決勝未來，構建“工業4.0”的信息物理系統網絡平臺

陳淵源　吳勇毅

信息化列車還正奔馳，智能化動車又呼嘯而來。

“工業4.0”，這個新鮮的名詞最近儼然成為工業界和IT業最熱的名詞，掀起新一輪智造新革命的熱潮。

“工業4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統—信息物理系統（Cyber-Physical System，簡稱CPS） 相結合的手段，將制造業向智能化轉型。更具體而言，“工業4.0”是指將信息物理系統（CPS）全面嵌入制造、工程、材料使用和供應鏈管理中，即建造可以全球定位聯動的“智能工廠”，它所展現的未來工業前景是強大的智能網絡和進一步的去人工化。

“工業4.0”，這個提法最早出現在德國政府2011年11月公布的《高技術戰略2020》中的一項戰略上，并在2013年的德國漢諾威工業博覽會上進一步提出，并很快上升為德國的國家戰略，旨在支持工業領域內新一代革命性技術的研發與創新，而出現國人眼里，是今年10月中德雙方第三輪中德政府磋商中發表的《中德合作行動綱要》里，《綱要》中提到中德雙方共同推動工業4.0。

“工業4.0”在德國被認為是第四次工業革命，是旨在支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新，以保持德國強大的國際競爭力。按照目前的共識，“工業1.0”是蒸汽機時代，“工業2.0”是電氣化時代，“工業3.0”是信息化時代，“工業4.0”則是利用信息化技術促進產業變革的時代，也就是智能化時代，工業4.0要求企業的信息化從車間延伸到整個工廠甚至整條供應鏈，將物聯網及服務全面引入制造業，實現智能制造、智能經營。

“工業4.0”，創造一幅全新智能的工業藍圖

“工業4.0”將為全球展現了一幅全新的工業藍圖：在一個“智能、網絡化的世界”里，信息物理系統（CPS）將滲透到所有的關鍵領域，涵蓋自動化、生產技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫療等眾多工業部門、應用領域，在CPS的不斷推動下，工業創造新價值的過程逐步發生改變，產業鏈分工將重組，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式，最終實現全面靈活的智能制造。

一是工業4.0將使得工業生產過程更加靈活、堅強。這將使得動態的、適時優化的和自我組織的價值鏈成為現實，并帶來諸如成本、可利用性和資源消耗等不同標準的最優化選擇。包括在制造領域的所有因素和資源間形成全新的循環網絡、智能產品獨特的可識別性、個性化產品定制以及高度靈活的工作環境等。

二是工業4.0將發展出全新的商業模式和合作模式。這些模式將力爭確保潛在的商業利潤在整個價值鏈所有利益相關人之間公平地共享，包括那些新進入的利益相關人。同時，工業4.0“網絡化制造”、“自我組織適應性強的物流”和“集成客戶的制造工程”等特征，也使得它追求新的商業模式以率先滿足動態的商業網絡而非單個公司，這將引發一系列諸如融資、發展、可靠性、風險、責任和知識產權以及技術安全等問題。

三是工業4.0將帶來工作方式和環境的全新變化。全新的協作工作方式使得工作可以脫離工廠，通過虛擬的、移動的方式開展。員工將擁有高度的管理自主權，可以更加積極地投入和調節自己的工作。同時，隨著工作環境和工作方式的巨大改變，可以大幅度提升老年人和婦女的就業比例，確保人口結構的變化不會影響當前的生活水平。

四是工業4.0將促進形成全新的信息物理系統平臺。全新的信息物理系統平臺能夠聯系到所有參與的人員、物體和系統，將提供全面、快捷、安全可靠的服務和應用業務流程，支持移動終端設備和業務網絡中的協同制造、服務、分析和預測流程等。

