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智慧工厂：中国制造业探索实践 2.2.2 德国
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1.基本情况
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德国凭借强大的机械和装备制造业、占据全球显著地位的信息技术能力，以及在嵌入式系统和自动化工程领域具有的高技术水平，在工业制造方面一直处于欧洲领头羊的地位，是全球制造业中最具竞争力的国家之一。为了应对来自美国、日本和中国在未来工业制造上的竞争，德国一直在寻求战略方案，并且提出了“智能工厂”、“工业4.0”等构想，希望在所谓第四次工业革命的道路上起到引领作用。
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2005年，德国人工智能研究中心（DFKI）启动了公私合作的“智能工厂KL”技术计划，这是欧洲首个专门面向信息与通信技术工业应用的演示验证工厂，目的是支持创新自动化技术的开发、应用与传播，并为科学与工业利用提供基地。该计划是工业4.0关键技术转化实践的一个先锋，通过几个模块化的试验工厂，相关的成熟技术和前沿研究结果能够得以实施和评估。
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自2006年以来，德国政府一直在努力推动德国的研究与创新工作，力图通过技术创新确保德国的强有力竞争地位。2009年，来自超过40家企业、研究机构和协会的代表共同制定了“嵌入式系统国家路线图”，进一步发展嵌入式系统技术，具体包括汽车、自动化技术、机械与装备制造等，与会工业部门将在未来十年内向六个领域投资超过25亿欧元。路线图认为嵌入式系统发展的下一阶段就是信息物理系统。德国国家科学与工程院（acatech）为此领导了“CPS综合研究议程”计划，为德国形成新的技术革命制定综合研究议程，确认了2025年前的4个重大研究领域：能源、移动性、健康和工业。
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2010年，德国发布“德国高技术2020战略”，聚焦了5个优先领域：气候/能源、健康/饮食、移动性、安全和通信。该战略围绕一些战略计划展开，使工业-科研联盟能够瞄准10~15年的科学和技术发展目标并实施具体计划，在这些计划中还制定了具体的创新战略、实施路线图。2012年3月，德国正式通过“德国高技术2020战略行动计划”，形成了十大“未来计划”投资方向，仅在2012~2015年，针对该技术计划投入84亿欧元。2014年，“德国高技术2020战略”更新为“德国创新——高技术新战略”，政府当年便为此投入了110亿欧元。
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“工业4.0”在2011年11月被德国政府采纳为“未来计划”之一。“工业4.0”于2011年1月由德国科学研究联盟数字经济与社会促进组发起，2012年1~10月，“工业4.0”工作组在德国国家科学与工程院的协调下出台了初步实施建议，并于2013年4月出台了战略建议报告。在2013年汉诺威工业博览会上，“工业4.0”的理念和计划由德国政府正式发布，描绘了制造业的未来愿景。目前，“工业4.0”计划已经从“德国高技术2020战略行动计划”获得2亿欧元投资，启动了包括“信息物理生产系统”在内的若干项目。
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此外，德国教育与研究部（BMDF）建立的“信息通信技术（ICT）2020——创新研究”计划以及德国科学研究联盟（FU）经济与社会促进组（原通信促进组）发起的“智能服务——基于网络的商业服务”也都在“德国高技术2020战略”框架下开展，并且与“工业4.0”紧密相关，其中前者属于“数字德国2015”ICT战略，后者则成为十大“未来计划”之一，2015年3月提出了最终版的战略建议报告。
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2.发展特点
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德国是工业大国和工业强国，智能制造的工业基础健全且强健，核心技术和部件基本都可以自主研发制造；德国的“工业4.0”已经成为知名度最高的“智能制造”的概念代名词，软件密集型嵌入式系统的发展是其核心之一；政府颁布了耗资上百亿欧元的高科技战略，将“工业4.0”作为国家计划，其下聚集了最顶尖的工业企业；依托强大的工业基础以及政府的有效组织，工业4.0的雏形已经在众多项目中显现。用一句话概括就是，德国具备独立发展智能制造的完整生态系统。
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（1）智能制造的工业基础
