叩开工业4.0的大门

　　近来年，随着网络信息技术、大数据、云计算运用威力初显，一项更伟大的工具——互联网技术正在参与、渗透到工业生产过程中去，信息化和工业化的交织，正在催生着人类工业4.0时代的到来。

　　这种以智能制造为主导的新型工业形式，首先以德国人在2011年德国汉诺威工业展览上所提出的，以实现资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟网络—实体物理系统（CPS）”为标志。2013年，德国政府将其上升为国家战略。

　　根据德国版“工业4.0”描绘的美好前景，待现代智能机器人、传感器、数据存储和计算能力成熟后，现有工厂将会通过工业互联网把供应链、生产过程和仓储物流智能连接起来，真正使生产过程全自动化，产品个性化，前端供应链管理、生产计划、后端仓储物流管理智能化。人类从此进入智能制造时代。

　　如今，我们正站在工业4.0的门前。不久的将来，我们吃的药是根据每个人的基因来配方的；我们的早餐可以根据个人的口味和营养需求来调配生产；工厂生产线可以按照工人希望的时间开工，无需担心下午没法去接孩子；生产车间里是机器告诉机器下一步做什么，而非中心控制台的技术员在操作。

　　这个听上去非常抽象的名词，关联到的却是一场改变人类生产方式的革命。那么，工业4.0到底是什么？

　　工业4.0的进化过程

　　与国际社会关于第三次工业革命的说法不同，德国学术界和产业界认为，前三次工业革命的发生，分别源于机械化、电力和信息技术。

　　工业革命1.018世纪末期始于英国的第一次工业革命，于19世纪中叶结束。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到了以工业以及机械制造带动经济发展的模式。

　　工业革命2.0第二次工业领域大变革发生在20世纪初期，进入了生产线生产的阶段，通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。20世纪70年代以后，电子工程和信息技术的加入实现了生产的最优化和自动化。

　　工业革命3.0第三次工业革命始于第二次工业革命过程中发生的生产过程高度自动化。至此，机械能够逐步替代人类作业。

　　工业革命4.0未来10年，第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。工业4.0通过决定生产制造过程中的网络技术，实现实时管理。

　　可以说，物联网和制造业服务化迎来了以智能制造为主导的第四次工业革命，即工业4.0。

　　德国工业4.0战略

　　对德国工业4.0的核心内容进行概括的话，可以总结为：建设一大网络、研究两大主题、实现三大集成、促进三个转变。

　　一是建设一大网络，即CPS。CPS的核心思想是强调虚拟网络世界与实体物理系统的融合。CPS可以将资源、信息、物体以及人员紧密联系在一起，从而创造物联网及相关服务，并将生产工厂转变为一个智能环境。

　　二是研究两大主题，即智能工厂与智能生产。作为目标核心载体的智能工厂，即分散的、具备一定智能化的生产设备，在实现了数据交互之后，能够形成高度智能化的有机体，实现网络化、分布式的生产设施；智能生产的侧重点在于将人机互动、智能物流管理、3D打印等先进技术应用于整个工业生产过程。

　　未来智能工厂与智能生产的实现意味着：较之传统生产模式，新的生产方式将大幅提高资源利用率，产品生产过程中的实时图像显示使得虚拟生产变为可能，从而减少材料浪费；个性化定制将成为可能，生产速度大幅提高。

　　三是实现三大集成，即价值链上企业之间的横向集成、网络化制造系统的纵向集成以及端对端工程数字化集成。

　　在生产、自动化工程以及IT领域，价值链上企业间的横向集成是指将使用于不同生产阶段及商业规划过程的IT系统集成在一起，这包括了发生在公司内部和不同公司之间的材料、能源和信息的交换（比如入站物流、生产过程、出站物流、市场营销），横向集成的目的是提供端对端的解决方案。

　　与此相对应，网络化制造系统的纵向集成是指将处于不同层级的IT系统进行集成（例如，执行器和传感器、控制、生产管理、制造和企业规划执行等不同层面），其目的同样是为了提供一种端对端的解决方案。

