1.2 工业4.0发生的国际背景

如果说第一次工业革命让蒸汽机为人类提供机器动力可以比喻为解放了人类的双手，那么第二次工业革命让电力实现动力的远程传输则可以比喻为解放人类的双腿，而最近一次完成的第三次工业革命让电子技术实现了生产自动化可以比喻为解放了人类的神经。经过这三次工业革命，整个社会已经基本进入一个衣食无忧、产能过剩的阶段，为什么在这个时点，德国还要提出可以比喻为解放人类大脑的第四次工业革命？

工业4.0的发生主要是受到以下一些重大因素的影响。

1.2.1 新一轮科技革命和产生变革

科技进步及其广泛应用为工业4.0奠定了基础。由如图1-1所示的新兴技术成熟度曲线可以看出，物联网技术已经成熟，数据科学、大数据正在走向成熟，而早先的互联网技术相当成熟。互联网、物联网、大数据、机器人以及云计算等数字技术为制造业全面提升生产效率、降低成本、变革组织奠定了技术基础。

1.2.2 制造强国希望继续保持全球竞争优势

制造业的全球竞争越发激烈，美国、德国、日本、中国和新兴经济体的制造业正在不同空间、不同层次、不同环节展开激烈的竞争，从很大程度上讲，工业4.0将重构全球制造的竞争格局。

作为工业4.0倡导国的德国，尽管其工业产品以品质优良、技术领先、做工精细在全世界享有盛誉，但德国已经明显感受到亚洲竞争对手的威胁，也感受到美国“先进制造伙伴计划”的高水平竞争压力。同时，德国制造业在追求创新与质量的时候遭遇互联网时代的挑战，生产效率、研发速度与生产制造的灵活性成为其面临的最大难题。在新的竞争形势下，德国需要发扬其作为世界领先的制造设备供应商以及在嵌入式系统领域的长处，同时广泛地将物联网和服务应用于制造领域，以实现在第四次工业革命的道路上的引领作用，通过技术和经济融合占领工程高地。

美国曾是全球第一制造大国与强国，20世纪70年代以来一直保持全球制造业出口强国前五名的地位，但自2000年以来美国制造业迅速下滑。目前美国产业优势主要在高科技、互联网、航天航空、半导体、页岩气、软件、智能化增值服务、硅谷创新精神、可持续人才资源等方面。美国提出工业互联网、先进制造伙伴计划等，目的是利用互联网优势向制造业进军，重新让美国制造业成为全球价值链的主导者和创新引领者，推动美国的再工业化。美国政府近些年在制造业领域推出一系列先进工程以及革命性技术进步，正着力将美国打造成为全球技术以及工程枢纽，重振制造业。为推进智能制造，在美国设有数字制造和设计中心研究所、高级复合材料研究所、集成光电子协会等9大关键组织，未来10年美国还要成立45个相关研究所。

1.2.3 工业4.0有着巨大经济潜力

随着经济社会发展、消费结构不断升级，产品的开发和制造所必需的程序复杂性在不断增加，传统的方法、手段和结构不足以稳定地控制这种复杂性。但是，工业4.0可以有效应对这种复杂性。例如，智能工厂能够满足单个客户的要求，这意味着即便是一次性制造项目也有利可图。比方说，在工业4.0时代，动态的业务和工程程序使最后一分钟改变生产成为可能，并使供应商能够灵活应对干扰和故障。在制造过程中可以实现端到端的透明化，从而促进决策优化。工业4.0也将带来价值创造的新方式和新颖的业务模式。特别是，工业4.0将给初创企业和小型企业带来发展并提供下游服务的机会，这在很大程度上能够解释工业4.0概念在德国的提出并非偶然。

美国通用电气发布的工业互联网报告提出工业互联网对全球经济产生巨大影响，如图1-2所示。

在传统产业中，运用数字化、网络化、智能化制造技术可以提高自动化程度，实现个性化定制与规模经济的有机结合，降低能源消耗和环境污染，提升制造业的竞争力。如互联网在工业、交通运输和医疗领域的深度应用，将使46%的全球经济受益。近年来蓬勃兴起的电子商务，以及大数据、云计算等技术，使得传统产业的生产模式正在发生根本性改变。围绕客户需求，制造业与服务业将融为一体，制造业服务化趋势突出。

根据麦肯锡的报告，到2025年移动互联网、先进机器人、无人驾驶汽车、下一代基因组学、能源存储、3D打印、新材料、先进油气勘探和开采、可再生能源等12项颠覆性技术有望对全球经济产生14万亿～33万亿美元的影响，如图1-3所示。

波士顿咨询的研究显示，德国通过工业4.0可在未来10年贡献德国GDP的1%，创造39万个工作岗位，增加投资额达2500亿欧元（相当于制造业总收入的1%～1.5%）。尽管向工业4.0的完全转型还需要20年时间，但在未来的5～10年，一些关键的优势将会逐渐确立。

1.2.4 工业4.0是应对一些全球性挑战的关键

工业4.0将应对并解决当今世界所面临的一些挑战，如资源和能源利用效率、城市生产和人口结构变化等。现在很多国家老龄化问题严重，特别是技术工人越来越少。机械工程师、数字工程师承担着应对挑战的重要角色，不仅在物理世界，而且在数字模拟世界、虚拟世界，以及在传感、控制和数据分析等方面，都有赖于技术进步，也有赖于专业能力的提升。又如，工业4.0使资源生产率和效率增长不间断地贯穿于整个价值网络，智能辅助系统将工人从执行例行任务中解放出来，使他们能够专注于创新、增值的活动。鉴于即将发生的技术工人短缺问题，这将允许年长的工人延长其工龄，保持更长的生产力。灵活的工作组织使得工人能够将他们的工作和私人生活相结合，并且进行更加高效的专业发展，在工作和生活之间实现更好的平衡。