“工業4.0”：新制造業生態系統

文/李輝

在過去的20年里，西歐國家工業增加值的全球份額減少了至少10%。與之相對應的是中國等新興國家份額的持續增加。然而面對自己的優勢地位頻受沖擊，發達國家顯得應對無力。在優厚的社會福利條件下，不僅勞動力數量有限，工人愿意投入的勞動時間也十分有限。與此同時，發達國家擔心的中國等后發國家，卻也同樣面臨諸多挑戰。以廉價勞動力和環境代價換取微薄利潤的生產方式，已經陷入了勞動力紅利漸失和環境污染難以承受的窘境。傳統強國期待升級，維持競爭優勢；后發國家期待轉型，提高競爭力。新近的信息技術與工業融合所帶來的“工業革命”，為雙方提供了一次機會，未必均等但確實是眾所期待的機遇。

“新”工業革命

在2013年漢諾威工業博覽會上，德國“工業4.0”工作組發布了《保障德國制造業的未來：關于實施工業4.0戰略的建議》，將“工業4.0”定義為德國工業未來的發展方向。在這一年，中國國內正在熱議由英國《經濟學人》于2012年4月的《第三次工業革命：制造業與創新》專題報道、美國著名未來學者杰里米·里夫金于2011年出版的《第三次工業革命》一書所提出的“第三次工業革命”。少被人們注意但同樣值得關注的一則同類消息是，2013年12月12日美國白宮召開了第一次CPS全體成員會議。這次會議以及美國之前的一系列相關動作，將美國工業的未來發展聚焦在CPS方向。

CPS即Cyber-Physical System，譯作“信息物理系統”，或者“虛擬網絡-實體物理系統”。按照美國加利福利亞大學Edward A. Lee教授在其2008年的技術報告《信息物理系統：設計挑戰》中的解釋：“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。”這一定義并非共識，據說學術界的CPS定義有十余種。但是這一還在完善定義的術語所指代的內容，儼然已成為了工業未來發展的基礎。

按照德國文件中的說明，“工業4.0”，即以CPS為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標識的工業新范式。美國白宮所啟動的CPS項目更不必說，依照美國國家科學基金會智能維護系統產學合作中心主任李杰教授反客為主的解讀，“德國的‘工業4.0’其實就是美國的CPS”。關于“第三次工業革命”，按照復旦大學芮明杰教授的理解，“實質就是以數字制造技術、互聯網技術和再生性能源技術的重大創新與融合為代表，從而導致工業、產業乃至社會發生重大變革”。其實這也是與CPS類似的內容。

在國內的討論中，因為沒有工業革命在歷史上經歷了兩次還是三次的糾結，這場正在發生的工業變革，無論在國外被稱為是“工業4.0”、“第三次工業革命”，還是CPS，都是區別于傳統工業的新工業而已。因此人們逐漸采用“新產業革命”將這些說法概而稱之（產業革命和工業革命并不完全等同，但這是一種約定俗成的說法，在此我們不作深究）。在這樣的語境下，關于新產業（工業）革命的討論就是聚焦于究竟“新”在何處的討論。

對此，李杰提出的5M和6C的說法頗有影響。傳統工業內涵豐富，不過按照李杰的概括，主要包含5個方面：材料（Material）、機器（Machine）、方法（Methods）、測量（Measurement）和建模（Modeling）。簡言之，傳統工業就是將材料經過機器設備生產出產品。這5個方面的英文字母都以M開頭，因此被稱為5M。

而經過CPS改造后的新工業，被他稱為6C：連接（Connection）、云（Cloud）、虛擬網絡（Cyber）、內容（Content）、社群（Community）與客制化（Customization）。用傳統工業的理念來理解這6個C并不容易。但這正是革命的應有之義——容易理解和接受的通常都只是小的改革。

新工業內涵：CPS為基礎的6C

在過去30年左右的時間里，信息革命為我們生活和工作的世界帶來了根本性的改變。尤其是隨著個人計算機和互聯網的普及，一個坐在電腦前的德國人和一個坐在電腦前的中國人，可以在虛擬世界中面對面的交流。

2015年德國漢諾威工業展上，“工業4.0”依然是引人關注的概念。 圖/東方IC

而隨著計算機的微型化和移動互聯網的發展，不僅電腦之間，不同的產品、機器之間，也都可以通過網絡互聯，因為每個事物都可以置入或者“穿戴”一臺微型計算機（也稱“嵌入式系統”）。其結果就是，一輛嵌入微型計算機的行駛在漢諾威路面的汽車，和一輛同樣嵌入微型計算機的行駛在上海路面的汽車，可以在虛擬世界中直接對話。

