CPS與未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展：中德美政策與能力構(gòu)建的比較研究

戴亦舒，葉麗莎，董小英，胡燕妮

(北京大學(xué) 光華管理學(xué)院，北京 100871)

一、引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)正在發(fā)生顛覆式變革。新一代信息通信技術(shù)改變了制造業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式、價(jià)值鏈體系、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和商業(yè)模式。制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，為了在激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)中取得制造業(yè)的新優(yōu)勢(shì)，世界多個(gè)國(guó)家紛紛實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，如“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略、德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略、美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略。在以中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)①本文選擇中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)為代表，主要根據(jù)《<中國(guó)制造2025>解讀之六：制造強(qiáng)國(guó)“三步走”戰(zhàn)略》中對(duì)各國(guó)制造業(yè)的劃分。該評(píng)價(jià)構(gòu)建了4項(xiàng)一級(jí)指標(biāo)、18項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)專家打分測(cè)算，提出了表征各主要工業(yè)化國(guó)家歷年來(lái)制造業(yè)相對(duì)強(qiáng)弱的綜合指數(shù)，根據(jù)2012年各國(guó)的制造業(yè)綜合指數(shù)劃分為三個(gè)國(guó)家方陣：美國(guó)第一方陣，德國(guó)第二方陣，中國(guó)第三方陣。為代表的“再工業(yè)化”戰(zhàn)略中，新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)制造技術(shù)的交互鑲嵌，虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的智能結(jié)合，成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化深度有效的融合(下文簡(jiǎn)稱：兩化融合)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)(Cyber-Physical System，又譯信息物理系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱CPS)成為整合傳統(tǒng)制造業(yè)體系的關(guān)鍵框架和技術(shù)②本文沒(méi)有采納國(guó)內(nèi)對(duì)CPS的通常譯法“信息物理系統(tǒng)”，而是譯為“網(wǎng)絡(luò)實(shí)體系統(tǒng)”。主要原因是CPS不僅僅是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，更是技術(shù)驅(qū)動(dòng)的社會(huì)與技術(shù)系統(tǒng)綜合體，但目前對(duì)CPS社會(huì)與技術(shù)綜合特征的研究關(guān)注較少，它與整個(gè)社會(huì)生態(tài)中的制造業(yè)、服務(wù)業(yè)和人有關(guān)，在空間復(fù)雜性和時(shí)間動(dòng)態(tài)性上，需要在政策、機(jī)制、標(biāo)準(zhǔn)、管理等等綜合要素的協(xié)同集成上實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。。

2006年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的科學(xué)家Helen Gill首次提出CPS概念，認(rèn)為CPS是網(wǎng)絡(luò)世界與實(shí)體世界融合的新一代系統(tǒng)[1]。自2006年起，德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等制造業(yè)大國(guó)紛紛確立了CPS在制造業(yè)發(fā)展中的核心地位，加速推動(dòng)CPS的創(chuàng)新研發(fā)與多領(lǐng)域應(yīng)用[2-4]。有學(xué)者指出，新一代工業(yè)將建立在CPS基礎(chǔ)上，CPS與汽車、航空航天、國(guó)防、工業(yè)自動(dòng)化、健康/醫(yī)療設(shè)備、重大基礎(chǔ)設(shè)施等主要工業(yè)領(lǐng)域的深度融合將會(huì)提高制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[5]。因此，無(wú)論從學(xué)術(shù)角度還是從實(shí)踐角度，CPS成為理解、剖析和指導(dǎo)“再工業(yè)化”戰(zhàn)略的關(guān)鍵切入點(diǎn)。

對(duì)于CPS的概念和關(guān)鍵特征，Lee(2008)強(qiáng)調(diào)計(jì)算與物理進(jìn)程的交互，他認(rèn)為CPS是計(jì)算進(jìn)程與物理進(jìn)程的整合體系，通過(guò)嵌入式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)物理進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)視和控制，并通過(guò)物理進(jìn)程的反饋結(jié)果調(diào)整計(jì)算進(jìn)程[6]。Rajkumar等人(2010)認(rèn)為，CPS是計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)與物理工程系統(tǒng)的整合體系，其中計(jì)算技術(shù)與通信技術(shù)能夠監(jiān)視和控制物理工程系統(tǒng)，并與之產(chǎn)生協(xié)調(diào)[7]?；谝延醒芯?，我們對(duì)CPS的解釋是：CPS是整合計(jì)算技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和實(shí)體系統(tǒng)的智能體系。它強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)空間和實(shí)體空間的深度融合，通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)空間實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體設(shè)備和運(yùn)行進(jìn)程的感知、數(shù)字化采集、數(shù)據(jù)化集成、智能分析及預(yù)判，從而達(dá)到優(yōu)化配置的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空間與實(shí)體空間的自適應(yīng)、自組織和自協(xié)調(diào)。

