PART 1 “工业4.0”：新一轮的工业革命浪潮正在到来
1．“工业4.0”时代信息物理系统正在成为企业新引擎
无处不网络，这是一个大连接时代
网络时代
20世纪四五十年代，随着以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志的第三次工业革命的到来，人类开始进入了网络时代。
网络时代的到来，从根本上改变了人们的生产、生活方式。网络技术在世界范围内得到了广泛的应用，因此，全球的经济与工业趋于网络化，这也是当时全球经济的一个最显著特征。
随着网络技术的不断发展，人们逐渐进入了互联网时代，工业互联网的大门也逐渐打开，一场互联网工业革命从此拉开了序幕。互联网使人们从生活到商业都有了巨大的改变，我们获取信息以及相互沟通的方式也有了很大的改变；并且，一个基于互联网的电子商务模式正在改变人们的传统商务模式，这正是互联网给一个产业带来的巨大变革。
在全球工业领域，互联网已经在人机互交、远程监控、管控一体化方面全面进入应用状态，然而互联网还仅仅是“工具”，只有将工具与产业运行真正结合，才能具备真正的革新力量。因此，互联网是工业变革的动力，互联网驱动了工业变革。
工业互联网的理念是在2011年由GE提出来的，并且他们认为工业互联网的出现，已经成为尾随互联网和电子商务之后的第三波信息化浪潮，从此，传统的工业将受到工业互联网的影响，呈现全新的变革局面。
小贴士
GE是美国通用电气公司的简称，是在1892年由创立于1878年爱迪生电灯公司与汤姆森-休斯顿电气公司合并之后成立的，是世界上最大的提供技术和多元化服务业务的跨国公司。
GE智能平台全球软件业务技术战略官理查·卡明特，将工业互联网言简意赅地定义为“工业互联网通过将人、大数据、智能资产和设备连接起来，并结合软件和大数据分析，提升生产力和效率。”然而，工业互联网的精髓是依托大数据分析和优化解决方案从而提高工业效率。
诚然，与物联网相对比，工业互联网也具有物物相连的特征。工业互联网以云计算为基础，直接向应用目标方向发展。目前，可以简单地认为工业互联网实际上是工业物联网的升级版。因为，与工业物联网相比较，工业互联网更加具有安全性、可靠性、高效性以及经济性。
工业4.0时代
伴随着世界经济的不断发展与延伸，工业革命必将进行又一次全新的变革，那便是下一个工业革命时期——第四次工业革命，即工业4.0时代。
工业4.0最早是由《德国高技术战略2020》一书中提出来的，该战略是利用智能化生产来促进国家发展的新型战略。德国将其定义为“以信息物理系统为基础的智能化生产”。这也证明在工业4.0时代，将以实现生产智能化为目标。然而，“信息物理系统”实际上是指各类物理设备通过互联网相连接，并最终让这些物理设备具有计算能力、互相通信能力，从而可以被精确地识别和控制，进而通过远程协调和管理，实现虚拟网络与物理设备的互联互通。
日前，美国通用电气公司的报告分析显示，如果工业互联网以每年1%～1.5%的增长方式推动生产率的话，那么生产率会再一次达到网络革命的巅峰水平。这将意味着，在未来20年里，工业互联网可以为全球GDP创造10～15万亿美元的巨额价值。并且到2025年，十年的时间里，工业互联网所创造的经济价值将达到82万亿美元。该数字将在世界经济总量水平中占1/2的比例。目前，智能化生产已经应用于汽车、装备等领域，未来电网、能源、信息技术等多方面领域都将有智能化的身影，一场传统制造业正在向智能化工业4.0时代逐步展开。
“连接”是工业4.0时代永远不变的主题，它的连接范围涵盖了设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户等所有生态链在内的上下游生态单元，并且在信息物理系统的基础上将传感器、嵌入式终端系统、智能操作系统、通信设施连接交织在一起形成一个智能网络，从而使不同设备之间、产品与设备之间、虚拟数字与物理世界之间实现互联互通，最终达到从机器设备到操控系统，到人类社会的数字信息交流。
