德国信息技术、电信和新媒体协会(BITKOM)：德国工业4.0实施战略报告

3德国科学顾问委员会的课题

德国科学顾问委员会由16位来自生产与自动化、计算机科学、法学和社会学这几个专业领域的教授组成。该委员会为工业4.0平台提供与当前研究紧密相关的、科技和编程方面的研究课题。

德国科学顾问委员会在2014年汉诺威工业博览会上(2014年4月3日)公开发表了相关的课题，这些课题还公布在工业4.0平台的网站上。以下引用的课题按照人类、技术、组织三个方面进行划分：

人类

1.很可能建立以人为本的工作组织形式，这种工作组织形式也可称为自组织和自治。尤其有可能出现适合老年人的工作组织形式。

2.工业4.0作为一套社会技术系统，为拓展员工的工作范围、提高员工的素质和技能、大幅提高员工的知识水平提供了机会。

3.促进学习的工作设备(学习工具)和有利于沟通的工作方式(实践社区)会提高教学效率；而员工不断提高信息技术能力有助于在继续教育中补充新内容。

4.把简单易用且能促进学习的设备作为学习工具，能够自然而然地把设备的功能传授给用户。

技术

5.工业4.0的系统对于用户来说简单易用而且操作直观。这些系统可以促进学习并给出可靠的反馈。

6.通用的、公开的解决方案模板允许多个参与者共同设计、实施和操作工业4.0系统(基于设计的工业4.0)。

7.产品和业务流程的网络化和个性化会带来复杂性。可以通过建模、仿真、自组织对这种复杂性进行管理，更快速的分析可以扩大求解空间，并更快地确定解决方案。

8.能够对资源有效性和资源效率进行持续的规划、实施、监控和自动优化。

9.智能产品是良好的信息载体，能对各个生命周期阶段进行定位和识别。

10.同样，系统组件可在内部对生产资料进行寻址和识别。工业4.0的系统组件支持生产系统和生产流程的虚拟规划。

11.新型的系统组件是可更换的，并且具有功能兼容性。

12.系统组件提供的功能本身作为一种服务，可供外部访问。

13.只有创造一种新型的安全文化，才能最终建立可靠、灵活、受欢迎的“工业4.0”系统。

组织

14.新的和现有的价值网络通过集成产品设计、生产过程和服务过程获得增值，并使分工得以动态调整。

15.合作和竞争促使企业管理和法律发生结构性转变。

16.有效的法律框架反映了对应的系统结构和业务流程。新的法律解决方案将可能产生新的协议模式。

17.工业4.0的发展有利于协调区域性的和发展中市场的价值创造。

为了开展上述课题的研究，工业4.0平台在2014年汉诺威工业博览会上发表的《工业4.0研发课题白皮书》介绍了上述多个课题领域及其内容和目标。另外还粗略制定了完成这些课题的时间计划。课题领域及其时间计划(详见第4章和第5章)有工业4.0平台工作小组拟定。

4工业4.0实施战略

为了加强德国的经济地位，工业4.0平台制定了工业4.0的实施战略。一方面制定出工业4.0技术、标准、商业模式和组织模式等方面的跨部门实施方法；另一方面，加强大学和研究机构与中小企业和工业企业的紧密合作，推动工业4.0的实施。

实施工业4.0的目标是，创造新的价值链和价值网络，并不断加强它们的数字化程度，最终实现自动化。图1列出工业4.0实施战略的核心模块和相关课题领域，其中核心模块包括：

● 研究与创新

● 参考体系结构、标准化与标准

● 网络化系统的安全性

● 建立法律框架

除“建立法律框架”以外，其他核心模块的相关内容由工业4.0平台的具体工作组拟定。而“建立法律框架”模块的工作则是由德国工业联合会(BDI)工作组来承担。

在“研究与创新”这个核心模块，工业4.0平台与德国科学顾问委员会共同制定了实施工业4.0所需的“研究与创新路线图”，并从德国工业的视角出发协调和推动创新和研究活动。以下是几个最重要的相关课题领域(详见第5章)：

● 价值网络的横向集成：这个领域的重点在于加强跨企业的合作(包括供应商、中小企业、制造企业等)，其中包括建立新商业模式的各个方面和各种方法。

● 全生命周期工程的连贯性：这个领域的中心课题是“基于产品生命周期管理(PLM)的工程”。在这个课题中，要将产品设计和生产设计结合起来，从而实现对整个价值创造过程的持续支持。这就要求对系统工程、建模和仿真中的技术要素进行综合性的考虑。

