“工業(yè)4.0”：新制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

文/李輝

在過去的20年里，西歐國家工業(yè)增加值的全球份額減少了至少10%。與之相對應(yīng)的是中國等新興國家份額的持續(xù)增加。然而面對自己的優(yōu)勢地位頻受沖擊，發(fā)達國家顯得應(yīng)對無力。在優(yōu)厚的社會福利條件下，不僅勞動力數(shù)量有限，工人愿意投入的勞動時間也十分有限。與此同時，發(fā)達國家擔(dān)心的中國等后發(fā)國家，卻也同樣面臨諸多挑戰(zhàn)。以廉價勞動力和環(huán)境代價換取微薄利潤的生產(chǎn)方式，已經(jīng)陷入了勞動力紅利漸失和環(huán)境污染難以承受的窘境。傳統(tǒng)強國期待升級，維持競爭優(yōu)勢；后發(fā)國家期待轉(zhuǎn)型，提高競爭力。新近的信息技術(shù)與工業(yè)融合所帶來的“工業(yè)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(yè)革命

在2013年漢諾威工業(yè)博覽會上，德國“工業(yè)4.0”工作組發(fā)布了《保障德國制造業(yè)的未來：關(guān)于實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議》，將“工業(yè)4.0”定義為德國工業(yè)未來的發(fā)展方向。在這一年，中國國內(nèi)正在熱議由英國《經(jīng)濟學(xué)人》于2012年4月的《第三次工業(yè)革命：制造業(yè)與創(chuàng)新》專題報道、美國著名未來學(xué)者杰里米·里夫金于2011年出版的《第三次工業(yè)革命》一書所提出的“第三次工業(yè)革命”。少被人們注意但同樣值得關(guān)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(guān)動作，將美國工業(yè)的未來發(fā)展聚焦在CPS方向。

CPS即Cyber-Physical System，譯作“信息物理系統(tǒng)”，或者“虛擬網(wǎng)絡(luò)-實體物理系統(tǒng)”。按照美國加利福利亞大學(xué)Edward A. Lee教授在其2008年的技術(shù)報告《信息物理系統(tǒng)：設(shè)計挑戰(zhàn)》中的解釋：“CPS是計算過程和物理過程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計算機和網(wǎng)絡(luò)，對物理過程進行監(jiān)測和控制，并通過反饋環(huán)實現(xiàn)計算過程和物理過程的相互影響。”這一定義并非共識，據(jù)說學(xué)術(shù)界的CPS定義有十余種。但是這一還在完善定義的術(shù)語所指代的內(nèi)容，儼然已成為了工業(yè)未來發(fā)展的基礎(chǔ)。

按照德國文件中的說明，“工業(yè)4.0”，即以CPS為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織為標識的工業(yè)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(xué)基金會智能維護系統(tǒng)產(chǎn)學(xué)合作中心主任李杰教授反客為主的解讀，“德國的‘工業(yè)4.0’其實就是美國的CPS”。關(guān)于“第三次工業(yè)革命”，按照復(fù)旦大學(xué)芮明杰教授的理解，“實質(zhì)就是以數(shù)字制造技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和再生性能源技術(shù)的重大創(chuàng)新與融合為代表，從而導(dǎo)致工業(yè)、產(chǎn)業(yè)乃至社會發(fā)生重大變革”。其實這也是與CPS類似的內(nèi)容。

在國內(nèi)的討論中，因為沒有工業(yè)革命在歷史上經(jīng)歷了兩次還是三次的糾結(jié)，這場正在發(fā)生的工業(yè)變革，無論在國外被稱為是“工業(yè)4.0”、“第三次工業(yè)革命”，還是CPS，都是區(qū)別于傳統(tǒng)工業(yè)的新工業(yè)而已。因此人們逐漸采用“新產(chǎn)業(yè)革命”將這些說法概而稱之（產(chǎn)業(yè)革命和工業(yè)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(guān)于新產(chǎn)業(yè)（工業(yè)）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(tǒng)工業(yè)內(nèi)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(tǒng)工業(yè)就是將材料經(jīng)過機器設(shè)備生產(chǎn)出產(chǎn)品。這5個方面的英文字母都以M開頭，因此被稱為5M。

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

新工業(yè)內(nèi)涵：CPS為基礎(chǔ)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(lián)網(wǎng)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(yè)展上，“工業(yè)4.0”依然是引人關(guān)注的概念。 圖/東方IC

