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重慶市科學技術研究院 孫懷義，唐云建，余名

作者簡介

孫懷義（1965-），男，教授級高級工程師，1988年畢業于哈爾濱工業大學，獲學士學位，現為重慶市科學技術研究院信息與自動化技術研究中心副主任，主要研究方向為可靠性設計技術與應用研究。

摘要：本文從工業4.0的概念入手，分析了前三次工業革命對工業發展帶來的巨大作用和影響，分析探討了工業4.0的特點、核心和重點，提出了面對工業4.0，自動化行業在內涵和外延延伸下、在通訊技術、在大數據技術、在物流技術等領域的發展機遇與挑戰，以與同行探討。

關鍵詞：通訊；大數據；可靠性；安全性；物流；工業4.0

1　引言

2015年制造業最熱的名詞之一就是“工業4.0”。“工業4.0”是德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部在2013年漢諾威工業博覽會上提出的概念。漢諾威工業博覽會（HANNOVER MESSE）始創于1947年8月，經過半個多世紀的不斷發展與完善，已成為當今規模最大的國際工業盛會，被認為是聯系全世界技術領域和商業領域的重要國際活動。“工業4.0”概念一經提出在歐洲乃至全球工業業務領域都引起了極大的關注和認同。

工業4.0是德國政府提出的一個高科技戰略計劃。該項目由德國聯邦教育及研究部和聯邦經濟技術部聯合資助，投資預計達2億歐元。旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴資源。其技術基礎是網絡實體系統及物聯網。

工業4.0簡單說就是第四次工業革命，也可簡稱為智慧工業，或者簡稱網絡化工業革命，它描繪了制造業的未來愿景，提出繼蒸汽機的應用、規模化生產和電子信息技術等三次工業革命后，人類將迎來以信息物理融合系統(CPS)為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命。西門子作為德國最具代表性的工業企業以及全球工業業務領域的創新先驅，也是“工業4.0”概念的積極推動者和實踐者。第四次工業革命（工業4.0）就是將網絡技術融于工業生產全生命周期。準確地說就是：從售前服務、到采購、到生產、到銷售、到售后服務全部在網絡上實現。工業4.0充分利用物聯網技術和信息技術成果，推動工業實現跨越式發展。

第一次工業革命和第二次工業革命發生時，中國一直處于閉關自守的封建社會，錯失了兩次工業革命給國家發展帶來的重大機遇，但所幸第三次工業革命爆發時，新中國成立，盡管當時中國的工業還十分弱小，但我國領導人和科技界前輩沒有錯失這次機會，使得中國的工業從無到有，從小到大，從弱到強，特別是四個現代化的提出和實施，使得我國的工業得到高速穩健的發展，極大的縮小了與發達國家的差距。第四次工業革命來臨，對中國的工業發展既是挑戰，也是機遇，趕超世界先進水平成為可望也可及的目標。

用通俗易懂的語言描述，工業4.0就是將分散在不同公司的人、物、系統連接起來。準確把握前三次工業革命的核心和根本，有助于更加準確的熟悉和理解工業4.0。

1.1　第一次工業革命

第一次工業革命是18世紀從英國發起的技術革命，是技術發展史上的一次翻天覆地的變革性革命，它首次實現了人類夢寐以求的以機器代替手工工具實現工業生產的夢想。第一次工業革命以工作機的誕生為開端，以發明的蒸汽輪機作為動力機被廣泛使用為標志。第一次工業革命可以簡稱為機械化革命。

第一次工業革命從生產技術方面來看，就是使部分工業生產由機器代替手工勞作；從社會關系來看，第一次工業革命使得依附于落后生產方式的自耕農階級消失了，小作坊和分散式手工業被大工廠式工業所代替，形成了兩個新的階層：工業資產階級（資本家）和工業無產階級（工人）。毋容置疑的是，這次革命，是生產方式實現質的飛躍，不僅僅解放了生產力，還極大地提高了勞動效率，顯然更是一場生產關系的重大革命。本次革命使得生產力極大的提高；資本主義經濟得以迅速發展；工業結構發生了根本性變化，同時還給社會形態帶來了革命性變革，逐漸地形成了資本主義的世界體系，封建社會和以前的社會制度只能無可奈何花落去，讓位給資本主義社會。

