导读: 工业4.0最近一直很火，原因之一在这是高端制造大国的德国提出的概念，其实质是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新。事实上，美国人在2005年末就提出了异曲同工的概念，山姆大叔称之为虚拟网络-实体物理系统（CPS）。
互联网与信息技术的高速发展正迅速影响着整个世界。人们发现，生活中的几乎每一个领域都受到互联网的影响，呈现新的业态与发展形势。尤其是在消费领域，网络消费模式重新定义了人们的购买方式，也推进了消费理念与偏好的升级。个性化消费需求的倾向正越来越明显。如今，大规模大批量标准化生产模式正越来越难以满足消费者的个性化需要，于是新工业革命的到来顺理成章。
“工业4.0”是2011年德国提出的新概念。在经过两年的发酵后已经在德国本土、欧洲其他地区、美国乃至全球引发了热烈的讨论。“工业4.0”与CPS的核心战略究竟是什么？
1.互联网技术与制造设备融合战略
2011年，在汉诺威工业博览会开幕式致辞中，德国人工智能研究中心负责人和执行总裁WolfgangWahlster教授首次提出“工业4.0”这一词。2013年，德国成立了“工业4.0”工作组，并于同年4月在汉诺威工业博览会上发布了最终报告《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》。这份报告认为“工业4.0”的核心就是下一代工业革命是信息物联网和服务互联网与制造业的融合创新。报告指出，“工业4.0”会将智能技术和网络投入到工业应用中，从而进一步巩固德国作为生产地以及制造设备供应国和IT业务解决方案供应国的领先地位。
美国于2005年末2006年初曾对信息物联网和服务互联网与制造业的融合做出综合性的概括，称之为虚拟网络——实体物理系统（Cyber-PhsysicalSystem，CPS）。美国与德国面对制造业未来虽然提出的概念不同，但“工业4.0”与CPS本质上是异曲同工的。
2.战略核心：制造智能化
“工业4.0”与CPS想实现的是通过物联网、信息通讯技术与大数据分析，把不同设备通过数据交互连接到一起，让工厂内部，甚至工厂之间都能成为一个整体，在自动化之上，形成制造的智能化。这一智能化又包含两大主题：智能工厂与智能生产。
智能工厂主要关注智能化生产系统及过程，以及网络分布式生产设施的实现。未来，各个工厂将具备统一的机械、电器和通信标准。以物联网和服务互联网为基础，配备有感测器、无线和RFID通信技术的智能制造设备可以对生产过程进行智能化监控。由此，智能工厂能够自行运转，且工厂间零件与机器可以相互交流。结合大数据技术，智能工厂还能对生产与修理作出可能的提示。这使得工厂设备脱离固有生产线的束缚，可以不断做出智能的调整，从而使得一次性生产的产品也可以通过颇具收益的方式制造出来，打破了标准化生产的成本优势。
智能生产是在智能工厂的基础上进一步加入了人的要素，同时强调生产过程本身，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中的应用等。目前大部分制造系统都采用集中式控制方案，在中央控制机器上独立地进行处理，工人主要负责监控维修控制机器。未来的智能生产是以人为中心的基于信息物理系统为智能辅助系统创造更优秀的人机互动模式。
3.制造模式变革：产品、设备与管理设想
工业4.0与CPS希望通过智能工厂与智能生产的建设，最终实现的是制造模式的变革。每一个产品将承载其整个供应链和生命周期中所需的各种信息。设备将由整个生产价值链所继承，可实现自组织。管理能够根据当前的状况，灵活决定生产过程。具体可以用6C来进一步说明，6C为连接（Connection，传感器和网络），云（Cloud，任何时间及需求的数据），虚拟网络（Cyber，模式与记忆），内容（Content，相关性和含义），社群（Community，分享和交际），与定制化（Customization，个性化服务与价值）。6C条件下的产品本身，将成为信息的载体。产品能够自动记录其生产过程的一切。同时，它还能够辅助操作步骤与监测周围环境。比如一款产品出厂情况会根据温度与湿度的变化发生变化，产品还会自动提示监事人员自己还需要增加什么样的额外调整措施。