生产设备之间的互联互通。不同类型和功能的智能设备之间的互联互通，可以组成智能生产线。通过不同的智能生产线，又能够形成智能车间。智能车间之间的互联互通又可以组成智能工厂。通过不同地域、领域的智能工厂之间的互联互通，又最终形成了庞大的智能制造体系。然而这些不同的智能设备、智能生产线、智能车间、智能工厂之间又存在着动态组合，最终满足动态变化的制造需求。
产品与设备之间的互联互通。产品和设备之间能够实现互联互通，这样就可以根据产品的制造细节协助设备将生产过程不断推进。需要生产什么样的产品，如何生产这样的产品，这些问题都将由设备来解决。这就意味着，工业4.0时代，是完全智能化的时代，一切生产运行都是依托智能化来完成，零部件与机器设备之间已经实现了智能化沟通。
虚拟网络与物理设备之间的互联互通。工业4.0时代的核心其实就是信息物理系统，并且工业4.0时代将物理设备通过互联网相连接。在该连接下，使物理设备具备了计算、通信、操控、远程协调以及自治的五个强大的功能，最终将虚拟网络与物理设备之间的互联互通变成可能。工业4.0时代实际上是将原来毫无生机的机器设备、生产线组成的毫无生机的工厂，变为一个由具有“社交”能力的物理设备与生产线组成的一个“活”的智能环境，最终实现智能机器人与智能人类之间的相互协同，促进生产全过程的自动化，包括自我检查、自我诊断、自我决策、自我修复。
在2014年上海举行的中国第十六届中国国际工业博览会上，上海一家智能系统公司通过实物展示了工业4.0的真正内涵。参展的观众可以当场选择“我要一只红色圆珠笔”，接下来，“工业4.0”流水线上的一台机器人就会从一堆各种类型、各种颜色的笔中准确无误地拿出一只红色圆珠笔，并且放进银色托盘里。然后，一辆黄色小车在接到网络指令的自动导航之后，从机器人那里接过托盘，并准确无误地将其送到目的地。
人与物之间的互联互通。万事万物就是意味着从人到物的所有存在体，通过互联网连接在一起，从而实现人人、人物、物物之间的相互连接，最终构建全新的生产、生活场景。在整个环节中，人作为主导体，互联网作为媒介体，将机器设备、数据等通过感知、传输、处理的方式形成各种人类需求的设备终端，最终满足生产、生活需求。
制造业的智能化转型是大势所趋
“发展”一词，是推动整个人类社会经济不断前进的焦点，工业发展、科技进步是推动经济不断发展的强效“助推器”。生产关系要想适应生产力的发展，就必须要有不断的、新的变革。同样，传统的制造业要想顺应时代的发展，就必须转型。工业4.0时代是智能化时代，制造业向智能化转型也必然是大势所趋。
早在2013年4月的时候，德国机械及制造协会联合德国信息技术、通信与新媒体协会、德国电子电气制造商协会共同创立了“工业4.0平台”，德国希望通过该平台，将传统制造业转型为具有智能化的制造业。
德国作为第一个吃螃蟹的人，率先走出了制造业向智能化转型的第一步，实现了智能制造，促成了全球竞争的新优势。
智能制造，其实是指应用信息物理系统，借助与传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交换方式，实现人与设备、产品之间的互联互通以及有效交流，从而促进了制造业从研发到生产到管理到销售，再到服务整个环节与互联网紧密相连，达到生产方式定向化、网络化、智能化的目标，最终实现提升企业竞争力的目的。事实上，工业4.0的核心就是提高竞争力。
智能制造包括五大版块，分别为智能产品、智能装备、智能生产、智能管理、智能服务。
