工业4.0时代给中国企业创新带来的机遇和挑战 --- 中国知识产权杂志

工业4.0时代给中国企业创新带来的机遇和挑战

2015/11/26发表

作者:周砚 北京市知识产权局副局长
余刚 北京康信知识产权代理有限责任公司 执行合伙人
李慧 北京康信知识产权代理有限责任公司 合伙人

  从工业4.0的起源以及工业4.0战略实施入手,研究了工业4.0的内涵及其关键要素。基于上述研究进一步明确其与工业3.0以及我国政府提出的"互联网+"政策之间的差异。同时,本文调研了德国企业在工业4.0的背景下,有关企业的战略、研发产品方向、智慧工厂建设、标准制定、工业4.0研发项目参与以及知识产权布局的最新发展。根据上述调研,本文明确了在工业4.0背景下参与到工业4.0的四种主要的企业类型和发展方向及重点。同时,基于对于国内企业的现状研究,本文提出了在现状下参考工业4.0中国企业未来的发展重点和需要开展的工作,以及政府在支撑企业发展过程中的角色定位和应当采取的措施的建议。

第一部分 工业4.0概况 

  一、工业4.0 的由来及要素组成

  工业4.0的概念最早出现在2011年汉诺威工业博览会,德国人工智能研究中心董事兼行政总裁沃尔夫冈·瓦尔斯特尔(Wolfgang Wahlster)教授在开幕式中提到,要通过物联网等媒介来推动第四次工业革命,提高制造业水平。由此,工业4.0被誉为第四次工业革命1

  在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等学术界和产业界的大力推动下,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,计划投入2亿欧元资金,支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新,其目的在于奠定德国在关键技术上的国际领先地位,夯实德国作为技术经济强国的核心竞争力。随后,德国机械及制造商协会(VDMA)等设立了"工业4.0平台",德国电气电子和信息技术协会发表了德国首个工业4.0标准化路线图。

  2011年的汉诺威工业博览会的口号是"一体化工业"(Integrated Industry)和"智能效率"(Smart Efficiency)。2,3 沃尔夫冈o瓦尔斯特尔提出的工业4.0的主题是智慧工厂和智慧生产,同时提出工业4.0具有以下几个要素4

  ①网络安全为基础;
  ②数据传输的标准化;
  ③产品信息存储装置(Product Memories)的大容量化;
  ④通过物联网实现机器与机器、人与机器间的互联互通以及自主智能控制的高级别需求;
  ⑤贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成6

  二、解读德国工业4.0 的战略实施建议书

  (一)德国工业4.0工作组与战略实施建议书7

  "工业4.0工作组"是在2011年底由工业科学调查联盟(Industry-Science Research Alliance)的KOMMUNIKATION 促进小组(Promoters group)着手组建。

  2012年1月,由来自Robert-Bosch GmbH的Dr. Siegfried Dais和来自acatech - German Academy of Science and Engineering的Prof. Henning Kagermann主持的"工业4.0工作组"成立,其主要任务是起草关于工业4.0实施的战略建议书。8

  2012年10月,该工业4.0工作组向德国联邦政府提交了一份工业4.0战略实施建议书。9

  2013年4月8日,在"汉诺威工业博览会"上,最终的工业4.0战略实施建议书--《保障德国制造业的未来--关于实施工业4.0战略的建议》(Securing the future of German manufacturing industry--Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0)面世,除了Siegfried Dais和Henning Kagermann,这份报告的编撰也汇集了包括沃尔夫冈o瓦尔斯特尔在内的众多专家。10,11

  (二)解读工业4.0战略实施建议书中的工业4.0的内涵

  工业4.0战略实施建议书中的关于工业4.0的定义为:

  由物联网(Internet of Things)和服务联网(Internet of Services)所引领,最终会将机械、仓储、产品等都纳入信息物理系统中(Cyber-Physical Systems,简称CPS),实现资源的优化配置、个性化生产、高度自动化生产等效果。

  信息物理系统(Cyber Physical System)就是指连接工业4.0中的各个要素,构建交互网络,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。

  工业4.0战略实施建议书中的工业4.0中的关键要素主要包括:

  CPS平台:包括智能机器、储存系统和生产设施,各个部分能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制。
  智慧工厂:主要关注智能化生产系统及过程,以及网络分布式生产设施的实现。12
  智慧电网等智能基础设施:工业4.0生产的辅助设施,比如能源控制需求。
  用户端设施:用户需求的采集与反馈,用户的智能互动、智能设计。

  (三)工业4.0战略实施建议书中的工业4.0的特征

  1.信息物理系统(Cyber-Physical Systems)13

  信息物理系统(CPS)是由工业生产中的各个环节节点互相连接而构建出的工业4.0生产系统,它连接着真实的物理世界与虚拟的网络世界。CPS又可以进一步的分为信息物理传感器系统(CPSS)、信息物理生产系统(CPPS)等系统,这些系统的相互作用与配合最终构建成信息物理系统(CPS)。

  2.工业4.0中的三项集成14

  工业4.0中的三项集成包括:横向集成、纵向集成与端对端的集成。工业4.0将传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个网络,使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。

  ① 纵向集成:纵向集成就是解决企业内部信息集成,解决信息网络与物理设备之间的联通问题。比如传感器与执行器、控制、生产管理等元素间的集成。
  ② 横向集成:横向集成主要实现企业与企业之间、企业与产品之间的信息集成,将企业内部的业务信息向企业以外的供应商、经销商、用户进行延伸。
  ③ 端到端的集成:端对端集成是围绕产品全生命周期,流程从一个端头(点)到另外一个端头(点),中间是连贯的,没有断点。端到端的集成即可以是内部的纵向集成,也可以是外部的企业与企业之间的横向集成。

  通过以上三种集成方式,在CPS平台的整合下,最终搭建出完整的工业4.0信息集成网络。

  三、工业4.0与其它概念的联系与区别

  (一)工业4.0与工业3.0 、工业2.0

  工业4.0是继工业1.0机器代替人工时代、工业2.0的流水线时代、工业3.0高度自动化时代后的又一个新纪元的开始。

  工业4.0与工业3.0 以及工业2.0 存在着联系,但是也存在着本质性区别,上述区别在不同层级和不同角度看有不同解读。以下为通常的工业4.0与工业3.0 、工业2.0在上层、本层以及底层等各个层级方面的差异。

 

工业2.0

工业3.0

工业4.0

上层系统

模拟系统

  • 大型计算机

互联网和内联网

  • 个人电脑

物联网

  • 移动计算、云计算

系统

科学管理

  • 库存式生产
  •  

依赖式制造

  • 实时生产
  •  

智能工厂

  • 个性化生产
  •  

底层系统

机械化

  • 混合式机器
  • 工作计划
  • 人工设计
  • 手动操作

自动化

  • 数控机器
  • ERP/EMS
  • 计算机辅助设计与生产
  • 控制台

虚拟化

  • 社会化机器
  • 虚拟生产
  • 智能产品
  • 移动设备

  同时,不同企业在解读工业4.0与工业3.0、工业2.0的差异时通常也会有不同。以下为西门子公司的解读15,16

工业2.0

工业3.0(未来)

工业4.0(远景)

  • 传统企业
  • 数字化企业
  • 智能化企业

二维设计,三维为辅的设计模式

基于三维工艺、装配仿真

智能产品/工艺/

  • 车间纸制应用以及制造执行电子化管理
  • 部分设备监控和数据采集

 

  • 工厂生产运营管理以及生产制造智能
  • 自动化装配线或单元

 

  • 动态市场需求/全3D工程化
  • 涵盖整个生产工艺和设备的数字化模型

 

  • 数控机床和部分自动化设备

 

  • 先进计算(工业云/增材制造)
  • 通过动态网络实现过程优化、本地控制动态网络、扩展的复杂通讯系统

  (二)工业4.0、工业互联网、"互联网+"及中国制造

  工业4.0是德国提出的对于未来工业发展方向的新的探索。总体上来讲,工业4.0是基于物联网,进一步基于物联网与服务互联网的融合(CPS),实现集中式控制生产向分散式的自组织生产的智能生产的一种模式。