而隨著計算機的微型化和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，不僅電腦之間，不同的產(chǎn)品、機器之間，也都可以通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，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(tǒng)”）。其結(jié)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(chǎn)領(lǐng)域，使產(chǎn)品、生產(chǎn)乃至工廠的定義都發(fā)生了根本的改變。

在產(chǎn)品方面，比如，傳統(tǒng)的飛機發(fā)動機只是為了提供飛機的動力功能，但是當(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(fā)動機供應(yīng)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(shù)據(jù)。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(jié)出駕駛員的駕駛習(xí)慣。很顯然，這些有著CPS屬性的發(fā)動機、輪胎，已經(jīng)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(chǎn)環(huán)節(jié)也得以改變。美國國家科學(xué)基金會智能維護系統(tǒng)產(chǎn)學(xué)合作中心的“預(yù)測型制造”，就是這種改變的一個案例示范。在傳統(tǒng)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(shù)據(jù)的形式傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上。一旦有零部件的數(shù)據(jù)出現(xiàn)反常，即刻就能有針對性地檢修。維修成為可預(yù)測的事情，制造過程因此也變得可預(yù)測。

不僅僅是設(shè)備，工廠中的所有內(nèi)容都可以連接。按照德國人工智能研究中心“工業(yè)4.0”示范項目SmartfactoryKL的設(shè)計，組成生產(chǎn)系統(tǒng)的所有組件都可以成為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并集成到基于IP的網(wǎng)絡(luò)，工廠的運行情況因此也都可以實時反映。當(dāng)然按照工業(yè)4.0的愿景設(shè)想，不僅僅是工廠內(nèi)部，工廠與工廠之間，乃至工廠與外部（如消費者和供應(yīng)商）之間，都可以通過網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，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(lián)的工作環(huán)境下，我們所熟悉的從原材料到設(shè)備到產(chǎn)品的生產(chǎn)過程已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，是網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的存儲、傳輸，是對海量數(shù)據(jù)的挖掘分析。

這些，就是新工業(yè)的特征，也就是李杰所歸納的6 C，連接（Connection）、云（Cloud）、虛擬網(wǎng)絡(luò)（Cyber）、內(nèi)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(yè)范式。

新生態(tài)系統(tǒng)：更多的連接與現(xiàn)實的基礎(chǔ)

一個被人忽視的事實是，雖然具有CPS屬性的產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，但整個工業(yè)體系的“工業(yè)4.0”革命并沒有實現(xiàn)。從2005年就開始智能工廠探索的德國人工智能研究中心創(chuàng)新工廠系統(tǒng)部研究主任Detlef Zühlke教授說，“到目前為止‘工業(yè)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(chǎn)品”。

在技術(shù)成熟的情況下，為什么“工業(yè)4.0”的深入如此之難？這是因為，在傳統(tǒng)工業(yè)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(nèi)可以完成的。但是工業(yè)4.0的全面實現(xiàn)，意味著整個網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)。它牽涉的是每一個制造業(yè)企業(yè)，甚至與制造型企業(yè)完全不同領(lǐng)域的其他類型企業(yè)。

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(nèi)部的互聯(lián)，并為未來與其他工廠或者與供應(yīng)商、消費者的互聯(lián)打下基礎(chǔ)。在這個過程中，將會有兩類“工業(yè)4.0”型企業(yè)出現(xiàn)。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(yè)的。西門子等龍頭企業(yè)，正在力推它們所建立的“工業(yè)4.0”樣板工廠。如果越來越多的工廠購買西門子有關(guān)“工業(yè)4.0”的成套設(shè)備、IT解決方案，那么西門子的技術(shù)平臺就會逐漸占領(lǐng)市場，并最終居于這個新工業(yè)生態(tài)的核心位置。利用西門子平臺的用戶企業(yè)當(dāng)然也提高了自身的生產(chǎn)效率。“工業(yè)4.0”生態(tài)系統(tǒng)建立的過程，其實也就是企業(yè)未來位置的確立過程。

如同前面所分析的，整個“工業(yè)4.0”的建立，不僅需要制造型企業(yè)轉(zhuǎn)型，還需要與供應(yīng)商、消費者等其他領(lǐng)域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的搭建。這就考驗一個國家既有的工業(yè)和信息產(chǎn)業(yè)的能力。

