工業4.0研究報告

導語

「製造2025」戰略不僅期望推進位造業進入工業4.0時代，同時也力圖改變低端、粗放、資源依賴性的製造局面，並加速信息程度較高的新興產業的發展，提升工業自動化程度。

1. 回顧主題變遷：圍繞工業4.0展開，側重點不斷走向實際應用

漢諾威工業博覽會主題圍繞工業4.0展開，側重點不斷向實際應用靠攏。「工業4.0」的概念由德國於2011年漢諾威工博會首次提出，並於2013年漢諾威工博會上發布《實施「工業4.0」戰略建議書》。

2014年以來，漢諾威工博會始終圍繞「工業4.0」概念展開。2014年漢諾威工博會的主題為「產業集成，未來趨勢」，專註於智能化、自動化工廠和能源系統的改造；

2015年漢諾威工博會主題為「產業集成化——加入網路大家庭」，格外關注了智能化生產、人機協作、創新型分包解決方案以及智能能源系統等；

2016年漢諾威工博會主題為「產業集成——發現解決方案」，展會展出的解決方案運用範圍從機械改裝到完整生產線集成化，而大數據的捕捉和分析也為工業發展注入了新鮮動力，這標誌著工業4.0的重大突破，下一步就是商業化階段。

2017年漢諾威工博會主題為「產業集成——創造價值」，已經有了很強的應用指導意義。

2.關注熱點更迭：硬體→軟體→大數據雲平台→ 提供解決方案

2014年：柔性裝配，單一產線生產多種產品。2014年是德國「工業4.0」概念全面推開的第一年，漢諾威工博會展覽的參展裝備多集中於概念方面，其中又以柔性裝配最為搶眼。

西門子推出「對話」生產線，能夠準確識別正在經過生產線的配件；博世旗下的力士樂以視覺系統為基礎，融合自身的機器人產品概念，推出能夠同時生產兩種差異化產品的生產線；菲尼克斯電氣公司展出了利用軟硬體結合的概念，能夠同時裝配6種不同斷路器的生產線；

SAP展示了能夠在一台裝置上生產16種產品的技術概念；柏林工業大學展示了能夠實現人工「教學」的工業機器人，可以通過一台標準機器人「學習」這一組機器人在生產線上的動作流程。

2015年：軟硬體企業聯合，機器人技術奪目。2015年漢諾威工博會聚焦於讓機器加入網路，相互通信相互協作，實現定製化、短流程加工。由16家著名企業和機構共同參與研發的個性化名片盒自動流水線是這個主題的一個縮影，將人、物、機器通過網路鏈接實現個性化定製加工。

同時，各大廠商的智能機器人技術取得了顯著突破，ABB展示了一系列基於互聯網技術工業所需的新產品和解決方案，旨在推進實現「物、服務與人的互聯」；ABB還展示了雙臂協調高精度模擬機器人YUMI，專門用於精密製造；

庫卡展示了物流機器人Swisslog，能夠在倉儲物流中實現很高的精確度和靈活性；同時，各大廠商醫用機器人、快速拾放機器人、汽車裝配機器人、仿生袋鼠機器人等新型機器人等領域的技術實現了突破，發那科甚至推出了能夠製造機器人的機器人。

2016年：工業「生態系統」模式發力，互聯網融合物聯網實現彈性生產。2016年漢諾威工業展上，西門子展出了虛擬與現實融合的「生態系統」，大小企業均可參與其中，在同一平台、統一標準下實現生態系統，大大降低研發過程中製造階段性新品的費用，可以有選擇地滿足單個客戶的需求。

GE展示了工業互聯網平台Predix，有效融合物聯網與互聯網雲計算進行大數據分析；達索系統展示了類似的虛擬現實平台，能夠對產品部件進行有效優化，實現設計與產品的無縫接合；華為展示了物聯網解決方案，以車聯網為平台，實現車輛的多種附加功能。

3. 工業4.0新動向：基於不同生產領域的解決方案走向成熟

工業4.0是指利用物聯信息系統（CPS ），將生產中的供應、製造、銷售信息數據化、智能化，最終達到迅速、高效、個性化的產品供應。

實現完整的工業4.0成果，總共需要三個步驟，即負責智能化、網路化生產系統的「智能工廠」，涉及企業生產物流管理、人機互動、3D列印等最新技術在生產和供應上應用的「智能生產」，以及通過物聯網、物流網和互聯網整合需求和服務匹配的「智能物流」。

