重庆市科学技术研究院 孙怀义，唐云建，余名

作者简介

孙怀义（1965-），男，教授级高级工程师，1988年毕业于哈尔滨工业大学，获学士学位，现为重庆市科学技术研究院信息与自动化技术研究中心副主任，主要研究方向为可靠性设计技术与应用研究。

摘要：本文从工业4.0的概念入手，分析了前三次工业革命对工业发展带来的巨大作用和影响，分析探讨了工业4.0的特点、核心和重点，提出了面对工业4.0，自动化行业在内涵和外延延伸下、在通讯技术、在大数据技术、在物流技术等领域的发展机遇与挑战，以与同行探讨。

关键词：通讯；大数据；可靠性；安全性；物流；工业4.0

1　引言

2015年制造业最热的名词之一就是“工业4.0”。“工业4.0”是德国联邦教研部与联邦经济技术部在2013年汉诺威工业博览会上提出的概念。汉诺威工业博览会（HANNOVER MESSE）始创于1947年8月，经过半个多世纪的不断发展与完善，已成为当今规模最大的国际工业盛会，被认为是联系全世界技术领域和商业领域的重要国际活动。“工业4.0”概念一经提出在欧洲乃至全球工业业务领域都引起了极大的关注和认同。

工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴资源。其技术基础是网络实体系统及物联网。

工业4.0简单说就是第四次工业革命，也可简称为智慧工业，或者简称网络化工业革命，它描绘了制造业的未来愿景，提出继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术等三次工业革命后，人类将迎来以信息物理融合系统(CPS)为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。西门子作为德国最具代表性的工业企业以及全球工业业务领域的创新先驱，也是“工业4.0”概念的积极推动者和实践者。第四次工业革命（工业4.0）就是将网络技术融于工业生产全生命周期。准确地说就是：从售前服务、到采购、到生产、到销售、到售后服务全部在网络上实现。工业4.0充分利用物联网技术和信息技术成果，推动工业实现跨越式发展。

第一次工业革命和第二次工业革命发生时，中国一直处于闭关自守的封建社会，错失了两次工业革命给国家发展带来的重大机遇，但所幸第三次工业革命爆发时，新中国成立，尽管当时中国的工业还十分弱小，但我国领导人和科技界前辈没有错失这次机会，使得中国的工业从无到有，从小到大，从弱到强，特别是四个现代化的提出和实施，使得我国的工业得到高速稳健的发展，极大的缩小了与发达国家的差距。第四次工业革命来临，对中国的工业发展既是挑战，也是机遇，赶超世界先进水平成为可望也可及的目标。

用通俗易懂的语言描述，工业4.0就是将分散在不同公司的人、物、系统连接起来。准确把握前三次工业革命的核心和根本，有助于更加准确的熟悉和理解工业4.0。

1.1　第一次工业革命

第一次工业革命是18世纪从英国发起的技术革命，是技术发展史上的一次翻天覆地的变革性革命，它首次实现了人类梦寐以求的以机器代替手工工具实现工业生产的梦想。第一次工业革命以工作机的诞生为开端，以发明的蒸汽轮机作为动力机被广泛使用为标志。第一次工业革命可以简称为机械化革命。

第一次工业革命从生产技术方面来看，就是使部分工业生产由机器代替手工劳作；从社会关系来看，第一次工业革命使得依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了，小作坊和分散式手工业被大工厂式工业所代替，形成了两个新的阶层：工业资产阶级（资本家）和工业无产阶级（工人）。毋容置疑的是，这次革命，是生产方式实现质的飞跃，不仅仅解放了生产力，还极大地提高了劳动效率，显然更是一场生产关系的重大革命。本次革命使得生产力极大的提高；资本主义经济得以迅速发展；工业结构发生了根本性变化，同时还给社会形态带来了革命性变革，逐渐地形成了资本主义的世界体系，封建社会和以前的社会制度只能无可奈何花落去，让位给资本主义社会。