6C条件下的工厂可以实现全产业链的智能生产，实现生产的自我调整。2013年，蔡司（Zeiss）集团在欧洲机床上展出的PiWeb系统正是这一理念的现实反映。该系统能把分布在不同地区、不同产业链环节的工厂机器测量数据汇总。未来，这些汇总信息能够自动通过系统分析出调整结果，重新返回各个工厂实现实时智能化调整。
6C条件下的管理可以实现透明化生产，预测性制造。目前的制造中，存在许多无法定量的因素，包括加工过程中的性能下降、零件的偶发失效、废品的返工、整体设备的效率下降等。通过透明化，也就是一种阐述并量化那些不确定因素，以使生产组织者能客观地估计自身制造和装备状态的能力，通过管理实现预测性制造，做到维修成本的降低，运行效率的提高，产品质量的改进。
“工业4.0”与CPS的实现路径
美国与德国各自不同的优势所在，两者推进新一轮工业革命的实现路径有所不同，各有侧重（见表1）。
1.德国：国家战略下合作探索“工业4.0”智能工厂
德国提出“工业4.0”这一概念本身带有国家的反思。德国称得上是一个高端制造的大国，制造业作为其经济增长的动力，使其在欧债危机中长期保持坚挺。但他们的制造业始终以产品为主。他们一直在反思，为什么自己的产品只有生产功能的价值，而没有服务的价值。为此通过互联、数字、智能化的融合、智能工厂的建设，可能是未来的方向。基于自身较强的制造设备工业，在国家战略下合作建设互联的智能工厂系统可能是重要的路径，使得德国成为第四次工业革命的先行者。
DetlefZuehlk教授所在的德国人工智能研究中心创新工厂系统部协同10家德国企业，建立了世界上首个反映“工业4.0”愿景的工厂模型。借助这个被称为smartfactory的项目，10个合作伙伴各自建立了一个系统模块，或者提供相关跨应用的技术。这个工厂模型展示了不同领域的创新性企业相互合作，共同工作，使概念转化成商品，把愿景实现为现实的过程。这一模型示范了6C下的组织生产的一种实现。
在2014年，主题为“融合的工业——下一步”的汉诺威工业博览会上，各个德国企业还展示了自己的“工业4.0”构想生产线。西门子展示在其生产线上，车体与机器人一边“对话”一边进行组装。博士力士乐和萨博分别展示了一条能在同一条生产线上生产两种产品和六种断路器的概念灵活装配线。萨博展示了一台可以生产16种不同产品，并对它们进行区分的设备装置。
2.美国：依托硅谷模式抢占软件技术优势，发展先进生产方式
美国是最早提出信息物联系统的国家，美国认为制造过程的下一步优化，是透明化哪些不可见的因素，从而使生产能在完全的信息下进行，也就是透明化生产和预测性制造。在CPS系统研究的初级阶段，制造业并未脱离原有的制造模式，而是在生产信息系统层面进行相应的改革。
随着CPS系统概念的不断发展与进化，美国对透明化生产的认识逐步上升到工业大数据层面。工业大数据的是由一个产品制造流程或者一个工业体系带出的数据。工业大数据使得产品带来更高的价值，每一个出产的产品最后都能回馈信息至生产者手中，从而反过来影响之后的生产者决策与行为，也能提前为生产者应对突发情况做出提示，使得生产过程中不再存在不确定的信息。工业大数据的信息系统对制造设备的要求越来越高，逐步成为新一代智能制造装备或工厂。
工业大数据及其配套的信息系统与硅谷模式相结合，使得美国可以在智能制造信息系统类生产方式构件上取得领先。美国目前已经构建出一套创新性的预测工具，能将数据系统所收集的内容加工成解释不确定性的信息，使管理人员做出更多“知情”的决定，实现部分的透明化生产。这一套工具中包含了整合平台、预测分析工具和可视化工具。例如软件WatchdogAgentTM中，算法被分为四个部分：信号处理和特征提取、健康评估、性能预测和故障预测。利用雷达图、故障图、风险图和健康退化曲线，有效地传达工厂设备的信息，从而做到智能化的生产。
“工业4.0”与CPS的战略本质
1.大规模定制化生产方式正逐步实现
