二、制造业面临的新挑战与工业4.0的出现

回顾一下前面的内容可以看出：制造业这一百多年以来发生了巨大的变化，现在要寻求产品多样性跟批量之间的平衡。我们希望保持大批量制造的好处，同时利用技术手段让我们回到曾经的多品种个性化体验的时代。制造业的分层结构存在了几十年，但现在这种结构被打破了，正向一个基于云端服务的形式发生转化。当然，这个过程刚刚开始，还远远没有结束。想提示大家，如果你来源于制造业，或者你是给制造业提供服务的，就要思考制造业企业在新形势下所面临的新挑战（表1-1）。

在制造业发生如此巨大变迁的背景下，世界上主要的制造业国家，包括美国、德国、日本和韩国等都在思考应该怎么办。美国人以前搞制造业外包，他们觉得制造环节没有很大的附加价值，只要发挥其无与伦比的创新力，把教育搞好，把高科技搞好，把世界规则制定好就可以确保绝对的竞争力。但2008年金融危机以后，美国意识到实体经济依然非常重要，制造业跟创新是融合在一起的，在很多领域中如果不懂制造也就没法懂创新。所以，美国人不仅要高科技，不仅要创新，还要强大的制造实体。从奥巴马时代，美国在这方面制定了很多政策，当然特朗普也有很多调整，但美国总的趋势是要把实体经济进一步做强。我国要由制造大国转变为制造强国，成为一个创新驱动的国家，也必须在高技术、创新及人才教育上发力。那么，德国呢？他们实际上是挤在中国和美国之间，上有美国的天花板，下有中国强大的竞争压力。德国制造业的领先企业，包括德国众多的中小企业，他们在想：过去几十年来，我们靠优秀的制造业传统，在很多领域持续领先，但是在互联网时代为什么德国没有产生巨头呢？在严重的危机意识之下，德国人提出了所谓的工业4.0，并不是说德国落后了，而是他们希望抓住这个时代的脉搏，在下一个时代继续领先。同样的道理，日本也好，其他国家也罢，都试图在世界制造业竞争和分工当中，寻求自己更好的位置。

对于工业4.0，请参考图1-7。德国人说有四次工业革命，实际上在这之前有各种说法，有人说世界进入了第三次产业革命，也有人说进入了第五次产业革命。

18世纪末即1787年出现了第一台机械化纺织机，蒸汽机的引入把纺织从纯手工变成了机械化操作。但这还不是电气化，不是自动化，更不是智能化。因此，第一次工业革命从纺织工业开始，发源于英国。那么，大家知道真正的纺织发源于哪里吗？是中国，一位叫黄道婆的女性发明了织布机。但是，纺织变成产业，却是在英国发生的。一个人的功率只有大约200W，蒸汽机发明以后，几十千瓦可以瞬间达到，蒸汽机因此成百倍、上千倍地扩展了人的体力，劳动生产力提高了，织布的产能就得以提升。英国消耗不了这么大的产能，怎么办？向外输出。所以，第一次工业革命以后，紧接着就是英帝国主义的扩张。可见，技术革命带来了产业革命，产业革命带来了大规模的全球化贸易，随之也造成了资本主义在全球范围的扩张。

第二次工业革命发生在20世纪初的美国。当时的标志性发明就是电。准确地说，是发明了电机，为机械带来了新动力。原来只能叫机械化，带上电机以后变成电气化，设备高速运转，效率进一步提高。但是，第二次工业革命的发生并不是因为电机，也不是因为飞机或火车这些改变世界的发明创造，而是因为美国辛辛那提的一个屠宰场引入了劳动分工的概念，把屠宰变成了许多人分工合作的过程。所以，第二次工业革命并不是源于新技术，而是源于人的组织分工的变化，实际上是组织革命和管理创新。大家一般认为大批量生产始于福特，实际上福特只是第一个采用流水线来生产汽车的。辛辛那提才是第二次产业革命的发源地。