  工业互联网17是由美国提出的对于未来工业发展方向的新的探索。总体来讲,工业互联网更加注重软件、网络和大数据的融合,目的是实现通信控制和计算的集合。

  从推动力量上看,工业4.0是由德国工程院和德国西门子公司等自发联合发起的。而工业互联网是由美国通用电气发起,并由ATT、思科、IBM以及英特尔成立的工业互联网联盟共同推广的。二者均由企业层面主导和推动,因此,企业对其具有一定的主动性。

  从实现基础和实现方法而言,工业4.0和工业互联网均基于互联网和物联网,以打造智能化的体系为目标,网络化和智能化是未来发展的主要方向。工业4.0提出利用信息化打造工厂和智能生产,而工业互联网提出将工业与互联网在各个阶段进行充分融合。

  然而,二者的不同之处在于,德国企业提出的工业4.0偏重于生产制造的硬环节,而美国企业发起的工业互联网偏重于软环节,旨在形成开放的工业网络,偏重于设计服务环节,注重物联网、互联网和大数据对于生产设备管理与服务性能的改善。在发展重点上,德国提出的工业4.0强调生产过程的智能化,而美国倡导的工业互联网强调生产设备的智能化。

  我国的"互联网+"是2015年3月份的中国政府工作报告中提出的一种概念。其含义为"利用互联网的平台,利用信息通信技术,把互联网和包括传统行业在内的各行各业结合起来,在新的领域创造一种新的生态。" 18与工业4.0和工业互联网不同的是,"互联网+"本身并没有强调对于工业发展方向的新探索。"互联网+"本身强调的是传统行业(不限于工业,例如零售行业、交通行业等)如何利用互联网工具实现高效率,其基础是互联网而非工业物联网。"互联网+"本身与生产过程的智能化和生产设备的智能化以及个性化定制的目标达成之间尚且没有直接的实现路径。

  《中国制造2025》则代表"中国版的工业4.0"的正式提出。"中国版的工业4.0"既着眼于未来的智能化生产,同时考虑到中国工业的现状,立足于工业2.0补课、工业3.0普及以及工业4.0的目标。目标是提升整体制造业水平,力争实现数字化普及,以及智能化生产。基于此,在《中国制造2025》中提出十大重点发展领域。比较德国工业4.0和"中国版的工业4.0"可知,二者之间还是存在显著差异。19首先,德国工业4.0是基于高度发达的自动化生产而提出的以智能工厂和智能生产作为目标的战略,而"中国版的工业4.0"是在低端制造业和工业2.0的基础上提出的力争实现数字化普及的战略,其主要强调的是工业3.0的普及,而工业4.0属于其中初步探索部分。其次,德国工业4.0 所谋划的是在工业3.0的基础上进一步提出的一种新型的工业生产方式,而"中国版的工业4.0"则是寄希望于通过着力发展重点产业(例如十个重点发展技术领域)解决制造业转型升级的问题,从而达到提高整个中国制造水平的目的。

  四、工业4.0所面临的难题

  德国工业4.0工作组的最终报告中认为,实现工业4.0尚存在标准化、工厂组织架构问题、通信基础设施建设、网络安全保障等7大难题。20,21

  (1)标准化:工业4.0融合了各种工业网络系统,但这些网络之间往往具有完全不同的通信协议,而不同网络之间的标准化问题就成为制约工业4.0发展的一个重要问题。

  (2)工厂组织架构问题:工业4.0下,工人直接进行生产活动越来越少,而更多转向生产的管理和流程的控制。这将对工厂内部的组织架构造成一定的影响,目前还缺少构建工业4.0下工厂组织架构的实践经验。

  (3)通信基础设施建设:信息流和数据流的交互对于通信基础设施的建设要求提高。

  (4)网络安全保障:工业4.0的庞大数据流的控制对于工厂的生产等具有重大的影响,信息系统的控制权会引发数据安全问题,目前针对工业网络的网络安全技术还并不完善,因此系统安全难以保证。

  (5)产品可用性:分布式加工对于进程的要求或者某些部件要求不断提高,因此若出现上述问题,可能导致产品可用性下降。

  (6)人才:工业4.0中,人才仍然是非常重要的,同时,工业4.0新的生产模式对于人员的要求也提高了。

  (7)商业模式:多个企业的联合可能引发商业模式的变更。

第二部分 工业4.0 对于德国企业的影响

  2010年7月14日,德国内阁提出"高科技战略2020"。222012年德国政府通过"高科技战略行动计划",其中包括十大"未来项目(future project)",并将在2012-2015年投资84亿欧元。工业4.0也是十大"未来项目"之一。23该计划预计在2020年将德国打造成领先的CPS供应方。24

  工业4.0是德国产业界、学界、研究机构等共同提出并推动的,企业尤其是最为重要的推动力量之一,典型的企业包括西门子和SAP等,研究机构包括德国弗劳恩霍夫协会和德国国际科学与工程院等。由于工业4.0的智能化很大程度上依赖于传感器技术、控制技术、IT技术、和普通制造型企业,因此,本部分选取在传感器技术、控制技术、IT技术、以及普通制造型德国企业,研究其在工业4.0的背景下的企业战略、研发产品方向、智慧工厂建设、标准制定、工业4.0研发项目参与、知识产权布局的最新发展。根据研究,展示这些企业未来在工业4.0背景下发展重点。

  五、工业4.0下德国各类企业的行动

  在很多企业看来,工业4.0 是IT驱动的自动化(或IT+OT)。IT与OT的融合是工业4.0 一个显著的特点;例如Beckhoff、 Phoenix Contact均持有类似观点,其他跨国公司同样持有类似观点,例如Schneider等。

  工业4.0本质上就是将传统的生产要素彼此连接,构建成巨大的网络,并基于该网络连接虚拟世界与现实世界,实现更高层次的自动化控制。因此,在很多企业看来,互连是工业4.0的要素之一,包括人、机器和虚拟世界等互连。SIEMENS认为互连实现自组织生产、自适应生产以及虚拟世界与现实世界的融合是工业4.0的应有之意。同样,另一跨国公司Rockwell(一家美国公司)提出"互联"企业这样的概念。

  以下从工控/自动化企业、传感器企业、通信/IT企业以及普通制造企业四个方面进行研究。

  (一)工控/自动化企业

  工业4.0下,工控/自动化企业承担着自动化系统构建的重要任务,是工业4.0实现的重要推动力以及可行性实施方案的主要提出者。因此,工控/自动化企业在工业4.0中占有较大的主动权,但同时也面临较大的挑战。通过对于德国工控/自动化企业的调研发现,在工业4.0的背景下,工控/自动化企业的主要行动包括:

  ①积极参与工业4.0相关项目的研究

  德国政府为了推进工业4.0,积极资助企业项目,比如it's OWL联盟,其中汇集了大量的德国优秀企业(Hüttenhölscher Maschinenbau GmbH & Co. KG、IMA Klessmann GmbH timber processing systems、Schirmer Maschinen GmbH等)的ScAut项目、efa项目等,这些项目主要以进行智能化系统的开发为主要目标。25,26 由于目前工业4.0的控制系统构建还没有统一的标准,企业可以通过参与项目研究积累实际经验,拓宽研发思路。

  ②强化工控软件的性能

  工业4.0对工控软件也提出了新的挑战,工业4.0的到来,大大增加了需要处理的数据量,多系统整合对于系统的管理控制能力也提出了新的挑战。同时为了保证操作人员的操作顺畅与便捷,数据的可视化程度也需要进一步提高,而像产品生命周期管理等新的管理需求,更是以前很少涉及的,因此传统的工控软件难以满足这些需求。强化工控软件的需求就显得格外迫切。在这方面,西门子公司表现积极,目前已经可以提供产品生命周期管理PLM和管理自动化任务框架的TIA PORTAL。27

  ③进一步提升工业以太网的实时性

  工业4.0对数据的实时性有着很高的要求,因此,提升工业以太网的实时性是目前一个十分重要的任务。德国企业提升工业以太网的实时性主要从两方面入手。一是通过标准化接口设备及技术,避免数据在传输过程中出现过多的数据变化,影响了数据传输的实时性。另一方面是提升工业以太网本身的性能,通过推出新的以太网系统优化传输性能,如Beckhoff就推出了新的以太网系统。28

