工業4.0——概念、技術及演進案例 (電子書)

致謝
前言
第1篇　工業4.0的概念、框架及意義
第1章　新科技革命引發第四次工業革命
1.1　新科技革命正在引發產業革命
1.1.1　新時期的科技革命呈現出智慧化、生態化等特點
1.1.2　新科技革命與產業變革的互動具有複雜性
1.1.3　注重戰略性新興產業的發展，兼顧傳統產業
1.1.4　科技政策與產業政策的協調，推進國家科技發展戰略
1.2　歷次工業革命的演進
1.2.1　第一次工業革命
1.2.2　第二次工業革命
1.2.3　第三次工業革命
1.2.4　三次工業革命對社會的衝擊
1.3　第四次工業革命正在拉開序幕
1.3.1　經濟爆發式增長和就業困境
1.3.2　企業不改變就滅亡
1.3.3　放眼國家和全球
1.3.4　前所未有的社會變革
1.3.5　無孔不入的技術
1.3.6　權衡公共資訊與個人資訊
第2章　德國工業4.0戰略分析
2.1　德國工業4.0戰略計畫簡述
2.2　德國工業4.0規劃願景
2.2.1　工業4.0願景
2.2.2　工業4.0下的未來情景
2.2.3　新型的商業機會和模式
2.2.4　工作場所的全新社會基礎設施
2.2.5　全新的基於服務和即時保障的CPS平臺
2.2.6　工業4.0之路
2.3　雙重戰略：成為領先的市場和供應商
2.3.1　領先的供應商策略
2.3.2　主導市場策略
2.3.3　雙重戰略及其關鍵特徵
2.4　需求研究
2.5　優先行動領域
2.5.1　標準化和開放標準的參考體系
2.5.2　管理複雜的系統
2.5.3　為工業提供一個全面寬頻的基礎設施
2.5.4　安全是工業4.0成功至關重要的因素
2.5.5　數位化工業時代工作的組織和設計
2.5.6　培訓和持續的職業發展
2.5.7　規章制度
2.5.8　資源效率
2.6　德國如何與世界其他國家競爭
2.7　展望
2.8　德國工業4.0的新動態
2.8.1　工業4.0對就業崗位的影響
2.8.2　新開設的“中小企業4.0能力中心”
2.8.3　2018年全球數位化轉型報告
第3章　工業4.0的概念、框架及啟示
3.1　工業4.0的概念和內容框架
3.1.1　工業4.0的概念
3.1.2　工業4.0的兩大目標
3.1.3　工業4.0的內容框架
3.1.4　工業4.0的主要內容
3.2　工業4.0的主要基礎技術
3.2.1　支援工業4.0的新一代IT技術
3.2.2　大資料是工業4.0的基礎與核心技術
3.2.3　大資料、雲計算和AI三者之間的關係
3.2.4　5G技術的到來加速工業物聯網發展
3.3　深入剖析“工業4.0”及其重要意義
3.3.1　德國為什麼提出工業4.0規劃
3.3.2　對德國工業4.0我們如何認識
3.3.3　德國工業4.0的全球影響和展望
3.3.4　德國工業4.0對中國的啟示
第2篇　工業4.0的關鍵技術和解決方案
第4章　智慧製造的關鍵技術及組織結構
4.1　CPS數位物理融合技術
4.1.1　CPS數位物理融合技術國內外研究態勢
4.1.2　CPS數位物理融合技術體系
4.1.3　智慧製造的技術機理：“人-資訊-物理系統”
4.2　智慧製造
4.2.1　智慧製造的三個基本範式
4.2.2　數位化製造
4.2.3　數位化-網路化製造
4.3　新一代智慧製造——數位化-網路化-智慧化製造
4.3.1　新一代智慧製造的系統組成與系統集成
4.3.2　智慧產品與製造裝備
4.3.3　智慧生產
4.3.4　智慧服務
4.3.5　智慧製造雲與工業智聯網
4.3.6　系統集成
4.4　工業互聯網技術
4.4.1　企業網路
4.4.2　工業乙太網
4.4.3　PROFINET即時工業乙太網
4.4.4　工業乙太網網路規劃
4.4.5　西門子工業乙太網產品
4.5　工業網路安全
4.5.1　工業基礎設施與控制系統的安全現狀與威脅
4.5.2　工業資訊安全在智慧工廠中的關鍵性
4.5.3　工業控制系統政策與法規的影響
4.5.4　縱深防禦理念
4.5.5　控制系統的層級劃分與安全性原則
4.5.6　控制系統安全應用場景與西門子的解決方案
4.5.7　工廠資訊安全服務
第5章　智慧製造解決方案
5.1　工廠自動化與智慧工廠數位化平臺
5.1.1　智慧工廠數位化平臺概述
5.1.2　西門子自動化系統SIMATIC PCS 7
5.2　西門子工程設計與運維軟體COMOS
5.2.1　COMOS平臺的特點
5.2.2　COMOS一體化工程設計
5.2.3　COMOS與DCS的集成
5.2.4　COMOS數位化工廠與一體化運維
5.3　智慧工廠中的資料來源泉
5.3.1　工業識別獲取準確的資訊使工廠透明化
5.3.2　工業識別系統原理及應用舉例
5.3.3　西門子工業識別產品線簡介
5.4　西門子製造執行系統（MES）產品SIMATIC IT eBR
