从第四次产业革命探讨工业4.0构想与愿景

刘端直

(四川大学　政治学院，成都　610065)



从第四次产业革命探讨工业4.0构想与愿景

刘端直*

(四川大学政治学院，成都610065)

工业4.0由德国倡导，反映了工业革命发展进程中的历史必然。世界制造业今非昔比，许多领域已有不同程度的工业机器人运作，取代了人力。如若再向前，自动化生产与传感及信息技术的进一步融合，必然带来历史新飞跃。工业4.0就是人类第四次工业产业革命的愿景。

工业4.0；第四次产业革命；愿景

一、何谓工业4.0

(一)工业4.0的概念

来自“互联网+制造”的趋势推动新工业革命的快速兴起。对此，先进工业国给予强烈关注，力图抓机遇创新发展，更上一层楼。工业4.0，是工业强国德国首先提出的概念。它吹响了新产业革命时代的号角。

2011年，以西门子为代表的德国先进制造厂商联合德国工程院和有关协会共同发起倡导了工业4.0。这标志着人类工业化进入了第四阶段。此理念从后台步入前台，是同年在汉诺威工业博览会开幕式上，由德国人工智能研究中心负责人、执行总裁Wolfgang Wahlster教授首次公开提出来的。其创新在于推动互联网走向深化，与制造业融合，实现第四次产业技术革命。

德国人倡导工业4.0，极具现实意义。2013年，工业4.0在德国轰动起来，被视为保卫德国制造业的战略行动。信息通讯新媒体协会、机械设备及制造协会、电气电子行业协会为此共建了4.0研究平台。为引领和指导发展，德国政府成立了工业4.0工作组，并在2013年的汉诺威工业博览会上发表最终报告《保障德国制造业的未来：关于实施工业4.0战略的建议》。这一年，德国联盟教研部与联邦经济技术部将其列为《高技术战略2020》的十大未来项目之首。同年底，德国电气电子和信息技术协会发表了德国首个工业4.0的标准化路线图。

(二)为什么要提出工业4.0

18世纪人类社会进入大机器制造的工业时代，其引领者是英国，称为工业1.0；19世纪末—20世纪初人类社会进入电气化时代，其引领者是美国，称为工业2.0；20世纪70年代人类社会进入电子和信息技术时代，其引领者是美国硅谷，亦即第三次工业革命，称为工业3.0；以德国为首倡导的工业4.0，显然是告诉人们，社会正在进入一个以信息传递、表达深化及其数字化运用为特征的智能化、网络化的工业时代，亦称实体物理世界和虚拟网络世界的融合，即从“互联网+”出发，建立一个高度灵活的个性化和智能化生产和服务的时代。

人类社会在20世纪后期，经过30多年努力，催生了自动化的演进，机器智能不再只掌控体力劳动，也能掌控脑力劳动，这催生了工业4.0时代的到来。网络发展势不可挡，无线方式广为联结，必然导致物理实在世界和虚拟网络空间的融合。德国工业和科技界认识到，掌控物联网和服务互联网向生产环节的渗透，一定能实现工业4.0。

二、工业4.0的愿景

(一)保卫德国制造业

这是德国政府和民间上下一致的呼声。多年来，西方世界特别是欧洲陷入债务危机以来，德国经济依然景气，其制造业是不可或缺的保障。为保证德国经济的强劲势头，一旦有人提出符合德国经济保持世界先进的口号，德国政府就不遗余力地倾力支持，力图成为下一次变革的推动者。工业4.0最突出的特点是通过网络与信息物理生产系统的融合，改变过去工业生产与服务相隔离的模式。因此，物联网、信息通信、云计算、大数据存储和处理便成为工业4.0的客观基础和前提，也是传统自动化与现代信息技术的有机结合。