  ④强化机器人技术

  工业4.0需要实现更高度的自动化,机器人技术是实现自动化生产的重要技术,在工业4.0的背景下,机器人技术包括生产机器人和输送机器人两类。生产机器人主要用来直接完成生产任务,对于机器人的精确控制和安全性有更高的要求。工控企业对生产机器人的研发都比较活跃,如Beckhoff和西门子等公司都在机器人方面表现的十分积极。

  由于生产自动化的提高,除了生产机器人外,输送机器人系统也越来越受到企业的重视。输送机器人系统主要要求其可以实现高精度、高速度运动,同时配合以高精度的识别系统,使运输、生产和谐统一。目前主要的识别技术是RFID技术。在这方面Beckhoff已经推出了新的XTS系统,29西门子公司则推出了RFID识别系统。30,31

  ⑤构建设备间的通信网络

  工业4.0不再是某一生产步骤的自动化,而是整个生产生态系统的全面自动化。这就要求不同功能的生产设备之间必须能够彼此协作配合,因此设备之间的通信互联就显得尤其重要,相关的技术也是各大企业目前研发的重点之一。

  此外,工业4.0将极大地减少人的介入,机器必须能够自行处理一些简单问题。这就要求机器可以实现自我管理、配置。随着工业4.0系统的扩大,生产活动对机器自我管理的能力要求也越来越高。在这方面,西门子和Beckhoff等公司都已经展开行动。

  ⑥寻求与IT企业的合作

  某些大型企业例如Schneider 32认为,如果传统的自动化解决方案企业例如西门子、Schneider,、Alston等无法整合IT企业优势的话,将很难在工业4.0背景下占据优势地位。与Schneider持有类似观点的还有Rockwell33 ,该公司与美国思科公司结成了战略联盟,以在工业4.0的背景上实现AT+IT的战略优势地位。同样,IFM在战略上加强了与软件供应商SAP的合作34,打造"从传感器到ERP"的战略。

  (二)传感器企业

  传感器是工业4.0的基础,正确的信息是包括机器互联、人机互联在内的CPS系统的作出正确决策的基础和依据。因此,传感器企业可以说是工业4.0背景下除了工控/自动化企业之外的核心企业。传感器企业在整个工业4.0中的层级属于最底层(层级划分有多种,其中一种为传感器层级、自动化层级、SCADA层级、 MES层级和 ERP层级),但同时却是最基础的层。

  传感器作为工业生产中的重要信息采集装置,早已在工业生产中得到应用。但随着工业4.0的发展,普通的传感器技术已经不能满足工业4.0的需求。

  工业4.0具有很高的实时化要求,因此传感器必须保证具有很高的采集速度,同时传感器系统与上层系统之间必须保证无缝连接,这其中既包括硬件接口的无缝连接,也包括通信协议的兼容。针对这些问题和需求,传感器企业的行动包括:

  ① 推出智能传感器

  在解决实时传输的问题上,目前传感器企业基本已经达成一致,即最有效解决无缝传输问题的手段是使用智能传感器,在传感器上安装处理器或者加装处理器模块实现对数据的处理和储存,在数据采集的同时就已经对采集到的数据进行了预处理,增强了信号的兼容性。目前SICK、IFM、PILZ都已经推出了自己的智能传感器。35,36,37

  ②智能传感器带来的系统布置升级

  由于使用了智能传感器,使数据处理任务分散到各个小型处理器中,中央处理器的作用和地位大大降低,因此有的企业推出了去中心化的传感器系统,从而降低了对中央处理器的需求,也增加了系统的可靠性。这方面,PILZ就提出了分布式的数据采集、控制系统。38,39

  ③安全传感器系统升级

  工业4.0并不是完全使用机器代替人工,而是让机器与人在生产上达到统一并相互协作,那么对于生产安全的要求将更高。在这方面,传统的安全传感器系统依旧可以发挥其作为,比如光幕传感器、光栅传感器等。但在此基础之上,也需要更高防护的安全传感器系统,目前德国传感器企业比较看重的是3D相机监控系统,该系统可以全方位的实现生产监控,更加可靠地保证操作者的安全。比如Pilz就推出了新的3D相机监控系统。40

  ④积极参与相关标准的制定

  随着工业4.0的深入,现有的安全标准可能难以满足未来的需要,这对传感器企业有很大的影响,因此有实力的传感器企业都已经积极参与到相关标准的制定中。如PILZ就积极参与到工业4.0安全标准的制定中。

  (三)通信/IT企业

  在工业4.0中,IT企业主要提供软件和网络技术两方面的支持。

  在软件方面,为了更好地向企业提供服务,IT企业一般需要与工控类企业合作,借助工控类企业的经验,从实际的需求出发,为企业提供诸如企业资源规划软件、生产进程管理软件等管理类软件。

  在通信方面,主要是依托于自身过硬的通信技术以及云服务器资源,为企业或生产单元之间的互联搭建桥梁,帮助企业实现数据的存储以及传输。比如西门子公司就积极从事云服务器性能提升方面的工作。

  ①网络安全

  工业4.0的一大特征是网络化程度的提高,尤其是云计算技术的使用,极大地提升了生产系统的网络化程度。此外,设备自动化程度的提高,使得设备拥有了越来越多的决策权,那么工业4.0网络一旦遭受攻击,将导致传统工业时代难以比拟的损失和危险。所以在工业4.0时代,对于网络安全的要求也明显提高。但目前针对工业网络的网络安全技术还并不完善。但相关需求已经引起了业内企业的重视,如PILZ等企业已经在这方面展开了行动。

  ②设备间的数据通信

  设备间的通信是工业4.0中的重要技术之一。目前分为有线通信和无线通信两种。相比于有线通信,无线通信技术不需要进行额外的线路布置工作,因此简化了设备装配工作,而且也可以使设备布置更加灵活。尽管目前无线通信在传输距离等方面还有问题没有解决,但总体上相比于有线通信,无线通信更适合工业4.0的需求。所以无线传输技术将更多地应用于设备间的交互,如Rockwell等公司已经开始行动。

  ③管理软件升级

  工业4.0使得生产系统中的软件和硬件数量及种类都有很大的增长,因此相应的管理软件也需要进行一定的升级,以满足工业4.0的需求。除了传统的监控、管理功能外,新的管理软件也将具有设备集中配置与生产流程规划管理等更高层次的管理能力。如西门子等企业已经在这方面加强了研发。SAP开发其ERP系统时将管理软件的层级尽量下沉。

  ④云技术的应用与提升

  大数据的使用是工业4.0的又一大技术特征。工业生产大数据包含生产、研发、实验、设计等各类数据,随着云端数据库的建立与完善,云服务器将根据生产需求向企业传递所需的各类数据,这些数据的应用将极大地降低企业的研发成本,加快研发进度。因此云端大数据的应用将成为未来工业4.0的重要特点之一。这方面如Rockwell等企业都已经开始进行相关的研究。

  目前的云技术还不能全面地满足工业4.0的需求,比如云存储、数据处理、流程规划、数据通信技术等技术都是云技术在工业4.0中应用所必须解决的重要技术。这主要是由于工业4.0要求高度的实时化,这就导致向云端传输的数据量大增,那么无论是数据的存储、处理还是传输都将面临极大的挑战,传输信道一旦发生拥堵,将极大地影响数据的质量和效率,甚至影响生产系统的正常生产。因此云技术下的各个技术分支在未来都需要进一步的提升。

  ⑤辅助构建完整的生产生态系统

  工业4.0是一个完整的生产生态系统,因此工业4.0不仅包括基于CPS平台连接智慧工厂,还包括配套的物流系统、仓储系统、智能建筑、智能电网等,因此除了工厂相关的直接生产类技术大发展外,相关的物流系统、仓储系统、智能建筑、智能电网等都需要进行相应的提升与改进,尤其是网络化改造的进程将大大加速,多系统融合将加快脚步。而这些系统的融合与数据交互离不开IT企业的支持。

