彭瑜

德國技術科學家的創(chuàng)舉在于清晰地將CPS和制造業(yè)聯(lián)系在一起

工業(yè)4.0在2012年提出后，很快就在歐盟工業(yè)領域范圍內(nèi)引起很大反響。2013年漢諾威工業(yè)博覽會上，工業(yè)4.0的理念和規(guī)劃正式由德國聯(lián)邦政府發(fā)布，描繪了制造業(yè)的未來愿景。至此之后，在包括美國等工業(yè)強國在內(nèi)的全球工業(yè)領域引起了極大關注和認同。這里僅以IT大鱷IBM的反應為證，在對工業(yè)4.0進行專門研究后，他們認為今后十年數(shù)字經(jīng)濟將成為實體的經(jīng)濟。由此可見，工業(yè)4.0確實成為了今后全球發(fā)展的突破口。

工業(yè)4.0的基本特征是工業(yè)自動化和信息技術的深度融合，它建立在物理信息系統(tǒng)CPS的基礎之上。為什么CPS是工業(yè)4.0的基礎，這是我們先要弄清楚的。

2006年美國國家基金會 （NSF）科學家Helen Gill提出了信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System，簡稱CPS）的概念，目的是將控制技術融入互聯(lián)網(wǎng)。它與物聯(lián)網(wǎng)相比，最顯著的特點是強調(diào)物理過程與信息間的反饋。當時給出的可能實際應用的例子，就是今天我國稱之為車聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容。

關于CPS，據(jù)說有18種定義或者是解釋。這里僅列舉兩種。2008年美國加利福利亞大學的Edward A.Lee教授在其技術報告《信息物理系統(tǒng)：設計挑戰(zhàn)》中指出：“CPS是計算過程和物理過程的集成系統(tǒng)，利用嵌入式計算機和網(wǎng)絡對物理過程進行監(jiān)測和控制，并通過反饋環(huán)實現(xiàn)計算過程和物理過程的相互影響”。在2011年Karl Henrik Johansson指出：從自動化技術的觀點看，CPS是一種工程系統(tǒng)，由一個嵌入在物體中的計算和通信的核，以及物理環(huán)境中的結(jié)構(gòu)所監(jiān)測和控制。這就清晰地告訴我們，泛在的嵌入在物理過程和虛擬系統(tǒng)中的智能體，憑藉其計算和通訊聯(lián)網(wǎng)能力，將與其他的同樣嵌入了計算和通訊功能的智能體，構(gòu)成了互聯(lián)、互通和互操作的更大系統(tǒng)，去執(zhí)行和完成人類所規(guī)劃和設計的功能和目標。我覺得，2012年德國技術科學家的創(chuàng)舉在于，基于制造立國和制造強國的理念，把CPS運用于生產(chǎn)制造，提出了CPPS，即信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)，以CPPS為模型構(gòu)建智慧工廠（或者數(shù)字化工廠）。在此之前，沒有人如此清晰地把CPS和制造業(yè)聯(lián)系在一起。

比較美英經(jīng)濟學家和未來學家所提出的第三次工業(yè)革命，工業(yè)4.0是面向制造業(yè)的，而不像里夫金立足于能源（著重可再生能源）和互聯(lián)網(wǎng)技術來分析未來工業(yè)革命。里夫金的第三次工業(yè)革命的支柱是互聯(lián)網(wǎng)和可再生能源。而工業(yè)4.0的支柱是工業(yè)自動化和IT技術的深度融合。顯然，從事工業(yè)技術的科學家和工程師更實際，也更具有執(zhí)行力和可操作性。里夫金所寄于莫大希望的可再生能源，在可以預見的未來相當一個時期，充其量也難在能源供應總量中超過20%。那么，第三次工業(yè)革命要多少時間才能成為現(xiàn)實呢？可見，出發(fā)點不一樣，目標也大有區(qū)別。

工業(yè)4.0主要的兩大主題是智能工廠和智能生產(chǎn)

工業(yè)革命一般從以下三個主要方向展開：能源創(chuàng)新、能源利用創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新；制造技術和制造工藝創(chuàng)新；產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新。由于工業(yè)4.0主要面向制造業(yè)，所以它具體體現(xiàn)在能源利用創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新；制造技術和制造工藝創(chuàng)新；產(chǎn)業(yè)模式創(chuàng)新。

近年在德國，工業(yè)4.0已進入創(chuàng)建實施平臺全面推動項目開展的攻堅階段。德國三大行業(yè)（機械、電氣電子和信息）協(xié)會VDMA、ZVEI、BITKOM聯(lián)合發(fā)起成立德國國家的工業(yè)4.0的啟動平臺，目的是迅速將工業(yè)4.0由愿景成為現(xiàn)實。主要面向兩大主題：①智能工廠 重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡化分布式生產(chǎn)設施的實現(xiàn)。由德國中小企業(yè)主攻（菲尼克斯、倍福等）。②智能生產(chǎn) 主要涉及虛擬3D技術在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應用 （虛擬數(shù)字化工廠設計、仿真，機械裝置的數(shù)字化虛擬設計、仿真）；整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動；以及產(chǎn)品的生命周期管理等。由德國大型企業(yè)主攻 （如Siemens、SAP等）。這是從組織協(xié)調(diào)方面來看的。