● 纵向集成与网络化的生产系统：这个领域的中心课题是生产的网络化，而生产的网络化能否实现往往取决于能否满足实时的要求。课题重点包括：确保必要的应变能力和生产技术的安全性(例如，通过信息冗余和容错达到安全要求)。这既需要进一步开发相关组件和系统(例如传感器网络)，还需要深入研究预测性分析等方法。

●工作中的新型社会性基础设施：“人”永远是工业4.0成功的决定性因素。因此，积极推动工作场所的变革，给予所有参与者(包括工会和雇主组织)支持和鼓励，都具有重大的意义。除了改革和完善培训和继续教育方面，还需要在技术方面作出改进，如采用新型的人机系统和通用的辅助系统。

● 不断开发通用技术：为了实现工业4.0，需要为实施各种技术创造条件，确切来讲是需要在工业应用中结合不同技术。重要的技术包括网络通讯、宽带网络、云计算、数据分析、网络安全、安全的终端设备，以及机对机的解决方案(包括语义学)。

“参考体系结构、标准化与标准”这个核心模块的目标是在标准的运用和制定的基础上，构建一个适用于所有解决方案的参考体系结构。(详见第6章)

在“网络化系统的安全性”这个核心模块中，应该在示范性价值链的基础上，研究用于保证横向网络(客户和供应商)和纵向网络(企业内部)中信息技术安全的概念。这将有助于确定一般性的安全要求和信息安全原则(详见第7章)。要成功设计出迭代的流程，涉及到研究和标准化两个方面，而创建工业4.0参考体系结构正好促进了这两方面的发展。

“法律框架”这个核心模块中的课题主要解决如何合法地建立新生产流程和横向业务网络的问题。其中，合同法(自动化价值链中动态的合同缔结)、企业数据保护、数字资产的处理、赔偿责任问题以及个人信息处理都是极具挑战性的课题。

5.研究与创新

5.1序言

工业4.0平台致力于将工业4.0领域的研究活动进行梳理和整合，并据此对研究议程进行结构化和优先级排序。本章将以上述工业4.0平台拟定的研究议程作为依据，阐述工业4.0研究路线图的相关内容。另外，工业4.0平台将可能为随后的研究工作提供充足且具有

5.2.3 课题：价值网络的自动化

5.2.3.1 研究与创新的内容

价值创造过程的自动化可使横向集成的自动化程度得到提高。其中需要重点研究价值创造过程中可以实现自动化的阶段，即可以与“数字世界”融合的阶段。

这个课题需要考虑的方面包括：

● 信息流的连贯性

● 运用建模、计算、仿真和优化的方法

● 对产品生命周期管理(PLM)、先进生产计划与调度(APS)、制造执行系统(MES)、供应链管理(SCM)和企业资源规划(ERP)这些系统的应用进行集成

● 全员参与，作为全球价值流中的创造性实践者

● 构建人机界面

● 培训措施和迁移过程的关系

5.2.3.2 研究与创新的预期成果

价值创造过程应该有效、灵活并且具有较高的可预见性，而人们应该从毫无创造性的工作中解放出来。达到这个目标的关键是生产率、资源效率以及自动化程度的提高。通过不断提高复杂规划过程中每一环节的自动化程度，可根据全球目标对价值链、价值网络和业务进行优化。在此过程中，应顾及到其中的各种关系并达到协同效应。最终，通过集成分层的流程以及使部分流程实现同步或自主运行来实现上述目标。

以下为这个课题的预期成果：

● 得出能够直接或者间接描述所有业务流程的关系和相关性的方法论(业务流程包括企业资源计划、产品生命周期管理、先进生产计划与调度、制造执行系统等)。

● 建立统一的目标层次体系。所有根据该全球目标开展的活动和流程所产生的影响将以此为参照。

● 根据上述目标层次体系，从达成最佳全球目标的角度出发，设计与组织最优的流程与活动。

● 易于应用与集成且能够自我描述的模块。

● 可以通过简单、直观的演示和连续仿真的能力来支持用户的工具和程序。

5.2.3.3 主要的里程碑

5.3课题领域：全生命周期工程的连贯性

产品生命周期指的是一个产品的开发过程以及与生产系统有关的工程。产品由生产系统负责生产，然后交付用户使用，最终被回收。人们应该将整个生命周期中有关产品的所有信息联系起来。

