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卡尔·马克思始终认为工业革命的本质是生产关系的变革，任何生产力的提升并不能代表工业革命的变革。工业1.0改变了操作人员的工作方式，从原来人工体力的输出变为对设备进行监护、保养、维护的工作；工业2.0改变了制造体系中的生产组织形式，最终建立法约尔桥管理模式，改变了福特汽车最初将劳动者仅分为工头（白领）与操作者（蓝领）的组织结构；工业3.0的标志则是将企业职能系统完善，建立现代的企业管理架构，采用信息化集成的方式优化整个生产模式，极大地减轻了人在工业生产信息流中的繁重的处理工作；而工业4.0（见图1-7）所倡导的智能化制造，将彻底改变人在工业生产中的地位。
图1-7 工业4.0：下一次工业革命
前三次工业革命本质上来讲是生产资料、制造方式、运营模式的革命，而2013年德国政府提出的工业4.0概念，就其现阶段所谈到的核心内容来看，并不具备第四次工业革命的深度，本质上还是采用信息化集成解决方案CPS（Cyber-Physical System）实现工业生产领域信息的互动与控制，并未改变工业运营的核心。但就其在现阶段所探讨的智能制造雏形来讲，是工业革命的方向，无人工厂、黑洞工厂等概念仍然是工业制造的终极发展方向，如图1-8所示。
就工业革命的发展历史来看，企业运营制造由生产加工的不断完备，逐渐转化为整个供应链的各级延伸，而工业4.0中的智能制造也是由生产制造供应链向全流程发展的一个过程。德国本土大众汽车公司的制造系统，允许用户在互联网上实时查阅、浏览所订购车辆在制造工序中的状态，以及由哪位操作人员生产及使用了哪些机器设备，甚至很多技术参数如扭矩等都能够实时查阅。当一位德国同事每天早晨与我分享他所订购车的实时制造情况时，通过那种溢于言表的兴奋，就能知道智能制造对未来的冲击有多大。
图1-8 工业革命整体发展历程
工业革命的核心使命是彻底解放人的劳动。第一次工业革命采用机器设备代替了人力的劳作输出，将人的体力输出变为监护设备运转。第二次工业革命采用流水线生产方式，简化了劳动密集型制造企业人员的劳动负荷，在暂时无法用机器、工具替代的作业领域，规划更多的作业面积和配送空间，减轻了人员在劳动密集型作业方式中的劳动负荷。第三次工业革命采用信息系统方式减少了生产辅助区域，例如物流库房、生产计划、物料供给等繁杂信息的处理工作。工业革命就是将人从制造系统中解放出来的过程，工业4.0的智能制造方向是正确的，但也如同共产主义需要长时间的物质积累和沉淀一样，工业4.0绝对不是仅靠理想和信念就能实现的，整个工业革命的道路仍然很漫长。
国内智能工厂的方案，现阶段正朝着两个不同的方向发展：
工作区域自动化解决方案。以机器人、机械手等解放操作工人的劳动负荷，例如，KUKA机器人、ABB机械手的工位自动化解决方案。
工业控制自动化系统。该方向强调的是系统运转的信息处理，以及流程上互相衔接的整体智能解决方案，例如，MES、SAP等应用RFID、条码（Barcode）等智能识别系统，将生产、辅助、销售等体系无缝地连接起来。
这两种方案中，一种是实现生产工序自动连接的自动化方案，一种是系统容错性增强的生产流程智能化工厂方案。两者都是为了最终实现无人化工厂运作模式：一种是由局部扩展到整体，另一种是由整体延伸到局部；一种是以硬件来逐步兼容整个系统，另一种是整体系统指导硬件改造。那么，究竟哪种方案才是最佳的方式呢？笔者认为采用整体到局部的工业革命方式会减少很多不必要的投入，很多案例也证明局部的自动化解决方案不能很好地支撑企业的整体运转，有些更像是形象工程，只能在硬件上实现自动化，管理层面无法实现智能化。
那么，我们为什么要实现智能制造，而不是工业自动化呢？从20世纪70年代开始，随着信息产业化的进步及劳动力成本的上升，各主要工业国家的工业自动化都有了新的发展，很多工业自动化公司脱颖而出，像德国KUKA机器人制造公司、瑞士–瑞典的ABB机械手制造有限公司、德国西门子工业自动化集成公司等。到21世纪初，这类自动化带来了越来越多的困惑和苦恼，德国自动化专家班布里奇曾指出自动化生产的4种典型讽刺现象。