“工业4.0”与CPS及其代表的新一代智能生产方式可能就是大规模定制化的生产方式的初级阶段。因为消费者个性化需求如果实现，一方面需要供应商能够生产提供符合消费者个性偏好的产品或服务，一方面需要社会提供消费者有个性化消费的空间与过程。由于消费者众多，每个人的需求不同导致需求的具体信息也不同，加上需求的不断变化，就构成了供应商的大数据。对这些数据进行处理，进而传递给智能设备，进行运算，设备调整，材料准备与自动加工等步骤，才能生产出符合个性化需求的产品。
“工业4.0”与CPS所体现的进步技术包括物联网，信息技术，大数据处理技术，与个性化产品制造所需的技术十分相似，相对来说缺少了在消费者层面采集数据的环节。但通过工厂层面的设备革新，产业链协作，大数据处理，产品能够具有服务价值，从而使得智能制造设备根据处理后的信息，进行判断、分析、自我调整、自动驱动生产加工、品质保持，直至最后的产出步骤。可以说，智能工厂已经为最终的制造业大规模定制生产做好了准备。
2.消费性大数据与生产性大数据处理的结合
在“工业4.0”或CPS的工厂中，消费者需求与行为产生的大数据除了反馈至生产设备，进行产品生产的调整外，还将对生产本身进行进一步的监控。而生产所产生的数据同样经过快速处理、传递，反馈至生产过程及其涉及的产业链的链条中，从而使得生产过程高品质的进行。
例如在过去，在设备运行的过程中，自然磨损本身会使产品的品质发生一定的变化。随着个性化生产的推进，产品生产所涉及的自然环境因素、突发因素、设备条件等变量会进一步增多，这种磨损对整个生产带来的影响会被放大。通过信息处理技术及互联技术，生产过程中的这些因素才能被精确控制，从而真正实现生产的智能化。一定程度上，这一工业大数据的处理技术直接决定了“工业4.0”与CPS所要求的智能化设备的智能水平。
3.新一代智能制造工厂的未来
消费需求的个性化要求传统制造业突破现有的生产方式与制造模式，根据消费需求海量数据与信息，进行大数据处理与传递；而在进行这些非标准化产品生产过程中产生的生产信息与数据也是大量的，需要及时收集、处理和传递。这两方面大数据信息流最终通过互联网在智能制造设备交汇，由智能制造设备进行分析、判断、决策、调整、控制开展智能制造过程，确保生产出高品质个性化产品。这就决定了互联网、信息技术与制造母机融合后，最终形成新一代互联的智能制造工厂（系统）以替代今天的生产体系。
“工业4.0”与CPS瞄准的都是这个方向。为了应对这个变革的趋势，我国应该更加注重制造业高端标准与技术的确立，寻找智能制造设备与信息技术融合性的突破，大数据建立与分析应用的突破，做到互联网应用技术的升级，培养信息技术与制造技术复合人才。
上海准备：建立面向未来新型产业体系的战略思路
所谓“工业4.0”与CPS虽然概念不同但实质都是针对消费者个性化消费需求的新一代智能制造生产方式，这一新的生产方式代表了未来工业或者制造业发展的未来。德国与美国已经就此工业新技术变化、新生产模式开始了积极的准备，而且各自利用自己原来在工业装备、信息技术、互联网物联网方面的强大基础与实力，希望在新一代制造业信息、数字、智能三个方面融合谋求全球领先，成为未来制造业的领导者，进而控制全球制造业发展。为此，我们必须对“工业4.0”和CPS有更清醒的认识，我们要有自己的战略与对策，开始我们的行动，即上海准备。
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上海准备的现实意义：抓住历史重大机遇
“工业4.0”或CPS可能是互联网技术与物联网技术在生产制造方面的新发展与新应用。至今为止所有的互联网公司或他们的商业模式，基本上都是在信息收集处理与交换、商品或服务发现与交易、娱乐游戏平台，或者是人际沟通与社会交流等方面的发展，这些已经给人类社会带来巨大的便利与成本节约，虽然互联网提供的信息商品交易等也影响消费和生产，但还不是直接与生产制造过程连接，对现行生产制造方式没有根本性的改变的要求，我们现在的生产制造仍然是大规模大批量标准化生产。前文的分析已经证明德国、美国倡导的“工业4.0”或CPS实在是基于互联物联的智能生产系统，是互联网与物联网技术的融合形成了一种新的生产方式，即智能大规模个性化定制生产方式。这样一种生产方式是全新的划时代的。德国与美国看到了这个大趋势，开始积极谋篇布局，希望未来继续保持在制造业的世界领先地位。