  (四)普通制造企业

  普通制造企业是工业4.0应用的前沿阵地,也是工业4.0的最大受益者。但实施工业4.0并不意味着无限地追逐自动化程度,而应做到人机之间的协调统一,从而大大简化工人的劳动,提升工作效率和质量。比如宝马就秉持这样的理念,推动智能科技与传统制造的融合,推进智慧工厂与智能生产的融合,从而提升生产效率与能力。

  ①打造智能物流系统

  与工控企业不同,普通制造企业除了需要完成产品的生产以外,还要完成产品上下游产业链的构建,因此不但要完成工厂内的智能化系统构建,也要完善工厂外的智能物流系统,以保证整条产业链的完整与高效。

  ②基础生产设备的智能化改造

  基础生产设备如果不能实现智能化,整个生产的智能化也就无从谈起,因此普通制造企业对于机器人系统和传输带系统等保证基本生产工作的系统都十分重视,各制造商业在积极开展相关工作,建设示范工厂,主动推进自己的智能化进程。

  ③开发适合自己的管理系统

  由于不同制造企业在产业链中的位置不同,需要完成的生产任务也大有不同,与上下游的关系和合作方式也因企业而异,因此不同类型的制造企业对于生产管理有不同的需求。所以制造企业在管理系统的研发方面也都十分积极。比如宝马就开发出数据矩阵码(data matrix code)为新的BMW 7系记录了整个碳生产过程。41

  (五)德国企业在工业4.0背景下的知识产权动向

  1.重点布局细分技术

  知识产权作为技术的延伸,在某种程度上与技术的重点和发展等呈现一定的吻合性,总体上,工业4.0下德国企业的知识产权布局体现在以下几个方面:

  (1)机器互联

  机器互联是工业4.0的重要内容之一,因此机器之间的交互均为重点。Beckhoff布局了关于传感器之间相互进行数据传输的专利,同样,其它德国企业也布局了机器互联的专利

  (2)工业通信

  ①数据的实时化

  使用传感器采集数据以及基于采集的信号控制相关进程都属于传统技术,但在工业4.0的环境下,对于这项技术有更高的要求。其中最重要的要求就是数据的实时化,即数据的实时采集、实时处理、及实时控制。进而实现系统或设备间的无缝连接。

  通过对已公开专利(Beckhoff目前已经公开的专利)的初步阅读均涉及到了工业以太网的实时传输。

  ②数据传输的保障

  为了实现这样的连接,首先就要从接口和协议两方面为数据传输提供保证。其次,也需要充分考虑到网络和机械两方面的安全问题。另外,也需要增强设备的数据处理能力,作为整个系统性能提高的基础条件。通过对已公开专利的初步阅读,至少Beckhoff、Phoenix Contact目前已公开的专利均涉及到了数据传输通信的安全问题。

  ③通信技术本身以及架构

  随着系统化程度的提升,设备间的联系将更加密切,相关的连接设备也是保证工业4.0实现的重要因素,尤其是无线连接技术有很大的发展空间。此外,系统化的提高使得系统级的控制也变得日益重要。

  通过对专利的初步阅读,Beckhoff和其它德国企业目前已经公开的专利中,均涉及到了通信技术本身以及架构问题。

  (3)智能控制

  系统间关联进行学习决策等

  不仅是单纯的对大数据库的数调用,而且要求通过全球化的系统使得生产(或其他)系统之间具有自我学习、联合控制、联合决策等能力。

  (4)人机交互

  随着智能设备的发展,人机交互界面的可能性大大提高。从多点触控面板到智能手机,再到Google Glass,人机交互的便捷性日益提高。同时,相关的安全问题也逐渐凸显。这些都是企业发展的方向。

  2.各企业重点技术专利布局比对表

技术分类

BECKHOFF

IFM

Phoenix

Contact

Pilz

SICK

Siemens

   

现场总线传输技术

   

总线模块设计

 

 

工业网络安全措施

 

   

从传感器到云端的实时传输

     

 

工业以太网EtherCAT实时传输

   

 

通信网络的总体架构

 

   

总线通信安全

 

     

生产

机器人

电机驱动

从单个传感器到云端的各类

 

系统

可编程序控制器(PLC)

       

智能传感器

 

远程监控

   

 

故障检测及预测

   

数据处理单元

数据安全管理

       

云服务器存储

         

对于数据的实时处理

 

   

操作设备

穿戴式设备

           

多点触控面板

 

     

移动式智能设备

 

 

 

电气设备

连接器

 

 

RFID

 

   

I/O设备

 

 

安全防护设备

   

   

智能供电

   

   

  从专利的布局特点看,生产系统间在网络实现交互技术、从单个传感器到云端的各类系统、电气设备等领域专利布局较为密集,反映出了这些技术的重要性和企业的掌握程度较高。这些特点也与德国工业4.0偏"硬"有关系。

  六、工业4.0 下德国产业界的智慧工厂的最新进展

  目前德国产业界智慧工厂主要包括以下三家:西门子、Bosch以及Wittenstein。

  (一)西门子在Amberg的智慧工厂

  西门子在Amberg设立的工厂42,43,44,主要生产PLC、DCS和隶属于SIMATIC系列,西门子S7系列控制器45,远程终端模块ET200,HMI人机界面C7系列等产品,其使用自己提供的软件和PLC自动化设备组建了数字化化生产系统。西门子在Amberg的智慧工厂目前已经达到了75%的自动化程度,另外25%需要人工协助。该工厂目前作为工业4.0的雏形工厂,主要实现了产品与设备的交互以及所有的过程均通过IT优化和控制。46

  1.产品与设备的交互

  主要是通过大量的扫描仪提取产品的各类信息,追踪产品的生命周期。车间的产品上都会有独特的RFID码,会告诉生产单元它本身需要什么服务,实现产品与设备的交互。为了按期交付,产品和机器将共同决定应当首先在哪条生产线上完成哪道工序。

  2.IT优化和控制的工艺流程

  西门子工厂通过Teamcenter实现产品生命周期管理。零件列表和生产计划将直接传递到ERP,且技术信息传递到Simatic IT(MES)。通过不断收集和补充来自Teamcenter的数据,完善各个软件的信息,实现对工艺的控制和优化。

  (二)Bosch 在Hombur的智慧工厂

  Bosch是工业4.0中的引领者,其在工业4.0方面已经有100多个研发项目。

  Bosch与Rexroth合作47,48,在Hombur建立了智慧工厂。Hombur的工厂的一条生产线在2015年获得了工业4.0奖项,被认为是实践工业4.0的最佳生产线。

  Homburg/Saar生产线特点在于:49,50

  该生产线在工件上利用RFID芯片;利用生产线上的9个智能的站点,来识别已经完成的产品是如何组装的;哪一个操作步骤是必须的,显示器向技术人员显示出对应的工作指令。

  (三)Wittenstein的智慧工厂

  Wittenstein认可工业4.0对于其战略发展的重要意义,其定位自身为工业4.0的引领者,致力于产品制造的优化和开发用于工业4.0的产品。Wittenstein希望利用其在Fellbach的工厂建立工业4.0概念51,52,53,54。总体上,希望实现机床、生产工艺和半成品可在某一点上随时通过网络进行链接,人们可以在最后时刻更改齿轮的规格。

第三部分 工业4.0 下的机遇/挑战以及启示

  七、工业4.0下中国制造企业发展面临的机遇和挑战

  (一)机遇

  1.从德国工业4.0战略看CPS市场机遇

  2010年7月14日,德国内阁提出"高科技战略2020"。2012年德国政府通过"高科技战略行动计划",其中包括十大"未来项目(future project)",并将在2012-2015年投资84亿欧元。工业4.0也是十大"未来项目"之一。并计划在2020年,将德国打造成领先的CPS供应方。

  从德国以及企业关于4.0的调研情况看中国至少存在以下机会:

