德国工业4.0发展至今，随着网络物理系统 CPS 技术的深入应用，生产的自动化和灵活性不断得到提高，推动了生产形态的逐步演进。目前，德国工业4.0从技术上已经进入到大规模定制代工生产的雏形阶段。我们认为的工业4.0的终极状态会是一个什么样子呢？

  以汽车行业为例，可以设想这样一个场景：在一个巨大的厂房里，按照矩阵式布置了20x40个加工岛。每个加工岛由若干台机器人和一批工装构成。在加工岛之间，来回穿梭着一台台无人驾驶的、承载着半成品汽车的 AGV 小车。当 AGV 到达某个加工岛后，一群机器人立即将半成品汽车卸到加工台上进行紧固，进行生产和装配，然后再搬回到 AGV 小车上。就这样，在流转了若干个加工岛之后，半成品的汽车终于变成了完工的汽车。

  如果说这种无人化的、无流水线传动带的加工方式打破了很多人对汽车工厂传统印象的话，那么更加令人惊奇的是，在这个厂房里，甚至可以同时为不同品牌的汽车进行代工。而从厂房出口驶出的汽车，不仅可以是完全不同的车型，而且没有两台是一模一样的配置。

未来汽车代工生产的场景

  从今天的经验和认知来看，这些描述听起来简直是天方夜谭。但是，在德国工业4.0技术的推动下，这一幻想正在逐渐变为现实。从推动代工生产的视角，德国库卡机器人将其称为矩阵式生产（Matrix Production）；从产业应用的视角，将其应用到实战的德国大众把它叫做模块化生产（Modular Production）。

  眼下，笔者正站在沈阳自动化研究所的实验室里，面对着这样一个第三代数字化工厂的示范线，眼前似乎浮现出未来汽车大规模定制代工生产的场景。这一切，都始于五年前德国政府为了向中国政府介绍工业4.0，委托 SAP 实地接待中国工信部领导参观的数字化工厂。

2014年德国专家向中国政府领导介绍工业4.0数字化工厂

第一代工业4.0数字化工厂

  2014年正值工业4.0方兴未艾之际。基于多年的实践，SAP 发布了第一代的工业4.0数字化工厂解决方案。这是一个典型地实现了垂直集成架构的数字化工厂。在 OPC 协议的支持下，SAP 打通了自家的企业资源计划 ERP 到自家的制造执行系统 MES 到第三方的可编程逻辑控制器 PLC 之间的壁垒。在 SAP MES 和 PLC 之间无需任何软件中间层，便可以实现主数据无冗余的高速集成。

  这一年德国政府提供给中国工信部领导参观的，是一家实施了 SAP 的德国工业燃气具生产企业 Elster。实际上，尽管 Elster 的一条生产线上已经可以实现多品种小批量的生产，在水平集成上也可圈可点，但是使用垂直集成打通工业金字塔的概念，与国内推行的「两化融合」的思想高度契合，给来访的中国领导和专家们留下了深刻的印象。那几年，也是垂直集成概念在国内数字化工厂最为风行的几年，不少人将能够与 ERP 和 PLC 连接的 MES，看成是实现工业4.0的标配，兴起了一股开发各行各业 MES 系统的高潮。无疑，这为大规模建设工业4.0数字化工厂奠定了一个起点。

2014年汉诺威工博会上

SAP展示的第一代工业4.0数字化工厂解决方案

第二代工业4.0数字化工厂

  2016年，SAP 推出了「水平集成+垂直集成+产品全生命周期集成」的第二代工业4.0数字化工厂。在 ERP－MES－PLC 的基础上，加入了个性化定制的概念，涵盖了从电商系统 Hybris 提出产品定制要求，在产品生命周期管理 PLM 中进行产品设计，然后进入到 ERP 下单生产，以及通过供应链管理系统 SCM 与供应商协同组织供货的完整过程。

