场的比重超过10%。过去几年，中国迅速发展为世界上最大的区域性市场，目前市场价值为1000亿欧元，占世界市场的29%，已经超过规模仅为930亿欧元的欧洲市场。甩在后面的是美国（400亿欧元，占世界市场12%）和日本（260亿欧元，占世界市场比8%）。德国以210亿欧元的规模位居第四。 在自动化产品制造方面中国更是遥遥领先。全球自动化产品制造总额为3500亿欧元，中国占其中的30%，为1030亿欧元。美国和日本几乎并列第二，分别约占世界市场的11%。德国紧随其后，占世界市场的10%。然而从出口上看，德国是世界上最大的自动化产品和系统出口国（290亿欧元），中国第二（270亿欧元），美国第三（210亿欧元）。 预计今年世界ICT行业营业额将达到2.69万亿欧元，增长4.6%。ICT的两个主要领域信息技术和通信增长强劲，增速分别5.2%和4.2%。但不同区域的市场趋势差异巨大。ICT行业在新兴工业国家蓬勃发展，但在西欧大部分国家行业发展处于停滞甚至出现下降。其中，中国、印度和俄罗斯三国共占今年全球ICT需求的七分之一（14%）。2013年，仅中国市场预计增速为6.6%，规模达到2350亿欧元，超过日本（2210亿欧元）成为世界第二大ICT市场。 最新数字表明，美国毫无疑问仍是需求最大的ICT市场，市场总量7250亿欧元，增长5.8个百分点。与全球市场相比，西欧市场增长缓慢，预计2013年ICT领域销售额仅上涨1.3%，达6250亿欧元。 相比之下德国信息技术市场态势良好，预计2013年上涨3.0%，达750亿欧元。德国软件市场发展迅猛，预计增速为5.1%，市场规模达178亿欧元。外包和维修等IT服务预计将增长3.0%，市场总量达359亿欧元。硬件市场增速平稳，预计增长1.2%。 德国IT产业集群化程度高。除SAP，Software AG和德国电信（Telekom）等本土公司外，美国（如IMB、惠普）和亚洲的ICT企业也在德国设有分支机构。高度集群化为德国抢占工业4.0的先机带来了新机遇。 部分国家工业资助计划 其他一些国家同样通过资助计划和研究项目支持制造业的现代化发展。但从目前公开的信息来看，在美国和中国等国家，新型材料技术等热点趋势众多，工业4.0能够带来的变革仅被视为其中之一。 美国 美国政府重新重视机械工程领域。美国政府正在探索一条积极的工业政策，鼓励制造业企业重返美国，为本土创造就业机会。2011年夏天，美国总统奥巴马启动高端制造业合作伙伴计划（Advanced Manufacturing Partnership，以下简称AMP），以私有部门为主，联合高校、企业和政府部门代表，共同寻找“新兴技术发展的深化与投资”的道路。 AMP指导委员会由麻省理工学院、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、卡耐基·梅隆大学、密歇根大学和乔治亚理工学院等美国顶级工程院校的校长及卡特皮勒、康宁、陶氏化学、福特、霍尼韦尔、英特尔、强生、诺斯洛普·格鲁门、宝洁和联合技术公司等美国大型企业的CEO组成。 2012年7月，AMP指导委员会在报告中详细列出16条建议，包括建立覆盖全国的制造业创新机构网络（National Network of Manufacturing Innovation Institutes）。这些机构采取官办和民办相结合的形式，意欲成为“区域优秀制造业中心”，提升美国企业在全球市场上的竞争力，吸引制造业设施投资。 另外，奥巴马政府还为制造业研究提供大量研发资金。2013年美国政府预算当中，高端制造业拨款增长19%，高达22亿美元。美国标准化工作主管部门美国国家标准与技术研究所（NIST）获1亿美元资金为本土制造行业提供技术性支持、研究设施和专业知识。 美国国家标准与技术研究所还负责建设和维护高端制造业门户网（Advanced Manufacturing Portal）。高端制造业门户网是在AMP的建议下建设的，旨在帮助美国机械工程领域的政府主管部门、高校和企业加强联系。美国政府还通过就业和创新加速挑战计划（Jobs and Innovation Accelerator Challenge Initiative）为10个公私合作的地方集群发展项目投资2000万美元。 信息物理系统和物联网技术从美国政府获得资金支持已有多年。实际上，早在2006年，美国国家自然科学基金委员会（National Science Foundation）已经确立信息物理系统为关键研究领域。 但是，信息物理系统在制造业上的具体应用却开展得很少。网络和信息技术研发计划（Networking and Information Research and Development Programme）为18个不同的研究机构提供框架，协调各自在IT领域不同方向的研究计划，包括人机交互和信息管理等。2011年，网络和信息技术研发计划的可支配预算超过30亿美元。 中国 中国也在大力发展机械工程行业。十二五规划的目标要求减少对外国技术依赖程度，追求全球技术领导力的目标，大力发展高端装备制造和新一代信息技术等七大战略新兴产业。到2015年，中国政府为实现这些目标将提供总额1.2万亿欧元的资金，并通过补贴、减税和其他金融手段鼓励和刺激供需。 