目前，很多重要的國(guó)際會(huì)議集中討論信息通信技術(shù)與制造業(yè)融合的技術(shù)細(xì)節(jié)[8]，比如能量管理[9]、網(wǎng)絡(luò)安全[10]、數(shù)據(jù)傳輸與管理[11]、架構(gòu)設(shè)計(jì)[12]、控制技術(shù)[13]、系統(tǒng)資源配置[14]、系統(tǒng)應(yīng)用[15]等。但是，對(duì)于CPS在未來(lái)制造業(yè)核心能力構(gòu)建中關(guān)鍵地位的研究還存在很多缺口(圖1)。第一，在理論層面，已有研究沒(méi)有回答基于CPS的未來(lái)制造業(yè)主導(dǎo)邏輯是否發(fā)生變化。第二，在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，技術(shù)本身無(wú)法自動(dòng)轉(zhuǎn)換為能力，技術(shù)與業(yè)務(wù)流程的深度融合才能變成制造業(yè)的核心能力。但是，在CPS技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)上，能力架構(gòu)建設(shè)的理論基礎(chǔ)尚不清晰，應(yīng)用架構(gòu)的邏輯體系也不清晰。第三，中、德、美制造業(yè)基礎(chǔ)不同，政策重點(diǎn)和戰(zhàn)略布局也不一樣，理解三個(gè)國(guó)家的政策和能力構(gòu)建異同對(duì)預(yù)判未來(lái)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)產(chǎn)生重要影響?；谏鲜鏊伎迹疚囊訡PS技術(shù)架構(gòu)為基礎(chǔ)框架，以服務(wù)主導(dǎo)邏輯為理論指引，以中德美政策體系為分析對(duì)象，試圖對(duì)未來(lái)制造業(yè)的核心能力和關(guān)鍵應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)分析，探索和比較中德美三國(guó)政府在未來(lái)制造業(yè)發(fā)展中核心能力構(gòu)建的政策和路徑。

圖1 CPS的能力架構(gòu)的理論缺口

二、CPS的理論解讀及能力體系架構(gòu)

(一)CPS的技術(shù)架構(gòu)

CPS是信息通信技術(shù)與制造業(yè)融合的智能系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)成為有效推動(dòng)和實(shí)施兩化融合的關(guān)鍵。一些學(xué)者提出了CPS技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)，如陳麗娜等人(2011)[16]、Sztipanivits等人(2012)[17]。Lee等人(2015)提出適用于深度剖析智能制造的CPS五層架構(gòu)，即連接層、轉(zhuǎn)換層、網(wǎng)絡(luò)層、認(rèn)知層與配置層[18]。本文基于Lee等人提出的CPS五層技術(shù)架構(gòu)對(duì)CPS的能力架構(gòu)進(jìn)行分析(參見(jiàn)圖2技術(shù)架構(gòu))。

連接層：利用具有感知功能的終端設(shè)備，如傳感器、探測(cè)器、企業(yè)信息系統(tǒng)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠地采集工業(yè)設(shè)備和機(jī)器組件產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，如設(shè)備的功能、屬性、狀態(tài)、位置、所處環(huán)境數(shù)據(jù)等[18]。利用具有執(zhí)行功能的終端設(shè)備，接收CPS上層反饋的控制信息，操控機(jī)器設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作[19]。

轉(zhuǎn)換層：利用具有計(jì)算功能的工具和算法，如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法、邏輯回歸算法，對(duì)連接層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，使其轉(zhuǎn)化為機(jī)器可識(shí)別的信息，如機(jī)器退化信息、機(jī)器健康信息[18,20]。比如，通過(guò)綜合優(yōu)化技術(shù)預(yù)測(cè)機(jī)器剩余使用壽命，有助于工人對(duì)機(jī)器進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

網(wǎng)絡(luò)層：利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將獨(dú)立單元相互連接，組成大范圍、分布式的制造網(wǎng)絡(luò)，匯集來(lái)自機(jī)器、系統(tǒng)上的信息[18,20]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享[16]。制造網(wǎng)絡(luò)可以是工廠內(nèi)部的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)廠商的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，或是縱貫價(jià)值鏈的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)[21-22]。

認(rèn)知層：利用數(shù)據(jù)分析工具和算法，對(duì)連接到網(wǎng)絡(luò)層的各個(gè)獨(dú)立單元的信息進(jìn)行差異性對(duì)比和相似性分析[18,20]。利用具有認(rèn)知功能的智能技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層聚集的海量信息進(jìn)行智能分析，生成可視化、支持性的知識(shí)，輔助專家或智能算法做出正確、可靠地決策[18,20]。

配置層：利用預(yù)設(shè)規(guī)則和語(yǔ)義規(guī)范等控制技術(shù)，基于認(rèn)知層生成的決策，生成控制指令[19]?？刂浦噶顚?duì)底層工業(yè)設(shè)備和機(jī)器組件進(jìn)行控制，使機(jī)器具備自適應(yīng)、自配置和自調(diào)節(jié)的能力[23]。配置層的反饋將整個(gè)CPS五層架構(gòu)形成一個(gè)閉環(huán)。

