探秘“工業(yè)4.0”

一場國際金融危機，讓實體經(jīng)濟的重要性得以凸顯。美國、德國、英國等發(fā)達國家紛紛提出以重振制造業(yè)為核心的“再工業(yè)化”戰(zhàn)略。不過，發(fā)達國家的再工業(yè)化并非簡單回歸，而是以信息網(wǎng)絡技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)應用為重點，旨在依靠科技創(chuàng)新，搶占制造業(yè)新的制高點。

上述信息技術(shù)與制造業(yè)深入融合的浪潮，被視為一場新的工業(yè)革命。不過，各方對這場革命的理解不盡相同。《經(jīng)濟學人》雜志提出，“第三次工業(yè)革命”的核心技術(shù)是制造業(yè)數(shù)字化。美國《連線》雜志前主編、《創(chuàng)客》一書的作者克里斯·安德森認為，將互聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)結(jié)合，實現(xiàn)創(chuàng)客運動，將掀起新一輪工業(yè)革命。德國則將這場變革視為繼機械化、電氣化和信息技術(shù)之后，工業(yè)化的第四個階段，因此將之命名為“工業(yè)4.0”。

德國工業(yè)4.0的內(nèi)涵

德國是全球制造業(yè)中最具競爭力的國家之一，其裝備制造行業(yè)全球領先。這是由于德國在創(chuàng)新制造技術(shù)方面的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，以及在復雜工業(yè)過程管理方面高度專業(yè)化使然。德國擁有強大的機械和裝備制造業(yè)、占據(jù)全球信息技術(shù)能力的顯著地位，在嵌入式系統(tǒng)和自動化工程領域具有很高的技術(shù)水平，這些都意味著德國確立了其在制造工程行業(yè)中的領導地位。因此，德國以其獨特的優(yōu)勢開拓新型工業(yè)化的潛力——工業(yè)4.0（Industry 4.0），并開始推進這個產(chǎn)官學一體項目的新一代工業(yè)升級計劃。作為全球工業(yè)實力最為強勁的國家之一，德國在新時代發(fā)展壓力下，為進一步增強國際競爭力，從而提出了該概念。

制造業(yè)的數(shù)字化、虛擬化正在徹底改變?nèi)藗冎圃飚a(chǎn)品的方式。為此，以德國為代表的歐洲，以及美國都打算大幅提升工業(yè)產(chǎn)值。美國的通用電氣（GE）于2012年秋季提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”（Industrial Internet）概念，這是一個將產(chǎn)業(yè)設備與IT融合的概念，目標是通過高功能設備、低成本傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)收集及分析技術(shù)等的組合，大幅提高現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的效率并創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)。而日本的各企業(yè)也在推進M2M（Machine-To-Machine無線通信）和大數(shù)據(jù)應用。

德國“工業(yè)4.0”的大體概念是在2011年于德國舉行的“漢諾威工業(yè)博覽會”（Hannover Messe2011）上提出的。當時，德國人工智能研究中心董事兼行政總裁沃爾夫?qū)ね郀査固貭柦淌谠陂_幕式中提到，要通過物聯(lián)網(wǎng)等媒介來推動第四次工業(yè)革命，提高制造業(yè)水平。在德國政府推出的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中，工業(yè)4.0作為十大未來項目之一，聯(lián)邦政府投入2億歐元，其目的在于奠定德國在關鍵技術(shù)上的國際領先地位，夯實德國作為技術(shù)經(jīng)濟強國的核心競爭力。2年后，在2013年4月舉辦的“Hannover Messe2013”上，由產(chǎn)官學專家組成的德國“工業(yè)4.0工作組”發(fā)表了最終報告——《保障德國制造業(yè)的未來：關于實施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略的建議》。與美國流行的第三次工業(yè)革命的說法不同，德國將18世紀引入機械制造設備定義為工業(yè)1.0，20世紀初的電氣化為2.0，始于20世紀70年代的信息化定義為3.0，而物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)服務化宣告著第四次工業(yè)革命到來。

“工業(yè)4.0”概念中的關鍵是將軟件、傳感器和通信系統(tǒng)集成于所謂的物理網(wǎng)絡系統(tǒng)。在這個虛擬世界與現(xiàn)實世界的交匯之處，人們越來越多地構(gòu)思、優(yōu)化、測試和設計產(chǎn)品?！肮I(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。

“工業(yè)4.0”的關鍵技術(shù)是信息通信技術(shù)（ICT），具體包括聯(lián)網(wǎng)設備之間自動協(xié)調(diào)工作的M2M、通過網(wǎng)絡獲得的大數(shù)據(jù)的運用、與生產(chǎn)系統(tǒng)以外的開發(fā)/銷售/ERP（企業(yè)資源計劃）/PLM（產(chǎn)品生命周期管理）/SCM（供應鏈管理）等業(yè)務系統(tǒng)聯(lián)動等等。而第三次工業(yè)革命的自動化只是在生產(chǎn)工藝中運用ICT，“工業(yè)4.0”將大幅擴大應用對象。