1.2　第二次工业革命

正是因为第一次工业革命形成的资本主义社会形态，有力地促进了科学技术的飞速发展，在19世纪自然科学研究工作取得重大进展，由此产生的各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，有力地促进了经济的发展。在19世纪六七十年代，陆续出现了一系列电气发明，标志性的是发电机的发明，使得电力广泛应用成为可能，随即电话机、电灯、电车、电钻、电焊机等电气产品如雨后春笋般地涌现出来，早期的汽车、飞机等也陆续被推出，这标志着第二次工业革命正式来临。

第二次工业革命同第一次工业革命相比，具有以下三个特点：

首先，在第一次工业革命时期，许多技术发明都来源于工匠的实践经验，科学和技术尚未真正结合；而在第二次工业革命期间，自然科学的新发展，开始同工业生产紧密地结合起来，科学地推动生产力发展方面发挥了更为重要的作用，它与技术的结合使第二次工业革命取得了巨大的成果。

其次，第一次工业革命首先发生在英国，重要的新机器和新生产方法主要是在英国发明的，其他国家工业革命发展相对缓慢；而第二次工业革命几乎同时发生在几个先进的资本主义国家，新的技术和发明超出了一国的范围，其规模更加广泛，发展也比较迅速。

第三，第二次工业革命开始时，有些主要资本主义国家如日本尚未完成第一次工业革命，对它们来说，两次工业革命是交叉进行的。它们既可以吸收第一次工业革命的技术成果，又可以直接利用第二次工业革命的新技术，这些国家的经济发展速度也比较快。

毫无疑问，第二次工业革命对工业的影响是十分巨大和深远的，主要体现在如下四个方面：

首先，新能源的大规模应用，如电力，煤炭等，这些新能源直接促进了重工业的大踏步前进，使大型的工厂能够方便廉价地获得持续有效的动力供应，进而使大规模的工业生产成为可能，并为之后的经济垄断奠定了基础。

其次，内燃机的发明解决了长期困扰人类的动力不足的问题。内燃机的发明又促进了发动机的出现，发动机的发明又解决了交通工具的问题，推动了汽车、远洋轮船、飞机的迅速发展，使人类的足迹遍布了全世界，也让各个地区的文化、贸易交流更加便利。

第三，通讯工具的发明。自从19世纪70年代美国人贝尔发明了电话之后，人与人之间的交流就不再局限于面对面的谈话。

最后，化工业的迅猛发展。炸药的发明，大大促进了军工业的进步，并最终导致第一次世界大战的爆发。从煤炭中提取各种化合物、塑料、人造纤维先后被投入实际生活。

第二次工业革命使得人类开始通过科学研究来获得纯粹的知识，然后又反过来再将所获得的理论知识付之于实际应用，促进了工业的飞速发展。显而易见，第二次工业革命可以简称为电气化革命。

1.3　第三次科技革命

第三次科技革命是人类文明史上继机械化革命和电气化革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。它以原子能、电子计算机和空间技术的广泛应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。这次科技革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，也影响了人类的生活方式和思维方式，使人类社会生活和生存方式的现代化向更高境界发展。正是从这个意义上讲，第三次科技革命是迄今为止人类历史上规模最大、影响最为深远的一次科技革命，是人类文明史上不容忽视的重大事件。

有专家认为，第三次科技革命之所以首先在美国兴起，绝非偶然现象，而有其客观必然性。这集中表现在两个方面：一是由于第二次世界大战后初期美国拥有雄厚的物质基础、众多优秀的科技人才、蓬勃向上的民族创新精神、优越的地理环境和巨大的市场容量等方面的优势，为第三次科技革命首先在美国兴起创造了前提条件和可能性；二是战后以来，美国政府高度重视科技，积极采取措施推动科技事业的发展，直接促成第三次科技革命首先在美国兴起。同时还应注意到美国当时具备如下条件：技术条件——在思维技术方面，美国的实用主义哲学开始形成；实验技术以军民结合、理工结合为特色；生产方面以电力技术和航空技术领先。物质条件——美国有优越的自然资源和人力资源，国内市场广大，有利于规模生产；制度条件——美国是第一个资产阶级民主宪政国家；文化条件——美国人来自世界各地，融合了各民族的文化传统；二次大战前后涌入一批优秀的欧洲科学家，如爱因斯坦、冯·诺伊曼等；建立了各种学会组织，科研体制多元化；美国在二战中，利用战争的交往形式，争夺到最多的科技人才，带动本国人才的培养，因而受益最丰。因此可以认为，第三次工业革命源于美国具有一定的合理性和必然性。

