有專家認為，工業4.0的本質含義之一就是要打造一個世界級的工廠，那到底什么叫世界級的工廠?工業4.0能夠整合最好的傳感器、軟件和技術，把一個全球公司在世界各地的工廠都匯集到一個網絡里，總部可以通過互聯網實時看到每個工廠運行的情況，并通過高度的可視化、自動化來實現提高效率、降低能耗的目的，這就是世界級的工廠，也是工業4.0的本質。

“工業4.0”是工業互聯

但從根本上來講，“工業4.0”是一種在信息技術發展到新階段產生的新的工業發展模式。從終極目標來看，工業4.0不能為技術而技術，核心在于提高企業、行業乃至國家的整體競爭力。

從工業2.0到工業3.0時代的重要標志是，單機智能設備的廣泛普及。工業4.0把1969年第一個可編程邏輯控制器Modicon084的使用作為工業3.0的起點，其核心是各種數控機床、工業機器人自動化設備在生產環節的推廣，我們可以把它理解為單機設備智能化水平不斷提升并廣泛普及推廣。

工業4.0的核心是單機智能設備的互聯，不同類型和功能的智能單機設備的互聯組成智能生產線，不同的智能生產線間的互聯組成智能車間，智能車間的互聯組成智能工廠，不同地域、行業、企業的智能工廠的互聯組成一個制造能力無所不在的智能制造系統，這些單機智能設備、智能生產線、智能車間及智能工廠可以自由動態地組合，以滿足不斷變化的制造需求，這是工業4.0區別與工業3.0的重要特征。

正如德國總理默克爾在2014年漢諾威工博會上所講的，工業4.0意味著智能工廠能夠自行運轉，零件與機器可以進行交流。由于產品和生產設備之間能夠通信，使得產品能理解制造的細節以及自己將被如何使用。同時，它們能協助生產過程，回答諸如“我是什么時候被制造的”、“哪組參數應該被用來處理我”、“我應該被傳送到哪”等等問題。

信息物理系統(CPS)是工業4.0的核心，它通過將物理設備連接到互聯網上，讓物理設備具有計算、通信、控制、遠程協調和自治等五大功能，從而實現虛擬網絡世界與現實物理世界的融合。信息物理系統(CPS)可以將資源、信息、物體以及人緊密聯系在一起，從而創造物聯網及相關服務，并將生產工廠轉變為一個智能環境，是實現設備、產品、人協調互動的基礎。智能制造的核心在于實現機器智能和人類智能，實現生產過程的自感知、自適應、自診斷、自決策、自修復。

信息技術發展的終極目標是實現無所不在的連接，所有產品都將成為一個網絡終端。萬物互聯就是人、物、數據和程序通過互聯網聯接在一起，實現人類社會所有人和人、人和物以及物和物之間的互聯，重構整個社會的生產工具、生產方式和生活場景。人們能夠以多種方式通過社交網絡聯接到互聯網，基于感知、傳輸、處理的各類人造物將成為網絡的終端，人、物、數據在網絡環境下進行流程再造，基于物理世界感知和人群交互的在線化、實時化的數據與智能處理改變著我們對外部世界的響應模式。

產業鏈重塑

德國學術界和產業界認為，“工業4.0”是以智能制造為主導的第四次工業革命，或革命性的生產方法。該戰略旨在通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統——信息物理系統相結合的手段，將制造業向智能化轉型。

如果工廠還有生產體系的話，它們可以高度智能化。

智能化的工廠完全由物聯網加以控制，制造流程完全可以由電腦來加以整合。所以會有對于生產的實時監控，監控可以觀察到需要什么樣的新材料，需要什么樣的工序來保證整個生產的進程。這不是簡單的生產自動化的問題，而是智能控制，而且能夠實現產品的智能運輸。如果系統中突然出現故障，系統就會自動下令停下，自動進行修理。

生產需要的產品時，可以智能利用有關能源。通過IT技術，可以保證對于能源的使用是以最為有效的方式進行。物聯網是把所有各種各樣的部件考慮進去;而今后做決策時，是把所有的組織體系考慮進去，這是一種整體的思考方法。這將使產業鏈分工變得高度有效，相互又非常精準地對接。

未來可以看到一個智能化的經濟體：包括智能化的生產、工廠、生活、家居、交通、物流、治理、環境、人的活動等產業鏈要素。這個過程實際上由IT系統加以控制，IT系統知道如何組織生產，來收集所有的數據，并用一種控制的方式與有關各個環節進行互動。未來整個生產當中捕捉到的數據都可以進行實時分析，幫助人做出決策，進行一些設定同時進行傳輸，而且在發生某些故障時，自動發送警告。

