導讀：德國工業4.0戰略為我們展現了一幅全新的工業藍圖，深入分析其愿景與要點，可以洞察德國提出工業4.0的目的與戰略意圖。在新的發展背景下，將信息化的時代特征與我國工業化歷史進程緊密結合起來，把兩化深度融合作為主線，為推動工業轉型升級注入新的動力，從而在向工業化邁進的過程中占得先機，這是4.0戰略對我國推進工業轉型升級的重要啟示。


       “工業4.0”的概念源于2011年德國漢諾威工業博覽會，其初衷是通過應用物聯網等新技術提高德國制造業水平。在德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等學術界和產業界的大力推動下，德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部于2013年將“工業4.0”項目納入了《高技術戰略2020》的十大未來項目中，計劃投入2億歐元資金，支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新。隨后，德國機械及制造商協會（VDMA）等設立了“工業4.0平臺”，德國電氣電子和信息技術協會發表了德國首個工業4.0標準化路線圖。
       德國政府認為，盡管德國擁有強大的機械和裝備制造業，但中國對德國工業構成了競爭威脅，美國也在通過各種計劃促進先進制造業發展，因此，制定“工業4.0”戰略的目的就是為了“確保德國制造的未來”。當前，正值我國大力推動兩化深度融合、促進工業轉型升級的關鍵時期，德國推行“工業4.0”戰略的理念、內容和做法等諸多方面，都值得我們認真關注、學習并給出積極回應。

       “工業4.0”戰略愿景與要點

       與美國流行的第三次工業革命的說法不同，德國將制造業領域技術的漸進性進步描述為工業革命的四個階段，即工業4.0的進化歷程（圖1）。

       工業1.0。18世紀60年代至19世紀中期，通過水力和蒸汽機實現的工廠機械化可稱為工業1.0。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2.0。19世紀后半期至20世紀初，在勞動分工的基礎上采用電力驅動產品的大規模生產可稱為工業2.0。這次工業革命，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。
       工業3.0。始于20世紀70年代并一直延續到現在，電子與信息技術的廣泛應用，使得制造過程不斷實現自動化，可稱為工業3.0。自此，機器能夠逐步替代人類作業，不僅接管了相當比例的“體力勞動”，還接管了一些“腦力勞動”。
       工業4.0。德國學術界和產業界認為，未來10年，基于信息物理系統（Cyber-Physical System，CPS）的智能化，將使人類步入以智能制造為主導的第四次工業革命。產品全生命周期和全制造流程的數字化以及基于信息通信技術的模塊集成，將形成一個高度靈活、個性化、數字化的產品與服務的生產模式。
       “工業4.0”為我們展現了一幅全新的工業藍圖：在一個“智能、網絡化的世界”里，物聯網和務聯網（服務互聯網技術）將滲透到所有的關鍵領域，創造新價值的過程逐步發生改變，產業鏈分工將重組，傳統的行業界限將消失，并會產生各種新的活動領域和合作形式。
       首先，工業4.0將使得工業生產過程更加靈活、堅強。這將使得動態的、適時優化的和自我組織的價值鏈成為現實，并帶來諸如成本、可利用性和資源消耗等不同標準的最優化選擇。包括在制造領域的所有因素和資源間形成全新的循環網絡、智能產品獨特的可識別性、個性化產品定制以及高度靈活的工作環境等。
       其次，工業4.0將發展出全新的商業模式和合作模式。這些模式將力爭確保潛在的商業利潤在整個價值鏈所有利益相關人之間公平地共享，包括那些新進入的利益相關人。同時，工業4.0“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，這將引發一系列諸如融資、發展、可靠性、風險、責任和知識產權以及技術安全等問題。
       再次，工業4.0將帶來工作方式和環境的全新變化。全新的協作工作方式使得工作可以脫離工廠，通過虛擬的、移動的方式開展。員工將擁有高度的管理自主權，可以更加積極地投入和調節自己的工作。同時，隨著工作環境和工作方式的巨大改變，可以大幅度提升老年人和婦女的就業比例，確保人口結構的變化不會影響當前的生活水平。
       最后，工業4.0將促進形成全新的信息物理系統平臺。全新的信息物理系統平臺能夠聯系到所有參與的人員、物體和系統，將提供全面、快捷、安全可靠的服務和應用業務流程，支持移動終端設備和業務網絡中的協同制造、服務、分析和預測流程等，如圖2所示。

