張偉 孫安昌 王宏丹 李紅梅（特能集團西安慶華公司，陜西 西安，710025）

德國“工業(yè)4.0”帶給火工品生產行業(yè)的啟示與思考

張偉 孫安昌 王宏丹 李紅梅
（特能集團西安慶華公司，陜西 西安，710025）

工業(yè)4.0是德國政府提出的一個高科技戰(zhàn)略計劃，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人機工程學的智慧工廠。工業(yè)4.0的全球化，在一定程度上將促進發(fā)達國家制造業(yè)的技術升級，改變國家間的比較優(yōu)勢，重塑全球產業(yè)競爭力和國際產業(yè)分工格局?；鸸て飞a企業(yè)也要緊跟發(fā)展大勢和改革潮流，結合自身實際，逐步轉變生產組織方式，按照“杜絕1.0，淘汰2.0，普及3.0，融合4.0”的總體思想，向著先進制造型企業(yè)一步步邁進。

工業(yè)4.0；制造業(yè)；火工品；自動化；智能化

工業(yè)4.0是德國政府提出的一個高科技戰(zhàn)略計劃，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人機工程學的智慧工廠，其技術基礎是網(wǎng)絡實體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)4.0（Industry4.0）是指利用物聯(lián)信息系統(tǒng)（Cyber—Physical System，簡稱CPS）將生產中的供應、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達到快速、有效、個人化的產品供應。

1 工業(yè)4.0概況

1.1 工業(yè)革命發(fā)展進程

工業(yè)4.0概念的提出是相對應人類工業(yè)化進程中具有劃時代的前三次工業(yè)革命來說的。在了解工業(yè)4.0之前首先通過（圖1）簡述工業(yè)革命的概況與及產生的影響。

工業(yè)1.0”也被稱為第一次工業(yè)革命，開始于18世紀60年代，西方工業(yè)發(fā)展過程中蒸汽機的使用和普及引起煤鐵等資源大量需求及開采，煤鐵等資源產品的開采運輸需求反過來又促進了以蒸汽機為動力的火車、輪船、工業(yè)機械等領域的極大發(fā)展，從此人類進入了蒸汽時代。第一次工業(yè)革命的進行出現(xiàn)的機器、機車、鐵路、輪船大大增加了人類改造自然的能力，也將世界的距離不斷縮小，使歐洲對世界的支配成為了可能。

“工業(yè)2.0”也被稱之為第二次工業(yè)革命，開始于19世紀六七十年代，使得人類進入了電氣時代，其標志主要是電能的使用。德國人西門子發(fā)明了電動機，動力革命被徹底改革，同時無線電通信的發(fā)明使得世界各國的經(jīng)濟、政治、文化聯(lián)系進一步加強。第二次工業(yè)革命后，美、德、英、法、日、俄等國相繼進入帝國主義階段，世界的距離不斷縮小。

“工業(yè)3.0”主要是在第二次世界大戰(zhàn)以后，即20世紀四五十年代，其主要標志是電子計算機、原子能、航天工程、生物工程等現(xiàn)代科學的應用與發(fā)展。第三次工業(yè)革命使得人類進入了信息社會，進一步拉大了各國之間的經(jīng)濟差距，國際經(jīng)濟格局得到調整，隨著科技的進步，大批新興產業(yè)的興起，同時造就了美、德、英、法、日等一批現(xiàn)代發(fā)達國家。

圖1 工業(yè)革命發(fā)展進程

1.2 當前世界工業(yè)4.0的狀態(tài)

德國發(fā)布“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略后，2014年12月，德國首個工業(yè)4.0標準化路線圖發(fā)布；2014年4月漢諾威工業(yè)博覽會，德國總理默克爾將工業(yè)4.0稱作是“一個里程碑”。德國不遺余力地推動工業(yè)4.0，意在保證自己在制造業(yè)領域的優(yōu)勢的同時應對來自美國互聯(lián)網(wǎng)與中國制造業(yè)的挑戰(zhàn)。