“工业4.0”或CPS描绘了未来智能互联物联生产制造系统的可能，这对中国与上海来说既是机遇也是挑战，因为，如果我们能够抓住机遇通过创新研究不但跟上他们的研究甚至还能够有领先部分，那么是我国工业制造水平与制造技术的实质性赶超，反之，如果我们应对不佳，那么我们与发达国家在先进制造业方面的差距就会进一步拉大。例如，上海的互联网经济与产业发展与北京、深圳有较大的差距，加上上海现行的产业体系及其结构等诸多问题，应该说制约了上海经济的进一步健康发展，也制约了上海向全球城市过渡与转型。
笔者认为：在全球新一轮产业与技术变革即将到来的今天，“工业4.0”的变革浪潮中，上海应当有所准备，应该考虑新技术、新模式、新产业、新业态以求产业结构的转型和升级，建立与城市发展相匹配的产业体系，以求在新一代互联网物联网产业与技术、在智能互联物联生产制造系统研发应用方面占得先机。
2.上海准备的关键因素：深化体制机制改革
上海在提升城市创新能力，加快创新驱动发展过程中，十分重视高技术工业产业的培育和发展，并积极营造高新技术成果转化的政策环境，努力探索城市自主创新的运行机制。经过多年积累，上海高技术工业产业的产值规模、创新投入迅速膨胀，均位居全国前列，应该说有实施开发“工业4.0”发展先进制造业的基础与条件。然而，与北京、广东、江苏等省市相比，上海高技术工业产业发展近年来却呈现“大而不强”、“投而低效”的局面，高技术工业产业的质量和效益，不但没有明显提升，反而呈现不同程度的减缓和下降，高技术工业产业发展后劲堪忧。具体来说：
(1）产值总量大但经济效益不高。上海高新技术产业在总产值、出口产值、产值增长率方面均明显高于北京，虽然产值利润率也稍高，但利润率总体上是下降的，由2000年的9.18%，下降到2012年的3.06%。
(2）研发能力强但科技成果产业化水平低。上海每年获得授权的专利成果要比北京多出近三分之一，但科技合同数量仅有北京的一半。此外，上海高新技术产业产值在高于北京的同时，新产品产值却仅为北京的一半左右。因此上海高新技术工业产业化水平亟待提高，也有很大的提升空间。
(3）从业人员数量多但科技活动人员数量少。上海市高技术工业产业的从业人员数量相当于北京的两倍，但科技活动人员数量却只有北京一半，这种人才格局将不利于上海高新技术产业未来快速发展而产生的对高技术人才的需求。
(4）研发费用投入不足。上海市各级机构每年在研究与试验方面的投入，仅为北京的三分之二，这可能导致未来研发竞争力的下降，从而失去产业价值链微笑曲线左端的研发设计优势，并直接影响高新技术产业的竞争力。
这些问题的背后究竟是什么原因，我们认为这可能与上海高技术工业产业的主体主要是国有企业有关，而国有企业的创新动力不强、效率低下一定是与现行体制机制有重要关系，所以本轮上海国资国企深化改革我认为是非常必要的，通过混合所有制改变企业的股权结构与治理机制这是一方面，通过企业管理层薪酬制度改革形成新的激励机制这是一方面，商业模式创新业态创新管理创新又是另外一方面，这三者缺一不可。
3.上海准备的总体战略思路：构建新型产业体系
上海正在确立未来发展成为全球城市的宏伟目标，然而全球城市一定与全球领先的产业发展分不开。我们认为，上海未来产业体系及其结构升级的总体思路应该是围绕建设全球城市的长远目标，以打造具有全球影响力的要素配置中心、科技创新中心为基本途径，以发展新一代科学技术与产业为重要手段，充分发挥市场的主导作用，建立与全球城市地位相匹配的、具有综合性服务平台功能的、新型产业体系。
第一，上海未来的产业体系应当与全球城市的发展目标相一致。全球城市的首要特征就是具有全球领导力，而产业实力是城市领导力的基础。未来上海的产业体系也应当与城市地位相匹配，具有全球领导力和影响力。产业的领导力主要体现在占据全球产业体系的核心地位，具有引领产业发展方向、配置资源要素的能力。产业发展是经济进步的基础，而经济进步又是文化繁荣的根本保证。因此，建设具有全球领导力和影响力的产业体系是建设具有经济硬实力和文化软实力的全球城市的必然要求。
