叩開工業(yè)4.0的大門

近來年，隨著網(wǎng)絡信息技術、大數(shù)據(jù)、云計算運用威力初顯，一項更偉大的工具一一互聯(lián)網(wǎng)技術正在參與、滲透到工業(yè)生產(chǎn)過程中去，信息化和工業(yè)化的交織，正在催生著人類工業(yè)4.0時代的到來。

這種以智能制造為主導的新型工業(yè)形式，首先以德國人在2011年德國漢諾威工業(yè)展覽上所提出的，以實現(xiàn)資源、信息、物品和人相互關聯(lián)的“虛擬網(wǎng)絡一實體物理系統(tǒng)（CPS）”為標志。2013年，德國政府將其上升為國家戰(zhàn)略。

根據(jù)德國版“工業(yè)4.0”描繪的美好前景，待現(xiàn)代智能機器人、傳感器、數(shù)據(jù)存儲和計算能力成熟后，現(xiàn)有工廠將會通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)把供應鏈、生產(chǎn)過程和倉儲物流智能連接起來，真正使生產(chǎn)過程全自動化，產(chǎn)品個性化，前端供應鏈管理、生產(chǎn)計劃、后端倉儲物流管理智能化。人類從此進入智能制造時代。

如今，我們正站在工業(yè)4.0的門前。不久的將來，我們吃的藥是根據(jù)每個人的基因來配方的；我們的早餐可以根據(jù)個人的口味和營養(yǎng)需求來調(diào)配生產(chǎn)；工廠生產(chǎn)線可以按照工人希望的時間開工，無需擔心下午沒法去接孩子；生產(chǎn)車間里是機器告訴機器下一步做什么，而非中心控制臺的技術員在操作。

這個聽上去非常抽象的名詞，關聯(lián)到的卻是一場改變?nèi)祟惿a(chǎn)方式的革命。那么，工業(yè)4.0到底是什么？

工業(yè)4.0的進化過程

與國際社會關于第三次工業(yè)革命的說法不同，德國學術界和產(chǎn)業(yè)界認為，前三次工業(yè)革命的發(fā)生，分別源于機械化、電力和信息技術。

工業(yè)革命1.0 18世紀末期始于英國的第一次工業(yè)革命，于19世紀中葉結束。這次工業(yè)革命的結果是機械生產(chǎn)代替了手工勞動，經(jīng)濟社會從以農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎轉(zhuǎn)型到了以工業(yè)以及機械制造帶動經(jīng)濟發(fā)展的模式。

工業(yè)革命2.0 第二次工業(yè)領域大變革發(fā)生在20世紀初期，進入了生產(chǎn)線生產(chǎn)的階段，通過零部件生產(chǎn)與產(chǎn)品裝配的成功分離，開創(chuàng)了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的新模式。20世紀70年代以后，電子工程和信息技術的加入實現(xiàn)了生產(chǎn)的最優(yōu)化和自動化。

工業(yè)革命3.0 第三次工業(yè)革命始于第二次工業(yè)革命過程中發(fā)生的生產(chǎn)過程高度自動化。至此，機械能夠逐步替代人類作業(yè)。

工業(yè)革命4.0 未來10年，第四次工業(yè)革命將步入“分散化”生產(chǎn)的新時代。工業(yè)4.0通過決定生產(chǎn)制造過程中的網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)實時管理。

可以說，物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務化迎來了以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0。

德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略

對德國工業(yè)4.0的核心內(nèi)容進行概括的話，可以總結為：建設一大網(wǎng)絡、研究兩大主題、實現(xiàn)三大集成、促進三個轉(zhuǎn)變。

一是建設一大網(wǎng)絡，即CPs。CPS的核心思想是強調(diào)虛擬網(wǎng)絡世界與實體物理系統(tǒng)的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人員緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關服務，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€智能環(huán)境。

二是研究兩大主題，即智能工廠與智能生產(chǎn)。作為目標核心載體的智能工廠，即分散的、具備一定智能化的生產(chǎn)設備，在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互之后，能夠形成高度智能化的有機體，實現(xiàn)網(wǎng)絡化、分布式的生產(chǎn)設施；智能生產(chǎn)的側(cè)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(yè)生產(chǎn)過程。