1.2　第二次工業革命

正是因為第一次工業革命形成的資本主義社會形態，有力地促進了科學技術的飛速發展，在19世紀自然科學研究工作取得重大進展，由此產生的各種新技術、新發明層出不窮，并被迅速應用于工業生產，有力地促進了經濟的發展。在19世紀六七十年代，陸續出現了一系列電氣發明，標志性的是發電機的發明，使得電力廣泛應用成為可能，隨即電話機、電燈、電車、電鉆、電焊機等電氣產品如雨后春筍般地涌現出來，早期的汽車、飛機等也陸續被推出，這標志著第二次工業革命正式來臨。

第二次工業革命同第一次工業革命相比，具有以下三個特點：

首先，在第一次工業革命時期，許多技術發明都來源于工匠的實踐經驗，科學和技術尚未真正結合；而在第二次工業革命期間，自然科學的新發展，開始同工業生產緊密地結合起來，科學地推動生產力發展方面發揮了更為重要的作用，它與技術的結合使第二次工業革命取得了巨大的成果。

其次，第一次工業革命首先發生在英國，重要的新機器和新生產方法主要是在英國發明的，其他國家工業革命發展相對緩慢；而第二次工業革命幾乎同時發生在幾個先進的資本主義國家，新的技術和發明超出了一國的范圍，其規模更加廣泛，發展也比較迅速。

第三，第二次工業革命開始時，有些主要資本主義國家如日本尚未完成第一次工業革命，對它們來說，兩次工業革命是交叉進行的。它們既可以吸收第一次工業革命的技術成果，又可以直接利用第二次工業革命的新技術，這些國家的經濟發展速度也比較快。

毫無疑問，第二次工業革命對工業的影響是十分巨大和深遠的，主要體現在如下四個方面：

首先，新能源的大規模應用，如電力，煤炭等，這些新能源直接促進了重工業的大踏步前進，使大型的工廠能夠方便廉價地獲得持續有效的動力供應，進而使大規模的工業生產成為可能，并為之后的經濟壟斷奠定了基礎。

其次，內燃機的發明解決了長期困擾人類的動力不足的問題。內燃機的發明又促進了發動機的出現，發動機的發明又解決了交通工具的問題，推動了汽車、遠洋輪船、飛機的迅速發展，使人類的足跡遍布了全世界，也讓各個地區的文化、貿易交流更加便利。

第三，通訊工具的發明。自從19世紀70年代美國人貝爾發明了電話之后，人與人之間的交流就不再局限于面對面的談話。

最后，化工業的迅猛發展。炸藥的發明，大大促進了軍工業的進步，并最終導致第一次世界大戰的爆發。從煤炭中提取各種化合物、塑料、人造纖維先后被投入實際生活。

第二次工業革命使得人類開始通過科學研究來獲得純粹的知識，然后又反過來再將所獲得的理論知識付之于實際應用，促進了工業的飛速發展。顯而易見，第二次工業革命可以簡稱為電氣化革命。

1.3　第三次科技革命

第三次科技革命是人類文明史上繼機械化革命和電氣化革命之后科技領域里的又一次重大飛躍。它以原子能、電子計算機和空間技術的廣泛應用為主要標志，涉及信息技術、新能源技術、新材料技術、生物技術、空間技術和海洋技術等諸多領域的一場信息控制技術革命。這次科技革命不僅極大地推動了人類社會經濟、政治、文化領域的變革，也影響了人類的生活方式和思維方式，使人類社會生活和生存方式的現代化向更高境界發展。正是從這個意義上講，第三次科技革命是迄今為止人類歷史上規模最大、影響最為深遠的一次科技革命，是人類文明史上不容忽視的重大事件。

有專家認為，第三次科技革命之所以首先在美國興起，絕非偶然現象，而有其客觀必然性。這集中表現在兩個方面：一是由于第二次世界大戰后初期美國擁有雄厚的物質基礎、眾多優秀的科技人才、蓬勃向上的民族創新精神、優越的地理環境和巨大的市場容量等方面的優勢，為第三次科技革命首先在美國興起創造了前提條件和可能性；二是戰后以來，美國政府高度重視科技，積極采取措施推動科技事業的發展，直接促成第三次科技革命首先在美國興起。同時還應注意到美國當時具備如下條件：技術條件——在思維技術方面，美國的實用主義哲學開始形成；實驗技術以軍民結合、理工結合為特色；生產方面以電力技術和航空技術領先。物質條件——美國有優越的自然資源和人力資源，國內市場廣大，有利于規模生產；制度條件——美國是第一個資產階級民主憲政國家；文化條件——美國人來自世界各地，融合了各民族的文化傳統；二次大戰前后涌入一批優秀的歐洲科學家，如愛因斯坦、馮·諾伊曼等；建立了各種學會組織，科研體制多元化；美國在二戰中，利用戰爭的交往形式，爭奪到最多的科技人才，帶動本國人才的培養，因而受益最豐。因此可以認為，第三次工業革命源于美國具有一定的合理性和必然性。

