叩開工業4.0的大門

近來年，隨著網絡信息技術、大數據、云計算運用威力初顯，一項更偉大的工具一一互聯網技術正在參與、滲透到工業生產過程中去，信息化和工業化的交織，正在催生著人類工業4.0時代的到來。

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

根據德國版“工業4.0”描繪的美好前景，待現代智能機器人、傳感器、數據存儲和計算能力成熟后，現有工廠將會通過工業互聯網把供應鏈、生產過程和倉儲物流智能連接起來，真正使生產過程全自動化，產品個性化，前端供應鏈管理、生產計劃、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4.0的門前。不久的將來，我們吃的藥是根據每個人的基因來配方的；我們的早餐可以根據個人的口味和營養需求來調配生產；工廠生產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，關聯到的卻是一場改變人類生產方式的革命。那么，工業4.0到底是什么？

工業4.0的進化過程

與國際社會關于第三次工業革命的說法不同，德國學術界和產業界認為，前三次工業革命的發生，分別源于機械化、電力和信息技術。

工業革命1.0 18世紀末期始于英國的第一次工業革命，于19世紀中葉結束。這次工業革命的結果是機械生產代替了手工勞動，經濟社會從以農業、手工業為基礎轉型到了以工業以及機械制造帶動經濟發展的模式。

工業革命2.0 第二次工業領域大變革發生在20世紀初期，進入了生產線生產的階段，通過零部件生產與產品裝配的成功分離，開創了產品批量生產的新模式。20世紀70年代以后，電子工程和信息技術的加入實現了生產的最優化和自動化。

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

工業革命4.0 未來10年，第四次工業革命將步入“分散化”生產的新時代。工業4.0通過決定生產制造過程中的網絡技術，實現實時管理。

可以說，物聯網和制造業服務化迎來了以智能制造為主導的第四次工業革命，即工業4.0。

德國工業4.0戰略

對德國工業4.0的核心內容進行概括的話，可以總結為：建設一大網絡、研究兩大主題、實現三大集成、促進三個轉變。

一是建設一大網絡，即CPs。CPS的核心思想是強調虛擬網絡世界與實體物理系統的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人員緊密聯系在一起，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。

二是研究兩大主題，即智能工廠與智能生產。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設備，在實現了數據交互之后，能夠形成高度智能化的有機體，實現網絡化、分布式的生產設施；智能生產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。

未來智能工廠與智能生產的實現意味著：較之傳統生產模式，新的生產方式將大幅提高資源利用率，產品生產過程中的實時圖像顯示使得虛擬生產變為可能，從而減少材料浪費；個性化定制將成為可能，生產速度大幅提高。

三是實現三大集成，即價值鏈上企業之間的橫向集成、網絡化制造系統的縱向集成以及端對端工程數字化集成。

在生產、自動化工程以及IT領域，價值鏈上企業問的橫向集成是指將使用于不同生產階段及商業規劃過程的IT系統集成在一起，這包括了發生在公司內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，網絡化制造系統的縱向集成是指將處于不同層級的IT系統進行集成（例如，執行器和傳感器、控制、生產管理、制造和企業規劃執行等不同層面），其目的同樣是為了提供一種端對端的解決方案。

端對端工程數字化集成是指貫穿整個價值鏈的工程化數字集成，是在所有終端實現數字化的前提下所實現的，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個性化定制。在此模式下，客戶從產品設計階段就參與到整條生產鏈，并貫穿于加工制造、銷售物流等環節，可實現隨時參與和決策，并自由配置各個功能組件。

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

歸納而言，德國工業4.0就是利用信息通信技術把產品、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字化的智能制造模式。在此模式中，CPS系統將推動生產對象直接或借助互聯網通過M2M（機器對機器）通信自主實現信息交換、運轉和互相操控；智能工廠能夠自行運轉，產品與機器可以相互交流，機器可以自行組織生產，供應鏈將自動化協同，產業鏈分工將被重組，創造新價值的過程將發生改變。

