乌尔里希·森德勒（Ulrich Sendler），生于1951年，毕业于克雷菲尔德市恩斯特·莫里茨·阿恩特人文中学。在经过奥迪公司内卡苏尔姆工厂的模具制造人员培训和位于海尔布隆市的德劳茨模具制造公司的数控编程人员培训之后，进入海尔布隆大学学习精密仪器工程学，并于1985年获得硕士学位。
　　随后，他在总部位于内卡苏尔姆的科尔本施密特公司CAD系统开发部门任职，再后来成为海德堡CAD-CAM报告杂志的一名编辑。
　　自1989年以来，他成为虚拟产品开发和产品生命周期管理（PLM）领域的一位独立记者、作家和技术分析师。2009年，海德堡·柏林施普林格出版社出版了由他主编的《产品生命周期管理概论》。此外，他还是费尔达芬工业峰会——系统领导2030年的发起人和组织者。

　　《工业4.0》是费尔达芬工业峰会——系统领导2030年的配套用书，主题思想是：从经济和科学的角度，深入探讨怎样才能使中欧工业到2030年仍能保持一个成功的全球生产基的地位。到2030年，互联网和其他服务联网的系统将使所有行业实现智能化，并取代传统的机械和机电一体化产品服务。本书每个章节都从非常特殊的角度表达了对工业4.0的独特看法，所有这些观点综合在一起可以为我们清淅地勾勒出目前工业产业发展所处岔路口的情形。

　　★通过系统生命周期管理控制工业复杂性
　　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。
　　——德国议会国务秘书，联邦经济技术部部长ErnstBurgbacher

　　★物联网和服务网在制造业中拥有巨大的创新潜力，如果我们成功把基于网络的服务整合进工业4.0，将极大地扩展这种潜力。
　　——德国工业-科学研究联盟交流促进组织成员JohannesHelbig

　　★深刻把握新一轮科技和产业革命发展新趋势。近来，国际社会对新工业革命的讨论比较多，尽管观点各有不同，但较为一致的看法是信息技术和制造业进行融合，加上新材料、新能源等技术的重大突破，将引发新一轮科技和产业变革。
　　——工信部副部长苏波

　　★新一轮工业革命正在深化，发达国家纷纷实施再工业化战略。数字化、智能化技术深刻地改变着制造业的生产模式和产业形态，是新工业革命的核心技术。
　　——中国工程院院长周济

　　★工业4.0（Industrie4.0）强调“智能工厂”和“智能生产”，其实质是实现信息化与自动化技术的高度集成，旨在保持德国制造业在全球的竞争优势。当前，中国制造业正面临着前所未有的挑战，受到高端制造业向发达国家回流，低端制造业向低成本国家转移的双重挤压，因此，学习和借鉴工业4.0的理念，建设智能工厂，推进两化深度融合，具有十分重要的现实意义，是推动中国制造业转型升级的一剂良方。
　　——e-works总编黄培

