探秘“工业4.0”

一场国际金融危机，让实体经济的重要性得以凸显。美国、德国、英国等发达国家纷纷提出以重振制造业为核心的“再工业化”战略。不过，发达国家的再工业化并非简单回归，而是以信息网络技术、数字化制造技术应用为重点，旨在依靠科技创新，抢占制造业新的制高点。

上述信息技术与制造业深入融合的浪潮，被视为一场新的工业革命。不过，各方对这场革命的理解不尽相同。《经济学人》杂志提出，“第三次工业革命”的核心技术是制造业数字化。美国《连线》杂志前主编、《创客》一书的作者克里斯·安德森认为，将互联网和制造业结合，实现创客运动，将掀起新一轮工业革命。德国则将这场变革视为继机械化、电气化和信息技术之后，工业化的第四个阶段，因此将之命名为“工业4.0”。

德国工业4.0的内涵

德国是全球制造业中最具竞争力的国家之一，其装备制造行业全球领先。这是由于德国在创新制造技术方面的研究、开发和生产，以及在复杂工业过程管理方面高度专业化使然。德国拥有强大的机械和装备制造业、占据全球信息技术能力的显著地位，在嵌入式系统和自动化工程领域具有很高的技术水平，这些都意味着德国确立了其在制造工程行业中的领导地位。因此，德国以其独特的优势开拓新型工业化的潜力——工业4.0（Industry 4.0），并开始推进这个产官学一体项目的新一代工业升级计划。作为全球工业实力最为强劲的国家之一，德国在新时代发展压力下，为进一步增强国际竞争力，从而提出了该概念。

制造业的数字化、虚拟化正在彻底改变人们制造产品的方式。为此，以德国为代表的欧洲，以及美国都打算大幅提升工业产值。美国的通用电气（GE）于2012年秋季提出了“工业互联网”（Industrial Internet）概念，这是一个将产业设备与IT融合的概念，目标是通过高功能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合，大幅提高现有产业的效率并创造新产业。而日本的各企业也在推进M2M（Machine-To-Machine无线通信）和大数据应用。

德国“工业4.0”的大体概念是在2011年于德国举行的“汉诺威工业博览会”（Hannover Messe2011）上提出的。当时，德国人工智能研究中心董事兼行政总裁沃尔夫冈·瓦尔斯特尔教授在开幕式中提到，要通过物联网等媒介来推动第四次工业革命，提高制造业水平。在德国政府推出的《高技术战略2020》中，工业4.0作为十大未来项目之一，联邦政府投入2亿欧元，其目的在于奠定德国在关键技术上的国际领先地位，夯实德国作为技术经济强国的核心竞争力。2年后，在2013年4月举办的“Hannover Messe2013”上，由产官学专家组成的德国“工业4.0工作组”发表了最终报告——《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》。与美国流行的第三次工业革命的说法不同，德国将18世纪引入机械制造设备定义为工业1.0，20世纪初的电气化为2.0，始于20世纪70年代的信息化定义为3.0，而物联网和制造业服务化宣告着第四次工业革命到来。

“工业4.0”概念中的关键是将软件、传感器和通信系统集成于所谓的物理网络系统。在这个虚拟世界与现实世界的交汇之处，人们越来越多地构思、优化、测试和设计产品。“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。

“工业4.0”的关键技术是信息通信技术（ICT），具体包括联网设备之间自动协调工作的M2M、通过网络获得的大数据的运用、与生产系统以外的开发/销售/ERP（企业资源计划）/PLM（产品生命周期管理）/SCM（供应链管理）等业务系统联动等等。而第三次工业革命的自动化只是在生产工艺中运用ICT，“工业4.0”将大幅扩大应用对象。

“工业4.0”项目主要分为两大主题，一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。

德国“工业4.0”计划强调，未来工业生产形式的主要内容包括：在生产要素高度灵活配置条件下大规模生产高度个性化产品，顾客与业务伙伴对业务过程和价值创造过程广泛参与，以及生产和高质量服务的集成等。物联网、服务网以及数据网将取代传统封闭性的制造系统成为未来工业的基础。

德国工业4.0是不是新的工业革命？

德国学术界和产业界普遍认为，“工业4.0”概念即是以智能制造为主导的第四次工业革命，或革命性的生产方法，旨在通过充分利用信息通讯技术和网络物理系统等手段，将制造业向智能化转型。鉴于技术正将实体物理世界和虚拟网络世界融合，在制造领域，这种资源、信息、物品和人相互关联的“虚拟网络——实体物理系统（Cyber-Physical System，CPS）”可以被定义为工业4.0。CPS包括智能机器、存储系统和生产设施，从入厂到出厂，整合整个制造和物流过程，实现数字化和基于信息技术的端对端集成。