如此，智能工廠的生產組織變得極其高效。同時，單體智能工廠也可以成為聯合體，即把外部的一些工廠包括進來。比如單體智能工廠在進行生產時，一旦某些原料用完了，廠外供應商會自動獲取信息，然后就會自動交付定額的原料。

智能工廠和廠外的合作伙伴完全可以通過智能系統進行整合，這是非常和諧的互動，可以誕生智能化的商業模式，即：隨時在生成數據，隨時按照精確的數據讓生產方了解情況，來改善生產當中的狀況。

工業4.0用了很多IT技術，毫無疑問會重新塑造整個生產流程，原來的工人會受到影響。工人會產生擔憂，在這種擔憂下，會不配合和加以破壞;因此需要和他們進行討論，告訴他們未來的整個工作場景是怎樣的，希望他們參與進來，讓這樣的技術最終改善他們的處境，而不是相反。德國也特別注重吸引中小企業參與，力圖使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者，同時也成為先進工業生產技術的創造者和供應者。

工業4.0的前提條件

人工智能的介入、機器人的大量使用會讓設計的智能化、工藝的智能化、試驗仿真的智能化、生產過程的智能化、保障的智能化成為現實。這就是工業4.0的未來發展，而深入實施數字化工程是實施工業4.0的前提條件。

中國老話講“飯要一口口吃，路要一步步走”。從古今中外的歷史發展來看，人類的進化及演變是一步一個腳印才走到了今天。當然，工業體系的發展也必然遵循這樣一個規律，即通過新技術、新材料和創新可以把某個過程縮短，但要實現現代工業體系的跨越式發展需要有充分的前提條件。

在先進制造技術發展的進程中，出現了多項與智能制造相關的技術概念與實踐，其中與智能制造關系最直接、最密切的是數字化技術、網絡通信技術、信息技術、自動化技術和人工智能技術，以及敏捷制造、精益制造、網絡化制造、數字化制造等。這些技術的應用與實踐對智能制造的發展具有重要的支撐作用，但同時又與智能制造有所區別。

自動化技術是一門綜合性技術，它和控制論、信息論、系統工程、計算機技術、電子學、液壓氣壓技術、自動控制等都有著十分密切的關系，而其中又以“控制理論”和“計算機技術”對自動化技術的影響最大。

業產品的工程概念。按照產品研制流程，可以簡單劃分為4個階段。

第一階段是方案階段，包含需求分析、概念設計、方案設計;第二階段是工程研制階段，包含初步設計、詳細設計、試制、試驗;第三階段是產品定型后的批生產階段;第四階段是產品交付后的使用維護階段;最后到了產品報廢或回收，就完成了產品壽命周期的整個過程，這就是PLM。在歷史上，沒有計算機也研制生產了很多的產品，因此傳統工業產品本身和數字化沒有直接關系。

信息化單項技術應用階段。20世紀60年代以后，隨著計算機軟硬件的迅猛發展，出現了大量CAX類的工具，逐步使工程師從傳統的手工產品研制向計算機輔助方向轉變，可以說是數字化工程的萌芽階段。

數字化工程的概念。為使問題簡單明了，我們先把CPS的C和P分開考慮，最后再加以綜合。首先描述C，就是Cyber。

產品研制的幾個階段全部在計算機上完成，從虛擬的方案設計、虛擬工程研制、虛擬試驗等在計算機上的反復迭代不斷發現問題，解決問題。當然，基礎是有大量計算機聯網，并具有完整的基礎數據庫，應用大量CAX軟件和工程管理軟件，幾千甚至是數萬名工程師采用IPT的組織，在協同研制平臺上完成復雜產品的設計仿真等工作。典型案例是波音787飛機，它基于全球的組織方式，采用各類軟件約8000種。這就是CPS中的C(Cyber)空間，也就是基于互聯網的協同研制眾創空間。

在數字化生產的流程中，數字化生產要逐步從自動化的設備級做起，并根據需求，由若干設備組成自動化的生產線，由多條生產線建立自動化車間，最后部署成數字化工廠，對大型復雜產品需要構建多個自動化工廠的產業聯盟。這樣形成5個層級，各個層級的配置有著很大的區別。限于篇幅，這里不作過多描述。數字化生產離不開設備、設施、材料等，這些就是CPS中的P(Physical)。

將Cyber和Physical融合就是賽博-物理系統，簡稱CPS。CPS的初始階段就是我國所講的工業化和信息化兩化融合。當然，隨著技術的發展和深入應用，目前叫工業化和信息化兩化深度融合。

