2.3 双重战略：成为领先的市场和供应商
第四次工业革命（工业4.0）给德国制造业带来了巨大的发展潜力。越来越多的德国工厂配备的虚拟网络——实体物理系统（CPS）将改善德国制造业的国内生产效率，进而做强德国制造业。同时，CPS技术的发展也为出口技术和产品提供了重要的机遇。由此，实施工业4.0主要是为德国制造业撬动市场潜力杠杆，通过采用双重战略，即一方面在制造业中装备CPS，另一方面推广CPS技术及产品，进而达到增强德国装备制造业的目的。
2.3.1 领先的供应商策略
领先的供应商策略是从设备供应商企业的视角专注于工业4.0的。德国的装备供应商为制造企业提供世界领先的技术解决方案，并借此成为工业4.0产品的全球领先的开发商、生产商和市场先导。关键是若想实现创新的飞跃，现在就要寻找出聪慧的手段，将顶尖技术解决方案与信息技术新潜力相结合，也就是将信息通信技术与传统高技术战略系统性集成，使企业得以管理迅速变化的市场和日益复杂的全球市场，进而能为自己开创新的市场机会。
（1）目前的基本IT技术需适应制造业的具体需求并特别要以应用为目标不断地开发。为实现规模经济，确保取得广泛效益，并作为向工业4.0迈进的一部分策略，有必要借助CPS功能推广制造技术和现有设备的信息系统。同时，有必要在新场所为设计和实施CPS制造业框架建立模型和发展举措。
（2）如果德国希望取得工业4.0装备供应商的持续领导地位，则应将研究、技术和培训都作为优先事项来推进，在自动化工程建模和系统优化领域开展方法论研究和中试验证。
（3）还有一项关键的挑战是利用技术创建新型价值网络。这将包括开发新的商业模式，尤其要考虑将产品与恰当的服务相衔接。
2.3.2 主导市场策略
工业4.0主导市场就是德国国内制造业，为了形成并成功扩展这一主导市场，地处不同地方的商务活动需要建立紧密的网络联系，企业间也需建立更加密切的合作关系。这将反过来要求对处于不同价值创造阶段和产品全生命周期、产品不同生产阶段及相应的制造系统进行逻辑的、端对端的数字集成。一项特殊的挑战在于能够同时将全球化运作的大型公司和基本在地区范围运行的中小企业集成到正在形成的新价值链网络中。德国制造业的优势一定程度上在于其保持了工业系统中大批中小企业和少数大型企业的结构平衡。但是，或许是因为缺乏必要的专业人员或对其仍然不熟悉的技术战略持谨慎甚至怀疑态度，许多小企业尚未做好向工业4.0结构转型的准备。
将中小企业融入全球经济价值链的一个关键策略是设计并实施一套全面的知识和技术转化方案。例如，建立试点并通过最佳案例对在大型工业企业和中小企业建立合作网络进行示范，使网络价值链潜力更加直观，以增强中小企业信心，接受主导供应商的方法、组织手段和技术的理念。这将扫除认知障碍，使中小企业熟悉CPS技术的应用，将其应用到本企业中去。
德国经济以其强大的工业基础为特征，特别是它的机械与设备制造、汽车工业和能源工业。工业4.0的实施绝对是未来发展的关键——因为我们不能容忍国家的工业陷入停滞状态。
为了实现这一步，加快包括高速宽带数据传输等在内的技术基础设施的应用和开发将十分必要。同时，教育和培训出熟练的技术工人并开发定制复杂、高效的工作组织设计系统也同样重要。
2.3.3 双重战略及其关键特征
工业4.0最优配置目标只有在领先的供应商策略和领先的市场策略交互协调并能确保其潜在利益都能发挥的情况下才能实现，这种方法被称为双重战略。它包括三个关键特征：
（1）通过价值链及网络实现企业间的横向集成；
（2）贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成；
（3）企业内部灵活且可重新组合的网络化制造体系纵向集成。
这些特征可使制造商在面对变化无常的市场时灵活地根据不断变化的市场需求调整自己的价值创造活动，进而稳固自己的市场地位。在双重CPS战略下，制造业将在一个高速的、动荡的市场环境下，按照市场价格实现快速、及时和无失误生产。
1．价值网络下的横向集成
价值网络横向集成的模型、设计和实施会对以下关键问题提供答案：
为什么企业通过使用CPS，可以使其新商业策略、新价值网络和新商业模式得到持续地支持和实施？