通過這些環節完成生產者、銷售者和消費者的對接，最大限度地節約成本、提高效率，將信息化科技成果完美運用到工業生產，推動人類社會向著第四次工業革命邁進。

柔性製造為表，數據互聯為里，縮短周期為魂。智能工廠的表觀要求，是能夠實現柔性製造，即在同一條生產線或數個企業通過數據互聯形成的聯合生產線上，實現多種產品的同時生產，同時滿足個性定製化生產，生產模式為小批量、多批次、個性化、定製化。

實現柔性製造，要求快速改變生產線上的流程工藝，同一位置的生產設備（機器人等）需要前後面對不同類型的原材料或半成品，這就要求原料、產品與生產設備實現互聯；定製信息的輸入，需要生產設備實時接入設計網路，不斷接受新的生產工藝指示，並將拆分的生產工藝落實到具體的行動指令；

工廠內物料的智能流動也需要數據互聯，AGV等搬運設備需要與物料實現有效精準識別；同時，倉儲數據互聯是高效選擇物料、分類存放產品的基礎。

柔性製造、數據互聯的根本目的，是實現短周期生產，對於新產品，不再需要重新建設生產線，而是可以在原有智能生產線上直接生產，從而有效縮短產品周期，實現高效滿足用戶個性化需求的根本目的。

互聯的可編程機器人實現同一生產線高效切換不同產品，產品缺口明顯。互聯的可編程機器人可以實現高效的數據寫入，執行多種運動指令，從而完成不同類型的生產工序。

同時，機器人切換生產模式可以通過批量寫入程序實現批量操作，快速完成生產線產品轉變，相對於傳統流水線，不僅可以避免重新建設專門生產線帶來的資本投入，也可以有效節約工人培訓時間與財務成本。

隨著智能工廠的建設，機器人使用需求將得到充分釋放，充分帶動機器人製造領域的需求。目前，機器人以能完成簡單搬運工作的機器人本體為主，缺少可以執行多種複雜工序的高端機器人。

2016年，自主品牌機器人約有83%是三軸及以上產品，六軸以上工業機器人佔全國新增裝機量不足10%；61%的機器人是上下物料搬運型機器人，高精度焊接與裝配機器人合計不足23.1%。

工業軟體：數據互聯的介面，處於起步期。工業軟體可以通過虛擬工廠呈現出企業所有經營活動的映像，可以進行各類計算、模擬、設計、預測、優化、決策等。

工業軟件是實現企業級CPS的重要一環，可以在虛擬製造環境完成從產品設計、數字實驗到製造工藝參數和流程設計過程，並以數據不落地的方式進入實體製造環節，實現產品規範、制造計劃、物流配套的準確制定和無縫銜接。

目前工業軟體多數處於基本解決方案階段，尚不完全具備良好產品形態，擁有專利及獨立知識產權的產品更少，這使得應用實施的效率不高。工業軟體市場基本被國際巨頭壟斷，SAP是工業軟體領域的龍頭，在ERP、BI、SCM領域均擁有超過20%的市場佔有率。

受國內工業4.0落地的巨大需求驅動，加之多重政策利好、知識產權管理不斷規範，工業軟體企業有望迎來高速發展時期。

廠內/ 廠間物流與倉儲：市場增速快，物流機器人大有可為。智能物流是支撐智能製造的重要環節，自主決策、去中心化、離散控制的廠內物流裝備能夠實現智能工廠內差異巨大、變化多樣的物料運輸。

智能單元化物流技術、智能物流裝備、物聯網技術以及智能物流信息系統是智能物流的核心。在工業軟體的統一調配下，CPS系統中接入物聯網、裝配機械手且有感知能力的AGV可以實現廠內極高效率與實時變動的物流要求。

AGV市場高速增長，2016年突破11億元，新增AGV中超過85%為自主產品，AGV在汽車工業、家電製造中應用廣泛。

但是國內高端AGV市場大多數採用的是科爾摩根的NDC系統，另外市場非常不規範，沒有統一的行業標準，也沒有形成具有較大影響力的產業生態圈，行業內部低價同質化競爭也比較激烈。我們認為，在市場需求的推動下，物流機器人產業有望迎來快速發展期。

1. 德國工業4.0：製造業體系提供支撐，產業集聚促進發展

德國工業4.0：自下而上推動，保持製造業領先。德國工業始終強大，企業自發解決痛點，自下而上推動工業4.0。「工業4.0」的提出是與德國工業界遇到的瓶頸緊密聯繫在一起的，最大目的是建立一個與互聯網融合的智能化先進位造方式，提高效率、降低成本和加快反應速度。

