“物聯網+中國制造2025”的實現路徑研究

陳玉川

摘 要：物聯網具有即時性、非接觸性、可追溯性等特點，產品制造模式正在向人機物協同制造模式過渡。“中國制造2025”是國務院實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領，“物聯網+中國制造2025”形成的制造物聯網有效融合了物聯網的本質特點，是對傳統制造模式的革命，可以大大提高制造效率，促進我國制造強國戰略的實施進程?！拔锫摼W+中國制造2025”主要通過“可靠感知+中國制造”、“即時傳輸+中國制造”、“可信應用+中國制造”等方式實現。

關鍵詞：物聯網+；中國制造2025；加法；制造效率

中圖分類號：F204 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

迄今為止，人類社會已經經歷過三次工業革命。第一次工業革命即“工業1.0”，發生在18世紀末，以蒸汽機的發明和使用為標志，使手工生產轉向機器生產。第二次工業革命即“工業2.0”發生在19世紀70年代，以電氣技術的發明和使用為標志，使機器生產轉向大規模流水線生產。第三次工業革命即“工業3.0”發生在20世紀70年代，以信息技術的發明和使用為標志，使大規模流水線生產轉向定制化規模生產和服務型制造。先后發生的三次工業革命都對世界工業布局和經濟格局產生了巨大變化。

第三次工業革命即“工業3.0”以來，傳統工業技術在制造業中一直占據著主導地位，并支撐著該產業的發展。隨著移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等新一代信息技術的迅猛發展，生產制造領域已經具備收集、傳輸、處理大數據的高級能力，制造業形成工業物聯網，新一輪工業革命即“工業4.0”正在發生。

“工業4.0”必將重構世界工業布局和經濟格局，必將給世界各國帶來不同的挑戰和機遇。為應對新一輪工業革命帶來的挑戰，歐美發達國家都在積極推行“再工業化”戰略，企圖在技術、產業方面繼續領先優勢，搶占制造業高端[1]。我國面對來自歐美發達國家和發展中國家的“前后夾擊”，國務院在2015年5月8日及時印發“中國制造2025”，作為我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。并將加快推動新一代信息技術與制造技術融合發展，作為“中國制造2025”的主攻方向[2]。那么，物聯網作為繼互聯網之后人類信息產業革命的第三次浪潮，怎樣通過“物聯網+中國制造2025”加快“中國制造2025”的實施進程呢？

1 物聯網的體系結構與特點

經過十多年的發展，物聯網體系結構分為感知層、傳輸層和應用層已經形成共識[3-7]。感知層包括電子標簽（EPC）、無線識別解讀儀（RFID）、條形碼、二維碼、傳感器、WiFi等，主要功能是感知物體、獲取數據、采集信息，主要應用傳感技術、檢測技術、短距離傳輸技術等，主要設備是電子標簽（EPC）和無線識別解讀儀（RFID）；感知層位于物聯網體系結構的最底層，是物聯網發展與應用的基礎。傳輸層包括互聯網、移動網、局域網等，主要功能是對接收到的感知信息進行遠程傳送，實現信息的交互與共享，并進行有效處理，物聯網傳輸層綜合應用IPv6、2G/3G/4G等通信技術，實現無線與有線的結合、感知網與通訊網的結合；傳輸層面對物聯網海量、實時信息的傳輸要求時，很容易出現網絡擁塞、拒絕服務的現象，如果傳輸層不采取網絡接入控制措施，就很可能被非法接入，從而造成傳輸層負擔加重或傳輸錯誤信息[8-10]，傳輸層是物聯網安全威脅的主要來源之一。應用層是與行業需求相結合而生成的，用以實現智能化應用的層次，應用層通過應用程序對數據信息進行處理，實現不同行業、不同系統之間的信息共享、信息協同、信息管理、信息應用，應用層對物聯網信息的應用主要通過應用程序和終端設備實現。