5.4.1　SIMATIC IT eBR介紹
5.4.2　生命科學行業實施MES的必要性
5.4.3　實施MES給生命科學行業帶來的優勢
5.4.4　某製藥企業實施MES的經驗分享
5.4.5　西門子生命科學行業數位化製造運營管理產品家族
5.5　PAT過程分析技術
5.5.1　PAT和QbD概述
5.5.2　製藥企業需要實施PAT
5.5.3　如何成功實施PAT
5.5.4　SIPAT——西門子提供的PAT資料解決方案
5.5.5　案例研究
第6章　工業互聯網平臺
6.1　工業互聯網的概念
6.1.1　如何理解工業互聯網
6.1.2　工業互聯網與工業物聯網（IIoT）是什麼關係
6.1.3　工業互聯網平臺
6.1.4　工業互聯網與智慧製造的關係
6.1.5　工業互聯網與工業大資料的關係
6.1.6　工業互聯網目前的成熟度
6.2　西門子MindSphere平臺
6.2.1　MindSphere概述
6.2.2　MindSphere融合真實世界與數位化世界
6.2.3　MindSphere開放式平臺即服務（PaaS）
6.2.4　MindSphere在特定領域行業的應用和數位化服務
6.2.5　採用全數位化雙胞胎進行閉環創新
6.3　美國工業互聯網
6.3.1　工業互聯網的由來
6.3.2　工業互聯網聯盟的運行機制
6.3.3　美國工業互聯網的三大法寶
6.3.4　GE的工業雲平臺
6.4　工業互聯網平臺發展趨勢
6.5　對我國工業互聯網發展的啟示
第3篇　企業組織向工業4.0演進的策略與方法及案例
第7章　企業組織工業4.0的參考框架
7.1　RAMI 4.0術語
7.2　整體架構模型
7.3　小公司怎麼參與
7.4　聯合的走向
7.5　中國智慧製造參考架構
7.6　資料編碼標準體系建設
7.6.1　資料編碼標準體系建設的目標、內容及意義
7.6.2　主資料編碼管理體系概述
7.6.3　智通翔雲主資料管理解決方案及系統
7.7　醫藥行業4.0的參考框架分析
7.7.1　醫藥行業自動化和資訊化現狀
7.7.2　醫藥行業4.0的推動力
7.7.3　《醫藥工業發展規劃指南》智慧製造解讀
7.7.4　醫藥行業4.0的參考框架分析
7.7.5　推進醫藥行業4.0面臨的問題與應對之策
第8章　企業組織向工業4.0演進的策略方法及途徑
8.1　中國製造2025
8.1.1　原則
8.1.2　《中國製造2025》規劃
8.1.3　內容概要
8.2　兩化融合與工業互聯網
8.2.1　工業互聯網與兩化融合
8.2.2　工業互聯網政策解讀
8.3　向工業4.0演進的策略及途徑
8.3.1　智慧製造現狀比較分析
8.3.2　建設數位化企業的策略
8.3.3　數字化工廠的演進途徑
8.4　智慧化工廠規劃的核心要素
8.4.1　資料的採集和管理
8.4.2　設備聯網
8.4.3　工廠智慧物流
8.4.4　生產品質管制和設備管理
8.4.5　智慧廠房設計
8.4.6　智慧裝備的應用
8.4.7　智慧產線規劃
8.4.8　製造執行系統
8.4.9　生產無紙化
8.5　企業組織向工業互聯網演進的策略與方法
8.5.1　工業互聯網是製造業轉型升級的必由之路
8.5.2　深入理解工業互聯網
8.5.3　製造業向工業互聯網演進的路徑
第9章　企業組織向智慧製造演進的案例分析
9.1　打響智慧戰“疫”，守衛動物健康
9.1.1　智慧蛻變正當時
9.1.2　端到端集成：從一體化工程到一體化運維
9.1.3　縱向集成：快速回應複雜的市場需求
9.1.4　橫向集成：挖掘大資料背後的價值
9.2　凱賽攜手西門子打造生物製造領域的世界級數位化生產基地
9.2.1　實現跨越
9.2.2　研發提升
9.2.3　保證反應無中斷
9.2.4　穩定高效的生產
9.2.5　一體化運維
9.3　彎道超車——西門子打造的全流程自動化無菌車間
9.3.1　四大亮點打造樣板車間
9.3.2　不僅是條生產線
9.3.3　協作典範
9.4　澳大利亞多樂士——實現任何顏色可調製
9.4.1　個性化塗料生產
9.4.2　模擬貼合現實
9.4.3　無紙化生產實現高效歸檔
9.4.4　提高生產效率，降低能源消耗
9.4.5　公司秉承合作傳統
9.5　解碼蓉生——西門子助力“中國血液製品”
9.5.1　目標：兩化融合
9.5.2　事半功倍的資訊化利器
9.5.3　擁有大資料將擁有未來
9.6　醫藥供應鏈雲服務物流平臺
9.6.1　賽飛藥品供應鏈雲服務平臺綜述
9.6.2　專案背景及目的
9.6.3　解決方案及關鍵技術
9.6.4　主要功能及業務
9.6.5　應用情況及成效
9.7　他山之石：歐洲企業向工業4.0演進趨勢及案例
9.7.1　歐洲企業演進現狀綜述
9.7.2　通向數字化工廠的藍圖
9.7.3　國內數字化工廠的省思
9.7.4　基於工業4.0框架下的智慧供應鏈發展趨勢
參考文獻

