工业4.0驱动下的制造业数字化转型

本书围绕着如何应用工业4.0的技术实现制造业的数字化转型而展开。本书分为四大篇，共14章，按照“工业4.0的诞生背景与理论”“SAP战略”“SAP解决方案”“效益与展望”的逻辑顺序加以组织。

第一篇主要供读者了解和掌握工业4.0的基本知识。

第二篇从战略的高度回顾SAP近年来为了应对工业4.0的到来，对目前的产品所做的升级改造，以及所提出的物联网及工业4.0产品战略和方案概述。

第三篇介绍SAP具体的工业4.0解决方案，覆盖了工业4.0所倡导的垂直集成、水平集成和跨价值链的端到端开发的核心思想。

第四篇供有志于实施工业4.0和进一步研究工业4.0的读者了解工业4.0的实施效益，以及未来的发展趋势和方向。

这一波工业4.0浪潮的到来，在接下来的十年甚至更长的时间里，对于中国的制造行业来说，既是一次提高自身能力的难得机遇，也是一场来自国内外同行的竞争与挑战。为了抓住机遇和迎接挑战，企业不仅需要掌握相关的工业4.0的基础理论和知识，更要了解各种技术的发展动态，提前布局，稳步推进。在实现和推动工业4.0的林林总总的技术中，*能体现工业4.0精髓的，无疑是软件技术。来自德国的SAP公司，作为全球*大的商业软件企业，不仅是工业4.0的发起者之一，也是工业4.0的核心软件供应商，积极参与工业4.0的推广和实践。本书以SAP的相关软件技术为支撑，介绍工业4.0驱动下的制造业的数字化转型背景、理论、应用领域和关键技术。本书介绍了大量结合SAP工业4.0解决方案在制造行业的具体落地案例，探讨如何实现工业4.0解决方案在企业中的部署，展示系统方案对业务运营带来的业务价值，为企业下一步部署“工业4.0/中国制造2025”战略提供实例参考。

本书不仅适合制造行业中从事信息化建设的人员阅读，也非常适合管理人员作为学习和了解工业4.0的参考书籍。

彭俊松博士

现任SAP大中华区副总裁和行业价值工程部总经理，负责制定SAP在大中华区的行业发展计划、行业解决方案的技术支持以及软件价值工程服务。同时，他还着力帮助推动工业4.0及数字化变革在SAP中国市场的落地和推广。彭俊松于2008年加入SAP，先后担任汽车和装备制造行业首席专家及行业首席专家部门总经理。在加入SAP之前，彭俊松曾先后在中国惠普有限公司和甲骨文中国公司工作。

彭俊松拥有西安交通大学机械工程博士学位，随后在复旦大学管理学院和上海汽车工业集团从事博士后研究工作。近十年来，他出版了6本关于汽车行业信息化的著作，并积极参加多个SAP行业协会和第三方行业协会的活动。