       德國“工業4.0”戰略的要點可以概括為：建設一個網絡、研究兩大主題、實現三項集成、實施八項計劃。
       建設一個網絡：信息物理系統網絡。信息物理系統就是將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、精確控制、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。這是實現工業4.0的基礎。
       研究兩大主題：智能工廠和智能生產。“智能工廠”是未來智能基礎設施的關鍵組成部分，重點研究智能化生產系統及過程以及網絡化分布生產設施的實現。“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，從而形成高度靈活、個性化、網絡化的產業鏈。生產流程智能化是實現工業4.0的關鍵。
       實現三項集成：橫向集成、縱向集成與端對端的集成。“工業4.0”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，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯，從而實現橫向、縱向和端對端的高度集成。       “橫向集成”是企業之間通過價值鏈以及信息網絡所實現的一種資源整合，是為了實現各企業間的無縫合作，提供實時產品與服務；“縱向集成”是基于未來智能工廠中網絡化的制造體系，實現個性化定制生產，替代傳統的固定式生產流程（如生產流水線）；“端對端集成”是指貫穿整個價值鏈的工程化數字集成，是在所有終端數字化的前提下實現的基于價值鏈與不同公司之間的一種整合，這將最大限度地實現個性化定制。
       實施八項計劃：“工業4.0”得以實現的基本保障。一是標準化和參考架構。需要開發出一套單一的共同標準，不同公司間的網絡連接和集成才會成為可能。二是管理復雜系統。適當的計劃和解釋性模型可以為管理日趨復雜的產品和制造系統提供基礎。三是一套綜合的工業寬帶基礎設施。可靠、全面、高品質的通信網絡是“工業4.0”的一個關鍵要求。四是安全和保障。在確保生產設施和產品本身不能對人和環境構成威脅的同時，要防止生產設施和產品濫用及未經授權的獲取。五是工作的組織和設計。隨著工作內容、流程和環境的變化，對管理工作提出了新的要求。六是培訓和持續的職業發展。有必要通過建立終身學習和持續職業發展計劃，幫助工人應對來自工作和技能的新要求。七是監管框架。創新帶來的諸如企業數據、責任、個人數據以及貿易限制等新問題，需要包括準則、示范合同、協議、審計等適當手段加以監管。八是資源利用效率。需要考慮和權衡在原材料和能源上的大量消耗給環境和安全供應帶來的諸多風險。

       總的來看，“工業4.0”戰略的核心就是通過CPS網絡實現人、設備與產品的實時連通、相互識別和有效交流，從而構建一個高度靈活的個性化和數字化的智能制造模式。在這種模式下，生產由集中向分散轉變，規模效應不再是工業生產的關鍵因素；產品由趨同向個性的轉變，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；用戶由部分參與向全程參與轉變，用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。