  现在回想起来，那几年在国内也是个性化定制工厂最红火的时光。服装、家具、家电等轻工业产品的定制，俨然就是工业4.0的代名词。现在看来，轻工业产品的个性化定制，在整个制造行业里，门槛相对还是比较简单。工业4.0的难点依旧还是那些复杂产品+复杂加工过程的大规模定制，典型的代表就是汽车。啃不下汽车这块骨头，停留在第二阶段的数字化工厂，还不能代表德国工业4.0的水平。

2016年汉诺威工博会上

SAP展示的第二代工业4.0数字化工厂解决方案

第三代工业4.0数字化工厂

  又过了两年，2018年，SAP 紧接着推出了基于模块化生产的第三代数字化工厂，不仅实现了汽车行业的大规模定制化生产，还一下子拔高了工业4.0数字化工厂的高度。直到今天，国内也没能出现与之相仿的整体方案。原因很简单。第三代数字化工厂，实现了全面自动化、高度智能化和深度定制化，它对于背后系统的集成，提出了极高的要求。由于没有人工操作来作为缓冲，哪怕是系统之间一点点的不匹配，都会是灾难性的事故。真正考验工业系统整体能力的时刻来临了。而第三代数字化工厂，也就是前文提到的大规模定制代工生产的雏形。

  SAP 的这套方案，起源自奥迪电动汽车的新工厂。读到这里，一定会有好奇的读者问，为什么会是电动汽车？

2018年汉诺威工博会上

SAP展示的第三代工业4.0数字化工厂解决方案

走向新能源和自动驾驶的汽车工业正在呼唤下一代的大规模定制

  汽车工业发展到今天，已经走到了一个十字路口。尽管在此之前，很多汽车厂都尝试搞过大规模定制，并且也在传统的流水线上，通过混线排序生产，将大规模定制变为了现实，但是，今天汽车工业能达到的定制化水平，距离未来的要求，还有很大的差距。

  今天的汽车都是由人来驾驶的基于内燃机的汽车。驾驶员的眼和手，完全离不开对前方的观察和方向盘。对于汽车的配置，尤其是各种内饰，没有太多的精力加以关注。只有到了 L3 自动驾驶实现之后，可以允许「Eye Off」和「Hands Off」，这时驾驶员的注意力，才有可能关注到车厢内部的其他配置。并且，随着技术的进步，电动汽车和自动驾驶将会彻底改变车内的布置，使得汽车从「交通工具」，转化为「生活工具」。到这时，人们对于汽车的配置要求，才会真正释放出来。正如同样的房型，不会有同样的装修一样。如下图所示，2021年，宝马汽车的 L3 自动驾驶的汽车就将量产，距离现在只有两年时间。以今天汽车工业的水平，能够造得出这种高度定制化的汽车吗？

自动驾驶汽车将逐步解放人类的「眼」和「手」

为汽车的个性化配置提供空间

（图中时间表是宝马发布的计划）

传统的流水线式的大规模生产已经达到了优化的顶峰

  今天的汽车工业，在100年前福特制的流水线生产下，无论是在销量，还是柔性上，都已经达到了优化的极限。对于客户的定制化需求，汽车工业普遍采用混线排序生产的方式，将不同配置要求的车辆，在充分考虑到产线的各种制约因素之后，按照既定的顺序进行排产，投放到产线上组织生产。排产过程中最主要的制约因素，就是由流水线的匀速直线移动带来的。正所谓成也萧何，败也萧何，流水线简化了生产计划和现场的物流工作，但也带来了僵化的产线布置、刚性要求的统一生产节拍等缺陷。对于需要更加灵活地调整生产工艺的定制化生产需求，将所有的生产设备排成一条直线的流水线，是无法满足的。人们不得不将目光，转移到生产设备的机群式布置方式，辅之以基于无人驾驶 AGV 的物流的新一代生产方式。这其实也正是从2013年开始由德国联邦教育与研究部领衔资助的 Arena2036 项目研究的主题之一。