讽刺一，研发人员始终认为制造中的错误来源于人员作业，所以人必须被自动化设备所代替。然而，研发人员本身也是人，也会犯错误，所以，操作上的失误可以归结为研发设计上的缺陷。
讽刺二，那些没有实现自动化的作业，主要原因是它们过于复杂，而且无法根据经验实施预防措施，所以，必须留给人来操作，这个作业也就成为整个制程中最薄弱的环节。
讽刺三，人之所以被自动化设备代替，是因为自动化系统可以更好地执行任务，但是自动化设备必须由人来监控和检测系统是否工作，故障发生时人必须介入，进行手工作业替代。
讽刺四，最可靠的自动化系统需要最昂贵的培训成本，因为它极其可靠，日常没有机会去详细了解和手动控制制造的过程；而不可靠的系统由于经常需要在不稳定的状态进行主动介入，从而降低了培训费用。
这些具有讽刺性的现象，实际上揭示了一个非常深刻的话题，那就是在工业制造中人和自动化系统之间的关系，人是处于辅助地位还是占据主动地位？我们可以看到在很多自动化解决方案中人是自动化系统的辅助部分，操作人员进行自动化制造的辅助供料及成品搬运工作。但由于安全原因，又不得不围起安全防护栏将人与机器完全分割开来，人越来越成为工业制造的附属品，这显然违背了工业革命发展的核心使命，所以，现阶段工业4.0的智能制造是向柔性自动化制造模式方向发展的。所谓柔性自动化指的是在同一区域中实现自动化设备与人之间的交互制造，人和自动化设备之间的分工是机器从事人无法胜任的重物搬运、移动等动作，而人从事高技能的作业。例如，在保护焊接过程中，自动化设备负责提起重物，并按照工艺参数要求匀速移动制件，高技能的操作人员则负责完成保护焊接作业。
企业运营层面的智能化，在现阶段来讲仍然是天方夜谭，整体企业运营没有所谓的公式或函数可以进行准确的数学模拟。在生产运营中，很多时候管理者需要根据经验来进行判断。例如，在库存资金增加100万元和订单及时交付率提升2%这两种结果孰优孰劣的判断上，还无法准确说清楚到底哪种结果更好。在企业现金流极为充裕的情况下，当然可以选择及时交付率的提升，因为这能提高客户的满意度，从而能够得到更多的订单和更好的投资回报；反之，如果企业现金流已经十分紧张，那么增加100万元的库存资金将会成为压在骆驼身上的最后一根稻草，在这种情况下，企业反而可以减少库存资金，而这必将影响订单的及时交付率。所以，企业管理中的很多情况都需要根据经验来权衡，从而做出决策，没有绝对的正确和错误。
局部智能化改造可以通过投入产出回报情况给出数学模型，但在整个运营体系上，由于变量众多，现阶段仍然不得不依靠人来进行运作，所以工业4.0也好，智能化也好，在工位层面有一整套的方法论支撑实现，但在运营层级，不可能马上形成一套行之有效的运行方案，所以，无论短期智能化如何发展，企业中运营管理团队的运作仍然是现阶段企业运营的根本，无法用人工智能来代替。
德国学术界和产业界认为，工业4.0即是以智能制造为主导的第四次工业革命，又或者是革命性的生产方法。该战略旨在通过充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统（信息物理系统）相结合的方式，使制造业向智能化转型。
工业4.0包括如下两大主题：
智能工厂，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。
智能生产，主要涉及整个企业生产的物流管理、人机互动及3D技术在工业生产过程中的应用。
工业4.0是利用CPS技术手段让原有制造流程可视化、可控化，并与客户实时连接的一个过程。核心是互联，即把设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户紧密地连接在一起。工业4.0通过无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施等与CPS相结合，形成智能网络，使产品与生产设备之间、不同生产设备之间能够互联交互，使机器、部件、系统及人能通过网络持续地保持数字信息交流，这种数字信息交流包括三个方面的互联。
