【摘要】“中國制造2025”總體思路是堅(jiān)持走中國特色新型工業(yè)化道路，以促進(jìn)制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展為主題，以提質(zhì)增效為中心，以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。無論是德國的“工業(yè)4.0”，還是美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，其實(shí)質(zhì)與我國工業(yè)和信息化部推廣的“兩化融合”戰(zhàn)略大同小異。我國將“智能制造”作為兩化深度融合的主攻方向，其實(shí)質(zhì)是通過互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)深度融合，在新一輪產(chǎn)業(yè)革命中搶占未來制造業(yè)變革的先機(jī)，進(jìn)一步引領(lǐng)我國制造業(yè)向“智能化”轉(zhuǎn)型升級(jí)，并賦予國家間產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新內(nèi)涵。
【關(guān)鍵詞】工業(yè)4.0 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 智能制造 互聯(lián)網(wǎng)＋
【中圖分類號(hào)】F49 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】 10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2015.19.006
“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”中的智能制造
過去20年，互聯(lián)網(wǎng)是改變社會(huì)、改變商業(yè)最重要的技術(shù)；如今，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，讓許多物理實(shí)體具備了感知能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋磉_(dá)能力；未來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟，生產(chǎn)制造領(lǐng)域?qū)⒕邆涫占?、傳輸及處理大?shù)據(jù)的高級(jí)能力，使制造業(yè)形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，帶動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆與重構(gòu)。
“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念最早是由美國通用電氣公司（GE）于2012年提出的，隨后聯(lián)合另外四家IT巨頭組建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC），將這一概念大力推廣開來。“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”主要含義是，在現(xiàn)實(shí)世界中，機(jī)器、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)能在更深層次與信息世界的大數(shù)據(jù)和分析連接在一起，帶動(dòng)工業(yè)革命和網(wǎng)絡(luò)革命兩大革命性轉(zhuǎn)變。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的愿景是使各個(gè)制造業(yè)廠商的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。這就至少要涉及到互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等技術(shù)。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的成立目的在于通過制定通用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造過程，促進(jìn)物理世界和信息世界的融合。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使制造業(yè)的數(shù)據(jù)流、硬件、軟件實(shí)現(xiàn)智能交互。未來的制造業(yè)中，由智能設(shè)備采集大數(shù)據(jù)之后，利用智能系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和可視化展現(xiàn)，形成“智能決策”，為生產(chǎn)管理提供實(shí)時(shí)判斷參考，反過來指導(dǎo)生產(chǎn)，優(yōu)化制造工藝（圖1）。
智能設(shè)備可以在機(jī)器、設(shè)施、組織和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)共享促進(jìn)智能協(xié)作，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送到智能系統(tǒng)。
智能系統(tǒng)包括部署在組織內(nèi)的機(jī)器設(shè)備，也包括互聯(lián)網(wǎng)中廣泛互聯(lián)的軟件。隨著越來越多的機(jī)器設(shè)備加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)貫通整個(gè)組主和網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備協(xié)同效應(yīng)成為可能。深度學(xué)習(xí)是智能系統(tǒng)內(nèi)機(jī)器聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)升級(jí)。每臺(tái)機(jī)器的操作經(jīng)驗(yàn)可以聚合為一個(gè)信息系統(tǒng)，以使得整套機(jī)器設(shè)備能夠不斷地自行學(xué)習(xí)，掌握數(shù)據(jù)分析和判斷能力。以往，在單個(gè)的機(jī)器設(shè)備上，這種深度學(xué)習(xí)的方式是不可能實(shí)現(xiàn)的。例如，從飛機(jī)上收集的數(shù)據(jù)加上航空地理位置與飛行歷史記錄數(shù)據(jù)，便可以挖掘出大量有關(guān)各種環(huán)境下的飛機(jī)性能的信息。