第三次工业革命发生在20世纪70年代——准确地说是1968年，这一年诞生了第一台可编程逻辑控制器（PLC）。PLC是电子、半导体、软件工业的集大成者，让人类可以用软件控制一台设备，让装备制造业进入自动化，这是又一次颠覆性的革新。所以，IT技术和电子技术进入制造业，导致制造业的第三次革命。

从1968年到现在这50多年，我们都处于这个阶段，整个中国都在这个阶段，从纯机械变成半自动化和自动化。发明PLC的不是德国人，但是德国人做得很好，他们有西门子，是世界上PLC第一大供应商。西门子到现在既不提智能制造，也不提智慧工厂，更不提人工智能，西门子的口号是电气化+自动化，这是它的当家之本。但是，德国认为电气化这么多年仍然领先还不够，他们没有互联网巨头，所以他们要重新定义未来。德国在2011年底、2012年初召开了一个会议，提到工业4.0，他们认为从那天开始，世界进入工业4.0时代。

工业4.0的标志是什么？他们认为是信息物理系统（CPS）。CPS是美国21世纪初提出来的概念，本来是软件架构里一个非常专有的、非常生僻的词汇，德国把它用到了工业界。其基本思想是：所有的东西都需要有个镜像，今后制造业小到一个部件，比如汽车安全气囊，大到一个城市，甚至整个社会，将来都由两部分组成，一部分是实体，另一部分是虚体。实体是看得见摸得着的，虚体则正好相反，只是数据在网络中的一种存在，这就是CPS的概念。这样的话，就打开了一个新世界，我们原来不断生产设备，不断生产产品，现在开始要建造一个虚拟工厂、一座虚拟城市，重新塑造一个世界。这个世界是德国人率先开始构建的，不仅要从传感器层面，还要从系统、工厂、城市层面一直往下用CPS模型来构建。因此，德国人启动了大量的标准化工作，邀请各领域的专家一起制定关于CPS的标准。

按照工业4.0的观点，未来的智能制造框架下面是物联网，上面则是服务网。万事万物都要联网，目的是支撑上面的服务。所有的服务也要联成网络，一个在天上，一个在地下，中间层则是从智能原料经过智能工厂或者叫智慧工厂，输出的是智能产品。这个架构是2012年提出来的（图1-8）。

在未来的工厂中，下面是基于CPS的生产制造系统，上面是MES和ERP，即前面介绍的分层结构中的那些软件工具。但是这些软件今后不是以完整软件的形式提供，而是以按需服务的形式提供——现在流行的词叫微服务，以App形式在手机里面来实现。还有一个很重要的概念就是语义，也就是说我们可以在很高的层次上进行抽象，让不同专业的人，能够在同样一个工程环境当中对话。不像现在机械工程师用ProE，电气工程师用Protel，软件工程师用C++，谁也听不懂谁的语言。在语义的层面上，不同专业的人开始跨界、开始融合，机械、电子、软件、IT工程师和技术人员开始协作。这也是工业4.0一个很重要的理念。

如果实施工业4.0，以CPS构建制造系统，那么，将来制造会变成什么样呢？给大家举个汽车制造的例子。汽车工业是一个国家的支柱工业，汽车工业每投资一分钱会拉动其他产业至少一元钱。也就是说，汽车工业的每一亿元产值会带动一百亿元的相关产业的产值。这就是为什么每个有一定体量的国家都要发展汽车工业，因为它的拉动能力太大了。汽车工业是人类制造文明的精华。

图1-9所示为目前汽车工业的一般形式：高度的自动化流水线，信息化程度也非常强。但是汽车工业的未来可能是另外一副样子（图1-10）：所有的设备都动起来了，所有的产品也不在生产线上按顺序流动了，而是具有动态自主的特性。需要用什么样的工艺，用什么样的设备来加工，加工之后形成什么样的数据，交到哪里，都是动态的，因为每个产品不一样。所以说，新的制造现场看不到生产线了，叫作生产制造系统，而且这个生产制造系统也不是顺序连接在一起的，而是高度结耦的，没有明确的工序概念。是基于数据的强大的通信和信息系统在很好地管理着这一切。这是工业4.0想要实现的一种制造场景。

