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工业4.0设计准则

摘要：尽管目前对于许多公司、研究所和大学是首要任务，但工业4.0并没有一个被广泛接受的定义。因此，无论是在学术的层面上讨论这个话题，还是具体地实现工业4.0所设计的场景都有困难。基于文献阅读，本文提供了工业4.0的定义并为其实践识别出了六项设计准则：互用性、虚拟化、分布式、实时性、服务向与模块化。这些准则能使学者们更深入地研究这个问题，为实践者在实践中提供方向。

1介绍

工业4.0是目前在德语地区(Dais, 2014, p. 625; Drath amp; Horch, 2014, p. 56)工业界与学界被讨论最频繁的话题之一。自从2011年(Kagermann, Wahlster, amp; Helbig, 2013, p. 77)德国联邦政府宣布工业4.0为其科技发展战略中的关键举措以来，许多论文文章及会议都针对这一问题发表了看法(Bauernhansl, Hompel, amp; Vogel- Heuser, 2014, p. V)。

这一对工业4.0的狂热是两面的。首先，工业革命首次在其出现之前被提出(Drath, 2014, p. 2)。这为许多公司研究机构提供了构建未来的机会#。其次，这次工业革命预期将对经济产生巨大影响，因为工业4.0讲带来实际效率上的增长与全新的商业模型、服务与产品的发展(Kagermann et al., 2013, p. 16; Kagermann, 2014, p. 603; Kempf, 2014, p. 5)。一项近期的研究显示这些收益预计将在2025年德国GDP中占将近780亿欧元(Bauer, Schlund, Marrenbach, amp; Ganschar, 2014, p. 5)。

随着工业4.0在过去三年中逐渐成为许多研究中心、大学和公司的首要任务，学界与工业界的许多研究已将这一术语的概念模糊(Bauernhansl et al., 2014, p. V)。即便是这一思想的主要推动者，“工业4.0工作组#”与“工业4.0平台”，也只是描绘了一个蓝图，思想针对所的基础科技与特定的场景(compare Kagermann et al., 2013, p. 5; Plattform Industrie 4.0, 2014)，而没有给出一个清晰的定义。于是到现在为止都还没有一个广泛接受的工业4.0定义发表(Bauer et al., 2014, p. 18)。

根据(Jasperneite, 2012, p. 27)，如果缺少明确定义科学研究总是会受阻。因为所有理论性研究都需要坚实的概念与术语基础。“尽管工业4.0是今天被讨论最频繁的话题之一，我仍不能给我儿子解释这到底是个什么”，汽车制造商奥迪的一位生产线经理这么说道。这句话突出了近来研究表明的“德国大多数公司对工业4.0没有一个明确的认识，也不知道它会是什么样的”(eco, 2014)。

因为术语本身的不明确，工业界在识别并实现工业4.0场景时都很头疼。设计准则明确地为这一问题提供了一套“系统化知识”(Gregor, 2009, p. 7)并描述了这一现象的特征。所以，设计准则可以帮助实践开发合适的解决方案。从学术的角度，设计准则也是设计理论的基础(Gregor, 2002, p. 11)。不过对于工业4.0，本文作者在查阅文献的时候，没能找到任何明确指出工业4.0设计准则的陈述。

本文旨在研究中缩小这一漏洞。根据文献的查阅，作者为工业4.0提供了定义并识别出企业可以在实现工业4.0方案时可以使用的六个设计准则。

本文结构如下：第二章大体给出工业4.0概念是如何出现的，其蓝图与基本目标是什么，在盎格鲁 - 撒克逊时代有什么类似的概念。第三章给出研究过程与方法的概述。第四章强调四个与工业4.0有紧密联系的组件，基于这四个组件给出工业4.0的定义。基于该定义，第五章引出用于识别与实现工业4.0场景的六项设计准则。最后，第六章给出本文对知识体系与生活实践所作出的贡献，提出研究的局限并提出未来研究的方法。

2背景

术语“工业4.0”代表，即将发生的下一次工业革命。这次工业革命是继人类历史上其他三次工业革命的第四次。第一次工业革命始于18世纪下半叶，机械制造设备的出现并在19世纪带来巨大变革。从19世纪70年代开始，电力与分工制度（如泰勒主义）领导了第二次工业革命。第三次工业革命，也被称作“数字化革命”，在20世纪70年代左右开始，先进电子设备与信息技术进一步推动了自动化生产的发展。

