第一篇 工业4.0的诞生背景、理论和方法

“工业4.0给德国带来了加固其作为制造基地、制造设备供应商和IT业务解决方案供应商地位的机会。德国政府鼓励德国的各个利益相关方结合在一起，紧密地在工业4.0的平台上工作，推动工业4.0不断向前实施。”

——德国国家科学和工程院院长、德国“工业4.0”工作组联合主席、SAP公司前CEO孔翰宁教授

第1章 工业4.0诞生的内外因分析

工业4.0在给制造企业带来美好憧憬的同时，其实现过程必然充满着艰辛。从投资人和企业管理层的角度来看，必不可少地要对它的投入、产出以及可行性进行分析。无疑，这些分析最终必然会被追溯到实施工业4.0的必要性和必然性的讨论上去。本章的主要内容就是根据事物发展的内外因，从四个方面来帮助读者理解第四次工业革命出现的必要性和必然性，从而为企业制定迈向工业4.0的决策提供相关的背景信息。对于希望学习工业4.0的读者来说，本章也可帮助他们对工业4.0有一个全面的了解。

1.1 工业4.0的诞生是内因与外因共同作用的结果

时间进入2014年，工业4.0或第四次工业革命的概念一下子在国内流行起来。无论是报纸、杂志、电视，还是政府、企业，甚至股票市场，都在讨论这方面的话题。工业4.0之所以得到如此高的重视，一个很重要的原因是前三次工业革命实在是太有名了。现今，每一个人的生活都离不开这三次工业革命带来的成果，人们自然会对第四次工业革命寄予极大的希望。接下来让我们稍微回顾一下这段重要的历史。

第一次工业革命是指在18世纪从英国发起的一场技术革命。它从珍妮织布机开始，以著名的蒸汽机为代表，推动了机器的普及与大工厂制的建立，以及交通运输领域的革新（见图1-1）。这场技术发展史上的巨大革命开创了以机器代替手工劳动的时代，扫除了结构性饥荒，并引发了人口的爆发性增长。这不仅是一次技术改革，更是一场深刻的社会变革，推动了经济领域、政治领域、思想领域、世界市场等诸多方面的深刻变革。

第二次工业革命是从19世纪70年代开始的欧洲率先发起的又一轮技术革命。在这一阶段，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术和新发明层出不穷，并被迅速地应用于工业生产，大大地促进了经济的发展。第二次工业革命在科学技术上的突出发展主要表现在四个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的发明与创造、新通信手段的出现及化学工业的建立。控制论创始人维纳提出的自动化概念是第二次工业革命的典型特征（这个人物在后面关于工业4.0的章节中还会谈到）。世界由“蒸汽机时代”进入“电气时代”（见图1-2）。

接下来的第三次工业革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电气技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃，它的发起地是美国。这场革命以原子能、电子计算机、空间技术、生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。通过第三次工业革命，世界由“电气时代”一举迈入“信息时代”（见图1-3）。

应该说，本次工业4.0浪潮的兴起，与前三次工业革命有着完全不同的背景和意义。如果说通过第一次工业革命，让蒸汽机为人类提供机器动力，可以比喻为“解放了人类的双手”；那么通过第二次工业革命，用电力实现动力的远程传输，让内燃机带动汽车的行驶，人们可以站在流水线旁进行装配，可以坐在座椅上进行驾驶，则可以比喻为“解放了人类的双腿”；而最近一次完成的第三次工业革命，用电子技术实现了生产的自动化，让人们可以盯着控制室的屏幕操纵设备，更可以比喻为“解放了人类的神经”。经过这三次工业革命，整个社会已经基本进入了一个衣食无忧，甚至产能过剩的阶段。那么为什么在这个时点，德国政府还要提出可以比喻为“解放人类的大脑”的第四次工业革命呢（见图1-4）？这次工业革命出现的必然性和必要性是什么？

这个问题给了我们一个温习内外因辩证原理的绝好机会。从哲学的角度来看，分析任何一个事物的变化发展，有三句非常经典的论断，它们是：

● 事物发展是由内因和外因共同起作用的结果。

● 内因是事物变化发展的根据，外因是事物变化发展的条件。

● 外因需要通过内因起作用。

内因和外因的这种关系（见图1-5）决定了我们在观察、分析问题时，既要看到内因，又要看到外因，坚持内因和外因相结合的观点。

根据这样一套理论，我们试着来分析一下工业4.0的出现究竟是怎么一回事。

我们认为，本次工业4.0的兴起是由四个方面的内外因共同作用的结果（见图1-6），它们分别是：

● 内因一：以客户个性化需求升级为代表的来自市场的挑战。

● 内因二：传统制造业向数字化商业模式的转变。

● 外因一：CPS、物联网等新技术对传统技术的推动。

● 外因二：提高制造业竞争力的国家竞争战略的需要。

两个内因，即来自市场的挑战和商业模式的转变，它们是直接引发这场工业革命的内在因素。而两个外因，即新技术的推动和国家意志，则起到了从旁推动的作用。

1.2 内因之一：以客户个性化需求升级为代表的来自市场的挑战

近年来，全球市场所面临的挑战日益复杂、日益升级。它们就像“潘多拉盒子”一样，已经接近或达到目前技术手段可以解决的极限，因此需要由一场颠覆性的变革来解决。这些挑战包括：

