IBM公司2008年提出“智慧星球”概念之后，德國(guó)政府2013年4月在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，正式提出“工業(yè)4.0”概念，并由此獲得德國(guó)工程院、眾多科研機(jī)構(gòu)、學(xué)會(huì)、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的建議和推動(dòng)，上升為德國(guó)的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略。

 

與美國(guó)人的概念不同在于，德國(guó)將第一次工業(yè)革命分成了兩個(gè)階段，1784年的第一臺(tái)機(jī)器織布機(jī)的使用，代表機(jī)械式的第一次工業(yè)革命的開始；1870年在美國(guó)出現(xiàn)的利用電力進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)則是第二次工業(yè)革命的發(fā)端。同時(shí)，德國(guó)人將第三次工業(yè)革命定義為自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)系統(tǒng)的大規(guī)模使用，其標(biāo)志性事件是1969年以來(lái)可編程邏輯控制器，即PLC的應(yīng)用和推廣。

 

 

即使美國(guó)和德國(guó)對(duì)于幾次工業(yè)革命的定義略有不同，但是美德兩國(guó)一致認(rèn)為第四次工業(yè)革命，即德國(guó)人提的工業(yè)4.0時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。而共通的認(rèn)識(shí)，即使有所偏差，但核心仍是通過(guò)設(shè)備互聯(lián)，數(shù)據(jù)分析，以及外部通過(guò)云技術(shù)及通訊技術(shù)，鏈接外部用戶端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器的對(duì)話，以及其對(duì)自身的自主管理，而將人類從單純生產(chǎn)制造管理中解脫出來(lái)。

 

如果說(shuō)工業(yè)4.0更加關(guān)注的是通過(guò)智能化的技術(shù)手段，大幅提高效率，同時(shí)能減少對(duì)于人類的依賴，更好降低生產(chǎn)成本。那么顯而易見，更加有迫切需求的，是研發(fā)領(lǐng)域。尤其對(duì)于室內(nèi)存在危險(xiǎn)化學(xué)品、病毒、放射性物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室，如何通過(guò)更加智能化的方式，在確保安全的同時(shí)，創(chuàng)造一個(gè)更加舒適、節(jié)能、靈活、高效的研發(fā)環(huán)境，甚至最終實(shí)現(xiàn)“無(wú)人研發(fā)”，便是“研發(fā)4.0”的發(fā)展方向。

 

毫無(wú)疑問(wèn)，“研發(fā)4.0”將同樣基于設(shè)備互聯(lián)（IOT），數(shù)據(jù)分析以及智能硬件（如機(jī)器人技術(shù)）的深入發(fā)展。“無(wú)人研發(fā)”的基礎(chǔ)，將包括“研發(fā)設(shè)施數(shù)字化”，“研發(fā)流程數(shù)字化”，以及“外部資源數(shù)字化”三個(gè)環(huán)節(jié)。

 

 

 

研發(fā)設(shè)施數(shù)字化本身，作為“智能建筑”的延展，將更多關(guān)注研發(fā)設(shè)施的特殊性。包括內(nèi)部可能存在的潛在危害的化學(xué)品、病毒、放射性物質(zhì)等，以及設(shè)施本身使用的功能性要求，包括如何讓設(shè)施能夠靈活應(yīng)對(duì)研發(fā)對(duì)象和內(nèi)容的不確定性及變化性。而最為關(guān)鍵的，始終是安全性。

 

1， “環(huán)境”安全。室內(nèi)環(huán)境安全，以及三廢處置，確保外部環(huán)境安全。

2， “人員”安全。人員進(jìn)入研發(fā)設(shè)施全流程安全保障。

3， “危險(xiǎn)物”的安全。對(duì)潛在危險(xiǎn)物的安裝、存放、運(yùn)輸、處置各環(huán)節(jié)安全。

 

 

為確保設(shè)施安全，應(yīng)從實(shí)驗(yàn)設(shè)施建設(shè)的源頭開始，并將對(duì)安全的考慮貫穿全程所有環(huán)節(jié)。在項(xiàng)目規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、招投標(biāo)控制、施工管理、驗(yàn)收、使用培訓(xùn)、維護(hù)各個(gè)環(huán)節(jié)，均應(yīng)將“安全評(píng)估”作為獨(dú)立線索縱深整體考慮。通常情況下，在項(xiàng)目規(guī)劃階段，就應(yīng)針對(duì)使用需求，將設(shè)施未來(lái)所有潛在安全點(diǎn)列出，并針對(duì)所有安全點(diǎn)做針對(duì)性評(píng)價(jià)。我們很難想象在初期考慮不周全的情況下，如何提高運(yùn)行過(guò)程中的安全，亡羊補(bǔ)牢的方式必然隱患重重。

 