借鑒德國工業4.0，師夷以求勝

工業4.0是德國率先舉國實施的全球市場運動，對全球未來工業走向的影響深遠，作用明顯。因此對于德國工業4.0，我們應全面深入研究，參考借鑒。那么我們應先解德國如何計劃推廣“工業4.0”，然后師夷以求勝。德國“工業4.0”戰略的要點可以概括為：建設一個網絡、研究兩大主題、實現三項集成、實施八項計劃。

建設一個網絡：信息物理系統網絡。信息物理系統就是將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、遠程協調和自治等五大功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯系在一起，從而創造物聯網及相關服務，并將生產工廠轉變為一個智能環境。這是實現工業4.0的基礎。

研究兩大主題：智能工廠和智能生產?！爸悄芄S”是未來智能基礎設施的關鍵組成部分，重點研究智能化生產系統及過程以及網絡化分布生產設施的實現?！爸悄苌a”的側重點在于將人機互動、智能物流管理、3D打印等先進技術應用于整個工業生產過程，從而形成高度靈活、個性化、網絡化的產業鏈。生產流程智能化是實現工業4.0的關鍵。

實現三項集成：橫向集成、縱向集成與端對端的集成?！肮I4.0”將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯，從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成。“橫向集成”是企業之間通過價值鏈以及信息網絡所實現的一種資源整合，是為了實現各企業間的無縫合作，提供實時產品與服務；“縱向集成”是基于未來智能工廠中網絡化的制造體系，實現個性化定制生產，替代傳統的固定式生產流程（如生產流水線）；“端對端集成”是指貫穿整個價值鏈的工程化數字集成，是在所有終端數字化的前提下實現的基于價值鏈與不同公司之間的一種整合，這將最大限度地實現個性化定制。

實施八項計劃：“工業4.0”得以實現的基本保障。一是標準化和參考架構。需要開發出一套單一的共同標準，不同公司間的網絡連接和集成才會成為可能。二是管理復雜系統。適當的計劃和解釋性模型可以為管理日趨復雜的產品和制造系統提供基礎。三是一套綜合的工業寬帶基礎設施。四是安全和保障。在確保生產設施和產品本身不能對人和環境構成威脅的同時，要防止生產設施和產品濫用及未經授權的獲取。五是工作的組織和設計。隨著工作內容、流程和環境的變化，對管理工作提出了新的要求。六是培訓和持續的職業發展。七是監管框架。創新帶來的諸如企業數據、責任、個人數據以及貿易限制等新問題，需要包括準則、示范合同、協議、審計等適當手段加以監管。八是資源利用效率。需要考慮和權衡在原材料和能源上的大量消耗給環境和安全供應帶來的諸多風險。endprint

決勝未來，如何構建“工業4.0”的信息物理系統網絡平臺？

當前中國工業的問題與現狀不容忽視：大量從事低端加工的中小企業，缺乏創新能力和核心技術，簡單工藝的平面管理，人口不斷老化，資源日益枯竭等，因此雖說我國一直是制造大國，卻不是制造強國。如今工業4.0來了，物聯網、服務互聯網將取代傳統封閉性的生產制造系統，成為未來工業的根基，對于人口紅利逐漸消減、工業發展正處于換擋期的中國而言，智能制造已被認為是改變“大而不強”工業現狀的重要路徑。

美、德等世界工業強國都高度重視信息物理空間構建，加強戰略前瞻部署，并取得積極研究進展。中國要決勝未來的競爭，也必須在構建信息物理系統網絡平臺上先行一步。那么在物聯網、服務互聯網等信息產業領域更為落后的我們，未來我們如何應對？如何構建“工業4.0”的信息物理系統網絡平臺？

超前部署建設國家信息物理系統網絡平臺

一方面，在國家新的信息化發展戰略中加強對CPS的總體布局，研究制定CPS建設的戰略目標、重點任務、發展路徑和政策舉措。同時，在制造業發展、智慧城市建設、國家網絡和信息安全等工作中加強前瞻部署和應用推廣。另一方面，可借鑒美國組建“國家制造創新網絡中心”的做法，組建一批國家信息物理系統網絡平臺，負責承擔基礎理論研究，組織力量研發突破CPS軟件、傳感器、移動終端設備等工具和裝備，推動重點行業企業的開發應用。