解決成本問題和Time to Market是德國提出工業4.0的關鍵，這兩點正是互聯網時代中產品生命周期不斷縮短的集中表現。德國企業不斷主動推動「工業4.0」：西門子的「數字化企業平台」系統為數字製造提供了載體；

寶馬集團的虛擬手勢識別系統使得汽車製造再進一步；大眾用機器人製造汽車，實現了極高的人力替代效率；ABB強大、精細而全面的機器人產品在世界上有著明顯的競爭優勢；博世力推用於工廠智能化的射頻碼系統；SAP推動雲平台互聯萬物，實現大數據支撐決策。

德國工業4.0戰略幫助德國保持製造領先優勢，提高有效生產。2013年漢諾威工業博覽會上德國政府正式宣布「德國工業4.0」戰略。金融危機后時代，全球經濟發展緩慢，德國外需疲軟，同時中美工業科技發展迅速，對德國出口形成進一步競爭。

工業4.0戰略讓德國重新抓住工業發展主動權，保持「德國製造」的國際金品牌。德國工業4.0戰略的提出背景是全球產能過剩的嚴峻形勢，德國希望通過利用物聯網與服務網結合的方法，使產業鏈管理智能化，市場需求分析有效化，從而提高工作效率。

德國是機械設備製造業強國。據統計，有近10%的歐洲製造業公司位於德國，德國制造業產品毛利附加值約佔歐盟的30%。機械製造業是德國最為活躍的經濟部門，整個產業鏈上約有6419家公司和超過100萬的勞動人口，生產效率排在世界前列。

同時，機械制造業是德國第二大支柱產業，也是德國最具創新的產業部門。2015年，德國機械行業生產總值為2300億歐元，佔GDP總值的7%。該行業主要以出口為導向。

2015年德國機械制造出口率高達66%，出口額約1510億歐元。按產品細分，2014年機械設備的產值最高，收入約195億歐元，電力傳輸工程與材料處理居二、三位，分別為174億歐元與147億歐元。

德國完善的製造業體系是行業不斷發展的核心驅動力。在二十世紀初，「德國製造」備受歧視，以低質量、高山寨的形象臭名在外。二十世紀中期，德國政府致力改善製造業發展，重視自主創新，追求工藝技術與技術密度型生產，並自成體系。

行業參與主體是以家族企業為主的中小型企業，也被稱為「隱形冠軍」與「工匠精神的延續者」，不追求規模生產，以「精而專」著稱；監管上，德國採用「二元結構」，由政府和標準化協會等一系列非政府組織組成，二者分工明確。

德國政府不插手企業經營，提倡競爭的市場經濟，促進科研創新與企業社會責任體系的建立，保證行業可持續發展。各類標準化協會及行業協會負責標準化制度的制定、執行與監管，是德國質量最重要的保障和體系核心；從生產要素看，

受惠於完善的教育體系，金融系統和政府合理引導，德國老牌公司與中小企業擁有充足的高素質勞動力與科研潛能；高度分散化的產業群使得企業在降低成本、提高效率的同時，不斷互相學習、增強產品競爭力。

德國工業4.0：產業集聚促發展，巴伐利亞高科技產業大步向前。巴伐利亞地區是以Fraunhofer創新研究所為中心高科技產業帶。巴伐利亞地區面積7萬多平方公里，人口1200萬，擁有慕尼黑和紐倫堡兩座大城市。

巴伐利亞地區區位優勢明顯，是歐洲東-西和南-北貿易通道彙集處，產品便於運輸到歐洲各市場。因此，許多外國高科技企業落戶於此，業務廣泛輻射周圍地區。2012年，德國政府發起「Go Cluster」運動。

經過4年努力，德國已經有100個創業產業園區，政府大力扶持並引導投資以鼓勵德國科技創新。該區域的核心研究所Frauhnofer-Gesellschaft為投資者與企業提供了新鮮的思路，是該地區的工業發展科創動力的源泉。

巴伐利亞產業群的各類新型高科技都處於德國領先地位，機器人巨頭庫卡位於該區。巴伐利亞州的奧格斯堡市是德國機器人巨頭庫卡的所在地，庫卡是世界機器人「四大家族」之一，近期被美的集團收購。

目前巴伐利亞擁有19個高科技產業集群，包括生物技術、汽車工業、醫療技術、納米技術、環保技術、航天航空、衛星導航、信息與通信技術、能源技術、新型工業原材料、鐵路技術、感測和電子電力技術、機電整合和自動化技術等。