互聯(lián)網(wǎng)從“信息”領域加速進入“物理”業(yè)務領域，將對制造業(yè)造成破壞性的影響。對此，德國產生了前所未有的危機感。而CPU、操作系統(tǒng)、軟件以及云計算等網(wǎng)絡平臺，幾乎都由美國掌控，工業(yè)4.0戰(zhàn)略希望通過開創(chuàng)新的制造方式，實現(xiàn)“智能工廠”，讓云計算只能成為制造業(yè)中的使用對象，而不是掌控生產制造的中樞［1］。

工業(yè)4.0在應對美國的同時，也在防守中國的制造業(yè)。2014年3月27日，德國《世界報》報道稱“中國機械制造業(yè)嚴重威脅德國”。同年6月24日，德國機械設備制造業(yè)聯(lián)合會主席菲斯特格指出：“日本和德國的機械制造企業(yè)，應該為確保長期發(fā)展和經(jīng)濟上的成功進行深入合作，尤其在有交叉的產品領域，兩國應該攜手面對中國的挑戰(zhàn)。”

2 我國對待“工業(yè)4.0”的態(tài)度

我國由于物價和人力資本的不斷上漲，不少工廠進行了大轉移，轉移到低成本的印度、越南等東南亞發(fā)展中國家，輕工、紡織等勞動密集型產品正由“中國制造”轉為“東南亞制造”?？梢钥闯?，新一輪的工業(yè)革命正在改變著國家間比較優(yōu)勢，重塑全球產業(yè)競爭力和國際產業(yè)分工格局。工業(yè)革命的落后就是國家實力的落后，面對這一形勢，2015年5月18日，國務院正式發(fā)布了《中國制造2025》規(guī)劃，這是中國版“工業(yè)4.0計劃”，也是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領。中國制造2025著重于企業(yè)的網(wǎng)絡化和智能化，讓工業(yè)和信息化的融合程度更深，同時重新挖掘比較成本的優(yōu)勢，提升制度創(chuàng)新和管理變革的能力。如此，我國制造業(yè)企業(yè)才能跟上全球工業(yè)革命步伐，由“中國制造”真正轉型為“中國智造”。

3 我國火工品行業(yè)生產現(xiàn)狀

我國火工品生產企業(yè)大多建于上世紀50年代，火工品產品配套領域已由當初的兵器行業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在的兵器、航天、航空、核工業(yè)、船舶等多個領域?；鸸て纷鳛楦黝愇淦飨到y(tǒng)的心臟，生產水平的高低和產品質量的好壞直接決定了整體武器系統(tǒng)的性能。但我國多數(shù)火工品生產廠家的生產方式大多停留在上世紀60年代前蘇聯(lián)的水平，工藝技術設備落后，大多是手工工裝、采用簡易設備生產等，行業(yè)整體工藝技術水平發(fā)展緩慢。

目前，國內火工品企業(yè)生產手段較先進的企業(yè)，通過改擴建和新增一部分自動化生產線與自動化生產設備的方式來提升工藝技術水平，但自動化生產的產品占整個產品種類的比重非常小，據(jù)筆者了解，自動化生產線僅僅為常規(guī)產品生產線，相對于數(shù)量龐大的各種科研產品來說，整體比重相當小，國內某行業(yè)領先大型火工品生產企業(yè)，據(jù)調查其整體產品數(shù)量自動化生產的比率也僅占不到7%，相比之下，那么國內整體火工品生產行業(yè)的狀況就不言而喻了，其發(fā)展刻不容緩。