● 全球化的市场和全球化的制造网络的形成。

● 不断增加的组织复杂度。

● 不断提高的产品复杂度。

● 对实时响应的期望。

● 更高的客户个性化需求。

● 新的竞争对手。

● 来自成本的压力。

其中，客户个性化需求在其中最具有代表性。在很多文章里，都将它与工业4.0联系在一起。不过，尽管从吸引读者的角度，个性化需求确实是一个博取眼球的话题，但我们仍然要清楚地牢记，个性化需求只是众多推动工业4.0的市场挑战中的一个。

那么，我们就来看一看，客户的个性化需求是如何催生出工业4.0的。

1.2.1 工业4.0时代，通过客户定制化需求的拉动来进行价值重构

长期以来，客户都处在一个信息不对称的市场中，并且相对于制造商和流通商来说，处于相对较弱的不利地位。通常，卖方（或者说是企业）对自己所生产或提供的产品拥有更多的信息，而客户则拥有更少的信息。虽然市场竞争日益激烈，但客户所处的信息不对称的弱势地位一直没有本质上的变化。

在这样一个信息不对称的市场中，尽管存在一定的信息搜集成本，并受到知识、灵活性和收入等条件的限制与约束，客户仍然希望能够成为价值最大化的追求者。于是，在做出最终购买决策时，客户感知价值（Customer Perceived Value, CPV）就成为一个具有决定性的能影响客户的变量。简单地说，客户感知价值就是客户在对一种产品的感知利得与其所付出的成本之间进行权衡的基础上，对产品效用的整体评价。这是构筑在工业2.0和工业3.0阶段，基于功利主义的行为方式的结果。这一阶段客户感知的利得包括品牌形象、产品功能、产品可靠性、产品多样性、服务能力等。客户感知的成本包括信息搜集成本、产品成本、渠道成本、服务成本等。

因此，对于企业来说，提高客户的感知价值就具有了极为重要的实践意义。在交易前，企业开展的市场营销往往就是利用信息不对称，发掘出商品中不为客户注意的价值，或者让客户从中获得溢价的感觉，从而产生更高的感知价值。

在以互联网为代表的新技术的冲击下，客户的信息不对称的地位得到了极大的改观，在互联网上可以方便地进行产品的性能与价格比较。客户在走进商店的时候，对产品的了解可能不会比售货员少很多。并且，在电商世界普遍只有10元左右的快递费，甚至免费送货的“教育”下，客户对于传统渠道的价值认可程度也在急剧下降，不会认为商场做了“搬运工”的事情就应该拿到那么多的增值收入。这一切都造成不少企业（先是流通企业，后是制造企业）的利润明显下滑。

与此同时，对于客户来说，除了产品功利之外的其他价值也开始得到重视，包括产品的定制化、服务的定制化，以及客户在接受产品和服务的过程中的个人体验、社会化体验等。这种转变直接导致了一场价值重构的革命（见图1-7）。从企业的角度来看，这就是工业4.0最有代表性的外部动因。为什么这么说呢？

在工业3.0时代，有一个生产者驱动下的市场均衡。一方面，工厂以低成本、高质量为目标，大批量地向市场推出产品。客户在信息不对称的市场中，在一定的搜索成本和有限的知识、收入等条件的限制下，对利得和成本进行感知，推导出价值，并进一步根据得到的感知价值做出购买与否的决策。这一阶段，工厂的能力和客户的感知价值之间建立了一种平衡。

随着时代的发展和技术的进步，一方面客户的收入水平不断提高，另一方面客户通过互联网获取信息也越来越方便，由此他们改变了对一些传统的利得和成本的认识，产品的定制化需求在客户感知的利得中所占的比例与重要性日益提升，并且他们对于一些传统的渠道成本和物流成本，哪怕再低，也难以认可，甚至完全不予认可。由于客户感知价值发生了这些变化，原有的市场均衡被打破，所以企业必须要按照客户认同的感知价值来组织生产，提供相应的产品和服务——这就是工业4.0产生的一种由来。

近年来，中国市场上出现了一股消费者到企业（Consumer to Business, C2B）的思潮。它试图改变原有的企业和消费者的关系，是一种消费者贡献价值（Create Value），企业消费价值（Consume Value）的过程。按照C2B的理想，真正的C2B应该先有消费者需求而后有企业生产，即先由消费者提出需求，后由生产企业按需求组织生产。通常情况为消费者根据自身需求定制产品和价格，或主动参与产品设计、生产和定价，产品、价格等彰显消费者的个性化需求，而生产企业进行定制化生产。在C2B的模式下，渠道不掌握定价权，同时产品的价格构成必须合理。

