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當下，以工業4.0為綱領的第四次工業革命正在興起。工業4.0以及它的核心——信息物理系統CPS引起了工業技術界愈來愈多的關注。我國近年來所提出的“信息化帶動工業化、工業化促進信息化，走新型工業化道路”的兩化融合工業發展方針與工業4.0綱領異曲同工，如出一轍。本講座分為四講：分別是：第一講：工業革命與工業4.0；第二講：信息物理系統（CPS）——新工業革命的基礎；第三講：兩化融合系統——工業企業信息化集成系統；第四講：構建工業4.0的系統集成技術。通過對工業4.0與兩化融合相關技術的介紹希望拋磚引玉，引出新工業革命實踐中實實在在的成果。

1　工業革命

1.1　第一次工業革命

人類歷史進入18世紀，在歐美一些主要資本主義國家先后發生了以機器生產取代手工勞動的一系列重大變革。對人類的貢獻最大、最能代表時代特征的是蒸汽機的發明和使用。它利用熱能、為機械供給推動力，結束了人類對畜力、風力、水力的依賴，把人類帶入了“蒸汽時代”，是人類認識和利用自然力的一個巨大進步。蒸汽機成為對人類影響最大的發明創造。

第一次工業革命從英國發起，它開創了以機器代替手工勞動的時代。這不僅是一次技術改革，更是一場深刻的社會變革。第一次工業革命以工作機的誕生開始，以蒸汽機作為動力機廣泛使用為標志。工廠制代替了手工工場，機器代替了手工勞動，第一次工業革命大大加強了世界各地之間的聯系，改變了世界的面貌。

1785年，瓦特制成的改良型蒸汽機投入使用，提供了更加便利的動力，得到迅速推廣，極大推動了機器的普及和發展。瓦特蒸汽機是大工業普遍應用的第一動力機，它取代了在生產過程中動力提供者——人。同時一臺蒸汽機推動許多臺工具機形成有組織的機器體系，從而產生了工廠，導致了工業革命或產業革命。人類社會由此進入了“蒸汽時代”。隨著工業生產中機器生產逐漸取代手工操作，傳統的手工業無法適應機器生產的需要，為了更好地進行生產管理，提高效率，資本家開始建造工房，安置機器雇傭工人集中生產，這樣，一種新型的生產組織形式——工廠出現了。工廠成為工業化生產的最主要組織形式，發揮著日益重要的作用。機器生產的發展，促進了交通運輸事業的革新，為了快捷便利地運送貨物、原料，人們想方設法地改造交通工具。美國人富爾頓制成的以蒸汽為動力的汽船試航成功。英國人史蒂芬孫又發明了蒸汽機車。這些重大的機器發明推動人類文明進入了第一次工業革命。第一次工業革命的主要特點從制造的視角看，就是機械化。

1.2　第二次工業革命

第二次工業革命以電力的發明與應用開始。1871年法拉第電磁定律的發現奠定了發明電力的基礎，1878年，愛迪生發明了商業普遍應用的雙極發電機，并提出公共供電系統計劃，次年，愛迪生制造出了白熾電燈，進而出現了完全新型的電力工業。接著又出現了長距離的輸電線路。于是電器開始代替機器，電力成為替代以蒸汽機為動力的新能源。隨后，電車、電影放映機相繼問世，人類進入了“電氣時代”。

19世紀七八十年代，以煤氣和汽油為燃料的內燃機相繼誕生，90年代柴油機創制成功。內燃機的發明解決了交通工具的發動機問題。80年代德國人卡爾?弗里特立奇?本茨等人成功地制造出由內燃機驅動的內燃汽車。洋輪船、飛機等也得到了迅速發展。內燃機的發明，推動了石油開采業的發展和石油化工工業的生產。

19世紀70年代，美國人貝爾發明了電話，90年代意大利人馬可尼試驗無線電報取得成功，都為迅速傳遞信息提供了方便。世界各國的經濟、政治和文化聯系進一步加強，世界的面貌因工業革命而改變。

電氣化開啟了新的工業革命。從制造的視角看，第二次工業革命就是電氣化+機械化。

1.3　第三次工業革命

第三次工業革命始于IT技術，在世界范圍內，工業領域廣泛應用電子技術、通信技術與IT技術，自動化生產線上應用了可編程邏輯控制器（PLC）；機器不光由電力驅動，代替人的勞動，還帶上了電腦，裝上了微處理器，具有了人腦的某些功能。此后又出現了智能電子裝置IED（Intelegent Electronic Devices）。制造業在IT技術的推動下，實現了全自動化及全過程的信息化。曾經風靡一時的CIMS制造推動了工業領域的大變革。