同時(shí)，由于安全與能耗、初投資在很多情況下都是一對(duì)矛盾點(diǎn)，絕對(duì)的安全可能意味著絕對(duì)的能耗及初投資。那么如何在二者中找到一個(gè)很好的平衡，能夠達(dá)到一個(gè)可預(yù)期的均衡，不至于很多實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)投用后，由于考慮到巨大的運(yùn)行、維護(hù)成本，而閹割其使用功能，由此產(chǎn)生隱患。因而，在方案規(guī)劃階段，能夠細(xì)致地進(jìn)行“能耗評(píng)估”及“功能評(píng)估”就顯得非常重要。

 

一切智能化的核心來(lái)源于數(shù)據(jù)。“研發(fā)設(shè)施的數(shù)字化”必將成為未來(lái)不斷提及的概念，在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，我們才能有機(jī)會(huì)進(jìn)行更多的分析、管理，從而通過(guò)更好地使用、維護(hù)設(shè)施，來(lái)為研發(fā)活動(dòng)及參與研發(fā)的人員，提供一個(gè)更加安全、舒適、節(jié)能的環(huán)境。

 

然而目前面臨的現(xiàn)狀是缺乏能夠給實(shí)驗(yàn)室用戶從源頭提供專業(yè)、全面、細(xì)致的設(shè)計(jì)咨詢方案能力，而建設(shè)過(guò)程也往往缺乏深化能力。外圍設(shè)施方面，由于缺乏設(shè)施管理系統(tǒng)，人工維護(hù)效率較低，與業(yè)主業(yè)務(wù)主線的關(guān)聯(lián)度低；在設(shè)施方面，更多還是基于傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)，并與辦公室混合，使用效率低，對(duì)實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)率促進(jìn)有限；國(guó)內(nèi)除少數(shù)用戶個(gè)別注重職業(yè)健康、環(huán)境友好性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全性外，大部分未引起重視。如何能夠真正著眼于設(shè)施建設(shè)使用全流程，并最終將設(shè)施與實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)主線連接，并將其作為實(shí)驗(yàn)資源與條件，必將是未來(lái)“實(shí)驗(yàn)設(shè)施數(shù)字化”過(guò)程將面臨的巨大挑戰(zhàn)及考驗(yàn)。

 

 

 

與設(shè)施對(duì)應(yīng)的是對(duì)于研發(fā)樣本、儀器、過(guò)程數(shù)據(jù)及結(jié)果的管理。在此方面國(guó)外已有眾多大型研發(fā)企業(yè)及軟件公司提供不斷完善的產(chǎn)品及方案。其相關(guān)系統(tǒng)如LIMS（Laboratory Information Management System），ELN（Electronic Lab Notebook），SDMS（Scientific Data Management System），以及各種類型的數(shù)據(jù)分析及效率促進(jìn)工具，旨在通過(guò)圖表化、可視化分析手段，更好管理數(shù)據(jù)間的潛在聯(lián)系與趨勢(shì)。

 

同樣我們看到越來(lái)越多的工業(yè)智能化手段及理論，如DCS（Distributed Control System），以及PDM（Product Data Management）、PLM（Product Life Management）理論及技術(shù)被不斷嘗試應(yīng)用于研發(fā)流程改造。伴隨云技術(shù)的不斷興起與發(fā)展，也有越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外公司通過(guò)SaaS（Software-as-a-Service）方式提供上述相關(guān)軟件系統(tǒng)的服務(wù)，使得使用及維護(hù)成本都在不斷降低。

 

研發(fā)流程數(shù)字化在國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r比設(shè)施環(huán)境本身更為復(fù)雜。首先由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)及供應(yīng)方，基本完全依賴國(guó)外公司，因而針對(duì)國(guó)內(nèi)使用狀況的理解和調(diào)整，本身就是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。其次，國(guó)內(nèi)很多用戶對(duì)于其自身研發(fā)、檢測(cè)流程的管理、辦公自動(dòng)化、研發(fā)管理過(guò)程本身，及社會(huì)化、數(shù)據(jù)管理等孤島現(xiàn)象的處理，由于管理人員經(jīng)驗(yàn)，以及缺乏切實(shí)指導(dǎo)，導(dǎo)致實(shí)施過(guò)程中的眾多問(wèn)題。而國(guó)內(nèi)的儀器接口又往往標(biāo)準(zhǔn)不一、數(shù)據(jù)采集效率低，儀器設(shè)備的操作、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)的低效，又往往反過(guò)來(lái)影響系統(tǒng)整體的實(shí)施效果。

 

 

伴隨信息化技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，使得使用全球智慧進(jìn)行研發(fā)過(guò)程優(yōu)化，以及評(píng)估研發(fā)方向成為可能，而這也必將成為“研發(fā)4.0”更為重要和突破性的一環(huán)。在可以預(yù)期的將來(lái)，云數(shù)據(jù)服務(wù)、技術(shù)檢索、化學(xué)結(jié)構(gòu)檢索、物質(zhì)檢索，甚至通過(guò)智力檢索方式，讓更多智慧的科學(xué)家，跨越時(shí)間和空間的障礙，共同參與研發(fā)，才會(huì)讓我們不斷站在巨人的肩膀上，更好利用已有資源，大幅推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和人類文明進(jìn)步。