　　端对端工程数字化集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成，是在所有终端实现数字化的前提下所实现的，基于价值链与不同公司之间的一种整合，这将在最大程度上实现个性化定制。在此模式下，客户从产品设计阶段就参与到整条生产链，并贯穿于加工制造、销售物流等环节，可实现随时参与和决策，并自由配置各个功能组件。

　　四是促进三个转变。一是实现生产由集中向分散的转变，规模效应不再是工业生产的关键因素，工业生产的基本模式将由集中式控制向分散式增强型控制转变；二是实现产品由大规模趋同性生产向规模化定制生产转变，未来产品都将完全按照个人意愿进行生产，极端情况下，将成为自动化、个性化的单件制造；三是实现由客户导向向客户全程参与的转变，客户不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。

　　归纳而言，德国工业4.0就是利用信息通信技术把产品、机器、资源和人有机结合在一起，通过信息通信技术建立一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在此模式中，CPS系统将推动生产对象直接或借助互联网通过M2M（机器对机器）通信自主实现信息交换、运转和互相操控；智能工厂能够自行运转，产品与机器可以相互交流，机器可以自行组织生产，供应链将自动化协同，产业链分工将被重组，创造新价值的过程将发生改变。

　　工业4.0：互联

　　从根本上来讲，工业4.0是一种在信息技术发展到新阶段产生的新工业发展模式。从终极目标来看，工业4.0不能为技术而技术，核心在于提高企业、行业乃至国家的整体竞争力。

　　西门子、博世和蒂森克虏伯的专家在交流时都提到，工业4.0的核心是连接，要把设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户紧密地连接在一起。工业4.0适应了万物互联的发展趋势，将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络，使得产品与生产设备之间、不同的生产设备之间以及数字世界和物理世界之间能够互联，使得机器、工作部件、系统以及人类会通过网络持续地保持数字信息的交流。

　　从工业2.0到工业3.0时代的重要标志是，单机智能设备的广泛普及。工业4.0把1969年第一个可编程逻辑控制器Modicon084的使用作为工业3.0的起点，其核心是各种数控机床、工业机器人自动化设备在生产环节的推广，我们可以把它理解为单机设备智能化水平不断提升并广泛普及推广。

　　工业4.0可以实现单机智能设备的互联，不同类型和功能的智能单机设备的互联组成智能生产线，不同的智能生产线间的互联组成智能车间，智能车间的互联组成智能工厂，不同地域、行业、企业的智能工厂的互联组成一个制造能力无所不在的智能制造系统，这些单机智能设备、智能生产线、智能车间及智能工厂可以自由动态地组合，以满足不断变化的制造需求，这是工业4.0区别于工业3.0的重要特征。

　　正如德国总理默克尔在2014年汉诺威工博会上所讲的，工业4.0意味着智能工厂能够自行运转，零件与机器可以进行交流。由于产品和生产设备之间能够通信，使得产品能理解制造的细节以及自己将被如何使用。同时，它们能协助生产过程，回答诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应该被用来处理我”“我应该被传送到哪”等问题。

　　CPS是工业4.0的核心，它通过将物理设备连接到互联网上，让物理设备具有计算、通信、控制、远程协调和自治等五大功能，从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。CPS可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起，从而创造物联网及相关服务，并将生产工厂转变为一个智能环境，是实现设备、产品、人协调互动的基础。智能制造的核心在于实现机器智能和人类智能，实现生产过程的自感知、自适应、自诊断、自决策和自修复。

　　信息技术发展的终极目标是实现无所不在的连接，所有产品都将成为一个网络终端。万物互联就是人、物、数据和程序通过互联网联接在一起，实现人类社会所有人和人、人和物以及物和物之间的互联，重构整个社会的生产工具、生产方式和生活场景。人们能够以多种方式通过社交网络联接到互联网，基于感知、传输、处理的各类人造物将成为网络的终端，人、物以及数据在网络环境下进行流程再造，基于物理世界感知和人群交互的在线化、实时化的数据与智能处理改变着我们对外部世界的响应模式。