目前，智慧工厂通过工业4.0理念的推进，正在强化信息技术与制造业的融合。比如西门子公司就展现了汽车工厂的组装线，采用全集成自动化和数字化企业平台。与传统工厂让机器记住机械手作业思路不同，在4.0生产线上，车体与机器人一边信息交流“对话”，一边实施组装操作。其工作原理在于体内“名片盒”芯片记录有汽车型号、零部件及组装顺序等各种信息。当车体接近机器人时，它会发出需要什么“车门”的指令，机器人则按其指令准确作业。传统组装只能按程序流程进行作业，虽然也少有差错，但难免失误(如车门对接车体型号等)。现在机器人与车体对话，便能对照数据选择操作，准确无误，消除了可能的失误和差错。西门子公司表示，“这一展示显示了智能工业软件与高性能生产硬件的融合”[1]。德国总理默克尔(Merkel)指出，“未来智能工厂能够自行运转，零件与机器可以相互交流，这令跨行业合作成为必须”[2]。

2014年德国在汉诺威工业博览会上第一次展示了工业4.0的演示系统，该系统由10家企业联合研发，尽管工业4.0此时还是一种前进中的愿景，但是在人工智能研究中心协同下，德国建立了世界上首个反映工业4.0愿景的工厂模型。为实现此目标，上述10个合作伙伴各自都有一个系统模块，提供一种相关应用技术，以整合各种模块成为全球第一例工业4.0的演示模型。

(二)美国的CPS理念

工业4.0与美国提出的CPS(Cyber-Physical System)理念相同，即从实现虚拟网络到实体物理系统的融合，但有其各自的认识过程。一直以来，科学家们总想将控制技术融入互联网，强调物理过程与信息间的反馈。2006年，美国科学家Helen Gill提出信息物理融合系统，即CPS概念。2011年Karl Henrik Johansson指出，从自动化技术的观点认识，CPS是一种工程系统，有一个嵌入在物体中的计算和通信的核，由物理环境的结构所监测和控制。“凭借其计算和通信联网能力，将与其他的同样嵌入了计算和通信功能的智能体，构成了互联、互通和互为操作的更大系统”[3]，它能互为执行和完成人的规划和设计功能。美国IBM公司为此开展了深入的探讨和研究，认为在工业4.0倡导下，经过突破和创新，再过10年，一个数字技术经济的时代将会不同程度地展现，其基本特征就是工业自动化和信息技术深度而全面地融合，具体体现是建立在信息物理系统CPS的基础之上。

2013年12月12日，美国白宫召开了第一次CPS成员会议。会上讨论的热点问题与德国人倡导的工业4.0不谋而合。这在一定程度上是对德国人倡导的回应。两者观点融合在一起的中心意思是制造业必须走向数据分析的转型。美国智能维护系统产学合作中心主任李杰指出，虽然德国人首先提出了工业4.0，但他们并没有特别多的案例，因为软件是德国工业的相对弱项。另一方面，工业制造业基础装备机床，若以物理形式存在是单一的、具体的，但如以工业4.0的思维来理解就不一样了。因为，机床有内置传感器，机床的工作状态可以通过信号发送并转换为可识信息，用以分析指导行动。如工业4.0时代的车轮胎，工作中哪个轮胎变化如何，可否工作或者功能衰退，要不要换胎等，主人可通过掌控数据分析而预知。又如，汽车在路上奔驰，前方汽车突然通过智能传感网络告之在前面某处有大坑，后面行驶的车辆即可同时收到信息，使“危信”分享。李杰通俗地比喻道：搞生产卖产品，好比是卖蛋黄(功能价值)和卖蛋白(服务)。如果我们在实物产品基础上加上数据分析，由软件功能提供过去没有的“服务”，并使两者有机结合，就可达到更高水平的完整系统化，既卖好蛋黄，又卖好蛋白，这就是工业4.0和CPS将要实现的目标。德国人工智能研究中心Detlef Zuehlk说：“工业4.0从本质上讲就是一个迫在眉睫的第四次工业革命的愿景。”

