1.2　德国“工业4.0”与基础设施建设

1.2.1　工业革命对基础设施工程的影响

基础设施是指为社会生产和居民生活提供公共服务的物质工程设施,是用于保证国家或地区社会经济活动正常进行的最基础的公共服务系统。世界银行(1994)在《1994年世界发展报告——为发展提供基础设施》中,将基础设施定义为“永久性的成套工程构筑、设备、设施和它们所提供的为所有企业生产和居民生活共同需要的服务”。它包括交通运输、水资源、通信、能源和废弃物的处理等若干系统,为经济和社会提供了非常重要的基础性的功能,是保证人类福利水平和生活质量的基础性的服务。因此,基础设施对社会生活的发展有重要的意义,它作用于经济、社会、环境建设等各个方面,也是政府工作的重要内容和责任。

纵观历史上的前三次工业革命,均对基础设施工程产生了深远的影响。

(1)第一次工业革命以工作机的诞生为开始,以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志,它使工厂代替了手工工场,机器代替了手工劳动。在基础设施领域,规模宏大的工业革命,为工程建设提供了多种性能优良的建筑材料及施工机具,也对建设提出新的需求,从而促使基础设施工程以空前的速度向前迈进。其间,蒸汽机逐步应用于抽水、打桩、挖土、轧石、压路、起重等作业,水泥的诞生也极大地促进了基础设施的建设。

(2)第二次工业革命以电器的广泛应用为标志,自此人类社会逐渐进入电气时代,主要特点是电力代替了蒸汽动力,发电机和内燃机代替了外燃的蒸汽机,钢质机械代替了铁质机械,工厂完全机械化,城市交通已经由电车、汽车代替了马车。在基础设施领域,各类的起重运输、材料加工、现场施工专用的设备和配套机械应运而生,钢材等以往难以加工的材料也被广泛使用。不仅推动了基础设施建设的进程,同时也增强了基础设施工程的质量。

(3)第三次工业革命以计算机技术、空间技术等的发明和应用为主要标志,社会生产力出现了新的飞跃。现代科学技术突飞猛进,促进基础设施建设进入一个新时代。计算机的出现为专业预算员提供概预算软件编制施工概预算,为生产计划员提供网络计划软件安排施工进度,为设计人员提供图形设计软件绘制施工图纸等。通过信息化软件的使用,基础设施建设工作的质量和效率有了显著提高。

1.2.2　“工业4.0”核心内容概述

2011年,德国举办了汉诺威工业博览会,并在此博览会上提出了“工业4.0”的概念。随后,德国政府、产业界和科研院所不断加大投入精力,并于2013年4月发布了《实施“工业4.0”战略建议书》,同年12月,德国又发布了“工业4.0”标准化路线图,德国“工业4.0”成为德国政府面向2020年的国家战略。之所以被称为“工业4.0”,是因为德国认为迄今为止人类已经经历了三次工业革命:18世纪末引入机械制造设备的“工业1.0”;20世纪初以电气化为基础导入大规模生产方式的“工业2.0”;始于20世纪70年代建立在IT技术和信息化之上的“工业3.0”。而支撑“工业4.0”的则是以信息物理系统(Cyber-Physical System,CPS)为核心,高度数字化、网络化的智能生产。工业文明的发展见图1.12。

1.工业4.0核心内容

工业4.0的核心内容可以归纳为一个网络、两大主题、三项集成、八项计划。

一个网络是指信息物理系统,该系统强调虚拟和现实的联系和融合,使用连接、云存储、虚拟网络、内容、社区的方式,将一切可以利用的生产资源采用个性化的手段整合在一起,从而创造出一个生产高度智能化的智能工厂。

两大主题是指智能工厂和智能生产。智能工厂是强调智能化生产系统及生产过程,以及网络化分布式生产设施的实现;智能生产侧重点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程,从而形成高度灵活、个性化、网络化的产业链。

三项集成是企业在价值链上的横向集成、制造系统网络化中的纵向集成以及生产过程中的端对端集成。由于不同企业在同一价值链上可能处于不同生产阶段,价值链上的横向集成就是促使处于同一价值链上的企业通过IT技术相互沟通,促使不同企业间的资源互动,提高生产效率。这样可以促进不同的企业更好地创造价值,实现端对端的集成。在横向集成的基础之上就需要网络的链接,从而形成了纵向的制造系统网络化集成。

八项计划是指:①标准化和参考架构。不同企业按照统一标准进行网络建设,否则就不能进行网络连接。②管理复杂系统。工业4.0为企业管理提出了更高的要求,建立管理系统。③工业宽带体系建设。建立可靠、全面、高品质的工业专用网络。④安全与保障。网络安全是工业4.0的核心。⑤工作组织和设计。工业4.0对企业组织结构提出了新要求。⑥培训和职业发展。通过建立终身学习计划,不断地为工业发展提供足够的优秀人才。⑦监管体系。需要建立全方位的监管体系。⑧资源利用体系。考虑环境制约因素,提高资源利用效率。

