德國工業4.0發展至今，隨著網絡物理系統 CPS 技術的深入應用，生產的自動化和靈活性不斷得到提高，推動了生產形態的逐步演進。目前，德國工業4.0從技術上已經進入到大規模定制代工生產的雛形階段。我們認為的工業4.0的終極狀態會是一個什么樣子呢？

  以汽車行業為例，可以設想這樣一個場景：在一個巨大的廠房里，按照矩陣式布置了20x40個加工島。每個加工島由若干臺機器人和一批工裝構成。在加工島之間，來回穿梭著一臺臺無人駕駛的、承載著半成品汽車的 AGV 小車。當 AGV 到達某個加工島后，一群機器人立即將半成品汽車卸到加工臺上進行緊固，進行生產和裝配，然后再搬回到 AGV 小車上。就這樣，在流轉了若干個加工島之后，半成品的汽車終于變成了完工的汽車。

  如果說這種無人化的、無流水線傳動帶的加工方式打破了很多人對汽車工廠傳統印象的話，那么更加令人驚奇的是，在這個廠房里，甚至可以同時為不同品牌的汽車進行代工。而從廠房出口駛出的汽車，不僅可以是完全不同的車型，而且沒有兩臺是一模一樣的配置。

未來汽車代工生產的場景

  從今天的經驗和認知來看，這些描述聽起來簡直是天方夜譚。但是，在德國工業4.0技術的推動下，這一幻想正在逐漸變為現實。從推動代工生產的視角，德國庫卡機器人將其稱為矩陣式生產（Matrix Production）；從產業應用的視角，將其應用到實戰的德國大眾把它叫做模塊化生產（Modular Production）。

  眼下，筆者正站在沈陽自動化研究所的實驗室里，面對著這樣一個第三代數字化工廠的示范線，眼前似乎浮現出未來汽車大規模定制代工生產的場景。這一切，都始于五年前德國政府為了向中國政府介紹工業4.0，委托 SAP 實地接待中國工信部領導參觀的數字化工廠。

2014年德國專家向中國政府領導介紹工業4.0數字化工廠

第一代工業4.0數字化工廠

  2014年正值工業4.0方興未艾之際?；诙嗄甑膶嵺`，SAP 發布了第一代的工業4.0數字化工廠解決方案。這是一個典型地實現了垂直集成架構的數字化工廠。在 OPC 協議的支持下，SAP 打通了自家的企業資源計劃 ERP 到自家的制造執行系統 MES 到第三方的可編程邏輯控制器 PLC 之間的壁壘。在 SAP MES 和 PLC 之間無需任何軟件中間層，便可以實現主數據無冗余的高速集成。

  這一年德國政府提供給中國工信部領導參觀的，是一家實施了 SAP 的德國工業燃氣具生產企業 Elster。實際上，盡管 Elster 的一條生產線上已經可以實現多品種小批量的生產，在水平集成上也可圈可點，但是使用垂直集成打通工業金字塔的概念，與國內推行的「兩化融合」的思想高度契合，給來訪的中國領導和專家們留下了深刻的印象。那幾年，也是垂直集成概念在國內數字化工廠最為風行的幾年，不少人將能夠與 ERP 和 PLC 連接的 MES，看成是實現工業4.0的標配，興起了一股開發各行各業 MES 系統的高潮。無疑，這為大規模建設工業4.0數字化工廠奠定了一個起點。

2014年漢諾威工博會上

SAP展示的第一代工業4.0數字化工廠解決方案

第二代工業4.0數字化工廠

  2016年，SAP 推出了「水平集成+垂直集成+產品全生命周期集成」的第二代工業4.0數字化工廠。在 ERP－MES－PLC 的基礎上，加入了個性化定制的概念，涵蓋了從電商系統 Hybris 提出產品定制要求，在產品生命周期管理 PLM 中進行產品設計，然后進入到 ERP 下單生產，以及通過供應鏈管理系統 SCM 與供應商協同組織供貨的完整過程。