以前在国外学术界和产业界，被普遍接受的提法是所谓的“定制”（Customi-zation）。

应该说，人人都不会拒绝定制化的需求。那么，为什么客户的定制化需求会在今天“逼出”工业4.0呢？

1.2.2 产品多样化给企业的经营带来了巨大的挑战

众所周知，为了满足客户的定制化需求，就必然提高产品的多样化水平，但另一个问题是，由此也会给企业的经营带来巨大的挑战。

实际上，制造企业一直面临着各种挑战。其中，最常见的挑战包括两类：一类是企业自身的生产要素，如产品、业务流程、供应商构成的网络等日益复杂，企业之间的竞争也日益激烈；另一类是企业外部来自客户的需求日益提高，包括成本、质量、交货速度、产品满足需求的程度也在不断变化和日益苛刻。这两类挑战就像跷跷板的两端，如果一端翘起来，例如要降低成本，本能的做法就是把产品做得简单一些，流程尽可能稳定和标准化，只有这样才能把跷跷板的另一端压下去。但现在的问题是，这种妥协总是有限度的。如果到了两边都压不下去的时候，企业要怎么办？

近年来，几乎在每个行业里，企业提供给市场的产品多样性都在急剧增加。图1-8展示了汽车、化工、机械、快速消费品（Fast Moving Consumer Goods, FMCG）、药品五类产品在过去十几年里的变化趋势。我们发现，在1997～2012年的15年里，产品的多样性以及复杂性有了很大的提高。相比1997年，在2012年可销售的产品种类增加了120%，产品的生命周期缩短到76%。与此同时，原材料和零部件的种类也增加了85%。最后这个数字要略低于同期可销售产品种类的增长，这说明一些行业中（特别是汽车工业和快速消费品）的标准化和模块化的工作起到了一定的作用。事实上，不但是这五类产品有这种趋势，几乎所有的产品在过去的这些年里都在发生同样的变化。

造成这一现象的原因有好几种。

第一，无论是在消费品市场还是生产资料市场，很多企业都面临着投放到市场上的新产品的生命周期不断缩短的现象。当然，缩短的产品生命周期又会导致更多的新产品上市。但是，同类型产品的商业生命周期不应该和其物理生命周期混淆起来，后者甚至有延长的可能。因此，在一段时间里，在市场保有的产品类型中，增加的那一部分主要是来自新上市的产品。

第二，在成熟市场上不断升温的竞争导致了对狭小细分市场的不断挖掘，从而产生更多小众的产品类型。

第三，对于企业来说，增加产品种类是一种提高客户满意度的好办法。一般的想法是，客户总是希望买到真正符合自己心意的产品，能够为客户提供大量选择的企业总是能够讨得更多客户的欢心。

在以上三种原因的共同作用下，这一趋势最后导致了所谓的大规模定制（Mass Customization）的出现，即根据客户的个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制的产品和服务。

但是，工厂总是被设计成提供有限种类的产品类型。当然，一些手工作坊式的工厂确实能够生产大量种类的产品，但是他们遇到的难题是如何将客户对交货速度、成本和质量的要求结合起来。直至今天，对生产系统的设计出发点都是在产量和品种都相对稳定的假设前提下仔细地分析产品类型与加工工艺。只有在产品类型与工艺路线不是经常改变的前提下，通过学习进行持续改进，才有可能提高生产效率和产品质量。

处理多样性的困难不止工厂有，实际上所有的业务流程都需要某种程度上的稳定性。无限制的多样化和无节制的变动，对于质量控制、效率以及流程的通过时间都会造成威胁。也就是说，产品多样性会给几乎所有的业务流程带来严重的影响。在这里，我们选择了一些业务流程进行分析，包括产品开发、制造、营销、订单获取、交付和售后服务等。如图1-9所示，在整条价值链上，产品多样性都会给企业带来更大的成本，其中最普遍的是：

● 增加了库存管理的困难。

● 更强烈的客户需求的差异性。

● 由更碎片化的产品组合带来的需求的易变性。

● 在全局供应链上的更高的复杂性（供应商、客户）。

● 由更复杂的计划带来的处理成本。

● 由更短的产品生命周期带来的更频繁的产品导入和退出。

产品多样性对企业带来的影响可以从两个方面来看。如图1-10所示，一方面是增加了企业的运营成本和风险；另一方面则是给企业带来了更多的价值。产品多样性是企业在市场竞争中的关键差异性武器，可以锁定更多的潜在消费客户。福特汽车创始人亨利·福特曾说过，“你可以选择任何一种颜色，只要它是黑色的（You can paint it any colors, as long as it's black）”，其出发点就是运营成本最低。而《长尾理论》一书的作者克里斯·安德森则写道“无限的选择创造无尽的需求（Endless choice is creating unlimited demand）”，这则是从产品多样性可以带来的价值的角度做出的论断。

讲了这么多关于产品多样性的不同方面，工业4.0的到来究竟对产品多样性或定制造成了什么影响呢？

1.2.3 大规模生产和大规模定制的变迁

大规模定制出现在工业3.0时代。在此之前，是大规模生产流行的阶段。大规模生产这种模式之所以能够稳定运行至今，是因为它有着自己特定的反馈循环圈（见图1-11）。

在这个反馈循环圈中，新产品在大规模生产方式下制造，生产成本低、质量稳定、面向统一市场提供尽可能标准的产品，进而形成较为稳定的需求和较长的产品生产周期，从而允许新产品的开发周期同步延长。此外，企业通过忽略细分市场、调节市场库存、开展促销等调控方式，加强稳定性，以保证生产过程的高效率和低成本，从而通过大规模生产与定制产品价格上的差异进一步推动需求向同类大规模生产产品集中。通过这种不断加强的反馈循环，大规模生产越来越向少数品种的生产集中，表现为产能不断加大直至过剩。目前市场上过剩的是大规模生产的能力，而不是定制生产的能力。

