“工业4.0”适应了万物互联的发展趋势

　　有专家认为，工业4.0的本质含义之一就是要打造一个世界级的工厂，那到底什么叫世界级的工厂?工业4.0能够整合最好的传感器、软件和技术，把一个全球公司在世界各地的工厂都汇集到一个网络里，总部可以通过互联网实时看到每个工厂运行的情况，并通过高度的可视化、自动化来实现提高效率、降低能耗的目的，这就是世界级的工厂，也是工业4.0的本质。

　　“工业4.0”是工业互联

　　但从根本上来讲，“工业4.0”是一种在信息技术发展到新阶段产生的新的工业发展模式。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。

　　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的核心是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区别与工业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”等等问题。

　　信息物理系统(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。信息物理系统(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、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、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。

　　产业链重塑

　　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网络空间虚拟系统——信息物理系统相结合的手段，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。所以会有对于生产的实时监控，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的问题，而是智能控制，而且能够实现产品的智能运输。如果系统中突然出现故障，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。物联网是把所有各种各样的部件考虑进去;而今后做决策时，是把所有的组织体系考虑进去，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，相互又非常精准地对接。

　　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，来收集所有的数据，并用一种控制的方式与有关各个环节进行互动。未来整个生产当中捕捉到的数据都可以进行实时分析，帮助人做出决策，进行一些设定同时进行传输，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，来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，原来的工人会受到影响。工人会产生担忧，在这种担忧下，会不配合和加以破坏;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的前提条件

　　人工智能的介入、机器人的大量使用会让设计的智能化、工艺的智能化、试验仿真的智能化、生产过程的智能化、保障的智能化成为现实。这就是工业4.0的未来发展，而深入实施数字化工程是实施工业4.0的前提条件。

　　中国老话讲“饭要一口口吃，路要一步步走”。从古今中外的历史发展来看，人类的进化及演变是一步一个脚印才走到了今天。当然，工业体系的发展也必然遵循这样一个规律，即通过新技术、新材料和创新可以把某个过程缩短，但要实现现代工业体系的跨越式发展需要有充分的前提条件。

　　在先进制造技术发展的进程中，出现了多项与智能制造相关的技术概念与实践，其中与智能制造关系最直接、最密切的是数字化技术、网络通信技术、信息技术、自动化技术和人工智能技术，以及敏捷制造、精益制造、网络化制造、数字化制造等。这些技术的应用与实践对智能制造的发展具有重要的支撑作用，但同时又与智能制造有所区别。

　　自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系，而其中又以“控制理论”和“计算机技术”对自动化技术的影响最大。

　　业产品的工程概念。按照产品研制流程，可以简单划分为4个阶段。

　　第一阶段是方案阶段，包含需求分析、概念设计、方案设计;第二阶段是工程研制阶段，包含初步设计、详细设计、试制、试验;第三阶段是产品定型后的批生产阶段;第四阶段是产品交付后的使用维护阶段;最后到了产品报废或回收，就完成了产品寿命周期的整个过程，这就是PLM。在历史上，没有计算机也研制生产了很多的产品，因此传统工业产品本身和数字化没有直接关系。

　　信息化单项技术应用阶段。20世纪60年代以后，随着计算机软硬件的迅猛发展，出现了大量CAX类的工具，逐步使工程师从传统的手工产品研制向计算机辅助方向转变，可以说是数字化工程的萌芽阶段。

　　数字化工程的概念。为使问题简单明了，我们先把CPS的C和P分开考虑，最后再加以综合。首先描述C，就是Cyber。

　　产品研制的几个阶段全部在计算机上完成，从虚拟的方案设计、虚拟工程研制、虚拟试验等在计算机上的反复迭代不断发现问题，解决问题。当然，基础是有大量计算机联网，并具有完整的基础数据库，应用大量CAX软件和工程管理软件，几千甚至是数万名工程师采用IPT的组织，在协同研制平台上完成复杂产品的设计仿真等工作。典型案例是波音787飞机，它基于全球的组织方式，采用各类软件约8000种。这就是CPS中的C(Cyber)空间，也就是基于互联网的协同研制众创空间。