第三次工业革命发生时间在20世纪50年代中期至70年代初期达到高潮，70年代以后进入一个新阶段。

第三次工业革命的特点可以简单的归结为科学化、群体化、智能化、高技术化和产业化。因此第三次工业革命可以简称为智能化革命。

第二次世界大战对军工技术的刺激，有力地推动科学技术研究的高速发展，随着二战的结束，各种先进技术应用于工业领域，极大地推动和促进了第三次科技革命的兴起。

第三次工业革命对世界经济发展产生了巨大的影响，主要表现在：它引起生产力各要素的变革，使劳动生产率有了显著提高；不仅加强了产业结构非物质化和生产过程智能化的趋势，而且引起了各国经济布局和世界经济结构的变化；第三次科技革命以其丰富的内容使管理发展为一门真正的科学，并实现了现代化。

第三次科技革命不仅带来了物的现代化，引起劳动方式和生活方式的变革，而且也造就了一代新人与之相适应，使人的观念、思维方式、行为方式、生活方式逐步走向现代化。

由于电子计算机的发明和广泛使用，以及各种“人—机控制系统”的形成，实现了生产、办公和家庭生活的自动化（即所谓的“三A”革命），预示着人类社会将从机械化、电气化的时代进入到另一个更高级的自动化时代；空间技术和海洋技术的发展标志着人类社会已从被束缚于地球表面的“地球居民”时代进入一个远为辽阔的陆海空立体新时期；基因重组技术、结构化学和分子工程学的进展使人类获得了主动创造新生物和新生命的创造力，标志着人类正在由“必然王国”一步步走向“自由王国”。

随着网络技术的大规模介入工业生产，随之而来的工业第四次革命将再次引起工业生产的大变革，从而推动人类生产生活更加美好。

2　工业4.0的特点

我国欲在第四次工业革命中占得先机，必须准确把握第四次工业革命的基本特点，分析在技术层面和产业发展层面即将面对的挑战，把握带来的机遇，严密策划，才能最大限度地发挥此次革命给工业发展带来的机遇，为实现《中国制造2025》宏伟蓝图铺平道路。

工业4.0的特点可以概括为五点：互联、数据、集成、创新、转型。

互联：工业4.0的核心是连接，要把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地联系在一起。因此工业4.0的首要特点是互联，而当今互联网十分发达，为工业4.0的来临打下了坚实的技术基础。

数据：工业4.0必然带来产品数据、设备数据、研发数据、工业链数据、运营数据、管理数据、销售数据、消费者数据等等。这些庞大的数据如何发挥重大作用，将会更进一步促进大数据技术的飞速进展。

集成：工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式中端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络。通过这个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器、以及服务与服务之间，能够形成一个互联，从而实现横向、纵向和端到端的高度集成。这种程度的集成将会使工业与民生，工业与人更紧密结合，对技术和市场的推动作用十分巨大。

创新：工业4.0的实施过程是制造业创新发展的过程，制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新，将会层出不穷，从技术创新到产品创新，到模式创新，再到液态创新，最后到组织创新。中国正在实施大众创业万众创新战略，无疑更有利于工业4.0在中国的全面深入推广。

转型：对于中国的传统制造业而言，转型实际上是从传统的工厂，从2.0、3.0的工厂转型到4.0的工厂，整个生产形态上，从大规模生产，转向个性化定制。实际上整个生产的过程更加柔性化、个性化、定制化，这是工业4.0非常重要的特征。由于中国错失第一次、第二次工业革命给工业带来的巨大发展，第三次工业革命时中国处于建国初期，到目前为止，中国的工业仍然参差不齐，大批的工业需要转型升级，只有转型升级才能更好地迎接工业4.0带来的重大发展机遇。

