漫谈德国“工业4.0”

    德国提出的“工业4.0”概念来源于2011年汉诺威工业博览会，最初的想法只是通过物联网等媒介来提高德国制造业水平。在德国工程科学院等学术界和产业界的建议和推动下，德国联邦教研部与联邦经济技术部于2013年将“工业4.0”项目纳入了《高技术战略2020》的十大未来项目中，以更好地促进该国制造业向更高层次发展。为了引进德国先进技术，增强国内生产总值，很多国家及企业也开始提出应用德国“工业4.0”来发展本国制造业。由于国家体制与制造企业的发展水平不尽相同，对德国“工业4.0”的理解也不尽相同。

　　到现在为止，能被详细定义为生产力的巨大变革只有三次，分别是：以蒸汽机为代表的第一次工业革命，其标志是从手工劳动转向机器化生产;以电气化为代表的二次工业革命，极大地提高了生产效率;以信息工程、生物工程为代表的第三次工业革命，实现自动化、信息化。德国“工业4.0”的提法出现后，一些专家的理解如下：

　　美国辛辛那提大学特聘讲座教授李杰认为，德国“工业4.0”的实质是“价值创造”。

　　他用“煎蛋模型”来阐述如何创造价值，就是把产品作为“蛋黄”，服务作为“蛋清”，而以后的市场应该去“蛋清”里挖掘。眼下我国制造企业的利润集中在“蛋黄”部分，很不完整，未来生产制造应该是“产品+服务”。

　　中国工程院周济院士认为，中国在没有完成工业化(电气化)的情况下，就进入了信息化时代，所以，德国“工业4.0”对中国的启示是，通过两化融合的手段促进制造业继续向更高水平发展。

　　笔者认为，对于德国“工业4.0”，专家及业内人士的认知大致一样，其内核要素是资源、环境、价值。它是在现有的技术条件下，三者通过相互促进、相互制约，以演化、融合形成新的工业体系，而这三个要素不能孤立存在。

　　实现智能化

　　其实，德国“工业4.0”是一种目标，就是全面实现智能化。任何产品，不管设计如何精准，在生产过程中也会出现各类问题。以零部件制造为例，设计、工艺都可以保证其精准，但刀具或者其他设备出现问题，则可导致零件加工偏差。而智能制造能提前检查出设备误差，并能在生产过程中实现实时监测、跟踪监测，自动修配及调整设备，使得后续与其配套的其他零部件与之相匹配，最终令装配出来的产品满足质量要求，以减少或杜绝浪费，这就是智能化的终极目标。

　　智能化的结果就是实时发现问题，实时对工艺、设备或产品进行修配及调整，其最核心的目标是减少浪费。比如3D打印，只要把设计好的3D模型输入，产品就能马上制造出来。由于是增材制造(过去的车铣刨磨是减材制造)，所以就节省了不少原材料，同时意味着降低了成本。

　　如李杰所言，飞机螺旋桨，在准备切割时就能预测切得准确与否，有无问题，并判断出问题在哪里。这就是实时监测带来的好处。

　　大多数情况下，在实时监测的生产环境中，设备生产产品的精准度达不到100%，所以需要相应的手段或工具以弥补它的不足。如3D打印，因为它不仅能出产品，还能修补漏洞，例如，某一设备金属被掏空一个小口，若不是主承力件，只是次承力件的话，完全可以利用3D打印把空缺的部分填补上，而且看不出一点痕迹，这能使很多产品得到重复再使用，降低成本，避免浪费。

　　随着机器人技术、数字化的设计方法、仿真方法的广泛应用，制造过程自动化程度越来越高，传统的人工介入方式将越来越少。

打造生态循环

　　德国“工业4.0”最重要的一点是，以产品加服务为中心，而不是以制造为中心。以前，很多人买自行车、汽车、电冰箱、风扇、空调，当不需要时只能当废品处理，这很容易造成浪费。而如果以服务为中心的智能制造的话，用户可以购买汽车行驶小时数或里程数，此后所有的一切都无需用户操心。当用户不想用这部汽车时，汽车公司会进行回收。与当做废品处理掉相比，谁优谁劣一目了然。当汽车被汽车公司回收后，可利用3D打印进行返修，返修出来就可以循环重复使用。在伊拉克战争中，美军对M1A1坦克的维修就初步含有这种思想，只是当时3D打印技术尚未成熟。

　　空调、手机也可以全部返回原厂商。手机上很多贵重金属，完全可以统一回收起来再利用，这就是制造业的生态化、绿色化、环保化，全部依靠智能制造实现，也就是制造业的生态循环。

　　如此健全的产业链属于循环经济。循环经济就是把世界的资源叠盖在一起循环利用，最终形成闭环，成为现代制造业的生态环境，这就是智能制造的核心。Space X的执行长兼首席设计师、特斯拉汽车执行长兼产品架构师、以及SolarCity的主席马斯克一生只做三件事，分别是：龙飞船、特斯拉汽车、太阳能发电，这三件事跟资源环境紧密相关。

　　向“所想即所得”演进

　　1995年，清华大学获国际CIMS(计算机/现代集成制造系统)应用领先奖。其获奖作品就是利用CAD设计一个3D钱币模型，把编制好的工艺流程与数控代码，发送到数控机床上就可直接制造出钱币。英国前首相撒切尔夫人访华时，曾在清华大学主楼题字，当她到另一栋楼参观时，就有人把她前几分钟题的字用激光在金属板上雕刻出来作为礼品送给了她，这就是“所见即所得”。时至今日，我国绝大部分制造企业努力的方向仍然是“所见即所得”。

　　随着当今新技术的发展，有部分制造企业已尝试从“所见即所得”过渡到“所想即所得”阶段。2011年，美国人进行了一次实验，成功地利用脑电波控制机器，给一只猴子喂香蕉。这个实验的步骤是：给猴子头上装一个脑电波信号探测仪，来探测它的脑电波信号;当猴子看见工作人员拿着香蕉走进来时，它脑子就会产生想吃的信号，被传感器测出;信号放大发送到计算机，就能通过控制机器手把香蕉给抓过来;香蕉拿过来了，可皮没剥，猴子大脑又产生脑电波信号，传送到计算机，继而控制机器手，机器手就把香蕉皮给剥了，最后把香蕉放进猴子嘴里，给猴子吃了。2012年4月，重庆大学也实现了该试验，说明中国也做到了。

　　2013年6月，脑电波控制飞行试验取得了成功。美国的一所大学，把脑电波信号采集器装到一个经过飞行训练的人的头上，他产生任何一个控制念头，都会被作为信号采集下来，通过WIFI无线网络把信号发射出去，以控制无线网络室内的无人直升机起飞、降落、前飞、后飞、前拐、后拐。这些都已在现实存在，并不是虚拟想象。

　　试想一下，5年后，10年后，知识传输还需要老师教吗?产品还需要用手在计算机上建模型吗?只要脑子有一个创意，就可以通过脑电波传输直接采集出来，变成真实可用的CAD模型，并直接应用于制造环节，这就是“所想即所得”，现在看来并不是梦。

　　最后，笔者总结，德国“工业4.0”的前提是在工业自动化基础上，实现从机器传感器到因特网通讯的无缝对接，生产自动化技术通过自我诊断、自我修正和功能最大化程序变得更加智能，以更好地辅助工人完成生产。“工业4.0”巨大意义在于将传统工业生产与现代信息技术相结合，最终实现工厂智能化，提高资源利用率、生产灵活性及增强客户与商业伙伴紧密度，并提升工业生产的商业价值。