2.工业4.0的目的与实施意义

工业4.0的重点是创造智能产品、程序和过程。其中,智能工厂构成了工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够管理复杂的事物,不容易受到干扰,能够更有效地制造产品。在智能工厂里,人、机器和资源如同在一个社交网络里一般,自然地进行相互沟通协作。智能产品包含丰富的信息,例如被制造的细节,它们能够积极协助生产过程,回答诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪里”等问题。其与智能移动性、智能物流和智能系统网络相对接,使智能工厂成为未来的智能基础设施中的一个关键组成部分。这将导致传统价值链的转变和新商业模式的出现。

综上所述,德国“工业4.0”就是通过信息技术把产品、机器、资源和人进行有机地集合,从而创造出一个高度智能化、数字化、个性化的制造模式。工业4.0的主要目的在于确保德国制造业的国际竞争力,推动德国制造业从单纯的围绕产品生产,向数据分析与应用基础的智能模式上的转变。

1.2.3　基础设施4.0

2013年9月和10月,习近平总书记分别提出建设“新丝绸之路经济带”和“21世纪海上丝绸之路”的战略构想,进而形成了“一带一路”的国家顶级战略,为国际基础设施建设带来的新机遇和新挑战;2015年6月举行的“第六届国际基础设施投资与建设高峰论坛”中,首次向业界提出“建设4.0”概念,认为基础设施建设行业与其他制造业一样,在先后经历了机械时代、电子时代、信息时代后,正面临跨入智能时代的机遇,也为“智能建设”提供了广阔的发展平台,见图1.13。

工业革命为基础设施建设的发展提供了技术基础,德国“工业4.0”的提出也同样为当代基础设施工程的建设提供了借鉴和启示,本节结合工业4.0的核心理念,从内涵、特点、战略目标、实施意义四个方面对基础设施4.0进行解释,并指出在基础设施4.0实施过程中应优先行动的领域。

1.基础设施4.0的内涵

从技术形式看,基础设施4.0是指以工程信息技术资源的开发利用为核心,以网络技术、通信技术等高科技手段为依托的一种新技术扩散的过程,通过实现基础设施信息的在线与共享,可以随时、随地、互动地提供基础设施信息支持和完整的问题解决方案。

从行业影响看,基础设施4.0是一个利用智能化、数字化技术对基础设施工程建设与管理水平整体提升的过程。它涵盖了政府监管、企业管理、教育培训、勘测、设计、施工、监理、质量监督等诸多领域,尤其是针对我国实际,有效地解决了工程建设量大、面广与信息知识资源分布严重不均的矛盾,促使了整体的技术进步。

从实现过程来看,基础设施4.0是一个包含三个层面、六大要素的动态过程。所谓三个层面,一是基础设施工程信息技术的开发和应用过程,主要指在互联网等信息技术的基础上,制定工程信息在软件、硬件方面的网络传输标准,同时大力开发研制工程信息的传输终端,这是实施基础设施4.0的基础;二是工程资源的开发和利用过程,这是实施基础设施4.0的核心与关键;三是基础设施工程建设是一个不断发展的过程,主要指应发展一批与工程技术开发制造相关的科研机构和企业,这是实施基础设施4.0的重要支撑。所谓六大要素即指网络、资源、技术、产业、政策与人才。

2.基础设施4.0的特性

(1)互联性。基础设施4.0的核心是连接,以互联网为工具,将基础设施建设的各类资源从产生、存储到传输、应用紧密地联系在一起。

(2)数据性。基础设施4.0的最基本要素是工程的各类数据,包括建设数据、运营数据、管理数据、设备数据等。

(3)集成性。基础设施4.0将无处不在的传感器、嵌入式系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络。通过这个智能网络,使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间形成互联,从而实现横向、纵向和端到端的高度集成。

(4)创新性。基础设施4.0的实施过程是也是创新发展的过程,诸如技术、形式、组织管理等方面的创新将会层出不穷,从技术创新到形式创新再到组织管理模式创新等。

(5)网络性。基础设施4.0必须以网络为基础,能够在任何时间、任何地方都可互动地为基础设施工程界提供服务,打破时间、地域等的限制。

3.基础设施4.0的战略目标

(1)通过利用现代智能化、数字化等高科技技术改造提升传统基础设施工程,实现信息互通、互联与共享,优化产业结构,促使资源配置更加合理。

(2)通过网络办公、远程政务、信息公开等现代化管理理念的推广,有利于形成一个廉洁、高效、透明的监管体系。可提高各级建设行政管理部门的决策水平、管理水平和为公众、为企业的服务水平,这对最终催生一个公平公正的建设市场具有极大的现实意义。

(3)通过利用现代信息化技术武装基础设施工程建设企业,提高企业的综合实力和核心竞争力。尤其在中国经济融入世界的今天,基础设施工程信息化更为国内工程建设企业走出国门、与国际接轨提供了物质保障。

(4)通过促使工程建设进步,以带动相关产业发展,培育新的经济增长点,更好地为国家经济建设服务。

4.基础设施4.0的实施意义

实施基础设施4.0,是我国基础设施工程建设实际的现实需求,也是其未来发展的战略任务,具有以下深远意义:

(1)从国家发展战略上看,实施基础设施4.0是提升我国综合国力、实现富国富民理想的一大支柱。

(2)基础设施4.0是整体提高工程行业建设科技水平的有力手段,并将工程建设变为一个新兴、有活力的产业。

(3)从政府管理的角度看,基础设施4.0是政府改革和建立高效、透明管理机制的催化剂。

(4)从工程建设企业的角度看,基础设施4.0的实施,能够提升企业的综合竞争力,加速企业在宏观以及微观上管理模式的创新,并极大地提高企业的工作效率。

(5)从工程从业人员个体的角度来看,基础设施4.0的实施,将会深刻影响其工作形式和思维方式,使工程管理与技术人员与时俱进,在信息时代更好地发挥创造力。

5.优先行动领域

(1)CPS技术及产品。基础设施建设涉及各类环境和设施状态的监测以及设备、物资及人员的调拨等,目前广泛使用3S和BIM技术来解决这些问题。在基础设施4.0中,所有的机械、应用系统、生产设施和工程人员都将融入到虚拟网络——CPS中。CPS中的所有对象能够相互独立地自动交换信息、触发动作和控制。这有利于从根本上改善包括设计、施工、资源利用和生命周期管理在内的建设过程,使得建设过程向智能化的方向发展。在智能的基础设施建设形式中,所有对象可以在任何时候被定位、并能知道其自身的历史、当前状态和为了实现其目标状态的方法路线。

(2)基础设施工程信息技术。基础设施工程信息技术以互联网、信息收发终端、通信网络等现代信息技术为基础,考虑工程的特殊性及工程信息化的特点、目的,旨在构建工程信息化实施建设的技术平台。它包括以下几个方面:

1)基于服务和实时保障的CPS平台。同工业4.0一样,基础设施4.0的实施将迫切需要一个基于服务和实施保障的CPS平台,使之更加适应具有互联性特点的连接工程全生命周期各方面的基建网络,同时跟上集成性特点突出的基础设施建设进程。这些平台应提供业务服务和实际应用,并且能联系到所有参与的人员、物体和系统。

2)基于CPS平台的应用系统。基于CPS的应用系统是实施基础设施4.0的功能保障,这些应用系统必须满足以下条件:

•灵活性,可以提供迅速和便捷的服务及应用。

•在基础设施进程中能够实现快速的调配和部署。

•可提供综合性强、安全可信的业务流程支持。

•保障从传感器到应用系统再到与工作人员交流所有环节的安全和可靠系统。

•支持移动端设备。

•支持工作网络中实现互相协助的生产、服务、分析和预测。

3)工程信息收发终端。在现有电子产品生产通用标准的基础上,根据工程信息的特殊要求,制定信息收发终端在硬件、软件等方面的标准,其目的是保证CPS系统具有一致的兼容性。其形式包括台式终端和手持式终端两种形式,但手持式终端是发展方向,其基本功能是工程人员可通过它随时与CPS平台进行信息交换,获取服务和技术支持。

4)工程信息的网络传输标准。这是基础设施4.0的在CPS平台下实现互联性和数据性的基础性研究工作。在现有信息技术通用标准的基础上,针对工程的特殊性,对其所涉及的文字、图形、表格、公式、程序等信息进行分类,并对每类信息制定其传输的实现格式与标准。其目的是一方面保证工程信息可与电信移动通信网络相兼容;另一方面是保证不同CPS平台之间、CPS平台与信息收发终端之间以及信息收发终端之间能够顺畅地进行信息交换。

(3)基础设施工程信息化产业。CPS技术的广泛应用必将引起整个工程产业结构的重新调整与资源的重新整合,有效地解决制约工程发展的若干矛盾,使粗放型的产业结构得以整体优化,优先发展信息化产业能够使基础设施行业更快速地适应这一变化。以下从几个方面阐述了基础设施工程信息化产业的作用:

1)传统的工程建设由于信息网络技术的大量渗透,其工作模式、思维方式发生了深刻变化,极大地提高了工程建设的劳动生产率。

2)形成工程建设信息技术服务这一新行业,作为工程信息化的基础产业,承担工程信息生产、维护、传输的任务,为整个基础设施行业的智能化提供技术支持。

3)工程建设市场的信息化、透明化,为工程建设提供公平公正的市场环境。

4)促使形成工程信息化的政府监管体系,形成为工程信息化发展提供坚实后盾的法律法规环境和信息人才培训教育体制。

(4)基础设施工程信息学科。该学科是将传统工程与现代信息技术相结合而形成的一个边缘交叉学科,在信息技术发展的基础上,整合社会资源,进行学科建设,从技术、政治、经济、法制等角度对工程信息化进行全方位研究,为工程信息化的建设提供学科支撑,并培养基于CPS的专业应用人才,形成新的任职资格。同时为保证老员工能保持自身的就业能力,需开发相应的培训策略、分析方法和管理模式。总的来说,这将会存在许多重大挑战,包括需要全面持续的职业发展条款和至少部分培训系统的改进。