通過這些大數(shù)據(jù)的挖掘與應(yīng)用，可以使整個(gè)系統(tǒng)更聰明，從而推動(dòng)一個(gè)持續(xù)的知識(shí)積累過程。當(dāng)越來越多的智能設(shè)備連接到一個(gè)智能系統(tǒng)之中，結(jié)果將是系統(tǒng)不斷增強(qiáng)并能自主深度學(xué)習(xí)，而且變得越來越智能化。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵是通過大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能決策。當(dāng)從智能設(shè)備和智能系統(tǒng)采集到了足夠的大數(shù)據(jù)時(shí)，智能決策其實(shí)就已經(jīng)發(fā)生了。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，智能決策對(duì)于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)越來越復(fù)雜的機(jī)器的互聯(lián)、設(shè)備的互聯(lián)、組織的互聯(lián)和龐大的網(wǎng)絡(luò)來說，十分必要。智能決策就是為了解決系統(tǒng)的復(fù)雜性。
當(dāng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三大要素——智能設(shè)備、智能系統(tǒng)、智能決策，與機(jī)器、設(shè)施、組織和網(wǎng)絡(luò)融合到一起的時(shí)候，其全部潛能就會(huì)體現(xiàn)出來。生產(chǎn)率提高、成本降低和節(jié)能減排所帶來的效益將帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
所以說，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”代表了消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)，增強(qiáng)了制造業(yè)的軟實(shí)力，使未來制造業(yè)向效率更高、更精細(xì)化發(fā)展。
“工業(yè)4.0”中的智能制造
2009到2012年歐洲深陷債務(wù)危機(jī)，德國經(jīng)濟(jì)卻一枝獨(dú)秀，依然堅(jiān)挺。德國經(jīng)濟(jì)增長的動(dòng)力來自其基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)——制造業(yè)所維持的國際競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于德國而言，制造業(yè)是傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)增長動(dòng)力，制造業(yè)的發(fā)展是德國工業(yè)增長不可或缺的因素，基于這一共識(shí)，德國政府傾力推動(dòng)進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新，其關(guān)鍵詞是“工業(yè)4.0”。
“工業(yè)4.0”中，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展正在對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)造成顛覆性、革命性的沖擊。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)感知、監(jiān)控生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能分析和決策，使智能生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個(gè)性化制造成為生產(chǎn)方式變革的方向。“工業(yè)4.0”所描繪的未來的制造業(yè)將建立在以互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的互動(dòng)平臺(tái)之上，將更多的生產(chǎn)要素更為科學(xué)地整合，變得更加自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，而生產(chǎn)制造個(gè)性化、定制化將成為新常態(tài)。
自動(dòng)化只是單純的控制，智能化則是在控制的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)匯集到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，然后通過信息管理系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘，從而作出正確的決策。這些決策附加給自動(dòng)化設(shè)備的是“智能”，從而提高生產(chǎn)靈活性和資源利用率，增強(qiáng)顧客與商業(yè)合作伙伴之間的緊密關(guān)聯(lián)度，并提升工業(yè)生產(chǎn)的商業(yè)價(jià)值（圖2）。
生產(chǎn)智能化。全球化分工使得各項(xiàng)生產(chǎn)要素加速流動(dòng)，市場(chǎng)趨勢(shì)變化和產(chǎn)品個(gè)性化需求對(duì)工廠的生產(chǎn)響應(yīng)時(shí)間和柔性化生產(chǎn)能力提出了更高的要求。“工業(yè)4.0”時(shí)代，生產(chǎn)智能化通過基于信息化的機(jī)械、知識(shí)、管理和技能等多種要素的有機(jī)結(jié)合，從著手生產(chǎn)制造之前，就按照交貨期、生產(chǎn)數(shù)量、優(yōu)先級(jí)、工廠現(xiàn)有資源（人員、設(shè)備、物料）的有限生產(chǎn)能力，自動(dòng)制訂出科學(xué)的生產(chǎn)計(jì)劃。從而，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的大幅下降，同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多樣性、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，最終實(shí)現(xiàn)工廠運(yùn)營的全面優(yōu)化變革。