IT技術進入工業生產，與生產有關的企業部門中集成地用電子數據處理：包括了在生產計劃和控制、計算機輔助設計、計算機輔助工藝規劃、計算機輔助制造、計算機輔助質量管理之間信息技術上的協同工作，其中為生產產品所必需的各種技術功能和管理功能都可集成地實現。

從企業系統到制造控制系統都在采用計算機裝置與系統。以計算機為基礎的DCS控制器遍布流程工業生產線，PLC和IED遍布在離散制造生產線上，地理上分散的大型監控系統——SCADA（Supevisory Control And Data Aquisision）系統進入電力、輸油、輸氣等關乎到社會的重大經濟領域。工業生產的面貌由于IT技術的促進發生根本變化。工業與信息化在深度融合，企業管理系統與計算機制造控制系統被集成在一起。工業過程由于IT技術的加入產生了革命性變化。第三次工業革命在機械化、電氣化的基礎上由于信息技術的促進而實現。從制造的視角看，第三次工業革命就是IT+電氣化+機械化。

1.4　第四次工業革命綱領——工業4.0

自從70年代以來，通信技術與信息技術（ICT）成為第三次工業革命發展的靈魂。在一些工業發展較快的國家，ICT大約支撐了90%的工業制造過程。IT革命給我們的生活和工作帶來了根本性變革。

近年來，從個人電腦到智能設備的演進，越來越多的IT基礎設施和服務正在由智能網絡（云計算）提供。出現了以下發展趨勢：

比以往任何時候都更加小型化的設備與勢不可擋的互聯網相結合，使無處不在的計算成為現實。

功能強大的、自主的微型計算機（嵌入式系統）正越來越多地相互間互聯或與互聯網以無線方式互聯，正在實現所謂“無處不連接”。

這一發展主流正在導致實體物理世界與虛擬網絡世界（cyberspace）以虛擬網絡——實體物理系統（CPS）的方式相融合。繼2012年推出新的互聯網協議IPv6，現在已有足夠的地址使智能對象間通過互聯網大范圍直接互聯。技術的發展，使工業制造進入了互聯網時代。

2013年，德國聯邦教研部與聯邦經濟技術部在漢諾威工業博覽會上提出了一個嶄新的概念——“德國工業4.0”，人類社會從此步入了工業4.0時代。工業4.0是一個德國政府提出的高科技戰略計劃，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，預計投資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之間的資源。中國首套工業4.0流水線也已亮相第十六屆中國工業博覽會。工業4.0進入中德合作新時代，中德雙方簽署的《中德合作行動綱要》中，明確提出工業生產的數字化就是“工業4.0”，對于未來中德經濟發展具有重大意義。

德國人在工業4.0的綱領中提出：第四次工業革命就是第三次工業革命的成果上再加上互聯網技術。“the introduction of theInternet of Things and Services into the manufacturing environment isushering in a fourth industrial revolution”，物事互聯網與服務互聯網引入制造業引發了第四次工業革命。

必須說明這里所要求的互聯網是：“Things and Services”的互聯網，Things可認識為物和事情，或曰“物事”，Services泛指一切服務。所以，第四次工業革命首先要建設“物事互聯網”與“服務互聯網”（簡稱：“物聯網”和“務聯網”英文縮寫為：IoT和IoS）。這意味著有史以來第一次將資源、信息、物事、人和對這一切的服務進行互聯。在the Internet of Things and Services的支持下革新、改造整個工業及制造業。制造業中的智能機器、存儲系統和生產設施將融入the Internet of Things and Services中。當制造業加（+）互聯網，或互聯網加（+）制造業，使工業制造的面貌發生巨變，制造業被互聯網連接在世界范圍內進行，互聯網思維進入了制造業實體經濟。