(二)CPS的能力架構(gòu)

CPS技術(shù)架構(gòu)對(duì)理解未來(lái)制造業(yè)的核心能力提供了一個(gè)清晰的基礎(chǔ)框架，但如果從打造全球制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力視角來(lái)看，它與產(chǎn)業(yè)生態(tài)、供應(yīng)鏈、客戶需求密切關(guān)聯(lián)?！爸袊?guó)制造2025”戰(zhàn)略提出，“加快制造業(yè)服務(wù)協(xié)同發(fā)展”的重點(diǎn)任務(wù)，鼓勵(lì)制造業(yè)從產(chǎn)品制造向提供個(gè)性、精準(zhǔn)、全生命周期的服務(wù)轉(zhuǎn)變[24]。德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略勾勒“智能服務(wù)”的未來(lái)場(chǎng)景是：“根據(jù)用戶需求，以用戶為中心，生產(chǎn)出智能、聯(lián)網(wǎng)的物品、設(shè)備和機(jī)器，不僅出售產(chǎn)品，而且銷售智能產(chǎn)品附帶的智能服務(wù)，并通過(guò)智能服務(wù)盈利”[25]。美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略指出，“先進(jìn)制造業(yè)”是通過(guò)生產(chǎn)流程和供應(yīng)鏈創(chuàng)新，快速滿足用戶需求，支持更廣泛的高質(zhì)量服務(wù)[26]。從制造業(yè)產(chǎn)品化向服務(wù)化轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)來(lái)看，各國(guó)“再工業(yè)化”的重要任務(wù)是構(gòu)建制造業(yè)服務(wù)化的重要能力。

在此背景下，服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論對(duì)我們理解未來(lái)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力提供強(qiáng)有力的解釋。根據(jù)Vargo和Lusch兩位學(xué)者提出的服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論，在供大于求的時(shí)代，產(chǎn)品主導(dǎo)邏輯開(kāi)始向服務(wù)主導(dǎo)邏輯轉(zhuǎn)型。服務(wù)是指“主體運(yùn)用知識(shí)、技術(shù)等資源通過(guò)一系列處理、流程和操作，實(shí)現(xiàn)自身或其他主體獲益的過(guò)程”[27]。服務(wù)是市場(chǎng)交易的本質(zhì)對(duì)象，有形產(chǎn)品是服務(wù)的一部分，服務(wù)以用戶為中心[27]。服務(wù)主導(dǎo)邏輯認(rèn)為，價(jià)值是在特定情境下，由用戶體驗(yàn)服務(wù)后決定的，只有滿足用戶需求的服務(wù)才能實(shí)現(xiàn)價(jià)值[28]。操縱型資源超越產(chǎn)品主導(dǎo)邏輯關(guān)注的對(duì)象型資源(如生產(chǎn)資料、生產(chǎn)設(shè)備等)，成為服務(wù)提供和價(jià)值創(chuàng)造過(guò)程的關(guān)鍵要素[29]。操縱型資源是指能作用于其他資源并產(chǎn)生效果的資源(如知識(shí)、信息通信技術(shù))[29-30]。

服務(wù)主導(dǎo)邏輯指出，服務(wù)的關(guān)鍵是資源整合[31]。資源整合指多種資源聚集交互[32]。以信息通信技術(shù)為代表的操縱型資源是驅(qū)動(dòng)資源整合的關(guān)鍵要素[33]。資源整合分為資源液化、資源集成、資源增值和資源調(diào)配。資源液化是指數(shù)據(jù)脫離物理實(shí)體，形成數(shù)字化形態(tài)，具備在網(wǎng)絡(luò)空間中傳遞的能力[34]。資源集成是指來(lái)自不同物理實(shí)體的資源匯集到網(wǎng)絡(luò)空間，聚集成海量的數(shù)據(jù)和信息[34-35]。資源增值是指一種資源的使用會(huì)增加另一種資源的價(jià)值[30]。資源調(diào)配是指以信息通信技術(shù)為代表的操縱型資源對(duì)其他資源進(jìn)行優(yōu)化配置和操控[34]。

在服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論視角下，CPS技術(shù)架構(gòu)的連接層，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)設(shè)備和機(jī)器組件的數(shù)字化，使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)空間具備流動(dòng)能力；轉(zhuǎn)換層通過(guò)數(shù)據(jù)分析將數(shù)據(jù)增值為可監(jiān)測(cè)的信息；網(wǎng)絡(luò)層在網(wǎng)絡(luò)空間通過(guò)云計(jì)算整合為龐大的工業(yè)數(shù)據(jù)中心；認(rèn)知層開(kāi)發(fā)出與人類智能相似、能進(jìn)行思考和反應(yīng)的智能機(jī)器，將數(shù)據(jù)和信息增值為支持決策的知識(shí)；配置層通過(guò)智能系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)空間的資源配置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自適應(yīng)、自控制和自協(xié)調(diào)。本研究從CPS技術(shù)架構(gòu)如何驅(qū)動(dòng)制造業(yè)資源整合的角度提出CPS的五層能力架構(gòu)(參見(jiàn)圖2能力架構(gòu))。