　　在数字化生产的流程中，数字化生产要逐步从自动化的设备级做起，并根据需求，由若干设备组成自动化的生产线，由多条生产线建立自动化车间，最后部署成数字化工厂，对大型复杂产品需要构建多个自动化工厂的产业联盟。这样形成5个层级，各个层级的配置有着很大的区别。限于篇幅，这里不作过多描述。数字化生产离不开设备、设施、材料等，这些就是CPS中的P(Physical)。

　　将Cyber和Physical融合就是赛博-物理系统，简称CPS。CPS的初始阶段就是我国所讲的工业化和信息化两化融合。当然，随着技术的发展和深入应用，目前叫工业化和信息化两化深度融合。

　　未来智能制造业

　　通过通信网络，将工厂内所有设备互联的“智能工厂”就是其中最好的一个体现。德国制造业中的所有行业正在实施该项目有关的研究，并计划为此投入2亿欧元。智能工厂或者“工业4.0”，是从嵌入式系统向信息物理融合系统(CPS)发展的技术进化。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)的方向发展。

　　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等的网络技术，实现实时管理。

　　在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、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的生产系统，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。

　　相对于传统制造工业，以智能工厂为代表的未来智能制造业是一种理想的生产系统，能够智能编辑产品特性、成本、物流管理、安全、信赖性、时间以及可持续性等要素，从而为各个顾客进行最优化的产品制造。这样一种“自下而上”型的生产模式革命，不但能节约创新技术、成本与时间，还拥有培育新市场机会的网络容量。

　　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通话功能。由于全新的划时代应用和服务的提供商将不断涌现，渐渐形成新的价值链，所以，CPS也将对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的生产技术的各个工业部门，将同步因这些新价值链发生巨变。

　　给中国工业转型的启示

　　工业4.0是德国从政府层面提出的战略，代表德国从国家层面对未来制造业走向和相关问题的战略布局和对策，与我国提出的两化深度融合战略有很多相似之处，其提出的一系列政策措施，值得我们认真借鉴。

　　一是制造业智能化、互联网化是新一轮技术与产业革命的大趋势，要抓紧制定相应的顶层战略设计，重视话语权建设。为推进工业4.0计划的落实，德国资讯技术和通讯新媒体协会、德国机械设备制造业联合会以及德国电气和电子工业联合会等三大协会共同建立了跨界研究小组“工业4.0平台”，以协调所有参与工业4.0战略计划的资源。这也是德国推进工业4.0的组织保障。充分重视释放市场潜力的战略设计，为了执行工业4.0战略，德国采用了“领先的供应商战略”与“领先的市场战略”的双重战略来释放市场潜力。领先的供应商战略强调德国装备制造供应商要通过技术创新和集成，不断提供世界领先的技术解决方案，并藉此成为工业4.0产品全球领先的开发商、生产商，重视在新一轮技术与产业革命的话语权建设。为了充分发挥德国的传统优势，德国在吸收美国提出的CPS概念的基础上推陈出新，提出工业4.0战略，其目的就是要争夺话语权，为德国的新技术与产品出口创造机会。

　　德国的工业4.0战略，可以说是对于先进制造业发展方向和升级路径的决策，目标明确、战略务实、发展路径清晰，与我国工业转型升级规划中的两化深度融合的提法异曲同工。我国两化融合和两化深度融合概念虽然提出已久，但对战略设计、组织保障、推进路线等方面的认知还没有达到一定的水平，两化深度融合的提法也还没有提升到争夺全球新一轮技术与产业革命的话语权的高度来制定战略目标与执行路线。在这方面我们必须向德国、美国学习，立足于充分发挥中国制造业的现有优势，在深刻认识新一轮技术与产业革命的规律与特性的基础上，推进我国新一轮技术与产业革命的顶层战略规划，力争在全球新的技术与产业革命中建立自身的话语权。

　　二是高度重视标准在工业转型升级、两化深度融合战略和战略性新兴产业发展中的引领作用，大力推进标准的国际化建设。

　　德国是一个重视标准的国家，并将标准放到引领产业发展的高度上，认为标准尤其是关于安全、健康和环保等方面的标准，代表着掌控科技、掌控产业的进一步发展。据德国标准化协会计算，1960-1996年间德国每年3.3%的GDP增长中，标准的贡献率占0.9%，仅次于资本投入。