第四次工業革命從制造的視角看就是“機械化+電氣化+IT+互聯網”，如圖1所示。

圖1 工業四次革命的發展歷程

2　工業4.0新工業革命的特點

目前，工業4.0僅僅是新工業革命的發展綱領，但剛剛出現就產生了極大的影響力。

首先，“工業4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數字化的產品與服務的生產模式。

在這種模式中：

傳統的行業界限將消失，產生各種新的活動領域和合作形式；創造新價值的過程在發生改變，產業鏈分工將重組。

工業4.0描繪了制造業的未來愿景，提出人類將迎來以信息物理系統（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。

第四次工業革命的興起、發展以及它的核心特征有以下五個方面：

（1）工業4.0的核心是通過IoT和IoS支持的CPS實現四個“智能”。

通過充分利用信息通訊技術和網絡空間虛擬系統相結合的手段，促成信息物理系統（Cyber-Physical System)的實現、將制造業向智能化轉型。“工業4.0”項目主要分為四大主題：

一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現。

二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D打印技術在工業生產過程中的應用等。該計劃將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。

三是“智能物流”，主要通過互聯網、物聯網（IoT）、務聯網（IoS），整合物流資源，充分發揮現有物流資源供應方的效率，而需求方，則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持。

四是“智能產品”，新工業革命時代，工業產品是智能產品。

工業4.0的CPS系統將實現四個智能化：

第一，通過價值網絡的橫向集成實現世界范圍的智能制造。

第二，實現IoT和IoS支持的智能工廠。

第三，實現智能生產線，如圖2所示。

第四，生產出源源不斷的智能工業產品。

圖2 在物聯網與務聯網支持下的智能生產線

（2）工業4.0的基礎是從底層的制造系統發起。

近年來，新一代信息通信技術的發展，催生了移動互聯網、大數據、云計算、智能工業可編程控制器等的創新和應用，推動了制造業生產方式和發展模式的深刻變革。在這一過程中，盡管德國擁有世界一流的機器設備和裝備制造業，尤其在嵌入式系統和自動化工程領域德國更處于領軍地位，但德國工業面臨的挑戰及其相對弱項也顯而易見。互聯網技術是德國工業的相對弱項。

為了保持作為全球領先的裝備制造供應商以及在嵌入式系統領域的優勢，面對新一輪技術革命的挑戰，德國推出“工業4.0”戰略，其目的就是充分發揮德國的制造業基礎及傳統優勢，大力推動物聯網和服務互聯網技術在制造業領域的應用，形成信息物理系統（CPS），以便在向未來制造業邁進的過程中先發制人，與美國爭奪新一輪工業革命的話語權。

美國是利用互聯網優勢，向未來制造業進軍。而德國是基于制造業基礎，向未來互聯網融合。

實施“工業4.0”戰略是積極應對新一輪工業革命，爭奪國際競爭力和話語權的重要舉措。為此，德國的“工業4.0”戰略詳盡描繪了信息物理系統（CPS）的概念。希望利用CPS系統，開創新的制造方式，通過傳感器物聯網緊密連接物理現實世界，將網絡空間的高級計算能力有效運用于現實世界中，從而實現“智能工廠”，使得在生產制造過程中，設計、開發、生產有關的所有數據都將通過傳感器采集并進行分析，形成可自律操作的智能生產系統。

從某種意義上說，“工業4.0”是德國希望阻止信息技術不斷融入制造業之后所形成的支配地位。一旦制造業各個環節都被云計算接管，那么制造業還是制造業嗎？所以，“工業4.0”希望用“信息物理系統”升級“智能工廠”中的“生產設備”，使生產設備因信息物理系統而獲得智能，使工廠成為一個實現自律分散型系統的“智能工廠”。那時，云計算不過是制造業中的一個使用對象，不會成為掌控生產制造的中樞。

事實上，全世界工業發展的歷史表明，工業發展是由生產現場、生產設備、生產線、生產的控制系統、生產的監控系統及信息化系統來決定的，其中的IT技術包括云計算只是其中的內涵部分。本質上講，新工業革命應該是從大地上奠基而起，不應該是從云端降落。工業4.0開啟了正確的發展方向。

（3）工業4.0采用新的生產模式。

工業4.0不再是以大規模生產模式，而是定制化生產，是可以盈利的小規模甚至極小量產品、個性化產品的生產模式。由數字網絡、數字化的自動生產線支持，由于生產可實現動態配置，整個生產流程支持自律的生產設備，支持智能產品在流程中的定制與修改，生產方式更加靈活，傳統的大規模生產才可盈利的模式被數字化與智能化打破。