“工業(yè)4.0”項目主要分為兩大主題，一是“智能工廠”，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用等。該計劃將特別注重吸引中小企業(yè)參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時也成為先進工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應者。

德國“工業(yè)4.0”計劃強調(diào)，未來工業(yè)生產(chǎn)形式的主要內(nèi)容包括：在生產(chǎn)要素高度靈活配置條件下大規(guī)模生產(chǎn)高度個性化產(chǎn)品，顧客與業(yè)務伙伴對業(yè)務過程和價值創(chuàng)造過程廣泛參與，以及生產(chǎn)和高質(zhì)量服務的集成等。物聯(lián)網(wǎng)、服務網(wǎng)以及數(shù)據(jù)網(wǎng)將取代傳統(tǒng)封閉性的制造系統(tǒng)成為未來工業(yè)的基礎。

德國工業(yè)4.0是不是新的工業(yè)革命？

德國學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認為，“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法，旨在通過充分利用信息通訊技術(shù)和網(wǎng)絡物理系統(tǒng)等手段，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。鑒于技術(shù)正將實體物理世界和虛擬網(wǎng)絡世界融合，在制造領域，這種資源、信息、物品和人相互關聯(lián)的“虛擬網(wǎng)絡——實體物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）”可以被定義為工業(yè)4.0。CPS包括智能機器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設施，從入廠到出廠，整合整個制造和物流過程，實現(xiàn)數(shù)字化和基于信息技術(shù)的端對端集成。

不過，對于這個“第四次工業(yè)革命”的提法，世界范圍內(nèi)的認識并不一致。有專家認為，工業(yè)革命之所以配得上“革命”一詞，并不是說其能對生產(chǎn)效率有多大的提高，而在于其通過對生產(chǎn)方式的顛覆性變革實現(xiàn)了人的解放，從而推動了人類社會的巨大變革。從這個標準來看，蒸汽機、電與內(nèi)燃機、信息技術(shù)的出現(xiàn)都做到了這一點。而原子能技術(shù)、航天技術(shù)、生物科學以及五花八門的新能源技術(shù)，至少現(xiàn)在還沒有做到。

那么，如果把信息技術(shù)列為第三次工業(yè)革命的核心內(nèi)容，德國的“工業(yè)4.0”實際上還未能跳脫出這個范疇。因為，通過信息技術(shù)使得工業(yè)生產(chǎn)智能化、個性化只是信息技術(shù)在工業(yè)上的發(fā)展和延續(xù)，而算不上是革命。人類先是用互聯(lián)網(wǎng)連接起電子產(chǎn)品，接著就想把更多東西聯(lián)網(wǎng)，比如IBM公司在2008年提出的“智慧地球”。

“工業(yè)4.0”想連接的是生產(chǎn)設備。這就是生產(chǎn)的“一體化”。把不同的設備通過數(shù)據(jù)交互連接到一起，讓工廠內(nèi)部，甚至工廠之間都能成為一個整體。這種工業(yè)設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的交互在德國正在變?yōu)楝F(xiàn)實。蔡司集團2013年在歐洲機床展上展出了一套名為PiWeb的系統(tǒng)，通過PiWeb能夠把跨國公司分布在不同地區(qū)工廠的測量數(shù)據(jù)進行網(wǎng)絡共享，生產(chǎn)經(jīng)理在辦公室里即可看到每一個工廠的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測。德國的奔馳公司和大眾汽車公司已經(jīng)開始使用了這套系統(tǒng)。

“一體化”其實是為了“分散化”。也就是“工業(yè)4.0”提出的工業(yè)生產(chǎn)“由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉(zhuǎn)變”，這與“Web2.0”時代的“去中心化”殊途同歸?！胺稚⒒焙蟮纳a(chǎn)將變得更加靈活。這樣，不同的生產(chǎn)設備既能夠協(xié)作生產(chǎn)，又可以各自快速地對外部變化做出反應。這完全是信息時代產(chǎn)生的大量個性化需求反映到生產(chǎn)端的結(jié)果，它要求工業(yè)生產(chǎn)告別上一個時代的標準化。而由此產(chǎn)生的龐大數(shù)據(jù)流必然也要求各個生產(chǎn)設備實現(xiàn)一定的智能化，即智能的控制系統(tǒng)。