傳統(tǒng)制造業(yè)時(shí)代，材料、能源和信息是工廠生產(chǎn)的三個(gè)要素（圖3）。傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展的歷史，就是工廠利用材料、能源和信息進(jìn)行物質(zhì)生產(chǎn)的歷史。材料、能源和信息領(lǐng)域的任何技術(shù)革命，必然導(dǎo)致生產(chǎn)方式的革命和生產(chǎn)力的飛躍發(fā)展。但是，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)到智能手機(jī)等移動(dòng)終端的演進(jìn)，越來越多功能強(qiáng)大的智能設(shè)備以無線方式實(shí)現(xiàn)了與互聯(lián)網(wǎng)或設(shè)備之間的互聯(lián)。由此衍生出物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)，推動(dòng)著物理世界和信息世界以信息物理系統(tǒng)（CPS）的方式相融合。也可以說，是這種技術(shù)進(jìn)步使得制造業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了資源、信息、物品、設(shè)備和人的互通互聯(lián)。
通過互通互聯(lián)，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)這些新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，和以前的自動(dòng)化的技術(shù)結(jié)合在一起，生產(chǎn)工序?qū)崿F(xiàn)縱向系統(tǒng)上的融合，生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)備之間，工人與設(shè)備之間的合作，把整個(gè)工廠內(nèi)部的要素聯(lián)結(jié)起來，形成信息物理系統(tǒng)，互相之間可以合作、可以響應(yīng)，能夠開展個(gè)性化的生產(chǎn)制造，可以調(diào)整產(chǎn)品的生產(chǎn)率，還可以調(diào)整利用資源的多少、大小，采用最節(jié)約資源的方式。
“工業(yè)4.0”時(shí)代，在智能工廠中，CRM（Customer Relationship Management,客戶關(guān)系管理）、PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）、SCM（Supply chain management，供應(yīng)鏈管理）等軟件管理系統(tǒng)可能都將互聯(lián)。屆時(shí)，接到顧客訂單后的一瞬間，工廠就會(huì)立即自動(dòng)地向原材料供應(yīng)商采購。原材料到貨后，將被賦予數(shù)據(jù)，“這是給某某客戶生產(chǎn)的某某產(chǎn)品的某某工藝中的原材料”，使“原材料”帶有信息。帶有信息的原材料也就意味著擁有自己的用途或目的地。在生產(chǎn)過程中，原材料一旦被錯(cuò)誤配送到其他生產(chǎn)線，它就會(huì)通過與生產(chǎn)設(shè)備開展“對(duì)話”，返回屬于自己的正確的生產(chǎn)線；如果生產(chǎn)機(jī)器之間的原材料不夠用，生產(chǎn)機(jī)器也可以向訂單系統(tǒng)進(jìn)行“交涉”，來增加原材料數(shù)量；最終，即便是原材料嵌入到產(chǎn)品內(nèi)之后，由于它還保存著路徑流程信息，將會(huì)很容易實(shí)現(xiàn)追蹤溯源（圖4）。
設(shè)備智能化。在未來的智能工廠，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)清晰可見、高度透明，整個(gè)車間有序且高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。“工業(yè)4.0”中，自動(dòng)化設(shè)備在原有的控制功能基礎(chǔ)上，附加一定的新功能，就可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生命周期管理、安全性、可追蹤性與節(jié)能性等智能化要求。這些為生產(chǎn)設(shè)備添加的新功能是指通過為生產(chǎn)線配置眾多傳感器，讓設(shè)備具有感知能力，將所感知的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，通過大數(shù)據(jù)分析決策進(jìn)一步使得自動(dòng)化設(shè)備具有自律管理的智能功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化。
“工業(yè)4.0”中，在生產(chǎn)線、生產(chǎn)設(shè)備中配備的傳感器，能夠?qū)崟r(shí)抓取數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過無線通信連接互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)本身進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。設(shè)備傳感和控制層的數(shù)據(jù)與企業(yè)信息系統(tǒng)融合形成了信息物理系統(tǒng)（CPS），使得生產(chǎn)大數(shù)據(jù)傳到云計(jì)算數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，形成決策并反過來指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。設(shè)備的智能化直接決定了“工業(yè)4.0”所要求的智能生產(chǎn)水平。
能源管理智能化。近年來，環(huán)境和節(jié)能減排已成為制造業(yè)最重視的課題之一。許多制造業(yè)企業(yè)都已經(jīng)開始應(yīng)用信息技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)能耗進(jìn)行管理，以最具經(jīng)濟(jì)效益的方式，部署工業(yè)節(jié)能減排與綜合利用的智能化系統(tǒng)架構(gòu)，從資源、原材料、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到廢棄物回收再利用處理，形成綠色產(chǎn)品生命周期管理的循環(huán)。
供應(yīng)鏈管理智能化。在傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)模式中，無論是工廠還是供應(yīng)商，都需要為制造業(yè)的零部件或原材料的庫存付出一定的成本支出，由于供應(yīng)商和工廠之間的信息不對(duì)稱和非自動(dòng)的信息交換，生產(chǎn)的模式只能采用按計(jì)劃或按庫存生產(chǎn)的模式，靈活性和效率受到了約束。