資源液化能力。與連接層對(duì)應(yīng)的資源液化能力是指：以傳感器為代表的信息通信技術(shù)，將工業(yè)設(shè)備和機(jī)器組件等物理對(duì)象數(shù)字化，驅(qū)動(dòng)數(shù)字資源從實(shí)體空間映像到網(wǎng)絡(luò)空間，使其具備在網(wǎng)絡(luò)空間傳遞的能力。資源液化能力是兩化融合的基本能力，實(shí)體對(duì)象的數(shù)字化是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)靈活組配和柔性生產(chǎn)的基石；對(duì)制造服務(wù)全流程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，是實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)、智能管理和智能服務(wù)的基礎(chǔ)。構(gòu)建資源液化能力需要考慮：獲取不同類型的數(shù)據(jù)；選擇利用合適的傳感器；制定數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的監(jiān)管框架和安全體系[18]。

數(shù)據(jù)增值能力。與轉(zhuǎn)換層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)增值能力是指，借助計(jì)算工具和算法等，根據(jù)連接層采集的數(shù)據(jù)生成設(shè)備或生產(chǎn)流程的狀態(tài)和事件信息(如，使用壽命、健康狀態(tài))，對(duì)局部物理對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控管理[36]。數(shù)據(jù)增值能力是制造業(yè)邁向智能化的第一步，在局部的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中形成“大腦”，使實(shí)體對(duì)象產(chǎn)生自我認(rèn)知和預(yù)判，使工人們對(duì)機(jī)器的管理維護(hù)變得更容易。構(gòu)建數(shù)據(jù)增值能力需要考慮：對(duì)數(shù)據(jù)的清洗和處理；數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期存儲(chǔ)；上層服務(wù)接口的標(biāo)準(zhǔn)化[2]。

資源集成能力。與網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)的資源集成能力是指，企業(yè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)中的信息在網(wǎng)絡(luò)空間大范圍集成和交換，局部物理對(duì)象之間的屏障被打破，企業(yè)內(nèi)外的信息孤島被消除，資源集成的速度、廣度和深度大幅提升[36]。資源集成能力是構(gòu)筑制造網(wǎng)絡(luò)和創(chuàng)新生態(tài)的關(guān)鍵能力。構(gòu)建資源集成能力需要考慮：網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施要保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋和實(shí)體對(duì)象的快速接入；確保數(shù)據(jù)和信息資源實(shí)時(shí)、規(guī)范、安全、可靠的互聯(lián)互通；采用先進(jìn)的信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)端到端的實(shí)時(shí)透明、無(wú)縫對(duì)接，屏蔽下層的異構(gòu)性[22]。

智能分析能力。與認(rèn)知層對(duì)應(yīng)的智能分析能力是指，利用人工智能技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層匯集的海量、復(fù)雜、異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成模型庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)庫(kù)、方案庫(kù)、算法庫(kù)、工具庫(kù)等價(jià)值含量高的知識(shí)資源，為用戶提供高度個(gè)性化的服務(wù)[25,37]。智能分析能力是智能制造的核心，在整個(gè)制造服務(wù)流程中形成“主腦”，全面了解生產(chǎn)和管理的實(shí)際情況，并做出準(zhǔn)確的判斷。構(gòu)建智能分析能力需考慮：研發(fā)智能分析技術(shù)；將知識(shí)資源可視化；保障專家與知識(shí)資源交互的便捷[18,20]。

資源調(diào)配能力。與配置層對(duì)應(yīng)的資源調(diào)配能力是指，利用智能控制等信息系統(tǒng)，基于認(rèn)知層的大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，生成描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策、控制等不同應(yīng)用，形成優(yōu)化決策建議或產(chǎn)生直接控制指令[37]，驅(qū)動(dòng)知識(shí)資源靈活、動(dòng)態(tài)地調(diào)配和操控工業(yè)設(shè)備和機(jī)器組件等物理資源，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的、智能的生產(chǎn)模式、服務(wù)模式以及商業(yè)模式[21]。

(三)CPS的應(yīng)用架構(gòu)

在兩化融合的過(guò)程中，CPS能力架構(gòu)支持設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)的、智能的實(shí)踐應(yīng)用。從中國(guó)、德國(guó)、美國(guó)的實(shí)踐來(lái)看，智能工廠成為“再工業(yè)化”的主要應(yīng)用形態(tài)。與CPS技術(shù)架構(gòu)和能力架構(gòu)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用架構(gòu)包括：