三分之一計入德國成分股指（DAX）的大型上市公司將總部設在巴州。此外，巴州的慕尼黑已經能夠成為僅次於法蘭克福的德國第二大金融中心，是巴州科技創新的堅強金融後盾。

德國工業4.0平台是德國工業4.0戰略的實施主體。整個平台的參與者可以分成三類：政府，公司以及教育科研機構組成的有機體。教育科研機構責為工業4.0的推進舉措和方向提供理論基礎；政府負責提供搭建政策框架與促進政府間合作；企業則是工業4.0的技術的具體實踐者。

政府：政策推動工業4.0實現智能製造。2006年和2010年德國政府提出《高科技戰略2006-2009》和《高科技戰略2020》兩個全國性的高科技政策，旨在提高高科技領域的競爭力。

工業4.0其核心為信息物理系統Cyber-Physical System(CPS)，指的是一個通過機械、電子零件、軟體、基礎網路，運用信息化技術的整合控制網路與工業物理世界，實現企業、工作人員、生產機器、產品、客戶等多方聯動、交互、組合式創新，達到智能製造、智慧運營的全新業態。

德國希望通過工業4.0建立起智能工廠系統，實現智能製造，從而降低成本，提高產品利潤，預期德國企業帶來每年6-8%的製造效率提升。

德國工業增加值佔GDP比重維持在30%左右，英美僅為20%。經歷了20世紀後期的數次產業轉以後，世界主要發達國家「去工業化」特徵明顯，美國工業增加值佔GDP的比重從1970年的35.24%下降到2014年的20.69%，英國從1970年的42.10%下降到2015年的19.42%。

相比而言，德國1970年工業增加值佔GDP的比重為48.09%，2015年為30.49%，是世界主要發達國家中唯一工業增加值佔比超過 30%的國家。

德國人均工資顯著高於發展家。德國是典型「高工資、高福利」的「歐洲國家」，2016年人均工資高達326183元人民幣/年，約為的5倍、泰國的10倍。

德國人均工資顯著高於發展家，這給德國製造業帶來了嚴重的成本問題，如果繼續高密度地使用人工勞動力，德國製造業價格競爭力將遠低於發展家。

德國工業機器人使用密度高，緩解人力成本壓力，對具有指導意義。面對高企的人力成本，德國製造業「選擇」了使用工業機器人替代人類勞動力。德國工業機器人使用密度遠超歐洲平均水平，2015年汽車工業工業機器人使用密度達到1143台/萬人，與美日兩個汽車工業大國相近。

相對於人類勞動力，特別是高福利下工作積極性偏低的歐洲工人，工業機器人加工效率高、可靠性好、生產持續能力強，一方面可以有效節約製造業企業人力成本，一方面能夠更好地實現產品質量控制。

隨著機器人產品技術升級與控制系統的發展，機器人能夠適應越來越複雜的製造工藝與流程，能夠在更多的製造業領域替代人類勞動力。

工業機器人單價高，工作複雜程度相對較高。德國工業機器人進口均價與出口均價均處於主要發達國家主流水平，進出口均價均高於。德國使用的工業機器人定位相對高端，相對於仍具有一定勞動力成本優勢的而言，機器人的附加值更高，工業機器人替代的工作複雜度更高。

阿迪達斯：機器人成本壓縮優勢明顯，傳統勞動力密集型製造業回歸。阿迪達斯正在德國建一個4600平方米的「機器人工廠」，起名「速度工廠」（Speed factory），預計2017年投產。這家工廠只有160名工人，卻可以實現100萬雙鞋的年產能。

阿迪達斯同時計劃在美國建第二家機器人工廠，之後在歐洲各地還會陸續建成類似工廠。阿迪達斯是傳統勞動密集型製造業的典型代表，其在勞動力價格相對較低亞洲雇傭高達100萬名工人。而阿迪達斯以機器人工廠的形式使生產線高調「回歸」發達國家，是機器人壓縮人工勞動力成本的重要標誌。

2. 美國重振製造業：提升製造業效率，推動工業復興

美國製造業空心化，政府主導復興製造業業，自上而下推動工業4.0。2002年起，為了享受發展家的人口紅利，發達國家的製造業紛紛外移。2002年至2010年，美國製造業就業人數連年下降。

08年金融危機后，美國政府呼籲重新振興製造業，以實體強國。歐巴馬政府實行積極的產業政策，創造就業機會和鼓勵製造業回歸美國。2011年，歐巴馬總體推出了先進位造夥伴計劃（AMP）與先進位造業國家戰略計劃；

2012年，AMP針對製造業振興提出16調建議，包括成立網路建設研究所與3D列印研究所。13年，美國在先進位造業方面了增加19%的預算，並成立數字製造和設計創新研究所。

