▲圖1 “工業(yè)4.0”

M版主角，大都來自工業(yè)基礎雄厚的發(fā)達國家。如德國官方版的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，半官方版的博世“慧連制造”解決方案和西門子“數(shù)字工廠”解決方案，美國GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和炫工廠，日本三菱電機的e-f@ctory方案。

德國政府版“工業(yè)4.0”

“工業(yè)4.0”在2011年4月漢諾威工業(yè)博覽會上頭一次見諸報端。2013年4月，“工業(yè)4.0”工作小組的最終工作報告出爐，正式將物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中的應用定義為第四次工業(yè)革命。

▲圖2“工業(yè)4.0”主要構(gòu)想

報告中描述的未來制造業(yè)場景如下：分布在全球的機器、倉儲系統(tǒng)及其他生產(chǎn)設備通過CPS整合在一起，落地在由可以自主交換信息、觸發(fā)操作、獨立控制的智慧機器、存儲系統(tǒng)、生產(chǎn)設施構(gòu)成的所謂“智慧工廠”中。智慧工廠與垂直的上下游供應商、物流銷售網(wǎng)絡和水平的其他智慧工廠實時互聯(lián)，落實全價值鏈工程端到端數(shù)字整合。智慧產(chǎn)品被貼上唯一識別芯片，記錄所有歷史信息、實時狀態(tài)信息、可能的制造路徑，在智慧工廠中穿行，完成從原材料到成品的過程。“工業(yè)4.0”的主要構(gòu)想包括價值網(wǎng)絡的水平整合、全價值鏈工程端到端數(shù)字整合，和垂直整合的聯(lián)網(wǎng)制造系統(tǒng)。

按照“工業(yè)4.0”小組的說法，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)制造業(yè)中的應用剛剛起步。如上描繪的智慧工廠、智慧產(chǎn)品等以物聯(lián)網(wǎng)為基礎的制造業(yè)場景，已經(jīng)或多或少在近年來發(fā)展出的先進制造業(yè)解決方案中有所體現(xiàn)。

博世的“慧連制造”解決方案

博世是德國政府的“工業(yè)4.0”工作小組的主要成員，聯(lián)席主席之一。博世近來推出的“博世物聯(lián)網(wǎng)套裝”，可以看做是博世物聯(lián)網(wǎng)應用戰(zhàn)略的基石。

具體到制造業(yè)，博世的主打概念為“慧連制造”解決方案，方案核心為制造-物流軟件平臺，以之作為本地和云端的軟件基礎，對整個生產(chǎn)流程進行云化和再造。方案包括三個部分，一是制程質(zhì)量管理(，二是遠端服務管理，三是預測維護。

▲圖3博世物聯(lián)網(wǎng)套裝示意圖

制程質(zhì)量管理：對生產(chǎn)全過程中所有的車間、流水線、作業(yè)區(qū)、機器設備實時監(jiān)控；操作界面把各環(huán)節(jié)的表現(xiàn)指標和容忍度可視化，并對可能出現(xiàn)的波動提前預警。工作人員可以直觀地感受到整個流程是否順暢，及早對表現(xiàn)不正常生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行糾正。

遠端服務管理：這一系統(tǒng)允許機器的制造者在遠端控制產(chǎn)品，幫助客戶解決在機器裝配、使用中遇到的問題。例如博世的工作人員可以在辦公室里，對在世界其他角落的設備進行功能測試、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)接入、錯誤排查、故障解除等工作。大幅縮減設備交割、安裝、售后維修的工作量。

預測維護：基于博世物聯(lián)網(wǎng)套裝，廠家可以通過裝在產(chǎn)品上的傳感器實時掌握其工作狀態(tài)，并對可能出現(xiàn)的檢修維護做準確預測，減少用戶停產(chǎn)檢修的次數(shù)。

可以看到，制程質(zhì)量管理已經(jīng)具備了工廠內(nèi)信息實時互聯(lián)等智慧工廠的基本要素；遠端服務管理、預測維修，都是基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的價值鏈延伸。從這個意義上說，博世的慧連制造，已經(jīng)具備”工業(yè)4.0”的一些關鍵基礎，未來發(fā)展值得關注。

西門子數(shù)字工廠解決方案

西門子是德國工業(yè)自動化的排頭兵、“工業(yè)4.0”的重要參與者和推手。西門子對于未來的制造業(yè)有自己的一套藍圖和實現(xiàn)路徑設想、方法論。認為軟件、數(shù)據(jù)、連接造就所謂數(shù)字工廠（digitalfactory），是未來互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)制造業(yè)結(jié)合的落地場景。

