当下，以工业4.0为纲领的第四次工业革命正在兴起。工业4.0以及它的核心——信息物理系统CPS引起了工业技术界愈来愈多的关注。我国近年来所提出的“信息化带动工业化、工业化促进信息化，走新型工业化道路”的两化融合工业发展方针与工业4.0纲领异曲同工，如出一辙。本讲座分为四讲：分别是：第一讲：工业革命与工业4.0；第二讲：信息物理系统（CPS）——新工业革命的基础；第三讲：两化融合系统——工业企业信息化集成系统；第四讲：构建工业4.0的系统集成技术。通过对工业4.0与两化融合相关技术的介绍希望抛砖引玉，引出新工业革命实践中实实在在的成果。

1　工业革命

1.1　第一次工业革命

人类历史进入18世纪，在欧美一些主要资本主义国家先后发生了以机器生产取代手工劳动的一系列重大变革。对人类的贡献最大、最能代表时代特征的是蒸汽机的发明和使用。它利用热能、为机械供给推动力，结束了人类对畜力、风力、水力的依赖，把人类带入了“蒸汽时代”，是人类认识和利用自然力的一个巨大进步。蒸汽机成为对人类影响最大的发明创造。

第一次工业革命从英国发起，它开创了以机器代替手工劳动的时代。这不仅是一次技术改革，更是一场深刻的社会变革。第一次工业革命以工作机的诞生开始，以蒸汽机作为动力机广泛使用为标志。工厂制代替了手工工场，机器代替了手工劳动，第一次工业革命大大加强了世界各地之间的联系，改变了世界的面貌。

1785年，瓦特制成的改良型蒸汽机投入使用，提供了更加便利的动力，得到迅速推广，极大推动了机器的普及和发展。瓦特蒸汽机是大工业普遍应用的第一动力机，它取代了在生产过程中动力提供者——人。同时一台蒸汽机推动许多台工具机形成有组织的机器体系，从而产生了工厂，导致了工业革命或产业革命。人类社会由此进入了“蒸汽时代”。随着工业生产中机器生产逐渐取代手工操作，传统的手工业无法适应机器生产的需要，为了更好地进行生产管理，提高效率，资本家开始建造工房，安置机器雇佣工人集中生产，这样，一种新型的生产组织形式——工厂出现了。工厂成为工业化生产的最主要组织形式，发挥着日益重要的作用。机器生产的发展，促进了交通运输事业的革新，为了快捷便利地运送货物、原料，人们想方设法地改造交通工具。美国人富尔顿制成的以蒸汽为动力的汽船试航成功。英国人史蒂芬孙又发明了蒸汽机车。这些重大的机器发明推动人类文明进入了第一次工业革命。第一次工业革命的主要特点从制造的视角看，就是机械化。

1.2　第二次工业革命

第二次工业革命以电力的发明与应用开始。1871年法拉第电磁定律的发现奠定了发明电力的基础，1878年，爱迪生发明了商业普遍应用的双极发电机，并提出公共供电系统计划，次年，爱迪生制造出了白炽电灯，进而出现了完全新型的电力工业。接着又出现了长距离的输电线路。于是电器开始代替机器，电力成为替代以蒸汽机为动力的新能源。随后，电车、电影放映机相继问世，人类进入了“电气时代”。

19世纪七八十年代，以煤气和汽油为燃料的内燃机相继诞生，90年代柴油机创制成功。内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。80年代德国人卡尔?弗里特立奇?本茨等人成功地制造出由内燃机驱动的内燃汽车。洋轮船、飞机等也得到了迅速发展。内燃机的发明，推动了石油开采业的发展和石油化工工业的生产。

19世纪70年代，美国人贝尔发明了电话，90年代意大利人马可尼试验无线电报取得成功，都为迅速传递信息提供了方便。世界各国的经济、政治和文化联系进一步加强，世界的面貌因工业革命而改变。