  現在回想起來，那幾年在國內也是個性化定制工廠最紅火的時光。服裝、家具、家電等輕工業產品的定制，儼然就是工業4.0的代名詞。現在看來，輕工業產品的個性化定制，在整個制造行業里，門檻相對還是比較簡單。工業4.0的難點依舊還是那些復雜產品+復雜加工過程的大規模定制，典型的代表就是汽車?？胁幌缕囘@塊骨頭，停留在第二階段的數字化工廠，還不能代表德國工業4.0的水平。

2016年漢諾威工博會上

SAP展示的第二代工業4.0數字化工廠解決方案

第三代工業4.0數字化工廠

  又過了兩年，2018年，SAP 緊接著推出了基于模塊化生產的第三代數字化工廠，不僅實現了汽車行業的大規模定制化生產，還一下子拔高了工業4.0數字化工廠的高度。直到今天，國內也沒能出現與之相仿的整體方案。原因很簡單。第三代數字化工廠，實現了全面自動化、高度智能化和深度定制化，它對于背后系統的集成，提出了極高的要求。由于沒有人工操作來作為緩沖，哪怕是系統之間一點點的不匹配，都會是災難性的事故。真正考驗工業系統整體能力的時刻來臨了。而第三代數字化工廠，也就是前文提到的大規模定制代工生產的雛形。

  SAP 的這套方案，起源自奧迪電動汽車的新工廠。讀到這里，一定會有好奇的讀者問，為什么會是電動汽車？

2018年漢諾威工博會上

SAP展示的第三代工業4.0數字化工廠解決方案

走向新能源和自動駕駛的汽車工業正在呼喚下一代的大規模定制

  汽車工業發展到今天，已經走到了一個十字路口。盡管在此之前，很多汽車廠都嘗試搞過大規模定制，并且也在傳統的流水線上，通過混線排序生產，將大規模定制變為了現實，但是，今天汽車工業能達到的定制化水平，距離未來的要求，還有很大的差距。

  今天的汽車都是由人來駕駛的基于內燃機的汽車。駕駛員的眼和手，完全離不開對前方的觀察和方向盤。對于汽車的配置，尤其是各種內飾，沒有太多的精力加以關注。只有到了 L3 自動駕駛實現之后，可以允許「Eye Off」和「Hands Off」，這時駕駛員的注意力，才有可能關注到車廂內部的其他配置。并且，隨著技術的進步，電動汽車和自動駕駛將會徹底改變車內的布置，使得汽車從「交通工具」，轉化為「生活工具」。到這時，人們對于汽車的配置要求，才會真正釋放出來。正如同樣的房型，不會有同樣的裝修一樣。如下圖所示，2021年，寶馬汽車的 L3 自動駕駛的汽車就將量產，距離現在只有兩年時間。以今天汽車工業的水平，能夠造得出這種高度定制化的汽車嗎？

自動駕駛汽車將逐步解放人類的「眼」和「手」

為汽車的個性化配置提供空間

（圖中時間表是寶馬發布的計劃）

傳統的流水線式的大規模生產已經達到了優化的頂峰

  今天的汽車工業，在100年前福特制的流水線生產下，無論是在銷量，還是柔性上，都已經達到了優化的極限。對于客戶的定制化需求，汽車工業普遍采用混線排序生產的方式，將不同配置要求的車輛，在充分考慮到產線的各種制約因素之后，按照既定的順序進行排產，投放到產線上組織生產。排產過程中最主要的制約因素，就是由流水線的勻速直線移動帶來的。正所謂成也蕭何，敗也蕭何，流水線簡化了生產計劃和現場的物流工作，但也帶來了僵化的產線布置、剛性要求的統一生產節拍等缺陷。對于需要更加靈活地調整生產工藝的定制化生產需求，將所有的生產設備排成一條直線的流水線，是無法滿足的。人們不得不將目光，轉移到生產設備的機群式布置方式，輔之以基于無人駕駛 AGV 的物流的新一代生產方式。這其實也正是從2013年開始由德國聯邦教育與研究部領銜資助的 Arena2036 項目研究的主題之一。