▲圖4“慧連制造”解決方案

為實現(xiàn)這一目標，西門子2006年以32億美元收購PLM軟件商UGS。UGS的軟件彈藥庫中包括在線設計軟件平臺NX，其中內(nèi)置CAD、CAM等一系列設計軟件。還包括數(shù)字化生產(chǎn)流程規(guī)劃軟件Tecnomatix，以及市面上領先的cPDM解決方案Teamcenter。以Teamcenter為基礎，西門子將UGS的彈藥庫嫁接在自家的工業(yè)自動化生產(chǎn)系統(tǒng)Simatic之上，形成較為完善的制造業(yè)解決方案。整合之后，西門子數(shù)字工廠藍圖初具規(guī)模。其核心是基于數(shù)據(jù)分享的合作平臺Teamcenter。平臺之上，生產(chǎn)者與用戶、供應商共同組成“數(shù)字工廠”，通過PLM、MES、TIA三位一體的軟件系統(tǒng)平臺，實時溝通，達成產(chǎn)品從研發(fā)設計到售后服務的全周期管理。

“數(shù)字工廠”的工作流程可以大致描述如下，通過PLM前端NX軟件，和用戶一起設計產(chǎn)品，同時從TIA中調(diào)取制造流水線的組成模塊信息，模擬生產(chǎn)流程。制造過程模擬信息實時反饋至設計環(huán)節(jié)，互相調(diào)整、配適。在模擬無誤之后，產(chǎn)品設計、制造流程方案傳遞至加工基地，由MES實現(xiàn)由生產(chǎn)設施構(gòu)建、生產(chǎn)線的改裝、產(chǎn)品生產(chǎn)、下線、配送到用戶手中的全過程。

數(shù)字工廠的設想，已經(jīng)在一些高端汽車業(yè)的自動化制造過程中得到應用。例如瑪莎拉蒂Buiglie的定制。

數(shù)字工廠可以看成是部分實現(xiàn)的“工業(yè)4.0”第二構(gòu)想全價值鏈工程端到端數(shù)字整合：從產(chǎn)品設計這一“端”到產(chǎn)品出廠的這一“端”，都事先在數(shù)字模擬平臺上完成詳盡的規(guī)劃。與現(xiàn)實中在工廠走流程的產(chǎn)品相對應的，是數(shù)字模擬平臺在云中分享的一個一模一樣的虛擬產(chǎn)品。工廠內(nèi)的具體執(zhí)行系統(tǒng)，可以根據(jù)數(shù)字模擬平臺的要求進行一定程度的重構(gòu)。

不僅如此，為了配合自己的工業(yè)自動化產(chǎn)品，西門子推出一款APP“西門子工業(yè)支持中心”。但是這個App目前只是將西門子的5000多份各種手冊、操作指南，以及60000多個常見問題解答。

GE炫工廠

GE炫工廠，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和先進制造相結(jié)合的產(chǎn)物。用數(shù)據(jù)鏈打通設計、工藝、制造、供應鏈、分銷渠道、售后服務，并形成一個內(nèi)聚、連貫的智能系統(tǒng)。

在2014年年報中，GE把工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)描述為“大鐵塊+大數(shù)據(jù)=大成果”。其中大鐵塊意指渦輪機、發(fā)動機、風機、火車機車等工業(yè)用機器設備，大數(shù)據(jù)即云基分析。從總體看，GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0中的CPS十分類似，都強調(diào)數(shù)字世界和現(xiàn)實世界邊界變得模糊，裝載了各種傳感器的鐵塊之間、鐵塊與人之間，通過互聯(lián)網(wǎng)實時交換信息。鐵塊們因而變得可預測、會反應、社會化。

▲圖5“數(shù)字工廠”工作流程

先進制造，包括3D打印、創(chuàng)新材料科技等模塊。工業(yè)用3D打印，或稱增材制造，在很大程度上實現(xiàn)了工業(yè)設計的所見即所得。3D打印的應用場景在很大程度上受材料科技的限制。配合創(chuàng)新材料科技的發(fā)展，先進制造技術讓很多從未有過的零件設計很快變成原型機。

2015年2月14日，GE在印度Pune建設的炫工廠揭幕。區(qū)別于傳統(tǒng)的大型工業(yè)制造廠，這間工廠具備超強的靈活性(flexibility)，可以根據(jù)GE在全球不同地區(qū)的需要，在同一廠房內(nèi)加工生產(chǎn)飛機發(fā)動機、風機、水處理設備、內(nèi)燃機車組件等看似完全不相干的產(chǎn)品。

而GE的雄心不止于此。美國作為互聯(lián)網(wǎng)誕生地，對于物聯(lián)網(wǎng)本身顯然有更多的想法。GESoftware推出與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)配套的Predix軟件平臺，為各種大鐵塊提供統(tǒng)一的軟件標準，希望做成基礎性操作系統(tǒng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安卓。