　　软件：工业的未来
　　鲁思沃（Siegfried Russwurm）
　　概论
　　工业企业欲在未来长期保持竞争优势，必须做好三件事：提高生产力、加强节能高效，提高生产灵活性。只有这样，才能降低成本；缩短产品上市时间，并通过提高产品的种类，扩大需求；满足个性化的生产需求。为实现高度灵活的规模化生产，对客户和合作伙伴能够在日益复杂的价值创造链条中进行高效资源优化，使生产和服务形成更加紧密的连接，工业企业还需要高效的生产和运营。
　　经过了几十年发展的制造业，如今正面临着产业模式的转变。随着制造业中虚拟与现实的交互性不断加强，生产方式必将因工业 IT 和软件技术的应用而发生根本性的改变。功能性工业软件的智能应用和研发，将无疑成为了影响制造业和过程工业发展的一个决定性因素。这些行业现有的发展态势，已经证明了这一点。
　　一个企业乃至一个行业的未来，越来越不取决于工厂本身。相反，软件工程师的地位变得越来越重要。是他们使生产工序间有了交互性，这种交互性不只作用于生产层面，还作用于业务层面，例如：工程师所承担的一部分工作，将企业和企业外部组织连接在了一起。通过工业软件，实现了虚拟与现实的交互，显著提高了生产力。因此，工业软件也就成为了未来制造业研究的重要课题。
　　2.1 工业领域在全球化市场竞争中的挑战
　　在过去很长一段时间里，世界工业格局的划分已经基本完成：高科技产业在西方国家发展并不断完善，这一事实毋庸置疑。而那些简单的加工产品，即使是在发达国家出售，也是在低收入国家、特别是亚洲国家生产的。“高精尖”产品的创新周期具备可规划的特点，其产品上市时间也可预见。当批量生产时，产品本身的特点会减少。无论是规模经济（Economies of Scale，通过批量生产降低成本），还是范围经济（Economies of Scope，通过产品组合获得成本协同效益）的原理都已得到了验证。但对于中小型企业来说，大多数只能接到小批量订单。
　　以前提高生产力的方法主要有以下手段：优化现有流程、提高制造业的自动化程度、改进设计、降低劳动成本以及完善供应链管理模式。随着经济全球化，特别是在资源严重短缺和技术不断进步的背景下，提高生产力的方法有了根本性的转变。在过去60年中，全球贸易量增长了20多倍。全球化是把双刃剑：一方面，工业企业有机会获得更大的市场，从而从中获得更大的利润；另一方面，全球化也就意味着企业将面临更加激烈的国际竞争。价格更低、品质更好、效率更高，这三点加在一起就是现代企业需要一直要追逐的目标。当前的企业价值链，已远远超越了地区界限。它跨越了国家甚至是时区的界限。在激烈的国际竞争下，企业要不断地改进生产，其商业运作模式的复杂性也在日益增加。
　　汽车制造业就是商业模式改变最明显的实例：目前汽车制造业产值占工业生产总产值的35%。据奥纬企业咨询公司和汽车行业协会的一份调查表明，到 2025 年，制造业的产值将减少五分之一，降至 29%。而研发环节的产值将会从现在的 60% 降至 47%，当然这其中设计服务领域的产值反而会增长将近一倍，从现在的 9% 增长到 17%。这条产业链中各个环节的协作也会发生明显的转变。甚至，这条产业链自身也会发生变化：除了如今沿产业链上各个环节业务布局的纵向集成外，还包括了从设计、生产、组装、分销、销售到服务的业务流程间的横向集成发展。
　　在这条产业链中，已经不再是某个企业内部的数据交换了，而是通过跨企业的数据交换来实现潜力的优化。并且可以预见的是，今后的终端客户可以更加直接地参与产品工程及设计。因此，这条产业价值链的管理也会变得更加复杂。
　　在未来，我们面临的另一项挑战是：产品种类的增多。假设，现在某人想订购一台福特皮卡 F150。他大约有 16 种部件组合可供选择。但当有一天可以使用 6540 亿个零部件，组合成一辆福特 F150 时，将会怎样呢？零部件种类的增加是产品样式增加的直接原因。从 1990 年初开始计算，德国豪华汽车品牌的制造商，平均一年每个品牌生产的汽车款式大约是7到8款，这个数字在2012年时就已经翻了将近2倍：仅奥迪、宝马和奔驰三个品牌2012年在德国地区就推出了66款汽车。大众集团在世界100个地方推出了将近280款汽车。据德国杜伊斯堡汽车研究中心预测，2015年汽车款式将增加至415款，比1995年增加了将近200款。与此同时，从2000年起汽车款式的平均寿命周期几乎缩短了一半——从8年缩短到4年。1974年，大众品牌推出了他们的第一款高尔夫汽车，从那年起这款车生产了将近10年，直至1983年停产。而就在2012年，高尔夫七系替了仅仅生产了五年的高尔夫六系。整个行业的研发时间，从设计到投产缩短了整整三分之一。