三、工业4.0的构想

工业4.0的理念将工业制造业推到了新的变革边缘，其变革来自传感、仪器、自动化、通信等领域的技术融合。今天，不同行业的工业机器人在生产线上大显神通，自动化水平不断提高，人们通过制造已经创造了惊人的成就。但是，制造技术如何进一步飞跃和进化发展，成为摆在人们面前的难题。过去，制造业一直存在决策者无法灵活掌控定量的问题。如，生产上难以预测运转寿命变化、产品质量稳定性及废次品等问题；产品供需的上、下游如何处置，市场需求可否预测等等都是难题。工业4.0理念则提供了透明化的技术和预测工具，量身评估制造和装备能力。这时，制造的变革就催生了预测制造。表面上，企业如同过去持续快速流水线生产，实际上，各种信息数据通过传感网络源源不断地系统产生出来，让主管者随时掌控决策。过去，企业无论是生产还是维护、维修都来自人的观察，由实地观感反应作决策。工业4.0则可提供生产各种环节必要的数据，对一切难题实现预测预知。其中，核心技术是来自智能传感器组合提取(如振动、温度、压力、电信号等)数据，同时，利用数据对比挖掘潜力，达到最有效的生产和管理。

另一方面，工业4.0通过互联网将市场需求与智能生产过程两大数据系统交汇、交流，由智能制造进行分析、判断、调整，可按目标控制制造过程。当然，消费者需求会愈加个性化，常常不再满足所谓标准化的产品，从而不断推动新一代“非标准化”智能制造生产模式应运而生。客观上，未来消费需求的个性发展和变化可能出乎预料地变迁；但正是这种海量的信息为生产者创造了大数据存储、分析、判断，从而能寻找规律，达到预测、预制，确保生产出最佳达标的高品质个性化产品。这决定了互联网、信息技术及制造设备信息的高度融合。未来工业制造必须走上既可预测又可定制的可持续发展新路，这正是全球制造业的变革方向。千变万化的需求是对21世纪制造业的挑战。工业4.0将迎接挑战，从而催生第四次产业技术革命到来。

四、世界制造强国工业4.0的发展状况

德国的工业4.0和美国的CPS称为信息物理系统，也有人称为网络物理系统或信息物理生产系统等等。美、德都认为，在这个系统中有物理属性、制造属性、信息属性，更有网络属性。CPS的功能就在于利用传感、数据、模型和算法把这些属性统一在一起。所以，智能工厂就是网络智能化的控制系统，德国强调的物联网和服务互联网都是智能工厂的必然基础。工业4.0离不开互动，包括设备条件的互动，生产流水线的互动，研发的互动，当然也包括人在内的价值网络的互动。因此，智能工厂是人、设备、环境和数据不间断的互动。制造业的创新主体是ICT(信息通信技术)技术的驱动。ICT技术的占有是推动未来4.0变革不可缺少的技术支撑。

德国展现的工业4.0流水线是网络化、模块化的，而且都是自组织的。以西门子为代表，智能工厂称为数字化工厂，当然也是未来制造业的代名词。德国倡导工业4.0，而欧美都从自身情况出发不遗余力地争先发展先进制造业。对于德国来说，其核心是要巩固和确保自身在全球的领先地位。德国、欧美乃至全球，都强调ICT技术和制造业的结合，都强调新标准的作用，强调人和智能技术的关键意义。美国依赖ICT技术是想进一步借助网络和数据控制管理能力，侧重宏观的创新突破，而德国则侧重从中观微观突破。2012年美国提出工业互联网(GE)，通过互联网与工业的结合、融合带来新的变革，实为德国人倡导的工业4.0。美国的GE通过人和大数据的科学结合实现更加智慧地决策，带来一个技术制造业的更新。德国人的4.0平台由三大协会共同组建。围绕工业互联网，美国也组建了类似联盟，其中有IT公司、互联网公司、IBM公司等。美国工业互联网联盟领导和协调整个工业界、学术界和技术界，通过研究构建，开创最佳工业实践发展，推动变革。