5.3.1 课题：现实世界与虚拟世界的结合

5.3.1.1 研究与创新的内容

现实世界与虚拟/数字世界的相互作用是工业4.0的核心。所有物体都有一个数字化的映像(模型)。在模型中，我们通常用亟待解决的问题及其决策过程的特征来刻画现实世界。虚拟/数字世界的要素是仿真模型、规划模型和解释模型。此外，协同建模能够在不同的尺度上对两个世界的界面进行观察。

从根本上讲，规划模型是构建复杂系统的基础。人们借助解释模型分析这些复杂系统并将分析转化为最终的解决方案和决策。就这方面而言，虚拟世界通过上述两个模型对现实世界的构建具有重大影响。与此同时，构建模型时需要估计现实世界的客观条件、要求和目标并且评估其对虚拟世界产生的影响。

在机械设备制造中，需要有与生产建模理论相关的科学基础。经过验证的、结合了计算机科学基础技术的理论、描述方式和方法将通过适当的调整、拓展和结合，便能广泛应用到各种工艺中，从而得到进一步加强。在这个过程中，对现有的、针对特定领域的工作方法与软件工具进行适当的集成起到关键作用。

这个课题需考虑的方面包括：

● 在构建建模理论的基础时，需要回答下列问题：“什么是好的模型?”(包括不确定性评估)、“我怎么能找到适合的模型?”、“我在数字世界中和现实世界中各能实现什么?”和“如何在虚拟世界和现实世界之间搭建界面?”。另外，现有模型也必须纳入考虑范围之内。

● 在建模理论中，必须在已定义语义的基础上把概念和指导思想确定下来，例如：抽象概念、普遍性、视角、相关性、类型和案例、模块化、深度建模和模型驱动的体系结构。

● 建模的经济可行性：除了因建模过程本身的成本，还应考虑在全生命周期中使用模型的成本。人们对模型如何能在其生命周期内“共同成长”这一问题十分感兴趣。此外，通过保留参考数据增加现有数据源有利于日后持续对相关方面的系统归纳。

5.3.1.2 研究与创新的预期成果

在生产领域中，建模的长期目标是通过建立反映生产企业能力的、有针对性的、双向的经济模型，使虚拟世界的要素能够在较高的语义层面上、跨学科地与真实世界联系，从而大幅提高内部指令处理的效率和决策的安全性。为此，人们对机械制造、电气工程和计算机科学的模型有一致的理解是必要的基础。

以下为这个课题的预期成果：

● 建模理论包括由(自动化的所有层面上的)工具、数据流或信息流衍生出来的要求

● 证明经济可行性和进行案例研究的方法

● 可行的建模规则

● 有工具支持的一般性元模型

5.3.1.3 主要的里程碑

● 描述商业模式及其形成的全过程

● 法律和监管框架

● 对构建系统时必须依据的规则进行建模

● 功能层各项功能的协调

● 不同业务流程的连接元件

● 接收业务流程切换的事件

业务层并不是指企业资源计划(ERP)等具体的系统。企业资源计划(ERP)功能在业务流程背景中运作，通常属于功能层。

6.2.3.2 功能层

● 功能的形式化描述

● 不同功能横向集成的平台

● 得到业务流程支持的功能的运行和建模环境

● 应用运行环境和技术功能

规则或决策是在功能层内形成的，也可以根据下层(信息层或集成层)的应用场景形成。

远程访问和横向集成都只能在功能层内进行，这样可以保证信息与流程状态的完整性以及技术层面的集成。出于维护的目的，也可对设备层和集成层进行临时访问。

临时访问时仅能访问功能层下面的层面的相关信息和流程，例如传感器/促动器的闪烁或诊断数据的筛选。维护过程中的临时远程访问不影响长期的功能集成或横向集成。

6.2.3.3 信息层

● 事件(预)处理的运行环境

● 执行与事件相关的规则

● 规则的形式化描述

● 背景：事件的预处理

在信息层，一个或多个事件会根据规则进一步产生一个或更多的事件，然后触发功能层来处理这些事件。

● 长期保存通过模型来表示的数据

● 确保数据的完整性

● 不断地集成不同数据

● 获取更高价值的新数据(数据、信息、知识)