4 火工品生產行業(yè)推行“工業(yè)4.0”的思考

4.1 推行工業(yè)4.0的必要性

4.1.1 從國際國內形勢分析

工業(yè)4.0即智能化制造在整個世界中的發(fā)達國家及發(fā)展中國家企業(yè)中已形成了一股潮流，代表了一種發(fā)展趨勢，很多國家都有自己的4.0版的工業(yè)發(fā)展技術規(guī)劃，其中，代表性的有德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略；美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略；日本在其發(fā)布的《2015年版的日本制造業(yè)白皮書》中用1/4的篇幅對工業(yè)4.0進行分析，并在三菱、豐田、本田、松下等公司提出建立“工廠互聯(lián)網(wǎng)”的概念，包括印度也提出了“數(shù)字印度”戰(zhàn)略，建立“印度制造”的口號，大有在未來工業(yè)發(fā)展中后來居上成為制造業(yè)大國的雄心以及我國公布的中國制造2025。

從國際國內的發(fā)展趨勢來看，工業(yè)4.0的變革已經(jīng)到來，作為國內火工品生產行業(yè)，在這個情況下也應該未雨綢繆，積極布局未來企業(yè)智能化發(fā)展思路。

4.1.2 從火工品行業(yè)提高經(jīng)營水平出發(fā)

火工品企業(yè)在我國為勞動密集型企業(yè)，大多人均產值較小，人員的繁冗嚴重制約企業(yè)整體經(jīng)營水平的提高，改變這一現(xiàn)狀的途徑簡單來講就是降本增效。如果實現(xiàn)智能化、自動化，就可以避免人工因休息及生產疲勞而降低效率，同時實現(xiàn)產品生產的一致性和可靠性，在提升生產效率與保障產品質量方面將有很大改善。所以從降本增效這方面來講，未來企業(yè)經(jīng)營質量的提升也需要走自動化、智能化的發(fā)展道路。

4.1.3 從安全生產的需求出發(fā)

目前，國家大力倡導安全生產，整個兵器集團公司頁都非常重視安全生產，從火工品生產產品的種類和性質來看，多數(shù)操作者和設備處于高危環(huán)境中。近年來，行業(yè)內的本質安全度雖有所提升，安全生產事故也不斷下降，但是安全事故偶發(fā)性、突然性及不可預見性的特點使得工作人員必須時刻提高警惕，不斷強化安全防范手段，而保證人員安全的最好方式就是直接操作改為間接操作，最大限度隔離危險源與工人接觸的時間和頻率。如果能夠在本公司全面推行智能化自動化，“零傷亡”的目標也就不再遙遠。

4.2 行業(yè)推行工業(yè)4.0的優(yōu)劣因素

4.2.1 優(yōu)勢條件

4.2.1.1 國家政策的支持

《中國制造2025》提出通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標：第一步，到2025年邁入制造強國行列；第二步，到2035年我國制造業(yè)整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三步，到新中國成立一百年時，我制造業(yè)大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。在“一二三四五五十”的總體結構下，發(fā)展五大工程和十大領域，其中涉及到軍工制造領域的相關政策對火工品行業(yè)推行工業(yè)4.0將起到有力的促進作用。

4.2.1.2 人員素質與能力的提高

國家在推行教育改革近20年后的今天，行業(yè)內的人才素質不斷提高，1998年國家高考本科錄取人數(shù)為100萬，而2015年為900萬，如今，行業(yè)內人員學歷結構、知識結構和能力結構得到進一步完善。而自動化生產設備、生產線等操作以高素質年輕人為主，他們在接受新事物、學習新知識和技能方面的意識和能力較強，在未來行業(yè)智能化自動化發(fā)展上將大有可為，這些勢必為行業(yè)推進工業(yè)4.0奠定堅實的人力資源保障。

4.2.1.3 行業(yè)技術水平的增強

隨著信息技術的不斷發(fā)展，對于工業(yè)層面上各種先進手段和先進機械設備元件的出現(xiàn)，特別是各種高性能、高安全的防爆器件的出現(xiàn)，工業(yè)自動化技術已經(jīng)從民用產品應用到高危的火工品生產領域。軍工火工品行業(yè)內專用大型生產線相繼研發(fā)成功并投入使用，為行業(yè)研發(fā)樹立了很好的榜樣。同時，隨著行業(yè)產品科研能力的增強，產品設計更好的適應產品自動化智能化的發(fā)展進程的要求。現(xiàn)在，各生產單位工藝技術水平在不斷增強，工藝技術人員發(fā)現(xiàn)和解決工藝技術瓶頸的意識與能力有所提升，在連續(xù)使用與作用發(fā)揮上將有充分的技術保障。