第三次工業革命發生時間在20世紀50年代中期至70年代初期達到高潮，70年代以后進入一個新階段。

第三次工業革命的特點可以簡單的歸結為科學化、群體化、智能化、高技術化和產業化。因此第三次工業革命可以簡稱為智能化革命。

第二次世界大戰對軍工技術的刺激，有力地推動科學技術研究的高速發展，隨著二戰的結束，各種先進技術應用于工業領域，極大地推動和促進了第三次科技革命的興起。

第三次工業革命對世界經濟發展產生了巨大的影響，主要表現在：它引起生產力各要素的變革，使勞動生產率有了顯著提高；不僅加強了產業結構非物質化和生產過程智能化的趨勢，而且引起了各國經濟布局和世界經濟結構的變化；第三次科技革命以其豐富的內容使管理發展為一門真正的科學，并實現了現代化。

第三次科技革命不僅帶來了物的現代化，引起勞動方式和生活方式的變革，而且也造就了一代新人與之相適應，使人的觀念、思維方式、行為方式、生活方式逐步走向現代化。

由于電子計算機的發明和廣泛使用，以及各種“人—機控制系統”的形成，實現了生產、辦公和家庭生活的自動化（即所謂的“三A”革命），預示著人類社會將從機械化、電氣化的時代進入到另一個更高級的自動化時代；空間技術和海洋技術的發展標志著人類社會已從被束縛于地球表面的“地球居民”時代進入一個遠為遼闊的陸海空立體新時期；基因重組技術、結構化學和分子工程學的進展使人類獲得了主動創造新生物和新生命的創造力，標志著人類正在由“必然王國”一步步走向“自由王國”。

隨著網絡技術的大規模介入工業生產，隨之而來的工業第四次革命將再次引起工業生產的大變革，從而推動人類生產生活更加美好。

2　工業4.0的特點

我國欲在第四次工業革命中占得先機，必須準確把握第四次工業革命的基本特點，分析在技術層面和產業發展層面即將面對的挑戰，把握帶來的機遇，嚴密策劃，才能最大限度地發揮此次革命給工業發展帶來的機遇，為實現《中國制造2025》宏偉藍圖鋪平道路。

工業4.0的特點可以概括為五點：互聯、數據、集成、創新、轉型。

互聯：工業4.0的核心是連接，要把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地聯系在一起。因此工業4.0的首要特點是互聯，而當今互聯網十分發達，為工業4.0的來臨打下了堅實的技術基礎。

數據：工業4.0必然帶來產品數據、設備數據、研發數據、工業鏈數據、運營數據、管理數據、銷售數據、消費者數據等等。這些龐大的數據如何發揮重大作用，將會更進一步促進大數據技術的飛速進展。

集成：工業4.0將無處不在的傳感器、嵌入式中端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡。通過這個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器、以及服務與服務之間，能夠形成一個互聯，從而實現橫向、縱向和端到端的高度集成。這種程度的集成將會使工業與民生，工業與人更緊密結合，對技術和市場的推動作用十分巨大。

創新：工業4.0的實施過程是制造業創新發展的過程，制造技術、產品、模式、業態、組織等方面的創新，將會層出不窮，從技術創新到產品創新，到模式創新，再到液態創新，最后到組織創新。中國正在實施大眾創業萬眾創新戰略，無疑更有利于工業4.0在中國的全面深入推廣。

轉型：對于中國的傳統制造業而言，轉型實際上是從傳統的工廠，從2.0、3.0的工廠轉型到4.0的工廠，整個生產形態上，從大規模生產，轉向個性化定制。實際上整個生產的過程更加柔性化、個性化、定制化，這是工業4.0非常重要的特征。由于中國錯失第一次、第二次工業革命給工業帶來的巨大發展，第三次工業革命時中國處于建國初期，到目前為止，中國的工業仍然參差不齊，大批的工業需要轉型升級，只有轉型升級才能更好地迎接工業4.0帶來的重大發展機遇。

