決勝未來，構(gòu)建“工業(yè)4.0”的信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

陳淵源　吳勇毅

信息化列車還正奔馳，智能化動(dòng)車又呼嘯而來。

“工業(yè)4.0”，這個(gè)新鮮的名詞最近儼然成為工業(yè)界和IT業(yè)最熱的名詞，掀起新一輪智造新革命的熱潮。

“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡稱CPS） 相結(jié)合的手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。更具體而言，“工業(yè)4.0”是指將信息物理系統(tǒng)（CPS）全面嵌入制造、工程、材料使用和供應(yīng)鏈管理中，即建造可以全球定位聯(lián)動(dòng)的“智能工廠”，它所展現(xiàn)的未來工業(yè)前景是強(qiáng)大的智能網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)一步的去人工化。

“工業(yè)4.0”，這個(gè)提法最早出現(xiàn)在德國政府2011年11月公布的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中的一項(xiàng)戰(zhàn)略上，并在2013年的德國漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上進(jìn)一步提出，并很快上升為德國的國家戰(zhàn)略，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，而出現(xiàn)國人眼里，是今年10月中德雙方第三輪中德政府磋商中發(fā)表的《中德合作行動(dòng)綱要》里，《綱要》中提到中德雙方共同推動(dòng)工業(yè)4.0。

“工業(yè)4.0”在德國被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命，是旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，以保持德國強(qiáng)大的國際競爭力。按照目前的共識(shí)，“工業(yè)1.0”是蒸汽機(jī)時(shí)代，“工業(yè)2.0”是電氣化時(shí)代，“工業(yè)3.0”是信息化時(shí)代，“工業(yè)4.0”則是利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代，也就是智能化時(shí)代，工業(yè)4.0要求企業(yè)的信息化從車間延伸到整個(gè)工廠甚至整條供應(yīng)鏈，將物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)全面引入制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能制造、智能經(jīng)營。

“工業(yè)4.0”，創(chuàng)造一幅全新智能的工業(yè)藍(lán)圖

“工業(yè)4.0”將為全球展現(xiàn)了一幅全新的工業(yè)藍(lán)圖：在一個(gè)“智能、網(wǎng)絡(luò)化的世界”里，信息物理系統(tǒng)（CPS）將滲透到所有的關(guān)鍵領(lǐng)域，涵蓋自動(dòng)化、生產(chǎn)技術(shù)、汽車、機(jī)械工程、能源、運(yùn)輸以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等眾多工業(yè)部門、應(yīng)用領(lǐng)域，在CPS的不斷推動(dòng)下，工業(yè)創(chuàng)造新價(jià)值的過程逐步發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將重組，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式，最終實(shí)現(xiàn)全面靈活的智能制造。

一是工業(yè)4.0將使得工業(yè)生產(chǎn)過程更加靈活、堅(jiān)強(qiáng)。這將使得動(dòng)態(tài)的、適時(shí)優(yōu)化的和自我組織的價(jià)值鏈成為現(xiàn)實(shí)，并帶來諸如成本、可利用性和資源消耗等不同標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)化選擇。包括在制造領(lǐng)域的所有因素和資源間形成全新的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)、智能產(chǎn)品獨(dú)特的可識(shí)別性、個(gè)性化產(chǎn)品定制以及高度靈活的工作環(huán)境等。

二是工業(yè)4.0將發(fā)展出全新的商業(yè)模式和合作模式。這些模式將力爭確保潛在的商業(yè)利潤在整個(gè)價(jià)值鏈所有利益相關(guān)人之間公平地共享，包括那些新進(jìn)入的利益相關(guān)人。同時(shí)，工業(yè)4.0“網(wǎng)絡(luò)化制造”、“自我組織適應(yīng)性強(qiáng)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(yè)模式以率先滿足動(dòng)態(tài)的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)而非單個(gè)公司，這將引發(fā)一系列諸如融資、發(fā)展、可靠性、風(fēng)險(xiǎn)、責(zé)任和知識(shí)產(chǎn)權(quán)以及技術(shù)安全等問題。

