工業4.0的特徵：以互聯網和物聯網為雙向驅動

落後的人力勞力已經無法滿足現代化製造業的需求，一些發達國家很早就開始投入自動化技術去提升生產力。使得最近幾十年以來，隨著各種產品的信息化、數字化和網路化，製造業本身的生產結構也變得更複雜、更精細、更自動。生產線和生產設備內部的信息流量，以及管理工作的數據劇增，以往的自動化系統在信息處理能力、效率和規模上都已經難以滿足製造業的更高需求。新一代信息技術的應用在一定程度上解決了這一難題。

當今，全球正在出現以互聯網為代表的新一輪工業革命創新浪潮。而變革的核心也是互聯網等新一代信息技術的應用。當新的形態開始注入製造業領域時，一個全新的挑戰也隨之開始，那就是讓製造業由機械化、電氣化、數字化，轉向網路化、數據化和智能製造的挑戰。

（一）規律：從工業化到智能化的演變

傳統工業化的技術特徵是利用機械化、電氣化和自動化，做到大規模生產和批量銷售。在當前複雜的國際競爭中和中國環境下，為提升中國製造業在全球產業價值鏈中的地位，解決製造業大而不強的問題，必須從傳統生產方式向智能化生產方式轉變。

圖1 工業化的發展規律

現代工業化的技術特徵，除了物理系統（機械化、電氣化、自動化）之外，還要通過融合信息系統（計算機化、信息化、網路化），最終做到信息物理系統（智能化）。「工業4.0」時代，中國製造業向智能化發展，存在著巨大的空間和潛力。目前，中國正處在工業化的發展進程之中，經濟的崛起必定首先依托製造業。新一輪工業革命在帶來諸多挑戰的同時，也將為中國新一輪製造業發展提供許多難得「契機」。因為，歷史經驗表明，每一次工業革命都為後發國家成功做到趕超提供「契機」，英、德、美、日等都是通過把握工業革命的機遇而成功的。就中國製造業轉型升級而言，新一輪工業革命將會同樣帶來趕超發展的「契機」。

以前，中國製造業技術含量不高，一直處於國際產業價值鏈的低端環節。工業和信息化深度融合有效地為製造業的網路化、智能化發展奠定了殷實的基礎。毫無疑問，「工業4.0」時代，新一輪工業革命將更快速地帶動兩化深度融合。信息技術向製造業全面嵌入，將打破傳統的生產流程、生產模式和管理方式。生產製造過程與業務管理系統的深度集成，將做到對生產要素的高度靈活配置，做到大規模定制生產。從而，將有力推動傳統製造業加快轉型升級的步伐。

（二）規律：內、外部的網路協同

「工業4.0」定義了製造商、供應商乃至開發商之間的網路協同結構，主要目的是做到市場與研發的協同、研發與生產的協同、管理與通信的協同，從而形成一個完整的製造網路，由多個製造企業或參與者組成，它們相互交換商品和信息，共同執行業務流程。企業、價值鏈和產品生命周期這三個維度貫穿於各個價值鏈中的製造參與者之間。居於上方的是管理職能，下方是製造職能。

同時「智能工廠」的「智能生產」，重點研究智能化生產系統及過程，以及網路化分布式生產設施的做到，其核心就是在整個工業生產過程中的應用中，通過信息物理系統（CPS），利用物聯網的技術、軟件技術和通信技術，加強信息管理和服務，提高生產過程的可控性，從而做到研發、生產、製造工藝及工業控制等全方位的信息覆蓋，全面控制各種信息，確保各個生產製造環節都能處於最優狀態。從而引導製造業向智能化轉型。

1．內部網路協同製造

對於一個製造業企業來說，其內部的信息是以製造為核心的，包括生產管理、物流管理、質量管理、設備管理、人員及工時管理等和生產相關的各個要素。傳統的製造管理是以單個車間/工廠為管理單位，管理的重點是生產，管理的範圍是製造業內部。

但是，隨著信息技術的進步，很多製造型企業在發展的不同時期，根據管理的不同時期的需求，不斷地開發了不同的系統，並在企業內部逐步使用，如庫存管理系統、生產管理系統、質量管理系統、產品生命周期管理系統、供應量管理系統系統等等。不同的系統來做到不同的功能，有些系統採用自主開發或不同供應商的系統所組成。隨著企業的發展，要求不同的生產元素管理之間的協同性，以避免製造過程中的信息孤島，因此對各個系統之間的接口和兼容性的需求越來越高，即各個系統之間的內部協同越來越重要。

尤其是，隨著對於製造的敏捷性及精益製造的要求不斷提高，靠人工導入導出信息已經不能滿足製造業信息化的需求，這就要求在不同系統之間進行網路協同，做到實時的信息傳遞與共享。