（4）工業4.0將滿足現代社會對工業革命的要求，意義非常深遠。

如同前三次工業革命一樣，新的工業革命必然要解決全社會對工業的新要求。新工業革命將應對并解決當今世界所面臨的一些挑戰，如資源和能源利用效率，城市生產和人口結構變化等。工業4.0使資源生產率和效率增益不間斷地貫穿于整個價值網絡，它使工作的組織考慮到人口結構變化和社會因素。

智能輔助系統將工人從執行例行任務中解放出來，使他們能夠專注于創新、增值的活動。由于智能生產與智能工廠的發展，引發技術工人短缺問題，也將允許年長的工人延長其工齡，保持更長的生產力。靈活的工作組織使得工人能夠將他們的工作和私人生活相結合，并且繼續進行實現更好的平衡。

工業4.0的實施將使企業員工可以根據形勢和環境敏感的目標來控制、調節和配置智能制造資源網絡和生產步驟。員工能夠專注于創新性和高附加值的生產活動。他們將在智能生產線上、智能工廠里，保持其關鍵作用，特別是在質量保證方面。與此同時，靈活的工作條件，將在他們的工作和個人需求之間實現更好的協調。

（5）工業4.0更注重人在智能生產中的作用。

工業4.0是從生產、制造的實體經濟產生的革命，而不是由信息的虛擬云中產生的推動。工業4.0與生產的工作組織和工廠勞動力的素質密切相關。通過工作組織和能力發展計劃相結合，人與技術系統之間的互動合作將為企業提供新的機會，將人口變化轉化為自身優勢。面對熟練勞動力的短缺和日益多樣化的勞動力（如年齡、性別和文化背景），工業4.0將提供靈活多樣的職業路徑，讓人們的工作生涯更長，并且保持生產能力。使用CPS的公司更加靈活的工作組織模式，意味著它們可以很好地滿足員工不斷增長的需求，讓員工在工作與私人生活之間，以及個人發展與持續的職業發展之間實現更好的平衡。使用CPS的公司在招聘最優秀員工方面將具備明顯優勢。創新不僅聚焦在克服技術難題上，由于員工在執行與吸收技術創新中起到關鍵作用，因此，創新的范圍應擴展到包括工作與員工技能的智能組織。隨著開放虛擬工作平臺與人機交互系統的廣泛使用，員工的角色會發生很大變化。工作內容、工作流程和工作環境會發生轉變，同時導致在工作靈活性、工作時間規章、醫療保健、人口學和人們業余生活方面產生影響。

在工業4.0時代，工作性質很可能將在管理復雜局面、抽象工作與解決問題方面對所有的勞動力提出更高的要求。員工需要有更強的主觀能動性、極好的溝通能力、組織自身工作的能力，簡單說，就是對員工的主觀能力和潛力提出了更高的要求。同時，也會在豐富的工作內容、更有趣的工作環境、很好的自主性和個人發展方面提供更多機會。

智能工廠將創建一個新的工作文化環境來滿足勞工人員的利益。采用合適的工作組織和設計模型將至關重要，這種組織模型可以將高度的個人責任感、自主權與分散的領導和管理方法相結合，讓員工擁有更大的自由來做出決定，更多地參與和調節他們自己的工作量，同時又能支持靈活的工作安排。技術可用于完全不同的工作，系統可以對一個人工作的微小細節設置嚴格的控制，或者它們可以配置一個開放的信息來源，員工以此為基礎做出自己的決定。工業4.0中，將持續的職業發展措施與技術、軟件進行緊密配合，提供一個單一的、連貫的解決方案。解決方案為整個價值鏈的員工和（或）技術操作系統之間提供智能、合作、自我組織的相互協調機制。工業4.0的智能工廠將被配置為高度復雜的、動態的和靈活的系統。工廠里被授權的員工將充當決策者和控制者，這一點是工業4.0的重要特征。在工業4.0框架下，技術發展目標和工作組織模式應該根據具體的經濟和社會條件一起建立和配置。建立靈活的制造業組織模式是必要的，可以在員工的工作和私人生活之間建立清晰的邊界，使他們達到現實的工作和生活的平衡。在這種背景下可以為創造良好公平就業和工作人員的安全提供標準和途徑。這一戰略包含一個擁有參與權、共同決策和培訓機會的以員工為本的組織設計。盡管如此，它仍能滿足全球競爭力的要求和更大靈活性的需要，如圖3所示。