“工業(yè)4.0”時(shí)代，復(fù)雜的制造系統(tǒng)在一定程度上也加速了產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)的大型企業(yè)集團(tuán)掌控的供應(yīng)鏈主導(dǎo)型將向產(chǎn)業(yè)生態(tài)型演變，平臺(tái)技術(shù)以及平臺(tái)型企業(yè)將在產(chǎn)業(yè)生態(tài)中的展現(xiàn)出更多的作用。因此，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略的重點(diǎn)將不再是做大規(guī)模，而將是智能化的供應(yīng)鏈管理，在不斷變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境中獲得和保持動(dòng)態(tài)的供需協(xié)調(diào)能力。
供應(yīng)鏈管理智能化將統(tǒng)一工廠的零部件庫存和供應(yīng)商的生產(chǎn)流程，從而保證工廠的零部件庫存的最小化，降低庫存帶來的風(fēng)險(xiǎn)，降低生產(chǎn)成本。供應(yīng)鏈管理智能化要求企業(yè)間的信息采用基于事件驅(qū)動(dòng)的方式交換信息，信息的交換是實(shí)時(shí)的，并且對(duì)方同樣可以做出實(shí)時(shí)的反應(yīng)，供應(yīng)鏈上不同企業(yè)的運(yùn)作效率與在同一個(gè)企業(yè)中不同部門的運(yùn)作一樣敏捷，具有滿足不斷變化的需求的適應(yīng)性。供應(yīng)鏈管理智能化將為供應(yīng)鏈上的企業(yè)帶來更大的利益，供應(yīng)鏈上各個(gè)企業(yè)的協(xié)同制造將為降低制造成本、物流成本，縮短制造周期，提供更好的服務(wù)和有力的保障。
實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)智能化體現(xiàn)了“工業(yè)4.0”的宏大愿景。“工業(yè)4.0”認(rèn)為實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)智能化其實(shí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念：將大量的有關(guān)人、信息管理系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備等物體融入到信息物理系統(tǒng)（CPS）中，在制造系統(tǒng)中，利用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為企業(yè)服務(wù)，協(xié)同企業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)營。
智能制造的內(nèi)涵
無論是德國的“工業(yè)4.0”，還是美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，其實(shí)質(zhì)與我國工業(yè)和信息化部推廣的“兩化融合”戰(zhàn)略大同小異。某種程度上說，以智能制造為代表的新一輪工業(yè)革命或許對(duì)于我國制造業(yè)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，也可能是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一個(gè)重要機(jī)遇。
工廠內(nèi)實(shí)現(xiàn)“信息物理系統(tǒng)”。德國“工業(yè)4.0”其實(shí)就是基于信息物理系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)智能工廠，最終實(shí)現(xiàn)的是制造模式的變革。CPS概念最早是由美國國家基金委員會(huì)在2006年提出，被認(rèn)為有望成為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮。
CSP是融合技術(shù)，包括計(jì)算、通信以及控制（傳感器、執(zhí)行器等）。中國科學(xué)院何積豐院士指出：“CPS，從廣義上理解，就是一個(gè)在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式監(jiān)測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體。CPS的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式。”
目前所說的制造業(yè)信息化，首先強(qiáng)調(diào)的是CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM （Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）等工業(yè)軟件和PPS(生產(chǎn)計(jì)劃控制系統(tǒng))、PLM（產(chǎn)品生命周期管理）等信息化管理系統(tǒng)。主要應(yīng)用于由上而下的集中式中央控制系統(tǒng)。
而信息物理系統(tǒng)（CPS）則通過物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等的無縫連接，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝與信息系統(tǒng)融合，形成了智能工廠。物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)分別位于智能工廠的三層信息技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)的底層和頂層。最頂層中，與生產(chǎn)計(jì)劃、物流、能耗和經(jīng)營管理相關(guān)的ERP、SCM、CRM等，和產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)相關(guān)的PLM處在最上層，與服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)緊緊相連。中間一層，通過CPS物理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線控制、調(diào)度等相關(guān)功能，從智能物料供應(yīng)，到智能產(chǎn)品的產(chǎn)出，貫通整個(gè)產(chǎn)品生命周期管理。最底層則通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制、執(zhí)行、傳感，實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)（圖5）。
