繼蒸汽時代、電氣時代、信息時代三大工業(yè)革命之后，全球化分工使生產(chǎn)要素加速流動和配置，市場風向變化和產(chǎn)品個性化的需求對企業(yè)反應(yīng)時間和柔性化能力提出前所未有的要求，全球進入空前的創(chuàng)新密集和產(chǎn)業(yè)變革時代?；诖?，以物聯(lián)網(wǎng)和智能制造為主導的第四次工業(yè)革命悄然來襲。
工業(yè)自身的轉(zhuǎn)型需求之外，技術(shù)的成熟也極大推動了這一革新進程。基于數(shù)據(jù)互聯(lián)的云計算、大數(shù)據(jù)、社交媒體和虛擬化等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)極大的改變了人類的生活行為和商業(yè)運營方式。而今這一趨勢已從消費領(lǐng)域逐漸向工業(yè)領(lǐng)域蔓延。數(shù)據(jù)顯示，到2020年“萬物互聯(lián)”將實現(xiàn)19萬億美金價值，其中制造業(yè)占27%。以中國占全球25%的制造體量折算，這一市場價值逾1萬億美金。
基于此，全球主要工業(yè)國家都紛紛將本國的制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級作為面向未來的一項高科技戰(zhàn)略工程。早在2011年漢諾威工業(yè)博覽會上，德國率先提出“工業(yè)4.0”的概念，之后美國也推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)企業(yè)等類似概念。無論工業(yè)4.0還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其主要特征都是智能和物聯(lián)，而主旨都在于將傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)與現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，從而提高資源利用率和生產(chǎn)靈活性、增強客戶與商業(yè)伙伴緊密度并提升工業(yè)生產(chǎn)的商業(yè)價值。
4.0架構(gòu)下的工業(yè)融合與智能
“工業(yè)4.0”是一個宏大的愿景，但又是一個簡單的概念：把大量的有關(guān)人、IT系統(tǒng)、自動化原件和機器的信息融入到虛擬網(wǎng)絡(luò)——實體物理系統(tǒng)（CPS）中，并利用產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為企業(yè)服務(wù)，其本質(zhì)即為“融合”。在制造系統(tǒng)中，工廠現(xiàn)場設(shè)備傳感和控制層的數(shù)據(jù)與企業(yè)信息系統(tǒng)融合，并傳到云端進行存儲、分析，形成決策并反過來指導、協(xié)同企業(yè)的生產(chǎn)和運營。
通過工業(yè)4.0可以建立一種人——技術(shù)互動的嶄新模式，即機器適應(yīng)人的需求。具有多通道用戶界面的智能工業(yè)輔助系統(tǒng)，能將數(shù)字和模擬環(huán)境直接搬到生產(chǎn)車間。而未來工廠也將從局部的機器智能（如機器人）發(fā)展到全廠智能。屆時，嵌入式制造系統(tǒng)在工廠和企業(yè)之間的業(yè)務(wù)流程上實現(xiàn)縱向網(wǎng)絡(luò)連接，在分散的價值網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)橫向連接，并可進行實時管理——從下訂單開始，直到外運物流。這一理念將零散的信息、通訊、虛擬等技術(shù)整合，通過數(shù)據(jù)可視化和共享互聯(lián)，打通企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)與客戶管理、供應(yīng)鏈和能耗管理等系統(tǒng)，實現(xiàn)從底層控制級、中層產(chǎn)線級，到上層企業(yè)級的整體優(yōu)化，最終幫助制造業(yè)實現(xiàn)更短的上市時間、更高的生產(chǎn)靈活性和資產(chǎn)利用率、更低的擁有成本和更可控的企業(yè)風險。
以4.0時代的能源行業(yè)為例，為了克服新能源的分散和不穩(wěn)定等缺點，以智能電網(wǎng)為代表分布式的能源供應(yīng)和消費技術(shù)或?qū)⒊蔀槲磥砟茉串a(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。虛擬發(fā)電廠、組合發(fā)電廠正在成為新的發(fā)電模式。這種新的“發(fā)電廠”將太陽能發(fā)電、風能發(fā)電、生物能發(fā)電以及天然氣發(fā)電幾種發(fā)電來源組合起來，形成一個虛擬發(fā)電站。未來的能源不僅是綠色能源，也是智能能源。今后，傳輸能量的智能電網(wǎng)和消耗能量的終端裝置將相互協(xié)調(diào)，最大限度地節(jié)約能量。同時，全國成百上千家電廠的數(shù)據(jù)匯總到云端進行統(tǒng)一管理和調(diào)度。由于發(fā)電和傳輸?shù)木_可控，電力生產(chǎn)將可實現(xiàn)量入為出，最終實現(xiàn)電力在個人、公司、電廠之間的靈活雙向流通，這無疑將達到能源的最有效利用。