4.2.2 不利因素

4.2.2.1 領軍型人才缺乏

近年來，盡管各企業(yè)不斷加強人才的引進與培養(yǎng)力度，人才隊伍的學歷和素質也得到明顯提高，但仍舊不能滿足工業(yè)4.0的人才需求。在推進工業(yè)4.0過程中，火工品領域急需一批高水平、高能力的機電領軍型人才，且要在一定程度上具備系統(tǒng)的、全面性的理論基礎，能夠掌握火工品生產、機械、電子、材料等的相關知識，這類人才的培養(yǎng)往往需要一定的時間和較大的投入，才能勝任智能化生產改造的重任，因此，當前火工品行業(yè)相關人員嚴重匱乏。

4.2.2.2 專業(yè)技術隊伍缺乏

由于火工品行業(yè)性質的限制，各企業(yè)自動化工業(yè)設計維護部門水平差距較大，很多企業(yè)僅僅是通過外購外包的形式發(fā)展，自主研發(fā)能力欠缺，而外部企業(yè)又缺乏對火工品行業(yè)的理解，使得有一大部分新增設備無法完全滿足需要，而且一般企業(yè)也沒有能力進行先進生產線大量的設備維護工作，操作維護人員嚴重缺乏，導致自動化設備利用率低，甚至用不起來的情況相當普遍。專業(yè)操作維護人員培養(yǎng)成長周期長。一般人員平均培養(yǎng)時間為3-4年，并需要大量的實踐經(jīng)驗，熟悉工業(yè)自動化控制方面的人員培養(yǎng)時間更長，后續(xù)如果進行更大規(guī)模的生產手段提升，則專業(yè)人員缺乏將是一個嚴重的制約因素。

4.2.2.3 基礎管理相對薄弱

火工品行業(yè)內各單位在內部配置軟硬件條件略顯不足，要實行工業(yè)4.0，需要從人力資源 系統(tǒng)、生產系統(tǒng)、采購系統(tǒng)、財務系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等多方面進行基本設施、設備及軟件的升級改造，使各個系統(tǒng)協(xié)同為一個整體進行有效運作才能為推進工業(yè)4.0做好基礎工作。

5 推行工業(yè)4.0的探索

5.1 全部自動化

對于批量較大，結構不太復雜的火工品建議進行全部自動化，即整個生產過程無需過多人員干預，同樣以某公司為例，該公司現(xiàn)有自動化生產線主要是進行一些常規(guī)產品的生產，批量較大，生產方式和生產工藝相對固定，其相對先進的生產線技術，主要處于工業(yè)3.0階段，在進行技術改造和技術升級的方面較為容易，現(xiàn)有的電控系統(tǒng)，經(jīng)過升級，加裝相應模塊、信息采集系統(tǒng)、信息標簽、傳遞機構等即可成為相對智能的更新一代智能自動化生產線。下面以具有代表性的76號針刺雷管自動裝配機為案例，討論其具體實施設想和方式。

