探秘“工業4.0”

一場國際金融危機，讓實體經濟的重要性得以凸顯。美國、德國、英國等發達國家紛紛提出以重振制造業為核心的“再工業化”戰略。不過，發達國家的再工業化并非簡單回歸，而是以信息網絡技術、數字化制造技術應用為重點，旨在依靠科技創新，搶占制造業新的制高點。

上述信息技術與制造業深入融合的浪潮，被視為一場新的工業革命。不過，各方對這場革命的理解不盡相同?！督洕鷮W人》雜志提出，“第三次工業革命”的核心技術是制造業數字化。美國《連線》雜志前主編、《創客》一書的作者克里斯·安德森認為，將互聯網和制造業結合，實現創客運動，將掀起新一輪工業革命。德國則將這場變革視為繼機械化、電氣化和信息技術之后，工業化的第四個階段，因此將之命名為“工業4.0”。

德國工業4.0的內涵

德國是全球制造業中最具競爭力的國家之一，其裝備制造行業全球領先。這是由于德國在創新制造技術方面的研究、開發和生產，以及在復雜工業過程管理方面高度專業化使然。德國擁有強大的機械和裝備制造業、占據全球信息技術能力的顯著地位，在嵌入式系統和自動化工程領域具有很高的技術水平，這些都意味著德國確立了其在制造工程行業中的領導地位。因此，德國以其獨特的優勢開拓新型工業化的潛力——工業4.0（Industry 4.0），并開始推進這個產官學一體項目的新一代工業升級計劃。作為全球工業實力最為強勁的國家之一，德國在新時代發展壓力下，為進一步增強國際競爭力，從而提出了該概念。

制造業的數字化、虛擬化正在徹底改變人們制造產品的方式。為此，以德國為代表的歐洲，以及美國都打算大幅提升工業產值。美國的通用電氣（GE）于2012年秋季提出了“工業互聯網”（Industrial Internet）概念，這是一個將產業設備與IT融合的概念，目標是通過高功能設備、低成本傳感器、互聯網、大數據收集及分析技術等的組合，大幅提高現有產業的效率并創造新產業。而日本的各企業也在推進M2M（Machine-To-Machine無線通信）和大數據應用。

德國“工業4.0”的大體概念是在2011年于德國舉行的“漢諾威工業博覽會”（Hannover Messe2011）上提出的。當時，德國人工智能研究中心董事兼行政總裁沃爾夫岡·瓦爾斯特爾教授在開幕式中提到，要通過物聯網等媒介來推動第四次工業革命，提高制造業水平。在德國政府推出的《高技術戰略2020》中，工業4.0作為十大未來項目之一，聯邦政府投入2億歐元，其目的在于奠定德國在關鍵技術上的國際領先地位，夯實德國作為技術經濟強國的核心競爭力。2年后，在2013年4月舉辦的“Hannover Messe2013”上，由產官學專家組成的德國“工業4.0工作組”發表了最終報告——《保障德國制造業的未來：關于實施“工業4.0”戰略的建議》。與美國流行的第三次工業革命的說法不同，德國將18世紀引入機械制造設備定義為工業1.0，20世紀初的電氣化為2.0，始于20世紀70年代的信息化定義為3.0，而物聯網和制造業服務化宣告著第四次工業革命到來。

“工業4.0”概念中的關鍵是將軟件、傳感器和通信系統集成于所謂的物理網絡系統。在這個虛擬世界與現實世界的交匯之處，人們越來越多地構思、優化、測試和設計產品?！肮I4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。在這種模式中，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。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。

“工業4.0”的關鍵技術是信息通信技術（ICT），具體包括聯網設備之間自動協調工作的M2M、通過網絡獲得的大數據的運用、與生產系統以外的開發/銷售/ERP（企業資源計劃）/PLM（產品生命周期管理）/SCM（供應鏈管理）等業務系統聯動等等。而第三次工業革命的自動化只是在生產工藝中運用ICT，“工業4.0”將大幅擴大應用對象。

“工業4.0”項目主要分為兩大主題，一是“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；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。該計劃將特別注重吸引中小企業參與，力圖使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者，同時也成為先進工業生產技術的創造者和供應者。

德國“工業4.0”計劃強調，未來工業生產形式的主要內容包括：在生產要素高度靈活配置條件下大規模生產高度個性化產品，顧客與業務伙伴對業務過程和價值創造過程廣泛參與，以及生產和高質量服務的集成等。物聯網、服務網以及數據網將取代傳統封閉性的制造系統成為未來工業的基礎。

德國工業4.0是不是新的工業革命？

德國學術界和產業界普遍認為，“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，旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡物理系統等手段，將制造業向智能化轉型。鑒于技術正將實體物理世界和虛擬網絡世界融合，在制造領域，這種資源、信息、物品和人相互關聯的“虛擬網絡——實體物理系統（Cyber-Physical System，CPS）”可以被定義為工業4.0。CPS包括智能機器、存儲系統和生產設施，從入廠到出廠，整合整個制造和物流過程，實現數字化和基于信息技術的端對端集成。