隨著美國經濟不斷回暖，出口與內需增加，製造業再迎春風。2010年起，美國製造業就業人數開始小幅攀升。川普新政對召回海外製造商態度強硬，預計美國製造將迎來新拐點。

美國通用提出「工業互聯網」 計劃，倡導產業鏈效率提升。2012年，美國通用率先提出「工業互聯網」概念，與美國政府的「再工業化」戰略舉措相呼應，隨後美國製造業與IT巨頭紛紛抱團成立了工業互聯網聯盟(IIC)，將這一概念大力推廣開來。

「工業互聯網」主要含義是，通過高性能設備、低成本感測器、互聯網、大數據收集及分析技術等的組合，大幅提高現有產業的效率並創造新產業，其側重點主要在於藉助互聯網的優勢，使製造業的數據流、硬體、軟體實現智能交互，通過大數據實現智能決策，提升美國製造業生產效率。

經過美國通用測算，若生產效率提升1%，美國關鍵產業，包括航空、電力、醫療、鐵路和石油天然氣等，在未來15年內將節省2760億美元的生產成本。美國的「工業互聯網」與「德國工業4.0」本質含義基本相同，但側重有所不同。

3. 製造2025：政府推動+企業參與，智能製造空間大

人口紅利喪失，同樣面臨著成本控制問題。隨著人口紅利的逐漸喪失，人工工資不斷上升對製造企業的成本端構成較大壓力。

社科院發布的《藍皮書》指出，在2020年之前，勞動年齡人口減幅相對放緩，年均減少155萬人；之後一個時期減幅將加快，2020-2030 年將年均減少790萬人，2030-2050年將年均減少835萬人。

製造行業作為典型的勞動密集型行業，人工成本的大幅上升與勞動力人口的快速下降對企業的生存產生嚴重威脅，倒逼企業降低生產成本，提高生產效率。

生產成本的飆升正在蠶食著製造業在世界上的競爭力。美國諮詢公司BCG通過對全球前25名出口經濟體在2004-2014年的數據分析，得出結論：

一些過去製造業成本較低的經濟體由於製造業工資、勞動力生產率、能源成本和匯率等因素，正慢慢在國際市場上喪失優勢，這其中就包含了。

據數據顯示，在2004年到2014年之間，在成本競爭力下降了5%-9%，相對美國的工廠製造業成本優勢已經減弱到5%以下。

國內「機器換人」不斷推進，進一步利好機器人、工業軟體行業。人口紅利的消退，用工成本的上升，發達國家製造業迴流以及東南亞低成本競爭的雙面夾擊，都不斷壓縮著傳統製造業的生存空間。

為了降本增效，由政府力推、企業力行的「機器換人」潮正加快部署中，廣東、浙江、福建等製造業大省不斷從省級層面推動「機器換人」，完全由機器人來代替人工進行生產的「黑燈工廠」不斷湧現。

「機器換人」的不斷推進，進一步加速工業機器人、工業軟體行業成長，對機器人、工業軟體企業形成利好。

工業機器人進口依賴性強，製造2025推動國產替代。持續多年大規模進口工業機器人，2011-2015年，工業機器人進口量連續5年世界第一，工業機器人進口額連續5年世界第一，是名副其實的工業機器人進口大國。

2015年，工業機器人進口量達4.68萬台，金額合計8.05億美元。根據國際機器人聯合會統計，2015年工業機器人使用密度為49台/萬名工人，而全球平均水平為69台/萬名工人，韓國則高達531台/萬名工人。較低的機器人使用密度說明製造業自動化水平仍然較低。

基於國情提出製造2025，解決製造業現實困難。「製造2025」戰略在2015年兩會提出，與德國工業4.0戰略出台時間較近，因此被看作工業4.0計劃。但兩個戰略差異巨大。

從信息化水平看，信息化與工業的融合度較低，整體企業尚處於工業2.0到工業3.0過渡的時期。各個行業的信息發展水平不夠均衡，信息化程度存在較高差距。部分行業已經進入工業3.0自動化時代，而少數企業，如華為，甚至已經進入工業4.0時代。

「製造2025」戰略不僅期望推進位造業進入工業4.0時代，同時也力圖改變低端、粗放、資源依賴性的製造局面，並加速信息程度較高的新興產業的發展，提升工業自動化程度。

在2015年這個時間點提出該戰略，一方面是因為隨著發達國家對製造業提出更高要求，必須緊跟步伐；另一方面希望藉助世界製造業復甦的春風，不斷發展製造技術，吸收國外先進經驗，實現從製造大國轉身製造強國的夙願。

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