物聯網作為人類信息產業的第三次革命浪潮，同互聯網相比，具有即時性、非接觸性、可追溯性三個突出特征，物聯網的本質特征正在顛覆傳統的生產方式，對生產方式產生了突破性的變革。在即時性方面，物聯網將互聯網時代的人機二元互動發展到人機物三元互動，實現了信息使用者與信息源之間的即時互動，是一場對信息傳遞時間的革命。在非接觸性方面，物聯網通過各種傳感器將接觸傳遞信息發展到非接觸傳遞信息，對信息傳遞空間是一場革命。在可追溯性方面，大數據、云計算等的廣泛應用，使信息使用者不但能夠看到信息源傳出信息的結果，還能夠看到信息形成的整個過程，是一場對信息真實性的革命。隨著物聯網應用軟件、硬件的逐漸成熟，即插即用、即加即用等技術將使物聯網的本質特征在各行各業實現井噴式應用。如南京訊晶科技公司的GAIA已經在物聯網世界構建一個“安卓”平臺，解決了各種物聯網系統的兼容性問題。在不遠的將來，人們應用物聯網就會像今天的互聯網一樣，只需一個接口、一條線，任何個人、機構都可以實現輕松上網。

2 制造模式發展趨勢與“中國制造2025”主攻方向

2.1 制造模式發展趨勢

世界已經發生和正在發生的四次工業革命，主要出現過手工制造、機器制造、大規模流水線制造、定制化規模制造與服務型制造、智能制造五種制造模式[11-15]，結構如圖1所示。通過梳理五種制造模式發展規律，可以判斷未來制造模式的發展趨勢。

在工業革命以前，人類社會靠手工勞動，屬于手工制造模式階段，人們靠手工作用于勞動對象，人體與勞動對象在物理和信息方面都是分離的。由于不存在可以幫助人們工作的外力，人在生產過程中管理的重點是勞動對象。

到工業1.0時期，機器代替了人的部分手工勞動，屬于機器制造模式階段。人們控制機器，借助機器作用于勞動對象，人體與機器、勞動對象之間，彼此是分離的。由于機器作為中介物，可以幫助人們改造和作用于勞動對象，因此在生產過程中管理的重點是機器。

到工業2.0時期，大規模流水線機器代替了人的手工勞動，屬于大規模流水線制造模式階段。人們控制大規模流水線機器，借助大規模流水線機器作用于勞動對象，人體與大規模流水線機器、勞動對象之間，彼此是分離的。大規模流水線機器作為人們改造自然的工具，提高了人類勞動的效率，是人們生產過程中的管理重點。

到工業3.0時期，生產力飛速發展，使得整個社會的物資日漸豐富，市場由賣方市場逐漸轉變為買方市場，市場的權力逐漸由廠商轉移向消費者，生產模式進化到定制化制造和服務型制造階段。計算機、互聯網等信息技術的飛速發展和廣泛應用，使機器可以代替人腦的一部分勞動。人體與機器、勞動對象之間開始實現部分信息鏈接，人們在生產過程中管理的重點是實現部分信息化的機器。

到工業4.0時期，移動網、物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術迅速發展，企業可以非接觸采集、分析、應用來自用戶、生產過程、供應商、競爭企業等方面的信息，對生產進行智能化管理，生產模式進化到智能制造模式階段。人們借助物聯網、移動網、大數據、云計算等技術，可以實現人機物協同制造，人體、機器、勞動對象由彼此分離狀態發展到人體、機器、勞動對象等協同制造。新一代信息技術不但打破了原來的產業鏈分工格局，而且正在逐漸改變產業鏈不同環節的利潤占比。人們在生產過程中管理的重點開始由實物轉向信息。

通過對以上五種制造模式的演變規律進行分析發現，人機物協同制造、工業化與信息化深度融合是制造模式發展的必然趨勢。智能化、信息化是當前制造模式管理的重點。

2.2 “中國制造2025”主攻方向

2010年，我國制造業增加值以23 742億美元超過美國22 063億美元，成為世界制造大國。但由于自主創新能力、產品質量、資源利用效率等方面的問題，我國還不是一個制造強國。同世界制造強國美國、德國、日本、韓國等相比，還有一定的差距?！爸袊圃?025”作為我國制造強國戰略的第一個十年行動綱領，其發展路徑和主攻方向具有自身的特點。

