不一样的德国工业4.0 学不会的德国思维

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关键词:工业4.0 智能制造

    工业4.0在全球引起了热浪,但没有一个国家,像德国这样,成立专门的机构进行深耕细挖。整个工业体系,都围绕工业4.0进行构建。如此抽象的一个概念,硬是被德国人一笔一划地描绘出来。

    德国工业思维,看得见,却未必学得会。

    工业4.0的金字塔司令部

    德国成立的工业4.0平台,是“工业数字化”数字生态系统的中心枢纽,来自150多个组织的350多名利益相关者,参与平台的工作。而它的核心是各个工作组,通过各领域专家的协同、中小企业的支持,以及组织开展国际合作,从而将各种专业知识汇聚在一起。

    它采用了一种扁平的决策机制:从顶层的工业4.0平台,到中间的标准化委员会(Standardization Council Industrie4.0, SCI4.0)和面向企业的实验室网络(Lab Networks Industrie4.0, LNI4.0)。这是一个从上到下、从下到上的三元治理结构。

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    图1:金字塔型决策机制

    但在一开始,工业4.0平台也是一种“乱糟糟”的结构。

    工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助,投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平,建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂,在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。

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    图2:早期工业4.0平台的结构(2016)

    对比2016年的工业4.0平台,就知道这两年,工业4.0平台的组织结构进行了精致的进化。

    目前工业4.0共有六个工作组,包括第一工作组WG1,主要是参考架构、标准和规范,主席来自ABB;第二工作组则是技术与应用场景,主席来自菲尼克斯;第三工作组是互联系统的安全性,主席来自博世公司;第四工作组是法律框架,主席来自蒂森克虏伯;第五工作组是就业、教育与培训,主席来自德国金属工业协会;第六工作组是工业4.0的数字化商业模型,主席来自埃森哲咨询公司。

    2016年4月,在柏林成立了德国工业4.0标准化委员会(SCI4.0),目标就是协调国际标准组织。SCI负责跟这些密密麻麻的国际组织,进行对标和连接,从而最终建立德国自己的工业4.0的技术路线图和标准架构。这个组织最大的特点就是跨领域,它很好地结合了机械、电气和IT领域,因此,受到广泛的欢迎。

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    图3:标准环生的工业4.0

    而对待不同的国家战略,SCI有条不紊地跟中国智能制造、美国工业互联网联盟IIC、日本IVI协会、法国、意大利、澳大利亚都建立了合作机制。

    最下面是工业4.0实验室网络(LNI4.0),负责具体落实标准的测试、实验和反馈。这是一个面向企业、面向落地的应用型组织。它最大限度地把德国工业4.0所有能达成的共识,用实践和落地的方式,传递给了德国中小企业。

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    图4:三元治理的循环

    有了这三者的分工,工业4.0可以在各个层面上,轻松对接。既推动德国企业的相互联系,又大大促进国际交流。目前德国工业4.0已经跟中国、美国IIC、日本工业价值链IVI、澳大利亚、法国和意大利等,都建立了双边对接关系。中德两国于2015年5月成立了中德智能制造/工业4.0标准化工作组。目前已在参考模型互认、信息安全和功能安全、工业网络与边缘计算、案例、预测性维护、人工智能应用,以及工业4.0组件/管理壳/数字双胞胎等方面开展合作交流。

    可以说,德国精确地构建了一个面向工业4.0的顶层治理结构。

    如德国战车一样的精准。

    向工业互联网拓展:基于价值的服务VBS(Value-based scenario)

    在工业4.0的大背景下,人们渐渐意识到,要实现制造业数字化,除了技术驱动的自下而上的方法外,还必须通过自上而下的驱动方式。后者来自业务场景和商业模式的驱动,从而衍生出很多的技术应用实例。而这些实例,同样是获得新产品、解决方案和服务,以及标准化的基础。

    如何在技术层面上以实例的形式描述参与者与技术系统的相互作用。已经通过工业4.0平台的具体应用场景来设定考虑范围。

    德国工业4.0 平台提出了一种新的想法:基于价值的服务(Value-based scenario, VBS),即基于场景出发,考虑数字工业服务的价值。

    在考虑产品是一台机器设备的情况下,传统只有两类角色:设备供应商和设备拥有者。

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    图5:基于价值的服务应用场景VBS

    然而工业互联网的广泛应用,使得这个最传统的应用场景,正在引入两个额外的角色:服务平台运营商和数据驱动型服务商。

    那么在将来,谁将完成这些额外的业务角色?是机器的供应商,还是机器的拥有者。这个问题随着数字技术的引入,众多的第三方已经蜂拥而至。这也是工业互联网平台最令人困惑的一点:每家供应商角色,都在模糊,而且都在交叉。

    德国工业4.0平台认为,基于VBS的应用场景的推进,是深化工业4.0的重要基石。

    德国问什么是数字商业模式

    什么是数字商业模式?