  德国的2020定位于CPS输出国,作为制造大国,在未来智能制造的态势下,中国国内存在着巨大的CPS 市场,这也是中国在未来至少巨大的国内市场的支撑所在。

  2.从德国工业4.0战略看新一轮工业革命带来的机遇

  工业4.0的结果将是革命性的,在这样的背景下,工业4.0对于德国企业的定位和技术发展都有深远的影响。

  从目前德国企业的行动战略看:

  ①通过和IT业联手,可以弥补在工业4.0 下的企业IT能力不足,例如IT与工控/自动化企业合作;
  ②通过提前参与到工业4.0 标准制定工作中,有可能会在未来占得先机;
  ③通过提前并购某些企业或者储备一些相应的技术,有可能会在未来更好把握新的工业形势下的机会;

  总体上,尽管德国企业具有先天的3.0 的基础优势,但是同样面临一些需要解决的问题,如果中国企业在这些问题上(即便仅)有一小部分的改进,也有可能在未来的竞争中掌握一定的主动权。因此,中国企业面临 "后发效应"和"弯道超车"的机遇。当然,中国企业由于先天基础的薄弱,某些行业某些企业可能能够有这样的机会,对于更多企业,尤其普通制造业而言,更需要做的是看准方向,夯实基础,坚持创新,稳步前行。

  (二)挑战

  与机遇相比,中国工业面临的挑战更多,主要源于中国与智能制造相关的传感器、自动/控制企业的整体竞争力尚需提高,中国的IT企业的整体竞争力,和作为CPS用户的普通制造型企业的整体竞争力同样尚需提高。

  1.总体制造业的竞争力受到约束

  ①传统制造业比重较大,且多处于工业2.0和工业3.0阶段,不同地域和行业发展不平衡。55,56
  ②制造业试图简单通过引入先进设备实现行业升级,造成的结果往往是"机器多、人少、问题多",减少人员未必会带来高效,管理机器的难度可能会更大57
  ③制造业处于全球价值链中低端,落后产能规模大,垄断领域进入难。
  ④当前许多企业内部的基础设施和人力等条件还不具备使用工业机器的要求,同时对于成本回报比率和周期的不确定性,许多企业对运用智能制造设备等仍有疑虑。58

  2.工控自动化/装备制造业领域竞争力薄弱

  ①与发达国家相比,中国智能制造与国外差距很大,只占高端传感器、智能仪器仪表、高档数控系统、和工业应用软件等不足5%全球市场份额。59

  工控自动化制造领域涉及三个不同层级企业:以西门子、Honeywell、Emerson等公司为代表的国际跨国企业,国内部分合资企业和大中型国内综合型企业以及数量众多水平较为落后的国内中小企业。60

  上述企业中,外资或合资企业占据重要位置,如Schneider、ABB、Siemens、Phoenix Contact、Honeywell、Emerson等。61,62

  ②中国企业机器人普及率较低,目前中国每万名工人机器人拥有量远低于其他发达国家,且没有掌握核心技术。63,64,65

  ③核心零部件依赖进口,通过零部件功能设计和数字化来实现产品优化可能会成为一个瓶颈。66

  在此领域中,纵观整个行业,尚未发现在工控自动化或者是传感器方面可能有良好基础的企业。

  3.IT/通信领域竞争力薄弱

  总体上,中国缺少可以与诸如cisco、SAP这样的工业管理软件企业相提并论的企业。

  IT业作为工业4.0的支柱之一,其某种程度上代表着整个工业4.0转型的速度,目前中国很多IT企业已经开始尝试进入工业领域,比如小米通过合作投资进军可穿戴硬件和智能家居产品,阿里巴巴入股海尔、美的等。但是工业4.0产业竞争的制高点在于智能制造标准体系的建立,中国必须有如AT&T、思科、通用电气、IBM、SAP等IT基础设施领军企业,才能在标准体系建设中掌握话语权,也才能在这场工业改革狂澜中站稳脚步。

  4.总体对于工业4.0处于概念认知阶段

  总体上,中国企业对于工业4.0尚处于概念认知阶段,在工业4.0的部分要素中所涉及行动企业尚且没有可与专注于4.0深入研究的国际跨国大公司相竞争的公司。因此,此处仅对各公司进行宽泛的研究。见诸于报端的与工业4.0有关的报道可能与工业4.0的部分要素看似相关但实则多数并不属于真正意义上的工业4.0。

  5.缺少有足够科研实力的科研组织机构介入到工业4.0的项目发展研究中

  目前见诸报端的与科研机构相关的科研组织的活动很难有属于真正意义上的工业4.0研究。

  6.人员

  一线产业工人大部分是没有受过技能教育和培训的外来务工人员,这对制造业转型升级的影响更为直接。67

  7.标准化问题

  数据的标准化是"工业4.0"所面临的最大挑战之一,目前在世界上尚未有统一的标准,中国也存在标准化的问题。68

  (三)中国企业推进工业4.0的有利因素

  1.政府重视且重视与德国的政府间合作

  ①政府于2015年正式出台"中国制造2025";
  ②2014年10月9日,国务院总理李克强访问德国,签订了《中德合作行动纲要》,并进一步于2015年7月签署了《中德备忘录》。

  2.政策支持和项目资助

  政府出台多项政策,推动工业4.0的发展:

  ①工信部从2015年开始花大约三年时间,选择重点领域,选择一些地区、行业做一些试点和示范探索,不断总结经验,推进智能制造发展。
  ②2015年将推动中国宽带网络能力继续跃升,积极支撑和服务智能制造,促进工业互联网发展。69
  ③2013年底,工信部发布了《关于推进工业机器人产业发展的指导意见》,提出到2020年,培育3-5家具有国际竞争力的龙头企业和8-10个配套产业集群。70
  ④2012年政府出台了《智能制造装备产业"十二五"发展规划》,总体目标是经过10年的努力,形成完整的智能制造装备产业体系,总体技术水平迈入国际先进行列。71
  ⑤2012年,149个项目分享了5亿元物联网发展专项资金,应用领域包括智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能医疗等。72
  ⑥2011年,物联网发展专项资金5亿元补助了近110个项目,主要包括智能传感器、超高频和微波RFID二维条码识读设备、和M2M设备等方面,可以看出,政府更多的是支持关键核心技术的研发,对标准的关注和要求远远没有形成体系要求。

  3.企业倒逼重视工业4.0

  目前企业在升级转型过程中或者在海外出口过程中遇到了来自欧美市场客户的倒逼压力,符合工业4.0零部件的需要提供使得处于出口最前沿的部分企业开始体会到了一些压力。

  4.企业在开拓国内CPS市场时与中国企业的合作

  由于中国国内市场巨大,因此,国外企业在进入中国市场时,通过与国内企业的合作更便于开拓市场,此过程提供了国内外企业共同学习和共同成长的机会。

  (四)中国工业4.0的代表性企业的分析

  为了对实施中国工业4.0的企业现状进行深入了解分析,我们参考了工信部网站2015年5月19公示的94个2015年智能制造专项项目,申报单位涉及十几家科研院所和上市公司73,我们将上述企业理解为承担中国工业4.0的相关单位。同时,也对一些虽未承接上述项目,但对在工业4.0概念下积极响应并且具有一定基础的代表性企业进行了分析。在筛选确定分析样本企业的过程中,我们也同时参考了2015年中国五百强企业排行榜,遗憾的是,该排行榜中的企业多为能源型企业,鲜见高科技企业,因此,经过综合筛选,选取了以下企业进行样本分析。

  1.自动化企业

  (1)和利时

  和利时74,75 是国内企业中自动化与信息技术解决方案供应商,其此次承担的工业4.0的项目名称为"轨道交通装备智能制造信息交换以及互操作标准以及试验验证系统"。该公司的主要产品包括PLC、DCS等。该公司为地铁项目提供PLC,例如PLC的隧道监控系统,已经在美国纳斯达克上市。该公司目前在DCS方面例如在核电、化工、水泥、热电等领域具有一定优势。76

  在工业4.0下,和利时认为未来可能出现一类通用的工业控制器代替如今的PLC。这类通用的工业控制器支持逻辑控制、运动控制、调节控制、工业互联网和先进的算法等,进一步向物联网、云计算迈进,这是未来控制器的一个发展方向77