裝備數(shù)字化。在智能工廠車間內(nèi)，使用傳感器、變送器、設(shè)備和儀器自動(dòng)在線采集生產(chǎn)對(duì)象、設(shè)備、流程、環(huán)境等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

裝備自監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)采集裝備數(shù)據(jù)以后，由信息系統(tǒng)對(duì)各制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，有效監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的問(wèn)題。

工廠網(wǎng)絡(luò)化。使用工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，將智能工廠中的制造裝備、信息系統(tǒng)、操作人員、生產(chǎn)物料等連接起來(lái)，使用互聯(lián)網(wǎng)將智能工廠與價(jià)值網(wǎng)絡(luò)中的企業(yè)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與人、物料與設(shè)備、企業(yè)與企業(yè)之間的互聯(lián)互通和柔性組合。海量的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)層集成，形成工業(yè)數(shù)據(jù)云，建立全生產(chǎn)周期的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。

工廠自決策?；诰W(wǎng)絡(luò)層集成的海量數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立工廠知識(shí)庫(kù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)分析等智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，應(yīng)用LED看板、圖形報(bào)表、工業(yè)APP等可視化技術(shù)支持人機(jī)交互，進(jìn)而制定合理的決策。

工廠自配置。使用智能控制系統(tǒng)和智能裝備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造流程的智能管理，根據(jù)用戶實(shí)時(shí)的需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)自我配置、精準(zhǔn)執(zhí)行的自組織生產(chǎn)。工人從執(zhí)行例行任務(wù)中解放出來(lái)，能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新、增值的活動(dòng)。

圖2 從CPS技術(shù)架構(gòu)到能力架構(gòu)與應(yīng)用架構(gòu)注：技術(shù)架構(gòu)由Lee等人(2015)提出，能力架構(gòu)與應(yīng)用架構(gòu)由本研究提出。

三、中德美政策比較研究

為了提高制造業(yè)的全球競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建制造業(yè)服務(wù)化的核心能力，中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)制定了多個(gè)重要政策(圖3)。2015年，中國(guó)提出“中國(guó)制造2025”行動(dòng)綱領(lǐng)，制定“三步走”行動(dòng)計(jì)劃。圍繞這一行動(dòng)綱領(lǐng)，中國(guó)先后出臺(tái)《智能制造工程實(shí)施指南(2016-2020)》、《中國(guó)制造2025》“1+X”規(guī)劃體系等一系列政策文件，旨在實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)目標(biāo)。2010年，德國(guó)提出制造業(yè)智能升級(jí)的戰(zhàn)略構(gòu)想。2013年，德國(guó)正式提出“工業(yè)4.0”的戰(zhàn)略建議。2013年，美國(guó)通用電氣提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念。圍繞這一概念，美國(guó)先后頒布《捕捉美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)》、《加速美國(guó)先進(jìn)制造業(yè)》和《美國(guó)制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計(jì)劃》等一系列政策文件，加快搶占全球先進(jìn)制造業(yè)制高點(diǎn)。下文對(duì)中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)的政策進(jìn)行分析比較(表1)。

(一)中國(guó)政策重點(diǎn)與能力布局

與德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)，在制造業(yè)自主創(chuàng)新、產(chǎn)品質(zhì)量、資源利用效率、信息化水平、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方面差距明顯。“中國(guó)制造2025”提出，“將加快新一代信息通訊技術(shù)與制造業(yè)的深度融合作為中國(guó)再工業(yè)化的戰(zhàn)略主線，基于CPS推動(dòng)制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，提升制造業(yè)的整體素質(zhì)和創(chuàng)新能力，建成全球領(lǐng)先的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)體系”。

資源液化能力構(gòu)建。資源液化能力是中國(guó)“三步走”的第一步，是中國(guó)2015-2025年重點(diǎn)構(gòu)建的能力之一?！吨袊?guó)制造2025》提出，加快貫穿于工業(yè)設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，集中力量在智能傳感裝備、智能感知元器件、智能測(cè)量?jī)x表等技術(shù)上取得突破。

數(shù)據(jù)增值能力構(gòu)建。構(gòu)建數(shù)據(jù)增值能力的智能檢測(cè)裝備被列為重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)之一?！吨悄苤圃旃こ虒?shí)施指南(2016-2020)》指出，通過(guò)對(duì)智能傳感設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制造裝備能夠遠(yuǎn)程無(wú)人操控、工作環(huán)境預(yù)警、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷與自修復(fù)。

資源集成能力構(gòu)建。我國(guó)將“融合發(fā)展”和“創(chuàng)新引領(lǐng)”作為資源集成能力的兩大基本原則。“融合發(fā)展”指兩化融合，旨在促進(jìn)“軟件與硬件、技術(shù)與產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈上下游等融合協(xié)同發(fā)展，完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系”，搭建工業(yè)云服務(wù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。創(chuàng)新資源集成集中在三個(gè)層面：新型價(jià)值鏈、信息產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)。