       “工業4.0”戰略目的與意圖

       積極應對新科技產業革命，爭奪國際產業競爭話語權的重要舉措。美國等發達國家紛紛把重振制造業作為近年來最優先的戰略議程。當前，信息通信、新能源、新材料、生物等領域的多點突破，正孕育和催生新一輪科技和產業變革。為在國際競爭中贏得主動權，2009年初美國開始調整經濟發展戰略，同年12月公布《重振美國制造業框架》；2011年6月和2012年2月相繼啟動《先進制造業伙伴計劃》和《先進制造業國家戰略計劃》，并通過積極的工業政策，鼓勵制造企業重返美國。從實際效果看，美國制造業占GDP的比重從2010年的12％回升至2013年的15％。此外，日本、韓國等也特別重視對以信息技術、新能源為代表的新興產業的扶持。例如，2009年3月，日本出臺信息技術發展計劃，促進IT技術在醫療、行政等領域的應用；同年4月推出新增長策略，支持環保型汽車、電力汽車、太陽能發電等產業的發展。韓國制定《新增長動力規劃及發展戰略》，將綠色技術、尖端產業等領域共17項新興產業確定為新增長動力。
       中國等新興經濟體在全球制造業領域的影響力和競爭力迅速提升。1990-2011年間，傳統工業化國家制造業增加值平均增長了17%，而以金磚四國（中國、俄羅斯、印度、巴西）為代表的新興工業國家則增長了179%。在新興經濟體中，中國制造業產出約占全球的20%，成為全球制造業第一大國。同時，中國政府制定了《工業轉型升級規劃》、《國家戰略性新興產業發展規劃》等，積極推動制造業的轉型提升。2011年，印度通訊和信息技術部正式啟動“信息物理系統創新中心”，開展包括人形機器人在內的多個領域的研究。根據Zebra Tech公司的最新調查，即便目前，印度企業使用物聯網技術的水平也位于世界前列。
       德國亟須通過戰略調整指引企業積極爭奪國際制造業競爭制高點。新一代信息通信技術的發展，催生了移動互聯網、大數據、云計算、工業可編程控制器等的創新和應用，推動了制造業生產方式和發展模式的深刻變革。在這一過程中，盡管德國擁有世界一流的機器設備和裝備制造業，尤其在嵌入式系統和自動化工程領域更是處于領軍地位，但德國工業面臨的挑戰及其相對弱項也十分明顯。一方面，機械設備領域的全球競爭正日趨激烈，不僅美國積極重振制造業，亞洲的機械設備制造商也正奮起直追，威脅德國制造商的地位。另一方面，軟件與互聯網技術是德國工業的相對弱項。為了保持作為全球領先的裝備制造供應商以及在嵌入式系統領域的優勢，面對新一輪技術革命的挑戰，德國提出自己的“工業4.0”戰略，目的就是充分發揮德國的傳統優勢，大力推動物聯網和服務互聯網技術在制造業領域的應用，在向工業化第四階段邁進的過程中先發制人，與美日等國爭奪新科技產業革命的話語權。
       順應全球制造業發展新趨勢，推進智能制造新模式的客觀要求。信息技術在裝備、管理、交易等環節的應用不斷深化，推動柔性生產、智能制造和服務型制造日益成為生產方式變革的重要方向。信息網絡技術的廣泛應用，使得集成了生產經驗、成熟工藝、科學方法的全自動生產線加快普及，不僅大大提高了生產效率，還極大地促進了生產過程的無縫銜接和企業間的協同制造。互聯網理念擴展到工業生產和服務領域，催生了眾包設計、個性化定制等新模式，將促進生產者與消費者實時互動，使得企業生產出來的產品不再大量趨同而是更具個性化。信息技術、大數據等的廣泛應用，還不斷推動企業生產從以傳統的產品制造為核心轉向提供具有豐富內涵的產品和服務，直至為顧客提供整體解決方案。互聯網企業與制造企業、生產企業與服務企業之間的邊界日益模糊。越來越多的事實表明，信息技術特別是互聯網技術的發展和應用正以前所未有的廣度和深度，加快推進制造業生產方式、發展模式的深刻變革。
       “工業4.0”強調通過信息網絡與物理生產系統的融合來改變當前的工業生產與服務模式，將成為企業提高產品附加值、增強市場競爭力的重要手段。在“工業4.0”時代，產品與生產設備之間、不同的生產設備之間，通過數據交互連接到一起，讓工廠內部縱向之間甚至工廠與工廠橫向之間都能成為一個整體，從而形成生產的智能化。2013年德國Zeiss集團在歐洲機床展上展示了一套名為PiWeb的系統。該系統能夠實現跨國公司分布在不同地區工廠的機器測量數據的網絡共享，實現全球不同工廠數據的同步監測。德國的博世、奔馳和大眾等公司已經開始使用這套系統。此外，在2014年的漢諾威工業博覽會上，德國展示了共有10家企業聯合參與研發的全球第一個“工業4.0”演示系統，以證明該概念實現的可能性。這表明，德國不僅能夠向全球提供利用智能制造系統生產的工業產品，也力圖成為先進智能制造技術的創造者和供應者，由此促進德國制造業智能化、服務化。