智能工廠的產(chǎn)品、資源及處理過程因CPS的存在，將具有非常高水平的實(shí)時(shí)性，同時(shí)在資源、成本節(jié)約中也頗具優(yōu)勢(shì)。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的服務(wù)中心的業(yè)務(wù)來設(shè)計(jì)。因此，靈活性、自適應(yīng)以及機(jī)械學(xué)習(xí)能力等特征，甚至風(fēng)險(xiǎn)管理都是其中不可或缺的要素。智能工廠的設(shè)備將實(shí)現(xiàn)高級(jí)自動(dòng)化，主要是由基于自動(dòng)觀察生產(chǎn)過程的CPS的生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。通過可實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)的靈活的生產(chǎn)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)工程的徹底優(yōu)化。同時(shí)，生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)不僅僅是在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)多家工廠、多個(gè)生產(chǎn)單元所形成的世界級(jí)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。
工廠間實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)制造”。隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)的普及，制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的新要求出現(xiàn)了變化。一方面，要求制造業(yè)企業(yè)能夠不斷地基于網(wǎng)絡(luò)獲取信息，及時(shí)對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)；另一方面，要求制造業(yè)企業(yè)能夠?qū)⒏鞣N資源集成與共享，合理利用各種資源。
互聯(lián)制造能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，通過制造企業(yè)快速重組、動(dòng)態(tài)協(xié)同來快速配置制造資源，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，減少產(chǎn)品投放市場(chǎng)所需的時(shí)間，增加市場(chǎng)份額；能夠分擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用、設(shè)備投資費(fèi)用等，減少經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)。通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部、外部的協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造和協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)商業(yè)的顛覆和重構(gòu)。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造，消費(fèi)者、經(jīng)銷商、工廠、供應(yīng)鏈等各個(gè)環(huán)節(jié)可利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)全流程參與。傳統(tǒng)制造業(yè)的模式是以產(chǎn)品為中心，而未來制造業(yè)通過與用戶互動(dòng)，根據(jù)用戶的個(gè)性化需求，然后開始部署產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造。
另外，作為一個(gè)未來的潮流，工廠將通過互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化，向著互聯(lián)工廠的趨勢(shì)發(fā)展。隨之而來，采集并分析生產(chǎn)車間的各種信息向消費(fèi)者反饋，從工廠采集的信息作為大數(shù)據(jù)經(jīng)過解析，能夠開拓更多的、新的商業(yè)機(jī)會(huì)。經(jīng)由硬件從車間采集的海量數(shù)據(jù)如何處理，也將在很大程度上決定服務(wù)、解決方案的價(jià)值。
過去的制造業(yè)只是一個(gè)環(huán)節(jié)，但隨著互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步向制造業(yè)環(huán)節(jié)滲透，網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造已經(jīng)開始出現(xiàn)。制造業(yè)的模式將隨之發(fā)生巨大變化，它會(huì)打破傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的生命周期，從原材料的采購開始，到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)制造、市場(chǎng)營銷、售后服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成了閉環(huán)，徹底改變制造業(yè)以往僅是一個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)模式。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造的閉環(huán)中，用戶、設(shè)計(jì)師、供應(yīng)商、分銷商等角色都會(huì)發(fā)生改變。與之相伴而生，傳統(tǒng)價(jià)值鏈也將不可避免的出現(xiàn)破碎與重構(gòu)。