3　工業4.0的核心與重點

工業4.0核心是生產系統必須和底層的設備融合成一個整體，所有的設備的運行狀態都能采集上來，并通過上層信息系統的智能分析，來告訴企業底層的設備應該如何運行，最終實現無人控制。因此可以概括為兩大核心主題：智慧產品和智慧工廠。

智慧化是科學技術在發展進程中先進信息技術與工業不斷完美結合的一個過程，在這個過程中，不斷更新的信息技術起著決定作用。智慧產品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位，我們知道它的發展歷程，了解它當前狀況，以及實現其目標狀態的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業務流程聯網，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構建了嵌入式制造系統。此外，這些指令都要求啟用終端間工程（模式）流經整個價值鏈。智慧產品不僅能夠實時采集整個生產鏈必須的各種信息，還需要能夠自主做出決策，根據生產需要提供僅需的信息。智慧產品必將給工業產品帶來劃時代的革命。

智慧工廠是一種高能效的工廠，它必須擁有基于高科技的、適應性強的、符合人體工程學的生產線。智慧工廠的目標是整合客戶和業務合作伙伴，同時也能夠制造和組裝定制產品，而且未來的智慧工廠將在生產效率和安全性方面具有更大的自主決策能力。工業4.0更多的是依靠機器進行工作并解釋數據，而不是依靠人類的智慧。當然，人的因素仍然不可忽視，但人更多地是起到控制、編程和維護的作用，而不是在車間進行作業。工業4.0不僅使工廠生產實現自動化，更重要的是在生產過程中，能夠自主決策，自主指揮生產，這使得工廠自動化進入到智慧化工廠的層次，給工業生產帶來歷史性變革。

工業4.0的最大特點是制造業中所有參與者及資源的高度社會技術互動。互動主要圍繞制造資源網絡（制造機械、機器人、輸送機和倉儲系統及生產設施）進行，這些網絡獨立自主，在不同情況下能自我管理，自我配置，還裝備了傳感器，分散安裝，并融入了相關規劃及管理系統。作為這一愿景的關鍵組成部分，智慧工廠將被納入公司內部價值網絡，它的特點是包括制造過程和制造產品的端對端工程，實現數字和物理世界的無縫銜接。智慧工廠將使復雜的制造流程便于管理，并能同時確保生產過程的吸引力、生產效益以及工廠在市區環境的可持續性發展。

工業4.0的核心必然給產品生產提出了更高的要求，相應的必須在可靠性技術、安全性技術、網絡通訊技術、大數據挖掘技術、物流管控技術五位一體展開全方位的研究和提升，賦予產品、生產過程、管理智慧化的內涵。這五大技術的研究成果決定了工業4.0能否順利推廣實現，因而成為工業4.0毋容置疑的重點內容。

4　工業4.0給自動化行業帶來的機遇與挑戰

中國從政府層面正在積極推動工業4.0，但是大家要認識到國內從工業2.0、3.0時代跨越到工業4.0時代，會是一個長期的艱巨的過程，技術支撐面臨的挑戰巨大，還需要加倍努力，但同時也是一個傳統企業向智能企業轉型的紅利十年，企業轉型需要大量的技術、人力以及相關部門的參與。所以，為企業轉型提供咨詢、管理、技術、設備、商業模式設計以及培訓等，技術市場機遇巨大。

對于自動化行業來說，工業4.0在技術層面提出了更高的要求，但也帶來了巨大的發展機遇，簡要分析如下。

4.1　工業4.0使自動化行業的內涵和外延得以延伸

首先工業4.0使得自動化系統內部的橫向連接更加廣闊。通過全集成自動化、集成架構等統一平臺將控制、驅動、低壓配電等系統深度集成，在單一的編程環境中為可擴展運動和機器控制提供集成的平臺。這種集成可減少需要儲存的備件數量，而控制平臺的開放性則可確保與第三方組件輕松集成。此外，在每臺機器上使用的可視化及信息軟件需實現標準化處理方式。