新兴发展国家，如金砖四国在制造业为主体的经济总量上，其工业增加值从原来只占全球约20%左右陡升至40%，欧洲则从约占36%，下降到25%。但并不表明欧洲，尤其是德国的工业技术停滞了。与此相反，德国工业制造技术的进步更快，只是由于人工成本高，占到总成本近30%，成为了一个难以回避的难题。为了确保德国先进制造的领先地位，必须在进步中找到一种飞跃的路径，这就催生了工业4.0的新理念。新的理念是智能化的，人、机器互动的，能使客户的产品需求及时传递到并展现到制造环节，从而实现产品按需设计、制造、供应和销售。德国不像美国那样，常用大公司、大企业联盟说话，而是以中小企业作主导。事实表明，德国工业增加值近70%来自中小企业。企业中小型化，相对“非标准化”前景来说是灵活定制化生产的亮点和优势。当然，就工业整体而论，其国际化程度不如美国。在销售体系上，与中国也不同。德国销售体系并不发达，我国任何产品的推出大都离不开庞大的销售体系；德国实行大客户经理会制度，一切问题都经过企业大客户经理会直接沟通解决。这种历史和现实制度化行为为实施工业4.0构建了良好的基础。

德国倡导工业4.0，成为未来工业变革的“领跑者”，但对欧洲或世界来说，未完全实现现代化的国家要跟上工业4.0发展则不太容易。即使西方国家，能跟上美、德工业发展步伐的也不多。绝大多数国家，虽有不少在制造业方面也比较强，但是，如果制造技术和产业水平不高，要进入工业4.0领域仍会有较长的路要走。其中条件较好、有潜力的、发展快的国家，也有可能后来居上。笔者认为中国定将是最有潜力后来居上的国家之一。

德国倡导工业4.0理念也有不少的弱项，其信息产业就是最大的制约因素。美国在这一方面有明显优势；第三次工业革命的领航者硅谷就在美国。美国IT业经过较长时间发展之后，世界一些先进企业，无不与美国的IT业相关联。当今，世界知名信息产业巨头，大多在美国，如谷歌、雅虎、脸书等。诚然，推出工业4.0理念的西门子通过研发和引进，在工业4.0推进中发挥了积极作用，从而占据一定市场，但与美国相比仍有差距。

工业4.0主要是由科学家、工程技术专家直面制造业创新而提出来的，而未来学家的预言是在一定创新发展之后的预测或总结。第三次工业革命，正是基于部分实践的预测预言。当然某些未来学家的预测也难免有误差。如里夫金(Rifkin)对第三次工业革命的重要支柱寄予为可再生能源，至今也未实现。科学预测，即使再过相当长的时间，再生能源也难以在人类所需能源中占据到超过20%的份额。所以，倡导工业4.0，亦应是多方面、全方位的工业自动化和IT产业技术的深度融合，并非某一制造技术所支撑。

五、中国制造业现状与对策

(一)现状

联合国统计数据库和世界银行数据库针对中美两国几乎每年都会发布一些工业数据。如2011年公布的我国制造业增加值为1.900 9万亿美元，美国为1.880 5万亿美元；2012年，我国制造业增加值为2.079 3万亿美元，美国则只有1.912 1万亿美元。如2013年，我国生产的发电设备为全球的60%，造船完工量为全球的41%，汽车产量为全球的25%，机床产量为全球的38%，等等。这些数据表明，中国已经成为世界第一制造大国，但并不能说明是世界制造业的强国。中国工程院对世界制造状况展开考察后制订了《中国制造2025》规划。随后，依据制造业规模发展、结构优化、质量效益和可持续性等，列出4项一级指标和18项二级指标构成制造强国的指标体系，并将目前世界制造强国分成为三类。一是“绝对”强国美国；二是德国、日本；三是英、法和中国等。由于目前我国制造业发展不平衡，有必要将工业2.0的制造行业和已进入工业3.0的行业进行整合，如此有步骤地提升档次，通过创新升级，是有可能加快奔向工业4.0的。笔者认为，从整体上会出现以大带小、先进促后进的态势，前进步伐不是慢而是快。中国工程院的规划认为，再过10年，坚持通过创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展，我国将从制造业大国成为世界制造业强国。

