第一节 大国重器，主流工业国各展其能开展新工业革命

一、立足CPS+三个集成，德国工业4.0打造企业竞争新优势

工业4.0的概念最早由德国的工业巨头以民间联手的方式于2011年提出。这个概念甫一面世，便引发全球科技和产业界的高度关注，将其视为“第四次工业革命”的重要突破口，代表了全球工业化发展战略的最新思考与竞争策略。

工业4.0的基本特征是以数字化工厂为基本单元来实现“互联及达到更广范围的互联”，本质上是通过在制造业物理系统中部署信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems，也称赛博物理系统），实现“三个集成（纵向集成、端到端集成、横向集成）”，通过减少人工介入来提升德国制造企业竞争力。这就要求工厂内部带有CPS装置的设备实现互联，即生产设备间的互联、设备和产品的互联、虚拟和现实的互联，最终达到万物互联，其核心便是通过对赛博物理系统（CPS）的产品化及营销活动，提升德国制造产业。

工业4.0给德国制造业带来了巨大的发展潜力。在德国工厂部署CPS，将提高生产效率，同时，CPS技术的发展也为出口技术和产品提供了重要的机遇。因此，此次德国实施工业4.0主要采用双重策略，一方面在制造业中开展CPS，另一方面是加强制造业的CPS技术及产品的市场，目的是撬动德国制造业的市场潜力。[1]

工业4.0是一种信息技术发展到新阶段产生的新型工业化发展模式，是一场以智能为标识、以数据为基础、以工业物联网为支撑的新工业革命，其核心内容如下。

1. CPS是工业4.0的核心

通过把ICT要素嵌入物理设备，并将物理设备彼此联网，使物理设备具有计算、通信、控制、远程协调和自治五大功能，从而实现CPS与现实物理世界的融合。在CPS中，以工业软件为核心的各种软件是实现上述五大功能的关键要素。

CPS的组成包括了可连接的物理产品及其数字孪生体，以及支撑端到端集成工具链、贯通的数字主线及云化的在线运营平台。CPS系统有效运行的关键是产品对象的数字化，产品数字化的关键是由工业软件支撑的基于模型（Model Based）的数字化融合设计与开发。2017年3月发布的《信息物理系统白皮书（2017）》中的CPS组成为一硬（物理实体）、一软（数字孪生）、一网（物联网/信息系统）和一平台（大数据平台/集成化产品架构），如图1-1所示。

2. 工业软件是CPS的灵魂和工业4.0的实现工具

一软、一网和一平台，皆由软件定义和赋能，因此CPS运行是依靠工业软件来实现的。

工业软件是工业技术/知识、流程的程序化封装与复用。工业软件的研制及应用的过程，本质上是工业知识和Know-How沉淀的过程，即基于业务场景将多学科知识进行数字化、结构化、模型化、软件化的过程。工业软件中盛装了多专业和多领域的工业知识、机理模型、推理规则以及由此推演出来的各种算法，算法是对现实问题解决方案的抽象描述，是工业软件的核心。

通过工业软件所形成的软件定义，CPS打造了从赛博空间到物理空间的“状态感知→实时分析→科学决策→精准执行”的数据闭环，构建了基于工业软件的数据自动流动和知识智能流动的规则体系，并以此来应对系统内外部的不确定性，由工业软件给出最适用的决策和预测，高效配置企业各种资源。

无论是CPS、三个集成、数据处理与管理、工业流程中的应用与服务，都会在发展与变革中不断产生新需求，不断期待新功能，这些都需要既有工业软件集成为更综合的软件平台，乃至开发新一代工业软件来满足企业日益增长的多元化需求，进而从根本上改善研发、制造、测试、材料使用、供应链和生命周期管理等工业过程。正是因为功能强大的工业软件打通并连接了实体物理空间与虚拟赛博空间，实现数物融合，形成资源、信息、物品和人之间的互联、互通和互操作，让工业4.0成为现实。

3. 数据是工业4.0的实现基础

数据是工业4.0生产体系区别于工业1.0、2.0、3.0生产体系的主要特征。在工业4.0时代，随着CPS的推广、智能装备和终端的普及以及各种各样传感器的使用，产生了无所不在的感知和连接，所有的生产装备、感知设备、联网终端，包括生产者本身都在源源不断地产生数据，并实现产品数据、运营数据、价值链数据及外部数据等的完善。这些数据如同血液一般，在工业系统内源源不断地产生，源源不断地被工业软件处理和赋能，又源源不断地输送到工业系统内，这些数据将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期，让工业系统正常运转并发展壮大。

在新工业革命时代，数据不仅是确保企业运行的命脉，也是企业极强重要的数字资产，还是发展国民经济的生产要素。

4. 三个集成是工业4.0落地举措

●纵向集成：在智能工厂中，机器人、工作中心、产线等制造系统将不再是固化和预定义的。基于CPS定义一组IT配置规则，这些规则可以根据具体生产场景，自动且灵活地创建或重构制造系统，自动匹配有关模型、数据、通信和算法，实现从执行器/传感器、HMI/DCS、MES、ERP及PLM等不同层级的IT和OT系统纵向集成，支持高度柔性的数字化、网络化、智能化制造。

●端到端集成：通过产品全生命周期（价值链）和为客户需求而协作的不同公司，使现实世界与数字世界完成整合，即通过产品的研发、生产、服务等产品全生命周期内的一系列工程活动来实现全价值链上所有终端/用户的集成，例如汽车、手机厂商围绕产品全生命周期的企业间的集成与合作。

●横向集成：将各种使用不同制造阶段和商业计划的IT系统集成在一起，这其中既包括一个公司内部的材料、能源和信息的配置，也包括不同公司间的配置（价值网络）[2]，也就是以横向价值网络为主线，实现不同行业企业间的三流合一（物流、能量流、信息流），实现一种社会化、生态化的协同生产，例如航母的生产与配套。

上述三个集成中的“集成”概念，与集成产品开发（Integrated Product Development，IPD）中的“集成”在本质上相同。三个集成与华为基于IPD提出的“三个战略愿景”（参见本章第三节）、基于智慧云工厂提出的“三个一体化”（参见第五章第一节），在内涵上也有异曲同工之妙。

5. 工业4.0是企业创新发展的新路径

工业4.0的实施过程实际上是制造业创新发展与转型的过程，具体可分为五个创新与两个转型。五个创新包含技术创新、产品创新、模式创新、业态创新、组织创新；两个转型分别是从大规模生产向个性化定制转型与从生产型制造向服务型制造转型。

工业4.0是一个持续演进和发展的动态概念，它是一个理解数字技术与工业融合发展的多棱镜，站在不同的视角观察会有不同的理解：工业4.0是互联，是集成，是数据，是软件，是创新，是服务，是转型；工业4.0是CPS，是协同设计，是智能工厂，是智能制造，是智能服务；工业4.0是企业行为，是国家战略。

工业4.0是为德国企业量身定制的工业发展战略和实施计划，未必全面适用于他国的国情和企情，但是其对CPS的深刻理解和工程化应用，对工业软件通过算法与数据对物理系统赋能的全面重视，以及基于模型和架构的方式规划实施方法与路径的做法，给各国业界都带来了很大启发。