未來智能制造業

通過通信網絡，將工廠內所有設備互聯的“智能工廠”就是其中最好的一個體現。德國制造業中的所有行業正在實施該項目有關的研究，并計劃為此投入2億歐元。智能工廠或者“工業4.0”，是從嵌入式系統向信息物理融合系統(CPS)發展的技術進化。作為未來第四次工業革命的代表，工業4.0不斷向實現物體、數據以及服務等無縫連接的互聯網(物聯網、數據網和服務互聯網)的方向發展。

工業革命4.0：未來10年，第四次工業革命將步入“分散化”生產的新時代。工業4.0通過決定生產制造過程等的網絡技術，實現實時管理。

在未來的智能制造業中，CPS對涵蓋自動化、生產技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫療等眾多工業部門、應用領域，具有非常重要的意義。因CPS而實現的許多應用，將產生新附加價值鏈和業務模式。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低CO2排放水平，在保護環境上發揮重大作用。

因為CPS的存在，智能工廠的生產系統、產品、資源及處理過程都將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節約中更具優勢。智能工廠將按照重視可持續性的中心原則來設計，因此，服從性、靈活性、自適應性、學習能力、容錯能力甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。智能工廠設備的高級自動化，主要是由基于自動觀察生產過程中CPS生產系統的靈活網絡來實現的。通過可實時應對的靈活的生產系統，能夠實現生產工程的徹底優化。同時，生產優勢不僅僅是在特定生產條件下的一次性體現，還可以實現多家工廠、多個生產單元所形成的世界級網絡的最優化。

相對于傳統制造工業，以智能工廠為代表的未來智能制造業是一種理想的生產系統，能夠智能編輯產品特性、成本、物流管理、安全、信賴性、時間以及可持續性等要素，從而為各個顧客進行最優化的產品制造。這樣一種“自下而上”型的生產模式革命，不但能節約創新技術、成本與時間，還擁有培育新市場機會的網絡容量。

基于高性能軟件的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間發生的相互作用，將誕生全新的系統功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經遠遠超出設備本身通話功能。由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現，漸漸形成新的價值鏈，所以，CPS也將對現有業務與市場模式帶來范式轉變。汽車工業、能源經濟，還有包括諸如工業4.0的生產技術的各個工業部門，將同步因這些新價值鏈發生巨變。

給中國工業轉型的啟示

工業4.0是德國從政府層面提出的戰略，代表德國從國家層面對未來制造業走向和相關問題的戰略布局和對策，與我國提出的兩化深度融合戰略有很多相似之處，其提出的一系列政策措施，值得我們認真借鑒。

一是制造業智能化、互聯網化是新一輪技術與產業革命的大趨勢，要抓緊制定相應的頂層戰略設計，重視話語權建設。為推進工業4.0計劃的落實，德國資訊技術和通訊新媒體協會、德國機械設備制造業聯合會以及德國電氣和電子工業聯合會等三大協會共同建立了跨界研究小組“工業4.0平臺”，以協調所有參與工業4.0戰略計劃的資源。這也是德國推進工業4.0的組織保障。充分重視釋放市場潛力的戰略設計，為了執行工業4.0戰略，德國采用了“領先的供應商戰略”與“領先的市場戰略”的雙重戰略來釋放市場潛力。領先的供應商戰略強調德國裝備制造供應商要通過技術創新和集成，不斷提供世界領先的技術解決方案，并藉此成為工業4.0產品全球領先的開發商、生產商，重視在新一輪技術與產業革命的話語權建設。為了充分發揮德國的傳統優勢，德國在吸收美國提出的CPS概念的基礎上推陳出新，提出工業4.0戰略，其目的就是要爭奪話語權，為德國的新技術與產品出口創造機會。

德國的工業4.0戰略，可以說是對于先進制造業發展方向和升級路徑的決策，目標明確、戰略務實、發展路徑清晰，與我國工業轉型升級規劃中的兩化深度融合的提法異曲同工。我國兩化融合和兩化深度融合概念雖然提出已久，但對戰略設計、組織保障、推進路線等方面的認知還沒有達到一定的水平，兩化深度融合的提法也還沒有提升到爭奪全球新一輪技術與產業革命的話語權的高度來制定戰略目標與執行路線。在這方面我們必須向德國、美國學習，立足于充分發揮中國制造業的現有優勢，在深刻認識新一輪技術與產業革命的規律與特性的基礎上，推進我國新一輪技術與產業革命的頂層戰略規劃，力爭在全球新的技術與產業革命中建立自身的話語權。

二是高度重視標準在工業轉型升級、兩化深度融合戰略和戰略性新興產業發展中的引領作用，大力推進標準的國際化建設。

德國是一個重視標準的國家，并將標準放到引領產業發展的高度上，認為標準尤其是關于安全、健康和環保等方面的標準，代表著掌控科技、掌控產業的進一步發展。據德國標準化協會計算，1960-1996年間德國每年3.3%的GDP增長中，標準的貢獻率占0.9%，僅次于資本投入。

