中國制造應走工業2.0、3.0、4.0并行發展的道路

彭瑜

德國技術科學家的創舉在于清晰地將CPS和制造業聯系在一起

工業4.0在2012年提出后，很快就在歐盟工業領域范圍內引起很大反響。2013年漢諾威工業博覽會上，工業4.0的理念和規劃正式由德國聯邦政府發布，描繪了制造業的未來愿景。至此之后，在包括美國等工業強國在內的全球工業領域引起了極大關注和認同。這里僅以IT大鱷IBM的反應為證，在對工業4.0進行專門研究后，他們認為今后十年數字經濟將成為實體的經濟。由此可見，工業4.0確實成為了今后全球發展的突破口。

工業4.0的基本特征是工業自動化和信息技術的深度融合，它建立在物理信息系統CPS的基礎之上。為什么CPS是工業4.0的基礎，這是我們先要弄清楚的。

2006年美國國家基金會 （NSF）科學家Helen Gill提出了信息物理融合系統（Cyber-Physical System，簡稱CPS）的概念，目的是將控制技術融入互聯網。它與物聯網相比，最顯著的特點是強調物理過程與信息間的反饋。當時給出的可能實際應用的例子，就是今天我國稱之為車聯網的內容。

關于CPS，據說有18種定義或者是解釋。這里僅列舉兩種。2008年美國加利福利亞大學的Edward A.Lee教授在其技術報告《信息物理系統：設計挑戰》中指出：“CPS是計算過程和物理過程的集成系統，利用嵌入式計算機和網絡對物理過程進行監測和控制，并通過反饋環實現計算過程和物理過程的相互影響”。在2011年Karl Henrik Johansson指出：從自動化技術的觀點看，CPS是一種工程系統，由一個嵌入在物體中的計算和通信的核，以及物理環境中的結構所監測和控制。這就清晰地告訴我們，泛在的嵌入在物理過程和虛擬系統中的智能體，憑藉其計算和通訊聯網能力，將與其他的同樣嵌入了計算和通訊功能的智能體，構成了互聯、互通和互操作的更大系統，去執行和完成人類所規劃和設計的功能和目標。我覺得，2012年德國技術科學家的創舉在于，基于制造立國和制造強國的理念，把CPS運用于生產制造，提出了CPPS，即信息物理生產系統，以CPPS為模型構建智慧工廠（或者數字化工廠）。在此之前，沒有人如此清晰地把CPS和制造業聯系在一起。

比較美英經濟學家和未來學家所提出的第三次工業革命，工業4.0是面向制造業的，而不像里夫金立足于能源（著重可再生能源）和互聯網技術來分析未來工業革命。里夫金的第三次工業革命的支柱是互聯網和可再生能源。而工業4.0的支柱是工業自動化和IT技術的深度融合。顯然，從事工業技術的科學家和工程師更實際，也更具有執行力和可操作性。里夫金所寄于莫大希望的可再生能源，在可以預見的未來相當一個時期，充其量也難在能源供應總量中超過20%。那么，第三次工業革命要多少時間才能成為現實呢？可見，出發點不一樣，目標也大有區別。

工業4.0主要的兩大主題是智能工廠和智能生產

工業革命一般從以下三個主要方向展開：能源創新、能源利用創新和產品創新；制造技術和制造工藝創新；產業模式創新。由于工業4.0主要面向制造業，所以它具體體現在能源利用創新和產品創新；制造技術和制造工藝創新；產業模式創新。

近年在德國，工業4.0已進入創建實施平臺全面推動項目開展的攻堅階段。德國三大行業（機械、電氣電子和信息）協會VDMA、ZVEI、BITKOM聯合發起成立德國國家的工業4.0的啟動平臺，目的是迅速將工業4.0由愿景成為現實。主要面向兩大主題：①智能工廠 重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現。由德國中小企業主攻（菲尼克斯、倍福等）。②智能生產 主要涉及虛擬3D技術在工業生產過程中的應用 （虛擬數字化工廠設計、仿真，機械裝置的數字化虛擬設計、仿真）；整個企業的生產物流管理、人機互動；以及產品的生命周期管理等。由德國大型企業主攻 （如Siemens、SAP等）。這是從組織協調方面來看的。