       “工業4.0”戰略的中國啟示

       把兩化深度融合作為主要著力點。德國“工業4.0”戰略與我國提出的兩化深度融合有很多相通之處。在某種程度上，兩化融合可稱為我國工業的3.0，兩化深度融合可以說是我國工業的4.0。在新的發展背景下，只有將信息化的時代特征與我國工業化歷史進程緊密結合起來，把兩化深度融合作為主線，才能為推動工業轉型升級注入新的動力，也才能在向工業化邁進的過程中占得先機。
       超前部署建設國家信息物理系統網絡平臺。信息物理系統將改變人類與物理世界的交互方式，物質生產力、信息生產力，能源、材料和信息三種資源高度融合，將使未來產業發生真正革命性的變革，對未來世界產生深遠影響。美、德等世界工業強國都高度重視信息物理空間構建，加強戰略前瞻部署，并取得積極研究進展。中國要決勝未來的競爭，必須在構建信息物理系統網絡平臺上先行一步。一方面，在國家新的信息化發展戰略中加強對CPS的總體布局，研究制定CPS建設的戰略目標、重點任務、發展路徑和政策舉措。同時，在制造業發展、智慧城市建設、國家網絡和信息安全等工作中加強前瞻部署和應用推廣。另一方面，可借鑒美國組建“國家制造創新網絡中心”的做法，組建一批國家信息物理系統網絡平臺，負責承擔基礎理論研究，組織力量研發突破CPS軟件、傳感器、移動終端設備等工具和裝備，推動重點行業企業的開發應用。
       啟動國家智能制造重大專項工程。智能制造已成為全球制造業發展的新趨勢，智能設備和生產手段在未來必將廣泛替代傳統的生產方式。當前，我國在智能測控、數控機床、機器人、新型傳感器、3D打印等領域，初步形成完整的產業體系。但總體看，我國制造業發展仍然以簡單地擴大再生產為主要途徑，通過智能產品、技術、裝備和理念改造提升傳統制造業的任務艱巨而迫切。建議從國家層面啟動實施智能制造專項工程，加強技術攻關，開展應用示范，推動制造業向智能化發展轉型。一是重點突破智能機器人。開展智能機器人及智能裝備系統集成、設計、制造、試驗檢測等核心技術研究，攻克精密減速器、伺服驅動器、傳感器等關鍵零部件。二是開展數字工廠應用示范。在全國范圍內分行業分區域選取試點示范企業，給予扶持，建設數字制造的示范工廠，發揮其“種子”作用。三是推動制造業大數據應用。以行業龍頭企業為先導，鼓勵其應用大數據技術提升生產制造、供應鏈管理、產品營銷及服務等環節的智能決策水平和經營效率。
       用標準引領信息網絡技術與工業融合。“工業4.0”戰略的關鍵是建立一個人、機器、資源互聯互通的網絡化社會，各種終端設備、應用軟件之間的數據信息交換、識別、處理、維護等必須基于一套標準化的體系。為了保障“工業4.0”的順利實現，德國把標準化排在八項行動中的第一位，同時建議在“工業4.0”平臺下成立一個工作小組，專門處理標準化和參考架構的問題。2013年12月，德國電氣電子和信息技術協會發表了德國首個“工業4.0”標準化路線圖。可以說，標準先行是“工業4.0”戰略的突出特點。為此，我們在推進信息網絡技術與工業企業深度融合的具體實踐中，也應高度重視發揮標準化工作在產業發展中的引領作用，及時制定出臺“兩化深度融合”標準化路線圖，引導企業推進信息化建設。同時，還要著力實現標準的國際化，使得中國制定的標準得到國際上的廣泛采用，以奪取未來產業競爭的制高點和話語權。
       構建有利于工業轉型升級的制度保障體系。德國“工業4.0”戰略十分重視產業創新、組織創新與現有制度相沖突的問題。“工業4.0”一方面增加了管控的復雜性，技術標準的制定需要符合相應的法律法規；另一方面也需要制定相應的規章制度促進技術創新。“工業4.0”采取了一系列措施以加強制度保障，比如設立處理各類問題的專職工作組，制定和實施安全性支撐行動，建立培訓和再教育制度等。我國在推動工業轉型升級的問題上，也同樣面臨制度保障方面的相關問題。因此，非常有必要建立和完善有利于工業轉型升級的長效機制，比如知識產權保護制度，節能環保、質量安全等重點領域的法律法規，人才培養和激勵機制等，從而形成推動工業轉型升級的制度保障。
       產學研用聯合推動制造業創新發展。德國“工業4.0”是由德國工程院、弗勞恩霍夫協會、西門子公司等聯合發起的，工作組成員也是由產學研用多方代表組成的。因此，“工業4.0”戰略一經提出，很快得到了學術界、產業界的積極響應。事實上，政府支持產學研合作的動機不單純來自于市場考量，通過產學研合作創新促進競爭往往成為發達國家重要的戰略意圖。我國應該充分吸收和借鑒發達國家產學研用聯合模式，一方面，針對不同類型自發的產學研合作網絡或產業研發聯盟，政府要通過引導和支持的方式促進其發展；另一方面，選擇幾個重點行業和關鍵技術領域進行試點，以行業骨干企業為龍頭，聯合科研實力雄厚的大學和科研機構，組建多種形式的產學研研發聯盟，充分調動各方資源和力量，共同推進技術研發和應用推廣。