3　工业4.0的核心与重点

工业4.0核心是生产系统必须和底层的设备融合成一个整体，所有的设备的运行状态都能采集上来，并通过上层信息系统的智能分析，来告诉企业底层的设备应该如何运行，最终实现无人控制。因此可以概括为两大核心主题：智慧产品和智慧工厂。

智慧化是科学技术在发展进程中先进信息技术与工业不断完美结合的一个过程，在这个过程中，不断更新的信息技术起着决定作用。智慧产品有唯一的特征被识别，在任何时候都能被定位，我们知道它的发展历程，了解它当前状况，以及实现其目标状态的方式。从通过出口物流下订单的那一刻起，纵向与工厂和公司业务流程联网，横向连接则可实时管理衍生价值体系，这二者共同构建了嵌入式制造系统。此外，这些指令都要求启用终端间工程（模式）流经整个价值链。智慧产品不仅能够实时采集整个生产链必须的各种信息，还需要能够自主做出决策，根据生产需要提供仅需的信息。智慧产品必将给工业产品带来划时代的革命。

智慧工厂是一种高能效的工厂，它必须拥有基于高科技的、适应性强的、符合人体工程学的生产线。智慧工厂的目标是整合客户和业务合作伙伴，同时也能够制造和组装定制产品，而且未来的智慧工厂将在生产效率和安全性方面具有更大的自主决策能力。工业4.0更多的是依靠机器进行工作并解释数据，而不是依靠人类的智慧。当然，人的因素仍然不可忽视，但人更多地是起到控制、编程和维护的作用，而不是在车间进行作业。工业4.0不仅使工厂生产实现自动化，更重要的是在生产过程中，能够自主决策，自主指挥生产，这使得工厂自动化进入到智慧化工厂的层次，给工业生产带来历史性变革。

工业4.0的最大特点是制造业中所有参与者及资源的高度社会技术互动。互动主要围绕制造资源网络（制造机械、机器人、输送机和仓储系统及生产设施）进行，这些网络独立自主，在不同情况下能自我管理，自我配置，还装备了传感器，分散安装，并融入了相关规划及管理系统。作为这一愿景的关键组成部分，智慧工厂将被纳入公司内部价值网络，它的特点是包括制造过程和制造产品的端对端工程，实现数字和物理世界的无缝衔接。智慧工厂将使复杂的制造流程便于管理，并能同时确保生产过程的吸引力、生产效益以及工厂在市区环境的可持续性发展。

工业4.0的核心必然给产品生产提出了更高的要求，相应的必须在可靠性技术、安全性技术、网络通讯技术、大数据挖掘技术、物流管控技术五位一体展开全方位的研究和提升，赋予产品、生产过程、管理智慧化的内涵。这五大技术的研究成果决定了工业4.0能否顺利推广实现，因而成为工业4.0毋容置疑的重点内容。

4　工业4.0给自动化行业带来的机遇与挑战

中国从政府层面正在积极推动工业4.0，但是大家要认识到国内从工业2.0、3.0时代跨越到工业4.0时代，会是一个长期的艰巨的过程，技术支撑面临的挑战巨大，还需要加倍努力，但同时也是一个传统企业向智能企业转型的红利十年，企业转型需要大量的技术、人力以及相关部门的参与。所以，为企业转型提供咨询、管理、技术、设备、商业模式设计以及培训等，技术市场机遇巨大。

对于自动化行业来说，工业4.0在技术层面提出了更高的要求，但也带来了巨大的发展机遇，简要分析如下。

4.1　工业4.0使自动化行业的内涵和外延得以延伸

首先工业4.0使得自动化系统内部的横向连接更加广阔。通过全集成自动化、集成架构等统一平台将控制、驱动、低压配电等系统深度集成，在单一的编程环境中为可扩展运动和机器控制提供集成的平台。这种集成可减少需要储存的备件数量，而控制平台的开放性则可确保与第三方组件轻松集成。此外，在每台机器上使用的可视化及信息软件需实现标准化处理方式。