　　大数据技术的发展和应用，使得价值链上各环节数据和信息能够被深入分析和挖掘，为企业管理者和参与者提供看待价值链的全新视角，使得企业有机会把价值链上更多的环节转化为企业的战略优势。例如，汽车公司大数据提前预测到哪些人会购买特定型号的汽车，从而实现目标客户的响应率提高15%~20%，客户忠诚度提高7%。

　　工业4.0：创新

　　工业4.0的实施过程实际上就是制造业创新发展的过程，制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将会层出不穷。

　　技术创新

　　未来工业4.0的技术创新在3条轨道上进行，一是新型传感器、集成电路、人工智能、移动互联、大数据在信息技术创新体系中不断演进，并为新技术在其他行业的不断融合渗透奠定技术基础。二是传统工业在信息化创新环境中，不断优化创新流程、创新手段和创新模式，在既有的技术路线上不断演进。三是传统工业与信息技术的融合发展，它既包括信息物理空间、智能工厂整体解决方案等一系综合集成技术，也包括集成工业软硬件的各种嵌入式系统、虚拟制造、工业应用电子等单项技术突破。

　　产品创新

　　信息通信技术不断融入工业装备中，推动着工业产品向数字化、智能化方向发展，使产品结构不断优化升级。一方面，传统的汽车、船舶、家居的智能化创新步伐加快，如汽车正进入“全面感知+可靠通信+智能驾驶”的新时代，万物互联时代正在到来。另一方面，制造装备从单机智能化向智能生产线、智能车间到智能工厂演进，提供工厂级的系统化、集成化、成套化的生产装备成为产品创新的重要方向。

　　模式创新

　　工业4.0将发展出全新的生产模式、商业模式。首先在生产模式层面，工业4.0对传统工业提出了新的挑战，要求从过去的“人脑分析判断+机器生产制造”的方式转变为“机器分析判断+机器生产制造”的方式，基于CPS系统的智能工厂和智能制造模式正在引领制造方式的变革。

　　其次在商业模式层面，工业4.0的网络化制造、自我组织适应性强的物流和集成客户的制造工程等特征，也使得它追求新的商业模式以率先满足动态的商业网络而非单个公司，网络众包、异地协同设计、大规模个性化定制、精准供应链管理等新型智能制造模式将加速构建产业竞争新优势。

　　业态创新

　　伴随着信息技术的升级应用，从现有产业领域中衍生叠加出的新环节、新活动，将会发展成为新的业态，并在新市场需求的拉动下，形成引发产业体系重大变革的产业。就目前来看，工业云服务、工业大数据应用、物联网应用都有可能成为或者催生出一些新的产业和新的经济增长点。制造与服务融合的趋势，使得全生命周期管理、总集成总承包、互联网金融、电子商务等行业加速重构产业价值链的新体系。

　　组织创新

　　在工业4.0时代，很多企业将会利用信息技术手段和现代管理理念，进行业务流程重组和企业组织再造，现有的组织体系将被改变，符合智能制造要求的组织模式将会出现。基于CPS系统的智能工厂将会加快普及，进一步推动企业业务流程的优化和再造。

　　从实践的角度来看，国内企业在组织创新方面做了很多积极的探索，海尔总裁张瑞敏提出企业无边界、组织无领导、供应链无中心等新的管理理念。华为总裁任正非提出让听见炮火的人指挥战斗，作战的基本单元要从师一级缩小到旅、团、营、连，一直到班，以后的战争是“班长的战争”。

　　工业4.0：重塑

　　德国学术界和产业界认为，“工业4.0”是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通讯技术和CPS系统相结合的手段，将制造业向智能化转型。

　　如果工厂还有生产体系的话，它们可以高度智能化。

　　智能化的工厂完全由物联网加以控制，制造流程完全可以由电脑来加以整合，实现对生产的实时监控，监控可以观察到需要什么样的新材料，需要什么样的工序来保证整个生产的进程。这不是简单的生产自动化问题，而是智能控制，能够实现产品的智能运输。如果突然出现故障，系统就会自动下令停下，自动进行修理。