智能产品 智能产品是建立在传统产品基础上，借助于智能技术而形成的。智能产品将实时定位、精准识别等变成可能。目前，诸多智能产品，像计算机、智能手机、智能电视、智能冰箱、智能空凋、智能机器人、智能穿戴物（包括智能手环、智能跑鞋、智能隐形眼镜等）已经在网络终端相继问世。工业4.0时代，智能产品已经逐渐渗透到我们生活的方方面面，从最初的数码产品到现在的衣食住行，随处可见智能产品的身影。
我国目前也逐渐向智能产品行列前行。国际物促会经过大量的市场调研及数据模型的分析，认为我国智能产品目前仍处于酝酿阶段，2016—2017年才是国内智能产品真正进入高速发展的初级阶段，到2017年我国智能产品的市场规模或将达到80亿元。
智能装备 智能装备是具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，并且能够实现制造技术、信息处理、人工智能等技术的相互连接与融合。智能装备具有自动化、智能化、精准化的特点。目前智能装备已经有智能工程机械、智能农业机械、智能印刷机械、智能环保机械等。
智能生产 智能生产是众多生产行业的理想生产系统。从产品特性、成本、物流到产品的安全性等都进行最优化产品制造。智能生产的生产管理结构具有新颖、全面、先进的特点，通过物联网传感层采集数据，能够智能地对产品进行定位、生产、库存、监测、运输、出库等一些列工序，从而实现对整个生产线进行有效的管控，最终达到最优化的目的。
智能管理 工业4.0时代，随着企业内部的生产装备逐步的智能化，建立在个人智能结构与组织智能结构基础上的智能管理也逐渐产生了。智能管理模式具有精准、高效、科学的特点，依据管理者与被管理者之间的智能结构，采取智能管理模式才能达到预期效果。工业4.0给企业带来了传统管理向智能管理的转型。
智能服务 智能服务的出现是工业4.0发展的必然要求。智能服务在用户显性和隐形需求方面具有自动辨识的能力，可以自动分析用户的喜好与习惯，以及用户的身份、工作等特点，从而为用户提供更加高效、精准、全面、安全、个性化的绿色服务。由此可见，智能服务实际上是一种主动的、按需的服务，越来越多的企业已经意识到智能服务的重要性，并开始由传统服务向智能服务转型。
智能服务的实现，必须要将安全性作为其基本出发点，如果不能对用户的安全做出相关保障措施，那么智能服务也就没有任何实际意义。只有做到对用户信息的安全保护，才能获得用户的信赖，最终形成持续消费以及服务质量的进一步提升。
实现智能服务是需要具备的前提条件：首先，必须基于标准的信息基础设施建设；其次，必须拥有可以高效使用的数据积累；再次，必须基于标准的数据开放和共享；最后，必须具备数据合法使用的法律准备。
那么，智能制造与传统制造相比，究竟有哪些竞争优势呢？
第一，可以从根本上减少能源消耗。以传统制造为主的企业，即便是生产线上的诸多机器设备没有生产任务，但是，为了能够快速投入生产，还依然保持工作状态，这样就给企业带来了不必要的能源损耗。
在机电一体化的焊接机床工序中，其中机器间歇工作所耗能量达到了全部耗能的12%。据统计，生产间歇所耗费的90%的能源来自于以下机器：机器人（耗能20%～30%）、通风设备（耗能35%～100%）、激光源及其冷却系统（耗能1%～50%），这些所耗能源的数据大得惊人。据不完全统计，我国2006年全年能源消费总量为24.6亿吨标准煤，但是该年我国万元GDP能源消耗就已经达到了1.21吨标准煤。不难看出，降低能源消耗是企业发展的必然之路。
小贴士
标准煤，也叫做煤当量，是一种统一热值标准的能源计量单位。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡。