在技術創新方面，已經出現了許多突破傳統生產方式、給人耳目一新的工程。例如西門子與庫卡合作開發的，在旋轉方向利用移動機器人靈活搬動工件，進行汽車部件加工的傳送方式。又如菲尼克斯開發的自適應生產方式，揚棄了原來的柔性生產方式，以各種模塊化的機電一體加工單元組成生產線，可根據不同的產品加工的需要，對這些模塊化的加工單元進行組態，實現了低成本和快速的生產線自組織調整。

中國制造業轉變的技術方向恰恰是工業3.0和4.0已經選擇和正在選擇的

據世界銀行數據庫和聯合國統計數據庫的數據，2011年我國制造業增加值為1.9009萬億美元（現價），美國為 1.8805萬億美元（現價）；2012年我國制造業增加值為2.0793萬億美元（現價），美國為1.9121萬億美元（現價）。2013年我國生產的發電設備占全球的60%，造船完工量為全球的41%，汽車產量為全球的25%，機床產量占全球的比重為38%。以上這些數據表明，我國的世界制造大國地位確定無疑。但是，我國制造業的現狀卻是無可辯駁的大而不強。面對進一步發展的資源壓力、環境壓力、成本壓力，以及市場競爭激烈、利潤空間壓縮和用戶需求增高，我國制造業唯有轉型升級走向制造強國這惟一的出路。

中國工程院在規劃《中國制造2025》時，調研了世界主要國家制造業發展的狀況，在大量數據分析的基礎上，按照規模發展、質量效益、結構優化和持續發展4項一級指標，以及18項二級指標構成的制造強國評價指標體系，計算出制造強國綜合指數，把這些國家劃分成3個方隊。第一方隊是制造業居于全球絕對領先地位的美國，第二方隊是德國和日本，第三方隊有英國、法國、韓國、中國等。中國制造業目前的狀況發展不平衡，處在沒有總體完成工業2.0（大規模制造機械化）和工業3.0（工業自動化），就需要面對工業4.0（工業自動化和信息化深度融合）的形勢。因此，中國工業制造的發展，不像西方發達國家走的是工業2.0、工業3.0，進而工業4.0的串行發展，而應該是工業2.0、工業3.0和工業4.0并行發展的道路。

中國工程院規劃從現在起到2025年，屬于“中國制造2025”階段，爭取使中國制造進入第二方隊。再經過十年發展到2035年，進入第二方隊的前沿。然后再經過十五年，到2050年挺進全球制造的第一方隊。

要實現上述的規劃，中國制造首先面臨的一定是要努力完成四個轉變：由要素驅動向創新驅動轉變，由低成本競爭向質量效益競爭轉變，由資源消耗大、污染排放多向綠色制造轉變，由生產型制造向服務型制造轉變。而完成這些轉變的技術方向恰恰是工業3.0和工業4.0已經選擇的和正在選擇的，即：信息技術和制造技術及工業自動化技術的深度融合，用精益制造管理取代粗放型制造管理，由產業集群取代產業集聚，從而完成由生產低端產品向制造高端裝備的過渡。

裝備制造業是制造業的脊梁。制造業的升級轉型，首先要抓緊裝備制造業的轉型升級。裝備制造業依靠什么來轉型升級呢？唯有借助于智能制造。我國實施智能制造的路徑在于：抓準方向，把握趨勢；結合國情，分層推進；夯實基礎，統籌協調。具體地說就是在總體上按照自動化、網絡化、兩化深度融合、數字化、智能化的方向在制造業的全行業加以推進。