表1 三國(guó)對(duì)比CPS能力構(gòu)建

注：表中內(nèi)容來(lái)源于本研究對(duì)中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)政策的分析比較。

圖3 中德美政策發(fā)布路線

智能分析能力構(gòu)建。在構(gòu)建智能分析能力上，《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》提出，“引導(dǎo)企業(yè)加大研發(fā)投入，突破識(shí)別技術(shù)、建模與仿真技術(shù)、人工智能等關(guān)鍵共性技術(shù)”?！洞髷?shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》提出，“要支持深度學(xué)習(xí)、類腦計(jì)算、認(rèn)知計(jì)算等前沿技術(shù)創(chuàng)新”，研發(fā)具有智能分析和智慧決策的智能制造裝備。

資源調(diào)配能力構(gòu)建?！爸袊?guó)制造2025”將“生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變”作為資源調(diào)配能力的目標(biāo)?！吧a(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變”體現(xiàn)在“推動(dòng)發(fā)展服務(wù)型制造”和“加快生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)發(fā)展”兩個(gè)方面。一是“鼓勵(lì)制造業(yè)企業(yè)增加服務(wù)環(huán)節(jié)投入，發(fā)展個(gè)性化定制服務(wù)、全生命周期管理、網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)營(yíng)銷和在線支持服務(wù)等”。二是“鼓勵(lì)互聯(lián)網(wǎng)等企業(yè)發(fā)展移動(dòng)電子商務(wù)、在線定制、線上到線下等創(chuàng)新模式，實(shí)現(xiàn)與制造業(yè)企業(yè)的無(wú)縫對(duì)接，創(chuàng)新業(yè)務(wù)協(xié)作流程和價(jià)值創(chuàng)造模式”。

(二)德國(guó)政策重點(diǎn)與能力布局

德國(guó)制造業(yè)處于世界領(lǐng)先地位，新一代信息通信技術(shù)對(duì)德國(guó)制造業(yè)產(chǎn)生了深刻影響。德國(guó)“工業(yè)4.0”提出，利用CPS將智能機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施等資源數(shù)據(jù)化，形成貫穿在制造業(yè)中的“物聯(lián)網(wǎng)”和“服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)”，將傳統(tǒng)工廠轉(zhuǎn)變成能夠自我控制、自我調(diào)節(jié)、自我配置的智能工廠，實(shí)現(xiàn)快速、有效、個(gè)性化的產(chǎn)品供應(yīng)。

資源液化能力構(gòu)建。資源液化能力是德國(guó)“工業(yè)4.0”的基礎(chǔ)能力。在資源液化能力方面，德國(guó)推進(jìn)發(fā)展智能傳感器和制動(dòng)器技術(shù)。重點(diǎn)開(kāi)展有關(guān)傳感器的端到端分布和連接的研究工作，將本地或全球范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和具實(shí)時(shí)性的傳感器/制動(dòng)器用于生產(chǎn)。

數(shù)據(jù)增值能力構(gòu)建。在數(shù)據(jù)增值能力方面，《德國(guó)工業(yè)4.0實(shí)施戰(zhàn)略報(bào)告》提出加速研發(fā)微電子技術(shù)，“微電子技術(shù)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)之一，是電子硬件和智能軟件之間的融合，用于智能識(shí)別、監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和物流的過(guò)程，具有自我診斷功能”。

資源集成能力構(gòu)建。為了構(gòu)建制造流程的資源集成能力，《德國(guó)工業(yè)4.0實(shí)施戰(zhàn)略報(bào)告》提出了四大核心模塊，即“研究與創(chuàng)新，參考體系結(jié)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)化與標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的安全性，法律框架的構(gòu)建”。為了構(gòu)建制造創(chuàng)新的資源集成能力，德國(guó)提出建設(shè)智能服務(wù)實(shí)施平臺(tái)和智能服務(wù)創(chuàng)新平臺(tái)。

智能分析能力構(gòu)建。智能分析能力成為德國(guó)“工業(yè)4.0”未來(lái)發(fā)展重要方向?！兜聡?guó)智能服務(wù)世界—未來(lái)項(xiàng)目實(shí)施建議》總結(jié)了德國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，包括“大數(shù)據(jù)流分析、數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析、信息提取的自動(dòng)本體學(xué)習(xí)、優(yōu)化設(shè)備利用率的數(shù)據(jù)分析、復(fù)雜事件處理、學(xué)習(xí)的決策支持等”。

資源調(diào)配能力構(gòu)建。德國(guó)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略旨在創(chuàng)造智能產(chǎn)品、程序和流程，智能工廠是根據(jù)客戶個(gè)性化需求生產(chǎn)智能、聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。在智能產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，在構(gòu)建智能分析能力的基礎(chǔ)上，以用戶為中心，隨時(shí)隨地根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、提供適合的智能服務(wù)解決方案。