序言
Foreword
前言
导读 1
第一篇工业4.0的诞生背景、理论和方法
第1章工业4.0诞生的内外因分析 10
1.1工业4.0的诞生是内因与外因共同作用的结果 10
1.2内因之一：以客户个性化需求升级为代表的来自市场的挑战 13
1.2.1工业4.0时代，通过客户定制化需求的拉动来进行价值重构 14
1.2.2产品多样化给企业的经营带来了巨大的挑战 16
1.2.3大规模生产和大规模定制的变迁 19
1.3内因之二：传统制造业向数字化商业模式的转变 22
1.4外因之一：CPS、物联网等新技术对传统技术的推动 26
1.4.1网络物理系统 27
1.4.2物联网 29
1.5外因之二：提高制造业竞争力的国家竞争战略的需要 31
1.5.1德国和欧盟对工业4.0的推动 31
1.5.2美国政府提出的先进制造业计划 33
1.6案例分析：德国奥迪的智能工厂愿景 34
第2章基于CPS的工业4.0 36
2.1CPS的产生背景 36
2.1.1从工业3.0时代的控制论到工业4.0时代的分布式人工智能 36
2.1.2人工智能与机器人的研究进展 40
2.1.3CPS研究的前身——智能主体 43
2.2CPS的基本理论 45
2.2.1CPS的定义 45
2.2.2CPS的五层次结构 47
2.2.3基于服务和支持实时运行的CPS 50
2.3基于CPS的网络物理生产系统 51
2.3.1从大规模定制1.0到大规模定制2.0 51
2.3.2CPPS下的新系统架构 56
2.3.3CPPS的实现道路 59
2.4应用分析：CPS在智能电网、智能交通和智能医疗中的应用 60
2.4.1智能电网 61
2.4.2智能交通 62
2.4.3智能医疗 63
第3章工业4.0理论的提出和要点 65
3.1工业4.0的概念和目标 65
3.1.1物联网和服务联网是实现工业4.0的两大基础和前提 66
3.1.2CPS是实现工业4.0的核心技术 67
3.1.3工业4.0不会孤立存在，而是作为智能、网络化世界的一部分 70
3.1.4作为物联网的一个子集，M2M在工业4.0中扮演着重要的角色 72
3.1.5工业4.0的五大核心特征 72
3.1.6工业4.0可以带来新的商业机会和模式 74
3.2工业4.0的双重战略 75
3.2.1水平集成 76
3.2.2垂直集成 77
3.2.3端到端的开发 77
3.2.4员工2.0 78
3.3工业4.0下的智能工厂 79
3.3.1自动化和互联的设备 79
3.3.2产品智能化且可配置 80
3.3.3智能的机器和流程 82
3.3.4配备的人做好准备，并有相关技术来支撑 83
3.3.5高级的分析和建模能力 85
3.4工业4.0的最新进展——智能服务 86
3.5案例分析：IFM实现从传感器到SAP的透明连接 88
3.5.1企业概述 88
3.5.2从传感器到ERP 88
第4章工业4.0时代下制造业价值网络的数字化转型 92
4.1数字化转型的基本概念 92
4.2数字化转型带来的三种重塑机会 94
4.2.1重塑商业模型 95
4.2.2重塑业务流程 100
4.2.3重塑工作 105
4.2.4重塑背后的技术创造价值方式的改变 106
4.3以重塑业务流程为代表的制造业数字化转型 108
4.3.1工业4.0为制造业的数字化转型提供了数字化创新机遇 108
4.3.2目前的制造业对于数字化技术的应用存在不足 109
4.3.3工业4.0对制造企业价值链的重构 110
4.4以重塑商业模式为代表的制造业数字化转型 111
4.4.1智能服务的前身——产品服务系统 111
4.4.2以IPSS为代表的面向使用或结果的制造业商业模式 112
4.5案例分析：全球物流供应商DHL的数字化转型 114
4.5.1DHL简介 114
4.5.2案例背景 115
4.5.3公路货代的业务特点和面临的挑战 115
4.5.4DHL的数字化业务变革准备 117
4.5.5工业4.0时代下DHL的物联网探索 119
第二篇SAP的物联网和工业4.0战略概览
第5章以S/4 HANA为数字化核心的SAP工业4.0系统架构 124
5.1以SAP S/4 HANA为数字核心的工业4.0系统架构 125
5.2SAP迈向工业4.0的产品升级改造历程 127
5.3技术发展主线一：HANA技术 130
5.3.1支持内存计算的HANA 130
5.3.2支持大数据的HANA 132