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德国拥有强大的智能制造的工业基础，一方面是健全的工业体系和产品链条，另一方面是强健的创新能力和市场能力，它们体现在以下4个领域中：机械装备、电气工程、自动化以及信息通信技术（ICT）。德国不仅拥有西门子、博世这样的多元化工业集团，它们在上述4个领域都具备不俗的实力，能够提出集成的解决方案，还拥有SAP、库卡、FESTO、哈挺、DMG、Belden、凤凰CONTACT、LAPP、proALPHA、WITTENSTEIN这样的专业化软硬件系统供应商，加之弗劳恩霍夫研究所、德国人工智能研究中心、亚琛工业大学这些世界领先的研究机构和大学，以及戴姆勒、蒂森克虏伯、MTU发动机等终端产品制造商，使其具备全面研发与应用“工业4.0”的实力与环境。
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（2）对智能制造的定位
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德国提出的“工业4.0”被认为是“智能制造”概念的一个代名词，可以说一提到智能制造就会联想到“工业4.0”。“工业4.0”是一个含义广泛的理念，它既指代了第四次工业革命，也包含了信息物理系统、物联网与服务网、机-机（M2M）通信这样最前沿的技术领域。对于智能制造来说，“工业4.0”的意义在于通过充分利用嵌入式控制系统，实现创新交互式生产技术的联网和相互通信（即CPS），使制造业向智能化转型。在“工业4.0”理念中，产品本身就是生产过程中的一个具有能动性的元素，这些产品中包含着全部必需的生产信息，这种“智能产品”的概念是德国提出并推崇的。通过CPS，企业不仅可以清晰地识别、定位产品，还可全面掌握产品的生产过程、当前状态以及至目标状态的可选路径。用德国提出的“智能工厂”概念来解释，也就是数字世界和物理世界无缝融合。
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在“工业4.0”理念下的智能制造中，机器、存储系统和生产手段构成了一个相互交织的网络，信息在这个网络中实时交互、校准。同时，CPS还能给出各种可行方案，并根据预先设定的优化准则，将它们进行比对、评估，最终选择最佳方案。这一切都是嵌入式系统的发展所带来的，德国在软件密集型嵌入式系统方面处于世界领先地位，“工业4.0”其实就是强调要将这一嵌入式系统发挥到极致。德国认为嵌入式系统的发展将跨越联网嵌入式系统、CPS这两个阶段，最终成为物联网、数据域服务互联网，这同时也是“工业4.0”的愿景。
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（3）政府、企业的支持力度
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德国政府对智能制造的支持不遗余力，即使从宣传角度也已经做到了极致。政府颁布了耗资上百亿欧元的“德国创新——高技术新战略”，提出了六大任务：数字经济与社会、可持续商业与能源、雇佣创新世界、健康生活、智能移动性、民用安全。其中，“工业4.0”计划属于“数字经济与社会”任务下的一项国家计划，由政府牵头，其下聚集了德国乃至世界最顶尖的工业企业以及研究机构。
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德国教育与研究部、德国经济与技术部（BMWi）、德国国家科学与工程院、德国科学研究联盟是核心，它们提出并支持了绝大部分的智能制造相关计划和项目；德国人工智能研究中心和弗劳恩霍夫研究所利用自身优势和设施为智能制造发展提供关键的知识储备、试验环境、合作平台；“工业4.0”平台、“东威斯特法伦-利普”智能技术系统（it’s OWL）尖端研究组等区域组织和行业协会是智能制造概念探索和技术联合的有力推动者；以西门子为代表的企业则将“工业4.0”带到了现实中，推向了世界。
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（4）工业发展的应用现状
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在各界的积极努力下，智能制造系统的雏形已经在DFKI的“智能工厂”试验环境中形成，智能产品、智能机床和增强的操作员这3个“工业4.0”中心特征的范本已经通过“工业4.0-从愿景到现实”、“关键生产线”等联合项目进行了演示验证。“信息物理生产系统”（CPPS）、“面向工业4.0的自主”等先进概念也在同步推进研发，它们的成果也在不断集成到未来智能制造系统的构建中。
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西门子的安贝格工厂是其宣传“工业4.0”理念的一个范例。在该工厂中，大部分生产都实现了数字化，并独立于实际生产进行了仿真和优化，先进的制造执行系统（MES）允许在一分钟之内更改产品和工序，显著提高了生产效率和柔性。每天大约有100多万个测量数据不断地涌入中央系统，通过数据矩阵码扫描器和射频识别（RFID）芯片，采集产品信息并将其加载到中央系统，以确保数据的一致性。控制系统可以掌握每一件产品的信息，如产品当前状态、是否通过检验等。若该产品未能通过检验，控制系统将按照原有程序对其干涉，比如自动将维护信息发送给质量控制部门的技术人员。运用这些技术，该厂几乎成为了误差最小的工厂，产品合格率为99.9985%。
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