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全球工业4.0与机器人发展现状及趋势预测

2011年德国初步提出工业4.0的概念，2013年在汉诺威工业博览会上正式推出，其目的是通过应用物联等新技术提高德国制造业水平，建立具有适应性、资源效率及人体工学的智能工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。目前各国正积极推进新型制造业发展计划，工业4.0的脚步渐行渐近。

一、工业4.0相关概述

1、工业4.0的概念

德国工业4.0：络、计算机技术、信息技术、软件与自动化技术的深度交织产生新的价值模型，在制造领域，这种资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟络-实体物理系统(CPS)”。

工业4.0的本质是数据，包括产品数据、运营数据、产业链数据、外部数据等。工业4.0的核心就是工业智能化，相关行业包括：智能机床、工业自动化、工业互联、高端机器人、RFID、传感器、3D打印。

2、工业4.0的主题

工业4.0的四大主题是智能工厂、智能生产、智能物流和智能服务。智能工厂重点研究智能化生产系统及过程，以及络化分布式生产设施的实现;智能生产主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者;智能物流主要通过互联、物联、物流，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持;智能服务是应用多方面信息技术，以客户需求为目的跨平台、多元化（2）游标卡尺的集成服务。

二、国际工业4.0发展分析

1、全球工业4.0发展现状

(1)德国

2013年汉诺威工业博览会上，“工业4打底裤.0”的理念和计划由德国政府正式发布，描绘了制造业的未来愿景。目前，“工业4.0”计划已经从“德国高技术2020战略行动计划”获得2亿欧元投资，启动了包括“信息物理生产系统”(CPPS)在内的若干项目。此外，德国教育与研究部(BMDF)建立的“信息通信技术(ICT)2020——创新研究”计划以及德国科学研究联盟(FU)经济与社会促进组(原通信促进组)发起的“智能服务——基于络的商业服务”也都在“德国高技术2020战略”框架下开展，并且与“工业4.0”紧密相关，其中前者属于“数字德国2015”ICT战略，后者则成为十大“未来计划”之一，2015年3月提出了终版的战略建议报告。

(2)美国

美国提出的“工业互联”，旨在将人、数据与智能设备衔接，以交换数据来驱动制造业智能转型。相比德国，美国积极推进的“新工业战略”更加注重“软”的方面，例如大数据、软件、互联等对于传统工业的再工业化。在美国，工业4.0就是将虚拟络与实体连接，通过大数据分析等来重塑制造业，形成效率更高生产系统。美国的工业互联范畴更广阔，它试图将人、数据和机器连接起来，形成开放而全球化的工业络。目前，美国国内80多家ICT和互联巨头公司如GE、IBM、思科等企业成立了IIC(工业互联联盟)，以期打破技术壁垒，为通过大数据来实现制造业的创新。美国凭借其在工业3.0的领先优势以及互联和ICT先进巨头公司的影响力正推动着全球工业4.0的发展。

(3)日本

在面对德国率先开启了“智能制造”这一通向未来新工业革命的大门时，安倍政府也开始采取行动，制定和规划了日本“工业4.0”的发展方向。2015年版的《日本制造业白皮书》正是日本力求赢得“全球产业价值链主导用标距的百分比表示权”的关键举措。在政界，日本经济产业省把3D打印机列为优先政策扶持对象，投资45亿日元，实施名为“以3D造型技术为核心的产品制造革命”的大规模研究开发项目;在业界，三菱电机、富士通、日产汽车和松下等日本电子、信息、机械和汽车行业的主要企业等组建名为“产业价值链主导权”的联盟，共同探讨工厂互联的技术标准化，并争取使其成为国际标准。

2、全球工业4.0战略规划

美国自2008年金融危机起遇到了产业空心化，鉴于在其GDP总量中服务业占比70%而制造业仅占12%的不平衡结构，美国提出“先进制造业伙伴计划”，旨在振兴“美国制造”;日本制造业产值占GDP比重达20%，日本已从国家层面上开始高度重视科技附加值高的高端制造业;德国以精益制造领先全球，提出“工业4.0”企图再次引领新一轮工业革命，巩固其竞争地位;中国经济增长放缓，经济结构调整站在了制造业转型升级的十字路口。未来制造业将回归各国战略重心，成为全球经济稳定增长的重要引擎。

三、中国工业4.0发展分析

1、中国工业4.0政策环境分析

《中国制造2025》是中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，于2015年5月发布，是中国工业未来10年的发展纲领、顶层设计。