5.3.3支持云计算的HANA云平台 134
5.4技术发展主线二：移动技术 135
5.5技术发展主线三：云计算技术 136
5.5.1云计算平台 136
5.5.2SAP在SaaS软件上的进展 138
5.6技术发展主线四：S/4 HANA 142
5.7快速搭建面向工业4.0的企业的新一代数字化平台 145
5.8案例分析：美国CenterPoint公司的SAP HANA之旅 147
5.8.1公司简介 147
5.8.2美国得克萨斯州电力市场概况 147
5.8.3SAP HANA帮助CenterPoint提高客户管理水平 148
5.8.4智能电网负载分析 151
5.8.5智能电网IT/OT融合 153
第6章SAP的物联网和工业4.0战略与解决方案概览 155
6.1SAP对物联网的理解 155
6.1.1网络经济 155
6.1.2商业用途的物联网 156
6.1.3物联网的技术构成 158
6.2SAP眼中的物联网技术基础 158
6.2.1交付物联网解决方案概述 159
6.2.2物联网的三个领域 160
6.2.3将不同的领域整合起来 161
6.2.4SAP HANA平台为物联网转型做好了准备 165
6.3SAP的物联网平台架构 165
6.3.1物联网接入方案之一：基于SAP HCP的IoT版本 167
6.3.2物联网接入方案之二：基于SAP的移动技术 168
6.4SAP的工业4.0数字化解决方案的组成 169
6.5案例分析：美国哈雷·戴维森摩托车公司的大规模定制生产重生之路 170
6.5.1公司简介 170
6.5.2战略转型之旅 170
6.5.3哈雷从互联营销、智能制造到售后服务的全价值链创新 174
第三篇SAP的六大工业4.0解决方案详述
第7章工业4.0下的互联产品 180
7.1SAP互联产品解决方案概述 181
7.2支持端到端创新的集成的产品开发 183
7.3支持大规模定制背景下的产品配置管理 185
7.3.1产品变量配置的基本概念 185
7.3.2面向大规模定制的产品数据结构 187
7.3.3将设计与制造进行同步 191
7.4提供支持物联网的工程控制中心 194
7.4.1对多种开发工具的支持 194
7.4.2对物联网多数据源的支持 196
7.5加快创新速度的创新平台 197
7.5.1产品组合计划 197
7.5.2项目管理 198
7.5.3打造面向员工参与的创新平台 199
7.5.4打造基于大数据分析的创新平台 200
7.6连接客户与厂家的资产智能网络 202
7.7案例分析：德国宝马汽车公司在产品模块化和客户定制化上的数字化转型 206
7.7.1公司简介 206
7.7.2案例背景 206
7.7.3基于产品生命周期管理项目，推动产品的模块化 208
7.7.4基于面向客户的销售与生产，实现大规模定制业务 209
第8章工业4.0下的互联营销 212
8.1SAP互联营销解决方案概述 212
8.2基于SAP CEC的全渠道商务 213
8.2.1传统的实体零售市场在向全渠道迅速转变 213
8.2.2搭建全渠道解决方案的思路 216
8.2.3SAP的全渠道B2C商务解决方案 218
8.3基于SAP HANA的大数据驱动的需求管理 220
8.3.1从需求计划到需求感知 220
8.3.2大数据下的需求分析 221
8.3.3需求分析的技术和工具 222
8.3.4大数据需求供应分析解决方案 223
8.3.5基于大数据的精准营销 226
8.4案例分析：德国HSE24公司利用SAP HANA实现大数据分析与精准营销 231
8.4.1公司简介 231
8.4.2电视购物客户与购买特点 232
8.4.3面临的挑战 234
8.4.4解决方案 236
第9章工业4.0下的互联制造 238
9.1SAP的互联制造解决方案概述 238
9.1.1SAP的互联制造及其技术路线 238
9.1.2基于SAP的互联制造解决方案建立开放式集成工厂 241
9.2基于SAP IBP的供应与响应计划 243
9.2.1响应与需求管理 244
9.2.2产品计划与排程 247
9.3基于SAP HANA的MRP 250
9.4SAP的制造执行（ME） 252
9.4.1MES和ERP的区别与互补 252
9.4.2SAP ME在智能工厂中的应用 255
9.5SAP的制造集成与智能（MII） 259
9.5.1挑战：制造业孤岛 259