第二，以打造具有全球影响力的要素配置中心和科技创新中心为基本途径，不断提升上海产业的竞争力和领导力。在当今社会，生产要素不仅包括资本、劳动力和土地，信息、技术、人才也成为了不可或缺的资源要素。目前上海城市与产业发展的方向是打造四个中心，产业发展目标在于提升上海在货币资本和商品贸易中的影响力和竞争力。然而，随着新一轮工业革命和“工业4.0”的进一步发展，资本和贸易在产业发展中的地位和作用逐渐下降，信息、技术作为未来产业发展不可或缺的生产要素，越来越发挥着基础性和引领性作用。未来上海产业发展重点应从资本、商品的中心逐渐向信息、技术、人才中心过渡，掌控未来经济和产业发展的基础性要素，从而提升上海产业在全球产业体系的影响力和领导力。同时，科技创新能力是长期保持要素配置能力的决定性因素。打造科技创新中心，与要素配置中心协同发展，以信息、人才配置支持科技创新，以科技创新带动技术要素进一步集聚，共同形成上海未来产业体系的核心竞争力。
第三，以发展新一代科学技术与产业为重要手段，带动上海要素配置中心和科技创新中心的建设。要素配置中心和科技创新中心的建设最主要的是对信息资源、技术资源、基础能源和基础材料的控制，而信息、技术、能源、材料的控制离不开新一代科学技术与产业的支持。发展工业互联物联网为代表的新一代信息产业，为信息资源的获取和交流奠定产业基础；发展大数据技术和云计算技术，为信息的处理和知识的交流搭建良好的平台；以此，构建“工业4.0”即智能互联物联生产系统。加上新能源产业和新材料产业，为整个产业体系的建立奠定能源和材料基础。以此形成未来新型产业体系的基本架构，推动产业的融合发展，创新生产方式，从而吸引和集聚信息资源和科技资源，带动要素配置中心和科技创新中心的建设。
第四，充分发挥市场的主导作用和政府的引导作用。要充分发挥产业升级过程中市场的主导作用，让市场筛选有竞争力的技术和产业价值链环节。相关研究证明，限制政府在资源配置中的作用，更大程度发挥市场作用，对提高整个经济的运行效率具有重要意义，市场应该成为资源配置的决定力量。上海需要通过保障市场的开放性与竞争的公平性，提升市场效率，引领产业结构转型升级，实现未来产业体系的建设。为此，政府的重点是规范与监管，促进市场建立起规范的秩序，结合自身实际和城市发展阶段制定统一的产业结构与空间布局的城市发展规划，做到产业体系与城市发展格局的协调、有序、可持续发展，从而实现产业发展与全球城市发展的协同。
4.上海准备的路径策略：城市与产业协同发展
上海向全球城市的发展是一个长期而漫长的过程，大致可以划分为四个阶段：工业城市阶段、综合性城市阶段、国际城市阶段和全球城市阶段（见图1）。前两个阶段主要体现在三次产业总量的变化：工业城市阶段工业产值比重高；综合性城市阶段第三产业产值比重上升，占据主导。后两个阶段是城市影响力和领导力提升的过程：国际城市是城市逐渐融入世界的一个阶段，在一个或几个领域具有国际影响力，成为国际化大都市；全球城市是城市展现领导力的一个阶段，主要体现在引领城市的发展方向，领导产业的转型升级。全球城市的领导力核心是成为全球的资源要素配置中心和科技创新中心，领导要素分配和技术进步。
目前，上海正处于综合性城市的初期阶段，第三产业比重虽然超过60%，但是地位不稳固，现代服务业的比重还比较低，经济社会正在经历艰难的转型，城市的综合服务能力有待进一步提高。
未来，国际城市和全球城市将成为上海发展的长期方向。然而，上海未来新型产业体系发展与上海城市的发展阶段是紧密相连的，既是城市发展的原动力，同时又受制于城市的发展阶段。因此，未来上海新型产业体系及其结构升级的阶段性目标应充分考虑城市发展阶段的现实，与城市发展阶段的目标相匹配。
上海作为我国最重要的经济重镇，长三角经济带的龙头，能否在本轮新技术革命与新工业革命中顺势而为，尤其在“工业4.0”方面创新领先，在全球科技创新方面，发挥上海的优势，抓住机遇，超越自我，我们充满期待！
