工業(yè)4.0作為德國的新工業(yè)戰(zhàn)略，深刻地體現(xiàn)了在互聯(lián)網(wǎng)革命浪潮催迫下，一個(gè)老牌制造強(qiáng)國對于如何加快智能轉(zhuǎn)型并重振輝煌的新認(rèn)識(shí)。
德國工業(yè)4.0的戰(zhàn)略指向，就是智能制造。
如果把德國這一新工業(yè)戰(zhàn)略視作重新鑄就德國工業(yè)戰(zhàn)車的“大熔爐”，那么，最具點(diǎn)石成金魔力的智能化技術(shù)就是CPS（賽博物理系統(tǒng)）。
賽博物理系統(tǒng)理論是核心
眾所周知，德國具有雄厚的工業(yè)基礎(chǔ)與全球領(lǐng)先的制造業(yè)，在機(jī)床、汽車等行業(yè)占據(jù)絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢，另外在嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)軟件等，均處于全球領(lǐng)導(dǎo)者的位置，這是德國實(shí)施其所謂第四次工業(yè)革命（并非全球共識(shí)）的技術(shù)基礎(chǔ)。德國人希望通過將嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)軟件、自動(dòng)化設(shè)備等優(yōu)勢技術(shù)攥成拳頭，形成以CPS為代表的工業(yè)4.0戰(zhàn)略核心，引領(lǐng)全球制造業(yè)發(fā)展，并將帶領(lǐng)德國重振輝煌。
CPS是賽博物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System）的縮寫，這是工業(yè)4.0的核心。目前，國內(nèi)學(xué)界很多人將CPS翻譯成信息物理系統(tǒng)，嚴(yán)格來說，這是不準(zhǔn)確甚至是誤導(dǎo)的。CPS是一個(gè)包含計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使賽博空間以遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)、安全、智能化、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。
目前，已有不少人提出，Cyber源于維納的《控制論》“Cybernetics”。在錢學(xué)森的《工程控制論》英文版中，將“Cybernetics”明確為“機(jī)械和電機(jī)系統(tǒng)的控制和導(dǎo)航科學(xué)”，并把伺服機(jī)構(gòu)和經(jīng)典控制等“工程實(shí)踐”升華為“工程科學(xué)”，這使得《工程控制論》在某種意義上成為了現(xiàn)代控制科學(xué)的代名詞。其實(shí)，根據(jù)我們的考證，維納的思想還有源頭。早在1834 年，著名的法國物理學(xué)家安培在對科學(xué)進(jìn)行分類時(shí)（見《論科學(xué)的哲學(xué)》），就把管理國家的科學(xué)稱為“控制論”Cybernetique，意即“國務(wù)管理（Civil Government）”或社會(huì)控制，這導(dǎo)致了后來的社會(huì)控制論。
為了真切地了解CPS技術(shù)沿革史，本文兩位作者還與美國工業(yè)4.0權(quán)威、辛辛那提大學(xué)教授李杰等中外名家開展面對面學(xué)術(shù)交流。據(jù)介紹，CPS技術(shù)起源于美國國防部高級研究項(xiàng)目局（DARPA）上世紀(jì)60年代的一個(gè)項(xiàng)目，甚至比INTERNET還要早，其發(fā)展一直與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相平行。在1991年的海灣戰(zhàn)爭中，號稱空中機(jī)器人的現(xiàn)代軍用無人飛行器（UAV）要實(shí)現(xiàn)對地精確制導(dǎo)攻擊，需要大量的CPS技術(shù)作為支持，CPS開始規(guī)模化應(yīng)用。其后，美國國家科學(xué)基金會(huì)（NSF）一直在主導(dǎo)著CPS研究。然而，將CPS的重要性上升到新一波工業(yè)革命核心的，卻不是美國人，而是德國人。
工業(yè)4.0北京研究會(huì)組織的多學(xué)科研究人員之所以圍繞CPS的概念與技術(shù)來源作深入考察，就是為了探求這個(gè)最熱門科學(xué)名詞的本來面目。考察發(fā)現(xiàn)，Cyber原本是獨(dú)立于信息科學(xué)之外的控制科學(xué)的范疇。隨著新一代信息技術(shù)出現(xiàn)融合化趨勢，將CPS視為一種廣義的信息技術(shù)亦無不可。但必須指出，Cyber的外延與內(nèi)涵遠(yuǎn)非信息二字所能指代。從學(xué)科看，CPS系統(tǒng)是一個(gè)包含無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等科學(xué)在內(nèi)的系統(tǒng)工程。從功能看，Cyber使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。因此，承認(rèn)Cyber技術(shù)與普通信息技術(shù)有別，對于推動(dòng)其基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐都有重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)前，在兩化深度融合、工業(yè)4.0、智能科技等領(lǐng)域一批非常活躍的知名專家學(xué)者，均建議在面向大眾宣傳CPS時(shí)不妨稱之為信息物理系統(tǒng)，在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)部，將其稱為賽博物理系統(tǒng)則更為準(zhǔn)確。我們也贊同此論。