而在大规模定制的反馈循环圈中（见图1-12），通过大规模定制过程，生产出低成本、高质量的定制产品，为多元化的细分市场提供足够丰富的产品，并进一步推动客户的需求分化。不断分化的客户需求造成产品的生命周期日益缩短，从而推动企业以更短的产品开发周期开发新的产品。

显然，在这里要实现反馈循环圈从大规模生产向大规模定制的转变，关键在于是否能够通过大规模定制的制造过程，在低成本的前提下生产出高质量的定制产品，以高水平地满足客户的个性化需求。总的来说，大规模定制针对细分市场，通过充分满足客户的个性化需求而取得更高的利润。随着细分市场越来越小，从而逼近个性化定制。尽管不少产业开始了从大规模生产到大规模定制的转变，但低水平的大规模定制难以保证足够的盈利，实现可盈利的高水平的个性化定制已经变得迫在眉睫。

从理论上说，实现大规模定制的主要方法有三种（见图1-13），它们对于个性化定制或大规模定制的贡献程度是逐步提高的。

第一种方法是提高企业的响应灵活性，加快它的响应速度：通过在供应链上设置多个耦合点，加强供应链上的信息共享，用最经济的推拉结合的手段快速满足客户的定制化需求。

第二种方法是由产品模块化带来的规模性和灵活性的结合：用标准化和模块化的零部件实现规模经济，零部件可以按照多种方式进行组合，形成多种产品，从而实现灵活性。具体的手段包括零部件共享（Sharing）、零部件交换（Swapping）、分割适应（Cut-to-Fit）、材料混合（Mix）、平台（Platform）、可组合（Sectional）等手段。由于篇幅所限，在这里不做进一步介绍。

第三种方法是柔性化生产，通过引进柔性化的加工设备和物流设备，在加工过程中实现柔性化的加工工艺。

前两种方法在目前的大规模定制过程中是最为常见的。其中，供应链耦合技术对于现有的产品和加工过程几乎没有改变，是对现有的工作方式影响最小的做法。产品模块化技术需要对现有的产品设计进行改变，需要改变产品的结构和组装方式。这两种方法都是工业3.0时代实现大规模定制的主要技术，但是它们对于深度的个性化定制来说，仍显得力不从心。在工业3.0时代，工艺过程的灵活性没有得到很好的解决，因此未能充分发挥柔性化生产的潜能。而实际上，加工环节的灵活性对于大规模定制和个性化定制的实现，是最为直接和有效的方式。

在国内外的很多行业中，早已经出现了一批能为客户提供定制化产品的企业。图1-14以最能体现客户定制化需求的鞋服消费品等行业为例，总结了目前国外出现的一些提供定制化产品的企业的情况。实际上，这种前台通过电商平台进行交互式配置，后台进行产品定制化生产交付的业务模式，在国外的消费品行业里早已屡见不鲜。早在1993年，Levis牛仔裤就已经开始了这方面的尝试。除了常见的鞋服之外，手袋、婴儿用品、化妆用品、珠宝、手表、食品等均已出现了定制化的商业模式。可以这么说，在工业3.0时代，通过图1-13中的第一、第二种方法，一些行业已经实现了大规模定制。

应该说，定制化产品是每个行业与生俱来的能力。那么，既然工业3.0已经能够实现产品的定制化交付，那么工业4.0出现的意义又在哪里？如图1-15所示，以汽车工业为例，从工业1.0时代的手工定制（几乎100%满足客户的个性化需求）到工业2.0时代的大规模制造，再到工业3.0时代的大规模定制1.0，我们需要的是需求更加细化、产品变化种类更多、成本更低的工业4.0下的大规模定制2.0。而实现这一大幅度提升的利器，就是我们将在下一章详细介绍的网络物理系统（CPS）。

1.3 内因之二：传统制造业向数字化商业模式的转变

近年来，伴随着以物联网、大数据为代表的新技术的应用，很多行业里都出现了一批采用数字化技术的新的竞争对手，它们对传统的制造企业形成了强烈竞争。如图1-16所示，以德国制造业为例，新的采用数字化技术的竞争对手正在对德国制造业在价值链上的地位和份额发起竞争，可能的情况是，信息技术（而不是传统的制造技术）对制造业产品的价值贡献增加，从而让传统的制造企业失去竞争力；或者是信息技术让传统的制造企业逐渐失去对客户的接触和把握——无论是哪一种，都是德国的制造企业所不愿意看到的。据分析，在最不利的场景中，德国制造业在2025年将会为此损失2200亿欧元的收入。

应该说，一直以来，德国的制造业通过与客户在产品使用和业务流程中实现深入、直接的集成，并凭借其丰富的各项制造能力，维持了其在制造业中的领先地位。然而，随着近年来以物联网、大数据为代表的一批新技术的诞生，出现了新的将制造行业进行数字化转型的趋势。通过这种数字化转型，一批新的竞争对手另辟捷径，在与客户交互的接触点上直接与客户进行沟通，提供增值服务，从而创造出从产品向服务转型的新的商业模式，这对传统的制造厂商造成了不可忽视的威胁。