　　除了汽车制造业外，其他行业的发展同样如此迅速：中国的计算机品牌联想仅用了3个月的时间就开发出了他们旗下一款智能手机。在2012年，中国共有42款新手机问世。消费品行业中，汉高集团生产的清洁产品有42%的投产时间都不到三年。与此同时，该集团的旗下品牌，碧浪、宝莹、施普雷和白黎斯总共推出了37款产品。它们利用众多的产品种类，打败了对手。产品种类的增加和研发周期的减少成为了所有行业的发展趋势。与此同时，这种趋势带动了企业成本的变化并令企业内部结构更加复杂。
　　伴随着这些巨大的发展变化——增高的成本压力、激烈的竞争、更加复杂的价值创造网络、更多的品种、较短的研发时间以及产品上市时间。社会和国民经济也在改变：在过去的15年里，许多政府都在加大对第三产业的投入。但新经济泡沫的幻灭和经济危机使政治家和企业家们认识到，强大的工业是保证就业率、经济稳定增长、社会和平、公民幸福的重要保障；也正是强有力的工业才促使了服务业的发展。因此，许多西方国家纷纷回归制造业，在全球范围内大规模的数十亿资金项目开始启动。
　　因为国际工资成本的上涨，以上所说的这种“产业回归”是有益的。据波士顿咨询公司称，中国的工资成本平均每年上涨 19%。如果不考虑一些企业管理类的相关因素，如短途运输、海关手续、质量保证等，美国一些地方的工资水平与中国相比也只高出 7%。但就总成本而言，工资成本所占份额也在下降。其原因是自动化程度的提高，特别是在高品质商品的生产过程中，劳动力成本在产品生产的总价值方面所占比例越来越少。
　　这个原理也同样说明了，为什么相对于高精尖的产品，那些对于科技含量要求不高的产品，即使在体积、重量上超过前者，其价值却远少于前者。运输成本份额在产品总份额中的比例还是相当大的。假设生产商将其产品生产场地设置在产品投放产地附近，虽然能减少一定的运输成本，但却分散了生产且增加了生产的复杂性。丹麦玩具品牌乐高的产品策略就说明了这一点：乐高把在北美市场投放的玩具生产基地设在了墨西哥，而面对一个十分繁荣的亚洲市场，乐高也只不过计划在 2017 年，在中国嘉兴的工厂招收大约 2000 名工人。
　　2.2 软件对未来生产的作用
　　无论是玩具生产商、汽车制造商、机械工程制造商、饮料行业，还是化工和电子行业，虽然他们各自面临的行业挑战不同，但相同的是：他们都需提高自己的生产力、生产效率、生产灵活性以及生产复杂性的管理能力。
　　为了实现这个目标，制造业的产品自动化必须从其局部自动化开始，并建立起一个明确的机制。在一个现代化工厂里，产品零部件、工具、运输箱、机器等每一个环节都配备有传感器和通信设备，以便进行数据交换和业务沟通。这种全面的信息自动化代表了当前最先进的制造业水平。为进一步优化生产，企业需按以下顺序不断改进工业流程：产品设计、生产规划、生产工程、生产实施以及生产服务。其中，服务环节还包括：产品维修及维护，以及节能环保服务等。
　　以上各个环节跨越的地区、国家乃至时区越多，其优化的难度就越大。为了保证企业的长期竞争力，企业的整体优化是必不可少的。因此，企业就需要一个全新的软件系统，并覆盖整个产品生命周期：从最初的产品设计理念，到生产和物流，再到运行与服务
　　由于产品研发与生产过程是一个统一的整体，工业企业必须要考虑到产品每一个环节的生命周期成本。功能强大的硬件只有靠新兴工业软件作为支撑，才能使自动化和驱动技术产生根本的革新进步。
　　工业行业正在面临着全面的产品研发数字化——这种数字化涵盖了几乎所有的生产流程。由于虚拟与现实世界不断交互融合，所以企业需要从新的角度来思考生产方法的改进措施。工程数据可以直接转化到生产过程中；相反，生产信息也可以直接作用于优化产品研发及生产过程的上游工序中，也就是将所有的数据都整合进唯一的数据库中。这种把产品和产品生命周期中每一个环节优化整合的软件，已经被推广到了各个工业领域，并正在飞速的发展中。在这种数字化组织中，不仅产品设计可以通过计算机完成，就连其制造过程都需要使用计算机。利用产品生命周期管理软件（PLM）和自动化软件技术，可以大大提高企业的生产力和竞争力。一个新产品的上市时间可以因此减少50%。也就是说，利用同样的资源与能源成本可以生产出更加优质的产品。
