彭瑜，上海工业自动化仪表研究院教授级高工
德国技术科学家的创举在于清晰地将CPS和制造业联系在一起
工业4.0在2012年提出后，很快就在欧盟工业领域范围内引起很大反响。2013年汉诺威工业博览会上，工业4.0的理念和规划正式由德国联邦政府发布，描绘了制造业的未来愿景。至此之后，在包括美国等工业强国在内的全球工业领域引起了极大关注和认同。这里仅以IT大鳄IBM的反应为证，在对工业4.0进行专门研究后，他们认为今后十年数字经济将成为实体的经济。由此可见，工业4.0确实成为了今后全球发展的突破口。
工业4.0的基本特征是工业自动化和信息技术的深度融合，它建立在物理信息系统CPS的基础之上。为什么CPS是工业4.0的基础，这是我们先要弄清楚的。
2006年美国国家基金会（NSF）科学家Helen Gill提出了信息物理融合系统（Cyber-Physical System，简称CPS）的概念，目的是将控制技术融入互联网。它与物联网相比，最显著的特点是强调物理过程与信息间的反馈。当时给出的可能实际应用的例子，就是今天我国称之为车联网的内容。
关于CPS，据说有18种定义或者是解释。这里仅列举两种。2008年美国加利福利亚大学的Edward A.Lee教授在其技术报告《信息物理系统：设计挑战》中指出：“CPS是计算过程和物理过程的集成系统，利用嵌入式计算机和网络对物理过程进行监测和控制，并通过反馈环实现计算过程和物理过程的相互影响”。在2011年Karl Henrik Johansson指出：从自动化技术的观点看，CPS是一种工程系统，由一个嵌入在物体中的计算和通信的核，以及物理环境中的结构所监测和控制。这就清晰地告诉我们，泛在的嵌入在物理过程和虚拟系统中的智能体，凭藉其计算和通讯联网能力，将与其他的同样嵌入了计算和通讯功能的智能体，构成了互联、互通和互操作的更大系统，去执行和完成人类所规划和设计的功能和目标。我觉得，2012年德国技术科学家的创举在于，基于制造立国和制造强国的理念，把CPS运用于生产制造，提出了CPPS，即信息物理生产系统，以CPPS为模型构建智慧工厂（或者数字化工厂）。在此之前，没有人如此清晰地把CPS和制造业联系在一起。
比较美英经济学家和未来学家所提出的第三次工业革命，工业4.0是面向制造业的，而不像里夫金立足于能源（着重可再生能源）和互联网技术来分析未来工业革命。里夫金的第三次工业革命的支柱是互联网和可再生能源。而工业4.0的支柱是工业自动化和IT技术的深度融合。显然，从事工业技术的科学家和工程师更实际，也更具有执行力和可操作性。里夫金所寄于莫大希望的可再生能源，在可以预见的未来相当一个时期，充其量也难在能源供应总量中超过20%。那么，第三次工业革命要多少时间才能成为现实呢？可见，出发点不一样，目标也大有区别。
工业4.0主要的两大主题是智能工厂和智能生产
工业革命一般从以下三个主要方向展开：能源创新、能源利用创新和产品创新；制造技术和制造工艺创新；产业模式创新。由于工业4.0主要面向制造业，所以它具体体现在能源利用创新和产品创新；制造技术和制造工艺创新；产业模式创新。
近年在德国，工业4.0已进入创建实施平台全面推动项目开展的攻坚阶段。德国三大行业（机械、电气电子和信息）协会VDMA、ZVEI、BITKOM联合发起成立德国国家的工业4.0的启动平台，目的是迅速将工业4.0由愿景成为现实。主要面向两大主题：①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。由德国中小企业主攻（菲尼克斯、倍福等）。②智能生产主要涉及虚拟3D技术在工业生产过程中的应用（虚拟数字化工厂设计、仿真，机械装置的数字化虚拟设计、仿真）；整个企业的生产物流管理、人机互动；以及产品的生命周期管理等。由德国大型企业主攻（如Siemens、SAP等）。这是从组织协调方面来看的。
在技术创新方面，已经出现了许多突破传统生产方式、给人耳目一新的工程。例如西门子与库卡合作开发的，在旋转方向利用移动机器人灵活搬动工件，进行汽车部件加工的传送方式。又如菲尼克斯开发的自适应生产方式，扬弃了原来的柔性生产方式，以各种模块化的机电一体加工单元组成生产线，可根据不同的产品加工的需要，对这些模块化的加工单元进行组态，实现了低成本和快速的生产线自组织调整。
中国制造业转变的技术方向恰恰是工业3.0和4.0已经选择和正在选择的
据世界银行数据库和联合国统计数据库的数据，2011年我国制造业增加值为1.9009万亿美元（现价），美国为1.8805万亿美元（现价）；2012年我国制造业增加值为2.0793万亿美元（现价），美国为1.9121万亿美元（现价）。2013年我国生产的发电设备占全球的60%，造船完工量为全球的41%，汽车产量为全球的25%，机床产量占全球的比重为38%。以上这些数据表明，我国的世界制造大国地位确定无疑。但是，我国制造业的现状却是无可辩驳的大而不强。面对进一步发展的资源压力、环境压力、成本压力，以及市场竞争激烈、利润空间压缩和用户需求增高，我国制造业唯有转型升级走向制造强国这惟一的出路。
中国工程院在规划《中国制造2025》时，调研了世界主要国家制造业发展的状况，在大量数据分析的基础上，按照规模发展、质量效益、结构优化和持续发展4项一级指标，以及18项二级指标构成的制造强国评价指标体系，计算出制造强国综合指数，把这些国家划分成3个方队。第一方队是制造业居于全球绝对领先地位的美国，第二方队是德国和日本，第三方队有英国、法国、韩国、中国等。中国制造业目前的状况发展不平衡，处在没有总体完成工业2.0（大规模制造机械化）和工业3.0（工业自动化），就需要面对工业4.0（工业自动化和信息化深度融合）的形势。因此，中国工业制造的发展，不像西方发达国家走的是工业2.0、工业3.0，进而工业4.0的串行发展，而应该是工业2.0、工业3.0和工业4.0并行发展的道路。
中国工程院规划从现在起到2025年，属于“中国制造2025”阶段，争取使中国制造进入第二方队。再经过十年发展到2035年，进入第二方队的前沿。然后再经过十五年，到2050年挺进全球制造的第一方队。
要实现上述的规划，中国制造首先面临的一定是要努力完成四个转变：由要素驱动向创新驱动转变，由低成本竞争向质量效益竞争转变，由资源消耗大、污染排放多向绿色制造转变，由生产型制造向服务型制造转变。而完成这些转变的技术方向恰恰是工业3.0和工业4.0已经选择的和正在选择的，即：信息技术和制造技术及工业自动化技术的深度融合，用精益制造管理取代粗放型制造管理，由产业集群取代产业集聚，从而完成由生产低端产品向制造高端装备的过渡。
装备制造业是制造业的脊梁。制造业的升级转型，首先要抓紧装备制造业的转型升级。装备制造业依靠什么来转型升级呢？唯有借助于智能制造。我国实施智能制造的路径在于：抓准方向，把握趋势；结合国情，分层推进；夯实基础，统筹协调。具体地说就是在总体上按照自动化、网络化、两化深度融合、数字化、智能化的方向在制造业的全行业加以推进。
责任编辑 李 辉