如图1-17所示，近年来在不少制造行业里出现了一大批这样的例子，它们给传统的商业模式带来了新的思路和冲击，例如：

●“以压缩空气作为服务”：压缩空气设备制造商将原有的销售设备的商业模式，转变为销售“压缩空气”给客户，按照客户使用压缩空气的体积、压力等指标对客户进行收费。

●“以精密加工能力作为服务”：机床制造商将已出售给客户的精密加工机床进行联网，将客户的富余加工时间或能力进行出租或出售，帮助客户按照加工时间或加工精度进行收费。

●“以咖啡作为服务”：咖啡机生产厂家将咖啡机加以联网，进行远程监控和维护，厂家由此可以掌握何时应该上门补充咖啡豆原料或修理机器的信息，并派人上门补充咖啡豆或进行设备维护。

●“轮胎数据服务”：轮胎制造商通过在轮胎上安装联网的传感器，实时收集轮胎使用数据，帮助物流车队对轮胎使用进行管理和优化。

近年来，这种从产品向服务转型的商业模式出现在不少行业中。转型之后的企业的核心竞争力，从过去传统的“制造能力”变成了“制造能力”+“数字化能力”。而对于最终交付的产品的价值增值部分，也从过去的只是“通过制造增值”变成了“通过制造增值”+“通过信息技术增值”。如图1-18所示，不仅是德国，如果将视野扩展到整个欧洲，假设欧洲在这场转型竞争中失利，未来可能会在价值增值上损失6050亿欧元的份额。

这一转变给制造企业带来的冲击不容小觑。由于信息技术往往与客户的接触点相关，谁在信息技术上占领了制高点，谁就能够主导与客户的接触。如图1-19所示，以高科技行业的手机制造为例，企业如果既没有主导与客户的接触，也不具备大规模生产的优势，就会对利润造成巨大压力——导致HTC与黑莓处于困境的原因就在于此。

受这种新商业模式影响的，不仅是诸如压缩机、机床这一类工业用品，哪怕是像汽车这样的大众应用的工业商品，其传统的商业模式也正在逐步受到冲击。

今天的汽车工业依然停留在“制造驱动的产品”的商业模式下，基本上都是以“个人购车+个人驾驶”为主要特征。消费者在购车的时候，考虑的是个人拥有车辆的价值，如品牌、技术、价格和个性化的彰显，很多人愿意为了追求品牌而购买价格更贵的汽车。而今天，在以谷歌为代表的无人驾驶技术和以优步为代表的城市大众拼车的潮流影响下，一种“数字驱动的服务”雏形正在逐渐形成。运营的核心转向了数据，包括车辆数据、道路数据、环境数据和个人出行需求，而非产品。未来随着智能交通技术的出现和普及，人们期望的是随叫随停的出行方式，追求便利、安全、舒适和绿色，而汽车厂商则会向社会交通工具运营商的方向发展。这时，汽车品牌、技术等现在的竞争要点会弱化，这对以豪华品牌和“高技术+豪华品牌→产品溢价”的德国汽车工业来说，将会带来巨大的挑战（见图1-20）。汽车工业如此，其他制造业也面临着类似的挑战。

实际上，德国汽车的最大竞争对手——丰田汽车，早已经开始研究下一代汽车技术，其愿景就是实现“智能出行社会”，其核心技术包括下一代的车联网、智能交通系统、下一代城市交通系统和能源管理（见图1-21）。

如图1-22所示为丰田在法国Grenoble市试运行的i-Road城市示范项目，通过车联网/物联网和大数据技术，实现多模式的智能混合出行，减少车辆拥堵，实现绿色交通。丰田为Grenoble市提供了数百辆超级紧凑型电动车i-Road。使用这项服务的用户可以通过智能手机上的应用程序，选择出发地和目的地的服务站。如果有满足条件且可供使用的车辆，系统会为用户指定充电量最多的车辆。这套系统背后的核心是，基于云端数据库的智能计算机控制系统。该系统允许用户自行查看当前的交通状况是否有拥堵，甚至能够根据当前的天气和时间来规划出行路程。而随着注册使用该系统的用户越来越多，系统提供的参考方案也会越加精确。

不仅是汽车行业，媒体、制造、零售、健康、金融等其他行业在国外也都出现了基于数字化架构的以数据驱动为特征的业务模型，向用户提供各种类型的服务（见图1-23）。它们具有以下几个共同的特点：

● 用户处于核心：这些业务模式所提供的服务均将用户作为核心，无论用户是以消费者、员工还是市民的身份出现。

● 所提供的的服务是随时、随需的，其背后是智能数据的支持。

● 所提供的服务是跨行业的，体现了不同行业的融合。

1.4 外因之一：CPS、物联网等新技术对传统技术的推动

在过去的20多年里，全球化的快速和广泛发展主要是凭借了低成本、低技能的劳动力带来的竞争优势，它是通过使用传统的制造技术来实现的。这种方法在今天已经不能够应对新的挑战，包括：