三是工業(yè)4.0將帶來工作方式和環(huán)境的全新變化。全新的協(xié)作工作方式使得工作可以脫離工廠，通過虛擬的、移動(dòng)的方式開展。員工將擁有高度的管理自主權(quán)，可以更加積極地投入和調(diào)節(jié)自己的工作。同時(shí)，隨著工作環(huán)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(yè)比例，確保人口結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響當(dāng)前的生活水平。

四是工業(yè)4.0將促進(jìn)形成全新的信息物理系統(tǒng)平臺(tái)。全新的信息物理系統(tǒng)平臺(tái)能夠聯(lián)系到所有參與的人員、物體和系統(tǒng)，將提供全面、快捷、安全可靠的服務(wù)和應(yīng)用業(yè)務(wù)流程，支持移動(dòng)終端設(shè)備和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同制造、服務(wù)、分析和預(yù)測流程等。

借鑒德國工業(yè)4.0，師夷以求勝

工業(yè)4.0是德國率先舉國實(shí)施的全球市場運(yùn)動(dòng)，對(duì)全球未來工業(yè)走向的影響深遠(yuǎn)，作用明顯。因此對(duì)于德國工業(yè)4.0，我們應(yīng)全面深入研究，參考借鑒。那么我們應(yīng)先解德國如何計(jì)劃推廣“工業(yè)4.0”，然后師夷以求勝。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的要點(diǎn)可以概括為：建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、研究兩大主題、實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成、實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃。

建設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)：信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。信息物理系統(tǒng)就是將物理設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)上，讓物理設(shè)備具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)和自治等五大功能，從而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)世界與現(xiàn)實(shí)物理世界的融合。CPS可以將資源、信息、物體以及人緊密聯(lián)系在一起，從而創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)，并將生產(chǎn)工廠轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)智能環(huán)境。這是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。

研究兩大主題：智能工廠和智能生產(chǎn)。“智能工廠”是未來智能基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成部分，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程以及網(wǎng)絡(luò)化分布生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)。“智能生產(chǎn)”的側(cè)重點(diǎn)在于將人機(jī)互動(dòng)、智能物流管理、3D打印等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程，從而形成高度靈活、個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)鏈。生產(chǎn)流程智能化是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的關(guān)鍵。

實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)集成：橫向集成、縱向集成與端對(duì)端的集成?！肮I(yè)4.0”將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過CPS形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器以及服務(wù)與服務(wù)之間能夠互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和端對(duì)端的高度集成?！皺M向集成”是企業(yè)之間通過價(jià)值鏈以及信息網(wǎng)絡(luò)所實(shí)現(xiàn)的一種資源整合，是為了實(shí)現(xiàn)各企業(yè)間的無縫合作，提供實(shí)時(shí)產(chǎn)品與服務(wù)；“縱向集成”是基于未來智能工廠中網(wǎng)絡(luò)化的制造體系，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制生產(chǎn)，替代傳統(tǒng)的固定式生產(chǎn)流程（如生產(chǎn)流水線）；“端對(duì)端集成”是指貫穿整個(gè)價(jià)值鏈的工程化數(shù)字集成，是在所有終端數(shù)字化的前提下實(shí)現(xiàn)的基于價(jià)值鏈與不同公司之間的一種整合，這將最大限度地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。