其次工業4.0拓展了與下層現場傳感和數據采集層及上層企業管理系統的縱向連接。

從機器運行和能源使用到變量處理和材料使用，在生產過程的每個環節中，控制器、傳感器及其它設備均會產生大量數據。來自生產車間的數據在幾年之內就會在數量上超過公司產生的業務數據。即便是現在，也有大量的此類數據正在通過現場的PLC進行分析。當務之急乃是將所有來自各工廠運行系統不斷劇增的數據與來自業務應用的信息相結合，從而打造運營智能，尤其是遠程維護解決方案和基于云技術的服務，以應對持續增加的圍繞數據分析的服務需求。如遠程狀態監測可以對個別部件的運動進行分析或對整個驅動鏈實施在線連續監測。

內涵和外延的延伸，給自動化行業市場拓展帶來了更大的空間。但同時要求產品具有更高的可靠性、安全性，要求產品具有智慧化的能力，因為在技術層面提出了更大的挑戰。

4.2　工業4.0在通訊領域給自動化行業帶來的機遇與挑戰

工業4.0將使在平板電腦或智能手機上訪問生產數據成為現實，信息和工廠員工通過網絡實時通訊實現“移動”并隨時隨地訪問應用程序，很多情況下需要使用云技術處理和存儲來自各地的數據，又要在各地實時地使用這些數據。移動技術讓人變得機動靈活，人們可以隨時隨地與任何相關人事聯系，可以與全球同事交流分享經驗知識、解決業務問題。不管技術專家身在何處，呼叫中心代表都可以實時向其咨詢問題，而專家本人也可以隨地訪問世界上任意地點的設備服務歷史以及其它裝置的歷史，還能夠核對工廠更新和其它咨詢。

實現工業4.0，必須充分利用智能化網絡技術的優勢，借助統一網絡基礎設施，來實現工廠內所有設備彼此之間的相互通信。顯然，網絡交換設備將得到更廣泛的應用。獨立IP的應用可以使產品和設備具備可識別的獨立身份、便于追蹤、定位和監測。此外，標準通訊可使更多的數字設備融入生產線網絡，如攝像機、RFID讀卡器、數字平板、安全磁卡等，以提高生產管理的精細化。

工業4.0的實施帶來了十分龐大的通訊數據，如何實現如此龐大的數據的實時通訊，通信過程相互干擾如何解決，在通訊容量有限的情況下如何進一步拓展等等，在通訊技術和通訊產品領域不僅帶來技術發展和市場拓展機遇，更多的是帶來了技術突破的挑戰。

4.3　工業4.0在大數據領域給自動化行業帶來的機遇與挑戰

過去自動化行業實施的自動化控制是單一的對某個生產過程實施自動化控制，數據量有限，但工業4.0要求的是對整個產品生命周期的控制，因此涉及采購、制造過程、售后服務等環節，涉及的數據不僅僅局限于生產過程采集的信息，還包括元器件、零部件的遠程信息、銷售信息、售后服務信息等。數據量十分龐大。這些數據信息如何才能更好地發揮其作用，更多地為其它領域提供服務，對數據采集產品、數據存儲產品、數據通訊產品、數據處理產品帶來了更大的市場機遇，但如何確保如此龐大的數據信息通訊的安全性和實時性，如何拓展數據服務范圍，也給技術實現帶來了巨大的挑戰。

4.4　工業4.0給物流自動化帶來的機遇與挑戰

工業4.0將網絡通訊技術融于產品全生命周期，給采購和物流帶來革命性變革，采購人員實施采購只需要登錄工業4.0整合的信息平臺，手指點動即可完成。但采購的物資必須由物流公司完成傳送。物流公司必須在信息平臺上接單并完成相應的工作，為了高效實現上述要求，物流自動化成為必然的解決途徑，自動化行業引來物流自動化這一新的自動化領域。實現物流自動化，在物品識別技術、物品存儲期間保質技術、運送過程安全性和實時性技術等方面面臨巨大的挑戰。

5　結語

在中國實施工業4.0，對自動化行業來說，不僅在技術發展和市場拓展方面帶來了巨大的機遇，但在解決技術方面也同時面臨巨大的挑戰。可靠性技術、安全性技術、大數據處理技術、通訊技術、物流技術等領域必將迎來新一輪技術研發和應用熱潮。

實現《中國制造2025》，使中國由制造大國成長為制造強國，自動化行業同仁任重而道遠。筆者水平所限，所掌握的資料也不充分，所述觀點未見全豹，供同行參考。

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