《中国制造2025》提出通过“三步走”实现制造强国的战略目标：第一步，到2025年迈入制造强国行列;第二步，到2035年我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平;第三步，到新中国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。围绕实现制造强国的战略目标，《中国制造2025》明确了9项战略任务和重点：一是提高国家制造业创新能力;二是推进信息化与工业化深度融合;三是强化工业基础能力;四是加强质量品牌建设;五是全面推行绿色制造;六是大力推动重点领域突破发展，聚焦新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、农机装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械等十大重点领域;七是深入推进制造业结构调整;八是积极发展服务型制造和生产性服务业;九是提高制造业国际化发展水平。

中国制造2025与德国工业4.0异曲同工，是布局工业互联的纲领性文件。不过二者也有适当差别，德国工业4.0是瞄准新一轮科技革命制定的措施，主要聚焦制造业的高端产业和高端环节。中国制造2025不是专门应对新一轮科技革命制定的规划，是对制造业转型升级的整体谋划。

2、中国制造的现状及发展分析

2016年中国是全球最具竞争力的制造业国家，中国当前的制造业规模非常大，早在2010年就超越美国成为了全球第一。按照联合国统计，500多个产品中，220个产品中国的规模全球第一。从制造业的技术创新来看，中国近几年进步很快。不过，2015年中国经济增长率为6.9%，经济放缓可能会进一步持续。由于需求下降引起工业活动不断下滑，进而导致工厂产能过剩。中国汽车行业目前产能利用率从2009年的100%下降至70%，制造业占GDP的比重也在逐年递减，其中大部分转向了服务业。很显然中国制造业转型升级的任务非常繁重，主要的问题仍然是结构性问题：有效需求不足，使得产能过剩问题凸显;有效供给不能完全适应消费结构升级的需要，应该提高供给侧对消费结构升级的适应性和灵活性。

中国要顺应“互联+”的发展趋势，以信息化与工业化深度融合为主线，重点发展新一代信息技术、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道装备具6组样检测电源万用插座、样品电源独立于装备电源另接交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗器械、农业机械装备10大领域。这些领域需要投入大量的创新研发资金，需要军工企业、大型国企、高校科研机构的通力合作。同时，中国的中小企业是中国制造业最有潜力的组成部分，它的数量占到了所有企业的99%，创造了中国60%的GDP。中国中小企业的研发创造远远超过大型企业，中国65%的专利，75%的发明专利及80%的新产品来自于中小企业。中国制造的未来不仅要依靠大型企业，更需要中小企业的创新和活力。

3、中国工业4.0的产业链分析

从工业4.0产业链的上游看，现代智能工厂所高度依赖的四大基础条件--传感器(数据采集)、大容量存储(数据存储)、大数据计算能力(数据处理)和工业以太(数据通信)，以及执行单元-智能机器人，均是工业4.0实施的关键要素;产业链中游包括软硬结合的行业解决方案提供商、智能工厂解决方案设计方，由于在中国大部分行业并没有成熟的智能工厂解决方案，先令国内打造低碳生活、建设绿色社会面临巨大的挑战进入者往往具有较强的先发优势，在细分行业形成较高进入壁垒;从产业链下游看，接受工业4.0改造的产业和厂商将大幅节省劳动成本、提高生产效率、提升客户体验，增强制造厂商的竞争优势。

4、中国工业4.0发展优势分析

中国工业体系具备拓展工业4.0的明显优势，主要体现在以下三个方面：

(1)中高端人力资源优势。智能化生产将使人担当更有挑战性的角色，如创新、规划、监督和协调机器的运作。知识型员工需求的大幅上升，将成为工业智能化的可持续性支撑，而中国是此类中高端人力资源的“富矿”。据统计，2015年初我国科技人力资源总量约为8114万人，仍然保持世界科技人力资源第一大国的地位。

(2)完整齐全的工业体系。中国工业如今在竞争中的优势已更多的体现在拥有完整的供应链条上。中国是世界上唯一拥有联合国产业分类中全部工业门类的国家，形成了“门类齐全、独立完整”的工业体系，这个庞大完整的工业体系依托众多工业企业的集聚效应而具备了高度灵活性。

(3)全球最大的需求市场。中国不仅是军刀重要的产品生产国，还是世界最大的消费市场之一，这种双重角色将使国内市场与工业生产产生更为强劲的互动，促进社会经济发展，并有助抵御世界经济波动的冲击。