工廠外實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)制造”。滿足消費(fèi)者個(gè)性化需求，一方面需要制造業(yè)企業(yè)能夠生產(chǎn)或提供符合消費(fèi)者個(gè)性偏好的產(chǎn)品或服務(wù)，一方面需要互聯(lián)網(wǎng)提供消費(fèi)者的個(gè)性化定制需求。由于消費(fèi)者人數(shù)眾多，每個(gè)人的需求不同，導(dǎo)致需求的具體信息也不同，加上需求的不斷變化，就構(gòu)成了產(chǎn)品需求的大數(shù)據(jù)。消費(fèi)者與制造業(yè)企業(yè)之間的交互和交易行為也將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，挖掘和分析這些消費(fèi)者動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，能夠幫助消費(fèi)者參與到產(chǎn)品的需求分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等創(chuàng)新活動(dòng)中，為產(chǎn)品創(chuàng)新作出貢獻(xiàn)。
因此，大數(shù)據(jù)將構(gòu)成制造業(yè)智能化的一個(gè)基礎(chǔ)。大數(shù)據(jù)在制造業(yè)大規(guī)模定制中的應(yīng)用除了圍繞定制平臺(tái)這一核心之外，還包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、訂單管理、智能化制造等。定制數(shù)據(jù)達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用，通過對(duì)大數(shù)據(jù)的挖掘，實(shí)現(xiàn)流行預(yù)測(cè)、精準(zhǔn)匹配、時(shí)尚管理、社交應(yīng)用、營銷推送等更多的應(yīng)用（圖6）。同時(shí)，大數(shù)據(jù)能夠幫助制造業(yè)企業(yè)提升營銷的針對(duì)性，降低物流和庫存的成本，減少生產(chǎn)資源投入的風(fēng)險(xiǎn)。
“數(shù)據(jù)制造”時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將全面嵌入到工業(yè)體系之中，將打破傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程、生產(chǎn)模式和管理方式。生產(chǎn)制造過程與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的深度集成，將實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)要素的高度靈活配置，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)。從而，將有力推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐。毫無疑問，“數(shù)據(jù)制造”將會(huì)改變制造業(yè)思維，給制造業(yè)帶來更多的靈活性和想象空間，也或?qū)㈩嵏仓圃鞓I(yè)的游戲規(guī)則。
對(duì)我國的啟示
沒有強(qiáng)大的制造業(yè)，一個(gè)國家將無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速、健康、穩(wěn)定的發(fā)展，勞動(dòng)就業(yè)問題將日趨突顯，人民生活難以普遍提高，國家穩(wěn)定和安全將受到威脅，信息化、現(xiàn)代化將失去堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。改革開放以來的30多年中，中國經(jīng)濟(jì)經(jīng)歷了接近10%的高速增長階段，而制造業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)高速增長的引擎。目前，我國尚處于工業(yè)化進(jìn)程的中后期，制造業(yè)創(chuàng)造了GDP總量的三分之一，貢獻(xiàn)了出口總額的90%，未來幾十年制造業(yè)仍將是我國經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。
重新定義“智能制造”的關(guān)鍵詞。進(jìn)入21世紀(jì)以來，制造業(yè)面臨著全球產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。特別是2008年金融危機(jī)之后，世界各國為了尋找促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的新出路，開始重新重視制造業(yè)，歐盟整體上開始加大制造業(yè)科技創(chuàng)新扶持力度；美國于2011年提出“先進(jìn)制造業(yè)伙伴計(jì)劃”，旨在增加就業(yè)機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)美國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)強(qiáng)勁增長。美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)于2012年2月正式發(fā)布了《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃》，德國于2013年4月推出《工業(yè)4.0戰(zhàn)略》。我們應(yīng)該通過比較研究《美國先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃》《德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略》等資料中的先進(jìn)制造業(yè)關(guān)鍵詞，進(jìn)而來定義未來制造業(yè)的發(fā)展方向（圖7）。
一是軟性制造。大規(guī)模制造時(shí)代，傳統(tǒng)的制造環(huán)節(jié)利潤空間越來越受到擠壓。所以，從發(fā)達(dá)國家發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃中均可以看到，制造業(yè)的概念和附加值正在不斷從硬件向軟件、服務(wù)、解決方案等無形資產(chǎn)轉(zhuǎn)移。相對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)，如今的制造業(yè)是軟件帶給硬件功能、控制硬件、對(duì)硬件造成極大影響。同時(shí)，與以往的硬件商品所不同，目前的制造業(yè)中，對(duì)商品附屬的服務(wù)或者基于商品上面的解決方案的需求正在快速增加。
所謂軟性制造，就是增加產(chǎn)品附加價(jià)值、拓展更多、更豐富的服務(wù)與解決方案。因?yàn)橄鄬?duì)于硬件，產(chǎn)品內(nèi)置的軟件、附帶的服務(wù)或者解決方案通常是軟性和無形的，都是“看不見”的事物，所以稱之為軟性制造。