未來智能工廠與智能生產(chǎn)的實現(xiàn)意味著：較之傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，新的生產(chǎn)方式將大幅提高資源利用率，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的實時圖像顯示使得虛擬生產(chǎn)變?yōu)榭赡埽瑥亩鴾p少材料浪費；個性化定制將成為可能，生產(chǎn)速度大幅提高。

三是實現(xiàn)三大集成，即價值鏈上企業(yè)之間的橫向集成、網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)的縱向集成以及端對端工程數(shù)字化集成。

在生產(chǎn)、自動化工程以及IT領域，價值鏈上企業(yè)問的橫向集成是指將使用于不同生產(chǎn)階段及商業(yè)規(guī)劃過程的IT系統(tǒng)集成在一起，這包括了發(fā)生在公司內(nèi)部和不同公司之間的材料、能源和信息的交換（比如入站物流、生產(chǎn)過程、出站物流、市場營銷），橫向集成的目的是提供端對端的解決方案。

與此相對應，網(wǎng)絡化制造系統(tǒng)的縱向集成是指將處于不同層級的IT系統(tǒng)進行集成（例如，執(zhí)行器和傳感器、控制、生產(chǎn)管理、制造和企業(yè)規(guī)劃執(zhí)行等不同層面），其目的同樣是為了提供一種端對端的解決方案。

端對端工程數(shù)字化集成是指貫穿整個價值鏈的工程化數(shù)字集成，是在所有終端實現(xiàn)數(shù)字化的前提下所實現(xiàn)的，基于價值鏈與不同公司之間的一種整合，這將在最大程度上實現(xiàn)個性化定制。在此模式下，客戶從產(chǎn)品設計階段就參與到整條生產(chǎn)鏈，并貫穿于加工制造、銷售物流等環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)隨時參與和決策，并自由配置各個功能組件。

四是促進三個轉(zhuǎn)變。一是實現(xiàn)生產(chǎn)由集中向分散的轉(zhuǎn)變，規(guī)模效應不再是工業(yè)生產(chǎn)的關鍵因素，工業(yè)生產(chǎn)的基本模式將由集中式控制向分散式增強型控制轉(zhuǎn)變；二是實現(xiàn)產(chǎn)品由大規(guī)模趨同性生產(chǎn)向規(guī)模化定制生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，未來產(chǎn)品都將完全按照個人意愿進行生產(chǎn)，極端情況下，將成為自動化、個性化的單件制造；三是實現(xiàn)由客戶導向向客戶全程參與的轉(zhuǎn)變，客戶不僅出現(xiàn)在生產(chǎn)流程的兩端，而且廣泛、實時參與生產(chǎn)和價值創(chuàng)造的全過程。

歸納而言，德國工業(yè)4.0就是利用信息通信技術把產(chǎn)品、機器、資源和人有機結合在一起，通過信息通信技術建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的智能制造模式。在此模式中，CPS系統(tǒng)將推動生產(chǎn)對象直接或借助互聯(lián)網(wǎng)通過M2M（機器對機器）通信自主實現(xiàn)信息交換、運轉(zhuǎn)和互相操控；智能工廠能夠自行運轉(zhuǎn)，產(chǎn)品與機器可以相互交流，機器可以自行組織生產(chǎn)，供應鏈將自動化協(xié)同，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，創(chuàng)造新價值的過程將發(fā)生改變。

工業(yè)4.0：互聯(lián)

從根本上來講，工業(yè)4.0是一種在信息技術發(fā)展到新階段產(chǎn)生的新工業(yè)發(fā)展模式。從終極目標來看，工業(yè)4.0不能為技術而技術，核心在于提高企業(yè)、行業(yè)乃至國家的整體競爭力。

西門子、博世和蒂森克虜伯的專家在交流時都提到，工業(yè)4.0的核心是連接，要把設備、生產(chǎn)線，工廠、供應商、產(chǎn)品、客戶緊密地連接在一起。工業(yè)4.0適應了萬物互聯(lián)的發(fā)展趨勢，將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設施通過CPS形成一個智能網(wǎng)絡，使得產(chǎn)品與生產(chǎn)設備之間、不同的生產(chǎn)設備之間以及數(shù)字世界和物理世界之間能夠互聯(lián)，使得機器、工作部件、系統(tǒng)以及人類會通過網(wǎng)絡持續(xù)地保持數(shù)字信息的交流。