● 通过服务接口提供结构化数据

● 接收事件，对数据进行适当转换，使其可用于功能层的应用

6.2.3.4 通信层

● 在统一的数据格式下对通信进行标准化，使通信层的数据格式与信息层一致

● 提供控制集成层的功能

6.2.3.5 集成层

● 提供计算机可处理的物理设备、硬件、文件或软件等的信息

计算机辅助的技术流程控制

● 在设备中生成事件

● 包含与信息技术相关的元件，如射频识别读取器、传感器、人机界面等人机交互正是在这个层面中实现，如通过人机界面(HMI)。

提示：每个重要的真实事件都对应一个虚拟事件(即集成层的事件)。当真实情况发生了改变，事件就会通过合适的机制汇报给集成层。相关的事件可能通过通信层触发信息层。

6.2.3.6 设备层

● 设备层代表了真实世界，例如线性驱动器、金属零件、纸质文档、原理图、创意、档案等物理要素

● 人员也是设备层的组成部分，通过集成层与虚拟世界连接

● 设备通过条形码等方式与集成层被动连接

6.2.4 生命周期与价值链(流)

生命周期

工业4.0为产品、机器、工厂等的全生命周期带来巨大的优化潜力。为了使生命周期中涉及的关系和连接可视化和标准化，工业4.0参考体系结构模型用第二轴代表了生命周期和相应的价值链。

IEC 62890草案为探讨生命周期提供了一个很好的导向。原型和实物的实际区别是重点探讨的部分。

原型

原型源自于最初的创意，即在开发阶段对产品的创造过程，这个过程是指从委托、开发、测试，到制作第一个模具和原型。在这个阶段中会创造出产品、机器等的原型。在所有测试和检验结束以后，这个原型便能用于批量生产。

实物

产品依据原型进行生产。每个成品都是依据原型制造出来的一个实物，上面附有产品序列号。这些实物作为产品最终通过销售环节到达客户手中。如果客户本身是生产商，这些产品将重新变为生产资料，被用于生产新的实物，并在此过程中得到维护。

示例：开发新款的液压阀并创造出新的原型。在开发过程中，首先打造和测试模板，模板完成后开始批量生产原型，并对原型进行检验。检验没有问题后，这款液压阀进入市场销售环节(在销售目录中出现这款液压阀的物料编号和/或产品名称)，然后批量生产也可以开始了。

在批量生产中，每一个液压阀成品都获得唯一对应的产品序列号，都是新款液压阀原型的一个实物。

针对已售液压阀(实物)的销售反馈，有助于对这款液压阀的机械结构、设计图和软件进行改进。这些改进是对原型进行的，然后在生产中经过改进的原型能够产生新的实物。

价值链

工业4.0中价值链的数字化和连接带来很高的优化潜力。例如，物流数据可以在装配中应用，内部物流根据订单库存进行自组织；采购部能够了解实时库存，还有在某个特定的时刻供应部件到达哪个位置；客户能够查看其预定的产品在生产等过程中的进度。通过采购、订单规划、装配、物流、维修、客户和供应商等的连接可以实现上述优化。因此生命周期必

须与相应的价值创造过程一起考虑，工厂不应各自孤立，而是应该通过从供应商到客户的整体工程连接起所有工厂及其伙伴。

关于价值链的内容也可以参考VDI/VDE GMA FA7.21中的“价值链”部分。

6.2.5 分层结构

参考体系结构模型的第三轴描述了工业4.0中的实际功能分类。注意这里描述的不是功能的实施，而是功能的分类。

参考体系结构模型中第三轴上展示了一个工厂内的功能分类，分类的依据是IEC 62264和IEC 61512(见图15)。在工业部门实现工厂自动化转型的过程中，需要整体考虑多个方面，涉及的概念术语包括“企业”、“工作中心”、“工作站”和“控制装备”。

在实施工业4.0的过程中，不仅涉及到控制设备(如汽车的气门顶置式配气机构)，还涉及到机器或设备的内部机制。因此在控制设备层之下还有一个现场设备层，它展现了智能现场设备(如智能传感器)这个功能层面。

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