    这个问题还需要回答吗?德国人并不这么想。

    德国工业4.0对价值创造的贡献,正在聚焦于两个点上:一个是行动机制,一个是数字商业模式的架构。政府、科学家、商业协会和社会合作伙伴都在讨论围绕着德国工业可带来的附加值,以及如何提高德国的竞争力和生活质量的问题。

    德国工业4.0平台组,专门增加了第6个数字商业模式工作组,以需求解决这些问题,并通过不同利益攸关方之间的有条理的讨论,为采取行动提供动力。

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    图6:数字商业模式的创新驱动力

    德国工业4.0平台找到了两个基础。一个是根据Osterwalder和Pigneur(2010)对商业模式的定义,即商业模式是描述组织如何创建、交付和捕获价值的基本原理。这通常包括价值主张、价值创造架构、合作伙伴网络。第二个是根据Jaekel(2015)的看法,价值创造架构中的数字业务模式的特点是专注于数据和分析,并通过平台将其合作伙伴网络组织为一个可扩展的生态系统。这与价值主张(产品和服务)和利润模式(成本结构和收入)的转变密切相关。

    那么第6工作中的任务之一,就是研究如何将这一定义应用于产品制造。

    真是一个新奇的任务。相对于国内制造而言,最常谈的就是“新制造”和“新模式”。然而无人知道背后的内涵究竟是什么。而德国人第一个想到的就是先确定概念基础,取得“共识起点”。

    德国人提供了一些答案,值得注意的一点是:“通过提高软件在产品中的份额——通常与平台的使用相结合,会加强更大的可扩展性。”

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    图7:体验成为基石之一

    工作组郑重提醒德国制造商,一定要把重点从“产品和生产”扩展到“基于数据服务的运行机制”,即“智能产品+智能服务+新体验”。智能服务就是基于数据产生的新价值,例如,无人驾驶不会发生事故的车辆。

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    图8:数字商业模式的新思维

    推动数字商业模式转变的基石,是智能产品、平台、生态系统和数字双胞胎。而所有这些背后是通过底层技术来实现更强大的连通性、更快的速度和更小的尺寸。

    数据的质量(“原材料”)、操作系统和治理结构决定了关键的不同。为了提供尽可能好的运营环境,需要正确的监管和以人为本的关键驱动因素。

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    图9:德国工业4.0进展

    管理壳:万物有外衣

    工业4.0组件是为了实现将各项资产集成到信息世界应运而生的。这里的资产包括所有为实现工业4.0解决方案而需要“连接”的内容,例如,机器及其零部件;供应材料、零件和产品;图纸、布线图等交换的文件;合同和订单等。

    而将这些工业4.0组件,进行数字化表达的最有价值的转化方式,就是德国工业4.0平台提出的管理壳。企业的各种资产的数字化形式,通过资产管理壳(Asset Administration Shell, AAS)来表达。

    工业4.0组件中,通过管理壳来实现数字化集成。它可以将资产集成到工业4.0通信中;为资产的所有信息提供受控访问;是标准化并且安全的通信接口;支持在没有通信接口的情况下,使用条形码或二维码来集成“被动”资产;并且在网络中是可寻址的,可以对资产进行明确的识别。可以说,管理壳是工业4.0组件的“互联网表达器”。

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    图10:符合IEC PAS 63088标准的管理壳

    从2015年开始,德国一直围绕着管理壳,做各种模型描述和标准覆盖。这些相互交织的模型,加上来自企业的实践,正在将德国制造的产品推进到赛博(Cyber)空间中去。德国最以为荣的机器,很快就会变成带有数字双胞胎的机器。德国机器的数字化就绪度,抬头可见。

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    图11:德国管理壳

    在2018年11月德国纽伦堡展会上,德国公布了管理壳的最新进展。

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    图12:管理壳在物联网平台上的应用

    管理壳可以覆盖生产、制造系统和业务的全部生命周期。下面以发动机为例,介绍管理壳中包含的相关内容。首先在工程阶段,管理壳会考虑各项功能。例如,发动机的扭矩和轴高等性能将放入管理壳中。下一步,选择制造商提供的某一特定类型(type)的发动机,有关此类发动机的更多信息将被添加到管理壳中。

    接下来,发动机制造商提供一个组件用以对发动机进行计算和模拟, 从而对上一步的选型进行模拟和确认。在调试阶段,发动机会被订购,发动机类型(type)会变为带有序列号的发动机实物(instance),该序列号是这一发动机所特有的数据。这样,管理壳进一步得到丰富。在发动机运行阶段,测量的温度,振动等运行参数也会记录在管理壳中。

    对发动机进行维护保养的数据也会记录在管理壳中。发动机使用寿命终止后,会更换新的发动机。更换后,新发动机的类型(type)&实物(instance)的所有信息都将被记录在管理壳中。供应商、工程合作伙伴、系统集成商、运营商和服务合作伙伴等价值链中的所有合作伙伴都可以交换管理壳中的信息。

    目前工业4.0平台已发布的管理壳成果物包括:管理壳框架、工业4.0组件之间的关系、管理壳作为基于工业4.0通信的倡议,以及管理壳的安全性等。

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    图13:管理壳的实施思路

    可以说,德国管理壳,是以工业4.0顶层架构RAMI4.0做为“针”,以各种技术标准作为“线”,密密麻麻地为德国机器缝制的一个软猬甲。而RAMI4.0和管理壳,都是由第一工作组:参考架构、标准和规范负责研发。

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    图14:管理壳的工业伙伴众多

    这是德国机器未来的新战袍,也许令人想到机甲战士。如果考虑德国工业4.0平台组,不遗余力地与各国进行对接。德国这些管理壳,很快也会成为机器制造的国际性管理壳,那么在数字空间中,数字双胞胎的基因将由这些管理壳确定。它们的标签是“德国造”。这也是德国工业所有数字双胞胎的大本营。

    “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。德国联邦政府投入达2亿欧元。

    德国政府提出“工业4.0”战略,并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出,其目的是为了提高德国工业的竞争力,在新一轮工业革命中占领先机。 该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同,弗劳恩霍夫协会将在其下属6-7个生产领域的研究所引入工业4.0概念,西门子公司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

    工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助,投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平,建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂,在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。

    (审核编辑: 智汇张瑜)