凱文·凱利在他的著作《失控》中提出的“涌現(xiàn)”：大量遵循簡單規(guī)則的個體的交互會導致整體出現(xiàn)復雜度極高的狀態(tài)。而這種復雜的程度是任何單獨個體都不具備的。比如，由神經(jīng)元構(gòu)成大腦。這個概念也可以用來理解“工業(yè)4.0”中提出的“智能工廠”。分散的、具備一定智能化的生產(chǎn)設備，在實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互之后，就形成了高度智能化的有機體。

發(fā)達國家的“再工業(yè)化”浪潮

雖然對于現(xiàn)在處于第幾次產(chǎn)業(yè)革命，以及德國工業(yè)4.0算不算工業(yè)革命存在不同的理解，但是各個發(fā)達國家開始重新重視先進制造業(yè)的發(fā)展確實是個不爭的事實。美國也在通過各種計劃，促進先進制造業(yè)發(fā)展，有人稱之為“再工業(yè)化”。

1900年，美國實現(xiàn)工業(yè)化，20世紀80年代完成現(xiàn)代化進程。但從20世紀80年代初起，由于放松了對金融市場的宏觀監(jiān)管，虛擬經(jīng)濟惡性膨脹，2007年爆發(fā)次貸危機。2009年初，美國開始調(diào)整經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，同年12月，公布《重振美國制造業(yè)框架》，2011年6月和2012年2月，相繼啟動《先進制造業(yè)伙伴計劃》和《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，實施“再工業(yè)化”。

美國“再工業(yè)化”，包括調(diào)整、提升傳統(tǒng)制造業(yè)結(jié)構(gòu)及競爭力和發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)兩條主線。美國制造業(yè)的主要問題是就業(yè)崗位在減少，成因主要是國內(nèi)生產(chǎn)自動化和勞動成本過高，迫使美國大公司將產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移到國外。美國政府鼓勵“制造業(yè)回歸”以來，已出現(xiàn)某些制造業(yè)回歸美國的跡象。

日本政府也極端重視高端制造業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模編制技術(shù)戰(zhàn)略圖。首先，政府加大了開發(fā)企業(yè)3D打印機等尖端技術(shù)的財政投入。2014年，經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省繼續(xù)把3D打印機列為優(yōu)先政策扶持對象，當年投資45億日元，實施名為“以3D造型技術(shù)為核心的產(chǎn)品制造革命”的大規(guī)模研究開發(fā)項目，開發(fā)世界最高水平的金屬粉末造型用3D打印機。其次，快速更新制造技術(shù)，提高產(chǎn)品制造競爭力。近年日本制造業(yè)出現(xiàn)了三個新現(xiàn)象。一是采用“小生產(chǎn)線”的企業(yè)增多：本田公司通過采取新技術(shù)減少噴漆次數(shù)、減少熱處理工序等措施把生產(chǎn)線縮短了40%，并通過改變車身結(jié)構(gòu)設計把焊接生產(chǎn)線由18道工序減少為9道，建成了世界最短的高端車型生產(chǎn)線；二是采用小型設備的企業(yè)增多：日本電裝公司對鋁壓鑄件的生產(chǎn)設備、工藝進行改革，使得鑄造線生產(chǎn)成本降低了30%，設備面積減少80%，能源消費量降低50%；三是通過機器人、無人搬運機、無人工廠、“細胞生產(chǎn)方式”等突破成本瓶頸——佳能公司從“細胞生產(chǎn)方式”到“機械細胞方式”，再到世界首個數(shù)碼照相機無人工廠，大幅度地提高了成本競爭力。

無論是從工業(yè)增加值指標，還是從經(jīng)常貿(mào)易賬戶余額來看，美歐發(fā)達國家在全球金融危機以來推行的“再工業(yè)化”發(fā)展戰(zhàn)略已取得了初步成效。根據(jù)美國波士頓咨詢公司的一份研究報告，未來六年美國工業(yè)競爭力將持續(xù)上升，每年將從其他出口大國“奪取”700億到1150億美元的制造業(yè)出口額。

中國必須積極應對

“第三次工業(yè)革命”不僅會削弱發(fā)展中國家的低成本比較優(yōu)勢，而且有利于發(fā)達國家形成新的競爭優(yōu)勢。通過發(fā)展現(xiàn)代裝備制造業(yè)控制產(chǎn)業(yè)制高點，發(fā)達國家可以運用現(xiàn)代制造技術(shù)和制造系統(tǒng)裝備傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)來提高傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，通過裝備新興產(chǎn)業(yè)來強化新興技術(shù)的工程化和產(chǎn)業(yè)化能力。同時，其在高端服務業(yè)的領先優(yōu)勢也可能被進一步強化。

因此，后發(fā)國家的產(chǎn)業(yè)趕超將面臨來自發(fā)達國家的全方位抑制。如果后發(fā)國家不能充分利用現(xiàn)代制造技術(shù)創(chuàng)造的技術(shù)和市場機會，“第三次工業(yè)革命”將使不利于發(fā)展中國家的“中心—外圍”世界分工體系被進一步固化。曾經(jīng)為尋找更低成本要素而從發(fā)達國家轉(zhuǎn)出的生產(chǎn)活動有可能向發(fā)達國家回溯，導致制造業(yè)重心再次向發(fā)達國家偏移。

