工业4.0风暴席卷全球 中国制造业机遇在哪里？

【编者按】中国制造应如何抓住机遇迈向“工业4.0”？

定制化时代已至,中国工业4.0之路势在必行:在追求“定制化”、“个性化”产品的时代下,工业4.0应运而生。人口红利不再,劳动力成本上升掣肘我国制造业的国际竞争力,因此推进智能制造、促进产业升级转型,发展工业4.0成为我国的不二选择。

产业链要素具备,工业4.0腾飞在望:中国在工业4.0产业链上布局完善。企业管理层:工业大数据驱动制造业信息化,实现网络优化、运维完善、恢复系统和自主学习;企业运营层:“工业软件”+“工业以太网”让工厂实现高效运转、互联;执行层作为工业4.0的手和眼睛,其中传感器帮助感知物理世界,工业机器人和3D打印分别实现代替人工和定制生产。

工业大数据是工业4.0核心驱动力:工业大数据能够实现网络优化、运维完善、有效恢复系统和自主学习。以每年提高1%生产效率来测算,未来20年,它将为全球GDP增加10万亿-15万亿美元。艾瑞咨询预测2018年工业大数据整体规模将达到247亿元,年均增长率约19.5%。

工业软件,工业4.0的决策中心:2014年全球企业级软件市场规模为3175亿美元,同比增长5.5%,其中国产软件企业有一定市场份额,但与国外领先软件企业差距较大,目前国内市场排名前五位的国内厂商96%的销售在国内市场,全球份额不足0.3%,自主创新亟待加强。

“工业以太网”实现智慧互联:“工业以太网”作为工业4.0的基础器件,实现各个设备在工业条件下稳定可靠的信息交流。HMS统计,“工业以太网”占据全球工业通信市场34%的市场份额,并以每年17%的速度增长,逐步成为控制系统网络发展的主要方向。作为核心设备的工业以太网交换机2015年销售额达到16.07亿美元,预计2016~2018年将保持8.6%的复合增长率。

工业机器人市场方兴未艾:2015年,我国工业机器人市场规模达到6.7万台,居全球第一,而机器人密度仅30,远低于世界平均水平62,工业机器人市场存在巨大增量空间。现阶段工业机器人的核心零部件主要依赖进口,导致国内企业生产成本压力大,上游零部件国产化亟待突破。

传感器是工业4.0实现的基础和前提:2015年全球传感器市场规模超过1500亿美元,未来5年将保持10%~20%的复合增长速度。其中RFID和机器视觉作为非接触式、高精度的识别技术,已成为工业4.0的标配。

对标德国和美国,看中国工业4.0发展路径:美国和德国实施路径和逻辑相反,但是目标一致。美国是以GE、IBM这些公司为支持,侧重于从软件出发打通硬件;德国是以西门子、库卡、SAP这些公司为主导,希望可以从硬件打通到软件,两者的目标均是实现互联网和工业的融合。中国制造业目前的状况发展不平衡,因此要走软硬兼重、工业2.0、3.0和4.0并行发展道路。

“工业4.0”背景

据了解，“工业4.0” 研究项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略，德国联邦政府为此投入达2亿欧元。“很显然，德国非常重视此次智能化工业发展的战略。

根据最新调查研究报告显示，自2013年4月在汉诺威工业博览会上正式推出以来，工业4.0迅速成为德国的另一个标签，并在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛。

严格意义的讲，工业四代(Industry4.0)是指利用物联信息系统(Cyber—PhysicalSystem简称CPS)将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。

当前，我国大力发展智能机器人，正在向工业4.0过渡发展的关键时期。传统企业遭遇的用工荒、低端低效率的流水线将会被新一轮的智能制造设备所替代。

当前，我国高端传感器、智能仪器仪表、高档数控系统、工业应用软件等市场份额不到5%。“针对这样一个现状，我国大力提倡人工智能，并把人工智能列入发展规划的提纲中。

工业4.0把制造变成了物流

2008年全球金融危机后，由于产能增加但全球消费市场有限，各国为了保持国家的长期竞争力，纷纷出台各种引领制造业升级的国家战略和产业政策。

美国先后提出了《重振美国制造业政策框架》、《美国先进制造业的领先地位计划》和《先进制造业国家战略计划》等政策，利用机器人、自动化和3D打印等新兴产业构成美国的“再工业化”战略，这也是美国建国后的第五个国家战略，其重要性可见一斑。

德国则针对美国和中国制造业的步步紧逼，提出了《高新技术战略2020》和《把握德国制造业的未来：实施工业4.0的建议》，认为将物联网和服务引入制造业的趋势将迎来第四次工业革命，明确把工业4.0定位为国家发展战略，通过西门子、宝马等大公司形成标准而推广到国内为数众多的中小企业，以提高德国在生产和研发上的国际优势。

当然日本、韩国、英国、印度等国也纷纷根据自身情况提出了相应的先进制造发展战略。

中国在2013年短暂地成为全球第一制造大国，后迅速被美国的“再工业化”战略冲击而在2014年让出了这一位置。在实体经济遭遇下滑、制造企业大量倒闭的情况下，中国政府也开始在制造业产业政策上发力，于2015年推出了“中国制造2025”，计划通过三步走，推进信息化与工业化的融合，以实现综合实力进入世界制造强国行列的远期目标。

《中国制造2025》发布之后，许多人将之解读为中国版的工业4.0，一方面是由于德国政府主动邀请中国加入工业4.0体系，另一方面则是因为两国在制造业的数字化、网络化和智能化方向上有许多重合之处。