2011年，一个商界，政界，学界代表组成的小组“工业4.0”开始倡议将这一思想作为强化德国制造业竞争力的手段时，“工业4.0”这一术语才正式为众人所知(Kagermann, Lukas, amp; Wahlster, 2011)。德国联邦政府通过声明，工业4.0将成为其，以成为科技创新领导者为目标的，2020高科技发展战略中的重要部分，支持这一思想。因此所成立的“工业4.0研究小组#”于2013年四月开始开发#实践工业4.0的第一组指导#(Kagermann et al., 2013, p. 77)。在这篇指导中，Kagermann是这样描述他们对工业4.0的愿景：

“未来，公司将以信息物理系统（CPS）的形式建立他们的设备，仓库系统与生产设施的全球网络。在生产环境中，这些信息物理系统由能够自动独立地交换数据，触发行为并相互控制的智能设备，存储系统与生产设施组成。这些设施从基本上改善了在制造，工程，材料利用，供应链与生命周期管理中包含的工业过程。现在已经开始出现的智能工厂使用的是一套全新的生产方法。智能产品都是独一无二的，可以在任意时候定位或者查询他们的历史，当前状态与其它达成目标状态的方法。嵌入式的制造系统，在纵向联入工厂与企业内部的商业过程中；在横向联入可以实时管理的分散网络，从提交订单开始一直到出货物流。另外，这一使用也使整个企业价值链都必须实现端对端工程。”

基于这一愿景，“工业4.0平台”深入开发了如何实践的指导(Kagermann et al., 2013, p. 77)。指导中将工业4.0理解为“贯穿产品生命周期的新一级别的价值链组织与管理”(Plattform Industrie 4.0, 2014)。

因为“工业4.0”这一概念在非德语地区并非众人皆知(Lasi, Fettke, Kemper, Feld, amp; Hoffmann, 2014, p. 261)，所以从全球的角度来看类似概念是很有价值的。通用电气提倡一个类似的概念“工业互联网(Industrial Internet)”(Bungart, 2014; Evans amp; Annunziata, 2012)。其被定义为“复杂物理机械与配有联网传感器与软件的设备的整合，并为更好的商业与社会决定进行预测，控制与规划的应用”(Industrial Internet Consortium, 2013)。美国政府对“高级制造(Advanced Manufacturing)”投入了二十亿美金来支持工业互联网方向对科研与开发活动(Presidentrsquo;s Council of Advisors on Science and Technology, 2014, p. 46)。可以找到更多类似的概念比如集成工业(Integrated Industry，Buuml;rger amp; Tragl, 2014, p. 560)，智能工业或者智能制造(Smart Industry or Smart Manufacturing，Dais, 2014, p. 628; Davis, Edgar, Porter, Bernaden, amp; Sarli, 2012, p. 145; Wiesmuuml;ller, 2014, p. 1) 。

3研究过程与方法

研究过程中，本文作者遵从了vom Brocke等人的指导意见(Vom Brocke et al. , 2009) 。为了涵盖学界与工业界工程，生产与管理领域相关的文献，作者利用了五个文献数据库CiteSeerX, ACM, AISeL, EBSCOhost, Emerald Insight和谷歌学术。文献阅读的目标在于识别工业4.0的几个核心部分，从而导出一个研究者与实践者都认可的明确定义(Cooper, 1988, p. 109)。为了概念化工业4.0并识别关键词，作者还通过，在谷歌学术中搜索“工业4.0”(“Industrie 4.0” and “Industry 4.0”)，进行了准备性的文献阅读(Vom Brocke et al. , 2009, p. 10)。使用这两个词是为了涵盖德语与英语文献，因为德语中常用“ie”而英语则用“y”。两个词的前100个搜索结果的标题，摘要与关键词，为了保证过程的可靠性(Randolph, 2009, p. 6)，被两个研究人员独立进行分析。研究人员在分析后对每篇文章赋予关键词。比如，本文前面提到的Kagermann等人对工业4.0的愿景这篇文章(2013, p. 5)被赋予了在文中出现的CPS，智能工厂与智能产品几个关键词，还有文中这段话中间接提到的物联网：“纵向联入工厂与企业内部的商业过程中；在横向联入可以实时管理的分散网络”。两个研究人员接下来将关键词整合并讨论出现差异的地方。最终的结果包括15个关键词。