(三)美國(guó)的政策重點(diǎn)及能力布局

從2000-2009年，美國(guó)制造業(yè)的增長(zhǎng)率幾乎持平，勞動(dòng)力減少三分之一，制造業(yè)投資停滯不前。推動(dòng)新一輪制造業(yè)革命成為美國(guó)的戰(zhàn)略重心。美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”提出，“利用CPS將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接起來(lái)，由智能設(shè)備采集大數(shù)據(jù)，利用智能系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和可視化展現(xiàn)，形成智能決策，為生產(chǎn)管理提供實(shí)時(shí)判斷參考，指導(dǎo)生產(chǎn)、優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)據(jù)流、硬件、軟件的智能交互”。

資源液化能力構(gòu)建。在資源液化能力方面，美國(guó)將先進(jìn)傳感、測(cè)量和制程控制技術(shù)作為優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域之一，集中研究?jī)?nèi)置傳感、測(cè)量和控制技術(shù)。

數(shù)據(jù)增值能力構(gòu)建?！睹绹?guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)》提到了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的“監(jiān)測(cè)與診斷”功能，“它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資產(chǎn)的關(guān)鍵性指標(biāo)，智能收集并處理資產(chǎn)的健康數(shù)據(jù)，以便診斷問(wèn)題的真正原因，警示異常條件和偏差。監(jiān)測(cè)和診斷對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)和分析功能有較強(qiáng)的依賴性”。

資源集成能力構(gòu)建。美國(guó)從創(chuàng)新研究所和網(wǎng)絡(luò)職能兩個(gè)方面構(gòu)建資源集成能力。美國(guó)聯(lián)邦政府的先進(jìn)制造業(yè)合作伙伴計(jì)劃，致力于聯(lián)合政府、院校、各行業(yè)組織和其他利益相關(guān)者，共同搭建先進(jìn)制造技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)。創(chuàng)新研究所是美國(guó)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的創(chuàng)新平臺(tái)，平臺(tái)聚集了各行業(yè)企業(yè)、大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)、政府機(jī)構(gòu)等相關(guān)主體，搭建公私合作的關(guān)系橋梁。

智能分析能力構(gòu)建。美國(guó)制造業(yè)在發(fā)展過(guò)程中呈現(xiàn)出知識(shí)密集的特征，作業(yè)和流程越來(lái)越依靠大數(shù)據(jù)分析、建模與模擬、人工智能等技術(shù)的支持?！都铀倜绹?guó)先進(jìn)制造業(yè)》提出，“建立制造業(yè)創(chuàng)新研究所，支持大量復(fù)雜、真實(shí)的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)利用”。

資源調(diào)配能力構(gòu)建。在資源調(diào)配能力方面，機(jī)器人制造成為美國(guó)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造、重塑本土制造業(yè)的重要推動(dòng)者?！睹绹?guó)機(jī)器人路線圖研究報(bào)告》提出，“有效使用機(jī)器人技術(shù)將增加美國(guó)就業(yè)，提高工作質(zhì)量，并增強(qiáng)全球競(jìng)爭(zhēng)力”。

四、理論啟示與實(shí)踐建議

本文基于CPS五層技術(shù)架構(gòu)，從服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論出發(fā)，對(duì)中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)制造業(yè)升級(jí)政策和戰(zhàn)略進(jìn)行深入分析。在理論意義上，本研究主要貢獻(xiàn)在于構(gòu)建CPS五層能力架構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，以用戶為中心的制造業(yè)服務(wù)化將成為兩化融合的目標(biāo)。為推動(dòng)制造業(yè)從產(chǎn)品主導(dǎo)向服務(wù)主導(dǎo)的躍升，中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)都將CPS作為核心技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建制造業(yè)體系的五層能力以及確保能力構(gòu)建的保障機(jī)制，并在工廠、供應(yīng)鏈、價(jià)值網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用。

在構(gòu)建CPS五層能力的過(guò)程中，資源液化能力和數(shù)據(jù)增值能力的建立是最基礎(chǔ)且漫長(zhǎng)的階段。從生產(chǎn)端的裝備構(gòu)件到用戶端的穿戴設(shè)備，整個(gè)制造業(yè)生態(tài)的物理對(duì)象液化和自認(rèn)知必定要經(jīng)歷相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間積累。資源集成能力成為兩化融合的核心，是制造業(yè)產(chǎn)生質(zhì)變的關(guān)鍵。將實(shí)體對(duì)象映射并匯聚在網(wǎng)絡(luò)空間，不僅創(chuàng)造了生態(tài)中多種資源交互協(xié)同的機(jī)會(huì)，而且提供給先進(jìn)技術(shù)作用于海量資源產(chǎn)生價(jià)值的平臺(tái)。實(shí)際上，資源集成能力成為各國(guó)聚力的焦點(diǎn)。智能分析能力是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化的必要能力，智能分析能力的構(gòu)建需要對(duì)相關(guān)的技術(shù)投入大量的研發(fā)資源，并給予法律有效的支持保障。在此基礎(chǔ)上，資源配置能力的構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)空間對(duì)實(shí)體空間的優(yōu)化配置才有可能實(shí)現(xiàn)。