中国政府还将提高研发占GDP的比重从现在的1.5%提高到2015年的2%。机床领域的发展的重点包括智能制造装备行业、智能控制系统和高端数控机器，而IT领域的重点包括物联网及其在工业控制和自动化等方面的应用。 2010年起，中国政府越来越重视物联网。从2010年开始举办一年一度的物联网大会，中国的第一个物联网中心在首届物联网大会期间成立了。这一研究中心获得了1.17亿美元的资金研究物联基础网技术和相关的标准。 另外，早在2009年，大连理工大学软件学院就成立了研究小组，研究目标之一即是信息物理系统在自动化工程当中的应用。中国还在江苏省无锡市建立了“物联网产业基地”，已有300多家企业落户，7万多名员工上岗。中国领导人正计划在十二五期间向物联网行业投入总额达8亿美元的资金。 欧盟 欧盟通过研究第七框架计划（2007-2013），大力支持物联网技术的发展。研究第七框架计划向信息通讯领域拨款90亿欧元，是该计划中最大的单项资金。框架计划中包括多个推广物联网在制造业应用的跨行业项目。 由西门子负责的“IoT@Work”项目获得580万欧元的预算，研究即插即用概念在实际环境的应用。ARTEMIS技术平台获框架计划24亿欧元注资供平台中8个子项目开展研发工作，子项目包括生产和制造自动化和物理信息系统。 另外，框架计划还拨款12亿欧元支持公有部门和私有部门的合作项目“未来工厂”（Factories of the Future），未来工厂每年将对外征集智能制造业的项目。其中，由SAP负责的“ActionPlanT”项目最近提交了《制造业2.0愿景》报告，供第八框架计划——2020地平线（2014-2020）讨论未来的资助研究项目。地平线2020的预算为800亿欧元，是世界上最大的研发资助项目。 印度 资助创新是印度五年规划（2012-2017）中的核心任务之一，规划要求将共有部门和私有部门的研发投入占GDP的比重提高到2%。2011年，印度通讯和信息技术部正式启动“信息物理系统创新中心”，开展包括人形机器人在内的多个领域的研究。 此外，博世于2011年11月在班加罗尔成立了信息物理系统研发中心。该中心的顾问包括弗劳恩霍夫应用研究促进协会和印度多个一流研究中心。这项合作计划总额高达228亿欧元，旨在为未来的IT专家提供最佳研究和工作环境。印度今后还会通过研究合同的方式向产业和研究领域提供支持。根据Zebra Tech公司的最新调查，即使今天，印度企业使用物联网技术的水平也位于世界前列。 德国的许多竞争对手已经意识到物联网将越来越多地应用到制造业当中，并且正在通过多种制度和金融的手段推动这一趋势的发展。工业4.0工作组认为，德国有实力成为工业4.0时代的全球领袖。工业4.0平台应定期接受评估，保证德国在计划和实施中走在世界的前列。 应用示例5：生产商因不可控因素突然更换供应商 生产商在遇到不受自身控制的情况时，如自然灾害或政治危机，往往需要在生产过程中临时更换供应商。通过模拟对下游服务的影响，工业4.0可以帮助生产商顺利地在变动中过渡，评估不同供应商，从中做出最佳选择。 现在： 现有条件下，如果供应商不能及时供货，制造商很难评估对当前生产和下游服务造成的影响并及时做出反应。突然断货会导致大量额外成本，推迟生产周期，从而对公司业务造成巨大风险。制造商需要迅速作出决定考虑替代供应商、解决在产品的物流问题、当前库存的维持时间、在产品是否已经使用前一家供应商的零部件以及现有供应商是否具备所需的能力和技术按时提供所需供货能力。目前的IT支持还不能解决上述全部问题。 未来： 工业4.0可以模拟生产流程中的全部步骤，并确定各个步骤对生产的影响。模拟包括存储水平和运输物流，还能跟踪已经投入生产的零部件的使用记录，提供零部件寿命信息。通过这些数据，可以计算出不同产品的起模成本，用最节约的方式重新分配生产资源。工业4.0还可以评估相关风险。这样就能模拟出使用不同供应商的成本、利润和环境影响。广泛连接制造系统可以实时动态分析供应商的供货能力，同时在供应云的安全渠道中直接与供应商沟通联系。 7. 前景 德国有潜力成为工业4.0时代全球领先的市场和供应商。为此，除了攻克技术难关，不同行业的企业和员工要携手合作，共同造就发展。工业4.0平台是确保工业4.0的创新潜力能够被各行各业充分利用的重要一步。 实现工业4.0的美好愿景需要渐进式的发展，发展的速度在不同的领域和不同的公司不尽相同。因此，我们需要建立示范项目，尽快向市场推出新产品。 落实愿景应采取双轨战略。现有的基础技术和经验需根据制造工程的需要进行调整，并迅速大范围推广。同时，还要为新制造地点和新市场研发创新方案。如果双轨战略能够成功实现，德国将会成为工业4.0的领先供应商。打造全球领先的市场还将使德国成为具有吸引力的制造地点，保护国内制造业。 2011年初，产学研究联盟（Industry-Science Research Alliance）提出了工业4.0战略。预计2013年4月，BITKOM、VDMA和ZVEI等制造工程行业协会，将与企业、专家和公民社会一道，共同确保工业4.0战略的渐进发展和连贯落实。 用系统的办法让所有的利益相关方参与其中、互相交流技术和社会创新将为这一领域的成功合作打下良好基础。 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