假設某企業(yè)已經(jīng)建立了局部工業(yè)智能化系統(tǒng)，工業(yè)智能化系統(tǒng)應該包括生產、采購、庫房、生產車間、動力保障、人事等部門相關權限，其系統(tǒng)流程為：公司接到76號雷管生產訂單20000發(fā)的任務，首先在智能化系統(tǒng)中生成訂單，然后系統(tǒng)自動根據(jù)76號雷管生產工藝，查詢庫房半成品情況，如果生產所需半成品足夠，則計算好生產天數(shù)后，就直接下指令出庫，由自動出庫傳輸系統(tǒng)將定量包裝好的當日半成品依次運送出庫，并自動運送到車間暫存間，在暫存間，自動運送系統(tǒng)將半成品直接添加到裝配機的相關部位，最后機器檢測就緒后，進行自動生產，當日生產的產品由自動檢測、收集退出整理系統(tǒng)進行最后工序的檢測，合格后進行定量包裝打標等，廢品將自動運送到消爆車間進行后續(xù)處理，依次進行，直至完成生產。生產完成后，由生產系統(tǒng)發(fā)送完成指令到智能化系統(tǒng)中，提示訂單完成，生產系統(tǒng)接到完成指令，提示發(fā)貨。期間，設備對于動力（電力、氣源）的需求將通過總線發(fā)送到動力車間，由動力車間系統(tǒng)自動配給相關設備需要的動力，當總系統(tǒng)提示生產完成后，動力總系統(tǒng)切斷相關管路，降低運行能耗。人事部門也可以通過系統(tǒng)中該產品訂單的完成情況、完成過程的相關數(shù)據(jù)進行該項績效考核測評。

5.2 關鍵自動化

其實，火工品生產行業(yè)中各企業(yè)除了大批量常規(guī)產品的生產外，也承擔了大量多品種、小批量產品的生產任務，對解決此類產品生產的有效方式為“局部關鍵自動化”，通過關鍵工序設備與高效智能傳遞運轉機構的結合，生產設備按照“杜絕1.0，淘汰2.0，普及3.0，融合4.0”的思想，提高設備利用率。

5.2.1 杜絕1.0

火工品行業(yè)設備基礎更新應通過自動化設備的引進、關鍵設備的攻關、專用設備的研制與應用等方式，使長期以來以手工操作為主的落后生產方式徹底消失?；鸸て飞a中瓶頸工藝為：自動焊接、自動涂膠、自動打標等。通過技術改進逐步減少手工操作，目前火工品行業(yè)中804廠研制出了各型自動裝藥機，該設備專門用于裝藥，設備操作只需將模具放入裝藥機卡槽，按下按鈕即可完成一次裝藥，一次裝藥動作的時間為1.5秒，與傳統(tǒng)的專人天枰稱量、專人裝藥、專人運藥相比，僅在裝藥環(huán)節(jié)就減少了稱藥運藥工序及人員，在效率提高的同時大大減少工序人員。

目前，由于類似瓶頸工藝較多，而相關的基礎科研較少，很多工序手段落后陳舊，建議火工品領域有條件有需求的企業(yè)能聯(lián)合起來進行重點攻關，比如，焊接技術、大藥量裝藥技術、微小藥量裝藥計數(shù)等。

5.2.2 淘汰2.0

目前，各企業(yè)采用簡易電動設備依舊是其主要生產手段，804廠通過將現(xiàn)有簡易電動設備升級改造，增加外圍輔助功能，提高設備的自動化程度，由單一功能變?yōu)閺秃瞎δ?。這方面可進行單機自動化設備的重點研制，代表設備為804廠工藝研發(fā)分中心研制的壓藥一體化設備與自動螺紋擰緊設備，它們都有很好的應用，并且大大降低了勞動強度和人員需求。

對于自動螺紋擰緊設備，操作人員只需將涂好膠并松裝在一起的產品放入設備中，按下按鈕就可以完成后續(xù)一系列的操作，待完成旋緊并檢測后直接拿出即可，原來18人的工序，改造后整個操作只需涂膠和設備操作人員2人完成，省去了中間傳遞、擰螺紋、檢測力矩等一系列工序，大大節(jié)省了生產線人數(shù)和人員勞動強度。