● 近年来数字化技术的发展。

● 发展中地区的劳动力波动。

● 可靠制造（Assured Manufacturing）的需要。

● 产品的定制化和个性化的需求。

● 对高效利用能源的要求。

● 在成本不变的前提下缩短交货提前期。

● 在供应链的端到端提高敏捷性、

响应速度和可恢复弹性。

● 在制造业中对信息系统的使用和集成的驱动。

为了解决这些问题，出现了一大批新的技术。正是由于这些技术的诞生和日益成熟，推动了工业4.0的出现。如图1-24所示，从信息技术的角度来看，在工业4.0的背后，有八个主要的技术支撑。它们分别是：网络物理系统、物联网、云计算、移动、大数据、内存计算、分析、增强现实。其中，最具有代表性的技术是网络物理系统和物联网这两个技术，而这两个技术之间还存在一定的联系和交叉。

1.4.1 网络物理系统

网络物理系统（Cyber Physical System, CPS）是工业4.0的标志性技术。很多人第一次是从2013年发布的德国工业4.0报告中看到CPS 这个名词的。但实际上，CPS这个概念的出现要早于工业4.0的提出。Cyber这个词来自1948年Norbert Wiener在《Cybernetics:or Control and Communication in the Animal and the Machine》一书中提出的“Cybernetics（控制论）”。“Cyber Physical System”可以看成是由“Cyber System”+“Physical System”构成的组合词，也就是我们经常提到的所谓“虚拟世界”和“物理世界”。“Cyber”是计算系统、通信系统和控制系统的集成；“Physical”是自然形成的或人工打造的系统，它一直处于物理规范和物理功能的管理和控制之下。在“Cyber Physical System”中，“Cyber System”和“Physical System”在各个阶段和方面紧密地结合在一起。

到了2004年，美国国家科学基金（National Foundation Science, NSF）的Helen Gill女士，在一个关于高可信软件和系统（High Confidence Software and Systems, HCSS）的研讨会上提出了CPS的概念。从2006年开始，CPS被NSF列为重点支持的研究课题，2007年更被美国总统科学技术顾问委员会（President's Council of Advisor on Science and Technology, PCAST）的一份报告列为八大关键的信息技术之首，成为美国政府、研究机构和企业的研究热点问题。

如图1-25所示是CPS的诞生路径。应该说，CPS的出现有两个来源：一是人类对人工智能的不断探索；二是网络技术的日益成熟。

人工智能技术在诞生之初，就是人类对存在于大脑和自然界中的智能的研究、模仿和探索。面对实际问题，人类很自然地会从自身和自然界中寻求答案。其中有两个现象引起了很多科学家的注意。一个是人类大脑的工作机制。另一个是自然界里一些简单生物通过协作来完成复杂工作的方式。对以上两个问题的研究，推动了人工智能，特别是分布式人工智能学科的出现。

网络技术的不断发展，特别是互联网和物联网，对于CPS的出现，起到了至关重要的推动作用。在工业4.0的最终报告中，是这么谈论CPS和网络的：“强大的、自主的微型计算机（内嵌系统）以无线联网的方式进行互联和连入互联网，这一趋势正在不断加快。这导致了在物理世界和虚拟世界（网络空间）中都出现了CPS。随着IPv6在2012年的启用，已经有足够多的地址来确保在互联网上将这些智能的对象连接起来。这意味着在人类的历史上首次可以将资源、信息、对象和人都联网起来，从而建立一个事物和服务的互联网（Internet of Things and Services）。”

CPS的出现是人工智能和网络技术发展的共同结果，如图1-26所示。

按照Wikipedia的定义，CPS是一个用来控制物理实体的由协同计算元素构成的系统。早先一代的CPS在很多行业中都得到了应用，例如航天、汽车、化工、土建、能源、卫生、制造、运输、娱乐和消费品。这一代的CPS也常常被称为嵌入式系统（Embedded System），例如工业自动化中的工业控制系统，甚至人们日常生活中的家电控制功能。在嵌入式系统中，强调的是计算元素的一面，而对于计算元素和物理元素之间密切的联系，则强调得很少。其原因是这些控制系统基本上都是封闭的系统，即便其中一些工业控制网络具有联网和通信的功能，但此网络大都使用的是工控总线，网络内部各个独立的子系统或设备之间难以通过开放总线或者通过互联网进行互联，并且通信的功能也比较弱。这一阶段，最典型的是汽车产品。

与传统的嵌入式系统不同，接下来一代的CPS概念强调的是一个网络，它是由相互作用的具有物理输入和输出的元素构成的网络，而不是独立的设备。这一概念与在机器人和传感器网络中，将计算智能用于指引行走道路的智能机械有关。实际上，典型的CPS就是机器人。这一阶段的CPS把通信放在与计算和控制同等的地位上。在后续的研究中，逐步给CPS加入了适应、自治、效率、功能、可靠、安全、可用等特性。这些特性都扩展了CPS在机器人应用领域的潜在用途，包括：干涉（如碰撞避免）、精度（如机器人手术、纳米级制造）、危险和无法进入的环境中的操作（如搜索和营救、救火、深海考察）、协作（如空中交通控制）、效率（如零能源建筑）、人力增强（如医疗监控）等方面。