  (2)浙江中控

  浙江中控集团是国内装备自动化和工艺自动化的国内领先企业,78其在国内DCS系统市场份额较为领先。该公司为依托浙江大学的资源,目前是在国内自动化企业中发展较好的一个企业。该公司的产品主要包括流程工业自动化、装备自动化和机器人等。该公司在DCS方面例如在石化、化工控制等领域具有一定优势。79,80,81

  在工业4.0下的战略和产品方面的行动:浙江中控集团与中鸿集团签署了战略协议,协同提升控制自动化水平。浙江中控集团此次并未申请2015年智能制造专项项目。

  (3)重庆川仪

  重庆川仪自动化股份有限公司82(以下简称"川仪股份")设立于1999年11月,其前身是1965年从上海、江苏、辽宁等地内迁重庆的四川热工仪表总厂,是上世纪六十年代国家重点布局的三大仪器仪表制造基地之一。经过多年建设与发展,已经成为国内比较领先的自动化装置的制造商。 该公司主要产品包括自动化控制系统、工业自动化仪器仪表等。

  在工业4.0下,重庆川仪参加了2015年智能制造专项项目中的工业传感器全生命周期数据闭环智能制造新模式的课题。

  总体上,由于技术力量的薄弱,在自动化领域,本土企业的DCS市场主要集中在小型项目上,很难进入到大型项目所属的高端市场中,中高端市场基本为国外企业所垄断。上述企业的技术力量也和国外企业有巨大差异,类似如和利时83和浙江中控等已经属于国内企业中较为领先的企业,但如和利时高管所说,"和利时目前专做国际知名品牌不愿意做或者不能做的地区和项目" 84,其总体上属于低端业务,由于工程应用能力、质量、声誉等原因,这些产品的应用对象,除电力外,仍以中小工程项目为主,或用于大型工程项目的非主要部分,用量更大的大型石化工程主控系统尚未能进入85。这也同时说明了尽管国内企业在DCS领域有所进步,但是总体上和国外的自动化企业的差距仍然较大,国产控制系统难以进入重大工程的关键、核心、和主体装备。同时如中控高管所说的,我国企业与国外企业还有较大差距86,87。同时,和利时在2013年福建宁德核电站一期1号机组正式投入商运,意味着国内企业打破国外企业垄断PLC产品,在PLC领域,95%的市场仍然被外国产品占领。

  总体上,在DCS和PLC方面的差距均不小,上述公司的技术先进程度从后面的专利布局也有一定的反映。

  (4)专利布局

  国内自动化企业总体水平较国际水平较为落后,同时这些企业的专利布局也证实了这一点,以下针对上述三家企业和德国的三家自动化企业的专利做代表性分析,以明确中国企业的差距。

  首先,下表中示出了德国企业(Beckhoff等三家企业)在工业4.0各相关细分技术下的专利布局与中国企业在该技术下的比对表格,从中可以看出中国企业在相关技术下的空白程度。

技术分类

BECKHOFF

IFM

Phoenix

Pilz

SICK

Siemens

重庆川仪

和利时

浙江中控

Contact

 

现场总线传输技术

 

 

 

 

 

总线模块设计

 

 

 

 

工业网络安全措施

 

 

 

 

 

 

从传感器到云端的实时传输

 

 

 

 

 

 

 

工业以太网EtherCAT实时传输

 

 

 

 

 

通信网络的总体架构

 

 

 

 

 

 

总线通信安全

 

 

 

 

 

 

 

生产机器人

电机驱动

 

从单个传感器到云端的各类系统

可编程序控制器(PLC)

 

 

 

 

 

 

 

智能传感器

 

 

 

远程监控

 

 

 

 

故障检测及预测

 

 

数据处理单元

数据安全管理

 

 

 

 

 

云服务器存储

 

 

 

 

 

 

 

 

对于数据的实时处理

 

 

 

操作设备

穿戴式设备

 

 

 

 

 

 

 

 

 

多点触控面板

 

 

 

 

 

 

 

移动式智能设备

 

 

 

 

 

 

电气设备

连接器

 

 

 

 

 

RFID

 

 

 

 

 

 

I/O设备

 

 

 

安全防护设备

 

 

 

 

 

 

智能供电

 

 

 

 

 

 

  其次,基于工业4.0相关的一些重要的一级技术,针对中国企业和德国企业的专利总量进行比对分析,西门子作为工控领先企业与其它企业之间存在显著性的领先差距。为了看清楚除西门子之外的其它企业与中国工控类企业的比较,现将西门子的数据作限制处理(即超出100件的数量将不再显示,仅仅以100件作为示意,同样,由于西门子的明显领先位置,将不再对其作详细分析和阐述),进一步分析后获得下图:

  从该图中可以看出,传感器属于Phoenix Contact的布局重点,同样,领先于beckhoff和重庆川仪。PLC技术方面中国三家企业也仅有少量专利布局。RFID技术中,Phoenix Contact的优势非常明显。设备间互联通信技术中,同样也是Phonenix Contact和beckhoff具有明显优势。总体上,在各个技术分支下,中国企业具有明显的劣势。

  2.制造型企业

  三一集团是中国工程机械行业的领先企业88,89,90,91,92。该公司入选为中国智能制造的首批示范企业。该企业的主要产品包括挖掘机、铺路机、搅拌机等重型机械。

  2011年93,94,三一在长沙投入建设的总装车间是三一相对而言自动化程度较高的车间。该车间包括大型计算系统和机械化的操作工具、大型生产设备的智慧体,每一次生产过程、每一次质量检测、每一个工人的劳动量都记录在案,可以达到一小时下线一台泵车的速度。

  三一通过自主开发的信息系统--ECC全球企业控制中心,可以控制设备、就近派工服务,同时采集油耗、安全等信息。ECC(企业控制中心)通过安装在设备上的各类传感器、控制器,实时向ECC回传数据,掌握设备的工况,并提出设备的后续服务建议。

  三一集团对于工业4.0是比较重视,在总体上比较关注智能化制造,这可能与三一集团之前并购德国企业Putzmeist相关,同时,三一集团也在与SAP进行合作。从其所描述的93的目前的不同生产线的情况来看,三一集团的整体水平处于3.0和2.0并存的阶段。

  3.通信/IT企业

  华为公司是中国通讯行业的领先企业,是中国优质的民营企业,也是中国企业国际化的代表性企业。

  华为认为工业4.0需要一个全新的ICT((Information Communication Technology,信息和通信技术)基础架构,其基础是智能的全联接工业互联网

  工业4.0时代表现特征有三方面:第一是创新的统一平台,合作一定是建立在统一的平台上;其次是要有实时稳定的移动宽带敏捷网络作为支撑;最后是万物互联。96

  1.统一平台

  华为与恩智浦半导体公司合作,将华为的ICT基础设施和连接解决方案与恩智浦半导体的工业4.0安全连接解决方案充分结合,打造工业4.0 ICT平台97

  云端平台,华为与SAP进行合作,结合华为ICT基础设施的优势,将华为的ICT基础设施和联接解决方案与 SAP HANA云平台、应用和分析工具相互整合,与SAP共同打造物联网和云的差异化解决方案。98

  2.支撑网络

  华为认为5G网络是工业4.0实现的关键基础设施,并且华为5G技术处在世界领先地位。99

  3、万物互联ICT架构

  最底层,针对未来数量庞大且种类繁杂的智能设备,打造开放的智能物联网网关(CN201210349114.8、CN201110258309.7、CN201180001275.1),兼容各类终端设备的接口协议;然后依靠5G通信网络与敏捷网络(CN201380035267.8、CN201310141854.7)组成的高质量数据传输通道,将数据输送至ICT多应用协同分布式平台(CN201280000884.X、CN201110243086.7、CN201410038179.X),实现设计、生产、检测、物流的跨区域跨行业的流通协作。100

