第1章 “工业4.0”——制造业的未来

1.1 第四次工业革命——“工业4.0”

随着制造业再次成为全球经济稳定发展的驱动力，世界各主要工业国家都加快了工业发展的步伐：从美国的“制造业复兴”计划到德国的“工业4.0”战略，再到中国的“十二五”发展规划，制造业正逐步成为各国经济发展的重中之重，引领未来制造业的方向也成为制造业强国竞争的一个战略制高点。

两个多世纪以前，蒸汽机的发明带来的第一次工业革命开启了农业社会向工业社会的转变。20世纪初期，随着电力的应用、劳动分工和大规模生产的出现，拉开了第二次工业革命的大幕。20世纪70年代后，随着自动化技术的出现，开创了第三次工业革命。前三次工业革命源于生产的机械化、电气化和信息化改造。当前，随着信息物理系统（Cyber-physical System，简称CPS）在制造业中的推广应用，正在引发第四次工业革命。“工业4.0”概念就是以数字制造为核心的第四次工业革命，工业革命的历史如图1-1所示。

“工业4.0”首先是由德国工程院、西门子公司等产学界领袖联合提出的，被德国政府确定为《高技术战略2020》十大未来项目之一，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，并于2013年9月在上海工博会上推介给中国市场。该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，西门子公司也已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统中。

提高生产力、缩短产品上市时间、采取更灵活的生产模式以及提高资源和能源利用效率，是全球工业面临的挑战，也是“工业4.0”提出的未来制造业的目标。为了实现这种先进的生产模式，需要融合现实生产和虚拟生产的技术，基于大数据、互联网、人，通过数字化工程、数字化制造等各种信息技术实现柔性制造，经济高效地满足客户个性化的定制需求。未来工厂的智能化程度将很高，这种智能将通过使用微型化处理器、存储装置、传感器和发送器来实现，这些装置将被嵌入几乎所有的设备、半成品和材料以及用于组织数据流的智能工具和新型软件中。所有这些创新将使产品和设备能够相互通信并交换命令。未来的工厂将在很大程度上自行控制和优化其制造工序，实现智能制造。

这一切的变化都将通过信息物理系统实现。随着虚拟世界生成的信息流向实际物理世界的制造过程，全新的生产环境由此诞生。工业4.0带来的智能将人从执行例行任务中解放出来，使得他们能够专注于创新、增值的活动。工业4.0的标志性特征有如下三点。

● 通过价值链和价值网络实现企业间的横向集成。在工业4.0环境下，企业通过CPS系统，可以保障新商业策略、价值网络和商业模式得到持续的支持和实施。横向集成是指将各种企业内和企业间的商业运营IT系统集成在一起，实现全供应链的集成（见图1-2）。

● 贯穿整个价值链的端到端的设计工程数字化集成。CPS系统使得产品的开发、制造及服务可以实时地在虚拟世界进行仿真研究，并控制现实的制造过程，实现全数字化的价值链（见图1-3）。

● 企业内部可灵活重组网络化制造系统的纵向集成。在智能工厂中，柔性的制造模式将不同层面的自动化IT系统（执行器、传感器、控制器、制造执行系统、企业计划系统等层面）集成在一起，灵活地按照生产任务进行组织，实现全集成自动化（见图1-4）。

工业4.0将应对并解决当今世界所面临的诸如资源与能源利用效率、城市生产和人口结构变化等一系列挑战。它将为制造业和社会带来如下收益。

● 满足用户个性化需求。工业4.0可以在设计、配置、规划、制造和运作等环节考虑个体的特殊需求，也可以保障企业在产品批量很低的情况下仍然获利。

● 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、价格等，进行动态配置。这有利于供应链的“微调”，也意味着工艺流程可以更加灵活。

● 决策优化。工业4.0通过集成，实现横向、纵向实时透明，使得决策有强大的数据支持，并且可以及时得到验证，达到全局最优。

● 生产效率优化。CPS贯穿在整个价值网络中，对制造过程进行优化。

● 通过服务创造价值。通过CPS的大数据智能，企业可以创造新的价值服务。

● 应对人口的变化。工业4.0将提供灵活多样化的职业路径，让人们的工作生涯更长，并保持生产能力。

● 工作和生活的平衡。CPS使得公司的工作组织模式更加灵活，可以让员工在工作、生活之间获得更好的平衡。

2015年，中国政府正式提出了“中国制造2025”的战略。“中国制造2025”和“互联网+”的概念包罗万象，其内容相当于美欧日近年来相关战略计划的有机综合。表1-1详细对比了中国制造2025、德国工业4.0和美国的制造业复兴的战略内容、特征等信息。从这些特征来看，整个工业领域也正在经历一场制造业的大变革，这将引领传统制造业迈向定制化、信息化、数字化和绿色化。

1.2 中国制造2025规划

“中国制造2025”是中国版的“工业4.0”规划。“中国制造2025”明确提出，到2025年迈入制造强国行列，2035年制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平，新中国成立一百年时制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。中国制造2025包含五项重大工程和九项主要任务。

1.2.1 中国制造2025的五项重大工程

● 国家制造业创新中心建设工程，面向未来的10大重点领域的基础研究和产业化的工程，建设一批产、学、研、用相结合的制造业创新中心。

● 工业强基工程，主要解决基础零部件、基础工艺、基础材料落后问题。

● 绿色制造工程，加快实施工业绿色发展战略，全面推进企业的清洁生产，大力推进节能环保产业发展等。

● 高端装备制造业创新，在实施互联网、数控设备、大飞机等专项的基础上，推进新的高端装备创新专项。

● 智能制造，新一轮科技革命的核心也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向，通过智能制造，带动产业数字化水平和智能化水平的提高。