在工业4.0中，CPS更多指的是包括计算机、实时作用的传感器与执行机构的把虚拟和现实连接起来的系统。这种技术推动了分布式的自动化流程，构成了一张协同网络。CPS能够适应动态的需求，因此是自优化的。除了在机器协同方面的改进之外，CPS还可以推动熟练工人与机器系统的结合，实现更加灵活的生产流程。最后，需要特别指出的是——人——在配备了联网设备之后，也被纳入了CPS中。工业4.0不等于无人工厂。

关于CPS在工业4.0中的应用，我们将在下一章详细介绍。

1.4.2 物联网

对于物联网（Internet of Things, IoT），国外普遍公认的是由MIT Auto-ID中心主任Kevin Ashton教授1999年在研究无线射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）的时候提出来的。在后来的发展中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围也有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。

顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸、扩展的网络。其二，其用户端延伸、扩展到了任何物品与物品之间，能进行信息交换和通信，也就是物物相连。如图1-27所示，从早期的将网页等内容通过互联网加以连接，到后来人与人、企业与企业之间的社交网络、企业与消费者（Business-to-Customer, B2C）、企业与企业（Business-to-Business, B2B）的连接，再到万物的互联。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛地应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。近年来，连接设备数量的指数级增长和相关硬件价格的快速跌落，为物联网的广泛普及和应用奠定了基础。

根据IDC在2015年的一份报告，IoT将会很快地在制造行业中发展成熟起来。制造企业将在互联设备、产品和物料等领域加大投资，从提高生产现场的生产流程自动化、自我调整水平中获取效率和收益。

CPS与物联网之间的关系也是一个经常被讨论的问题。应该说，物联网是在互联网的基础上，利用RFID、传感器、GPS、无线数据通信等技术，把世界上万物万事连接起来，从而进行智能化的识别、定位、跟踪、监控。实际上，在很多应用中，物联网所擅长的基于RFID的连接，对于CPS来说太过简单。此外，CPS对接入网络的设备的计算能力的要求也远非RFID可比。以基于CPS的智能交通系统为例，虽然目前人们驾驶的汽车里都嵌入了各种电子系统，但这些嵌入式系统的计算能力还远未达到智能交通系统对汽车之间的协同能力的要求。实际上，满足CPS要求的汽车电子系统的计算能力通常都是海量计算。海量计算往往是很多CPS接入设备的特征，因此，接入设备通常具有强大的计算能力。因此，我们可以认为，物联网可以看作是CPS的简化版，或者说是一种更宽泛的CPS。而物联网的概念也超越了工业4.0，具体如图1-28所示。

1.5 外因之二：提高制造业竞争力的国家竞争战略的需要

与前三次工业革命相比，对于第四次工业革命，各个国家政府都有积极参与和鼓励。无论是德国政府还是美国政府，都不遗余力地直接站在台前进行推动和宣传。应该说，这一次工业4.0能够在如此之短的时间里得到大量的关注，与政府的大力推动有着密切的关系。

1.5.1 德国和欧盟对工业4.0的推动

对于像德国这样高度工业化的国家，制造业占据了其经济总量的22%之多（以2013年为例）。多年以来，德国不仅凭借一批制造业巨头称雄于世界，典型的例子莫过于汽车工业里的宝马、戴姆勒和大众，并且还拥有一大批在各个细分市场里稳居全球前三名的被喻为“隐形冠军”的中等规模的制造企业。这些以制造业为代表的实体经济，对于国家竞争战略来讲发挥着重要的作用。继续保持在制造业里的领先地位，是德国乃至整个欧洲的重要战略。欧盟在2012年提出一项计划，希望在2020年以前，将其制造业在经济总量中的比例由16%提升到20%。但是面对新技术和新趋势的来临，这些目标和计划的实现正在面临挑战。

如图1-29所示，从2007年开始，以机械设备领域为例，中国的销售额已经超过了德国，并快速接近整个欧盟的水平。在此基础上，2012年，中国的机械设备取得了6870亿欧元的销售额，超过欧盟27国，位居全球第一。同期德国机械设备销售额为2500亿欧元，位居第四。

在销售额背后，其实是各个国家制造业竞争力的较量。根据德勤在2013年编制的全球制造业竞争力指数模型，在未来的5年里，各个国家的制造业竞争力指数排名还会发生变动。而德国、英国、法国等老牌欧洲制造强国的排名将会持续下降。中国制造业的竞争力预期将在未来数年继续维持第一名的领先地位，这主要受益于劳动力及原料成本优势、政府大力投资制造行业，以及完善的供应商网络（见图1-30）。而良好的政策环境——鼓励或直接投资科技、雇员教育和基础设施建设，均有利于提升中国的竞争力。

这一趋势对于德国这样的以制造业为核心竞争力的国家来说是不能接受的。如图1-31所示，通过进一步分析可以发现，中国制造业的优势在于成本、市场和政府；而德国制造业在人才、经济与贸易、供应商、法律、医疗等方面依旧具有优势。工业4.0恰好利用了德国在这些方面的优势地位，通过应用以CPS为代表的一批新技术，改造和创新现有的制造过程，并打造新的以数字化为核心的商业模式，以让德国的制造企业在未来的市场竞争中继续保持领先地位。