不过，对于这个“第四次工业革命”的提法，世界范围内的认识并不一致。有专家认为，工业革命之所以配得上“革命”一词，并不是说其能对生产效率有多大的提高，而在于其通过对生产方式的颠覆性变革实现了人的解放，从而推动了人类社会的巨大变革。从这个标准来看，蒸汽机、电与内燃机、信息技术的出现都做到了这一点。而原子能技术、航天技术、生物科学以及五花八门的新能源技术，至少现在还没有做到。

那么，如果把信息技术列为第三次工业革命的核心内容，德国的“工业4.0”实际上还未能跳脱出这个范畴。因为，通过信息技术使得工业生产智能化、个性化只是信息技术在工业上的发展和延续，而算不上是革命。人类先是用互联网连接起电子产品，接着就想把更多东西联网，比如IBM公司在2008年提出的“智慧地球”。

“工业4.0”想连接的是生产设备。这就是生产的“一体化”。把不同的设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部，甚至工厂之间都能成为一个整体。这种工业设备生产数据的交互在德国正在变为现实。蔡司集团2013年在欧洲机床展上展出了一套名为PiWeb的系统，通过PiWeb能够把跨国公司分布在不同地区工厂的测量数据进行网络共享，生产经理在办公室里即可看到每一个工厂的数据，实现全球数据的同步监测。德国的奔驰公司和大众汽车公司已经开始使用了这套系统。

“一体化”其实是为了“分散化”。也就是“工业4.0”提出的工业生产“由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变”，这与“Web2.0”时代的“去中心化”殊途同归。“分散化”后的生产将变得更加灵活。这样，不同的生产设备既能够协作生产，又可以各自快速地对外部变化做出反应。这完全是信息时代产生的大量个性化需求反映到生产端的结果，它要求工业生产告别上一个时代的标准化。而由此产生的庞大数据流必然也要求各个生产设备实现一定的智能化，即智能的控制系统。

凯文·凯利在他的著作《失控》中提出的“涌现”：大量遵循简单规则的个体的交互会导致整体出现复杂度极高的状态。而这种复杂的程度是任何单独个体都不具备的。比如，由神经元构成大脑。这个概念也可以用来理解“工业4.0”中提出的“智能工厂”。分散的、具备一定智能化的生产设备，在实现了数据交互之后，就形成了高度智能化的有机体。

发达国家的“再工业化”浪潮

虽然对于现在处于第几次产业革命，以及德国工业4.0算不算工业革命存在不同的理解，但是各个发达国家开始重新重视先进制造业的发展确实是个不争的事实。美国也在通过各种计划，促进先进制造业发展，有人称之为“再工业化”。

1900年，美国实现工业化，20世纪80年代完成现代化进程。但从20世纪80年代初起，由于放松了对金融市场的宏观监管，虚拟经济恶性膨胀，2007年爆发次贷危机。2009年初，美国开始调整经济发展战略，同年12月，公布《重振美国制造业框架》，2011年6月和2012年2月，相继启动《先进制造业伙伴计划》和《先进制造业国家战略计划》，实施“再工业化”。

美国“再工业化”，包括调整、提升传统制造业结构及竞争力和发展高新技术产业两条主线。美国制造业的主要问题是就业岗位在减少，成因主要是国内生产自动化和劳动成本过高，迫使美国大公司将产业转移到国外。美国政府鼓励“制造业回归”以来，已出现某些制造业回归美国的迹象。

日本政府也极端重视高端制造业的发展，大规模编制技术战略图。首先，政府加大了开发企业3D打印机等尖端技术的财政投入。2014年，经济产业省继续把3D打印机列为优先政策扶持对象，当年投资45亿日元，实施名为“以3D造型技术为核心的产品制造革命”的大规模研究开发项目，开发世界最高水平的金属粉末造型用3D打印机。其次，快速更新制造技术，提高产品制造竞争力。近年日本制造业出现了三个新现象。一是采用“小生产线”的企业增多：本田公司通过采取新技术减少喷漆次数、减少热处理工序等措施把生产线缩短了40%，并通过改变车身结构设计把焊接生产线由18道工序减少为9道，建成了世界最短的高端车型生产线；二是采用小型设备的企业增多：日本电装公司对铝压铸件的生产设备、工艺进行改革，使得铸造线生产成本降低了30%，设备面积减少80%，能源消费量降低50%；三是通过机器人、无人搬运机、无人工厂、“细胞生产方式”等突破成本瓶颈——佳能公司从“细胞生产方式”到“机械细胞方式”，再到世界首个数码照相机无人工厂，大幅度地提高了成本竞争力。