前言
如果說過去的近二十年是消費互聯網的黃金年代，中國在此期間誕生了BAT（中國三大互聯網公司，B代表百度，A代表阿裡巴巴，T代表騰訊）等互聯網巨頭，那麼時至今日，風頭正逐漸轉向產業互聯網。互聯網技術在改造完消費服務業後，正迅速而堅定地來到了工業領域，以“工業4.0”之名，掀起了對傳統工業的革命。

按照當今世界對歷次工業革命演進的共識，可以這樣簡單表述：工業1.0是機械化，2.0是電氣化和內燃機，3.0是自動化和資訊化，4.0則是智慧製造。2013年4月，德國政府正式推出“德國工業4.0戰略”，一個全球性的話題瞬間被引爆，對世界強國來說，這是一次爭鋒製造業變革發展和互聯網下半場的機會，因而世界格局將會發生深刻變化。

在新一輪的工業革命中，各國都在競相構建自己的智慧製造產業體系，這個體系背後是技術體系、標準體系、產業體系，是智慧製造產業生態系統的主導權。換言之，各國新一輪工業革命的競爭，是未來全球新工業革命的標準之爭。一個國家、一個地區或者一個行業及企業如果不能意識到這場變革的核心以及其中蘊藏的潛能，或者沒有找到應對之道，那麼當其他國家或地區、其他行業或企業在新技術上取得突破後將獲得領先地位。作為世界工廠的中國，各行各業都處在一個轉型升級的岔路口上，要麼，我們認識到這次新技術的機遇，並且能以正確的策略和路徑，將其轉化成經濟上成功的新產品和服務；要麼，就冒經濟長期衰退的風險。直面“工業4.0”的時代背景，中國製造的機會在哪裡？本書以這一主題展開討論和論述，與讀者一道探討中國工業4.0的發展策略與路徑。

過去，馬雲看到了消費互聯網的發展前景，成就了今天的阿裡巴巴。今天產業互聯網的風口已經來臨，誰將成為下一個馬雲，成為下一個BAT？是轉型的傳統製造企業，是工業4.0技術供應商，還是技術解決方案公司？

好了，我們既沒有預言也沒有分析，預言工作還是留給預言家們吧。或許在10年後人們可以反觀並評價今天所發生的一切，而不是今天就來評論。當今，已經有很多不同的國家、地區和大大小小的企業在著力理解工業4.0，並抓住這些機會從而開展踏實的工作。

為了抓住機遇，找准向工業4.0演進的策略與方法，社會各界必須正確理解工業4.0的細節，諸如“第四次工業革命”“資訊物理融合系統（CPS）”“智慧製造及技術”等概念究竟意味著什麼？如何避免這些概念的濫用而成為空洞的口號和浮躁的炒作，因為空洞的口號會阻礙而不是協同人們達到工業4.0的既定目標。科技引領產業革命，如果錯過了工業4.0，可能錯過的就是一個時代。

本書作為一本全面、系統、深入論述工業4.0概念、技術和架構、演進策略與發方法以及應用的專著，正好彌補了這一領域的空白。

全書由3篇9章組成。第1篇工業4.0的概念、框架及意義，包括第1章新科技革命引發第四次工業革命，第2章德國工業4.0戰略分析，第3章工業4.0的概念、框架及啟示；第2篇工業4.0的關鍵技術和解決方案，包括第4章智慧製造的關鍵技術及組織結構，第5章智慧製造解決方案，第6章工業互聯網平臺；第3篇企業組織向工業4.0演進的策略與方法及案例，包括第7章工業4.0的參考框架，第8章企業組織向工業4.0演進的策略與方法及途徑，第9章企業組織向智慧製造演進的案例分析。