“第三次工業(yè)革命”可能對中國制造業(yè)帶來沖擊，中國的比較成本優(yōu)勢可能會加速弱化。從綜合競爭績效角度看，“第三次工業(yè)革命”對中國工業(yè)可能產(chǎn)生的負面影響更在于國外企業(yè)可以通過利用先進制造技術(shù)在維持“可接受成本”的基礎上，針對快速變化的市場需求，提供較中國產(chǎn)品種類更豐富、功能更齊全、性能更穩(wěn)定、使用更人性化、環(huán)境更友好的產(chǎn)品?！暗谌喂I(yè)革命”本質(zhì)是人機關系的深刻變化，這種變化大大增加了對知識和技能的需求。而與先進制造技術(shù)相適應的知識和技能的形成和積累，恰恰是中國這樣的發(fā)展中國家遇到的最大挑戰(zhàn)。

與此同時，中國工業(yè)也面臨機會。首先，“第三次工業(yè)革命”為中國工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了新的增長機會?！暗谌喂I(yè)革命”不僅會導致工業(yè)機器人、3D打印機等新的制造系統(tǒng)和生產(chǎn)設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這些產(chǎn)業(yè)還會帶動信息產(chǎn)業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)以及工業(yè)設計等生產(chǎn)性服務業(yè)的增長，即通過創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)部門，為中國在全球進入新一輪經(jīng)濟衰退期時培育發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、尋找新的增長點提供方向和機會。其次，先進制造技術(shù)終歸是在工廠和制造環(huán)節(jié)的應用，中國龐大的制造基礎為先進制造技術(shù)和相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了巨大的潛在市場和應用場所。只要有危機意識和戰(zhàn)略認識，充分利用中國的制造基礎優(yōu)勢，調(diào)動廣大企業(yè)技術(shù)突破和應用的積極性，形成中國獨特的制造技術(shù)和制造業(yè)升級路徑，中國完全有可能成為“第三次工業(yè)革命”的贏家。

為全面迎接“第三次工業(yè)革命”，我國的產(chǎn)業(yè)政策思路和措施應當適時調(diào)整。首先，要充分調(diào)動科研結(jié)構(gòu)和企業(yè)的積極性，特別是重視通過高技術(shù)人才創(chuàng)業(yè)，加快先進制造技術(shù)的突破。其次，要改變目前產(chǎn)業(yè)政策“重研發(fā)、輕工藝”、“重實驗室、輕車間”的做法，遴選設備先進、現(xiàn)場管理工作扎實的工廠進行重點建設和投資，將這些“現(xiàn)代工廠”建設成為中國先進制造技術(shù)突破、應用的場所，建設成為先進制造技術(shù)和先進現(xiàn)場管理方法持續(xù)改善的“現(xiàn)場實驗室”，從而最終以點帶面地推進中國制造水平的整體提升。最后，要加快針對“第三次工業(yè)革命”的高效能運算、工程數(shù)據(jù)庫等科技基礎設施的建設，加強對企業(yè)突破和應用現(xiàn)代制造技術(shù)的公共服務和保障能力。

相關鏈接

歷史上的工業(yè)革命

第一次工業(yè)革命于18世紀60年代發(fā)生在英國，這次工業(yè)革命以蒸汽機作為動力機被廣泛使用為標志，它徹底改變了產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，開創(chuàng)了以機器代替手工勞動的時代。到了19世紀上半葉，機器本身也使用機器來生產(chǎn)，標志著工業(yè)革命的完成。繼英國之后，法國、美國等國家也相繼進行了第一次工業(yè)革命。

第二次工業(yè)革命始于19與20世紀之交，這次工業(yè)革命在勞動分工的基礎上，采用電力驅(qū)動產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，從而將人類帶入了大批量生產(chǎn)的“電氣時代”。

20世紀70年代初，第三次工業(yè)革命取代了第二次工業(yè)革命，并延續(xù)到現(xiàn)在。第三次工業(yè)革命引入了電子和信息技術(shù)，從而使制造過程不斷實現(xiàn)自動化，機器不僅接管了相當比例的“體力勞動”，而且還接管了一些“腦力勞動”。

隨著信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實體物理世界與虛擬網(wǎng)絡世界走向融合，人們通過信息物理融合系統(tǒng)（CPS），將資源、信息、物品和人進行互聯(lián)，建立高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式。這種技術(shù)的漸進性進步被描述為工業(yè)化的第四個階段，即工業(yè)4.0。在工業(yè)4.0時代，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。