无论是从工业增加值指标，还是从经常贸易账户余额来看，美欧发达国家在全球金融危机以来推行的“再工业化”发展战略已取得了初步成效。根据美国波士顿咨询公司的一份研究报告，未来六年美国工业竞争力将持续上升，每年将从其他出口大国“夺取”700亿到1150亿美元的制造业出口额。

中国必须积极应对

“第三次工业革命”不仅会削弱发展中国家的低成本比较优势，而且有利于发达国家形成新的竞争优势。通过发展现代装备制造业控制产业制高点，发达国家可以运用现代制造技术和制造系统装备传统产业来提高传统产业的生产效率，通过装备新兴产业来强化新兴技术的工程化和产业化能力。同时，其在高端服务业的领先优势也可能被进一步强化。

因此，后发国家的产业赶超将面临来自发达国家的全方位抑制。如果后发国家不能充分利用现代制造技术创造的技术和市场机会，“第三次工业革命”将使不利于发展中国家的“中心—外围”世界分工体系被进一步固化。曾经为寻找更低成本要素而从发达国家转出的生产活动有可能向发达国家回溯，导致制造业重心再次向发达国家偏移。

“第三次工业革命”可能对中国制造业带来冲击，中国的比较成本优势可能会加速弱化。从综合竞争绩效角度看，“第三次工业革命”对中国工业可能产生的负面影响更在于国外企业可以通过利用先进制造技术在维持“可接受成本”的基础上，针对快速变化的市场需求，提供较中国产品种类更丰富、功能更齐全、性能更稳定、使用更人性化、环境更友好的产品。“第三次工业革命”本质是人机关系的深刻变化，这种变化大大增加了对知识和技能的需求。而与先进制造技术相适应的知识和技能的形成和积累，恰恰是中国这样的发展中国家遇到的最大挑战。

与此同时，中国工业也面临机会。首先，“第三次工业革命”为中国工业发展创造了新的增长机会。“第三次工业革命”不仅会导致工业机器人、3D打印机等新的制造系统和生产设备产业的发展，这些产业还会带动信息产业、新材料产业以及工业设计等生产性服务业的增长，即通过创造新的产业部门，为中国在全球进入新一轮经济衰退期时培育发展战略性新兴产业、寻找新的增长点提供方向和机会。其次，先进制造技术终归是在工厂和制造环节的应用，中国庞大的制造基础为先进制造技术和相关产业的发展提供了巨大的潜在市场和应用场所。只要有危机意识和战略认识，充分利用中国的制造基础优势，调动广大企业技术突破和应用的积极性，形成中国独特的制造技术和制造业升级路径，中国完全有可能成为“第三次工业革命”的赢家。

为全面迎接“第三次工业革命”，我国的产业政策思路和措施应当适时调整。首先，要充分调动科研结构和企业的积极性，特别是重视通过高技术人才创业，加快先进制造技术的突破。其次，要改变目前产业政策“重研发、轻工艺”、“重实验室、轻车间”的做法，遴选设备先进、现场管理工作扎实的工厂进行重点建设和投资，将这些“现代工厂”建设成为中国先进制造技术突破、应用的场所，建设成为先进制造技术和先进现场管理方法持续改善的“现场实验室”，从而最终以点带面地推进中国制造水平的整体提升。最后，要加快针对“第三次工业革命”的高效能运算、工程数据库等科技基础设施的建设，加强对企业突破和应用现代制造技术的公共服务和保障能力。

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历史上的工业革命

第一次工业革命于18世纪60年代发生在英国，这次工业革命以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志，它彻底改变了产品的生产方式，开创了以机器代替手工劳动的时代。到了19世纪上半叶，机器本身也使用机器来生产，标志着工业革命的完成。继英国之后，法国、美国等国家也相继进行了第一次工业革命。

第二次工业革命始于19与20世纪之交，这次工业革命在劳动分工的基础上，采用电力驱动产品的大规模生产，从而将人类带入了大批量生产的“电气时代”。

20世纪70年代初，第三次工业革命取代了第二次工业革命，并延续到现在。第三次工业革命引入了电子和信息技术，从而使制造过程不断实现自动化，机器不仅接管了相当比例的“体力劳动”，而且还接管了一些“脑力劳动”。

随着信息技术、互联网和物联网技术的发展，实体物理世界与虚拟网络世界走向融合，人们通过信息物理融合系统（CPS），将资源、信息、物品和人进行互联，建立高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。这种技术的渐进性进步被描述为工业化的第四个阶段，即工业4.0。在工业4.0时代，传统的行业界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产业链分工将被重组。

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