工業(yè)4.0的基礎(chǔ)是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。與此相應(yīng)的是，工業(yè)4.0時代的工業(yè)自動化，將在原有自動化技術(shù)和架構(gòu)下，實現(xiàn)集中式控制向分散式增強型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，讓設(shè)備從傳感器到因特網(wǎng)的通訊能夠無縫對接，從而建立一個高度靈活的、個性化和數(shù)字化、融合了產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式下，生產(chǎn)自動化技術(shù)可通過自我診斷、自我修正和各種功能軟件讓設(shè)備更加智能，以更好地輔助工人完成生產(chǎn)。因此要求自動化設(shè)備的通訊功能和集成能力更強，而自動化軟件則需具備更強大的分析處理及與企業(yè)其他軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享能力。
在自動化層面，統(tǒng)一的控制平臺，順暢的通訊網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)。而要實現(xiàn)工業(yè)4.0，自動化在四個層面上將進一步拓展：
自動化系統(tǒng)內(nèi)部的橫向連接。通過全集成自動化、集成架構(gòu)等統(tǒng)一平臺將控制、驅(qū)動、低壓配電等系統(tǒng)深度集成，在單一的編程環(huán)境中為可擴展運動和機器控制提供集成的平臺。這種集成可減少需要儲存的備件數(shù)量，而控制平臺的開放性則可確保與第三方組件輕松集成。此外，在每臺機器上使用的可視化及信息軟件需實現(xiàn)標準化處理方式。
與下層現(xiàn)場傳感和數(shù)據(jù)采集層及上層企業(yè)管理系統(tǒng)的縱向連接。從機器運行和能源使用到變量處理和材料使用，在生產(chǎn)過程的每個環(huán)節(jié)中，控制器、傳感器及其它設(shè)備均會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。來自生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)在幾年之內(nèi)就會在數(shù)量上超過公司產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。即便是現(xiàn)在，也有大量的此類數(shù)據(jù)正在通過現(xiàn)場的PLC進行分析。當務(wù)之急乃是將所有來自各工廠運行系統(tǒng)不斷劇增的數(shù)據(jù)與來自業(yè)務(wù)應(yīng)用的信息相結(jié)合，從而打造運營智能，尤其是遠程維護解決方案和基于云技術(shù)的服務(wù)，以應(yīng)對持續(xù)增加的圍繞數(shù)據(jù)分析的服務(wù)需求。如遠程狀態(tài)監(jiān)測可以對個別部件的運動進行分析或?qū)φ麄€驅(qū)動鏈實施在線連續(xù)監(jiān)測。
基于開放標準和統(tǒng)一協(xié)議的通訊網(wǎng)絡(luò)。若要充分利用智能化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，需要借助統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，來實現(xiàn)工廠內(nèi)所有設(shè)備（包括企業(yè)級設(shè)備）彼此之間的相互通信。未來，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備將得到更廣泛的利用。獨立IP的應(yīng)用可以使產(chǎn)品和設(shè)備具備可識別的獨立身份、便于追蹤、定位和監(jiān)測。此外，標準通訊可使更多的數(shù)字設(shè)備融入生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)，如攝像機、RFID讀卡器、數(shù)字平板、安全磁卡等，以提高生產(chǎn)管理的精細化。
移動技術(shù)和虛擬化。目前在平板電腦或智能手機上訪問生產(chǎn)數(shù)據(jù)，信息和工廠員工已能夠?qū)崿F(xiàn)“移動”并隨時隨地訪問應(yīng)用程序。未來，很多情況下需要使用云技術(shù)處理和存儲來自各地的數(shù)據(jù)，又要在各地實時地使用這些數(shù)據(jù)。移動技術(shù)讓人變得機動靈活。人們可以隨時隨地與任何相關(guān)人事聯(lián)系，可以與全球同事交流分享經(jīng)驗知識、解決業(yè)務(wù)問題。不管技術(shù)專家身在何處，呼叫中心代表都可以實時向其咨詢問題，而專家本人也可以隨地訪問世界上任意地點的設(shè)備服務(wù)歷史以及其它裝置的歷史，還能夠核對工廠更新和其它咨詢。例如，很多油井地處分散的偏遠地區(qū)，過去，技術(shù)人員需要奔波于各個油井之間將數(shù)據(jù)下載到閃存卡中，而現(xiàn)在則可以直接從云端下載數(shù)據(jù)，通過遠程監(jiān)視設(shè)備和過程。他們可以實時生成報告，而不是按天或者按周。
