德國制造業(yè)是世界最具競爭力的制造業(yè)之一，尤其是裝備制造業(yè)在全球處于領先地位。這在很大程度上源于德國在創(chuàng)新性制造技術方面的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，以及復雜工業(yè)過程管理的專業(yè)性。德國擁有強大的機器和設備制造業(yè)，在信息技術領域表現(xiàn)出很高的水平和能力，在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業(yè)中的領軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優(yōu)勢開拓新型工業(yè)化的潛能：工業(yè)4.0。

前三次工業(yè)革命的發(fā)生，分別源于機械化、電力和信息技術。如今，將物聯(lián)網(wǎng)及服務引入制造業(yè)正迎來第四次工業(yè)革命。不久的將來，企業(yè)能以CPS(Cyber-PhysicalSystems，信息物理系統(tǒng))的形式建立全球網(wǎng)絡，整合其機器、倉儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設施。

在制造業(yè)領域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設施，它們能獨立運行和相互控制。這有利于從根本上改善工業(yè)過程，包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理。

智能工廠現(xiàn)在似乎已開始采用一種全新的方式來生產(chǎn)產(chǎn)品。智能產(chǎn)品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位，我們知道它的發(fā)展歷程，了解它當前狀況，以及實現(xiàn)其目標狀態(tài)的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業(yè)務流程聯(lián)網(wǎng)，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構建了嵌入式制造系統(tǒng)。此外，這些指令都要求啟用終端間工程(模式)流經(jīng)整個價值鏈。

工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產(chǎn)品只生產(chǎn)一次，也能通過頗具收益的方式制造出來。在工業(yè)4.0中，以供應商為例，動態(tài)業(yè)務和工程流程能幫他們根據(jù)生產(chǎn)需要最終做出相應改變，并靈活應對生產(chǎn)中斷和故障。

現(xiàn)在，制造過程中已經(jīng)能夠提供端到端的透明化，以促進決策優(yōu)化。工業(yè)4.0將會開發(fā)出創(chuàng)造價值的新方法和新的商業(yè)模式。特別是，它將給初創(chuàng)公司和小企業(yè)的發(fā)展帶來機會，下游服務也能從中受益。

此外，工業(yè)4.0將正視和解決某些當今世界面臨的挑戰(zhàn)，如資源能源利用效率、城鎮(zhèn)化、人口結(jié)構變化等。工業(yè)4.0能持續(xù)帶來覆蓋整個價值網(wǎng)絡的資源生產(chǎn)率和效率的增益。它能將人口結(jié)構變化和社會因素考慮在內(nèi)，以適合的方式組織生產(chǎn)。智能輔助系統(tǒng)讓工人從單調(diào)、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創(chuàng)新和增值業(yè)務上。

鑒于熟練工短缺的問題，工業(yè)4.0允許老工人延長職業(yè)生涯，從而長久地保持生產(chǎn)力。靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點。

制造工程領域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認識到在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)及服務是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業(yè)造成威脅，美國也在采取措施，通過推進“高端制造業(yè)”計劃反對“去工業(yè)化”。

為了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業(yè)應尋求穩(wěn)固在全球市場的領導地位，一如既往地把信息通信技術與其傳統(tǒng)的高科技戰(zhàn)略進行整合，使自己成為智能制造技術的主要供應商。與此同時，還有必要為CPS技術和產(chǎn)品創(chuàng)建新的領先市場，并為之服務。要實現(xiàn)上述CPS雙重策略的目標，以下工業(yè)4.0的基本特征應該得到落實：

(1)通過價值網(wǎng)絡實現(xiàn)橫向集成

(2)工程端到端數(shù)字集成橫跨整個價值鏈

(3)垂直集成和網(wǎng)絡化的制造系統(tǒng)

這些特征是制造商在面對變幻莫測的市場能夠取得穩(wěn)固地位的重要因素，同時使它們的價值創(chuàng)造活動適應變化的市場需求。雙重物理網(wǎng)絡系統(tǒng)戰(zhàn)略中提到的特征將允許制造企業(yè)在高度動態(tài)的市場中達到快速的、準時的、無故障的生產(chǎn)。

通過價值網(wǎng)絡進行橫向整合

模型、設計以及通過價值網(wǎng)絡的橫向整合應該可以回答下面的問題：物理網(wǎng)絡系統(tǒng)如何支持企業(yè)的商務戰(zhàn)略、新價值網(wǎng)絡以及新商業(yè)模式?

這個問題同樣適用于研究、開發(fā)和應用領域(圖1)。除了“商業(yè)模型”、“不同企業(yè)間的合作形式”，還有一些話題值得研究，比如“可持續(xù)性”、“技能保護”、“標準戰(zhàn)略”，以及“中到長期訓練和員工發(fā)展倡議”。

1通過價值網(wǎng)絡實現(xiàn)橫向整合

橫跨整個價值鏈的端對端工程

下面的關鍵問題是關于通過工程過程實現(xiàn)端對端數(shù)字整合，以達到產(chǎn)品整個價值鏈數(shù)字世界和真實世界的整合，同時滿足客戶的需求：物理網(wǎng)絡系統(tǒng)如何實現(xiàn)端對端的包括工程工作流的商業(yè)過程?

對于這一點，建模在管理越來越復雜的技術系統(tǒng)中起到了關鍵的作用。應該部署適當?shù)男畔⒓夹g系統(tǒng)，以便為整個價值鏈提供端對端的支持，從產(chǎn)品開發(fā)到制造系統(tǒng)工程、生產(chǎn)和服務(圖2)。需要一個涵蓋不同技術領域的整體的工程方法系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這個目標，工程師們需要接受適當?shù)呐嘤枴?/p>

2橫跨價值鏈的端對端工程

垂直整合與網(wǎng)絡制造系統(tǒng)

就垂直整合來說，需要回答下面的問題：物理網(wǎng)絡系統(tǒng)如何創(chuàng)造靈活和可重構的制造系統(tǒng)?

垂直整合的地點是工廠。在明天的智能工廠，制造結(jié)構將不是固定的和事先定義好的。相反，一系列信息技術組合規(guī)則將被定義，這些信息技術組合規(guī)則可以被應用到不同的案例中，為不同情況自動形成特定的結(jié)構，包括模型、數(shù)據(jù)、通信和算法(圖3)。

3垂直整合與網(wǎng)絡制造系統(tǒng)

為了完成垂直化整合，確保調(diào)節(jié)器和傳感器信號在ERP不同層面的端對端的數(shù)字化整合非常重要。開發(fā)模塊化以及重新使用戰(zhàn)略來完成點對點網(wǎng)絡和制造系統(tǒng)重構，以及恰當?shù)闹悄芟到y(tǒng)描述也很重要。不僅如此，領班和操作者需要接受培訓以便了解操作制造系統(tǒng)的方法所產(chǎn)生的影響。

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