德国工业4.0｜通往工业4.0之路：全生命周期管理

【写在前面】

        上周，澎湃新闻（www.thepaper.cn）推出“中国制造2025”系列报道。作为中国制造业未来10年的顶层规划和路线图，“中国制造2025”的基本思路是，借助两个IT的结合（Industry Technology & Information Technology，工业技术和信息技术），改变中国制造业现状，令中国到2025年跻身现代工业强国之列。

        其中，借鉴德国版工业4.0计划，也是“中国制造2025”的既定方略。追根溯源，澎湃新闻遍访德国工业界，本周推出“德国工业4.0”系列报道。

        以下是本组稿件的第三篇，一起寻找通往工业4.0之路。

        为什么制造技术的大幅转型，在现在这个时间点得到高度重视？答案只有一个——数字化。

        计算能力、通信带宽和数据存储能力一直遵循摩尔定律，呈指数级增长，过去的限制因素不再是限制因素——今天，智能手机的计算能力相当于世纪之交时一台大型机的计算能力。现在，设备和机器当中有越来越多的传感器和通讯界面，机器之间的交互能力越来越强，物联网不是未来，而是已经成为了现实。

        过去，生产过程都是线性的，而现在，复杂网络化的新型生产方式已经出现。产品的种类和型号越来越多，使用了大量数据。以最数字化的工业之一——汽车工业为例，汽车的产品部类和型号在大增，而且人们都用数字化方式打造梦想之车，每个人都有自己喜欢的车轮、发动机、内饰、外饰等等配置。以新大众高尔夫为例，可以产生数万亿种组合。客户希望点一下鼠标，汽车就能够交付上门。

        在这样的竞争环境下，必须要实现更加灵活的制造和生产。不仅仅要有数字化、软件驱动的数据，还要把“现实制造”和“虚拟呈现”融合在一起。这里就不得不提一下产品生命周期软件，其可以优化整个产品生命周期，从最初的产品设计、生产规划，一直到生产实施和服务于最终用户。

        在产品设计时使用PLM（Product Lifecycle Management，产品生命周期管理）软件，可以给生产者提供三维模型，还可以在虚拟工厂中分析和优化自动化的设计。这样不仅节约原材料和资源，还可以节省大量的时间成本。

        在生产规划的时候，同样需要仿真。PLM软件可以让你虚拟开发每个机床的生产过程，甚至还可以实现整套设备的仿真，这将创建一种全新的视角，帮助你进行创造。不管是什么样的原样机，如果不满意，可以通过虚拟方式对它进行优化。这样一来，无需再制造一个原样机，把旧的和新的进行对比和改进。

        接下来，我举例说明这些想法在实际当中的应用。

        比如柯马上海工程有限公司，他们是从事各种汽车车身焊接工作的，也在使用西门子PLM软件。借此，柯马可以实现整个生产线的可视化，节省大量工程时间。另外，柯马的用户也可以在虚拟世界中，了解相应的车身焊接生产线的情况。

        德国的Index公司同样使用西门子的仿真软件来生产。现实世界中，通常要花几天时间才可以看到机床是否能正常使用，但是在仿真情况下，可以节省机床调试的时间。使用虚拟的机床，不仅可以用来帮助人员培训、保护核心资产，还把运转、操作的生产率提升了10%。

        如果你是计算机游戏爱好者的话，这是一个相当令人感觉到振奋的消息。因为，PLM软件可以帮助流程工业（比如在炼油厂或化工厂）实现三维可视化，使得培训工作更加轻松。使用这个软件，就像是玩电脑游戏一样，可以把工厂以三维方式呈现出来，还可以修改这个工厂的数字化呈现，通过三维控制观察工厂。

        软件、硬件的结合，还有另一个例子，就是华晨宝马的沈阳铁西工厂。这是全球最先进的宝马工厂之一，采用了全集成自动化（TIA）。华晨宝马的多款产品可以在一条生产线上生产。比如说，同一车的不同车型可以在一条线上来生产，而且各种改型也可以在一条线上生产。

        有了西门子LIS超宽带实时定位识别系统的辅助，该厂的总装车间取消了原来专门用于扫描车辆条形码的工位。车辆每到一个工位，根据车型、车辆识别码、车辆的不同配置，需要装配的各种零件等信息会自动显示在工位前方的操作屏上。一系列图像化的指示将指导工人完成所有的操作，而不再是像过去那样手上拿着纸质工作单或手册。这样，设备可用性达到了99%以上。

        这样一套节能增效的数字化工程，在安贝格能够做到，在中国也可以。成都的西门子工业自动化生产研发基地，也是数字化企业的典范，和西门子在德国的安贝格电子制造工厂几乎是双胞胎，质量的一次通过率高达99.6%。PLM软件能实现产品开发和生产领域的无缝对接，并且能进行虚拟仿真，把所有的信息同研发阶段对接到生产线当中，实时对接，实时交互。