工業4.0認為，實現工業4.0目標的關鍵是建立一個人、機器、資源互聯互通的網絡化社會，物聯網、互聯網、服務化的智能聯接必然要求一個系統框架，在這個框架內，各種終端設備、應用軟件，它們之間的數據信息交換、識別、處理、維護等必須基于一套標準化的體系。為了順利實現向工業4.0的轉化，德國工業4.0工作組把標準化排在為推進工業4.0需要在關鍵領域采取的8項行動的第一位，工業4.0工作組還同時建議在工業4.0平臺下成立一個工作小組，專門處理標準化和參考架構的問題。為此，2013年12月，德國電氣電子和信息技術協會發表了“工業標準化路線圖”。可以說，德國工業4.0中的標準化戰略顯示出“前導+研發”的鮮明模式特征，即在先進技術的研發同時，標準化同步甚至超前進行，以便為產業發展勾勒出整體框架。

為此，我們在推進兩化深度融合的戰略中，不僅要重視發揮標準化工作在產業發展中的引領作用，及時出臺兩化深度融合標準化路線圖，而且還要實現標準的國際化，使得中國設立的標準得到國際上的廣泛采用，以奪取戰略性新興產業發展的全球制高點。

三是在實施兩化深度融合戰略、發展戰略性新興產業的過程中，不僅要重視關鍵技術的發展和突破，更應重視系統配套體系、企業創新生態系統的建設。工業4.0強調系統、集成以及社會資源的再配置，是對整個制造業體系的發展的總體思考，而不僅僅把它作為一個新技術發展的問題。

在工業4.0的雙重戰略中，德國提出不僅要重視發揮大企業的龍頭作用，更高度強調如何使中小企業能夠應用工業4.0的成果來解決“產、學、研、用”互相結合和促進的問題。德國工業4.0戰略不僅有傳統的大公司西門子、博世、庫卡積極參與該計劃，也特別注重吸引中小企業參與，力圖使中小企業成為新一代智能制造技術的使用者和受益者，同時也成為先進制造技術的創造者和供應者。

可以說，從技術發展、創新生態到社會融合，工業4.0特別注重“工業系統的整體躍遷”的實現路徑與配套體系建設。我們在實施兩化深度融合戰略中，不但要重視大企業的龍頭作用，還應充分吸收中小企業參與，以推動跨學科、跨行業的創新生態系統的建設。同時，如何為工業提供綜合的寬帶互聯網基礎設施、如何開發和管理工業大數據、如何保證工業IT系統與工業控制系統的安全，這些課題都值得我們在實施工業轉型升級規劃時重點考慮。尤其重要的是，我們應把推進工業大數據產業的發展置于搶占新一輪技術與產業革命的制高點的高度加以推進，不僅應加強工業大數據的應用研究，更要加強工業大數據分析和處理技術的開發。

中國版工業4.0戰略

2014年3月，國家主席習近平訪問德國，在《法蘭克福匯報》發表的署名文章中重點提到德國工業4.0戰略。中德合作將會有更多契合點，獲得新動力。中德關系也將在現有高水平的基礎上，進入一個精確磨合和深度對接的新階段。這被市場一致認為是中國正式提出加速制造業發展的關鍵一步。

2014年10月，李總理訪問德國，發表《中德合作行動綱要》，宣布了中德兩國將開展工業4.0合作，這對于中國企業而言意味著巨大的轉型契機，該領域合作有望成為中德未來產業合作的新方向。

10月28日，我國同濟大學與德國菲尼克斯電氣歷時1年共同建成了國內首個工業4.0——智能工廠實驗室。未來該實驗室將從概念走向工程實踐，走向國內工程教育第一線，進一步推動我國工業4.0進程。

11月，第16屆中國國際工業博覽會(簡稱工博會)在上海開幕，工信部部長苗圩在開幕詞中指出，就工業整體而言，要更加注重推進信息化和工業化的深度融合，把智能制造作為主攻方向和重點內容。推進信息技術的集成、綜合應用和融合創新，促進制造業的數字化、智能化、網絡化的發展，全面加快工業的轉型升級，推動工業由大變強。

在工博會上，來自國內外的廠家向參會人員展示了各種工業4.0產業線的相關設備，體現出了工業4.0的兩大特點：一是多批次小批量，定制生產滿足個性化需求;二是智能化。如果你想要一支黑色的鉛筆，在網上下單，指令第一時間傳到生產鉛筆的機器上，不需要任何中間流程。這臺機器同時能生產5種顏色的鉛筆，但接到指???，它只“蹦”出黑色的來。