具体来说，德国工业4.0在以下几个方面有着独特的优势。

● 技术上的优势：无论是公共领域还是私人领域的研发，德国在国际上都处于高水平的地位。

● 高端制造和CPS技术的优势：德国拥有一批具有超强创新能力的高端生产技术制造商和具有世界先进水平的嵌入系统。

● 企业信息化管理的优势：德国在企业信息化管理软件以及网络安全技术上居于全球领先地位。

● 体制和人才方面的优势：德国具有一个高效率的国家和区域的创新系统及人才优势，可以源源不断地进行创新。

1.5.2 美国政府提出的先进制造业计划

除了德国，美国也开始重振其在全球制造业的领导职位。在20世纪第二次世界大战之后的50多年里，美国一直保持着世界制造强国的地位。但是从21世纪初开始，由于受到虚拟经济的发展、制造业成本上升、全球经济一体化等因素的影响和冲击，美国制造业出现了长达10年的衰退。经过2008年的金融危机，美国再次认识到制造业对于美国经济发展和保持强大综合国力的重要意义。美国政府于2009年提出了制造业振兴计划，并在2012年开始筹建数十个国家制造中心。

根据目前国内引用最多的波士顿顾问公司在2011年发布的报告，揭示了两个值得我们注意的趋势：一是高附加值、高技术含量的科技产业将向美国回流；二是劳动密集型产业将从中国转移至其他成本更低的发展中国家。由于中国近年来制造成本的快速上升，使得无法用生产率的提高来抵消，在中国生产的综合成本已经和美国部分州非常接近。从这里可见提升生产率的重要性。

作为振兴制造业战略的重点，美国非常重视先进制造业的布局和产业发展，并在整体规划和政策措施方面积极探讨对策。在2014年推出的《振兴美国先进制造业》2.0版本中，确立优先发展的三大技术领域的战略，包括先进传感器、控制和制造平台技术（Advanced Sensing, Control and Platforms for Manufacturing, ASCPM），可视化、信息化和数字化的制造技术（Visualization, Informatics and Digital Manufacturing, VIDM），以及先进材料制造技术（AMM）。其中，前两者与德国工业4.0的核心技术具有高度的相似性和相关性。

● 先进传感器、控制和制造平台技术：这是新一代的基于网络的信息技术。随着新的产品和制造方法的出现，它创造了新的使用数据和信息的方法。这些技术实现了网络资产（Cyber Asset）和物理资产（Physical Asset）之间的无缝交互。这项技术关注嵌入式的传感器、测量和控制系统，以及可扩展的IT平台等方面。

● 可视化、信息化和数字化的制造技术：该技术涵盖了从数字化设计，到原材料的计划、采购和交付，直至定制化产品制造的整个过程。该技术一方面涉足供应链效率，另一方面涉足产品设计、制造和上市的速度。这项技术关注嵌入到物料中的传感、测量和控制系统及技术。如果实现了强力的连接，可以达到提高生产率、加强产品和流程的敏捷性、增强环境的可持续性，并能改善能源和原材料的使用，取得更加安全的绩效和更好的经济效果。

关于ASCPM和VIDM的相关内容，将在本书的第14章加以介绍。

1.6 案例分析：德国奥迪的智能工厂愿景

对于未来工业4.0下的生产，奥迪有着自己的诠释。奥迪认为，迈向未来工厂的步伐——智能的系统、创新的技术、高效的结构，已经开始。现在是时候从一个全新的视角来看待和动手的时候了。2030年，汽车还是会有4个轮子，这一点我们非常确定。但是，汽车的生产方式将会发生巨大的变化。图1-32所示是奥迪对2030年的智能工厂的诠释——传统的生产流水线已经不存在了，零部件通过无人机在车间里传递，客户通过三维扫描获得身体尺寸以定制座椅，工人与机器人协同工作，车身零部件由3D打印机打印，汽车以自动驾驶的方式驶离装配线……在打造智能工厂的过程中，无论是对当前生产流程的智能化程度，还是对未来几年将发生的飞跃性技术创新，奥迪都有着清晰的认识和规划。

伴随着奥迪产品系列的不断扩充和车型个性化程度的持续提升，工厂的生产流程也将变得越来越复杂。“在未来，人们现今所熟悉的汽车生产流程将不复存在，它将变得更加互联、智能和高效”，奥迪公司负责生产的管理董事会成员胡伯特·瓦特博士表示。“未来，我们的员工仍将是维护工厂稳定运行的重要推动力。同时，我们也将引进更多的新领域专家加入汽车生产过程，例如网络工程师，他们将运用IT技术设置机械，配合工人的智能化管理和操作，完美协调所有流程。”

目前，奥迪在生产的许多方面都已经达到了“智能工厂”的要求。例如，通过增强现实工具“世界之窗”（Window to the World）系统，预生产中心的员工能够将虚拟3D零部件投影到汽车上，从而实现虚拟世界与现实世界的汽车开发精确结合。在奥迪模具部门，先进的3D打印设备能够生产出复杂的金属零部件，其智能工具可以通过准确的高压分配对金属板材进行冲压，精确度高达百分之一毫米。在英戈尔斯塔特工厂的装配车间，机器人与员工在生产线上并肩工作，机器人以适当的速度和符合人体工学的位置向员工传送零部件。

这些变化不是天方夜谭，它们都是目前正在或即将在工厂里发生的改变。