这个问题用在衡量研究、开发与应用领域也是如此（见图2-6）。除了“商业模式”和“在不同公司间的合作形式”外，也有必要应对诸如“可持续发展”“商业秘密保护”“标准化策略”和“中长期培训及员工发展计划”等问题。
2．全价值链的端到端工程
下面一个关键问题涉及在整个工业生产过程中实现端到端数字集成这一目标，使现实世界和数字世界在产品的全价值链和不同公司之间实现整合，同时也满足客户的需求。
如何应用CPS实现包括工程流程在内的端到端的商业过程？
在这方面，建立模型对管理日益复杂的技术系统起着关键作用。从产品开发到制造工程、产品生产和服务，应装备恰当的IT系统，为全价值链提供端对端支撑（见图2-7）。一个跨越不同技术学科的、全面的系统工程方法是必须的。如果要实现这些，工程师们需要接受适当的培训。
图2-6 价值网络的横向集成
图2-7 全价值链的端到端工程
3．纵向集成和网络化制造系统
对于纵向集成而言，以下关键的问题需要回答：
如何应用CPS创建灵活且可重新组合的制造系统？
纵向集成在工厂内进行。在将来的智能化工厂里，工序结构不会被先期限定，而是根据个性化需求定制的一组IT结构化模块，根据不同情况下产品生产的需要自动搭建出特定的拓扑结构，包括模型、数据、通信和算法等所有相关需求（见图2-8）。
拓扑是指如何通过资源配置（如机器、工作、物流等）和其间的相互作用关系（如原料周转）以完成制造业系统调配组合的一种途径。
为了实现纵向集成，确保不同层次的制动器和传感器的信号传输到ERP层面对端对端数据集成来说非常重要。为特别的网络化和重新组合制造系统开发模块化和重用策略，以及对智能系统进行功能描述也很重要。而且，带工者和操作员都需要进行培训，以使其了解这些方法的运行和操作对制造系统的影响。
图2-8 纵向集成和网络化制造系统
参考信息：
工业4.0在战略层面有助于创建横向价值网络，在业务流程层面提供全价值链的端对端集成系统，包括工程，以及在工业系统上形成纵向集成和网络化设计。
实施工业4.0战略计划（包括研究经费、具体开发与应用措施）应基于两个目标构建其双重策略，即在德国制造业企业中营造主导市场并将德国装备制造业建成为世界领先的供应商。
应用实例2：全价值链端到端系统工程
收益：端到端的数据系统工程和价值链优化将意味着顾客不用再从供应商预先制作的产品系列中挑选产品，而是通过个性化功能和组件的混合或重置定制个性化的产品，来满足自己的特殊需求。
当前的价值链，从客户提出需求到产品设计和投入生产往往是相对静态的，且需要多年时间完成。IT支撑系统通过各种接口来交换信息，但是只能在个案中应用这些信息，如图2-9所示。这样无法催生产品制造的全球化视野。结果是，尽管从技术角度来说可以实现，但顾客仍无法自由地选到满足其所需功能和特性的产品。例如，你可以为一辆汽车订购后挡风玻璃刮水器，但刮水器却不能用在由同一家公司生产的豪华轿车上。而且，目前IT系统的维护费用仍相当高昂。
图2-9 当今IT系统间的不同接口
通过将CPS应用到基于模型的开发，可以完成端到端、模拟、数值方法等涵盖从客户需求到产品结构、加工制造、成品完成等各个方面的配置。它可在端到端的工具链中，对各环节的相互依存关系进行确定和描述，如图2-10所示。这种制造业系统是打包开发模式，意味着它总能跟上产品开发的脚步。结果是，它开启了个性化定制产品的可行性。在保存现有装备价值的基础上，可以通过多个阶段逐渐转移到这个工具链。
潜在收益
（1）高销售额源自更大的市场和更高的客户满意度；
（2）通过价值链中端到端的数字集成减少内部运营成本。
图2-10 未来的横贯完整价值链的端到端系统工程
2.4 需求研究
尽管工业4.0大部分由企业自己实施，但从根本上说它仍需开展更深层面的研究。2012年10月，工业4.0工作组确定和提出了中长期研究需求和行动规划，以下对这部分内容做一概要说明。
工业4.0的主要目标是实施基于领先供应商和主导市场战略相互协调的双重策略。这需要研发活动的支撑。在工业4.0中，根据预期，这一革命性的应用将主要是ICT与制造业和自动化技术相结合的结果。
若要实现这一步，当前的CPS装置特征需在中期阶段适应制造系统。这将需要机械和设备制造商具有类似于系统集成商的能力，即能将ICT和自动化产业集成，并建立有针对性的、有创意的开发过程，来创建新的CPS。更高水平的网络需要实现产品模型、制造资源和制造系统的端到端集成。因此，有必要从长远着想大力进行研发投入。