啟動國家智能制造重大專項工程

總體看，我國制造業發展仍然以簡單地擴大再生產為主要途徑，通過智能產品、技術、裝備和理念改造提升傳統制造業的任務艱巨而迫切。建議從國家層面啟動實施智能制造專項工程，加強技術攻關，開展應用示范，推動制造業向智能化發展轉型。一是重點突破智能機器人。開展智能機器人及智能裝備系統集成、設計、制造、試驗檢測等核心技術研究，攻克精密減速器、伺服驅動器、傳感器等關鍵零部件。二是開展數字工廠應用示范。在全國范圍內分行業分區域選取試點示范企業，給予扶持，建設數字制造的示范工廠，發揮其“種子”作用。三是推動制造業大數據應用。以行業龍頭企業為先導，鼓勵其應用大數據技術提升生產制造、供應鏈管理、產品營銷及服務等環節的智能決策水平和經營效率。

用標準引領信息網絡技術與工業融合

“工業4.0”戰略的關鍵是建立一個人、機器、資源互聯互通的網絡化社會，各種終端設備、應用軟件之間的數據信息交換、識別、處理、維護等必須基于一套標準化的體系。為了保障“工業4.0”的順利實現，德國把標準化排在八項行動中的第一位，并在“工業4.0”平臺下成立一個工作小組，專門處理標準化和參考架構的問題?？梢哉f，標準先行是“工業4.0”戰略的突出特點。為此，在推進信息網絡技術與工業企業深度融合的具體實踐中，也應高度重視發揮標準化工作在產業發展中的引領作用，及時制定出臺“兩化深度融合”標準化路線圖，引導企業推進信息化建設。同時，還要著力實現標準的國際化，使得中國制定的標準得到國際上的廣泛采用，以奪取未來產業競爭的制高點和話語權。

構建有利于工業轉型升級的制度保障體系

“工業4.0”一方面增加了管控的復雜性，技術標準的制定需要符合相應的法律法規；另一方面也需要制定相應的規章制度促進技術創新。比如，采取一系列措施以加強制度保障，比如設立處理各類問題的專職工作組，制定和實施安全性支撐行動；要建立和完善有利于工業轉型升級的長效機制，比如知識產權保護制度，節能環保、質量安全等重點領域的法律法規，人才培養和激勵機制等，從而形成推動工業轉型升級的制度保障。

產學研用聯合推動制造業創新發展

通過產學研合作創新促進競爭往往成為發達國家重要的戰略意圖。我國應充分吸收和借鑒發達國家產學研用聯合模式，一方面，針對不同類型自發的產學研合作網絡或產業研發聯盟，政府要通過引導和支持的方式促進其發展；另一方面，選擇幾個重點行業和關鍵技術領域進行試點，以行業骨干企業為龍頭，聯合科研實力雄厚的大學和科研機構，組建多種形式的產學研研發聯盟，充分調動各方資源和力量，共同推進“工業4.0”技術研發和應用推廣。

如今，作為全球增長速度最快的經濟體，中國的國際地位不斷攀升的同時，在工業制造方面，仍然底氣不足。我國雖是一個制造大國，但仍然以代加工為主，研發、創新明顯不足，也常常被冠以“廉價”、“低檔”的帽子，可見我國離工業強國的道理仍然漫長。如今德國的“工業4.0”和美國的“再工業化”計劃給予我們傳達這樣的信息——即工業制造仍然是各國未來競爭的首要領域，智能制造技術將是下一階段各國工業發展的重點。誰先掌握了最尖端的智能制造技術，不斷推動工業4.0的發展，構建信息物理系統網絡平臺，誰就能制勝于下一輪的工業革命！endprint