电气化开启了新的工业革命。从制造的视角看，第二次工业革命就是电气化+机械化。

1.3　第三次工业革命

第三次工业革命始于IT技术，在世界范围内，工业领域广泛应用电子技术、通信技术与IT技术，自动化生产线上应用了可编程逻辑控制器（PLC）；机器不光由电力驱动，代替人的劳动，还带上了电脑，装上了微处理器，具有了人脑的某些功能。此后又出现了智能电子装置IED（Intelegent Electronic Devices）。制造业在IT技术的推动下，实现了全自动化及全过程的信息化。曾经风靡一时的CIMS制造推动了工业领域的大变革。

IT技术进入工业生产，与生产有关的企业部门中集成地用电子数据处理：包括了在生产计划和控制、计算机辅助设计、计算机辅助工艺规划、计算机辅助制造、计算机辅助质量管理之间信息技术上的协同工作，其中为生产产品所必需的各种技术功能和管理功能都可集成地实现。

从企业系统到制造控制系统都在采用计算机装置与系统。以计算机为基础的DCS控制器遍布流程工业生产线，PLC和IED遍布在离散制造生产线上，地理上分散的大型监控系统——SCADA（Supevisory Control And Data Aquisision）系统进入电力、输油、输气等关乎到社会的重大经济领域。工业生产的面貌由于IT技术的促进发生根本变化。工业与信息化在深度融合，企业管理系统与计算机制造控制系统被集成在一起。工业过程由于IT技术的加入产生了革命性变化。第三次工业革命在机械化、电气化的基础上由于信息技术的促进而实现。从制造的视角看，第三次工业革命就是IT+电气化+机械化。

1.4　第四次工业革命纲领——工业4.0

自从70年代以来，通信技术与信息技术（ICT）成为第三次工业革命发展的灵魂。在一些工业发展较快的国家，ICT大约支撑了90%的工业制造过程。IT革命给我们的生活和工作带来了根本性变革。

近年来，从个人电脑到智能设备的演进，越来越多的IT基础设施和服务正在由智能网络（云计算）提供。出现了以下发展趋势：

比以往任何时候都更加小型化的设备与势不可挡的互联网相结合，使无处不在的计算成为现实。

功能强大的、自主的微型计算机（嵌入式系统）正越来越多地相互间互联或与互联网以无线方式互联，正在实现所谓“无处不连接”。

这一发展主流正在导致实体物理世界与虚拟网络世界（cyberspace）以虚拟网络——实体物理系统（CPS）的方式相融合。继2012年推出新的互联网协议IPv6，现在已有足够的地址使智能对象间通过互联网大范围直接互联。技术的发展，使工业制造进入了互联网时代。

2013年，德国联邦教研部与联邦经济技术部在汉诺威工业博览会上提出了一个崭新的概念——“德国工业4.0”，人类社会从此步入了工业4.0时代。工业4.0是一个德国政府提出的高科技战略计划，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，预计投资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之间的资源。中国首套工业4.0流水线也已亮相第十六届中国工业博览会。工业4.0进入中德合作新时代，中德双方签署的《中德合作行动纲要》中，明确提出工业生产的数字化就是“工业4.0”，对于未来中德经济发展具有重大意义。

德国人在工业4.0的纲领中提出：第四次工业革命就是第三次工业革命的成果上再加上互联网技术。“the introduction of theInternet of Things and Services into the manufacturing environment isushering in a fourth industrial revolution”，物事互联网与服务互联网引入制造业引发了第四次工业革命。

必须说明这里所要求的互联网是：“Things and Services”的互联网，Things可认识为物和事情，或曰“物事”，Services泛指一切服务。所以，第四次工业革命首先要建设“物事互联网”与“服务互联网”（简称：“物联网”和“务联网”英文缩写为：IoT和IoS）。这意味着有史以来第一次将资源、信息、物事、人和对这一切的服务进行互联。在the Internet of Things and Services的支持下革新、改造整个工业及制造业。制造业中的智能机器、存储系统和生产设施将融入the Internet of Things and Services中。当制造业加（+）互联网，或互联网加（+）制造业，使工业制造的面貌发生巨变，制造业被互联网连接在世界范围内进行，互联网思维进入了制造业实体经济。