9.5.2MII是制造企业的“粘结剂” 259
9.5.3MII是制造企业的“巡视员” 260
9.5.4MII是制造企业的“分析师” 260
9.6SAP工厂连接解决方案 262
9.7案例分析：德国Elster公司通过OPC UA实现SAP ME与车间自动化设备的连接 264
9.7.1公司简介 264
9.7.2项目背景 264
9.7.3MES项目 265
第10章工业4.0下的互联供应 269
10.1SAP的互联供应解决方案概述 269
10.2通过SAP Ariba搭建互联商务平台 270
10.3通过SAP IBP搭建需求驱动的业务计划 272
10.3.1使用集成的业务计划来取代传统的供应链计划系统 272
10.3.2制订销售和运营计划 273
10.3.3通过内部和外部的需求数据来提高决策水平 276
10.4通过SAP IBP搭建供应链控制塔 279
10.4.1预见问题的能力 280
10.4.2获取对外包供应链的控制 281
10.4.3获得敏捷能力 281
10.5基于SAP SNC的供应网络协同 282
10.6案例分析：美国高露洁棕榄公司的SAP全球供应链管理 285
10.6.1公司简介 285
10.6.2背景 285
10.6.3高露洁基于SAP的供应链管理 287
第11章工业4.0下的互联物流 292
11.1工业4.0环境下物流的新特点 292
11.2SAP的互联物流解决方案概述 293
11.3基于SAP WMS/EWM的仓库管理 295
11.3.1与互联设备的连接 295
11.3.2与仓储自动化设备的连接 296
11.3.3增强现实在仓库操作中的应用 298
11.4基于SAP TM的运输管理 300
11.5基于SAP EM的跟踪与追溯 302
11.6SAP的物流网络中心解决方案 303
11.7案例分析：德国汉堡港的智能港口物流平台 304
11.7.1公司简介 304
11.7.2智能港口物流项目背景 305
11.7.3基于SAP物流网络中心解决方案打造的云平台 307
第12章工业4.0下的互联服务 309
12.1工业4.0对产品服务的要求 309
12.2SAP的远程维修与服务解决方案 310
12.2.1远程维修与服务的方案架构 310
12.2.2远程维修与服务的业务效益 312
12.3SAP的预测性维修与服务 313
12.3.1方案概述 313
12.3.2PDMS的应用 315
12.3.3使用SAP PDMS解决方案的价值 317
12.4SAP增强现实方案在服务中的应用 318
12.5案例分析：德国凯撒压缩机公司通过大数据和实时业务，将以客户为中心的服务业务提升到更高的水平 319
12.5.1公司简介 320
12.5.2大数据支持下的预防性维护 321
12.5.3将产品开发与客户需求联系起来 323
12.5.4通过洞察来加快获取价值的速度 323
第四篇工业4.0应用效益分析和趋势展望
第13章制造企业实施工业4.0和物联网的效益与挑战 326
13.1工业4.0定性的效益分析 326
13.2工业4.0定量的效益分析 329
13.3物联网的行业应用效益 330
13.4汽车零部件企业实现工业4.0的价值分析 332
13.4.1集成的生产与物流流程 333
13.4.2加强机器和人之间的协作 333
13.4.3提高车间层的生产效率 333
13.5技术、经济、组织、法律等方面对工业4.0的挑战 334
13.6应用分析：工业4.0为汽车工业带来的变化 336
13.6.1对复杂性的管理是汽车企业取得成功的关键 336
13.6.2基于无传送带的分布式汽车生产系统 338
第14章下一阶段工业4.0的发展及其相关动向 340
14.1工业4.0的发展路径 340
14.2智能服务的成熟度 341
14.3工业4.0参考架构模型 343
14.3.1RAMI 4.0的结构 343
14.3.2使用RAMI 4.0的好处 345
14.4美国先进制造的发展方向 346
14.4.1先进传感器、控制和制造平台技术 348
14.4.2可视化、信息化和数字化的制造技术 349
14.5美国的工业互联网、中国的“中国制造2025”和“互联网+” 351
14.5.1美国的工业互联网与德国工业4.0 351
14.5.2“互联网+”的解读 354
14.5.3“中国制造2025”与电子商务的成功之路 354
缩略语 357
参考文献 362