從工業(yè)2.0到工業(yè)3.0時代的重要標志是，單機智能設備的廣泛普及。工業(yè)4.0把1969年第一個可編程邏輯控制器Modicon084的使用作為工業(yè)3.0的起點，其核心是各種數(shù)控機床、工業(yè)機器人自動化設備在生產(chǎn)環(huán)節(jié)的推廣，我們可以把它理解為單機設備智能化水平不斷提升并廣泛普及推廣。

工業(yè)4.0可以實現(xiàn)單機智能設備的互聯(lián)，不同類型和功能的智能單機設備的互聯(lián)組成智能生產(chǎn)線，不同的智能生產(chǎn)線問的互聯(lián)組成智能車間，智能車間的互聯(lián)組成智能工廠，不同地域、行業(yè)、企業(yè)的智能工廠的互聯(lián)組成一個制造能力無所不在的智能制造系統(tǒng)，這些單機智能設備、智能生產(chǎn)線、智能車間及智能工廠可以自由動態(tài)地組合，以滿足不斷變化的制造需求，這是工業(yè)4.0區(qū)別于工業(yè)3.0的重要特征。

正如德國總理默克爾在2014年漢諾威工博會上所講的，工業(yè)4.0意味著智能工廠能夠自行運轉(zhuǎn)，零件與機器可以進行交流。由于產(chǎn)品和生產(chǎn)設備之間能夠通信，使得產(chǎn)品能理解制造的細節(jié)以及自己將被如何使用。同時，它們能協(xié)助生產(chǎn)過程，回答諸如“我是什么時候被制造的”“哪組參數(shù)應該被用來處理我”“我應該被傳送到哪”等問題。

CPS是工業(yè)4.0的核心，它通過將物理設備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設備具有計算、通信、控制、遠程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡世界與現(xiàn)實物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關服務，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€智能環(huán)境，是實現(xiàn)設備、產(chǎn)品、人協(xié)調(diào)互動的基礎。智能制造的核心在于實現(xiàn)機器智能和人類智能，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自感知、自適應、自診斷、自決策和自修復。

信息技術發(fā)展的終極目標是實現(xiàn)無所不在的連接，所有產(chǎn)品都將成為一個網(wǎng)絡終端。萬物互聯(lián)就是人、物、數(shù)據(jù)和程序通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接在一起，實現(xiàn)人類社會所有人和人、人和物以及物和物之間的互聯(lián)，重構整個社會的生產(chǎn)工具、生產(chǎn)方式和生活場景。人們能夠以多種方式通過社交網(wǎng)絡聯(lián)接到互聯(lián)網(wǎng)，基于感知、傳輸、處理的各類人造物將成為網(wǎng)絡的終端，人、物以及數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡環(huán)境下進行流程再造，基于物理世界感知和人群交互的在線化、實時化的數(shù)據(jù)與智能處理改變著我們對外部世界的響應模式。

大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展和應用，使得價值鏈上各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)和信息能夠被深入分析和挖掘，為企業(yè)管理者和參與者提供看待價值鏈的全新視角，使得企業(yè)有機會把價值鏈上更多的環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為企業(yè)的戰(zhàn)略優(yōu)勢。例如，汽車公司大數(shù)據(jù)提前預測到哪些人會購買特定型號的汽車，從而實現(xiàn)目標客戶的響應率提高15%～20%，客戶忠誠度提高7%。

工業(yè)4.0：創(chuàng)新

工業(yè)4.0的實施過程實際上就是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的過程，制造技術、產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新將會層出不窮。

技術創(chuàng)新

未來工業(yè)4.0的技術創(chuàng)新在3條軌道上進行，一是新型傳感器、集成電路、人工智能、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)在信息技術創(chuàng)新體系中不斷演進，并為新技術在其他行業(yè)的不斷融合滲透奠定技術基礎。二是傳統(tǒng)工業(yè)在信息化創(chuàng)新環(huán)境中，不斷優(yōu)化創(chuàng)新流程、創(chuàng)新手段和創(chuàng)新模式，在既有的技術路線上不斷演進。三是傳統(tǒng)工業(yè)與信息技術的融合發(fā)展，它既包括信息物理空間、智能工廠整體解決方案等一系綜合集成技術，也包括集成工業(yè)軟硬件的各種嵌入式系統(tǒng)、虛擬制造、工業(yè)應用電子等單項技術突破。