不過，對于這個“第四次工業革命”的提法，世界范圍內的認識并不一致。有專家認為，工業革命之所以配得上“革命”一詞，并不是說其能對生產效率有多大的提高，而在于其通過對生產方式的顛覆性變革實現了人的解放，從而推動了人類社會的巨大變革。從這個標準來看，蒸汽機、電與內燃機、信息技術的出現都做到了這一點。而原子能技術、航天技術、生物科學以及五花八門的新能源技術，至少現在還沒有做到。

那么，如果把信息技術列為第三次工業革命的核心內容，德國的“工業4.0”實際上還未能跳脫出這個范疇。因為，通過信息技術使得工業生產智能化、個性化只是信息技術在工業上的發展和延續，而算不上是革命。人類先是用互聯網連接起電子產品，接著就想把更多東西聯網，比如IBM公司在2008年提出的“智慧地球”。

“工業4.0”想連接的是生產設備。這就是生產的“一體化”。把不同的設備通過數據交互連接到一起，讓工廠內部，甚至工廠之間都能成為一個整體。這種工業設備生產數據的交互在德國正在變為現實。蔡司集團2013年在歐洲機床展上展出了一套名為PiWeb的系統，通過PiWeb能夠把跨國公司分布在不同地區工廠的測量數據進行網絡共享，生產經理在辦公室里即可看到每一個工廠的數據，實現全球數據的同步監測。德國的奔馳公司和大眾汽車公司已經開始使用了這套系統。

“一體化”其實是為了“分散化”。也就是“工業4.0”提出的工業生產“由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變”，這與“Web2.0”時代的“去中心化”殊途同歸?！胺稚⒒焙蟮纳a將變得更加靈活。這樣，不同的生產設備既能夠協作生產，又可以各自快速地對外部變化做出反應。這完全是信息時代產生的大量個性化需求反映到生產端的結果，它要求工業生產告別上一個時代的標準化。而由此產生的龐大數據流必然也要求各個生產設備實現一定的智能化，即智能的控制系統。

凱文·凱利在他的著作《失控》中提出的“涌現”：大量遵循簡單規則的個體的交互會導致整體出現復雜度極高的狀態。而這種復雜的程度是任何單獨個體都不具備的。比如，由神經元構成大腦。這個概念也可以用來理解“工業4.0”中提出的“智能工廠”。分散的、具備一定智能化的生產設備，在實現了數據交互之后，就形成了高度智能化的有機體。

發達國家的“再工業化”浪潮

雖然對于現在處于第幾次產業革命，以及德國工業4.0算不算工業革命存在不同的理解，但是各個發達國家開始重新重視先進制造業的發展確實是個不爭的事實。美國也在通過各種計劃，促進先進制造業發展，有人稱之為“再工業化”。

1900年，美國實現工業化，20世紀80年代完成現代化進程。但從20世紀80年代初起，由于放松了對金融市場的宏觀監管，虛擬經濟惡性膨脹，2007年爆發次貸危機。2009年初，美國開始調整經濟發展戰略，同年12月，公布《重振美國制造業框架》，2011年6月和2012年2月，相繼啟動《先進制造業伙伴計劃》和《先進制造業國家戰略計劃》，實施“再工業化”。

美國“再工業化”，包括調整、提升傳統制造業結構及競爭力和發展高新技術產業兩條主線。美國制造業的主要問題是就業崗位在減少，成因主要是國內生產自動化和勞動成本過高，迫使美國大公司將產業轉移到國外。美國政府鼓勵“制造業回歸”以來，已出現某些制造業回歸美國的跡象。

日本政府也極端重視高端制造業的發展，大規模編制技術戰略圖。首先，政府加大了開發企業3D打印機等尖端技術的財政投入。2014年，經濟產業省繼續把3D打印機列為優先政策扶持對象，當年投資45億日元，實施名為“以3D造型技術為核心的產品制造革命”的大規模研究開發項目，開發世界最高水平的金屬粉末造型用3D打印機。其次，快速更新制造技術，提高產品制造競爭力。近年日本制造業出現了三個新現象。一是采用“小生產線”的企業增多：本田公司通過采取新技術減少噴漆次數、減少熱處理工序等措施把生產線縮短了40%，并通過改變車身結構設計把焊接生產線由18道工序減少為9道，建成了世界最短的高端車型生產線；二是采用小型設備的企業增多：日本電裝公司對鋁壓鑄件的生產設備、工藝進行改革，使得鑄造線生產成本降低了30%，設備面積減少80%，能源消費量降低50%；三是通過機器人、無人搬運機、無人工廠、“細胞生產方式”等突破成本瓶頸——佳能公司從“細胞生產方式”到“機械細胞方式”，再到世界首個數碼照相機無人工廠，大幅度地提高了成本競爭力。