5、中国工业4.0发展进程分析

据2015年底发布的《中国工业4.0进程报告》显示，超过一半的企业已经对工业4.0的整体概念有了一个较为全面的认识：其中31.13%的企业认为工业4.0是引导新一轮技术的变革，22.87%的企业认为它将是面对行业危机的必然转型之趋势。其中，最认同的工业4.0的特点，最多选择的前四个选项分别是智能化(16.78%)、数字化(13.82%)、互联化(12.83%)、物联化(12.41%)，显示出中国制造业企业对工业4.0的认知程度已经达到了一个较好的水平。可以说智能化是制造业追求的最高境界，同样也是最难实现和最大投入的。从技术实现的路线图看，数字化、互联化和物联化是第一步，大集成是第二步，之后才是智能化。目前已经有很多企业都认可工业4.0的愿景，并积极地投身实践，调查显示，已经开始投入到工业4.0变革的企业占到43.92%，未来三年内开始投入的企业占到32.43%，没有考虑的只有14.86%。

自动化与智能设备是实现工业4.0的基础。工业4.0的升级改造必须建立在自动化的结构上，这点得到了大多数企业的认同。其中17.14%的企业选择更新自己内部的生产设施，加强自动化与智能化，16.43%的企业选择升级MES/ERP软件系统，而在工业4.0最为关键的大数据、数字化、物联、云制造等方面投入的企业相对较少，分别只有7.04%、6.34%、6.10%和5.87%，显示出中国企业在进军工业4.0领域时渐进而突变的特点。云制造、大数据需要整体行业的配合和沉淀，目前还处在前期探索阶段。

6、中国工业4.0发展难点分析

工业4.0是由大规模批量生产向大规模定制生产转变，是由集中生产向络化异地协同生产转变，是由传统制造企业向跨界融合企业转变。但是，实现工业4.0尚存以下4方面的难题：

(1)标准化。工厂要对内外各种物品与服务进行联，那么通信方式、数据格式等许多内容都需要标准化。我国在推进信息技术与工业深度融合的具体实践中，也应高度重视标准化在制造业发展中的引领作用，及时出台“两化融合”或“两化深度融合”的标准化路线图，尽最大可能实现标准的国际化，使中国标准得到国际上的广泛采用。

(2)复杂的系统管理。迈向工业4.0的道路上，生产过程与各种业务管理系统协同之后，系统整体会更加复杂化，对其进行管理将更为困难。为此，需要实现“制造系统的横向发簪、纵向集成”和“工程端到端的集成”。横向集成主要解决企业和企业之间复杂系统管理，实现信息无缝的交流;纵向集成主要解决企业内部的复杂系统管理，在企业的研发、设计、制造、验证、物流、交互各环节，所有的信息都无缝隙、高效、顺畅地传递;端到端集成主要解决贯穿整个价值链的工程化信息系统集成的复杂系统管理问题，以保障大规模个性化定制的实施。

(3)通信基础设施建设。德国工业4.0的本质就是基于信息物理系统(CPS)实现“智能工厂”，让制造业的各个环节充分地与互联融合，形成工业互联。当前的络基础设施恐怕难以满足“工业4.0”时代的要求。因此，构建容量更大、服务质量更可靠的工业通信基础设施，将成为未来制造业迫切需要解决的一项课题。

(4)络安全保障。随着工业4.0时代的到来，人力、物料、生产设备、各种生产管理系统以及价值链上的众多协同企业都将互联，随之而来的是络安全问题的隐忧，这就迫切需要建立一套完善的工业互联信息安全认证体系，此外在认证制度的设计和标准规范的研究与设计方面，还需要大量的经验积累。

四、工业4.0相关行业发展分析

1、中国汽车行业工业4.0发展分析

汽车工业4.0是依托信息物理系统(CPS)和信息通讯技术相结合使汽车车间实现自动化、智能化、互联化得汽车生产制造过程，包括无线射频技术、工业以太、条码、二维码比对、影像识别、机器人等技术应用。

(1)中国汽车业产销规模

近年来，我国汽车行业总体上呈现快速发展的态势，据中国汽车工业协会统计，2015年，汽车产销量分别为2107.94万辆和2114.63万辆，比上年分别增长5.8%和7.3%。2016年月汽车产销1684.59万辆和1675.50万辆，同比增长10.82%和11.43%。

(2)工业4.0对汽车工业的意义

工业4.0的意义在于制造商直接完成整个商品交易流程，尤其是销售这一块，这样的好处是，客人可以根据自己喜欢设置来个性化产品。厂家可以切砖机更好的掌握客户的数据，以便未来的规划和生产。与现行的大规模、批量化生产相对应，工业4.0将确保多批次，小产量状态下产业的获利能力，确保工艺流程的灵活性和资源利用率。这种生产模式成功后，能够提供品种更丰富的个性化、功能更齐全的多样性、性能更稳定的高质量、使用更人性化的产品。因此工业4.0给汽车行业带来的变化将是：汽车的换代速度会越来越快，越来越个性化。消费者更容易买到自己喜欢的配置和车型;厂家可以更好的控制生产，减少浪费，提高效率。