　　工业4.0认为，实现工业4.0目标的关键是建立一个人、机器、资源互联互通的网络化社会，物联网、互联网、服务化的智能联接必然要求一个系统框架，在这个框架内，各种终端设备、应用软件，它们之间的数据信息交换、识别、处理、维护等必须基于一套标准化的体系。为了顺利实现向工业4.0的转化，德国工业4.0工作组把标准化排在为推进工业4.0需要在关键领域采取的8项行动的第一位，工业4.0工作组还同时建议在工业4.0平台下成立一个工作小组，专门处理标准化和参考架构的问题。为此，2013年12月，德国电气电子和信息技术协会发表了“工业标准化路线图”。可以说，德国工业4.0中的标准化战略显示出“前导+研发”的鲜明模式特征，即在先进技术的研发同时，标准化同步甚至超前进行，以便为产业发展勾勒出整体框架。

　　为此，我们在推进两化深度融合的战略中，不仅要重视发挥标准化工作在产业发展中的引领作用，及时出台两化深度融合标准化路线图，而且还要实现标准的国际化，使得中国设立的标准得到国际上的广泛采用，以夺取战略性新兴产业发展的全球制高点。

　　三是在实施两化深度融合战略、发展战略性新兴产业的过程中，不仅要重视关键技术的发展和突破，更应重视系统配套体系、企业创新生态系统的建设。工业4.0强调系统、集成以及社会资源的再配置，是对整个制造业体系的发展的总体思考，而不仅仅把它作为一个新技术发展的问题。

　　在工业4.0的双重战略中，德国提出不仅要重视发挥大企业的龙头作用，更高度强调如何使中小企业能够应用工业4.0的成果来解决“产、学、研、用”互相结合和促进的问题。德国工业4.0战略不仅有传统的大公司西门子、博世、库卡积极参与该计划，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制造技术的使用者和受益者，同时也成为先进制造技术的创造者和供应者。

　　可以说，从技术发展、创新生态到社会融合，工业4.0特别注重“工业系统的整体跃迁”的实现路径与配套体系建设。我们在实施两化深度融合战略中，不但要重视大企业的龙头作用，还应充分吸收中小企业参与，以推动跨学科、跨行业的创新生态系统的建设。同时，如何为工业提供综合的宽带互联网基础设施、如何开发和管理工业大数据、如何保证工业IT系统与工业控制系统的安全，这些课题都值得我们在实施工业转型升级规划时重点考虑。尤其重要的是，我们应把推进工业大数据产业的发展置于抢占新一轮技术与产业革命的制高点的高度加以推进，不仅应加强工业大数据的应用研究，更要加强工业大数据分析和处理技术的开发。

　　中国版工业4.0战略

　　2014年3月，国家主席习近平访问德国，在《法兰克福汇报》发表的署名文章中重点提到德国工业4.0战略。中德合作将会有更多契合点，获得新动力。中德关系也将在现有高水平的基础上，进入一个精确磨合和深度对接的新阶段。这被市场一致认为是中国正式提出加速制造业发展的关键一步。

　　2014年10月，李总理访问德国，发表《中德合作行动纲要》，宣布了中德两国将开展工业4.0合作，这对于中国企业而言意味着巨大的转型契机，该领域合作有望成为中德未来产业合作的新方向。

　　10月28日，我国同济大学与德国菲尼克斯电气历时1年共同建成了国内首个工业4.0——智能工厂实验室。未来该实验室将从概念走向工程实践，走向国内工程教育第一线，进一步推动我国工业4.0进程。

　　11月，第16届中国国际工业博览会(简称工博会)在上海开幕，工信部部长苗圩在开幕词中指出，就工业整体而言，要更加注重推进信息化和工业化的深度融合，把智能制造作为主攻方向和重点内容。推进信息技术的集成、综合应用和融合创新，促进制造业的数字化、智能化、网络化的发展，全面加快工业的转型升级，推动工业由大变强。

　　在工博会上，来自国内外的厂家向参会人员展示了各种工业4.0产业线的相关设备，体现出了工业4.0的两大特点：一是多批次小批量，定制生产满足个性化需求;二是智能化。如果你想要一支黑色的铅笔，在网上下单，指令第一时间传到生产铅笔的机器上，不需要任何中间流程。这台机器同时能生产5种颜色的铅笔，但接到指令，它只“蹦”出黑色的来。