生产设备之间的互联。从工业2.0发展为工业3.0的重要标志是单机智能设备的广泛普及。工业3.0则把1969年第一个可编程逻辑控制器Modicon084的使用作为其起点标志，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逐步推广，可以把它理解为单机设备智能化水平不断提升并被广泛推广。工业4.0的核心是单机智能设备的互联，不同类型和功能的单机智能设备互联形成智能生产线，不同的智能生产线互联形成智能车间，不同的智能车间互联形成智能工厂，不同地域、行业、企业的智能工厂互联形成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区别于工业3.0的重要特征。
设备和产品的互联。工业4.0意味着智能工厂能够自行运转，被加工的部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，因此产品能够理解制造的细节，以及自己将被如何制造出来。同时，它们还能协助生产过程，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”“我应该被传送到哪里”等问题。
虚拟和现实的互联。CPS通过将物理设备连接到互联网上，使得物理设备具有计算、通信、控制、远程协调和自治这5大功能，从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。CPS可以将资源、信息、物体及人紧密地联系在一起，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，实现设备、产品、人之间的协调互动。智能制造的核心在于实现机器智能和人类智能的协调互动，实现生产过程的自感知、自适应、自诊断、自决策和自修复。
工业4.0通过CPS形成一个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器及服务与服务之间能够互联，而这种互联在现阶段存在的问题就是，不同企业间的数据通信与决策共享，企业内部原有的各种管理系统接口的规范与信息共享，工位加工基本单元的信息调用实现，最终实现横向、纵向和端到端的高度集成过程。
端到端集成，就是围绕产品全生命周期的流程，通过将流程上不同业务单元的资源进行整合，实现从产品设计、生产制造、物流配送到使用维护的产品全生命周期的管理和服务。
纵向集成，指建立纵向一体化和网络化系统，也就是企业内部信息流、资金流和物流的集成，由研发环节上的集成（如研发设计内部信息的集成）向跨流程的集成（如研发设计与制造环节的集成），最终是全产品生命周期的集成（如产品研发、计划、采购、工艺、生产、质量、销售、服务的全流程集成）。工业4.0所追求的是在企业内部实现所有信息环节的无缝连接，这是所有智能化的基础。
横向集成，指的是将整个供应链智能化，包含供应商与消费者。供应商通过工业云与主机厂实现设计、物流和管理协同，把自己的生产能力、生产和采购计划、库存信息“共享”给主机厂，以便于主机厂进行生产决策；提供给客户的产品是可定制的，比如你要买一台汽车，既可以选择座椅的样式、面料、颜色，又可以设计座椅上的刺绣图案，主机厂要有每台产品的“档案”。