圖3 CPS智能輔助系統對員工的輔助功能

由上可見，工業4.0非常重要的變革始于工廠、始于生產線、始于工作組織以及新的工作關系。工業4.0是真正的以人為本的系統，這是工業4.0“腳踏實地”的根本所在。

工業4.0對智能產品提出了一個重要的戰略目標：“更好，而不是更便宜”（Better but not cheap）。這就確保了“好的工作”、“技術創新”和“職工共同決策”三方面在工業4.0背景下并不相排斥；相反，使得在智能生產線上生產出的高質量智能產品得到市場的認可，物有所值，甚至使得困擾電商的假冒偽劣得到根治。

總結起來以工業4.0為綱領的新工業革命與舊的工業有許多新發展：

（1）工業4.0將在制造領域的所有因素和資源間形成全新的社會——技術互動水平。它將使生產資源（生產設備、機器人、傳送、裝置、倉儲系統和生產設施）形成一個循環網絡，這些生產資源將具有以下特性：自主性、可自我調節以應對不同形勢、可自我配置、基于以往經驗、配備傳感設備、分散配置，同時，它們也包含相關的計劃與管理系統。

（2）作為工業4.0的一個核心組成，智能工廠將滲透到公司間的價值網絡中，并最終促使數字世界和現實的完美結合。智能工廠以端對端的工程制造為特征，這種端對端的工程制造不僅涵蓋制造流程，同時也包含了制造的產品，從而實現數字和物質兩個系統的無縫融合。智能工廠將使制造流程的日益復雜性對于工作人員來說變得可控，在確保生產過程具有吸引力的同時使制造產品在都市環境中具有可持續性，并且可以盈利。

（3）工業4.0中的智能產品具有獨特的可識別性，可以在任何時候被分辨出來。甚至當它們在被制造時，它們就可以知道整個制造過程中的細節。在某些領域，這意味著智能產品能半自主地控制它們生產的各個階段。此外，智能產品也有可能確保它們在工作范圍內發揮最佳作用，同時在整個生命周期內隨時確認自身的損耗程度。這些信息可以匯集起來供智能工廠參考，以判斷工廠是否在物流、裝配和保養方面達到最優，當然，也可以應用于商業管理應用的整合。

（4）在未來，工業4.0將可能使有特殊產品特性需求的客戶直接參與到產品的設計、構造、預訂、計劃、生產、運作和回收各個階段。更有甚者，在即將生產前或者在生產的過程中，如果有臨時的需求變化，工業4.0都可立即使之變為可能。當然，這就會使生產獨一無二的產品或者小批量的商品仍然可以獲利。

（5）工業4.0的實施將使企業員工可以根據形勢和環境敏感的目標來控制、調節和配置智能制造資源網絡和生產步驟。員工將從執行例行任務中解脫出來，使他們能夠專注于創新性和高附加值的生產活動。因此，他們將保持其關鍵作用，特別是在質量保證方面。與此同時，靈活的工作條件，將在他們的工作和個人需求之間實現更好的協調。

（6）工業4.0的實施需要通過服務水平協議來進一步拓展相關的網絡基礎設施和特定的網絡服務質量。這將可能滿足那些具有高帶寬需求的數據密集型應用，同時也可以滿足那些提供運行時間保障的服務供應商，因為有些應用具有嚴格的時間要求。

作者簡介

魏曉東，1967年天津大學精儀系畢業。1984~1991任安徽工業大學自動化系副教授。1991出版《分散型控制系統》（上海科技文獻出版社）。2000-2012任北京和利時系統工程公司副總工、事業部總設計師，北京地鐵13號線、深圳地鐵一期工程、廣州地鐵3號線綜合監控系統工程技術總負責人。2006、2010年出版《城市軌道交通自動化系統與技術》初版與第二版（電自工業出版社）；2010年主編國家標準《城市軌道交通綜合監控系統工程設計規范》（GB50636-2010）《城市軌道交通綜合監控系統施工與質量驗收規范》（GB/T50732-2011）；2010年主編關于兩化融合的國家標準《工業企業信息化集成系統規范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清華同方數字城市工程中心技術專家，住建部城市軌道交通標注技術網Eu委員會委員，全國自動化系統與集成標準技術委員會委員。

摘自《自動化博覽》2015年11月刊