這也就是CPS所帶來的影響。這種影響擴展到生產領域，使產品、生產乃至工廠的定義都發生了根本的改變。

在產品方面，比如，傳統的飛機發動機只是為了提供飛機的動力功能，但是當它置入微型計算機后，它就可以感知飛機的飛行路線，并通過網絡將這些信息傳給其他的機器。在馬航MH370事件中，是該飛機的發動機供應商，而不是馬來西亞航空公司，提供了該飛機航線的一些基本數據。與此類似的，一個輪胎可以提供一輛汽車的行駛性能，但在置入微型計算機后，它還能感知汽車的速度變化，并因此可以總結出駕駛員的駕駛習慣。很顯然，這些有著CPS屬性的發動機、輪胎，已經具有了其“前輩”完全不曾有的價值。

由于CPS的存在，工廠中的生產環節也得以改變。美國國家科學基金會智能維護系統產學合作中心的“預測型制造”，就是這種改變的一個案例示范。在傳統工廠中，機器在失靈時維修，帶來大面積的停工；如果定期檢修，又會對不需要維修的零部件造成損耗。但是在機器零部件中嵌入微型計算機后，由機器傳出的信號可以以數據的形式傳輸到互聯網上。一旦有零部件的數據出現反常，即刻就能有針對性地檢修。維修成為可預測的事情，制造過程因此也變得可預測。

不僅僅是設備，工廠中的所有內容都可以連接。按照德國人工智能研究中心“工業4.0”示范項目SmartfactoryKL的設計，組成生產系統的所有組件都可以成為網絡節點，并集成到基于IP的網絡，工廠的運行情況因此也都可以實時反映。當然按照工業4.0的愿景設想，不僅僅是工廠內部，工廠與工廠之間，乃至工廠與外部（如消費者和供應商）之間，都可以通過網絡的互聯，形成一個整體。

在如此一個微型計算機嵌入、各個模塊互通互聯的工作環境下，我們所熟悉的從原材料到設備到產品的生產過程已經淡化，取而代之的，是物體中微型計算機的置入，是物與物之間網絡的構建，是網絡上數據的存儲、傳輸，是對海量數據的挖掘分析。

這些，就是新工業的特征，也就是李杰所歸納的6 C，連接（Connection）、云（Cloud）、虛擬網絡（Cyber）、內容（Content）、社群（Community）與客制化（Customization）。6個C具體的含義可能會有異議，但它確確實實代表了一個前所未有的工業范式。

新生態系統：更多的連接與現實的基礎

一個被人忽視的事實是，雖然具有CPS屬性的產品已經出現，但整個工業體系的“工業4.0”革命并沒有實現。從2005年就開始智能工廠探索的德國人工智能研究中心創新工廠系統部研究主任Detlef Zühlke教授說，“到目前為止‘工業4.0’只能說是一個愿景，我們還沒有符合該概念并能夠讓客戶購買的產品”。

在技術成熟的情況下，為什么“工業4.0”的深入如此之難？這是因為，在傳統工業中，更換一臺機器，甚至重建一個工廠，都是在某一個公司或者組織的能力范圍之內可以完成的。但是工業4.0的全面實現，意味著整個網絡的重構。它牽涉的是每一個制造業企業，甚至與制造型企業完全不同領域的其他類型企業。

公司層面目前能做的是進行工廠的智能化升級，從而讓自己的工廠具備內部的互聯，并為未來與其他工廠或者與供應商、消費者的互聯打下基礎。在這個過程中，將會有兩類“工業4.0”型企業出現。如果用中國的電商來類比，一類是阿里巴巴類型提供平臺的，一類是利用平臺開張營業的。西門子等龍頭企業，正在力推它們所建立的“工業4.0”樣板工廠。如果越來越多的工廠購買西門子有關“工業4.0”的成套設備、IT解決方案，那么西門子的技術平臺就會逐漸占領市場，并最終居于這個新工業生態的核心位置。利用西門子平臺的用戶企業當然也提高了自身的生產效率。“工業4.0”生態系統建立的過程，其實也就是企業未來位置的確立過程。