(二)中国工业4.0变革之路

上海工业自动化仪表研究院彭瑜指出，要实现上述规划和设想，我国制造业必须立足现实脚踏实地的完成四个转变：1)由要素驱动发展向创新动力驱动转变；2)低成本市场竞争向质量和效益竞争转变；3)由消耗资源大、污染排放多向益环保、节资源的绿色制造转变；4)由单一生产型向生产服务型制造转变。全方位创新变革，由工业3.0迈向工业4.0。

“装备制造业是制造业的脊梁”。[3]制造业的升级转型，首要是抓紧装备制造业的转型升级。最基本的是智能制造。因此，要从我国国情出发，分层推进、夯实基础、统筹协调、互联互通，以实现先进信息技术、制造技术与工业自动化技术的有机融合。当前我国主流舆论认为，技术革命扮演着正能量的角色，产业技术的突破肯定会带来社会巨大的效益。但是，在探讨工业4.0时，从我国现有基础条件出发，是否能乘上这一趟变革大潮之车？要回答这个问题并不轻松。如就经济技术而论，一般企业的自动化程度与成本投入是正相关的，但并非自动化程度越高越好。比如发达国家的电池生产，多采用全自动生产线，我国的比亚迪公司则采用半自动生产线。由于这种半自动生产劳动成本低，反而增强了竞争力，所以，该公司成了世界电池行业经营的强者。德国倡导通过工业4.0变革，意味着需要更多投入去获取更高的效益，这样才能对冲自动化程度水平提高带来成本的上升。未来，个性化定制就是自动化程度提升的必然趋势，也是人类社会产业技术进步的必然阶梯。这一行动使社会在创造更多价值之前必须有更多投入，由此才能将需求与定制设计、定制生产结合。若要达到此条件，客观上只能使技术走向全面自动化和智能化，从而创造更高效益，获取更多的回报。

笔者认为，我国要走工业4.0变革必须做到：1)重视自身条件和可能，如果技术上可行，还要考虑经济上是否可行，才能把眼前与长远科学地结合。2)变革要突破低效益向中高效益转型，才能实现更好的创新创业。3)必须采纳“互联网+物联网”的理念，突出工业互联网，建立健全智能传感网络，抓住装备制造的智能化设施这条脊梁去推动互联网、云计算、大数据，并与现代制造业深度融合，才能稳步地向工业4.0的进发。

[1] 陈志文.汉诺威2014工业博览会掠影[J].世界科学,2014(5):7-9.

[2] 陈志文.“工业4.0”在德国:从概念走向现实[J].世界科学,2014(5):6，13.

[3] 彭瑜.中国制造应走工业2.0、3.0、4.0并行发展的道路[J].世界科学,2014(6):11-12.

Exploration of the Vision and Idea of Industrial 4.0 from the Fourth Industrial Revolution

LIUDuanzhi*

(School of Politics, Sichuan University, Chengdu 610065,China)

The concept was proposed by Germany, it reflects the historical inevitability of the stages in the process of industrial revolution. The current manufacturing industry in the world is dramatically different comparing to the past. As a matter of factor, in many sections, robots are more or less replacing human labors. With further development, automation will further integrate with transmission and information technology, which will be another mile stone for the development of industry. Industry 4.0 presents the prospect of the human being about the 4th industrial revolution.

Industry 4.0；the fourth industrial revolution; vision

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.01.014

2015-12-30

刘端直(1934— )，男(汉族)，四川广安人，教授，研究方向：科技革命与科技哲学，通信作者邮箱：lw64814@sina.com。

F415.1

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2095-5383(2016)01-0051-04