第四次工业革命从制造的视角看就是“机械化+电气化+IT+互联网”，如图1所示。

图1 工业四次革命的发展历程

2　工业4.0新工业革命的特点

目前，工业4.0仅仅是新工业革命的发展纲领，但刚刚出现就产生了极大的影响力。

首先，“工业4.0”概念包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。

在这种模式中：

传统的行业界限将消失，产生各种新的活动领域和合作形式；创造新价值的过程在发生改变，产业链分工将重组。

工业4.0描绘了制造业的未来愿景，提出人类将迎来以信息物理系统（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。

第四次工业革命的兴起、发展以及它的核心特征有以下五个方面：

（1）工业4.0的核心是通过IoT和IoS支持的CPS实现四个“智能”。

通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统相结合的手段，促成信息物理系统（Cyber-Physical System)的实现、将制造业向智能化转型。“工业4.0”项目主要分为四大主题：

一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现。

二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D打印技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者。

三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网（IoT）、务联网（IoS），整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。

四是“智能产品”，新工业革命时代，工业产品是智能产品。

工业4.0的CPS系统将实现四个智能化：

第一，通过价值网络的横向集成实现世界范围的智能制造。

第二，实现IoT和IoS支持的智能工厂。

第三，实现智能生产线，如图2所示。

第四，生产出源源不断的智能工业产品。

图2 在物联网与务联网支持下的智能生产线

（2）工业4.0的基础是从底层的制造系统发起。

近年来，新一代信息通信技术的发展，催生了移动互联网、大数据、云计算、智能工业可编程控制器等的创新和应用，推动了制造业生产方式和发展模式的深刻变革。在这一过程中，尽管德国拥有世界一流的机器设备和装备制造业，尤其在嵌入式系统和自动化工程领域德国更处于领军地位，但德国工业面临的挑战及其相对弱项也显而易见。互联网技术是德国工业的相对弱项。

为了保持作为全球领先的装备制造供应商以及在嵌入式系统领域的优势，面对新一轮技术革命的挑战，德国推出“工业4.0”战略，其目的就是充分发挥德国的制造业基础及传统优势，大力推动物联网和服务互联网技术在制造业领域的应用，形成信息物理系统（CPS），以便在向未来制造业迈进的过程中先发制人，与美国争夺新一轮工业革命的话语权。

美国是利用互联网优势，向未来制造业进军。而德国是基于制造业基础，向未来互联网融合。

实施“工业4.0”战略是积极应对新一轮工业革命，争夺国际竞争力和话语权的重要举措。为此，德国的“工业4.0”战略详尽描绘了信息物理系统（CPS）的概念。希望利用CPS系统，开创新的制造方式，通过传感器物联网紧密连接物理现实世界，将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中，从而实现“智能工厂”，使得在生产制造过程中，设计、开发、生产有关的所有数据都将通过传感器采集并进行分析，形成可自律操作的智能生产系统。

从某种意义上说，“工业4.0”是德国希望阻止信息技术不断融入制造业之后所形成的支配地位。一旦制造业各个环节都被云计算接管，那么制造业还是制造业吗？所以，“工业4.0”希望用“信息物理系统”升级“智能工厂”中的“生产设备”，使生产设备因信息物理系统而获得智能，使工厂成为一个实现自律分散型系统的“智能工厂”。那时，云计算不过是制造业中的一个使用对象，不会成为掌控生产制造的中枢。

事实上，全世界工业发展的历史表明，工业发展是由生产现场、生产设备、生产线、生产的控制系统、生产的监控系统及信息化系统来决定的，其中的IT技术包括云计算只是其中的内涵部分。本质上讲，新工业革命应该是从大地上奠基而起，不应该是从云端降落。工业4.0开启了正确的发展方向。

（3）工业4.0采用新的生产模式。

工业4.0不再是以大规模生产模式，而是定制化生产，是可以盈利的小规模甚至极小量产品、个性化产品的生产模式。由数字网络、数字化的自动生产线支持，由于生产可实现动态配置，整个生产流程支持自律的生产设备，支持智能产品在流程中的定制与修改，生产方式更加灵活，传统的大规模生产才可盈利的模式被数字化与智能化打破。