目前，我们不得不承认的是，全球能源均处于逐渐枯竭阶段，并且这些能源是不可逆的一次性能源。因此，时下各种产品的研发都考虑节约能源，并由此生产新型节能产品，“节能”已经成为当下发展的重要研究课题。
工业4.0可以为节能提供更加完美的方案。“网络唤醒模式”便是其中一种降低耗能的全新模式。未来，车间的机器设备在没有获得工作任务指令，处于间歇待命的时候，可以通过网络将其自动关闭，如果有生产任务，再通过“网络唤醒模式”将其启动并快速进入工作状态。事实上，这种“网络唤醒模式”已经在高端车型的生产上得到了应用。
第二，实现了真正意义上的远程服务。目前，远程服务还处于初级阶段，仅限于工程师通过远程访问和控制，为用户进行远程诊断以及设备维修。这种远程服务实际上是一种设备供应商与用户之间的点对点的服务。工业4.0时代的到来，将会使这种远程服务更上一个新的台阶。
工业4.0时代，工程师不需要与设备直接接触，就可以通过在移动终端上使用集成知识平台、视频会议的方式直接来解决用户遇到的所有问题。与此同时，这些机器还可以通过远程服务自动获取相关数据，从而增加自身防御能力。
第三，可以实现更低成本生产。从企业消费来讲，工业4.0时代可以将原材料、智能工厂、物流配送、消费者这一生态链通过网络实现互联互通，消费者仅仅需要做的就是用手机下单，然后网络就会自动生成订单，并且将订单直接发给智能工厂，智能工厂将原材料进行加工生产，最终再通过网络配送直接送达消费者。即，直接将消费者与设备、产品进行实时联通，智能工厂直接根据消费者订单生产产品，省去了销售和流通环节，整个流程井然有序且更具时效性，在成本节省方面（人工成本、管理成本、税务等）更是有了很大的提高，较传统制造节省了近40%的成本。因此，工业4.0时代实现了更低成本生产的可能。
综上所述，随着工业4.0时代的到来，新一代先进技术正在推动制造业开始转型升级，物联网、机器人的出现从根本上促进了制造业以更加迅猛的速度向智能化转变，以自动化为基础的智能装备、智能生产、智能管理、智能服务必将成为制造业的主流趋势，传统制造业势必会逐步向智能化方向蜕变，制造业的智能化转型势在必行。
传统的行业界限将不复存在
马云曾说过：“在很多人还没有搞清楚什么是PC互联网的时候，移动互联网来了；在我们还没搞清楚移动互联网的时候，大数据时代又来了。”然而，现在正当人们还沉浸在工业自动化的欢乐氛围中的时候，工业4.0时代已经来临了。
2014年11月，在浙江宁波一家餐厅里出现了5个机器人服务员，其中两个可以报出各种菜名，并且为顾客提供送餐、空盘回收、菜品介绍等服务，会说40句基本用语，可以代替或者部分代替餐厅服务员的工作。另外两个机器人在门口为顾客跳舞助兴。浙江机器人服务员的出现，通过栩栩如生的形式将我国进入工业4.0时代的未来展现出来，我们不禁感慨：“世界的脚步太快了！”
人类的工业发展史，是一次次科学和技术的变革史，然而这些变革都在制造业上得到了最好的体现，最终促进了人类生产、生活方式的巨大变革。
18世纪末，第一次工业革命全面爆发，人类进入蒸汽时代，以蒸汽机取代人力的机械化制造生产诞生，人类进入了工业1.0时代。
20世纪初，第二次工业革命全面爆发，人类开始进入了电气时代，电力的广泛应用促进了生产流水线的出现，这时，人类进入了工业2.0时代。
20世纪后半期，第三次工业革命全面爆发，人类开始进入科技时代，电子计算机技术得到了迅猛发展，人类作业被机械自动化生产制造方式逐渐取代，人类迈进了工业3.0时代。
如今，随着生产力的不断变革与发展，网络信息技术、大数据、云计算等在人类生产、生活中的应用越来越广泛，伴随着互联网技术的不断渗透，以及信息化和工业化的交织，工业4.0时代作为第四次工业革命正大踏步向我们走来。