        所有的这些例子是希望能够帮助大家理解，今天有哪些已经成为可能？在朝向未来的旅程上走到了哪一步？将来还有哪些可能性？企业如何进入这样的未来？在这儿，要讲讲面向未来的愿景——即将到来的工业4.0。

        对于很多专家来说，工业4.0应该是代表着第四次工业革命，大数据、云计算以及物联网都会用到第四次工业革命当中。但是，第四次工业革命的范围又超过了这些技术本身。

        在西门子看来，工业4.0有三个支柱。

        首先，MES（制造执行系统）将会起到更加重要的作用。自动化层和MES之间的对接会变得更加重要、更加无缝化，而且能跨越企业实现柔性生产。所有的信息都要实时可用，为生产网络化环节所用。

        第二个环节的组成部分是虚拟与现实的结合，也就是产品设计以及工程当中的数字化世界和真实世界的融合。这得为了应对生产效率越来越高、产品周期越来越短、产品变形越来越多等方面的挑战。

        第三个支柱是信息物理融合系统。什么设备可以放到一个虚拟信息空间当中以及物理世界当中，称之为信息物理融合系统。这些生产体系可以体现实实在在的既有物理工厂系统，也有在数字世界的仿真，最终能够实现生产过程的完全可控、可调。

        但要达到这样的状态，还要花一些时间。工业4.0有一系列先决条件。比如说，新材料或者新生物技术材料的仿真，厂商和客户的彼此了解，标准化指令系统的建设（详见澎湃新闻9月17日《德国工业4.0｜探访工业4.0时代：西门子的“工业3.X”》）。这一切还任重道远。

        作为传统的方式，有人看到库存低了，就会拿起电话要求供应商补货。但未来，你的MES系统会不断跟踪库存量，一旦库存达到了一定限值，会从你的ERP（企业资源计划）系统发电子信息给供应商，中间没有任何人为的干预。供应商是实体的供应商，你和他之间可以有非常好的供应条件，你可以通过EDI（Electronic Data Interchange，电子数据交换）的方式来实现所有管理。

        对产品数字化的呈现，不仅限于商品，甚至商品当中非常复杂的部件也可以实现数字化呈现。ERP系统以及供应商可以计算所有成本，根据现有机器运转情况去确定供货最大量是多少，或者最优价格是什么，所有的这些都不需要你去参与和干涉。这个时候，你的ERP系统可以做出决策建议，让你实现与供应商之间的最佳交流。将来，我们肯定会更加依赖机器，因为机器上面有芯片，而芯片上所携带的算法能够帮助它做出更加正确的决定。这是工业4.0从愿景到现实的第一步。

        第二步是虚拟与现实的融合，基于共同的数字化企业平台进行产品的设计和生产工程的集成，包括刚才提到的所有设计和规划等软件。

        第三步是信息物理融合系统，要实现柔性的制造和生产，缩短产品上市的时间。现在大家都在用即插即用的方式了，就像你买一个新的打印机，把它插在笔记本电脑上就能用。当一个机器人进入到了生产网络和系统，也可以拥有即插即用的能力，我们能做到这一点吗？还没有。现在，机器人比笔记本电脑或者打印机还是复杂得多，我们正在朝着这个方向努力。

        工业4.0，不仅意味着技术的转变、生产过程的转变，同时也意味着整个管理和组织结构的调整。必须放弃孤岛式的想法，为变革做好准备，要在产品设计以及生产规划方面都做好准备。任何一个公司或者任何一个国家单打独斗都不可能改变全球制造业，这就需要大家进行协作。各个企业、各个学科、各个行业都要来进行合作。

        将来，如果你只能看到库存少了，然后拿起电话给供应商打电话，那你可能很快会丢掉工作。你必须不断学习，去了解如何创造新的过程。将来，工厂并不会没有人，因为人是非常有创造性的，能够创造产品和整个生产的过程。但是，如果你的贡献只是做一道算术题的话，将来你的工作可能会受到来自于芯片的挑战。

        我还想再次强调，没有任何一个工厂是不需要人运行的，人是非常重要的。需要有人，才能参与到各个过程当中，要让人来使用这些软件，要让人教会机器来运转。只有这样，机器才会按照人的想法进行运转，制造才会更快、更高效，这是制造系统应该去遵循的原则。

        （鲁思沃是西门子股份公司管理委员会成员、西门子工业业务领域首席执行官，曾参与编写《工业4.0》一书，并被工业和信息化部、中国工程院等奉为座上宾，受邀解读未来制造业和工业4.0。本文是鲁思沃在2014年7月10日于北京举行的“2014西门子工业论坛”上的讲话。讲话原文较长，澎湃新闻记者杨漾对其进行了删减整理。）