其次工业4.0拓展了与下层现场传感和数据采集层及上层企业管理系统的纵向连接。

从机器运行和能源使用到变量处理和材料使用，在生产过程的每个环节中，控制器、传感器及其它设备均会产生大量数据。来自生产车间的数据在几年之内就会在数量上超过公司产生的业务数据。即便是现在，也有大量的此类数据正在通过现场的PLC进行分析。当务之急乃是将所有来自各工厂运行系统不断剧增的数据与来自业务应用的信息相结合，从而打造运营智能，尤其是远程维护解决方案和基于云技术的服务，以应对持续增加的围绕数据分析的服务需求。如远程状态监测可以对个别部件的运动进行分析或对整个驱动链实施在线连续监测。

内涵和外延的延伸，给自动化行业市场拓展带来了更大的空间。但同时要求产品具有更高的可靠性、安全性，要求产品具有智慧化的能力，因为在技术层面提出了更大的挑战。

4.2　工业4.0在通讯领域给自动化行业带来的机遇与挑战

工业4.0将使在平板电脑或智能手机上访问生产数据成为现实，信息和工厂员工通过网络实时通讯实现“移动”并随时随地访问应用程序，很多情况下需要使用云技术处理和存储来自各地的数据，又要在各地实时地使用这些数据。移动技术让人变得机动灵活，人们可以随时随地与任何相关人事联系，可以与全球同事交流分享经验知识、解决业务问题。不管技术专家身在何处，呼叫中心代表都可以实时向其咨询问题，而专家本人也可以随地访问世界上任意地点的设备服务历史以及其它装置的历史，还能够核对工厂更新和其它咨询。

实现工业4.0，必须充分利用智能化网络技术的优势，借助统一网络基础设施，来实现工厂内所有设备彼此之间的相互通信。显然，网络交换设备将得到更广泛的应用。独立IP的应用可以使产品和设备具备可识别的独立身份、便于追踪、定位和监测。此外，标准通讯可使更多的数字设备融入生产线网络，如摄像机、RFID读卡器、数字平板、安全磁卡等，以提高生产管理的精细化。

工业4.0的实施带来了十分庞大的通讯数据，如何实现如此庞大的数据的实时通讯，通信过程相互干扰如何解决，在通讯容量有限的情况下如何进一步拓展等等，在通讯技术和通讯产品领域不仅带来技术发展和市场拓展机遇，更多的是带来了技术突破的挑战。

4.3　工业4.0在大数据领域给自动化行业带来的机遇与挑战

过去自动化行业实施的自动化控制是单一的对某个生产过程实施自动化控制，数据量有限，但工业4.0要求的是对整个产品生命周期的控制，因此涉及采购、制造过程、售后服务等环节，涉及的数据不仅仅局限于生产过程采集的信息，还包括元器件、零部件的远程信息、销售信息、售后服务信息等。数据量十分庞大。这些数据信息如何才能更好地发挥其作用，更多地为其它领域提供服务，对数据采集产品、数据存储产品、数据通讯产品、数据处理产品带来了更大的市场机遇，但如何确保如此庞大的数据信息通讯的安全性和实时性，如何拓展数据服务范围，也给技术实现带来了巨大的挑战。

4.4　工业4.0给物流自动化带来的机遇与挑战

工业4.0将网络通讯技术融于产品全生命周期，给采购和物流带来革命性变革，采购人员实施采购只需要登录工业4.0整合的信息平台，手指点动即可完成。但采购的物资必须由物流公司完成传送。物流公司必须在信息平台上接单并完成相应的工作，为了高效实现上述要求，物流自动化成为必然的解决途径，自动化行业引来物流自动化这一新的自动化领域。实现物流自动化，在物品识别技术、物品存储期间保质技术、运送过程安全性和实时性技术等方面面临巨大的挑战。

5　结语

在中国实施工业4.0，对自动化行业来说，不仅在技术发展和市场拓展方面带来了巨大的机遇，但在解决技术方面也同时面临巨大的挑战。可靠性技术、安全性技术、大数据处理技术、通讯技术、物流技术等领域必将迎来新一轮技术研发和应用热潮。

实现《中国制造2025》，使中国由制造大国成长为制造强国，自动化行业同仁任重而道远。笔者水平所限，所掌握的资料也不充分，所述观点未见全豹，供同行参考。

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摘自2016年《今日自动化技术应用在中国》