美國、德國、日本等制造業發達國家的工業化是在先后經過工業1.0、工業2.0、工業3.0后，才開始向工業4.0邁進。世界制造發達國家的工業化進程所走的路徑是“串聯式”路徑。由于歷史原因，中國與前兩次工業革命失之交臂。雖然新中國建立后在工業化方面不懈努力、緊追慢趕，但目前基本上還處于工業2.0后期。面對移動網、物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術誘發的第四次工業革命，即工業4.0，中國不可能走美國等世界制造發達國家曾經走過的工業化路徑，中國只能工業2.0、3.0、4.0同步發展，走“并聯式”發展路徑，才能抓住第四次工業革命這次歷史機遇，縮短工業化進程，通過“彎道超車”趕上或超過世界制造發達國家。

德國“工業4.0”戰略的本質是以機械化、自動化、信息化為基礎，建立智能化的新型產業模式與產業結構[16-19]。實現工業化與新一代信息化深度融合，既是工業4.0的重點，也是“中國制造2025”的主攻方向。

3 “物聯網+中國制造2025”的加法

物聯網的本質特點主要體現在即時性、非接觸性、可追溯性等方面。根據物聯網的本質特點，“物聯網+中國制造2025”主要有“可靠感知+中國制造”、“即時傳輸+中國制造”、“可信應用+中國制造”等加法[20-23]。

3.1 “可靠感知+中國制造”

在互聯網時代，由于與消費者直接見面的是產品，產品制造過程的信息曾經長時間被認為是制造企業內部的事情，與消費者毫不相干。即便偶有產品制造環節的信息，也是關于產品制造的歷史信息，并不能即時反映產品制造的現狀，不能對消費者的消費行為產生即時指導作用，產品制造過程的信息寶藏長期得不到開發利用。物聯網的出現，將制造過程的信息由互聯網時代的人、機、物分離發展到人、機、物三元互動，是對制造信息的一場革命。

制造企業在制造過程中涉及的對象很多，整個制造流程包括物料、設備、人員、產品、生產過程等內容。在互聯網時代，企業制造過程中的物料、設備、人員、產品、生產過程等處于彼此分離的狀態，這種分離狀態限制了企業對制造過程的管理，企業生產作業過程、產品質量跟蹤、生產現場管理、個性化柔性生產、設備資產管理等活動無法即時完成，大大降低了生產效率。

物聯網具有即時感知的本質特點。利用物聯網即時感知的特點，在制造全流程中設置各種類型的高性能EPC標簽和傳感器，通過RFID技術實現對快速流動的物料、人員、產品等的全流程進行實時識別、跟蹤與定位，對生產過程中的加工參數、設備、環境等非確定性過程進行實時感知與動態跟蹤。通過多節點協同感知與調度優化機制，實現對制造過程信息的可靠感知。

各種高性能EPC標簽、RFID將制造過程中的生產作業過程、產品質量跟蹤、生產現場管理、個性化柔性生產、設備資產管理等活動有機聯系起來，將制造過程中處于分散狀態的物料、設備、人員、產品等有機聯系起來，形成制造物聯網。制造物聯網將企業制造過程全部納入企業制造信息感知系統，可以為企業智能制造以后環節的信息管理奠定數據基礎，是制造業與現代信息產業深度融合的結果。制造物聯網實現企業制造過程的即時化、可視化，加速“中國制造2025”實施進程，促進制造業轉型。

目前，中國與世界制造強國美國、德國、日本、韓國之間的差距主要體現在高新技術的差異上。我國已經成為制造大國，制造環節蘊藏的海量信息既是一個寶藏，也是制約我國制造業繼續發展的關鍵因素?！翱煽扛兄?中國制造”實現消費者對制造過程的即時感知，有利于對制造環節海量信息的挖掘和有效利用。制造企業根據消費者的個性化定制需求將前端的研發交給消費者，將大大降低研發環節在制造產業鏈中的作用，為中國趕超世界制造強國創造技術機會。

3.2 “即時傳輸+中國制造”

