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▲圖1 “工業4.0”

  M版主角，大都來自工業基礎雄厚的發達國家。如德國官方版的“工業4.0”戰略，半官方版的博世“慧連制造”解決方案和西門子“數字工廠”解決方案，美國GE的工業互聯網和炫工廠，日本三菱電機的e-f@ctory方案。

德國政府版“工業4.0”
   “工業4.0”在2011年4月漢諾威工業博覽會上頭一次見諸報端。2013年4月，“工業4.0”工作小組的最終工作報告出爐，正式將物聯網在制造業中的應用定義為第四次工業革命。

▲圖2 “工業4.0”主要構想

   報告中描述的未來制造業場景如下：分布在全球的機器、倉儲系統及其他生產設備通過CPS整合在一起，落地在由可以自主交換信息、觸發操作、獨立控制的智慧機器、存儲系統、生產設施構成的所謂“智慧工廠”中。智慧工廠與垂直的上下游供應商、物流銷售網絡和水平的其他智慧工廠實時互聯，落實全價值鏈工程端到端數字整合。智慧產品被貼上唯一識別芯片，記錄所有歷史信息、實時狀態信息、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4.0”的主要構想包括價值網絡的水平整合、全價值鏈工程端到端數字整合，和垂直整合的聯網制造系統。

   按照“工業4.0”小組的說法，物聯網在工業制造業中的應用剛剛起步。如上描繪的智慧工廠、智慧產品等以物聯網為基礎的制造業場景，已經或多或少在近年來發展出的先進制造業解決方案中有所體現。

博世的“慧連制造”解決方案
   博世是德國政府的“工業4.0”工作小組的主要成員，聯席主席之一。博世近來推出的“博世物聯網套裝”，可以看做是博世物聯網應用戰略的基石。

   具體到制造業，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，對整個生產流程進行云化和再造。方案包括三個部分，一是制程質量管理(，二是遠端服務管理，三是預測維護。

▲圖 3 博世物聯網套裝示意圖

   制程質量管理：對生產全過程中所有的車間、流水線、作業區、機器設備實時監控；操作界面把各環節的表現指標和容忍度可視化，并對可能出現的波動提前預警。工作人員可以直觀地感受到整個流程是否順暢，及早對表現不正常生產環節進行糾正。

   遠端服務管理：這一系統允許機器的制造者在遠端控制產品，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、參數設置、數據接入、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：基于博世物聯網套裝，廠家可以通過裝在產品上的傳感器實時掌握其工作狀態，并對可能出現的檢修維護做準確預測，減少用戶停產檢修的次數。

   可以看到，制程質量管理已經具備了工廠內信息實時互聯等智慧工廠的基本要素；遠端服務管理、預測維修，都是基于物聯網產生的價值鏈延伸。從這個意義上說，博世的慧連制造，已經具備”工業4.0”的一些關鍵基礎，未來發展值得關注。

西門子數字工廠解決方案
   西門子是德國工業自動化的排頭兵、“工業4.0”的重要參與者和推手。西門子對于未來的制造業有自己的一套藍圖和實現路徑設想、方法論。認為軟件、數據、連接造就所謂數字工廠（digitalfactory），是未來互聯網與傳統制造業結合的落地場景。

▲圖 4 “慧連制造”解決方案

   為實現這一目標，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，其中內置CAD、CAM等一系列設計軟件。還包括數字化生產流程規劃軟件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自動化生產系統Simatic之上，形成較為完善的制造業解決方案。整合之后，西門子數字工廠藍圖初具規模。其核心是基于數據分享的合作平臺Teamcenter。平臺之上，生產者與用戶、供應商共同組成“數字工廠”，通過PLM、MES、TIA三位一體的軟件系統平臺，實時溝通，達成產品從研發設計到售后服務的全周期管理。

   “數字工廠”的工作流程可以大致描述如下，通過PLM前端NX軟件，和用戶一起設計產品，同時從TIA中調取制造流水線的組成模塊信息，模擬生產流程。制造過程模擬信息實時反饋至設計環節，互相調整、配適。在模擬無誤之后，產品設計、制造流程方案傳遞至加工基地，由MES實現由生產設施構建、生產線的改裝、產品生產、下線、配送到用戶手中的全過程。