序言

在我写这篇序言的时候，中国制造业已经结束了数十年的快速发展阶段，进入了一个艰难的时期。2015年12月，财新传媒与Markit公司发布的中国制造业采购经理人指数为48.2，这已经是该指数连续10个月下滑。事实上，自2014年7月以来，该指数就再未出现连续3个月上扬的情况。

当然，这背后的影响因素很多，但最主要的原因在于中国已不再是一个廉价的生产基地。过去10年，中国劳动力的薪资涨幅超过4倍，再加上人民币升值，这让“中国制造”的成本迅速飙升，直逼美国。而这种现象背后的一个根本原因就是中国的人口老龄化趋势。其实，从2010年开始，中国15～59周岁的人口比重就在不断下降，预计到2020年，该年龄段人口数将减少2930万，几乎相当于沙特阿拉伯目前的人口总数。

过去，制造业主张利用看似无限大的廉价劳动力市场，但现在，这种观念已经过时。而作为“世界工厂”，中国面临着巨大压力，只有采取有力的措施，让生产力的增速超过成本的增速，才能避免像其他新兴经济体一样，落入“中等收入陷阱”。

那么，中国制造业如何才能再度崛起？俗话说：需要乃发明之母。无疑，中国的制造企业需要加大创新力度，包括产品创新和业务模式创新。

幸运的是，中国已经清楚地认识到这些问题。在过去几年中，中国政府越来越关注“工业4.0”，也就是德国政府针对制造业制定的高科技战略，而且在此基础之上，两国已经在制造领域开展全面合作。作为实现工业4.0的中坚力量，SAP公司很高兴地看到，中国政府在其“互联网+”战略中融合了工业4.0的概念，并将其纳入十三五（2016—2020年）规划。

在本书中，针对制造企业如何利用工业4.0战略实现数字化转型的问题，SAP公司的行业价值工程团队的同事列举了一系列原则、最佳实践和客户案例。

制造企业的数字化转型包括实现智能制造。通过集成制造系统与IT系统，同一生产线能够为任何订单生产任意数量的不同产品。毫无疑问，这种方法肯定能帮助中国工厂提高生产力，但要解决中国制造业面临的更深层次的问题，光靠智能制造解决方案是不够的。

苹果公司就是一个典型案例。作为全球最具价值的企业，苹果公司其实并不生产任何产品，其大部分制造业务都交给了中国的承包商和供应商。虽然整个制造企业生态系统拥有数百万名员工，但他们的工资支出仅仅是苹果公司硬件销售收入的九牛一毛。而且，苹果公司的收入来源并不局限于硬件业务，还包括各种网店和其他服务创造的收入。

可见，解决中国制造业面临的长期挑战的另一个关键要素是：在供应链中承担更多高价值活动，最终建立能够稳步盈利的全球品牌。这也正是“中国制造2025”行动计划的主旨：将移动互联网、云计算、大数据和物联网（IoT）等技术与现代制造业融为一体。

因此，我们必须认识到，工业4.0理念并非局限在工厂内，而是与物联网息息相关。工业4.0为中国的制造商提供了机会，让他们能够采用更具创新性的业务模式去创造更多价值。比如，通过采用能够报告自身性能的智能设备，制造商可以利用SAP HANA?收集和分析大量数据，并建立一个预测性维护服务平台。随着时间的推移，制造商将慢慢向服务提供商靠拢。届时，他们不仅仅出售机器，还将提供全套服务和使用模型。这样，客户就只管使用产品，而无需担心产品的维护问题。