德国罗兰贝格咨询公司在几年之前曾描绘了工业4.0智慧工厂将要包含哪些系统，其中既有AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引车）又有机器人，还有大数据、物联网、服务网，更有物流4.0，甚至也包括先进材料。

值得关注的是，所有的系统都必须有非常好的安全性，包括网络和信息的安全，可以说没有安全就没有一切。欧洲发布了关于数据权力的法律，很明确规定数据100%是用户的，不能随便交易。

总结起来，工业4.0有几个显著特点：

第一，高精度地、高质量地制造多品种小批量的产品。

第二，80%的创新由信息与通信技术（Information and Communication Technology，ICT）驱动。当今制造业中颠覆性的创新，很大程度上是因为信息技术融入制造业带来的。但是由ICT驱动，并不是指被ICT决定，更不是由ICT产生，而是说被它影响，被它推动。所以，一个制造业的公司如果不能很好地跟IT结合，不能很好地跟数据、软件、信息结合，那将跟80%的创新无缘。

第三，工业工程、自动化与机械开始融合。这种融合不是说大家坐在一个办公室共同开发一件产品，而是大家在知识结构上、在理念上形成一个有机的团队，而过去大家完全是分专业的。

上面提到依靠CPS、物联网和服务网，构建智能制造生产系统，其中的软件和数据含量在不断增加。一台机器设备的价值如果是100万元，软件和数据的含量很快会超过50万元，将会是70万元、80万元，甚至越来越多。但仍然会有一部分是机械，是硬件，这些不可或缺，硬件非常重要，但硬件带来的价值增值远远不如数据和软件。

还有一个重要方面是对人的培育，因为我们现在面临的情况是没人懂、没人规划、没人实施、没人去运作，所以大家都觉得机器代人是把人轰出去，实际上应该把人留下来，但这些人经过训练之后要提升，比如通过信息技术手段包括增强和虚拟现实来支撑员工的培训教育。

德国的大企业如西门子等都在这样的思维指导之下开始行动起来。大企业很重要，然而德国工业4.0重要的目标是要让广大的中小企业受益。通过国家的努力，通过工业4.0的努力，通过制造标准，通过开发数字化转型解决方案，帮助广大中小企业跟上这个发展的趋势。

Festo是一家非常传统的公司，生产气动元器件，这些年有些改观，它迅速地开发电气自动化系统、软件系统、数据系统，然后开发新型的生态化机器人，迅速地提升自己的技术含量，现在Festo在工业界已经是一个创新型的、充满活力的公司，它把自己的工业4.0前景定义成未来工厂。

博世是德国另外一个老牌企业，它在全世界有200家工厂，他们的产品涉及接插件、电气系统、自动化元件、汽车电子产品等。它把自己的工业4.0未来做了一个定义，叫思考型工厂。他们认为，员工和生产系统都必须会思考，所以博世展出了一条生产线，在这条生产线当中所有机器人都是带感知功能的，所有机器人的皮肤都是软的，你触摸它，它会感知到，该停就停，该慢就慢，它会响应你。所有机器人下面都带小车，可以拉来拉去，产线是柔性自组织的。这是他们展现的未来思考型工厂，这里面所有东西都要感知环境，感知人，然后调整自己。

通过这些案例，大家就知道，德国的企业，无论是博世、Festo，还是西门子，当然还有大量的中小企业，在这条道路上已经走了很多年，4.0对他们来讲是很正常的一种思维延伸。今天看起来，工业4.0扎扎实实地在落地，有很多技术已经找到了合适的需求和场景，很多标准已经在制定。 1FeZXJ2rUtTjTeiVQg+zU1lgAqt5kXK4stDPc02UAn39hdQncXyfMSrU89tv1mb5