工業4.0：互聯

從根本上來講，工業4.0是一種在信息技術發展到新階段產生的新工業發展模式。從終極目標來看，工業4.0不能為技術而技術，核心在于提高企業、行業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4.0的核心是連接，要把設備、生產線，工廠、供應商、產品、客戶緊密地連接在一起。工業4.0適應了萬物互聯的發展趨勢，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，使得產品與生產設備之間、不同的生產設備之間以及數字世界和物理世界之間能夠互聯，使得機器、工作部件、系統以及人類會通過網絡持續地保持數字信息的交流。

從工業2.0到工業3.0時代的重要標志是，單機智能設備的廣泛普及。工業4.0把1969年第一個可編程邏輯控制器Modicon084的使用作為工業3.0的起點，其核心是各種數控機床、工業機器人自動化設備在生產環節的推廣，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4.0可以實現單機智能設備的互聯，不同類型和功能的智能單機設備的互聯組成智能生產線，不同的智能生產線問的互聯組成智能車間，智能車間的互聯組成智能工廠，不同地域、行業、企業的智能工廠的互聯組成一個制造能力無所不在的智能制造系統，這些單機智能設備、智能生產線、智能車間及智能工廠可以自由動態地組合，以滿足不斷變化的制造需求，這是工業4.0區別于工業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4.0意味著智能工廠能夠自行運轉，零件與機器可以進行交流。由于產品和生產設備之間能夠通信，使得產品能理解制造的細節以及自己將被如何使用。同時，它們能協助生產過程，回答諸如“我是什么時候被制造的”“哪組參數應該被用來處理我”“我應該被傳送到哪”等問題。

CPS是工業4.0的核心，它通過將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、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，是實現設備、產品、人協調互動的基礎。智能制造的核心在于實現機器智能和人類智能，實現生產過程的自感知、自適應、自診斷、自決策和自修復。

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

大數據技術的發展和應用，使得價值鏈上各環節數據和信息能夠被深入分析和挖掘，為企業管理者和參與者提供看待價值鏈的全新視角，使得企業有機會把價值鏈上更多的環節轉化為企業的戰略優勢。例如，汽車公司大數據提前預測到哪些人會購買特定型號的汽車，從而實現目標客戶的響應率提高15%～20%，客戶忠誠度提高7%。

工業4.0：創新

工業4.0的實施過程實際上就是制造業創新發展的過程，制造技術、產品、模式、業態、組織等方面的創新將會層出不窮。

技術創新

未來工業4.0的技術創新在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、大數據在信息技術創新體系中不斷演進，并為新技術在其他行業的不斷融合滲透奠定技術基礎。二是傳統工業在信息化創新環境中，不斷優化創新流程、創新手段和創新模式，在既有的技術路線上不斷演進。三是傳統工業與信息技術的融合發展，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，也包括集成工業軟硬件的各種嵌入式系統、虛擬制造、工業應用電子等單項技術突破。

產品創新

信息通信技術不斷融人工業裝備中，推動著工業產品向數字化、智能化方向發展，使產品結構不斷優化升級。一方面，傳統的汽車、船舶、家居的智能化創新步伐加快，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線、智能車間到智能工廠演進，提供工廠級的系統化、集成化、成套化的生產裝備成為產品創新的重要方向。

模式創新

工業4.0將發展出全新的生產模式、商業模式。首先在生產模式層面，工業4.0對傳統工業提出了新的挑戰，要求從過去的“人腦分析判斷+機器生產制造”的方式轉變為“機器分析判斷+機器生產制造”的方式，基于CPS系統的智能工廠和智能制造模式正在引領制造方式的變革。

其次在商業模式層面，工業4.0的網絡化制造、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，網絡眾包、異地協同設計、大規模個性化定制、精準供應鏈管理等新型智能制造模式將加速構建產業競爭新優勢。