2．外部網路協同製造

未來製造業中，每個工廠是獨立運作的模式，每個工廠都有獨立運行的生產管理系統，或者採用一套生產管理系統來管理所有的工廠的操作。但是隨著企業的發展，企業設置有不同的生產基地及多個工廠，工廠之間往往需要互相調度，合理地利用人力、設備、物料等資源，企業中每個工廠之間的信息的流量越來越多，實時性的要求越來越高，同時每個工廠的數據量和執行的速度的要求也越來越高。這就要求不同工廠之間能夠做到網路協同，確保實時的信息傳遞與共享。

在全球化與互聯網時代，協同不僅僅是組織內部的協作，而且往往要涉及到產業鏈上、下遊組織之間的協作。一方面，通過網路協同，消費者與製造業企業共同進行產品設計與研發，滿足個性化定制需求；另一方面，通過網路協同，配置原材料、資本、設備等生產資源，組織動態的生產製造。縮短產品研發周期，滿足差異化市場需求。

「工業4.0」中的橫向集成代表生產系統的結合，這是一個全產業鏈的集成。以往的工廠生產中，產品或零部件生產只是一個獨立過程，之間沒有任何聯繫，沒有進一步的邏輯控制。外部的網路協同製造使得一個工廠根據自己的生產能力和生產檔期，只生產某一個產品的一部分，外部的物流、外部工廠的生產，包括銷售等整個的全產業鏈能夠聯繫起來。這樣一來，就做到了價值鏈上的橫向產業融合。

（三）未來製造業：縮短工期、降低成本、提高效率、滿足定制、減少能耗

隨著信息技術和互聯網、電子商務的普及，製造業市場競爭的新要求出現了變化。一方面，要求製造業企業能夠不斷地基於網路獲取信息，及時、動態地對市場需求做出快速反應；另一方面，要求製造業企業能夠動態地將各種資源集成與共享，合理利用各種資源。互聯製造能夠快速響應市場變化，通過製造企業快速重組、動態協同來快速配置製造資源，提高產品質量的同時，減少產品投放市場所需的時間，增加市場份額。同時，還能夠分擔基礎設施建設費用、設備投資費用等，減少經營風險。製造資源的整合已經突破了企業和國家的界限，正在變得可以基於互聯網從全球範圍內尋求資源，物流、資金流、信息流在全球經濟一體化及互聯網的支持下將突破區域限制而動態流動，世界將進入一個全球互聯製造時代。

作為一個未來的潮流，工廠將通過互聯網和物聯網，做到內、外服務的網路化，向著互聯工廠的趨勢發展。隨之而來，采集並分析生產車間的各種信息，向消費者進行反饋，從工廠采集的信息作為大數據通過解析，能夠開拓更多的、新的商業機會。經由硬件從車間采集的海量數據如何處理，也將在很大程度上決定服務、解決方案的價值。也就是說，互聯製造模式下，製造業企業將不再自上而下地集中控制生產，不再從事單獨的設計與研發環節，或者單獨的生產與製造環節，或者單獨的行銷與服務環節。而是從顧客需求開始，到接受產品訂單、尋求合作生產、採購原材料或零部件、共同進行產品設計、生產組裝，整個環節都通過互聯網聯接起來並進行實時通信，從而確保最終產品滿足大規模客戶的個性化定制需求。

無處不在的互聯網和便捷的物流系統，使得產品的研發、設計、生產、銷售和服務等流程未必一定在一個企業、甚至在一個國家內獨立完成，而有可能被分解、外包、眾包到不同企業，甚至各國各地。未來，一個企業競爭力的強弱不在於擁有多少資源和多少核心技術，而是信息數據分析能力、資源整合能力、國際化資源能力。

這種生產製造的靈活程度代表著製造業未來的發展方向，將使企業面對客戶的需求變化時，能迅速、輕鬆地做出響應，並保證其生產具有競爭力，滿足大規模客戶的個性化定制需求，企業本身將做到從單純製造向「製造+服務」的轉型升級。

無界限、全民化、信息化、傳播速度快是互聯網的特徵。製造業的各個環節通過應用互聯網技術，將數字信息與物理現實社會之間的聯繫可視化，將生產工藝與管理流程全面融合，做到「互聯網+」協同製造。這樣一來，可以一邊設計研發、一邊採購原材料零部件、一邊組織生產製造、一邊開展市場行銷，從而降低了經營成本、提升了生產效率、縮短了產品生產周期，也減少了能源使用。

圖2 智能製造的優勢

通過互聯網和物聯網技術，把處於製造企業與相關的零配件配套企業及用戶的採購、生產、銷售、運輸等業務在網路平台上進行資源整合，不僅有助於促進業務流程的直接化和透明化，還將提高效率、減少交易成本。

可以說，互聯網和物聯網影響了人類社會，並對社會發展起了很大的推動作用，是如今社會面臨的各種變革的最大根源。未來製造業將通過互聯網和物聯網技術手段讓製造業價值鏈上的各個環節更加緊密聯繫、高效協作，使得個性化產品能夠以高效率的批量化方式生產，做到所謂的「大規模定制」。未來製造業的智能製造也將使製造業的產品形態、設計和製造過程、管理方法和組織結構、製造模式、商務模式發生重大甚至革命性變革，並帶動人類生活方式的大變革。