智能工廠與智能生產(chǎn)是兩翼
德國工業(yè)4.0之所以如此推崇CPS技術(shù)，既是技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了基于自身優(yōu)勢打造新一代技術(shù)堡壘。CPS對德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略來說，具有攻防兼?zhèn)涞淖饔谩Ｊ聦?shí)上，美國、日本等制造強(qiáng)國，早在多年前就對CPS給予了關(guān)注，但只有德國才將CPS推到新工業(yè)革命的核心位置。為確保整個(gè)戰(zhàn)略的主動(dòng)，德國在自己優(yōu)勢領(lǐng)域設(shè)置了兩個(gè)制高點(diǎn)，也即“工業(yè)4.0”的兩大主題：一是“智能工廠”，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。
智能生產(chǎn)是涉及整個(gè)企業(yè)包括生產(chǎn)物流管理等宏觀運(yùn)營的層面，也就是我國業(yè)界所說的智能化工廠。而智能工廠是工業(yè)4.0的首要主題，也就是中國工業(yè)界語境里的智能化車間。前述所謂“智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程”，既包括智能化的機(jī)床、機(jī)器人等生產(chǎn)設(shè)施，也包括對生產(chǎn)過程的智能管控，轉(zhuǎn)換成中國信息化術(shù)語，即智能化的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)。而所謂“網(wǎng)絡(luò)分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)”，是指將生產(chǎn)所用的生產(chǎn)設(shè)施（如機(jī)床、熱處理設(shè)備、機(jī)器人、AGV、測量測試等各種數(shù)字化設(shè)備），進(jìn)行互聯(lián)互通以及智能化的管理，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與物理系統(tǒng)的深度融合，目前很多企業(yè)實(shí)施的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是其重要基礎(chǔ)（在離散制造行業(yè)，叫DNC/MDC系統(tǒng)，在流程制造行業(yè)叫SCADA）。
從技術(shù)角度來看，德國在智能制造的裝備、過程管理、技術(shù)應(yīng)用等方面，在全球范圍內(nèi)都占據(jù)絕對的領(lǐng)先位置，這種戰(zhàn)略布局對德國而言，無疑是具有很大的先天優(yōu)勢。
三大集成創(chuàng)新中德各有擅長
德國人在工業(yè)4.0中提出來三大集成：縱向集成、端對端集成、橫向集成。
縱向集成是將企業(yè)內(nèi)不同的IT系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)施（以數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備為主）進(jìn)行全面的集成，目的是建立一個(gè)高度集成化的系統(tǒng)，為將來智能工廠中網(wǎng)絡(luò)化制造、個(gè)性化定制、數(shù)字化生產(chǎn)提供支撐。
縱向集成是企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，通過信息技術(shù)與生產(chǎn)設(shè)備深度融合，是CPS在企業(yè)中的具體應(yīng)用。而這方面，德國企業(yè)早在多年前就進(jìn)行了精心的布局。2007年4月，西門子公司以35億美元并購美國UGS公司，將后者全球領(lǐng)先的CAD/CAM/PLM納入囊中，2014年又并購美國知名MES廠商Camstar公司, 至此，西門子形成研發(fā)、管理、生產(chǎn)、設(shè)備、控制器等軟硬件系統(tǒng)全面的集成，在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了最強(qiáng)的縱向集成。作為工業(yè)4.0的另一重要推手，SAP公司也在2008年完成對MES廠商Visiprise的并購，打通了企業(yè)資源管理與生產(chǎn)管理的鴻溝，實(shí)現(xiàn)了上游信息化系統(tǒng)的縱向集成。
可以說，基于自身雄厚的嵌入式技術(shù)、工業(yè)軟件等優(yōu)勢，再加上提早的布局，德國在縱向集成方面已經(jīng)具有絕對的領(lǐng)先優(yōu)勢。
端對端集成是通過產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期的工程活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)圍繞產(chǎn)品的企業(yè)間的集成與合作。德國絕大部分企業(yè)是家族型的中小企業(yè)，具有很強(qiáng)的技術(shù)與質(zhì)量優(yōu)勢，但規(guī)模小，難以參與全球競爭。但是如果通過端到端集成，打造緊密產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)圈，就可以應(yīng)對中國大規(guī)模傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的沖擊。