工业4.0随之在中国升温，但基本上还是定位在智能生产、智能工厂、智能物流和智能服务四个领域的纵向集成、横向集成和端到端集成等制造领域上。

几年来，从西门子、博世、宝马、空客到弗劳恩霍夫协会斯图加特研究所、德国工业科学联盟，笔者多次到德国工业4.0的发起企业和标准制定部门参观访问，从中发现，工业4.0中真正行之有效的革命并不是表现在制造环节的提升上，而在于全制造过程中各个物流环节的创新。

工业4.0是以赛博物理系统(Cyber-PhysicalSystem，CPS)来打通整个制造的数据环节，通过完善供应链条的待加工件(包括产品、零部件及原材料)，实现与设备、相关人的实时互联。其在改型改性的加工或包装的技术、设备和工艺上并未有创新或本质的改变，生产管理中的生产计划、实时调度、质量控制、设备运维和故障诊断也未因赛博物理系统CPS而有节点上的创新突破。因而，工业4.0并不比其他的生产管理模式(如福特的反U型生产线、大野耐一的JIT、沃马克的精益生产)更为有效，也不一定比企业资源规划ERP、制造执行系统MES、并行工程、虚拟制造等软硬件系统在制造环节的效率提升上更为创新。

但是，工业4.0却在全供应链的各个物流环节上取得了突飞猛进的效率提升。其利用赛博物理系统CPS为核心，将原材料、零部件或最终产品赋予关联的数据属性，通过自组织的智能规划，主动寻找同样赋予关联数据属性的移动载体、分拣设备、加工设备等加工或包装载体、各环节的管理人员、操作人员或机器人，并可以通过自组织的协同、协调能力，有效准时地完成需要的处理任务。简单地说，就是零部件可以自己找车、找设备、找工人进行符合最优规划的加工，或者原材料、产品可以自己找车、找库、找人进行符合最优规划的采购、库存、包装和交付。

赛博物理系统CPS是工业4.0的核心，它包含了计算、网络和物理实体，通过计算、通讯和控制技术的协同和融合，实现了人机交互和物理进程交互。

事实上，由于赛博物理系统CPS的存在，可以使得建立全产业链的供应链管理仿真模型，利用物联网将产品、AGV、叉车、货架、托盘、周转箱、加工设备、机器人、由人机交互设备辅助控制的操作人员和管理人员直接接入赛博物理系统CPS，通过完整供应链供应任务或终端市场真实而个性化的需求，综合优化供应链资源，并进行实时的资源重组，形成自组织协同能力，完成最有效的物流保障任务。

因此，在工业4.0运行环境中，产品设计、开发、加工设备、加工技术、加工工艺、生产线以及生产管理中的排产、调度、质量控制和设备运维并不需要改变，需要改变的是每一个智能化的保障系统或保障单元，如待加工件、AGV小车、货架及周转箱、分拣系统、机器人等，这些保障系统和保障单元通过主动协同赛博物理系统的其他相关单元，使得物流作业网络更加高效、准时和低成本，以完成供应链的系统优化。

在工业4.0中，人是极其重要的组成单元。一方面是因为人本身就具有自组织的主动协调和协同作业能力，另一方面则是可以通过人机交互接口实现对人操作的辅助支撑功能，让人发挥出更大的主动能力。

中国制造业企业的信息化基础还很差，但是互联网、移动互联网、物联网、供应链商业渠道优化的基础却位居全球前列，完全有条件先在制造过程的物流保障体系、供应链系统优化方面实现信息化与工业化融合，提高制造过程的效率，从而形成制造业的竞争力。(作者系清华大学工程管理硕士教育中心执行主任，博士生导师)

工业4.0时代如何撰写中国名片

E·J·霍布斯鲍恩(Hobsbawm)在《革命的时代》中写道，产业革命是既无开头也无结尾的乐章，它仍在奏响。事实也正如这句话所描述的一样，在社会不断进步的齿轮下，前三次工业革命的历史光环逐渐被第四次工业革命所取代，工业4.0时代正在逐渐拉开帷幕，这对于中国的制造业是巨大的挑战，同时也意味着前所未有的契机。

在上一轮的国际分工中，中国被分到了产业链的最低端，兢兢业业，一干就是40年，并且凭借着强大的人力成本优势，成为了“世界工厂”，“中国制造”也一度成为了中国最响亮的名片。

然而，随着第四次工业革命的不断深入，传统的劳动密集型企业面临着人力成本不断上升、技术升级成本巨大等阵痛，同时，印度等第三世界国家制造业的兴起也对中国传统制造业形成了挑战。在这种挑战下，不少企业受到了巨大冲击甚至倒闭，其中不乏胜华科技这样知名的企业。

数据显示，2015年我国智能制造产值在1万亿元左右，2020年有望超3万亿元，年复合增长率约20%。智能化将在第四次工业革命中成为中国制造业发展的最终目标，也将成为中国从“制造大国”发展为“制造强国”的契机。

鉴于此，在工信部的支持和指导下，一些知名的中国企业从去年开始加大产业智能化的脚步。其中，以海尔和新日的产品智能化升级效果最为显著，而这两家企业也为其他企业提供了产品智能升级的两个思路。

海尔从去年开始致力于对于家电智能生态圈的建立，希望形成完整产品链。而新日电动车作为传统制造业则将重心更多放在了智能系统和单品的研发，比如最新上市的智能车款——新日猎鹰，凭借着一键启动、智能防盗、智能影音等让人耳目一新的功能取得了惊人的销量。

李克强总理曾盛赞中国高铁是国家的“黄金名片”，而工业4.0时代，制造业如何撰写好“中国名片”，这仍然是一个值得不断探索的问题。

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