虛擬化可以降低對物理服務(wù)器和其它硬件的依賴性，同時節(jié)約工廠的能源成本。虛擬化技術(shù)還可以改善機器的可靠性，打造低成本高可用性的備份解決方案，同時允許操作系統(tǒng)的多個實例在單一硬件上運行。最新的DCS系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用虛擬化服務(wù)器實現(xiàn)更快的處理速度及降低生命周期成本。
現(xiàn)階段，每一項自動化技術(shù)都已投入使用，但大部分公司至今仍在單一地使用其中某一項技術(shù)。一旦公司理念趨于成熟，開始接受這些新技術(shù)，就能夠出現(xiàn)同時應(yīng)用所有這些技術(shù)的局面。目前，控制層面，最新的PLC、變頻等產(chǎn)品都有標準的網(wǎng)絡(luò)通訊接口，現(xiàn)場設(shè)備通過傳感器數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)傳輸即可實現(xiàn)診斷等智能功能；信息層面，各種數(shù)據(jù)庫軟件、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、制造運行管理系統(tǒng)（MOM）、產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）等，同企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）解決方案連接起來，則實現(xiàn)數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)換、輔助商業(yè)決策；分析運營層面：現(xiàn)有的云平臺也具備了遠程分析優(yōu)化的基礎(chǔ)和經(jīng)驗；安全層面：業(yè)界主流廠商都已與信息安全企業(yè)合作推出了實際方案。而未來的挑戰(zhàn)主要在于需要在生產(chǎn)工程、機械工程、工藝工程、自動化工程、IT和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域建立起一個共同認可的問題處理方式和標準。
中國智造如何彎道超車
中國的制造業(yè)近30年來發(fā)展迅速，但要從“制造大國”轉(zhuǎn)型為“制造強國”，在保持工業(yè)增長的同時完成轉(zhuǎn)型升級，將是一個很大的挑戰(zhàn)。當全球制造業(yè)在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代智能時代大潮下各自前行，中國制造業(yè)實際上正面臨著彎道超車的有利條件。雖然中國在傳統(tǒng)工業(yè)上與世界先進制造業(yè)還存在差距，但在信息通信技術(shù)方面卻有著更好的基礎(chǔ)。與此同時，中國工業(yè)的獨特優(yōu)勢在于自動化部署相對較晚，最先進的技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用使其具備后發(fā)優(yōu)勢；而國外企業(yè)在制造業(yè)回流潮之前的十年里基本在現(xiàn)在有資產(chǎn)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化和提升。而且以德國為首的歐洲制造強國雖然在制造業(yè)方面有很強的優(yōu)勢，但信息和互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用推動相對較慢。
具體到各個行業(yè)，我們會發(fā)現(xiàn)中國工業(yè)4.0的需求雛形已經(jīng)廣泛存在，如醫(yī)藥行業(yè)的嚴苛監(jiān)管要求和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的跟蹤追溯，食品飲料汽車等消費品行業(yè)客戶的需求多變、柔性生產(chǎn)要求的提高，能源領(lǐng)域數(shù)字礦山、數(shù)字油田對更多信息的獲取，重工業(yè)高價值資產(chǎn)的保護及事件防御等，都對工業(yè)4.0提出了需求。
當然，工業(yè)4.0并非一朝一夕可以實現(xiàn)，除了大環(huán)境的日臻成熟，更需要IT、通信、自動化、機械制造等產(chǎn)業(yè)參與者通力合作、打造生態(tài)鏈。在這種模式下，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，工業(yè)將變得更加人性化和個性化，這將是對存在百年的“標準化生產(chǎn)”、“流水線作業(yè)”、“格式化操作”的挑戰(zhàn)，屆時“工人”、“工廠”的定義都將被顛覆。