本書是筆者在對雲計算等新一代IT技術近十年研究的基礎上，攜手西門子智慧製造專家歷時三年多對工業4.0的跟蹤研究和多次赴德國漢諾威工業展覽會學習考察，以及在對西門子安貝格等德國數位化工廠的參觀考察基礎上寫作而成的一本關於工業4.0專著。因此，這本書並不是關起門來寫成的純理論書籍，它正如工業4.0的概念體系誕生一樣，是對社會、科技發展以及現實需求變革的考察研究與總結。

本書的主要特點有：一是系統地論述工業4.0。無論是對社會、經濟和科技發展變革引領工業革命的論述，還是對歷次工業革命演進過程的描述，都給讀者一條工業4.0的清晰演進脈絡。二是對工業4.0的概念、內容框架及基礎知識、相關技術都逐一進行了系統性闡述，幫助讀者建立起工業4.0的基本概念和內容框架，以便深刻理解後續的關鍵技術和解決方案。三是本書的章節設計力求全面、科學，邏輯性強，能讓讀者循序漸進地學習書中的內容。四是全面、系統地論述了工業4.0的知識、基礎技術、關鍵技術及解決方案。五是本書的權威性和工業4.0的原生性。由於參與編寫的作者大都是西門子公司的智慧製造專家，而西門子本身又是工業4.0的重要發起公司，以及筆者留學德國和長期用德語研究工業4.0的第一手資料。

在本書的寫作過程中力求兼顧普及與專業、理論與實踐相結合，盡可能地照顧到不同層次和不同專業的讀者，力求給廣大讀者呈現一個完整、系統和清晰的工業4.0體系，以便作為大家日常學習、工作的案頭參考書。本書對各章節結構做了精心的設計和安排，有較強的邏輯性，力求系統性、全面性、專業性和實踐性。如果您是企業管理人員，可以通過閱讀第1篇和第3篇來思考企業的戰略和管理，瞭解如何基於工業4.0來成功實現企業轉型升級，商業模式的創新，提升企業的核心競爭力，以適應新時代企業發展趨勢。如果您是企業的CIO或IT人員，您將能從書中系統獲取工業4.0的技術知識和解決方案，以科學的策略和方法幫助企業向工業4.0演進，並將更深刻體會如何基於工業4.0的理念來開展企業數位化、資訊化建設，並儘早規劃您的職業生涯。如果您是工業4.0價值鏈上的一家解決方案公司或從事智慧製造技術開發、服務的IT人，通過本書的學習，可以更好地確立您在產業鏈中的角色，瞭解工業4.0的發展態勢、商業模式、技術架構，從而更進一步定位您所在公司的產品、技術或服務。如果您是政府部門的官員或工作人員，可以通過此書關鍵章節的學習來為政府規劃、區域或行業發展、標準制定和為政府監管提供幫助。如果您是大專院校學生，將獲得從現有課本無法獲取的知識，完善自己的知識結構，及早規劃職業生涯，為走向社會提供良好的幫助。總之，本書是值得所有關注工業4.0的讀者一讀的兼顧普及性與專業性的參考書。

本書編委會主任由西門子（中國）有限公司林斌和中國醫藥集團有限公司原副總封多佳擔任，主編為雷萬雲博士和西門子（中國）有限公司姚峻博士。在編委會主任協調下，雷萬雲和姚峻編寫了大綱和各章節的主要內容要點，雷萬雲對全書各章節內容進行了優化和統稿工作，並撰寫了前言和致謝。姚峻對西門子（中國）有限公司的技術和解決方案章節部分進行了優化和統稿。其中，第1篇由雷萬雲、中國民航資訊網路股份有限公司王靜、中國醫藥集團有限公司齊華編寫；第4章由雷萬雲、西門子（中國）有限公司徐一濱、謝海龍、張兆中編寫；第5章由西門子（中國）有限公司朱誠實、任張鑫、張靖、楊桂忠、劉姝琦、唐邦志、樊林、李輝編寫；第6章由雷萬雲、西門子（中國）有限公司王保建、蘇昆哲編寫；第7章由雷萬雲、中國醫藥集團聯合工程有限公司李厚強、北京智通翔雲科技有限公司趙利華編寫；第8章由雷萬雲、中國民航資訊網路股份有限公司王靜編寫；第9章由西門子（中國）有限公司朱誠實、王曉玲、雷萬雲編寫。

工業4.0是一個跨學科的複雜巨系統，並且由於時間倉促，參與編寫的作者眾多，對於書中的疏漏和不當之處，敬請讀者批評指正。關於對本書的建議和意見可以在我的新浪博客（http://blog.sina.com.cn/alexalei）留言互動或寫信到我的郵箱（Alexalei@189.cn）進行交流。

博士
2019年5月於北京