無論是從工業增加值指標，還是從經常貿易賬戶余額來看，美歐發達國家在全球金融危機以來推行的“再工業化”發展戰略已取得了初步成效。根據美國波士頓咨詢公司的一份研究報告，未來六年美國工業競爭力將持續上升，每年將從其他出口大國“奪取”700億到1150億美元的制造業出口額。

中國必須積極應對

“第三次工業革命”不僅會削弱發展中國家的低成本比較優勢，而且有利于發達國家形成新的競爭優勢。通過發展現代裝備制造業控制產業制高點，發達國家可以運用現代制造技術和制造系統裝備傳統產業來提高傳統產業的生產效率，通過裝備新興產業來強化新興技術的工程化和產業化能力。同時，其在高端服務業的領先優勢也可能被進一步強化。

因此，后發國家的產業趕超將面臨來自發達國家的全方位抑制。如果后發國家不能充分利用現代制造技術創造的技術和市場機會，“第三次工業革命”將使不利于發展中國家的“中心—外圍”世界分工體系被進一步固化。曾經為尋找更低成本要素而從發達國家轉出的生產活動有可能向發達國家回溯，導致制造業重心再次向發達國家偏移。

“第三次工業革命”可能對中國制造業帶來沖擊，中國的比較成本優勢可能會加速弱化。從綜合競爭績效角度看，“第三次工業革命”對中國工業可能產生的負面影響更在于國外企業可以通過利用先進制造技術在維持“可接受成本”的基礎上，針對快速變化的市場需求，提供較中國產品種類更豐富、功能更齊全、性能更穩定、使用更人性化、環境更友好的產品?！暗谌喂I革命”本質是人機關系的深刻變化，這種變化大大增加了對知識和技能的需求。而與先進制造技術相適應的知識和技能的形成和積累，恰恰是中國這樣的發展中國家遇到的最大挑戰。

與此同時，中國工業也面臨機會。首先，“第三次工業革命”為中國工業發展創造了新的增長機會。“第三次工業革命”不僅會導致工業機器人、3D打印機等新的制造系統和生產設備產業的發展，這些產業還會帶動信息產業、新材料產業以及工業設計等生產性服務業的增長，即通過創造新的產業部門，為中國在全球進入新一輪經濟衰退期時培育發展戰略性新興產業、尋找新的增長點提供方向和機會。其次，先進制造技術終歸是在工廠和制造環節的應用，中國龐大的制造基礎為先進制造技術和相關產業的發展提供了巨大的潛在市場和應用場所。只要有危機意識和戰略認識，充分利用中國的制造基礎優勢，調動廣大企業技術突破和應用的積極性，形成中國獨特的制造技術和制造業升級路徑，中國完全有可能成為“第三次工業革命”的贏家。

為全面迎接“第三次工業革命”，我國的產業政策思路和措施應當適時調整。首先，要充分調動科研結構和企業的積極性，特別是重視通過高技術人才創業，加快先進制造技術的突破。其次，要改變目前產業政策“重研發、輕工藝”、“重實驗室、輕車間”的做法，遴選設備先進、現場管理工作扎實的工廠進行重點建設和投資，將這些“現代工廠”建設成為中國先進制造技術突破、應用的場所，建設成為先進制造技術和先進現場管理方法持續改善的“現場實驗室”，從而最終以點帶面地推進中國制造水平的整體提升。最后，要加快針對“第三次工業革命”的高效能運算、工程數據庫等科技基礎設施的建設，加強對企業突破和應用現代制造技術的公共服務和保障能力。

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歷史上的工業革命

第一次工業革命于18世紀60年代發生在英國，這次工業革命以蒸汽機作為動力機被廣泛使用為標志，它徹底改變了產品的生產方式，開創了以機器代替手工勞動的時代。到了19世紀上半葉，機器本身也使用機器來生產，標志著工業革命的完成。繼英國之后，法國、美國等國家也相繼進行了第一次工業革命。

第二次工業革命始于19與20世紀之交，這次工業革命在勞動分工的基礎上，采用電力驅動產品的大規模生產，從而將人類帶入了大批量生產的“電氣時代”。

20世紀70年代初，第三次工業革命取代了第二次工業革命，并延續到現在。第三次工業革命引入了電子和信息技術，從而使制造過程不斷實現自動化，機器不僅接管了相當比例的“體力勞動”，而且還接管了一些“腦力勞動”。

隨著信息技術、互聯網和物聯網技術的發展，實體物理世界與虛擬網絡世界走向融合，人們通過信息物理融合系統（CPS），將資源、信息、物品和人進行互聯，建立高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。這種技術的漸進性進步被描述為工業化的第四個階段，即工業4.0。在工業4.0時代，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。創造新價值的過程正在發生改變，產業鏈分工將被重組。