之后，将得到的关键词与“工业4.0”(“Industrie 4.0” and “Industry 4.0”)在五个数据库中进行搜索。因为这次搜索只有几个结果，谷歌学术也包括在了其中。遵从Webster与Watson的指导意见(Webster and Watson, 2002, p. xvi)，结果由向前－向后搜索#得出。结果中，只有标题，摘要或关键词中出现“工业4.0”才被认为有关。这一过程得到的51篇文献此后被两个研究人员完整地分析并添加了对应的关键词标签。结果再次被整合并讨论差异出现处。关键词按其出现频率进行了排名。四个相关程度最高的关键词将在后面的章节成为工业4.0的基本组件。遵照vom Brocke等人对查阅文献过程的最后一步，本文基于文献阅读结果得出的未来可能的研究活动列在第六章中。

基于识别出的四个基本组件，作者提供了对工业4.0的定义。定义依照了亚里士多德的属加种差。第一条规则要求指出所属的类(即父概念或名词所属的类别)，第二条规则要求指出与同属类别或夫概念下其它名词不同的独有特征(Aristotle, 350 BC; Westermann, 2001)。

最后一步，作者根据介绍的工业4.0定义与例子推导出工业4.0设计准则。为了保证过程的可靠性，两个研究人员分别独立地对工业4.0设计准则进行了推导。找到的设计准则再被组合并分类。根据Gregor的理论(Gregor, 2002)，这些准则将可以引导实践者与科学家深入实践与研究如何实现工业4.0。

4文献阅读结果

文献阅读识别出了工业4.0点四个基本组件：CPS，物联网，服务互联网与智能工厂。M2M交互(Machine-to-Machine)与智能产品没有被作者归结为工业4.0的独立组件，因为M2M促成了物联网，而智能产品是CPS的子组件(细节见4.1.1与4.1.2)。类似的，同Kagermann的观点一致(2014, p. 605-606)，作者视大数据与云计算为利用工业4.0实现中产生数据的数据服务而不看作独立的工业4.0组件。

下面，工业4.0的四个基本组件将通过给出被引用最多的定义，与工业4.0点联系并给出一个应用的例子。之后作者会根据这些组件给出工业4.0的新定义。

4.1工业4.0组件

4.1.1 信息物理系统（CPS）

工业4.0的一个重要的组件是虚拟世界与现实世界的融合(Kagermann, 2014, p. 603)。信息物理系统（CPS）使这一融合成为了可能。CPS是”计算与物理过程的整合。嵌入式计算机与网络监视并控制着物理过程。其中物理过程会影响计算或者计算影响物理过程的部分通常带有反馈环。”(Lee, 2008, p. 363)。CPS的开发被分为三个阶段。第一代CPS包括允许唯一识别的技术，比如RFID标签。存储与分析必须作为核心服务提供。第二代CPS装备有功能相对专一的传感器与执行器。第三代CPS可以存储并分析数据，并且装备有多种传感器与执行器而且与互联网兼容(Bauernhansl, 2014, pp. 16–17)。CPS的一个例子是Wuuml;rth的intelligent bin (iBin)。它包括负责决定iBin内C-parts数量的C-parts management#的内置红外摄像头模块。如果数量低于安全存货量，iBin将通过RFID自动订制新部件。这允许了实时的基于消费的C-parts management(Guuml;nthner, Klenk, amp; Tenerowicz-Wirth, 2014, p. 307)。

4.1.2 物联网

根据Kagermann，制造过程中物联网（IoT）与服务互联网（IoS）的整合开启了第四次工业革命(Kagermann et al., 2013, p. 5)。IoT允许”如RFID，传感器，执行器，手机终端等rsquo;物体rsquo;与rsquo;对象rsquo;通过唯一的取址方式相互交流并与其rsquo;智能rsquo;邻居合作达成共同目标“(Giusto, Lera, Morabito, amp; Atzori, 2010, p. V)。根据上面CPS的定义，“物体”与“对象”可以理解作CPS。因此IoT可以被定义作CPS通过唯一的取址方式相互合作的网络。IoT的应用例子有智能工厂，智能家庭还有智能网路(Bauernhansl, 2014, pp. 16–17)。

4.1.3 服务互联网

服务互联网（IoS）使“服务提供商通过网络提供服务”。IoS包括参与者，服务的架构，商

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