產(chǎn)品創(chuàng)新

信息通信技術不斷融人工業(yè)裝備中，推動著工業(yè)產(chǎn)品向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，使產(chǎn)品結構不斷優(yōu)化升級。一方面，傳統(tǒng)的汽車、船舶、家居的智能化創(chuàng)新步伐加快，如汽車正進入“全面感知+可靠通信+智能駕駛”的新時代，萬物互聯(lián)時代正在到來。另一方面，制造裝備從單機智能化向智能生產(chǎn)線、智能車間到智能工廠演進，提供工廠級的系統(tǒng)化、集成化、成套化的生產(chǎn)裝備成為產(chǎn)品創(chuàng)新的重要方向。

模式創(chuàng)新

工業(yè)4.0將發(fā)展出全新的生產(chǎn)模式、商業(yè)模式。首先在生產(chǎn)模式層面，工業(yè)4.0對傳統(tǒng)工業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)，要求從過去的“人腦分析判斷+機器生產(chǎn)制造”的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皺C器分析判斷+機器生產(chǎn)制造”的方式，基于CPS系統(tǒng)的智能工廠和智能制造模式正在引領制造方式的變革。

其次在商業(yè)模式層面，工業(yè)4.0的網(wǎng)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(yè)模式以率先滿足動態(tài)的商業(yè)網(wǎng)絡而非單個公司，網(wǎng)絡眾包、異地協(xié)同設計、大規(guī)模個性化定制、精準供應鏈管理等新型智能制造模式將加速構建產(chǎn)業(yè)競爭新優(yōu)勢。

業(yè)態(tài)創(chuàng)新

伴隨著信息技術的升級應用，從現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)領域中衍生疊加出的新環(huán)節(jié)、新活動，將會發(fā)展成為新的業(yè)態(tài)，并在新市場需求的拉動下，形成引發(fā)產(chǎn)業(yè)體系重大變革的產(chǎn)業(yè)。就目前來看，工業(yè)云服務、工業(yè)大數(shù)據(jù)應用、物聯(lián)網(wǎng)應用都有可能成為或者催生出一些新的產(chǎn)業(yè)和新的經(jīng)濟增長點。制造與服務融合的趨勢，使得全生命周期管理、總集成總承包、互聯(lián)網(wǎng)金融、電子商務等行業(yè)加速重構產(chǎn)業(yè)價值鏈的新體系。

組織創(chuàng)新

在工業(yè)4.0時代，很多企業(yè)將會利用信息技術手段和現(xiàn)代管理理念，進行業(yè)務流程重組和企業(yè)組織再造，現(xiàn)有的組織體系將被改變，符合智能制造要求的組織模式將會出現(xiàn)。基于CPS系統(tǒng)的智能工廠將會加快普及，進一步推動企業(yè)業(yè)務流程的優(yōu)化和再造。

從實踐的角度來看，國內(nèi)企業(yè)在組織創(chuàng)新方面做了很多積極的探索，海爾總裁張瑞敏提出企業(yè)無邊界、組織無領導、供應鏈無中心等新的管理理念。華為總裁任正非提出讓聽見炮火的人指揮戰(zhàn)斗，作戰(zhàn)的基本單元要從師一級縮小到旅、團、營、連，一直到班，以后的戰(zhàn)爭是“班長的戰(zhàn)爭”。

工業(yè)4.0重塑

德國學術界和產(chǎn)業(yè)界認為，“工業(yè)4.0”是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和CPS系統(tǒng)相結合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。

如果工廠還有生產(chǎn)體系的話，它們可以高度智能化。

智能化的工廠完全由物聯(lián)網(wǎng)加以控制，制造流程完全可以由電腦來加以整合，實現(xiàn)對生產(chǎn)的實時監(jiān)控，監(jiān)控可以觀察到需要什么樣的新材料，需要什么樣的工序來保證整個生產(chǎn)的進程。這不是簡單的生產(chǎn)自動化問題，而是智能控制，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的智能運輸。如果突然出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會自動下令停下，自動進行修理。

生產(chǎn)需要的產(chǎn)品時，可以智能利用有關能源。通過IT技術，可以保證對于能源的使用是以最為有效的方式進行的。物聯(lián)網(wǎng)是把各種各樣的部件考慮進去，在做決策時，考慮所有的組織體系，這是一種整體的思考方法，這將使產(chǎn)業(yè)鏈分工變得高度有效，相互問可以非常精準地對接。