在技術創(chuàng)新方面，已經(jīng)出現(xiàn)了許多突破傳統(tǒng)生產(chǎn)方式、給人耳目一新的工程。例如西門子與庫卡合作開發(fā)的，在旋轉(zhuǎn)方向利用移動機器人靈活搬動工件，進行汽車部件加工的傳送方式。又如菲尼克斯開發(fā)的自適應生產(chǎn)方式，揚棄了原來的柔性生產(chǎn)方式，以各種模塊化的機電一體加工單元組成生產(chǎn)線，可根據(jù)不同的產(chǎn)品加工的需要，對這些模塊化的加工單元進行組態(tài)，實現(xiàn)了低成本和快速的生產(chǎn)線自組織調(diào)整。

中國制造業(yè)轉(zhuǎn)變的技術方向恰恰是工業(yè)3.0和4.0已經(jīng)選擇和正在選擇的

據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)庫和聯(lián)合國統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，2011年我國制造業(yè)增加值為1.9009萬億美元（現(xiàn)價），美國為 1.8805萬億美元（現(xiàn)價）；2012年我國制造業(yè)增加值為2.0793萬億美元（現(xiàn)價），美國為1.9121萬億美元（現(xiàn)價）。2013年我國生產(chǎn)的發(fā)電設備占全球的60%，造船完工量為全球的41%，汽車產(chǎn)量為全球的25%，機床產(chǎn)量占全球的比重為38%。以上這些數(shù)據(jù)表明，我國的世界制造大國地位確定無疑。但是，我國制造業(yè)的現(xiàn)狀卻是無可辯駁的大而不強。面對進一步發(fā)展的資源壓力、環(huán)境壓力、成本壓力，以及市場競爭激烈、利潤空間壓縮和用戶需求增高，我國制造業(yè)唯有轉(zhuǎn)型升級走向制造強國這惟一的出路。

中國工程院在規(guī)劃《中國制造2025》時，調(diào)研了世界主要國家制造業(yè)發(fā)展的狀況，在大量數(shù)據(jù)分析的基礎上，按照規(guī)模發(fā)展、質(zhì)量效益、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和持續(xù)發(fā)展4項一級指標，以及18項二級指標構(gòu)成的制造強國評價指標體系，計算出制造強國綜合指數(shù)，把這些國家劃分成3個方隊。第一方隊是制造業(yè)居于全球絕對領先地位的美國，第二方隊是德國和日本，第三方隊有英國、法國、韓國、中國等。中國制造業(yè)目前的狀況發(fā)展不平衡，處在沒有總體完成工業(yè)2.0（大規(guī)模制造機械化）和工業(yè)3.0（工業(yè)自動化），就需要面對工業(yè)4.0（工業(yè)自動化和信息化深度融合）的形勢。因此，中國工業(yè)制造的發(fā)展，不像西方發(fā)達國家走的是工業(yè)2.0、工業(yè)3.0，進而工業(yè)4.0的串行發(fā)展，而應該是工業(yè)2.0、工業(yè)3.0和工業(yè)4.0并行發(fā)展的道路。

中國工程院規(guī)劃從現(xiàn)在起到2025年，屬于“中國制造2025”階段，爭取使中國制造進入第二方隊。再經(jīng)過十年發(fā)展到2035年，進入第二方隊的前沿。然后再經(jīng)過十五年，到2050年挺進全球制造的第一方隊。

要實現(xiàn)上述的規(guī)劃，中國制造首先面臨的一定是要努力完成四個轉(zhuǎn)變：由要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變，由低成本競爭向質(zhì)量效益競爭轉(zhuǎn)變，由資源消耗大、污染排放多向綠色制造轉(zhuǎn)變，由生產(chǎn)型制造向服務型制造轉(zhuǎn)變。而完成這些轉(zhuǎn)變的技術方向恰恰是工業(yè)3.0和工業(yè)4.0已經(jīng)選擇的和正在選擇的，即：信息技術和制造技術及工業(yè)自動化技術的深度融合，用精益制造管理取代粗放型制造管理，由產(chǎn)業(yè)集群取代產(chǎn)業(yè)集聚，從而完成由生產(chǎn)低端產(chǎn)品向制造高端裝備的過渡。

裝備制造業(yè)是制造業(yè)的脊梁。制造業(yè)的升級轉(zhuǎn)型，首先要抓緊裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。裝備制造業(yè)依靠什么來轉(zhuǎn)型升級呢？唯有借助于智能制造。我國實施智能制造的路徑在于：抓準方向，把握趨勢；結(jié)合國情，分層推進；夯實基礎，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。具體地說就是在總體上按照自動化、網(wǎng)絡化、兩化深度融合、數(shù)字化、智能化的方向在制造業(yè)的全行業(yè)加以推進。