業態創新

伴隨著信息技術的升級應用，從現有產業領域中衍生疊加出的新環節、新活動，將會發展成為新的業態，并在新市場需求的拉動下，形成引發產業體系重大變革的產業。就目前來看，工業云服務、工業大數據應用、物聯網應用都有可能成為或者催生出一些新的產業和新的經濟增長點。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、互聯網金融、電子商務等行業加速重構產業價值鏈的新體系。

組織創新

在工業4.0時代，很多企業將會利用信息技術手段和現代管理理念，進行業務流程重組和企業組織再造，現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。基于CPS系統的智能工廠將會加快普及，進一步推動企業業務流程的優化和再造。

從實踐的角度來看，國內企業在組織創新方面做了很多積極的探索，海爾總裁張瑞敏提出企業無邊界、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斗，作戰的基本單元要從師一級縮小到旅、團、營、連，一直到班，以后的戰爭是“班長的戰爭”。

工業4.0重塑

德國學術界和產業界認為，“工業4.0”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CPS系統相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

如果工廠還有生產體系的話，它們可以高度智能化。

智能化的工廠完全由物聯網加以控制，制造流程完全可以由電腦來加以整合，實現對生產的實時監控，監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的進程。這不是簡單的生產自動化問題，而是智能控制，能夠實現產品的智能運輸。如果突然出現故障，系統就會自動下令停下，自動進行修理。

生產需要的產品時，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。物聯網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，這將使產業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濟體：包括智能化的生產、工廠、生活、家居、交通、物流、治理、環境、人的活動等產業鏈要素。這個過程實際上由IT系統加以控制，IT系統知道如何組織生產、如何收集數據，并用一種控制的方式與有關環節進行互動。未來整個生產當中捕捉到的數據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，而且在發生某些故障時，自動發送警告。

如此，智能工廠的生產組織變得極其高效。同時，單體智能工廠也可以成為聯合體，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進行整合，這是非常和諧的互動，可以誕生智能化的商業模式，即隨時在生成數據，隨時按照精確的數據讓生產方了解情況，進而改善生產當中的狀況。

工業4.0用了很多IT技術，毫無疑問會重新塑造整個生產流程，原來的工人難免會受到影響，產生擔憂，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。

工業4.0：智能

通過通信網絡，將工廠內所有設備互聯的智能工廠就是最好的體現。作為未來第四次工業革命的代表，工業4.0不斷向實現物體、數據以及服務等無縫連接的互聯網（物聯網、數據網和服務互聯網）方向發展。

未來10年，第四次工業革命將步入“分散化”生產的新時代。未來的智能制造業中，CPS對涵蓋自動化、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的應用領域，具有非常重要的意義。因CPS而實現的許多應用，將產生新附加價值鏈和業務模式。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，在保護環境上發揮重大作用。

因為CPS的存在，智能工廠的生產系統、產品、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、成本節約中更具優勢。智能工廠將按照重視可持續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過程中CPS生產系統的靈活網絡來實現的。通過可實時應對的靈活生產系統，能夠實現生產工程的徹底優化。同時，生產優勢不僅僅是在特定生產條件下的一次性體現，還可以實現多家工廠、多個生產單元所形成的世界級網絡的最優化。

基于高性能軟件的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間發生的相互作用，將誕生全新的系統功能性世界。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，漸漸形成新的價值鏈，所以，CPS也將為現有業務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業、能源經濟，還有包括諸如工業4.0生產技術的各個工業部門，將因這些新價值鏈而發生同步巨變。

如果要對工業4.0是什么做一個小結的話，工業4.0是一個發展的概念，是一個動態的概念，是一個理解未來信息技術與工業融合發展的多棱鏡，站在不同的角度會有不同的理解。工業4.0是互聯，是集成，是數據，是創新，是服務，是轉型；工業4.0是CPS，是智能工廠，是智能制造；工業4.0是國家戰略，是企業行為。