（4）工业4.0将满足现代社会对工业革命的要求，意义非常深远。

如同前三次工业革命一样，新的工业革命必然要解决全社会对工业的新要求。新工业革命将应对并解决当今世界所面临的一些挑战，如资源和能源利用效率，城市生产和人口结构变化等。工业4.0使资源生产率和效率增益不间断地贯穿于整个价值网络，它使工作的组织考虑到人口结构变化和社会因素。

智能辅助系统将工人从执行例行任务中解放出来，使他们能够专注于创新、增值的活动。由于智能生产与智能工厂的发展，引发技术工人短缺问题，也将允许年长的工人延长其工龄，保持更长的生产力。灵活的工作组织使得工人能够将他们的工作和私人生活相结合，并且继续进行实现更好的平衡。

工业4.0的实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感的目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤。员工能够专注于创新性和高附加值的生产活动。他们将在智能生产线上、智能工厂里，保持其关键作用，特别是在质量保证方面。与此同时，灵活的工作条件，将在他们的工作和个人需求之间实现更好的协调。

（5）工业4.0更注重人在智能生产中的作用。

工业4.0是从生产、制造的实体经济产生的革命，而不是由信息的虚拟云中产生的推动。工业4.0与生产的工作组织和工厂劳动力的素质密切相关。通过工作组织和能力发展计划相结合，人与技术系统之间的互动合作将为企业提供新的机会，将人口变化转化为自身优势。面对熟练劳动力的短缺和日益多样化的劳动力（如年龄、性别和文化背景），工业4.0将提供灵活多样的职业路径，让人们的工作生涯更长，并且保持生产能力。使用CPS的公司更加灵活的工作组织模式，意味着它们可以很好地满足员工不断增长的需求，让员工在工作与私人生活之间，以及个人发展与持续的职业发展之间实现更好的平衡。使用CPS的公司在招聘最优秀员工方面将具备明显优势。创新不仅聚焦在克服技术难题上，由于员工在执行与吸收技术创新中起到关键作用，因此，创新的范围应扩展到包括工作与员工技能的智能组织。随着开放虚拟工作平台与人机交互系统的广泛使用，员工的角色会发生很大变化。工作内容、工作流程和工作环境会发生转变，同时导致在工作灵活性、工作时间规章、医疗保健、人口学和人们业余生活方面产生影响。

在工业4.0时代，工作性质很可能将在管理复杂局面、抽象工作与解决问题方面对所有的劳动力提出更高的要求。员工需要有更强的主观能动性、极好的沟通能力、组织自身工作的能力，简单说，就是对员工的主观能力和潜力提出了更高的要求。同时，也会在丰富的工作内容、更有趣的工作环境、很好的自主性和个人发展方面提供更多机会。

智能工厂将创建一个新的工作文化环境来满足劳工人员的利益。采用合适的工作组织和设计模型将至关重要，这种组织模型可以将高度的个人责任感、自主权与分散的领导和管理方法相结合，让员工拥有更大的自由来做出决定，更多地参与和调节他们自己的工作量，同时又能支持灵活的工作安排。技术可用于完全不同的工作，系统可以对一个人工作的微小细节设置严格的控制，或者它们可以配置一个开放的信息来源，员工以此为基础做出自己的决定。工业4.0中，将持续的职业发展措施与技术、软件进行紧密配合，提供一个单一的、连贯的解决方案。解决方案为整个价值链的员工和（或）技术操作系统之间提供智能、合作、自我组织的相互协调机制。工业4.0的智能工厂将被配置为高度复杂的、动态的和灵活的系统。工厂里被授权的员工将充当决策者和控制者，这一点是工业4.0的重要特征。在工业4.0框架下，技术发展目标和工作组织模式应该根据具体的经济和社会条件一起建立和配置。建立灵活的制造业组织模式是必要的，可以在员工的工作和私人生活之间建立清晰的边界，使他们达到现实的工作和生活的平衡。在这种背景下可以为创造良好公平就业和工作人员的安全提供标准和途径。这一战略包含一个拥有参与权、共同决策和培训机会的以员工为本的组织设计。尽管如此，它仍能满足全球竞争力的要求和更大灵活性的需要，如图3所示。