實(shí)施八項(xiàng)計(jì)劃：“工業(yè)4.0”得以實(shí)現(xiàn)的基本保障。一是標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)。需要開發(fā)出一套單一的共同標(biāo)準(zhǔn)，不同公司間的網(wǎng)絡(luò)連接和集成才會(huì)成為可能。二是管理復(fù)雜系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)挠?jì)劃和解釋性模型可以為管理日趨復(fù)雜的產(chǎn)品和制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。三是一套綜合的工業(yè)寬帶基礎(chǔ)設(shè)施。四是安全和保障。在確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身不能對(duì)人和環(huán)境構(gòu)成威脅的同時(shí)，要防止生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品濫用及未經(jīng)授權(quán)的獲取。五是工作的組織和設(shè)計(jì)。隨著工作內(nèi)容、流程和環(huán)境的變化，對(duì)管理工作提出了新的要求。六是培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)發(fā)展。七是監(jiān)管框架。創(chuàng)新帶來的諸如企業(yè)數(shù)據(jù)、責(zé)任、個(gè)人數(shù)據(jù)以及貿(mào)易限制等新問題，需要包括準(zhǔn)則、示范合同、協(xié)議、審計(jì)等適當(dāng)手段加以監(jiān)管。八是資源利用效率。需要考慮和權(quán)衡在原材料和能源上的大量消耗給環(huán)境和安全供應(yīng)帶來的諸多風(fēng)險(xiǎn)。endprint

決勝未來，如何構(gòu)建“工業(yè)4.0”的信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)？

當(dāng)前中國工業(yè)的問題與現(xiàn)狀不容忽視：大量從事低端加工的中小企業(yè)，缺乏創(chuàng)新能力和核心技術(shù)，簡單工藝的平面管理，人口不斷老化，資源日益枯竭等，因此雖說我國一直是制造大國，卻不是制造強(qiáng)國。如今工業(yè)4.0來了，物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)將取代傳統(tǒng)封閉性的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，成為未來工業(yè)的根基，對(duì)于人口紅利逐漸消減、工業(yè)發(fā)展正處于換擋期的中國而言，智能制造已被認(rèn)為是改變“大而不強(qiáng)”工業(yè)現(xiàn)狀的重要路徑。

美、德等世界工業(yè)強(qiáng)國都高度重視信息物理空間構(gòu)建，加強(qiáng)戰(zhàn)略前瞻部署，并取得積極研究進(jìn)展。中國要決勝未來的競爭，也必須在構(gòu)建信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上先行一步。那么在物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)等信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域更為落后的我們，未來我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)？如何構(gòu)建“工業(yè)4.0”的信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)？

超前部署建設(shè)國家信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

一方面，在國家新的信息化發(fā)展戰(zhàn)略中加強(qiáng)對(duì)CPS的總體布局，研究制定CPS建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)、發(fā)展路徑和政策舉措。同時(shí)，在制造業(yè)發(fā)展、智慧城市建設(shè)、國家網(wǎng)絡(luò)和信息安全等工作中加強(qiáng)前瞻部署和應(yīng)用推廣。另一方面，可借鑒美國組建“國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)中心”的做法，組建一批國家信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，負(fù)責(zé)承擔(dān)基礎(chǔ)理論研究，組織力量研發(fā)突破CPS軟件、傳感器、移動(dòng)終端設(shè)備等工具和裝備，推動(dòng)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)的開發(fā)應(yīng)用。

啟動(dòng)國家智能制造重大專項(xiàng)工程

總體看，我國制造業(yè)發(fā)展仍然以簡單地?cái)U(kuò)大再生產(chǎn)為主要途徑，通過智能產(chǎn)品、技術(shù)、裝備和理念改造提升傳統(tǒng)制造業(yè)的任務(wù)艱巨而迫切。建議從國家層面啟動(dòng)實(shí)施智能制造專項(xiàng)工程，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，開展應(yīng)用示范，推動(dòng)制造業(yè)向智能化發(fā)展轉(zhuǎn)型。一是重點(diǎn)突破智能機(jī)器人。開展智能機(jī)器人及智能裝備系統(tǒng)集成、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)檢測等核心技術(shù)研究，攻克精密減速器、伺服驅(qū)動(dòng)器、傳感器等關(guān)鍵零部件。二是開展數(shù)字工廠應(yīng)用示范。在全國范圍內(nèi)分行業(yè)分區(qū)域選取試點(diǎn)示范企業(yè)，給予扶持，建設(shè)數(shù)字制造的示范工廠，發(fā)揮其“種子”作用。三是推動(dòng)制造業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用。以行業(yè)龍頭企業(yè)為先導(dǎo)，鼓勵(lì)其應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)提升生產(chǎn)制造、供應(yīng)鏈管理、產(chǎn)品營銷及服務(wù)等環(huán)節(jié)的智能決策水平和經(jīng)營效率。