在20世纪90年代之前企业信息系统一直有两类并行的系统架构：一类是整体价值流的物料信息需求计划类数据库；一类是工业设备的工业控制集成芯片。两者之间的数据没有交流且未被互联，制造系统的生产管理依赖于若干个独立且功能单一的系统来实现，例如，产品数据管理（PDM）、供应链管理（SCM）、销售与服务管理（CRM）、企业资源计划（ERP）等，而制造设备则依据过程控制系统（Process Control System，PCS）来管理。企业的多种并行系统在资源上无法共享，也无法综合各种信息来进行统一的决策。1990年11月，美国先进制造研究中心（Advanced Manufacturing Research，AMR）提出了制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）概念，MES是位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的面向车间层的管理信息系统（如图1-10所示）。它为操作人员、管理人员提供计划执行、跟踪及所有资源（人、设备、物料、客户需求等）当前状态的信息。MES将企业控制指令系统与生产核心单元有机地结合在一起，实现企业机器设备与控制指令系统之间的连接。可以认为MES在未来工业4.0中扮演着工业信息总线的角色，它将通过扩展来实现端到端、横向、纵向的集成概念，如图1-9所示。
图1-9 MES架构原理图
MES在产生之初经历了若干个发展阶段，先是从专用MES发展为集成化MES，然后又转变为智能化MESII，这也是由最初的企业内部网络应用向互联网方向发展的过程。
MES作为新一代的制造系统在设计之初就是为了完成4个历史使命，即计算机集成制造系统（CIMS）、准时化生产（JIT）、网络化制造、敏捷制造（Smart Manufacturing）。
说明：智能化制造在德国起源于敏捷制造，德国最初提出工业4.0时其实是针对敏捷制造而不是针对智能化制造提出的，后来在深入研讨和发展过程中，发现敏捷制造已经不足以涵盖所包含的内容了，于是将敏捷制造（Smart Manufacturing）更改为智能制造（Intelligent Manufacturing）。
MES包含12个功能模块，涵盖了生产制造需要进行决策的绝大部分功能（见表1-1），可将制造体系加工单元与企业运营决策管理系统有机地结合在一起。
表1-1 MES的12项基本功能
MES是实现控制层与企业高端指令层之间衔接的桥梁，图1-10是MES架构的示意图，从图中可以看出MES在企业原有的各个系统及加工设备的控制单元间形成了交互式信息交流，同时根据制造运营需要提供可视化决策分析数据。
由此看来，工业4.0的实现好像并不是一件很遥远的事情，通过构建新IT集成系统体系CPS，建立生产加工单元与指令服务系统的互联，再通过物联网、云计算等技术手段即可实现整体智能化制造。工业4.0真的是这么简单就可以实现的吗？
图1-10 MES架构指令层及控制层关系
纵观工业发展的历史，我们能看到一种生产模式向另一种生产模式转变的过程，并不是完全推翻重来的过程，而是在原有基础上逐步优化的过程，工业2.0是基于工业1.0标准化模式的，而工业3.0又是基于工业2.0流水线模式进行的管理变革，可以想见，工业4.0的实现绝对不是一个简单的CPS互联的过程。德国制造经历了工业革命的各个阶段，在工业制造的发展过程中积累了丰富的经验，有深厚的沉淀，而对于我国，工业文明只有区区三四十年，我们要走的路还非常漫长，绝对不是一个简单的工业互联就可以满足的，我们还有更多的基础管理工作要做。
德国管理界为工业4.0定义了5个核心要素，即全球化工厂、操作技能提升、交互式设备、可视化制造、智能的产品，这5个核心要素是工业4.0得以实现的重要组成部分（见表1-2）。像德国这样一个制造大国也认为工业4.0的CPS仅仅是基础，要实现工业4.0还需要组织体系的进一步优化，作为国内很多未曾经历过工业1.0、工业2.0甚至工业3.0的企业，更应该进一步加强制造业的基础管理。
表1-2 工业4.0的5个核心要素
