二、第四次工业革命的开端

随着全球信息化的普及，从20世纪90年代开始，多领域的科技创新集群开始在全球范围涌现，比如：互联网、云计算、量子科技、人工智能、大数据和生物科学等。如图1-3所示，第四次工业革命智能化来临，在推动科技革命和产业发生变革的同时，也为世界各国各行业发展带来机遇与挑战，各国开始在智能制造上布局，提出了各自的应对策略——德国提出了“工业4.0”、美国提出了“国家制造业创新网络”、日本提出了“工业价值链”等。

（一）德国“工业4.0”

从20世纪70年代开始，计算机与信息技术成为第三次工业革命的核心技术。在发达国家，工业制造有90%以上依赖于计算机与信息技术，人类的生活、工作、学习发生了根本性变革。在2013年的汉诺威工业博览会上，德国政府正式提出了“工业4.0”，指出其是以智能制造为主导的第四次工业革命。该项目由德国联邦教研部与联邦经济技术部联合资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略，德国政府投入达2亿欧元。开始“工业4.0”的重要前提是实现工业的自动化，提高制造业的智能化水平，主要在电气工程和机器制造领域。德国“工业4.0”参考架构如图1-4所示。

“工业4.0”的核心是以信息物理融合系统（cyber physical system，CPS）为基础，实现四个智能化转型：智能工厂、智能生产、智能物流和智能产品。①智能工厂。主要研究智能化生产系统及过程、网络化分布式生产设施的实现。②智能生产。主要涉及企业生产过程中对物流管理、人机互动及3D打印技术的应用。③智能物流。主要利用物联网和互联网整合所有物流信息，将物流资源需求方和供应方紧密联系，迅速匹配物流信息。④智能产品。主要是指在新工业革命时期生产出的工业产品，即拥有基于集成价值网络的智能制造，支持物联网和务联网的智能工厂，以及智能化生产线的整个生产流程。

（二）美国“国家制造业创新网络”

21世纪初期，跨国企业不断出现，美国本土大量制造业外流，出现“产业空心化”。2008年，美国由于对虚拟经济领域（如金融、服务业）的严重依赖，爆发了金融危机，并波及全球。2010年前后，中国的制造业增加值超过美国，这使得美国制造业在全球的地位发生变化。在金融危机后，美国开始思考虚拟经济的消极影响，逐渐开始振兴实体经济，颁布了一系列针对实体经济的计划。2009年12月，美国颁布《重振美国制造业框架》，以财政支持、投资引导等方式支持制造业的发展。2011年，总统科技顾问委员提出了《确保美国先进制造业领先地位战略》，推动了美国“先进制造业伙伴计划”和“振兴美国制造业和创新法案”的出台。2012年，美国总统奥巴马提出构建“国家制造业创新网络”，建立了创新试点机构，并在2013年投资了10亿美元。2014年，“国家制造业创新网络”设想被提出并通过法案确定下来。2016年，“国家制造业创新网络”更名为“美国制造”。以上过程大致可以总结为3个阶段，即降低制造业成本、建立国家制造业创新网络、重塑美国制造。

美国政府通过鼓励科技创新、放松政策等促进制造业发展，注重人才培养与吸引高科技人才、促进出口等战略，引导在国外的制造业回国发展，强化其在制造业中的优势地位。在多种政策的引导下，从2009年开始，美国制造业增加值逐年升高，到2016年已达到2007年金融危机前的最高水平，如图1-5所示。“国家制造业创新网络”强调提高制造业的创新能力，“美国制造”强调创新的产品化、商业化。在“美国制造”的政策下，2017年美国新增6家创新机构，智能创新研究所达到14所。用于研发项目的联邦资金份额不断增加，联邦资金与非联邦资金比例由预定的1∶1变为1.5∶1，在项目资金的支持下，研发项目总数也在不断增加，同时创新系统成员总数增长50%以上。

（三）日本“工业价值链”

日本自第二次世界大战以来，在汽车电子、微电子和精密机械方面逐渐处于全球领先地位，日本的智能制造大概从20世纪90年代开始。在1990年，日本制订了十年的发展计划，开启了制造业的“智能化”时代。1995年，日本提出“科技创新立国”战略，为智能化的生产提供了政策支持。进入21世纪后，日本制订的《科学技术基本计划》将新兴产业作为重点发展方向，如信息技术、纳米技术和生物技术等产业。从2015年开始，日本针对智能制造发展提出一系列举措，主要有机器人新战略、工业价值链计划、互联工业战略、制造业白皮书、科学技术创新综合战略等。2018年，Morgan Stanley（摩根士丹利公司）发布消息：2018—2020年，日本的大型企业在智能制造领域的支出将由10.6%上涨到22.8%。

日本工业价值链计划由机械工程学会启动，目前已构建了“官产学研”一体化的合作体系，此计划最初是为智能制造中的中小企业解决技术开发过程中的重复性问题，为企业节约人力、物力、财力及时间成本所设计的。2016年12月，日本工业价值链促进会（Industrial Value Chain Initiative，IVI）发布了《工业价值链参考架构》，从图1-6可以看到，智能制造单元的三个维度分别是资产视图、管理视图和活动视图。在智能制造通用功能模块中，智能制造单元可根据不同层级进行多种组合，全方位、多视角展现工业链（图1-7），形成智能工厂之间互联互通模式。工业制造链参考架构为智能制造战略的实施提供了强有力的理论支持，体现了日本在智能制造业方面的强大优势。2018年3月，工业价值链计划推出新一代的工业价值链参考架构，进行了更深层次的优化，实用性有较大提高。