如今，服务创新能够带来巨大收益的结论已不再是秘密。中国要想避开“中等收入陷阱”，就必须利用现有的制造业优势，尽早把握住工业4.0带来的机会。

纪秉盟

SAP大中华区总裁

2016年1月

前言

对于工业界来说，这一次以工业4.0命名的第四次工业革命和前三次工业革命有着很大的差别。在前三次里，工业界是做了再说；而这一次是边做边说，甚至是先说后做。瓦特在发明蒸汽机的时候，恐怕做梦也没有想到自己打开了一扇通往工业1.0的大门。而这一次的工业4.0，随着互联网媒体的传播和政府的宣传，一夜之间众人皆知。

工业4.0时代的快速到来，好像把我们带到了一个繁忙的交通路口。一方面，大量关于未来工业4.0的报道和文章从国外呼啸而来，打破了我们很多传统的习惯思维。另一方面，我们手中熟悉的工具，包括我们依赖多年的商业化管理软件，似乎仍处在向工业4.0迈进的起点。客户不停地催促SAP公司，让我们给出帮助他们迈向工业4.0的一条稳妥的路线图。与此同时，对工业4.0的研究越深入，我越发现其理论和内容的前瞻性及博大精深。对下一步究竟应该怎么走，似乎有很多想法，又似乎难以抉择。

必须承认，我们现在进入了一个软件厂商与推广客户携手共同创新的年代。在过去的20年里，SAP公司在中国的业务是伴随着最佳业务实践发展起来的。所谓的最佳业务实践，实际上就是国外先进企业的业务流程在SAP系统中的体现或预配置。工业4.0的到来，将国内企业与国外企业拉到同一条起跑线上。目前全世界尚不存在所谓的工业4.0最佳业务实践，我们需要一个一个企业、一个一个行业去创新、实践和总结。在国外如此，在国内也一样。

这一轮的工业4.0，到目前为止，展现在我们面前的可能还只是冰山一角。作为一个冠之以“革命”的新事物，我们千万不能低估其难度和颠覆性。以工业3.0背后的第三次工业革命为例，计算机技术并不是其全部的核心。按照教科书上的定义，体现第三次工业革命的核心技术，首先是核能技术，然后是生物技术，最后才是计算机技术。直到今天，能够完全掌握核能技术和生物技术的国家，在全世界也是屈指可数。那么，在第四次工业革命下的工业4.0，其核心技术——网络物理系统（CPS），也绝不是一项简单的技术。目前无论是在理论研究、标准化还是落地使用等领域，都还有很长的一条路要走。

本书是作者在接触工业4.0理论之后进行研究、交流和实践的一次书面总结。从2014年开始，在SAP公司内部，特别是从德国同行那里，不断传来一些有关工业4.0的动态和研究进展。作为一个有着机械工程学科背景、从事离散制造行业信息化多年的职业工作者，我开始关注这一话题，并付诸一系列行动：多次赴德国参观考察，参加十余场行业大会和学术大会并发表演讲，撰写白皮书，与客户进行现场交流和方案研究，推动多个SAP工业4.0的客户创新项目。在平时闲下来的时候，我也有意识地把一些研究心得和工作成果整理成文字。两年下来，积少成多，最后汇集成书。

另外，在本书的撰写过程中，我也得到了团队里其他同事的大力支持，特别是负责零售行业的专家Allen Miao，在此表示衷心的感谢。

这本书写到中间的时候，恰逢吾儿诞生，一时喜不自胜。写作进程虽有中断，但后来一路加快进度，直至成文。谨以此书为贺，并感谢吾妻李虹的长期支持。

彭俊松博士

SAP大中华区副总裁，行业解决方案与价值工程部总经理

2016年3月于上海松江