图3 CPS智能辅助系统对员工的辅助功能

由上可见，工业4.0非常重要的变革始于工厂、始于生产线、始于工作组织以及新的工作关系。工业4.0是真正的以人为本的系统，这是工业4.0“脚踏实地”的根本所在。

工业4.0对智能产品提出了一个重要的战略目标：“更好，而不是更便宜”（Better but not cheap）。这就确保了“好的工作”、“技术创新”和“职工共同决策”三方面在工业4.0背景下并不相排斥；相反，使得在智能生产线上生产出的高质量智能产品得到市场的认可，物有所值，甚至使得困扰电商的假冒伪劣得到根治。

总结起来以工业4.0为纲领的新工业革命与旧的工业有许多新发展：

（1）工业4.0将在制造领域的所有因素和资源间形成全新的社会——技术互动水平。它将使生产资源（生产设备、机器人、传送、装置、仓储系统和生产设施）形成一个循环网络，这些生产资源将具有以下特性：自主性、可自我调节以应对不同形势、可自我配置、基于以往经验、配备传感设备、分散配置，同时，它们也包含相关的计划与管理系统。

（2）作为工业4.0的一个核心组成，智能工厂将渗透到公司间的价值网络中，并最终促使数字世界和现实的完美结合。智能工厂以端对端的工程制造为特征，这种端对端的工程制造不仅涵盖制造流程，同时也包含了制造的产品，从而实现数字和物质两个系统的无缝融合。智能工厂将使制造流程的日益复杂性对于工作人员来说变得可控，在确保生产过程具有吸引力的同时使制造产品在都市环境中具有可持续性，并且可以盈利。

（3）工业4.0中的智能产品具有独特的可识别性，可以在任何时候被分辨出来。甚至当它们在被制造时，它们就可以知道整个制造过程中的细节。在某些领域，这意味着智能产品能半自主地控制它们生产的各个阶段。此外，智能产品也有可能确保它们在工作范围内发挥最佳作用，同时在整个生命周期内随时确认自身的损耗程度。这些信息可以汇集起来供智能工厂参考，以判断工厂是否在物流、装配和保养方面达到最优，当然，也可以应用于商业管理应用的整合。

（4）在未来，工业4.0将可能使有特殊产品特性需求的客户直接参与到产品的设计、构造、预订、计划、生产、运作和回收各个阶段。更有甚者，在即将生产前或者在生产的过程中，如果有临时的需求变化，工业4.0都可立即使之变为可能。当然，这就会使生产独一无二的产品或者小批量的商品仍然可以获利。

（5）工业4.0的实施将使企业员工可以根据形势和环境敏感的目标来控制、调节和配置智能制造资源网络和生产步骤。员工将从执行例行任务中解脱出来，使他们能够专注于创新性和高附加值的生产活动。因此，他们将保持其关键作用，特别是在质量保证方面。与此同时，灵活的工作条件，将在他们的工作和个人需求之间实现更好的协调。

（6）工业4.0的实施需要通过服务水平协议来进一步拓展相关的网络基础设施和特定的网络服务质量。这将可能满足那些具有高带宽需求的数据密集型应用，同时也可以满足那些提供运行时间保障的服务供应商，因为有些应用具有严格的时间要求。

作者简介

魏晓东，1967年天津大学精仪系毕业。1984~1991任安徽工业大学自动化系副教授。1991出版《分散型控制系统》（上海科技文献出版社）。2000-2012任北京和利时系统工程公司副总工、事业部总设计师，北京地铁13号线、深圳地铁一期工程、广州地铁3号线综合监控系统工程技术总负责人。2006、2010年出版《城市轨道交通自动化系统与技术》初版与第二版（电自工业出版社）；2010年主编国家标准《城市轨道交通综合监控系统工程设计规范》（GB50636-2010）《城市轨道交通综合监控系统施工与质量验收规范》（GB/T50732-2011）；2010年主编关于两化融合的国家标准《工业企业信息化集成系统规范》（GB/T26335-2010）。2013至今任清华同方数字城市工程中心技术专家，住建部城市轨道交通标注技术网Eu委员会委员，全国自动化系统与集成标准技术委员会委员。

摘自《自动化博览》2015年11月刊