軟性制造不再將“硬件”生產(chǎn)視為制造業(yè)，而認(rèn)為“軟件”在制造業(yè)中不斷發(fā)揮主導(dǎo)作用，商品產(chǎn)生的服務(wù)或解決方案將對(duì)制造業(yè)的價(jià)值產(chǎn)生巨大影響。所以，未來的制造業(yè)需要放棄傳統(tǒng)的“硬件式”的思維模式，而要從軟件、服務(wù)產(chǎn)生附加值的角度去發(fā)展制造業(yè)。軟件、服務(wù)在整個(gè)制造業(yè)價(jià)值鏈中所占的比重將越來越大，呈現(xiàn)顯著的增長趨勢(shì)。未來制造業(yè)企業(yè)向顧客提供的不再是單純的產(chǎn)品，而是各種應(yīng)用軟件與服務(wù)形態(tài)集成于一體的整體解決方案。
二是從“物理”到“信息”的趨勢(shì)。以往，每當(dāng)提及制造業(yè)，恐怕都認(rèn)為是各種零部件構(gòu)成硬件產(chǎn)品的核心。隨著封裝化、數(shù)字化的發(fā)展，零部件生產(chǎn)加工技術(shù)加速向新興市場(chǎng)國家轉(zhuǎn)移，這樣，零部件本身的利潤就難以維系。因此，發(fā)達(dá)國家制造業(yè)開始更加注重通過組裝零部件進(jìn)行封裝化，將部分功能模塊化，將系列功能系統(tǒng)化，來提升附加價(jià)值。
模塊化是將標(biāo)準(zhǔn)化的零部件進(jìn)行組裝，以此來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。從而能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)的多樣化需求，滿足消費(fèi)者的各項(xiàng)差異化需求。以往，在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，需要付出很多時(shí)間和成本，如果將復(fù)雜化的產(chǎn)品通過幾個(gè)模塊進(jìn)行組裝，就能夠同時(shí)解決多樣化和效率化的問題。
但是，模塊化本身不過是產(chǎn)品的一項(xiàng)功能，未來制造業(yè)將更加重視在通過模塊化和封裝化的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)化，拓展新的應(yīng)用與服務(wù)。如果以系統(tǒng)化為主導(dǎo)，就能相對(duì)于“物理”意義上的零部件，獲取更多的帶有“信息”功能的附加價(jià)值。相反，如果不掌控系統(tǒng)的主導(dǎo)權(quán)，無論研發(fā)出的零部件的質(zhì)量和功能多么好，也難以成為市場(chǎng)價(jià)格的主導(dǎo)者。
三是從“群體”到“個(gè)體”的趨勢(shì)。在發(fā)達(dá)國家，以規(guī)?；癁閷?duì)象的量產(chǎn)制造業(yè)將生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)移至新興市場(chǎng)國家，以定制化為重點(diǎn)的多種類小批量制造業(yè)漸漸成為主流。同時(shí)，消費(fèi)者本身也將有能力將自己的需求付諸生產(chǎn)制造。也就是說，“大規(guī)模定制”隨著以3D打印為代表的數(shù)字化和信息技術(shù)的普及帶來的技術(shù)革新，將制造業(yè)的進(jìn)入門檻降至最低，不具備工廠與生產(chǎn)設(shè)備的個(gè)人也能很容易地參與到制造業(yè)之中。制造業(yè)進(jìn)入門檻的降低，也意味著一些意想不到的企業(yè)或個(gè)人將參與到制造業(yè)，從而有可能帶來商業(yè)模式的巨大變化。
“個(gè)性化”首先是美國大力推進(jìn)的。在美國的文化背景下，個(gè)性要比組織色彩強(qiáng)烈。制造業(yè)的“個(gè)性化”趨勢(shì)不僅僅是美國制造業(yè)回歸，還將帶動(dòng)舊金山等大城市制造業(yè)的興盛，一些專注于通過信息技術(shù)使得生產(chǎn)工程高效化、專業(yè)性的小規(guī)模手工制作的制造業(yè)將在市區(qū)內(nèi)盛行，它們根據(jù)消費(fèi)者的需求進(jìn)行柔性的定制化服務(wù)，憑借獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與大量生產(chǎn)形成差異化競(jìng)爭(zhēng)。
四是互聯(lián)制造。隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)、電子商務(wù)的普及，制造業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的新要求出現(xiàn)了變化。一方面，要求制造業(yè)企業(yè)能夠不斷地基于網(wǎng)絡(luò)獲取信息，及時(shí)對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)；另一方面，要求制造業(yè)企業(yè)能夠?qū)⒏鞣N資源集成與共享，合理利用各種資源。
互聯(lián)制造能夠快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，通過制造企業(yè)快速重組、動(dòng)態(tài)協(xié)同來快速配置制造資源，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少產(chǎn)品投放市場(chǎng)所需的時(shí)間，增加市場(chǎng)份額。另外，作為一個(gè)未來的潮流，工廠將通過互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化，向著互聯(lián)工廠的趨勢(shì)發(fā)展。
美國因?yàn)橛蠫oogle、Apple、IBM等IT巨頭和無數(shù)的IT企業(yè)，所以在大數(shù)據(jù)應(yīng)用上較為積極，非常重視對(duì)社會(huì)帶來新的價(jià)值。Google不斷將制造業(yè)企業(yè)收購至麾下，就是希望掌握主導(dǎo)權(quán)。同時(shí)，作為美國大型制造業(yè)企業(yè)的一個(gè)代表，GE公司也開始加強(qiáng)數(shù)據(jù)分析和軟件開發(fā)，從車間采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，提供解決方案，開拓新的商業(yè)機(jī)會(huì)。德國將“工業(yè)4.0”視為國家戰(zhàn)略，將工廠智能化視為國家方針。通過信息技術(shù)，最大限度的發(fā)揮工廠本身的能力（表1）。