　　生产需要的产品时，可以智能利用有关能源。通过IT技术，可以保证对于能源的使用是以最为有效的方式进行的。物联网是把各种各样的部件考虑进去，在做决策时，考虑所有的组织体系，这是一种整体的思考方法，这将使产业链分工变得高度有效，相互间可以非常精准地对接。

　　未来可以看到一个智能化的经济体：包括智能化的生产、工厂、生活、家居、交通、物流、治理、环境、人的活动等产业链要素。这个过程实际上由IT系统加以控制，IT系统知道如何组织生产、如何收集数据，并用一种控制的方式与有关环节进行互动。未来整个生产当中捕捉到的数据都可以进行实时分析，帮助人作出决策，进行一些设定和传输，而且在发生某些故障时，自动发送警告。

　　如此，智能工厂的生产组织变得极其高效。同时，单体智能工厂也可以成为联合体，即把外部的一些工厂包括进来。比如单体智能工厂在进行生产时，一旦某些原料用完了，厂外供应商会自动获取信息，然后就会自动交付定额的原料。

　　智能工厂和厂外的合作伙伴完全可以通过智能系统进行整合，这是非常和谐的互动，可以诞生智能化的商业模式，即随时在生成数据，随时按照精确的数据让生产方了解情况，进而改善生产当中的状况。

　　工业4.0用了很多IT技术，毫无疑问会重新塑造整个生产流程，原来的工人难免会受到影响，产生担忧，在这种担忧下，会不配合工作甚至加以破坏，因此，需要和他们进行讨论，告诉他们未来的整个工作场景是怎样的，希望他们参与进来，让这样的技术最终改善他们的处境，而不是相反。德国也特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。

　　工业4.0：智能

　　通过通信网络，将工厂内所有设备互联的智能工厂就是最好的体现。作为未来第四次工业革命的代表，工业4.0不断向实现物体、数据以及服务等无缝连接的互联网（物联网、数据网和服务互联网）方向发展。

　　未来10年，第四次工业革命将步入“分散化”生产的新时代。未来的智能制造业中，CPS对涵盖自动化、生产技术、汽车、机械工程、能源、运输以及远程医疗等众多工业部门的应用领域，具有非常重要的意义。因CPS而实现的许多应用，将产生新附加价值链和业务模式。CPS不仅可以降低实际成本，提高能源、时间等的效率，还能降低CO2排放水平，在保护环境上发挥重大作用。

　　因为CPS的存在，智能工厂的生产系统、产品、资源及处理过程都将具有非常高水平的实时性，同时在资源、成本节约中更具优势。智能工厂将按照重视可持续性的中心原则来设计，因此，服从性、灵活性、自适应性、学习能力、容错能力甚至风险管理都是其中不可或缺的要素。智能工厂设备的高级自动化，主要是由基于自动观察生产过程中CPS生产系统的灵活网络来实现的。通过可实时应对的灵活生产系统，能够实现生产工程的彻底优化。同时，生产优势不仅仅是在特定生产条件下的一次性体现，还可以实现多家工厂、多个生产单元所形成的世界级网络的最优化。

　　基于高性能软件的嵌入式系统与融合在数字网络中的专业用户接口之间发生的相互作用，将诞生全新的系统功能性世界。举一个简单的例子，智能手机囊括许多应用和服务，已经远远超出设备本身的通话功能。由于全新的划时代应用和服务提供商将不断涌现，渐渐形成新的价值链，所以，CPS也将为现有业务与市场模式带来范式转变。汽车工业、能源经济，还有包括诸如工业4.0生产技术的各个工业部门，将因这些新价值链而发生同步巨变。

　　如果要对工业4.0是什么做一个小结的话，工业4.0是一个发展的概念，是一个动态的概念，是一个理解未来信息技术与工业融合发展的多棱镜，站在不同的角度会有不同的理解。工业4.0是互联，是集成，是数据，是创新，是服务，是转型；工业4.0是CPS，是智能工厂，是智能制造；工业4.0是国家战略，是企业行为。

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