未來可以看到一個智能化的經(jīng)濟體：包括智能化的生產(chǎn)、工廠、生活、家居、交通、物流、治理、環(huán)境、人的活動等產(chǎn)業(yè)鏈要素。這個過程實際上由IT系統(tǒng)加以控制，IT系統(tǒng)知道如何組織生產(chǎn)、如何收集數(shù)據(jù)，并用一種控制的方式與有關環(huán)節(jié)進行互動。未來整個生產(chǎn)當中捕捉到的數(shù)據(jù)都可以進行實時分析，幫助人作出決策，進行一些設定和傳輸，而且在發(fā)生某些故障時，自動發(fā)送警告。

如此，智能工廠的生產(chǎn)組織變得極其高效。同時，單體智能工廠也可以成為聯(lián)合體，即把外部的一些工廠包括進來。比如單體智能工廠在進行生產(chǎn)時，一旦某些原料用完了，廠外供應商會自動獲取信息，然后就會自動交付定額的原料。

智能工廠和廠外的合作伙伴完全可以通過智能系統(tǒng)進行整合，這是非常和諧的互動，可以誕生智能化的商業(yè)模式，即隨時在生成數(shù)據(jù)，隨時按照精確的數(shù)據(jù)讓生產(chǎn)方了解情況，進而改善生產(chǎn)當中的狀況。

工業(yè)4.0用了很多IT技術，毫無疑問會重新塑造整個生產(chǎn)流程，原來的工人難免會受到影響，產(chǎn)生擔憂，在這種擔憂下，會不配合工作甚至加以破壞，因此，需要和他們進行討論，告訴他們未來的整個工作場景是怎樣的，希望他們參與進來，讓這樣的技術最終改善他們的處境，而不是相反。德國也特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術的使用者和受益者，同時也成為先進工業(yè)生產(chǎn)技術的創(chuàng)造者和供應者。

工業(yè)4.0：智能

通過通信網(wǎng)絡，將工廠內(nèi)所有設備互聯(lián)的智能工廠就是最好的體現(xiàn)。作為未來第四次工業(yè)革命的代表，工業(yè)4.0不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務互聯(lián)網(wǎng)）方向發(fā)展。

未來10年，第四次工業(yè)革命將步入“分散化”生產(chǎn)的新時代。未來的智能制造業(yè)中，CPS對涵蓋自動化、生產(chǎn)技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門的應用領域，具有非常重要的意義。因CPS而實現(xiàn)的許多應用，將產(chǎn)生新附加價值鏈和業(yè)務模式。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低CO₂排放水平，在保護環(huán)境上發(fā)揮重大作用。

因為CPS的存在，智能工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)、產(chǎn)品、資源及處理過程都將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節(jié)約中更具優(yōu)勢。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的中心原則來設計，因此，服從性、靈活性、自適應性、學習能力、容錯能力甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。智能工廠設備的高級自動化，主要是由基于自動觀察生產(chǎn)過程中CPS生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡來實現(xiàn)的。通過可實時應對的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)工程的徹底優(yōu)化。同時，生產(chǎn)優(yōu)勢不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下的一次性體現(xiàn)，還可以實現(xiàn)多家工廠、多個生產(chǎn)單元所形成的世界級網(wǎng)絡的最優(yōu)化。

基于高性能軟件的嵌入式系統(tǒng)與融合在數(shù)字網(wǎng)絡中的專業(yè)用戶接口之間發(fā)生的相互作用，將誕生全新的系統(tǒng)功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經(jīng)遠遠超出設備本身的通話功能。由于全新的劃時代應用和服務提供商將不斷涌現(xiàn)，漸漸形成新的價值鏈，所以，CPS也將為現(xiàn)有業(yè)務與市場模式帶來范式轉(zhuǎn)變。汽車工業(yè)、能源經(jīng)濟，還有包括諸如工業(yè)4.0生產(chǎn)技術的各個工業(yè)部門，將因這些新價值鏈而發(fā)生同步巨變。

如果要對工業(yè)4.0是什么做一個小結的話，工業(yè)4.0是一個發(fā)展的概念，是一個動態(tài)的概念，是一個理解未來信息技術與工業(yè)融合發(fā)展的多棱鏡，站在不同的角度會有不同的理解。工業(yè)4.0是互聯(lián)，是集成，是數(shù)據(jù)，是創(chuàng)新，是服務，是轉(zhuǎn)型；工業(yè)4.0是CPS，是智能工廠，是智能制造；工業(yè)4.0是國家戰(zhàn)略，是企業(yè)行為。