把“兩化”深度融合作為主要著力點(diǎn)。工業(yè)和信息化部成立以來，一直致力于推進(jìn)“兩化融合”工作，通過信息化的融合與滲透，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生革命性影響。“工業(yè)4.0”本質(zhì)上是由信息技術(shù)引發(fā)的，與我國的“兩化融合”有異曲同工之處。在未來制造業(yè)中，我們應(yīng)該將“兩化深度融合”作為主要著力點(diǎn)，進(jìn)一步繼續(xù)加快推進(jìn)信息化、自動(dòng)化和智能化。
首先，研究部署信息物理系統(tǒng)（CPS）平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)“智能工廠”的“智能制造”。智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，智能設(shè)備和生產(chǎn)手段在未來必將廣泛替代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。而信息物理系統(tǒng)（CPS）將改變?nèi)祟惻c物理世界的交互方式，使得未來制造業(yè)中的物質(zhì)生產(chǎn)力與能源、材料和信息三種資源高度融合，為實(shí)現(xiàn)“智能工廠”和“智能制造”提供有效的保障。美國、德國等世界工業(yè)強(qiáng)國都高度重視信息物理系統(tǒng)的構(gòu)建，加強(qiáng)戰(zhàn)略性、前瞻性的部署，并已然取得了積極的研究進(jìn)展。而我國目前的制造業(yè)發(fā)展仍然以簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大再生產(chǎn)為主要途徑，迫切需要通過智能生產(chǎn)、智能設(shè)備和“工業(yè)4.0”理念來改造和提升傳統(tǒng)制造業(yè)。
其次，推動(dòng)制造業(yè)向智能化發(fā)展轉(zhuǎn)型的同時(shí)，同步推動(dòng)制造業(yè)的模式和業(yè)態(tài)的革新。主要體現(xiàn)在，從大規(guī)模批量生產(chǎn)向大規(guī)模定制生產(chǎn)的革新、從生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造的革新、從集團(tuán)式全能型生產(chǎn)向網(wǎng)絡(luò)式協(xié)同制造的革新、從兩化融合向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的革新。
提升制度創(chuàng)新和管理變革能力。“智能制造”時(shí)代，平臺(tái)型企業(yè)、網(wǎng)絡(luò)化組織、開放式創(chuàng)新、大規(guī)模定制、社會(huì)化生產(chǎn)等行為將更加普遍。所以，生產(chǎn)者與消費(fèi)者的互動(dòng)將更加緊密，中小企業(yè)的作用將更加突出，對(duì)市場(chǎng)需求的快速反應(yīng)將更加重要……這些變化都要求適時(shí)、適度的制度創(chuàng)新和管理變革能力，對(duì)我國相對(duì)薄弱的制度創(chuàng)新和管理變革能力構(gòu)成現(xiàn)實(shí)性的挑戰(zhàn)。
危機(jī)是威脅，也是機(jī)會(huì)。新一輪工業(yè)革命將徹底改變現(xiàn)有的生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)組織形式，改變國家間的比較優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而重塑全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和國際產(chǎn)業(yè)分工格局。作為新一輪工業(yè)革命的主攻方向，“智能制造”的發(fā)展將直接影響我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的路徑和進(jìn)程，將給我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來重大機(jī)遇。
Intelligent Manufacturing: The Main Orientation of the New Round of Industrial Revolution
Wang Xiwen
Abstract: Overall, the "Made in China 2025" plan is to adhere to the new path of industrialization with Chinese characteristics, promote the innovation-based development of the manufacturing industry, focus on enhancing quality and efficiency, speed up the integrated development of the new generation of information technology and the manufacturing industry, and concentrate strength to push forward intelligent manufacturing. China will focus on intelligent manufacturing in promoting deeper integrated development of information technology and industrialization, which, essentially, is to get a head start on the future manufacturing industry in this new round of industrial revolution through the deep integration of the Internet and the industry, further guide the Chinese manufacturing industry to upgrade and become "intelligent", and give new connotation to industrial competition between countries.
Keywords: Industry 4.0, industrial Internet, intelligent manufacturing, Internet Plus
【作者介紹】
王喜文，工信部國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心電子商務(wù)研究所所長，高級(jí)工程師，九三學(xué)社中央科技委委員。研究方向?yàn)楦叨酥圃鞓I(yè)、軟件服務(wù)業(yè)、產(chǎn)業(yè)政策。主要著作有《工業(yè)4.0：最后一次工業(yè)革命》等。