  如前所述,华为公司在工业4.0时代具有强大优势。首先,在通信领域经过二十多年的发展,华为掌握着核心技术(在骨干网、城域网和企业网等领域都具有强大的技术积累),由企业网(ICT业务)向"工业互联网"延伸,具有先发优势。其次,华为作为一家国际化的公司,具有很强的全球资源整合能力,其独立知识产权的手机芯片--海思芯片,就是在这种背景下研发出来的。再次,华为管理哲学具有很强的生命力,其"以客户为中心"的指导思想,以"项目+组织平台支持"的组织能力,为华为向若干重点行业的智能化升级提供了组织保障。最后,华为通过与SAP共同打造物联网和云的差异化解决方案,为全球行业客户快速和简易地进入物联网和云部署提供保证,通过与SAP的合作,华为有可能脱颖而出。综上,华为极有可能成为国内大中型企业"工业互联网"建设的最大受益者。

  八、工业4.0的启示

  (一)企业相关的建议

  工业4.0带给了中国企业新一轮的机遇和调整,在发展过程中,中国企业应当正视自己面临的问题,向德国企业认真学习,以在工业4.0的过程中,能够和德国企业共同成长。以下是德国工业4.0以及德国企业给出的关于工业4.0的启示:

  1.专业务实的科研、产品精神

  工业4.0是一次工业革命,但在一些德国企业看来,其更是德国工厂高度自动化的必然结果,这也是德国能够提出工业4.0的原因。智能制造和智慧工厂要求一定的工业基础并且是由众多技术支撑才有可能实现的,在此基础上的技术仍然需要进一步研究与发展。如第七部分中详细指出的,目前中国制造型企业大部分尚且处于工业2.0的阶段,差距很大,存在着诸多的诸如缺少核心传感器技术、自动控制技术、IT技术等问题。

  在这样的背景下,企业在提升的过程中,需要了解清楚本行业在工业4.0的背景下哪些方面需要做提升和改进,譬如务实的专业、科研和产品精神,加强向德国企业的学习,掌握技术,积累一定的研发能力,通过与先进企业合作以及自我研发,逐步缩小与先进企业的差距。

  需要指出的是,工业4.0不等于"互联网+",工业4.0也不是互联网、大数据、云计算这些概念的简单集合,同样也不是所谓的"互联网思维"。它需要按照工业4.0的标准对传统的传感器技术和自动/控制技术进行创新,并将这些传统技术和IT企业等各方面的先进技术融合,尤其重要的是基于对上述技术的深刻理解,从而对于上述技术进行有目的地整合和创新。在解决工业基础薄弱和工业技术升级的问题中,需重视基础和传统技术,专业务实地开展工作,不断积累企业的研发实力和提升获得先进技术的能力,避免工业4.0 成为又一次的噱头胜宴。

  2.战略层面的考虑

  在企业的战略层面,每一家企业都会有不同的战略,但是需要注意在工业4.0 下面的一些战略的共性问题:

  (1)标准问题

  工业4.0融合了传统生产系统、IT云网络、传感器系统等多种工业网络系统,但这些网络之间往往具有完全不同的通信协议,标准化问题就成为工业4.0发展的一个重要问题。这也是为什么每一个家企业都需要考虑的标准问题。

  (2)企业的信息化问题

  由于工业4.0最终实现各个生产要素之间的互联,通过数据传输和信息交换来实现智能制造,因此,未来的企业需要较高的信息化能力。针对自动化企业这方面的战略考虑尤其突出。同时,对于普通制造型企业而言,即便作为信息化系统的用户,由于系统本身的高度信息化,其实质上对用户的信息化能力也有一定的提高要求。

  (3)产品增加符合工业4.0的设计

  由于工业4.0在未来的主导地位,必须要考虑产品在近期未来和远期未来需要作出哪些适应修改。

  (4)技术和人员储备

  由于工业4.0在未来的主导地位,必须要提前做好技术储备和人员的培养,以适应未来的发展。在工业4.0的发展过程中,人是利用工具的主体,只有人强大了,才能够更好地发挥工具的长处。

  (5)加强与德国企业的合作

  中国企业总体上存在技术水平较低的情况,在大部分企业处于工业2.0以及少数企业处于工业3.0的背景下,如果要想在工业4.0的背景下有所作为,外部资源的引进可能是非常重要的,仅仅从内部突破可能对于国内企业存在一定的难度。

  3.聚焦与4.0相关的各种细分技术

  工业4.0的相关企业主要涉及传感器企业、工控/自动化企业、IT企业以及普通制造型企业。由于不同企业提供的服务在工业4.0的框架下不同,因此,各类型企业应当聚焦于本领域的细分技术。以下所给出的是基于工业3.0的基础上开展的重点细分技术的方向总结,基于工业2.0基础之上的需要同时注意工业2.0与工业3.0的差异。

  (1)传感器类企业/普通制造型企业

  为了满足工业4.0高度自动化、实时化、高准确性等需求,围绕传感器展开的研究也相对较多,从先进的德国传感器企业可以学习到的是需要重视以下细分技术:

  ①通过植入数据处理电路或微处理器,增强传感器阶段的数据处理能力,从而大大提高所采集的数据在后续阶段的兼容性。同时还能增强传感器的抗干扰能力和实时采集能力。

  ②由于人机协作增多,对于安全传感器的要求也随之升高。光栅、光幕等技术基本可以满足要求,目前主要3D相机监控系统是研发重点。

  ③RFID传感器是产品追踪的重要技术,因此是目前最重要的传感器技术之一。针对RFID传感器的主要要求是速度和精度,尤其是在高速传输带上对产品进行扫描识别。

  ④为了满足网络化的需求,传感器接口都采用I/O Link技术。

  普通制造型企业应当评估在未来发展战略中上述技术的使用对于企业的意义。

  (2)机器人企业/普通制造型企业

  机器人是工业生产中的重要一环,需要重视机器人的以下技术:

  ①机器人需要具有自我管理、配置的能力,机器人之间可以进行相互合作:目前实现这种构想的较少。

  ②机器人系统与安全系统的整合度增高:人机交互增加,对于机器人安全也愈发重要。

  ③机器人与传输带的协调控制问题:普通制造型企业应当评估在未来发展战略中上述技术的使用对于企业的意义。

  (3)传输带企业/普通制造型企业

  传输带是工业生产中的重要一环,其中综合了传输技术和各类传感控制技术,需要加强不同技术综合的研究。普通制造型企业应当评估在未来发展战略中上述技术的使用对于企业的意义。

  (4)网络企业/普通制造企业

  网络层主要是连接现场层与上层或者现场层设备之间的纽带,是实现实时化传输的重要保证,其主要涉及网络建设、接口技术、协议以及网络安全等问题。

  ① 网络建设:加大基础设施的研发力度,使自身拥有基本的网络建设能力。

  ② 接口技术:接口技术属于工业4.0中最通用的技术,哪怕是现场层的企业,也需要掌握优良的接口技术。

  ③ 网络安全:网络安全问题是工业4.0所面临的重要挑战,而目前的相关技术还没有成熟。其难度在于如何将IT的安全技术与工业生产控制向结合。普通制造型企业应当评估在未来发展战略中使用上述技术对企业的意义。

  (5)工控/自动化企业/普通制造企业

  ①工业控制器/分布式控制系统

  对于控制器的研发应当是工控/自动化企业的重点,各种优良的控制器层出不穷。在工业4.0背景下的主要改进在于控制理念,首先在于设备的自动配置,更有便捷的对传感器系统进行统一配置的相关软件及设备。随着控制功能的下移,越来越多的底层设备将获得控制能力,而中央控制将弱化,因此分布式控制系统将成为重点。

  ②硬件

  a.多点触控面板:传统的触控面板已经在工业生产中得到广泛使用,使用多点触控面板则可以使工人在操作中进行更多的操作动作,为更高层次的控制打下基础。

  b.移动终端:移动终端包括智能手机、平板电脑、Googleglass等智能设备,目前相关技术已经可以实现。

  总体上来说,实现上述控制技术并没有很大的技术难题,目前的主要挑战还是来自于安全问题。

  ③软件

  软件操作的重点在于可视化问题,同时能够实现人机交互,并针对传感器和执行器进行配置。普通制造型企业应当评估在未来发展战略中使用上述技术对企业的意义。

  (6)IT企业/普通制造企业

  在工业4.0中,云端依旧执行存储和计算工作,是实现企业互联、企业数据交互分析的保证,因此是工业4.0的核心要素之一。云技术领域也是企业重点发展的技术领域之一,例如将工业网络与云结合以及结合云的安全控制技术等。普通制造型企业应当评估在未来发展战略中上述技术的使用对于企业的意义。