然而，在工业4.0时代，信息技术与工业技术实现高度融合，网络、计算机、信息技术、软件与自动化技术重新组合形成新的价值模型。在工业4.0时代的生产模式中，传统的行业界限将逐渐不复存在，并且以各种新的行业领域以及合作形式将其取代，而且实现产业链的分工重组。这样，原有生产力将发生颠覆性的变革。
首先，工业4.0使原有工业生产过程变得更加趋于灵活化。工业4.0实现了动态的、适时优化的、自我组织的价值链的形成，并且使得成本的可利用性和资源消耗等实现不同标准的灵活性选择。这里的灵活性包括了智能产品所具有的特有的可识别性、个性化产品定制、灵活性极高的工作环境等。
其次，工业4.0将带来全新的商业模式和合作模式。该模式从根本上保证了整个价值链中所有与利益相关的人之间，公平地分享潜在的商业利润。此外，工业4.0具有的“网络化制造”“自我组织适应性强的物流”“集成客户的制造工程”等特点，这也决定了工业4.0追求更新的商业模式，从而满足除单个公司以外的动态商业网络。由此将会引发一些融资、风险、责任、知识产权、技术安全之类的问题。
再次，工业4.0还会促进工作方式以及工作环境的全方位改变。全新的工作方式采取协作的方法，通过虚拟的、移动的方式开展，使得原有的传统工作方式可以脱离工厂进行工作。与此同时，伴随着工作环境以及工作方式的改变，老年人和妇女的就业比例也有了较大幅度地提升，这样就确保了当前的生活水平不会随着人口结构的变化而有所变化。
最后，工业4.0将会促成全新的信息物理系统平台的形成。该平台将所有参与人员、物体、系统全部联系起来，提供更加全面、快捷、安全的服务以及应用业务流程，并能够支持移动终端设备的业务网络中的协同制造、服务、分析和预测等功能。
工业4.0的出现，将为传统工业中的行业界限画上一个完美的句号，一种全新的网络智能架构由此诞生，进而取代传统工业发展模式，使得未来人类的生活变得更加丰富多彩。
制造业将成为信息产业的一部分
在2013年德国提出工业4.0概念之后，诸多国家纷纷对其极为关注。工业4.0时代，网络技术在智能制造的推动下，形成智能生产，最终实现实时自动化管理。工业4.0不仅仅代表着全新的制造业的复苏与崛起，更代表着信息产业化的再次兴起。
从目前的诸多事实来看，信息技术特别是互联网技术的发展和应用已经非常广泛，并且达到了前所未有的深度与广度，从而推动了制造业生产方式和生产模式的变革与推陈出新，由此带来的便是产品属性的变化。
随着移动互联网的不断发展，汽车在功能上也逐渐与移动互联网接轨，通过更多的外围设备与外围系统向外界传递与分享更多的信息。通过智能交通系统，可以实现对外界交通路况信息、加油站信息的实时了解；通过智能导航定位系统，可以实现精准定位；通过智能手机、平板电脑等外围设备的连接，可以让汽车拥有更加具有扩展性的应用服务。
目前Google无人驾驶汽车的行车距离已经超过了30万英里，其最大特点在于通过车载摄像机和雷达传感器、激光测距仪与大数据完美结合来完成驾驶任务。Google无人驾驶汽车的车顶上安装了能够发射64束激光射线的扫描器，当激光遇到车辆周围的障碍物时，就自动反射回来，并以此计算出与障碍物之间的距离。此外，在车的底部还有一个测量系统，通过该系统可以测量出车辆的加速度、角速度等数据，而后再利用GPS数据计算出车辆的具体位置；之后，所有的这些数据都与车载摄像机所捕获的图像一同输入计算机中，通过计算机高效地计算处理这些数据信息，最后由系统进一步迅速做出相应加减速度的判断，以保证车与车之间不会发生相撞事故。
随着信息技术的不断发展，它在国民经济中的作用显得尤为重要，已经更加全面、更加广泛地渗透到了制造业的各个角落。传统制造业中诞生的汽车电子、家电、武器装备、电子玩具等物理产品，已经随着计算机技术、移动互联网的兴起与发展逐渐向网络产品开始转变。