三菱電機e-F@ctory

e-F@ctory是三菱電機面向制造業(yè)推出的整體解決方案。這一解決方案的結(jié)構(gòu)很像一塊“三明治”：底層為硬件、頂層為軟件，中間夾著人機界面。硬件層包括兩個部分，動力分配輸送系統(tǒng)，和生產(chǎn)設備系統(tǒng)；夾心層由信息通信產(chǎn)品群組成；軟件層主要是企業(yè)級的信息系統(tǒng)如ERP、MES。

以太網(wǎng)貫穿整個“三明治”：在生產(chǎn)場地，設備和配電系統(tǒng)通過所謂iQ平臺接入以太網(wǎng)，將設備運行狀態(tài)實時反應在夾心層的可視化人機交互頁面上，同時數(shù)據(jù)實時反饋到上層的企業(yè)級信息系統(tǒng)，方便決策層及時調(diào)整企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)布局和企業(yè)外部的供應鏈管理。

▲圖6“數(shù)字工廠”應用范例

e-F@ctory中有相當多的元素與“工業(yè)4.0”不謀而合。例如貫穿生產(chǎn)場景的以太網(wǎng)，好比西門子的PLM，或者GE炫工廠的數(shù)據(jù)鏈；底層硬件系統(tǒng)模塊化，可以根據(jù)產(chǎn)品的不同、流程的不同進行一定程度的改變等等。

此外，三菱電機為了擴大e-F@ctory影響力，還采用了非常具有日本特色的“母雞帶小雞”策略，與二十多家企業(yè)結(jié)成e-F@ctory聯(lián)盟，共同發(fā)展這一先進制造平臺。聯(lián)盟成員主要包括傳感器、工業(yè)FRID制造商如Balluff、Schaeffler，以及軟件集成開發(fā)商如DeltaComputerSystem、MDTSoftware等。三菱電機與這些成員企業(yè)優(yōu)勢互補，三菱專注于自己擅長的工業(yè)自動化部分，其他聯(lián)盟成員提供聯(lián)網(wǎng)通信的硬軟件平臺，幫助三菱用戶更好地根據(jù)自己的需求進行個性化選擇。

M版共性：“巨人的游戲”

M版方案以大型先進制造企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境和技術環(huán)境為基礎，疊加了一些互相交叉的、邊界較為模糊的互聯(lián)網(wǎng)相關概念，如物聯(lián)網(wǎng)、云/大數(shù)據(jù)、CPS等。實質(zhì)內(nèi)容仍然圍繞著硬件智能化、軟件一體化、工業(yè)自動化展開。

▲圖7GE炫工廠示意圖

M版方案都有雄厚的工業(yè)制造背景，德國版（工業(yè)4.0、慧連制造、數(shù)字工廠）以汽車工業(yè)為基礎制造場景；美國版（炫工廠）以飛機發(fā)動機、內(nèi)燃機等高端裝備制造業(yè)為基礎制造場景；日本（e-F@ctory）以半導體、汽車工業(yè)為基礎制造場景。呈現(xiàn)技術和投資門檻雙高、封閉體系、中心化驅(qū)動的特點。

▲圖8e-F@ctory整體解決方案示意圖

門檻雙高：M版方案集合當今世界頂尖的制造技術，如工業(yè)自動化系統(tǒng)（機器人）、工業(yè)級增材制造、創(chuàng)新材料科技等等，這些專有的技術的核心部分大都掌握在少數(shù)幾個業(yè)內(nèi)領先的大型工業(yè)企業(yè)手中，技術門檻高；M版方案的落地場景，也即各類智能工廠，造價不菲，如GE的Pune炫工廠，投資兩億美元。

封閉體系：M版方案雖然都提到了互聯(lián)網(wǎng)、云、大數(shù)據(jù)的作用，但其中的互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)的是近場通信（RFID）、傳感器等新技術帶給互聯(lián)網(wǎng)底層連接對象的變化；云，大部分是企業(yè)內(nèi)部溝通用的私有云；大數(shù)據(jù)，也往往是企業(yè)搜集的內(nèi)部數(shù)據(jù)，以物的運行數(shù)據(jù)為主，人的活動數(shù)據(jù)較少。

中心驅(qū)動：M版方案的推動呈現(xiàn)中心化的特點。不論是博世的慧連制造、西門子的數(shù)字工廠、GE的炫工廠、三菱電機的e-F@ctory，核心企業(yè)在這些方案中的強勢主導地位都是毋庸置疑的。雖然德國政府的“工業(yè)4.0”方案中提到了生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)分散化、網(wǎng)絡化，制造流程由多個不同的企業(yè)共同完成，但至少從目前的進展來看，除非門檻雙高、封閉體系被打破，否則分散化網(wǎng)絡化生產(chǎn)組織形式將在相當長的時間內(nèi)停留在紙面上和口頭上，落不了地。