互联网企业高速发展的两个国家是美国和中国，为什么制造大国德国在互联网上似乎始终波澜不惊、不思进取呢？德国那些“隐形冠军”企业终身都是某些客户最坚实的供应商，为什么它们不去参与跨国平台下的激烈竞争呢？其中的一个重要原因是德国学徒性质的工业基础培训体系。这是德国制造的一个特性，也是德国制造必须克服的一个弱点。全球化工厂是为了实现工业4.0横向与纵向的互联，整合所有资源为智能化制造服务。德国制造必然需要改变原有的制造体系模式，更多地与全球工厂进行合作。
操作技能的提升是智能化工厂不可或缺的因素。试想一下，先进的智能化制造工厂由管理技能薄弱的人来进行操作，往往会有无从下手的感觉。起源于20世纪80年代的学习型组织管理模式是未来企业发展的核心，领导力的植入是企业管理提升的关键。
交互式设备是实现CPS的核心基础，不能实现信息交流的工作单元在未来就像工厂里面的黑洞一样，无法达到智能工厂的要求。端到端互联通信的实现是智能化制造的重点，没有交互式设备的智能化工厂仿佛盲人摸象一样，是无法对企业管理中基础数据的不切实际做出有效应对的。
可视化制造不是一个简单的可视化概念。首先制造体系必须被最大限度地优化，之后才能以可视化的方式实现整体控制的优化，如果制造系统中的微观参数带有很多不确定性，那么再好的CPS也会在虚假信息中给出错误的决策参考。现阶段，从实现整体制造系统优化的角度来看，只有第三次工业革命中的精益管理是最佳的制造模式，未来是否会出现更先进的管理模式还未可知。精益管理尤其是德国精益管理模式仍将是工业4.0的核心基础。
智能的产品涵盖了两方面特性：一方面是高新技术应用下产品的升级换代，例如3D打印技术的应用；另一方面是现有产品的优化改进，就现阶段来讲，产品研发最前沿的理论仍然是模块化产品研发，即在标准化制造的前提下，尽可能多地满足客户多样性的需求。
总的来说，工业4.0是在产品研发、生产制造、领导力实现及高新技术的应用上，通过CPS信息化的过程。工业4.0绝不是简单的信息集成化概念，信息集成化也脱离不了企业经营机制的革新。来源于20世纪末的模块化理论，根植于工业3.0核心的精益管理，学习型组织的领导力实现，以及高新技术的发展，再结合CPS信息化集成的条件，才能共同构建工业4.0的基础。
如果企业直接在工业1.0、工业2.0的基础上实施工业4.0，显然是无法实现其所对应的5个核心要素的。所以，就现阶段来讲摆在国内企业面前的，仍然是如何彻底完成工业3.0的转型，同时，采用类似MES信息集成的方式实现CPS互联，这将是工业4.0的发展方向。
企业的经营管理有两个维度的运作模式：一个维度是产品生命周期管理，工业4.0遵循研发模块化管理的技术创新模式；另一个维度是产品订单处理全流程过程，工业4.0遵循精益管理的内部企业优化管理模式。在企业的整体运营环境中，始终以学习型组织领导力导入模式辅导、培养员工，如图1-11所示。由于现阶段工业4.0仍处于概念完善阶段，所以，本书不对工业4.0的未来妄加揣测，也不对工业4.0进行过多的内容展开，将围绕工业4.0的核心——基础的模块化理论、德国精益管理、德国领导力实现模型即车间管理（Shop Floor Management）这3个核心要素展开。
图1-11 工业4.0中智能化企业运营架构
总的来看，工业革命仿佛走了一条弯路。在供不应求的时候，以大量生产模式追求极致标准化制造，满足客户数量上的需求；而在供大于求的时候，采用精益及智能制造的模式又回到了原点，满足客户多样性的需求。但无论如何，工业革命的历程说明，工业革命的核心目的是为了实现客户多样性的需求，核心任务是解放和减少人在工业生产中的劳作。
工业4.0是以CPS为核心，应用模块化理论、精益管理模式、学习型组织、高新技术等的综合制造体系。它的1个核心是CPS互联，2个主题是智能工厂、智能制造，3个重点是端到端集成、纵向集成、横向集成，5个要素是全球化工厂、操作技能提升、交互式设备、可视化制造、智能的产品。工业4.0肩负着工业革命发展的最终方向——个性化定制时代，欧美工业革命的历程经历了160余年的发展、完善，终于重新走向实现满足客户需求与解放人类劳动的终极目标。