　　2.2.1 软件对产品设计的作用
　　软件可以用于价值创造链的所有环节。在产品设计中，您可以应用产品生命周期管理软件（PLM），在计算机上进行虚拟的产品设备测试，以达到在不需要实物的情况下，优化产品设计。数字虚拟化可以模拟出高精尖设备研发所需要的自然环境。例如，2012年8月此项技术被用于火星探测器的研发与制造全程：喷气推进实验室（JPL）为美国航空航天局（NASA）配备了一款西门子产品生命周期管理 （PLM） 软件NX，用于数字化仿真及虚拟装配，从而实现各个组件及其接口的测试。
　　这款软件还可以应用在汽车行业：可显著缩短产品上市时间，大幅提高灵活性。比如，戴姆勒公司将 NX 软件首先应用于其旗下汽车和卡车的研发部门。随后，戴姆勒集团为其超过 20 个研发中心和最主要的供应商，都配备了这种新型研发平台
　　2.2.2 软件对生产规划的作用
　　从大众品牌改造一条汽车冲压生产线的案例，就可以看出软件在生产规划中的作用。大众汽车改造一条已经使用了 17 年之久的冲压生产线时，将产品生命周期管理软件（PLM）与其自动化软件相结合，使得改造时间有了明显的减少：在早期改造生产线的规划阶段，为提高生产效率，可以使用冲压线仿真软件，模拟出现有机器和处理设备，再对其进行优化。为了将冲压件的模拟程序做到最精确，在使用仿真软件的时候，还需要配合使用运动控制软件（Motion Control Software）。运动控制软件除可用于虚拟环境外，还可用于现实操作中。使用这种技术，在完成最后冲压线改造工程之后，经计算实现节能35%，每分钟冲程数可由14次提高至16次，生产力明显提高。虽然表面上看，这2个冲程数并不起眼，但放在每个班次上所提升的效率是相当可观的。
　　2.2.3 软件对生产工程的作用
　　数字化规划和生产流程向实际工程环境转化时，会涉及到不同生产自动化和产品设计软件模块间的相互协同。只有实现运行、机械和工序之间的最佳工作流，以及各个系统之间的无缝通信，才能显著提高生产力，使企业自身、客户和终端用户均受益
　　医疗技术领域通常是被业界拿来说明以上观点的最好实例。因为，医疗技术发展的特点是先遇到挑战，然后建立必要的数据结构，而不像其他行业一样，用现有的数据去解决出现的问题。为了在节省成本的同时，制造出适合患者的膝关节植入体，西门子医疗业务领域和工业业务领域通力合作，通过创新，制造出了一种膝关节植入体。这种创新至今还被广泛应用于膝关节植入体的制作流程中：因为膝关节植入体有尺寸与形状的限制，所以医师在为患者植入这种膝关节植入体时，必须为患者施行削骨手术。由于人工关节使用量很小，且关节的制作必须由人工完成，因此它的造价非常昂贵。按西门子公司的新思维：可以在为患者订制第一个骨模型之前，先搜集患者有关数据。然后将这些数据快速进行自动化处理，转化成一个假体模型，再通过数控设备的加工，最终制作出来。而对患者的膝关节进行扫描，主要是通过CT和核磁共振成像（MRT）来实现的。西门子PLM软件部的NX CAM 系统可以在半个小时之内生成生产用数控数据。而用人工制作的话，至少需要两天。
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前言
第一章 工业4.0：通过系统生命周期管理（SysLM）控制工业的复杂性 乌尔里希·森德勒（Ulrich Sendler）
第二章 软件：工业的未来 鲁思沃（Siegfried Russwurm）
第三章 作为下一次工业革命基础的创新 格哈德·鲍姆（Gerhard Baum）
第四章 中小型机械制造业——系统开发也是灵活和高度创新的 霍尔格·伯切丁（Holger Borcherding）
第五章 使用基于模型的软件和系统工程作为一致性系统生命周期管理（SysLM）的元素 曼弗雷德·布罗伊（Manfred Broy）
第六章 系统生命周期管理平台上基于模型的虚拟产品开发 马丁·艾格纳（Martin Eigner）
第七章 数字化企业的目标：实现生产与产品研发的数字可视化
胡桉桐（Anton S.Huber）
第八章 作为高档汽车关键指标的连通性 马蒂亚斯·施通普弗勒（Matthias Stümpfle）和赫伯特·科勒（Herbert Kohler）