(3)大数据驱动汽车工业4.0发展

大数据驱动汽车零部件标准化、信息化处理，制造业通过在模块化和封装化的基础上进行系统化，拓展新的应用与服务;大数据驱动互联制造技术，工厂将通过互联，实现内、外服务的络化，采集和分析生产车间的各种信息，实现车厂与消费者之间的实时互动;大数据驱动汽车个性化生产，随着大规模定制和络协同的发展，制造业企业还需要实时从上接受众多消费者的个性化定制数据，并通过络协同配置各方资源，实现汽车个性化生产;大数据驱动定制汽车批量生产，以定制化为重点的多种类、小批量制造业渐渐成为主流，以3D 打印为代表的数字化和信息技术的普及带来了技术革新。

2、中国机器人产业工业4.0发展分析

工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

(1)工业机器人产销量分析

目前国内除了少数以组装为主的中日合资的机器人公司外，具有自主知识产权的工业机器人尚停留在高校或科研单位组织的零星生产，未能形成气候。因此，我国工业机器人生产能力较国外成熟国家还有很大的差距，不过这种差距随着我国技术的发展正在不断缩小。2015年，中国工业机器人产量为3.3万台，同比增长21.7%;销售量为6.8万台，同比增长18%。

(2)工业机器人需求领域

工业机器人在国内的应用以汽车以及电子工业居多，此外还有橡胶塑料、军工、航空制造、食品工业、医药设备、金属制品等领域。从应用行业看，汽车行业依旧是中国工业机器人市场最大的消费行业，中国市场上36.8%的机器人销往汽车行业;电气机械和器材制造业位居第二位，占比23.3%;金属制造行业位居第三位，占比15.2%。外资机器人应用比较集中，汽车行业销量占总销量的近48%，电气机械和器材制造业、金属制造行业销量分别占总销量的23.6%和7.6%。

(3)智能机器人推动工业4.0

传统工业机器人和工人的工作空间通常是隔离的，新一代工业机器人则要具备柔性、安全、易操作等特点，同时达到高速和精确，这在技术上是很大挑战。此外，工业4.0时代，机器人不再是独立的单元，需要具备与其他智能设备的沟通能力、对环境的感知能力，甚至把复杂信息综合起来从而做出决策等诸多能力。工业4.0要求将智能机器人的很多技术融入到更大的生产系统中。基于云计算和大数据的知识建模、物理仿真、多传感器感知预测等技术，既是工业4.0的关键技术，也是工业机器人的关键技术。

因此，发展智能机器人推动工业4.0尤为重要，其主要措施包括：(1)加快发展智慧制造。智慧制造作为一种新的制造模式和制造技术，可为复杂零件的高品质制造提供解决方案。(2)加大财政研究投入。通过工业转型升级、中央基建投资等现有资金渠道支持机器人及其关键零部件产业化和推广应用;利用中央财政科技计划(专项、基金等)支持符合条件的机器人及其关键零部件研发工作等。(3)加快制定技术条例。加大支持力度，推进智能机器人核心技术的研发;梳理整合智能机器人研发成果，支持智能机器人成果转化;加快制定智能机器人标准体系和人机交互安全规则。

(4)机器人行业工业4.0的发展趋势

当今工业机器人的总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。

3、中国智能家居产业发展分析

智能家居是以住宅为平台，基于物联技术，由硬件(智能家电、智能硬件、安防控制设备、家具等)、软件系统、云计算平台构成的一个家居生态圈，实现人远程控制设备、设备间互联互通、设备自我学习等功能，并通过收集、分析用户行为数据为用户提供个性化生活服务，使家居生活安全、舒适、节能、高效、便捷。

智能家居的发展现状

尽管我国的智能家居起步较晚，尚未形成一定的国家标准，但令人欣喜的是国内专业智能家居厂家的数量正在增长。这些厂家中有的是独立开发，有些是引入国外技术在国内生产和集成。比较知名的产品有海尔U-Home，清华同方的e-Home数字家园，其他的还有科龙的“现代家居信息服务集散控制统”，Enjoysmart易居家庭自动化系统，引进新加坡技术的Treasureway宝路家庭智能化系统等。目前国内自主研发的智能家居系统主要市场是智能家居安防系统。2015年中国智能家居市场规模达到431亿元，同比增长41.78%。