在 Arena2036 研究项目中设想的未来的汽车敏捷工厂

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

自治系统是德国科技最新的发展阶段

  实际上，德国工业在科技领域的前瞻性研究，不仅在趋势上领先，而且非常坚实和脚踏实地，与产业界的融合也十分有效。如下图所示，从2011年到2013年，德国科技界的研究重点，放在了 IT 与 OT 融合的工业4.0（Industry 4.0），它与国内所提的智能制造大体相当。接下来的5年里，德国科技界又将重点放在了智能服务世界（Smart Service World），它与国内所提的工业互联网或产业互联网大体相当。在目前这个阶段，研究阶段又放在了自治系统（Autonomous System）领域，推动自动驾驶汽车、智能机器人和互联的基础设施的开发。无论是上文中提到的矩阵式生产，还是模块化生产，都是自治系统在生产制造领域里的应用。

从工业4.0，到智能服务世界和自治系统

第三代数字化工厂在奥迪的实践

  第三代数字化工厂的模块化生产，具有以下四个特点：

  独立：每一个工作站都是一个单独的模块，传统生产线的物理先后顺序上的限制不复存在。在需要的时候，模块可以随时加入和退出，不会相互影响。

  可变：每个产品都可以有自己虚拟可变的加工流程顺序，在离开每个工作站的时候，对下一个工作站目的地做出最优决策。

  智能：所有的产品和物料通过 AGV 在车间内自动运输，只有在需要的时候才会发出，从而将在制数量降到最低，并提高效率。

  灵活：模块化提高了生产系统的扩展性和适应性，并且对产品的形状、尺寸具有更高的适应，可以按照需要方便地进行调整。

模块化生产的加工工作站布局示意图

  从奥迪的视角，采用模块化生产，可以从以下几个方面获得收益：

• 节省设备投资
• 从生产实践和瓶颈优化方面获得显著受益
• 提高定制生产下的高产量
• 灵活可优化的工厂布局

第三代数字化工厂演示线进入中国

  在中科院沈阳自动化研究所的大力支持下，SAP 中国在沈阳的演示线上实现了第三代数字化工厂的理念。

  在 SAP S/4HANA、SAP ME/MII、SAP EWM 等系统以及沈自所研发的设备和工控算法的支持下，这套演示线以一个减速器缸体缸盖和齿轮的装配过程为例，实现了多台无人驾驶的 AGV 小车和配套的机器人在不同加工工位之间的协同制造过程。

  在这套演示线里，个性化产品的销售订单在 SAP C/4HANA 销售云创建，随后无缝传入 SAP S/4HANA 系统创建生产订单，并下达至车间。

  在生产过程中，SAP 高级仓储管理系统（SAP EWM）和 SAP 制造执行系统（SAP MES）按照业务流程紧密对接，从原材料出库、生产执行、原料消耗到成品入库和最终发货，所有环节均可以根据产品或者工艺的变化，进行快速响应调整，并且整个流程能得到精准、实时的记录和跟踪。

  基于模块化生产概念，矩阵式布局生产方式，通过沈自所的 WIA 工业无线技术使控制系统从有线变为无线，机械结构可以灵活部署；工业软件定义网络（SDN）技术使工业网络可以随产线布局的变化而自适应组态；「物源」平台的管控一体化软件和边缘控制器，使工站，机器人等设备的工序工步随产品设计变化而自适应重组。

  通过沈自所的「物源」平台，SAP 的 IT 系统与沈自所的 OT 系统的紧密集成，仓储系统、制造执行系统、PLC 控制系统以及 AGV 车辆管理和调度系统共同协作，生产过程中可以根据产品，工艺，设备状态和订单情况进行动态的工艺路线调配和内物流配送，减少等待时间，生产效率实现最大化。

  与传统的流水式生产线相比，从技术的角度来看，第三代的数字化工厂系统的复杂性是较高的，反映在增加的接口、系统集成的数量，以及算法设计和各个不同系统之间的交互，并且对于传统生产方式的业务流程也有较大的改变。从设备和 IT 系统的角度，它对于可用性、主数据的质量等都提出了较高的要求。这条演示线，对于在中国市场推广第三代数字化工厂，将会起到非常好的引导作用。

沈自所第三代数字化工厂演示线实景拍摄

  希望有更多的企业参与到新一代数字化工厂的推广和实践中来。