用標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)融合

“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的關(guān)鍵是建立一個(gè)人、機(jī)器、資源互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)化社會(huì)，各種終端設(shè)備、應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)信息交換、識(shí)別、處理、維護(hù)等必須基于一套標(biāo)準(zhǔn)化的體系。為了保障“工業(yè)4.0”的順利實(shí)現(xiàn)，德國把標(biāo)準(zhǔn)化排在八項(xiàng)行動(dòng)中的第一位，并在“工業(yè)4.0”平臺(tái)下成立一個(gè)工作小組，專門處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)的問題。可以說，標(biāo)準(zhǔn)先行是“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的突出特點(diǎn)。為此，在推進(jìn)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與工業(yè)企業(yè)深度融合的具體實(shí)踐中，也應(yīng)高度重視發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)化工作在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的引領(lǐng)作用，及時(shí)制定出臺(tái)“兩化深度融合”標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，引導(dǎo)企業(yè)推進(jìn)信息化建設(shè)。同時(shí)，還要著力實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的國際化，使得中國制定的標(biāo)準(zhǔn)得到國際上的廣泛采用，以奪取未來產(chǎn)業(yè)競爭的制高點(diǎn)和話語權(quán)。

構(gòu)建有利于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的制度保障體系

“工業(yè)4.0”一方面增加了管控的復(fù)雜性，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定需要符合相應(yīng)的法律法規(guī)；另一方面也需要制定相應(yīng)的規(guī)章制度促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。比如，采取一系列措施以加強(qiáng)制度保障，比如設(shè)立處理各類問題的專職工作組，制定和實(shí)施安全性支撐行動(dòng)；要建立和完善有利于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的長效機(jī)制，比如知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)制度，節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量安全等重點(diǎn)領(lǐng)域的法律法規(guī)，人才培養(yǎng)和激勵(lì)機(jī)制等，從而形成推動(dòng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的制度保障。

產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合推動(dòng)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

通過產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新促進(jìn)競爭往往成為發(fā)達(dá)國家重要的戰(zhàn)略意圖。我國應(yīng)充分吸收和借鑒發(fā)達(dá)國家產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合模式，一方面，針對(duì)不同類型自發(fā)的產(chǎn)學(xué)研合作網(wǎng)絡(luò)或產(chǎn)業(yè)研發(fā)聯(lián)盟，政府要通過引導(dǎo)和支持的方式促進(jìn)其發(fā)展；另一方面，選擇幾個(gè)重點(diǎn)行業(yè)和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行試點(diǎn)，以行業(yè)骨干企業(yè)為龍頭，聯(lián)合科研實(shí)力雄厚的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，組建多種形式的產(chǎn)學(xué)研研發(fā)聯(lián)盟，充分調(diào)動(dòng)各方資源和力量，共同推進(jìn)“工業(yè)4.0”技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣。

如今，作為全球增長速度最快的經(jīng)濟(jì)體，中國的國際地位不斷攀升的同時(shí)，在工業(yè)制造方面，仍然底氣不足。我國雖是一個(gè)制造大國，但仍然以代加工為主，研發(fā)、創(chuàng)新明顯不足，也常常被冠以“廉價(jià)”、“低檔”的帽子，可見我國離工業(yè)強(qiáng)國的道理仍然漫長。如今德國的“工業(yè)4.0”和美國的“再工業(yè)化”計(jì)劃給予我們傳達(dá)這樣的信息——即工業(yè)制造仍然是各國未來競爭的首要領(lǐng)域，智能制造技術(shù)將是下一階段各國工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。誰先掌握了最尖端的智能制造技術(shù)，不斷推動(dòng)工業(yè)4.0的發(fā)展，構(gòu)建信息物理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，誰就能制勝于下一輪的工業(yè)革命！endprint