  在上述技术中,我们认为,德国和日本企业在传感器技术、自动化控制技术尤其是PLC等相关技术领域已经达到一定的程度,因此我国企业应当通过许可或者买卖的方式引入。同时,我国民用市场已经具备一定竞争力的技术,例如移动终端等,则可以考虑通过改进型创兴方式将其运用于在工业领域中。在以工业高度自动化为基础的工业4.0的技术发展中,独立创新技术虽然存在困难,但从目前调研的情况来看,在工业4.0的各个相关要素中,我国的一些企业已经开始了相关的研究与研发,在针对工厂自身个性化的技术(例如以太网的网络拓扑设置等技术)中,可以考虑独创性研究并通过专利对各自具有独特应用特点的创新进行保护。

  4.重视与工业4.0相关的各种技术的专利布局

  专利作为技术的自然延伸,其重要性对于以高科技为特点的工业4.0来说不言而喻。

  在开展专利布局的时候,要考虑到工业4.0下专利布局的特点:

  (1)考虑到标准的专利布局

  工业4.0融合了传统生产系统、IT云网络、传感器系统等多种工业网络系统,但这些网络之间往往具有完全不同的通信协议,标准化问题就成为工业4.0发展的一个重要问题。当标准遇到专利的时候,就会产生一系列的问题,因此,工业4.0中的标准专利应是重中之重。

  标准与专利的结合在通信领域中的显得尤为突出,标准专利的权利拥有量也成为通信企业在市场竞争中的核心竞争力之一。在工业4.0的大背景下,相关的企业将都可能受到标准的约束,因此,标准专利的布局也是在专利布局层面上的一个前瞻性考虑。

  (2)考虑到最新技术前沿的专利布局

  如前所述,工业4.0的技术前沿在不同的技术层面是不同的,因此,需要考虑到最新技术前沿进行专利布局。

  (二)政府相关的建议

  1.政府角色定位

  如前所述,政府在工业4.0中的重视程度对于中国工业4.0具有非常大的推动作用。同时,通过加强中德政府间对话,使得中国企业能够参与到德国的工业4.0中,对于企业的发展的有利作用是显然的。

  除了扮演促进中德合作的政府角色以外,需要指出的是,政府在推动中国工业4.0的过程中,需要更多侧重于将推动力量转换为企业的内力,将进行工业升级作为企业的自发推动,从而实现这场工业革命的推动力度真正强大。如德国的工业4.0,本质上的推动力量是来源于企业的,因此,推动的力度也是非常之大。因此,政府应当在给予支持的前提下,承担一个辅助的角色,而非主导的角色。

  基于以上所述,政府应在企业在工业4.0的中德企业的合作和人才引进中发挥促进作用。

  此外,在工业4.0的相关技术领域,建议由政府给予适当引导和政策支持,促进相关行业的中国企业能够积极介入涉及工业4.0的创新活动甚至标准建立,使得企业的创新和发展方向明确,发展少走弯路,最终形成一批可以在国际上与国外先进企业具备竞争能力的骨干力量。

  2.创新文化的制度保障

  工业4.0本身需要创新文化的制度保障。整体的知识产权司法环境的改善会对于创新文化的营造起到积极作用。目前国内的知识产权侵权执法的制度和执行需要进一步加强。

  3.工业4.0试点项目与中国制造2025的总体定位的一致性

  中国制造2025的总体定位于工业2.0补课,工业3.0普及以及工业4.0的目标,这在一定程度上与中国目前的工业实际情况是符合的。在工业4.0的项目试点实施中,建议以一些重点技术领域的工业3.0普及以及工业4.0的目标相关的项目开展活动,尤其是分别针对与工业4.0相关的不同类型企业均进行相关资助,例如传感器类企业、自动化类企业、IT类企业等。譬如IT类企业,其实质上是实现工业4.0的过程中的重要的一种类型的企业,也需要在这些项目试点中进行考虑。同样, 在上述项目试点实施中,也应当考虑到针对工业4.0和工业3.0的项目进行区分,从而对上述项目目标实现针对性地考核。

  4.关于专利相关法律的前瞻性法律的修订

  工业4.0是信息驱动的又一次工业革命,由于各个要素的互联,信息传输和交换成为各个要素互联的基础,而实现信息传输和交换的一些技术中,有一些是偏向硬件的技术,而另外一些则是偏向软件的技术。这些偏向软件的技术是否能够成为专利法的保护客体,需要进一步进行考虑。考虑到我国目前并不允许软件相关技术方案作为专利保护的客体,因此,政府需要提前考虑对于相关法律的修订,以适应于未来的发展。特别是,建议关注国内外涉及工业4.0的产业专利发展趋势,并适时对有关法律法规进行修改调整,为企业在工业4.0的发展过程中提供助力,为国家工业4.0的创新发展保驾护航。

[1] http://www.hyqb.sh.cn/publish/portal0/tab1023/info10729.htm
[2] http://www.automation.com/library/multimedia-library/opening-ceremony-at-hannover-messe-2011
[3] http://www1.heckmanngmbh.de/meldungen_e.html?id=536475&datum=2011-04&back=%2Fmeldungen_e.html%3Fdatum%3D2011-04
[4] http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:onjYp-ZCAkwJ:http://www.automation.com/automation-news/article/sharing-holistic-manufacturing-concepts-at-hannover-messe%2Bhannover++opening+ceremony+Wolfgang+Wahlster+2011&hl=zh-CN&gbv=2&&ct=clnk
[5] http://tieba.baidu.com/p/2780911932
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[7]http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Material_fuer_Sonderseiten/Industrie_4.0/Final_report__Industrie_4.0_accessible.pdf
[8]
http://www.bmbf.de/en/19955.php
[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Industry_4.0
[10] http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:gBrWWfWKvHwJ:http://www.gtai.de/GTAI/Content/EN/Invest/_SharedDocs/Downloads/GTAI/Brochures/Industries/industrie4.0-smart-manufacturing-for-the-future-en.pdf%2Bindustry+4.0+final+report++VDMA&newwindow=1&hl=zh-CN&gbv=2&&ct=clnk
[11] http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Material_fuer_Sonderseiten/Industrie_4.0/Final_report__Industrie_4.0_accessible.pdf

[12] http://gongkong.ofweek.com/2014-09/ART-310005-8420-28880692_2.html
[13] http://www.acatech.de/fileadmin/user_upload/Baumstruktur_nach_Website/Acatech/root/de/Material_fuer_Sonderseiten/Industrie_4.0/Final_report__Industrie_4.0_accessible.pdf
[14] http://www2.advantech.com.cn/AGS/News.aspx?nid=EA15F811-0D67-46A9-BE60-4964A1AA346D

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[22] http://www.automation.com/automation-news/article/industry-40-only-one-tenth-of-germanys-high-tech-strategy
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http://www.controlengeurope.com/article/58949/Industry-prepares-for-the-next--industrial-revolution-.aspx
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[41] https://www.press.bmwgroup.com/global/pressDetail.html?title=industry-4-0-intelligent-energy-data-management-for-sustainable-production&outputChannelId=6&id=T0195345EN&left_menu_item=node__5247

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[46] http://www.siemens.com/press/en/events/2015/corporate/2015-02-Amberg.php?content[]=Corp&content[]=DF
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[90] http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NTY4MjEzMw==&mid=210672901&idx=1&sn=09caa98924dcdf31ab3dadd610489374&3rd=MzA3MDU4NTYzMw==&scene=6
[91] http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODU5NTM5Mw==&mid=202367208&idx=2&sn=703b048322bbfc255f7c1c422bb518f0&3rd=MzA3MDU4NTYzMw==&scene=6#rd
[92] http://news.lmjx.net/2014/201411/2014110410124808.shtml
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[100] http://network.chinabyte.com/442/13300942.shtml

  来源:中国知识产权杂志


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