雖然三個(gè)國(guó)家在CPS五層能力架構(gòu)均有布局，但能力構(gòu)建的重點(diǎn)不同，這與三個(gè)國(guó)家的制造業(yè)基礎(chǔ)差異有關(guān)。中國(guó)當(dāng)前的能力構(gòu)建集中在資源液化能力和資源集成能力上。這與我國(guó)制造業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱、制造業(yè)規(guī)模巨大有關(guān)。只有將基礎(chǔ)建設(shè)好，才有制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的空間。德國(guó)的重點(diǎn)是資源集成能力，重點(diǎn)打造價(jià)值鏈的橫向集成和縱向集成。它需要通過(guò)工業(yè)4.0戰(zhàn)略有效地實(shí)現(xiàn)服務(wù)于客戶的端到端連接，支持德國(guó)工業(yè)高效服務(wù)于全球市場(chǎng)，確保德國(guó)制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。美國(guó)的重點(diǎn)是智能分析能力，一方面，美國(guó)有大量領(lǐng)先的互聯(lián)網(wǎng)和軟件企業(yè)，在網(wǎng)絡(luò)空間已經(jīng)形成了領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，在新一代信息通信技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新上處于全球壟斷的地位，能夠充分利用技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)推動(dòng)制造領(lǐng)域的應(yīng)用研究，如人機(jī)智能技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，構(gòu)建工業(yè)領(lǐng)域的智能分析能力和資源調(diào)配能力。另一方面，美國(guó)制造業(yè)信息化水平非常高，對(duì)價(jià)值鏈的信息化管控能力已經(jīng)成為其運(yùn)營(yíng)體系的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[38-39]，在經(jīng)歷了多年制造業(yè)外包實(shí)踐之后，美國(guó)制造業(yè)會(huì)通過(guò)制造業(yè)軟件化能力，實(shí)現(xiàn)跨越式領(lǐng)先發(fā)展，打造整體化的創(chuàng)新生態(tài)。

在實(shí)踐意義上，研究發(fā)現(xiàn)三個(gè)國(guó)家非常重視制造業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè)，特別是大企業(yè)主導(dǎo)的平臺(tái)。如中國(guó)已率先建成產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)公共服務(wù)平臺(tái)和協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)。德國(guó)的平臺(tái)建設(shè)直接服務(wù)于制造型企業(yè)的服務(wù)轉(zhuǎn)型，如德國(guó)的智能服務(wù)實(shí)施平臺(tái)和智能服務(wù)創(chuàng)新平臺(tái)。美國(guó)通過(guò)建立國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，即政企合作的伙伴關(guān)系，提供共享的高科技設(shè)施，提升美國(guó)在新興科技領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，截止到2015年底，美國(guó)已經(jīng)成立9家制造創(chuàng)新研究所。

在新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，中國(guó)企業(yè)面臨的壓力與挑戰(zhàn)比德美企業(yè)更大。我國(guó)制造業(yè)面臨兩翼競(jìng)爭(zhēng)。一方面，中國(guó)企業(yè)面臨著傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的艱難挑戰(zhàn)，在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)含量、運(yùn)營(yíng)體系和品牌建設(shè)上與德國(guó)企業(yè)有較大差距，在企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，與德國(guó)和美國(guó)的企業(yè)仍有很大距離；另一方面，美國(guó)在資源集成能力和智能分析能力上已經(jīng)建立了一定的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)?；诒疚牡睦碚摷軜?gòu)與政策分析，我們建議：第一，整體規(guī)劃布局以CPS為核心的能力建設(shè)，充分調(diào)動(dòng)社會(huì)資源同步推進(jìn)，政府通過(guò)整體協(xié)同和社會(huì)化治理機(jī)制，發(fā)揮大企業(yè)的領(lǐng)軍作用，加速各個(gè)能力層的建設(shè)。第二，增強(qiáng)對(duì)戰(zhàn)略性操縱型資源的研發(fā)強(qiáng)度與力度。建議利用我國(guó)整體創(chuàng)新資源和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，積極參與CPS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。通過(guò)前瞻性戰(zhàn)略研究，提供將實(shí)體經(jīng)濟(jì)與網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)共贏發(fā)展的綜合性框架，為企業(yè)提供長(zhǎng)期、穩(wěn)定的政策設(shè)計(jì)與環(huán)境營(yíng)造，將實(shí)體與網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展打造成互利互惠、共同發(fā)展的伙伴關(guān)系。第三，充分利用互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)擁有的操縱型資源，加速對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合。鼓勵(lì)我國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)強(qiáng)化對(duì)已有操縱型資源的開(kāi)發(fā)利用能力，將其擴(kuò)散到更加廣泛的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，特別是推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

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