傳統工業經濟條件下，制造企業制造環節的信息一致處于封閉狀態，雖然制造現場存在工業總線、工業因特網、工業無線網，但廠商更關心人員是否在崗、物料在哪個存儲區、產品所處工位等企業內部制造信息，上述信息對用戶、供應商、競爭企業等市場主體是屏蔽的。制造過程的信息化現狀嚴重制約了企業與用戶、供應商、競爭企業等市場主體之間信息交互的速度，對企業生產效率和創新效率有很大影響。

即時性是物聯網區別于互聯網的重要特征之一，也是新一代信息技術區別于傳統信息技術的重要特征之一。通過“即時傳輸+中國制造”，整合我國制造企業產品制造過程中的信息，實現產品制造信息的即時化、市場化、社會化，有利于我國制造業實現與新一代信息技術的深度融合，促進我國制造模式創新。

制造過程的信息源比較復雜，信息傳輸受到工業電磁、金屬介質等環境影響，實現我國制造信息的即時傳輸，需要將工業現場總線、工業因特網、工業無線網等各類網絡有機整合，形成互聯互通的異構網絡；需要大尺度多跳技術，使各類傳輸網能夠覆蓋所有制造車間；需要應用動態變化拓撲技術，解決信道條件不穩定、節點移動性強等問題。

3.3 “可信應用+中國制造”

企業產品創新是一個過程。在產品創新過程中，營銷環節、研發環節、制造環節之間密不可分。制造環節物聯網化可以有效促進研發環節物聯網化、營銷環節物聯網化，進而促進企業整個創新過程的物聯網化。只有我國整個產品創新過程實現了物聯網化，才能真正實現我國制造業與新一代信息技術的深度融合，并利用人類社會信息革命第三次浪潮帶來的機遇，實現彎道超車，從世界制造國家的第三陣營躍升到第二陣營，并經過艱苦努力最終躍升到第一陣營。

“可信應用+中國制造”是一個持續過程。根據我國制造強國戰略目標，“可信應用+中國制造”需要經過“可信應用+中國制造2025”、“可信應用+中國制造2035”、“可信應用+中國制造2045”三個階段?！爸袊圃?025”的目標是：到2025年，我國邁入制造強國行列。“可信應用+中國制造2025”主要通過制造物聯網的構建和推廣，實現制造業的數字化、網絡化、智能化，并在重點行業實現單位工業增加值能耗、物耗、污染物排放明顯降低。通過重點企業制造環節與物聯網的深度融合，使我國的制造物聯網邁入世界強國之列。同時，通過營銷物聯網的構建和推廣，在重點企業實現新產品營銷物聯網化；通過研發物聯網的構建和推廣，在重點企業實現新產品研發物聯網化。

“中國制造2035”的目標是：到2035年，我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平?！翱尚艖?中國制造2035”主要通過創新物聯網在重點領域取得重大突破，實現我國制造業整體競爭力明顯增強的目標，并使我國的優勢制造業在全球范圍形成創新引領能力。

“中國制造2045”的目標是：到2045年，我國制造大國的地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列?！翱尚艖?中國制造2045”主要通過創新物聯網在主要領域具有的創新引領能力和明顯競爭優勢，建成全球領先的技術體系和產業體系。

企業營銷環節面臨數量龐大、背景千差萬別的用戶，企業研發環節更是企業產品創新過程的關鍵。所以，無論制造信息向用戶傳輸，還是制造信息向研發人員傳輸，都存在數據隱私保護技術問題。為了保證制造信息在營銷和研發應用中的安全，需要在現有CPS隱私保護技術的基礎上，綜合利用用戶匿名與安全多方計算兩種技術，向制造信息使用者提供正確、安全、可靠的信息。

4 結 語

物聯網作為人類社會信息革命的第三次浪潮，體系結構包括感知層、傳輸層、應用層，具有即時性、非接觸性、可追溯性的本質特點。信息產業的飛速發展，正在顛覆傳統制造模式，人機物協同制造，工業化與信息化深度融合，是制造模式發展的必然趨勢。針對制造業發展的必然趨勢，“中國制造2025”作為我國實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領，將制造業與新一代信息技術深度結合作為主攻方向?！拔锫摼W+中國制造2025”是實現我國制造業與新一代信息技術深度結合的具體表現，“物聯網+中國制造2025”主要通過“可靠感知+中國制造”、“即時傳輸+中國制造”、“可信應用+中國制造”等方式實現。

參考文獻

[1]周濟.智能制造——“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程， 2015， 26（17）： 2273-2284.