1.2.2 中国制造2025的九大任务

● 提高国家制造业创新能力。我国制造业的巨大规模和低成本的传统优势并不能成为企业发展的不竭动力，只有技术进步的支持和自主创新能力的培育才能给企业带来持久的竞争优势。

● 强化工业基础能力。2015年，工信部将继续开展工业强基专项行动，完善政策措施，加大工作力度，持续提升工业基础能力，加快促进工业转型升级。

● 全面推进绿色制造。工信部将全面推进钢铁、有色、化工、建材、造纸、印染等传统制造业绿色化改造，降低重点行业能耗，提高产品制造效率。

● 深入推进制造业结构调整。产业结构调整是未来十年中国经济“新常态”形成的重要根基。只有顺应全球产业发展趋势，把握关键性行业，形成产业优势，力争有所突破，才能在未来的世界政治经济格局中具有竞争力。

● 提高制造业国际化发展水平。一是重视标准的制订，争取国际话语权；二是努力增加高质量高附加值的产品；三是重视自主创新，发展核心技术；四是重视人力资本，提高劳动者素质。

● 推进信息化与工业化深度融合。两化深度融合是指信息化与工业化在更大的范围、更细的行业、更广的领域、更高的层次、更深的应用、更多的智能方面实现彼此交融。

● 加强质量品牌建设。质量品牌战略是提高工业发展质量、效益的重要抓手和有效举措。质量竞争力指数已纳入制造强国指标体系。

● 大力推动重点领域突破性发展，发展先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备等重点领域。

● 积极发展服务型制造业和生产性服务业，通过“制造服务化”和“服务型制造”模式的变革，促进生产环节向高附加值的两端延伸，从而增强制造企业的盈利能力，更好、更丰富地满足消费者偏好。

1.3 西门子的“工业4.0”最佳实践

西门子认为，制造业存在如下基本需求——保障产品质量、提高生产效率、缩短产品上市时间、增加制造的灵活性。然而在传统的制造条件下，企业通常要牺牲灵活性来提升生产效率、缩短产品上市时间。如何同时满足这些需求决定了西门子的创新方向——智能制造，这也就是西门子定义的“工业4.0”。

有“欧洲最佳工厂”之称的西门子德国安贝格电子制造工厂是西门子打造的第一个数字化工厂（见图1-5），正是由这家工厂探索出了从传统制造向数字制造转型的技术线路。西门子中国成都工厂SEWC作为安贝格在中国的双胞胎工厂，也实现了从企业管理、产品研发到制造控制层面的高度互联，通过在整个价值链中集成IT系统应用，实现涵盖设计、生产、物流、市场和销售等诸多环节在内的高度复杂的全生命周期的自动化控制和管理。SEWC于2013年9月11日正式开始运营。

关于SEWC，让用户和分析师津津乐道的是这座工厂不仅是一个数字化企业，而且绝大多数技术来自西门子。工厂里生产的每一件新品，都拥有自己的数据信息，数据在研发、生产、物流的各环节不断丰富，并实时保存在一个数据平台中。基于这一数据基础，ERP、PLM、MES、控制系统以及供应链管理实现了信息互联。工厂采用了西门子PLM（全生命周期管理）软件，通过虚拟化的产品规划和设计，实现信息无缝互联。利用制造执行系统SIMATIC IT和全集成自动化解决方案（TIA），将产品和生产生命周期进行集成，缩短产品上市时间。该设计还赋予工厂灵活性，可满足1500多种不同产品的混线生产（允许批量为1），并为将来的产能调整做出合理规划。

1.4 西门子助力中国“工业4.0”

在中国，西门子作为本土工业企业的合作伙伴已有140多年历史，见证并参与了中国制造业的发展，对中国制造业有着深刻而准确的理解。现在，西门子将现实和虚拟的生产世界相结合，着力推动制造业在未来的发展，其具有前瞻性的远景规划、丰富的行业知识，为工业4.0及数字化企业平台的未来发展奠定了坚实的基础。典型的西门子数字化制造平台如图1-6所示。

西门子工业软件平台是实现工业4.0的载体。它可以实现包括产品设计、生产规划、生产工程，直到生产执行和服务的全生命周期的高效运行，以最小的资源消耗获取最高的生产效率。该平台的实现需要企业以数字化技术为基础，在物联网、云计算、大数据、工业以太网等技术的强力支持下，集成目前最先进的生产管理系统及生产过程软件、硬件，如产品生命周期管理软件、制造执行系统软件和全集成自动化技术。西门子的整体解决方案可以帮助中国工业企业实现升级转型，以更高生产力、更高效能、更短产品上市时间、更强灵活性在国际竞争中占据先机。

总之，作为工业技术和工业软件的全球领导者，西门子将积极在中国的“工业4.0”变革（也就是“两化深度融合”的高级阶段）中扮演世界级的实践者和战略供应商两个关键角色。作为世界级的实践者，西门子自身使用自己发明创造的技术实现卓越运营，为广大用户提供实践经验；作为战略提供商，西门子愿意和广大用户分享这些经验，并提供世界级的工业软件和解决方案，一起推动“工业4.0”的变革进程。