反觀中國，在產(chǎn)品研發(fā)、管理、生產(chǎn)、控制系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)等方面與德國有很大的差距，必須承認(rèn)，很難在縱向集成層面與德國競爭。但筆者認(rèn)為，端到端集成或許是中國制造企業(yè)的一個(gè)突破口。相信在中國成熟的工業(yè)化體系的基礎(chǔ)上，在如火如荼的“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略推動(dòng)下，中國企業(yè)在端對端集成方面將走在世界前列，引領(lǐng)智能制造在社會(huì)化層面實(shí)現(xiàn)突破。
我們注意到，近期國家在出臺(tái)中國制造2025之后又大規(guī)模推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，這將極大地集成我國坐擁世界最完備工業(yè)體系和第二強(qiáng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系的優(yōu)勢，促進(jìn)中國企業(yè)運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)思維實(shí)現(xiàn)端對端的合作。比如海爾的互聯(lián)工廠，通過互聯(lián)網(wǎng)，讓用戶和生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)直接對話，用戶的個(gè)性化需求可以在第一時(shí)間反饋到生產(chǎn)線，滿足用戶最佳體驗(yàn)，體現(xiàn)出個(gè)性化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、智能化的智能制造。中國還有很多的互聯(lián)網(wǎng)公司，如樂視、小米、360等，均以全新的互聯(lián)網(wǎng)思維，顛覆著傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式，以產(chǎn)品全生命周期為主線，實(shí)現(xiàn)社會(huì)化的協(xié)作，已經(jīng)走在了端對端的前列。
橫向集成是以供應(yīng)鏈為主線，通過企業(yè)間的三流合一（物流、能源流、信息流），實(shí)現(xiàn)一種社會(huì)化協(xié)同生產(chǎn)。由于各企業(yè)間基礎(chǔ)不同、軟硬件系統(tǒng)不同、標(biāo)準(zhǔn)不同，實(shí)現(xiàn)這些企業(yè)之間橫向集成的難度是非常大的。因此，德國在工業(yè)4.0的八項(xiàng)行動(dòng)計(jì)劃中，第一項(xiàng)就是標(biāo)準(zhǔn)問題，但這注定是一個(gè)時(shí)間漫長、工作量巨大的工程。
通過相關(guān)分析，我們可以很清楚地看到，德國為規(guī)避全球大規(guī)模生產(chǎn)競爭的被動(dòng)，以及基于人力資源匱乏、老齡化嚴(yán)重、中小企業(yè)眾多的現(xiàn)狀，揚(yáng)長補(bǔ)短，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，制訂了風(fēng)靡全球的工業(yè)4.0戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略以CPS（賽博物理系統(tǒng)）為凌厲的箭頭，以智能工廠與智能生產(chǎn)為兩翼，以三項(xiàng)集成為助推器，在自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基礎(chǔ)上，通過社會(huì)化協(xié)作的模式，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、柔性化、高效化、社會(huì)化的智能制造。
可以說，德國以CPS為核心的智能制造戰(zhàn)略，與“以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向”的中國制造2025完全是不謀而合、異曲同工的。二者相同的地方，就是實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)和先進(jìn)制造業(yè)的結(jié)合，或者用互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)的結(jié)合，帶動(dòng)整個(gè)新一輪制造業(yè)發(fā)展。
如果說CPS是德國射向智能制造的利箭，經(jīng)過跨界專家的學(xué)術(shù)研究和對產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新前沿的深度交流，我們認(rèn)為CPS也理應(yīng)是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、走向智能的強(qiáng)勁引擎。
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