   數字工廠的設想，已經在一些高端汽車業的自動化制造過程中得到應用。例如瑪莎拉蒂Buiglie的定制。

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

   不僅如此，為了配合自己的工業自動化產品，西門子推出一款APP“西門子工業支持中心”。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，是工業互聯網和先進制造相結合的產物。用數據鏈打通設計、工藝、制造、供應鏈、分銷渠道、售后服務，并形成一個內聚、連貫的智能系統。

   在2014年年報中，GE把工業互聯網描述為“大鐵塊+大數據=大成果”。其中大鐵塊意指渦輪機、發動機、風機、火車機車等工業用機器設備，大數據即云基分析。從總體看，GE的工業互聯網與工業4.0中的CPS十分類似，都強調數字世界和現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，通過互聯網實時交換信息。鐵塊們因而變得可預測、會反應、社會化。

▲圖 5 “數字工廠”工作流程

   先進制造，包括3D打印、創新材料科技等模塊。工業用3D打印，或稱增材制造，在很大程度上實現了工業設計的所見即所得。3D打印的應用場景在很大程度上受材料科技的限制。配合創新材料科技的發展，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。區別于傳統的大型工業制造廠，這間工廠具備超強的靈活性(flexibility)，可以根據GE在全球不同地區的需要，在同一廠房內加工生產飛機發動機、風機、水處理設備、內燃機車組件等看似完全不相干的產品。

   而GE的雄心不止于此。美國作為互聯網誕生地，對于物聯網本身顯然有更多的想法。GESoftware推出與工業互聯網配套的Predix軟件平臺，為各種大鐵塊提供統一的軟件標準，希望做成基礎性操作系統、工業互聯網的安卓。

三菱電機e-F@ctory
   e-F@ctory是三菱電機面向制造業推出的整體解決方案。這一解決方案的結構很像一塊“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，和生產設備系統；夾心層由信息通信產品群組成；軟件層主要是企業級的信息系統如ERP、MES。

   以太網貫穿整個“三明治”：在生產場地，設備和配電系統通過所謂iQ平臺接入以太網，將設備運行狀態實時反應在夾心層的可視化人機交互頁面上，同時數據實時反饋到上層的企業級信息系統，方便決策層及時調整企業內部的生產布局和企業外部的供應鏈管理。

▲圖 6 “數字工廠”應用范例

   e-F@ctory中有相當多的元素與“工業4.0”不謀而合。例如貫穿生產場景的以太網，好比西門子的PLM，或者GE炫工廠的數據鏈；底層硬件系統模塊化，可以根據產品的不同、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，與二十多家企業結成e-F@ctory聯盟，共同發展這一先進制造平臺。聯盟成員主要包括傳感器、工業FRID制造商如Balluff、Schaeffler，以及軟件集成開發商如DeltaComputerSystem、MDTSoftware等。三菱電機與這些成員企業優勢互補，三菱專注于自己擅長的工業自動化部分，其他聯盟成員提供聯網通信的硬軟件平臺，幫助三菱用戶更好地根據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的生產環境和技術環境為基礎，疊加了一些互相交叉的、邊界較為模糊的互聯網相關概念，如物聯網、云/大數據、CPS等。實質內容仍然圍繞著硬件智能化、軟件一體化、工業自動化展開。

▲圖 7 GE炫工廠示意圖

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

▲圖 8 e-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，如工業自動化系統（機器人）、工業級增材制造、創新材料科技等等，這些專有的技術的核心部分大都掌握在少數幾個業內領先的大型工業企業手中，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網、云、大數據的作用，但其中的互聯網強調的是近場通信（RFID）、傳感器等新技術帶給互聯網底層連接對象的變化；云，大部分是企業內部溝通用的私有云；大數據，也往往是企業搜集的內部數據，以物的運行數據為主，人的活動數據較少。

   中心驅動：M版方案的推動呈現中心化的特點。不論是博世的慧連制造、西門子的數字工廠、GE的炫工廠、三菱電機的e-F@ctory，核心企業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4.0”方案中提到了生產組織結構分散化、網絡化，制造流程由多個不同的企業共同完成，但至少從目前的進展來看，除非門檻雙高、封閉體系被打破，否則分散化網絡化生產組織形式將在相當長的時間內停留在紙面上和口頭上，落不了地。