将来的研究将优先转向制造系统的研究和开发，这一系统能全面可描述、可管理、关联敏捷和可控或自我调制。
从长远看，CPS将由包括来自交叉学科的、具有可配置、使用帮助功能或在生产过程中可将自身嵌入到现有基础设施以协同工作的模块化工具包组成。这同时也意味着应能使虚拟计划与实际制造过程的集成显著提高。从长远来看，研究人员需要开发出模块化的CPS并配备相应的组件目录，这是任何模型智能工厂的一个关键特征。
创新的飞跃将只会在现有的基本技术被开发到可适应当前制造环境特殊需求的应用方式时才能实现。结论、方法和最佳实践案例需要推广到不同层次的价值网络，以获取交叉学科知识和技术转移。正因如此，在阐述双重策略的2.3节已对五个中心研究主题的三个方面进行了深入探讨，即价值网络的横向集成、全价值链端到端系统工程、纵向集成和网络化制造系统。下面主要对后两个中心研究主题进行探讨。
着眼长远，这种由技术驱动的专注于制造系统应用的研究会提高公司间或行业间的跨学科合作，这将从战略上有力助推广大的中小型机械和设备制造企业。企业将更加迅速地应对市场需求，从而确保自己在新产品、服务和商业模式的主要供应商地位。
但是，实现学科交叉不能仅靠制造工程师和自动化工程师间的协作。第四次工业革命对未来的工业就业的重大影响，须在研究和实践层面来解决。
4．工作场所中新的社会基础设施
在社会责任方面，有必要增加员工的参与度和促进其作为主人翁的责任感，在创新型设计和规划过程，以及改善员工工作环境等方面充分发挥他们的技术水平和工作经验。CPS将因此需要新的覆盖整个价值网络的工作组织结构，来激发员工的工作效率，并提供可支持个人终身发展的组织架构。
应采取跨学科的方法应对这一主题，吸纳由工程师、IT专家、心理学家、人机工程学家、社会和职业科学家以及医生和设计师等组成的团队的聪明才智。
上述分析表明，目前在许多领域，制造工程与自动化工程领域协同工作的实际操作方法和基本技术仍未具备。
为了确保将该方法用在包含各类IT系统、技术资源和能力各异的公司及行业，基本的信息通信（ICT）技术应能适应自动化工程的需求。进一步取得成功的关键是，建立实用的参考架构。这项工作还涉及需要建立用于纵向和横向集成的以服务为基础和实时的（或从属于）ICT平台基础设施，这在2.2节中已经提及。这些架构应是标准化的，能适配于不同企业和技术规划中，以便通过适当的Web服务器创建广泛的共享业务网络。
以上分析将引导我们得出最终结论，即工业化4.0需研究及实施。
通过工业4.0，我们也能建立一种人—技术互动的崭新变化，就是机器适应人的需求而不是相反的情况。具有多通道用户界面的智能工业辅助系统，能将数字学习技术直接搬到生产车间。
5．虚拟网络—实体物理系统技术
正如本节所述，综合研究需求已被分解成五个研究领域。工业4.0工作组收到了包括商业和研究机构针对联络沟通小组的建议提出的反馈意见，这些建议反映在2011年1月和9月提交给工业科学研究联盟的两个报告中。这些建议，连同联合联邦教育与研究部（BMBF）资助的项目“虚拟网络—实体物理系统集成研究议程”和德国经济和能源部（BMWi）“互联网服务的经济潜力”研究的结果，都是可取的。因此，它们应被理解为：应使基本的ICT技术适应自动化与制造工程的需求，包括继续努力专注于一般性研究的需求。它们也应被看作是为了实现上述的“工业工程”具体应用中对实施需求的具体描述。
为了为有关资金计划的安排提供相关的思路和指导，工业4.0工作组进一步指出了中长期工作中的关键举措和研究需求。
参考信息：
有关部委和工业4.0平台需保持密集对话，以便形成一个综合融资方案供行业和研究团体参考。工业4.0平台应确保其工业指导委员会和科学咨询委员会是来自于制造业、自动化和信息、法律、管理和社会科学等领域的专家。工业4.0平台工作组应邀请研究和商业团体，协助其在力求满足每一工作组特殊需求的条件下，制定出综合各项建议的全面的研发路线图。
除了在工业4.0工作组内部促进讨论和非正式交流外，工业4.0平台还应能在现存的各种项目和合作伙伴间识别找出潜在的协同效应。