在 Arena2036 研究項目中設想的未來的汽車敏捷工廠

（來源：https://www.forschungscampus.bmbf.de）

自治系統是德國科技最新的發展階段

  實際上，德國工業在科技領域的前瞻性研究，不僅在趨勢上領先，而且非常堅實和腳踏實地，與產業界的融合也十分有效。如下圖所示，從2011年到2013年，德國科技界的研究重點，放在了 IT 與 OT 融合的工業4.0（Industry 4.0），它與國內所提的智能制造大體相當。接下來的5年里，德國科技界又將重點放在了智能服務世界（Smart Service World），它與國內所提的工業互聯網或產業互聯網大體相當。在目前這個階段，研究階段又放在了自治系統（Autonomous System）領域，推動自動駕駛汽車、智能機器人和互聯的基礎設施的開發。無論是上文中提到的矩陣式生產，還是模塊化生產，都是自治系統在生產制造領域里的應用。

從工業4.0，到智能服務世界和自治系統

第三代數字化工廠在奧迪的實踐

  第三代數字化工廠的模塊化生產，具有以下四個特點：

  獨立：每一個工作站都是一個單獨的模塊，傳統生產線的物理先后順序上的限制不復存在。在需要的時候，模塊可以隨時加入和退出，不會相互影響。

  可變：每個產品都可以有自己虛擬可變的加工流程順序，在離開每個工作站的時候，對下一個工作站目的地做出最優決策。

  智能：所有的產品和物料通過 AGV 在車間內自動運輸，只有在需要的時候才會發出，從而將在制數量降到最低，并提高效率。

  靈活：模塊化提高了生產系統的擴展性和適應性，并且對產品的形狀、尺寸具有更高的適應，可以按照需要方便地進行調整。

模塊化生產的加工工作站布局示意圖

  從奧迪的視角，采用模塊化生產，可以從以下幾個方面獲得收益：

• 節省設備投資
• 從生產實踐和瓶頸優化方面獲得顯著受益
• 提高定制生產下的高產量
• 靈活可優化的工廠布局

第三代數字化工廠演示線進入中國

  在中科院沈陽自動化研究所的大力支持下，SAP 中國在沈陽的演示線上實現了第三代數字化工廠的理念。

  在 SAP S/4HANA、SAP ME/MII、SAP EWM 等系統以及沈自所研發的設備和工控算法的支持下，這套演示線以一個減速器缸體缸蓋和齒輪的裝配過程為例，實現了多臺無人駕駛的 AGV 小車和配套的機器人在不同加工工位之間的協同制造過程。

  在這套演示線里，個性化產品的銷售訂單在 SAP C/4HANA 銷售云創建，隨后無縫傳入 SAP S/4HANA 系統創建生產訂單，并下達至車間。

  在生產過程中，SAP 高級倉儲管理系統（SAP EWM）和 SAP 制造執行系統（SAP MES）按照業務流程緊密對接，從原材料出庫、生產執行、原料消耗到成品入庫和最終發貨，所有環節均可以根據產品或者工藝的變化，進行快速響應調整，并且整個流程能得到精準、實時的記錄和跟蹤。

  基于模塊化生產概念，矩陣式布局生產方式，通過沈自所的 WIA 工業無線技術使控制系統從有線變為無線，機械結構可以靈活部署；工業軟件定義網絡（SDN）技術使工業網絡可以隨產線布局的變化而自適應組態；「物源」平臺的管控一體化軟件和邊緣控制器，使工站，機器人等設備的工序工步隨產品設計變化而自適應重組。

  通過沈自所的「物源」平臺，SAP 的 IT 系統與沈自所的 OT 系統的緊密集成，倉儲系統、制造執行系統、PLC 控制系統以及 AGV 車輛管理和調度系統共同協作，生產過程中可以根據產品，工藝，設備狀態和訂單情況進行動態的工藝路線調配和內物流配送，減少等待時間，生產效率實現最大化。

  與傳統的流水式生產線相比，從技術的角度來看，第三代的數字化工廠系統的復雜性是較高的，反映在增加的接口、系統集成的數量，以及算法設計和各個不同系統之間的交互，并且對于傳統生產方式的業務流程也有較大的改變。從設備和 IT 系統的角度，它對于可用性、主數據的質量等都提出了較高的要求。這條演示線，對于在中國市場推廣第三代數字化工廠，將會起到非常好的引導作用。

沈自所第三代數字化工廠演示線實景拍攝

  希望有更多的企業參與到新一代數字化工廠的推廣和實踐中來。