[2]國務院.國務院關于印發《中國制造2025》的通知[N].人民日報， 2015-05-20.

[3] STANKOVIC J A.Research Directions for the Internet of Things[J].IEEE Internet of Things Journal， 2014，1（1） ：3-9.

[4] ATZORI L，IERA A，MORABITO G.From “smart objects” to “social objects”： The next evolutionary step of the internet of things[J].IEEE Communications Magazine，2014，52（1） ： 97-105.

[5] WU Q，DING G，XU Y，et al.Cognitive Internet of Things： A New Paradigm Beyond Connection[J].Browse Journals & Magazines，2014，1（2）：129-143.

[6] CIRANI S，DAVOLI L，FERRARI G，et al.A Scalable and Self-Configuring Architecture for Service Discovery in the Internet of Things[J].Browse Journals & Magazines，2014，1（5）：508-521.

[7]沈蘇彬，楊震.物聯網體系結構及其標準化[J]. 南京郵電大學學報（自然科學版），2015，35（1）： 1-18.

[8] NITTI M，GIRAU R，ATZORI L.Trustworthiness Management in the Social Internet of Things[J].IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering，2014，26（5）： 1253-1266.

[9] TSAI C W，LAI C F，CHIANG M C，et al.Data Mining for Internet of Things： A Survey[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014，16（1）： 77-97.

[10] JIN J，GUBBI J，MARUSIC S，et al.An Information Framework for Creating a Smart City Through Internet of Things[J].IEEE Internet of Things Journal，2014，1 （2）：112-121.

[11] Lu Z.An Analytical Study on Service-oriented Manufacturing Strategies[J].International Journal of Production Economics，2012，139（1） ：220-228.

[12] Yuanqiong H.，Kin Keung L.Supply Chain Integration and Service Oriented Transformation： Evidence from Chinese Equipment Manufacturers[J].International Journal of Production Economics，2012，135（2） ： 791-799.

[13] Corina P.，Soto M.C.，Lastra J.L.M.A Petri Net-based Approach to Incremental Modeling of Flow and Resource in Service-oriented Manufacturing Systems[J].International Journal of Production Research，2012，50（2）：325.

[14] Guo H.，Tao F.，Zhang L.，et al.Research on Measurement Method of Resource Service Composition Flexibility in Service-oriented Manufacturing System[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2012，25（2） ：113-135.

[15] Youjae Y.，Taeshik G.Customer Value Co-creation Behavior： Scale Development and Validation[J].Journal of Business Research， 2013，66（9）：1279-1284.

[16] [德]烏爾里希·森德勒.工業4.0： 即將來襲的第四次工業革命[M].鄧敏，李現民，譯.北京： 機械工業出版社， 2014.

[17] LIANG CHIEH CHENG.Assessing performance of utilizing organizational modularity to manage supply chains： evidence in the U.S. manufacturing sector[J].International Journal of Production Economics， 2011， 131（2）： 736-746.

[18] SANGEETA RAY，PRADEEP KANTA RAY.Product innovation for the peoples car in an emerging economy [J].Technology innovation， 2011，31： 216-227.

[19] MONOSTORI L，CS JI B，K D R B，et al.Towards adaptive and digital manufacturing [J].Annual Reviews in Control，2010，34（1）：118-128.

[20] BARHEL R，MACKLEY KL，HUDSON-SMITH A，et al. An internet of old things as an augmented memory system[J].Personal and Ubiquitous Computing，2013，17（2）：496-503.

[21] Pickles，John，Smith， Adrian.Delocalization and Persistence in the European Clothing Industry： The Reconfiguration of Trade and Production Networks[J].Regional Studies，2011， 45（2）：167-185.

[22] Scholz-Reiter Bernd，Windt Katja，Liu Huaxin.Modelling dynamic bottlenecks in production networks[J].International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2011， 24（5）： 391-404.

[23] 王喜文.工業4.0、互聯網+、中國制造2025 中國制造業轉型升級的未來方向[J].國家治理，2015（23）： 14-19.