如同前面所分析的，整個“工業4.0”的建立，不僅需要制造型企業轉型，還需要與供應商、消費者等其他領域互聯網絡的搭建。這就考驗一個國家既有的工業和信息產業的能力。

事實上，大規模、全面性的“工業4.0”升級改造，并不是任何國家都可以做到的。德國著名咨詢公司羅蘭·貝格曾經按照工業基礎（一個國家工業占GDP的比例）和準備程度（包括網絡設施、工人技能，以及未來的融合能力等），來分析歐洲各國進行工業4.0革命的能力。最后得出的結果是，德國、瑞典等工業基礎與互聯網發展較好的國家，處于領跑的地位；而西班牙、葡萄牙等國家，則基本沒有能力做“工業4.0”。基于這份分析報告，中國也被認為屬于第二集團。

毫無疑問，在可以進行“工業4.0”升級的國家中，如果某一國家具有“工業4.0”平臺建設能力的西門子類型公司越來越多，也就意味這個國家將在新的制造業生態系統中居于中心，在新的制造業全球格局中占據優勢。

各國的新比較優勢

羅蘭·貝格分析的只是關于“工業4.0”起點的一個綜合成績，從單科和未來發展前景來看，每個國家也都有自己的優勢和劣勢。

就德國而言，工業專業知識在全球遙遙領先于其他國家。它的工業生態系統也非常出色：產業與學校之間有著高效且長期的合作；高比例的中小型企業與大企業有著穩定的合作關系；生產廠家與客戶之間有著直接對話的緊密聯系。如果說“工業4.0”的核心是網絡，是將原本隔離的圍繞產品的各種模塊進行融合，那么這樣的經濟結構無疑為“工業4.0”的開展提供了完美的物理基礎（CPS中的P）。但在“工業4.0”中，這些物理存在的傳統制造業體系需要信息化（CPS中的C）。而德國本身的信息產業在國際上的地位與它的制造業并不相當，除了SAP，沒有其他大的IT公司。這也是德國的困境所在，如果缺乏了IT產業的支撐，德國制造業仍是傳統的而非“工業4.0”的。

對于美國而言，工業專業知識同樣全球領先，以硅谷為首的信息產業更是全球的領導者。以谷歌、臉書、亞馬遜等為代表的互聯網企業，已經將它們的產品融入了現代人生活的方方面面，也融入了制造業，比如谷歌所研制的無人駕駛汽車。但美國的傳統制造業生態系統并不平衡。在過去很長一段時間里，美國按照生產集約化方式，將核心技術保留在國內，將生產工作離岸外包給低工資國家，這種做法的后果，就是將自己的工程和現代化生產運營能力大大削弱。雖然這幾年美國決意“再工業化”，但效果不佳。如果要建設“工業4.0”網絡，它的很多節點都在國外，數據也在國外，所以是有很大難度的。

再來看看中國，籠統而言的“中國制造”，工作環境不安全、生產過程不環保、產品性能不穩定，總之問題多多；而且由于不掌握核心技術和高端裝備，整個制造業壓抑在加工制造一隅。但是從“工業4.0”的全新生態系統的視角來看，中國也具備著得天獨厚的優勢。

在工業4.0體系中，消費數據作為重要的組成部分也位于其中。而中國有著13億的消費者，每個人不斷變化的需求所帶來的海量數據，對供應商而言都是未來產品的信息源。這些數據對于傳統工業強國而言，是可望而不可及的。中國的信息產業雖不及美國，但已經有了全球性的企業出現。尤其近年來電商極其發達，消費者的需求和評價，都可以直達生產廠家，并被用來做分析下一步生產的基礎。另外，中國在低端制造領域的長期積累，也掌控了這一制造業生態系統必不可少的組成部分的主導權，這也是比如美國等不參與低端制造的國家所缺乏的。

關于中國在“工業4.0”的道路選擇上，有人認為既然“工業4.0”是以數據和數據分析為基礎的6C模式，那么中國就應當利用好自己手中的數據并加強自己的數據分析能力；有人認為，中國制造業企業普遍還沒有實現信息化，所以應該先進行必要的信息化，再考慮工業4.0。不管哪一種方案，都是在向“工業4.0”這一目標前進。但無論怎樣，在這樣的變革之際，最不需要的就是妄自菲薄。每一次工業革命，都有先行者落寞而去，都有后來者逆襲上位。在這一次的新產業革命中，中國是具有后來居上資格的一方。別忘了，無論是德國的“工業4.0”，還是美國的CPS，其原初的壓力和動力，也都來自于中國等后來者的步步緊逼。