裝壓藥一體化設備也有很好的應用，以往火工品要完成一道裝藥壓藥操作，最少需要3人，其中，稱藥1人、裝藥1人、壓藥1人、周轉3人。稱藥、裝藥、壓藥操作不在同一個地方，需人員來回走動，既費時費力，又增加了安全生產隱患。裝壓藥一體化設備集上述三個功能于一體，一次加藥可連續(xù)生產，模具自動進入設備后完成裝藥、壓藥，然后自動退出，只需要1人操作。假設某產品生產工藝為3裝3壓，原來的生產方式需要19人，使用新設備只需要3人操作即可。

5.2.3 普及3.0

要實現(xiàn)火工品行業(yè)的4.0生產，生產手段必須先達到3.0的階段才有可能實現(xiàn)智能化生產的目標，目前有效地解決方式是自動連線小批量生產狀態(tài)良好的2.0設備，最大限度提高自動化生產程度。

其代表項目是目前804廠 工藝研發(fā)分中心正在組織實施的“工業(yè)機器人+裝壓藥一體化設備”，其思路就是使用工業(yè)機器人，將原來需要由人工完成的兩臺裝壓藥一體化設備之間的傳遞變?yōu)闄C器人按照機器節(jié)拍自動完成，這樣一來，假設某產品10裝10壓，原來生產方式需要30人，而新設備使用后只需10人即可，連線后只需要2人，人員節(jié)約率近90%。

另外，可根據(jù)不同產品的要求自由選擇使用的設備臺數(shù)，并結合自動收口機等設備可進行絕大部分火工品生產，可以滿足產品品種多、批量小的要求以及解決專用設備柔性化不足的缺點，便于生產組織、提高自動化生產程度以及減少操作人員。

5.2.4 融合4.0

有條件的單位在各工序自動化設備的普及和發(fā)展后，配合加入信息化系統(tǒng)后，可以將上述3.0的設備融入到智能化生產系統(tǒng)中，在增加外圍的原料自動配送、能源自動供給、產品半成品自動上線、產品自動檢測、自動收集轉運等功能后，就可以初步實現(xiàn)與智能系統(tǒng)的融合，對于相關組織生產可以參照自動化設備的方式來進行，從訂單管理、原材料出庫等一系列方面達到初步實現(xiàn)智能化4.0的生產方式。

通過上述四個步驟進行火工品行業(yè)相關企業(yè)生產手段提升，是資金投入最小，技術風險最小，對現(xiàn)有生產結構改變最小的方式。804廠部分實施后在產品質量、生產效率、勞動強度、人員需求降低、生產安全上都有很好的體現(xiàn)。

5.3 壯大專業(yè)技術保障隊伍

當前，行業(yè)內自動化設備越來越多，設備種類和復雜度也在不斷提高，但是各企業(yè)現(xiàn)有人員的知識結構較為落后或者自身經(jīng)驗不足，在現(xiàn)有人員基礎上，一方面可通過TPM 工作的開展培養(yǎng)專業(yè)設備管理人才，另一方面，基層生產單位對機修組進行完善，根據(jù)不同情況，有針對性進行人員調配，通過培訓不斷提高維修人員對復雜設備的維護保障能力。在未來工業(yè)化水平不斷提高的情況下，有條件的企業(yè)可建立專門保障維護部門。

6 結論

工業(yè)4.0是國際趨勢，而且與工業(yè)4.0相關的許多技術已經(jīng)出現(xiàn)并發(fā)展成熟，火工品生產行業(yè)作為在國內相關生產手段較為落后的行業(yè)，如果不采取行動，那么該行業(yè)局限的將不只是自身的發(fā)展，更是制約了火工品配套領域其他行業(yè)的發(fā)展和進步，這樣在應對突發(fā)狀況時會導致國家利益遭受損失。作為國家安全中重要的一環(huán)，火工品行業(yè)應該緊跟國家發(fā)展戰(zhàn)略步伐，積極思考探索適應自身現(xiàn)狀的工業(yè)4.0發(fā)展方式，逐步實現(xiàn)生產方式自動化、智能化。

（References）

［1］烏爾里?！ど吕?工業(yè)4.0［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.