事實上，大規(guī)模、全面性的“工業(yè)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(jīng)按照工業(yè)基礎(chǔ)（一個國家工業(yè)占GDP的比例）和準備程度（包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(yè)4.0革命的能力。最后得出的結(jié)果是，德國、瑞典等工業(yè)基礎(chǔ)與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展較好的國家，處于領(lǐng)跑的地位；而西班牙、葡萄牙等國家，則基本沒有能力做“工業(yè)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(yè)4.0”升級的國家中，如果某一國家具有“工業(yè)4.0”平臺建設(shè)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(yè)生態(tài)系統(tǒng)中居于中心，在新的制造業(yè)全球格局中占據(jù)優(yōu)勢。

各國的新比較優(yōu)勢

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

就德國而言，工業(yè)專業(yè)知識在全球遙遙領(lǐng)先于其他國家。它的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也非常出色：產(chǎn)業(yè)與學(xué)校之間有著高效且長期的合作；高比例的中小型企業(yè)與大企業(yè)有著穩(wěn)定的合作關(guān)系；生產(chǎn)廠家與客戶之間有著直接對話的緊密聯(lián)系。如果說“工業(yè)4.0”的核心是網(wǎng)絡(luò)，是將原本隔離的圍繞產(chǎn)品的各種模塊進行融合，那么這樣的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)無疑為“工業(yè)4.0”的開展提供了完美的物理基礎(chǔ)（CPS中的P）。但在“工業(yè)4.0”中，這些物理存在的傳統(tǒng)制造業(yè)體系需要信息化（CPS中的C）。而德國本身的信息產(chǎn)業(yè)在國際上的地位與它的制造業(yè)并不相當(dāng)，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(chǎn)業(yè)的支撐，德國制造業(yè)仍是傳統(tǒng)的而非“工業(yè)4.0”的。

對于美國而言，工業(yè)專業(yè)知識同樣全球領(lǐng)先，以硅谷為首的信息產(chǎn)業(yè)更是全球的領(lǐng)導(dǎo)者。以谷歌、臉書、亞馬遜等為代表的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，已經(jīng)將它們的產(chǎn)品融入了現(xiàn)代人生活的方方面面，也融入了制造業(yè)，比如谷歌所研制的無人駕駛汽車。但美國的傳統(tǒng)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)并不平衡。在過去很長一段時間里，美國按照生產(chǎn)集約化方式，將核心技術(shù)保留在國內(nèi)，將生產(chǎn)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(xiàn)代化生產(chǎn)運營能力大大削弱。雖然這幾年美國決意“再工業(yè)化”，但效果不佳。如果要建設(shè)“工業(yè)4.0”網(wǎng)絡(luò)，它的很多節(jié)點都在國外，數(shù)據(jù)也在國外，所以是有很大難度的。

再來看看中國，籠統(tǒng)而言的“中國制造”，工作環(huán)境不安全、生產(chǎn)過程不環(huán)保、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，總之問題多多；而且由于不掌握核心技術(shù)和高端裝備，整個制造業(yè)壓抑在加工制造一隅。但是從“工業(yè)4.0”的全新生態(tài)系統(tǒng)的視角來看，中國也具備著得天獨厚的優(yōu)勢。

在工業(yè)4.0體系中，消費數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，對供應(yīng)商而言都是未來產(chǎn)品的信息源。這些數(shù)據(jù)對于傳統(tǒng)工業(yè)強國而言，是可望而不可及的。中國的信息產(chǎn)業(yè)雖不及美國，但已經(jīng)有了全球性的企業(yè)出現(xiàn)。尤其近年來電商極其發(fā)達，消費者的需求和評價，都可以直達生產(chǎn)廠家，并被用來做分析下一步生產(chǎn)的基礎(chǔ)。另外，中國在低端制造領(lǐng)域的長期積累，也掌控了這一制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)必不可少的組成部分的主導(dǎo)權(quán)，這也是比如美國等不參與低端制造的國家所缺乏的。

關(guān)于中國在“工業(yè)4.0”的道路選擇上，有人認為既然“工業(yè)4.0”是以數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的6C模式，那么中國就應(yīng)當(dāng)利用好自己手中的數(shù)據(jù)并加強自己的數(shù)據(jù)分析能力；有人認為，中國制造業(yè)企業(yè)普遍還沒有實現(xiàn)信息化，所以應(yīng)該先進行必要的信息化，再考慮工業(yè)4.0。不管哪一種方案，都是在向“工業(yè)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(yè)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(chǎn)業(yè)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(yè)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。