因此，信息技术将渗透到制造业产业链的各个环节。目前，条形码、二维码、传感器、ERP、CAD、CRM、PLM等计算机软件技术在制造业中已经得到了广泛使用，并且移动互联网、物联网等信息技术也已经在工业领域中广泛使用，这使得传统制造业与工业物联网之间进行了完美的融合。与此同时，大数据为代表的新一代信息技术也在不断壮大，由智能设备所产生、收集、处理的数据量也远远超过了原来以计算机或者人工收集、处理的数据量，使得数据的产生、收集、处理每一个环节都变得简易、快捷。
信息产业对于制造业的深入渗透，已经在很多产品方面有所体现。谷歌除了上述无人驾驶汽车以外，还推出了仿真机器人、特种机器人、开发机器人等。百度也致力于信息产业在制造业中的深度开发，推出了百度机器人——智能问答机器人小度，曾在2014年9月在江苏卫视《芝麻开门》节目中大显身手。毫无疑问，信息技术已经在制造业中推动了传统制造业的智能化转型，并将逐渐加快制造业的智能化进程。
具体而言，工业4.0时代，智能工厂中的每个管理系统都会被定义为特定的数据信息，如果接到客户订单，系统就会自动、及时地向原材料供应商进行原料采购，并将这些原材料赋予特定的数据信息：“这是给某某客户生产某某产品的某某材料”，这样，该材料就会被用于特定产品的生产以及特定目的的运输。如果产品生产过程中，原材料出现了配送错误等现象，智能管理就会对智能设备进行“对话”，将配送错误的原材料按照其生产线轨迹正确无误地返回；如果生产过程中出现了原材料不够用的情况，那么智能生产机器将与订单系统提出“社交”，从而自动增加原材料数量。这样，即便是把原材料嵌入产品之后，也依然能够对其路径流程信息进行保留，这种做法的优点在于能够非常容易地实现物料的追根溯源。因此，从某种意义上来讲，工业4.0时代，“原材料（物质）”=“信息”。
通常，我们会将工业时代称为原子时代，将信息化时代称为比特时代。工业革命时期通过动力能源改变世界原子结构，而信息革命时期则是通过计算机技术和移动互联网技术来改变世界的比特结构。原子组成了物质，是物质的代表。而比特则构成了信息，是信息的代表。在比特时代，也就是信息时代，目前我们所看到的纸质书籍已经逐渐开始向电子图书开始转变，这也意味着“原子”已经开始向“比特”过渡。但是，这种过渡并不是意味着比特将全面代替原子，并不代表着原子即将消失，而是用另一种方式将原子以比特的形式出现，将原子作为一种信息（比特）来处理。
举个十分简单的例子。前边所提到的给原材料添加生产流程信息，然后将其送到生产车间，产品出炉以后再给其打上特定标签，售后服务也能根据这个实现追根溯源。实际上这就是将原材料信息化，就是将原子比特化的一种方式。
因此，工业4.0时代，原材料与信息之间的差别感将不再那么强烈，两者将会是等同的。这将最终意味着，在工业4.0时代，制造业将成为信息产业的一部分。
本章重点回顾
◆“连接”是工业4.0永远不变的主题，它的连接范围涵盖了设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户等所有生态链在内的上下游生态单元，并且在信息物理系统的基础上将传感器、嵌入式终端系统、智能操作系统、通信设施连接交织在一起形成一个智能网络，从而使不同设备之间、产品与设备之间、虚拟数字与物理世界之间实现互联互通，最终达到从机器设备到操控系统再到人类社会的数字信息交流。
◆ 以自动化为基础的智能装备、智能生产、智能管理、智能服务必将成为制造业的主流趋势，传统制造业势必会逐步向智能化方向蜕变，制造业的智能化转型势在必行。
◆ 在工业4.0时代的生产模式中，传统的行业界限将逐渐不复存在，并且以各种新的行业领域以及合作形式将其取代，而且实现产业链的分工重组。
◆ 从某种意义上来讲，工业4.0时代，“原材料（物质）”=“信息”，制造业将成为信息产业的一部分。