制造業(yè)面臨的的挑戰(zhàn)
中國已成為全球制造業(yè)第一大國。世界500種主要工業(yè)品中，中國有220種產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界第一。鋼鐵、煤炭占全球產(chǎn)量的一半，水泥占世界產(chǎn)量的60%，化纖產(chǎn)品、造船、汽車、家電….全球產(chǎn)量第一。 載人航天、探月、深潛....躍身世界前列。我們可以自豪的說我們取得了舉世屬目的成就。
但是我國工業(yè)自主創(chuàng)新能力不強。一些關鍵裝備、核心和關鍵技術依賴進口，自主品牌缺乏，缺少具有國際競爭力的大企業(yè)大集團。在國際產(chǎn)業(yè)鏈的分工中我們處于價值鏈的低端，一部蘋果手機在中國組裝只分得1.8%的利潤，而蘋果公司一個零件不造獲得58.5%的利潤，高附加價值的的部分被發(fā)達國家把持。資源環(huán)境難以支撐。中國粗鋼、水泥、煤炭產(chǎn)量世界第一，但GDP只占全球的9.5%。2012年中國能源消費量達到36億噸標煤，按照現(xiàn)有模式完成中國的工業(yè)化進程，顯然不現(xiàn)實。投資、消費、出口比例失衡。長期以來，工業(yè)發(fā)展過度依靠投資拉動，“十一五”期間投資年均增長25.5%，2013年固定資產(chǎn)投資42.7萬億，投資對經(jīng)濟增長的貢獻率高達50.4%，造成能源原材料價格上漲、地方負債增加、部分行業(yè)產(chǎn)能過剩嚴重，發(fā)展的風險和隱患突出。外貿依存度高達50-60%，受國際市場波動影響大，抗風險能力低。隨著土地、勞動力、原材料、燃料動力等要素成本的全面、快速上升，中國傳統(tǒng)比較優(yōu)勢將逐步削弱，亟待形成新的競爭優(yōu)勢。管理模式、流程、制度落后。受近40年計劃經(jīng)濟的影響，面向市場的采購、銷售模式改變了，但是企業(yè)內部的管理模式、流程、制度和新型工業(yè)化不匹配。兩化融合還有很長的路要走。設計智能化、產(chǎn)品智能化、管理現(xiàn)代化、決策科學化、制造自動化、智能化、網(wǎng)絡化與發(fā)達國家比還有差距。
為了改變上述狀況，國務院提出了工業(yè)轉型升級的規(guī)劃：“工業(yè)轉型升級，要堅持走中國特色新型工業(yè)化道路，按照構建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的本質要求，以科學發(fā)展為主題，以加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式為主線，以改革開放為動力，著力提升自主創(chuàng)新能力;推進信息化與工業(yè)化深度融合，改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，培育壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展生產(chǎn)性服務業(yè)，全面優(yōu)化技術結構、組織結構、布局結構和行業(yè)結構;把工業(yè)發(fā)展建立在創(chuàng)新驅動、集約高效、環(huán)境友好、惠及民生、內生增長的基礎上，不斷增強工業(yè)核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力，為建設工業(yè)強國和全面建成小康社會打下更加堅實的基礎。”這是英明的決策。但是制造業(yè)轉型升級的方向究竟在何方呢?我們應該借鑒國外新一輪工業(yè)革命的發(fā)展趨勢。
新一輪工業(yè)革命的興起
關于新一輪工業(yè)革命，國外有許多計劃和文章。如美國的未來學者杰里米·里夫金發(fā)布了專著《第三次工業(yè)革命》，以蒸汽機為代表的第一次工業(yè)革命;以內燃機為代表的第二次工業(yè)革命;以可再生能源為代表的第三次工業(yè)革命。
德國提出工業(yè)4.0，他們認為第一次工業(yè)革命是18世紀60年代至19世紀中期掀起的通過水力和蒸汽機實現(xiàn)的工廠機械化;第二次工業(yè)革命是19世紀后半期至20世紀初的電力廣泛應用;第三次工業(yè)革命是20世紀后半期出現(xiàn)的，應用電子、信息技術進一步提高生產(chǎn)自動化水平;今天提出的第四次工業(yè)革命則是以信息物理融合系統(tǒng)為特征的新的工業(yè)革命。
德國“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分布式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。德國學術界和產(chǎn)業(yè)界認為，“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)—信息物理融合系統(tǒng)CPS(Cyber-Physical System)相結合的手段，將制造業(yè)向智能化轉型。
德國工業(yè)4.0提出了八項行動計劃，包括：第一，標準化和參考架構是實現(xiàn)縱向集成、橫向集成和端到端三項集成的基礎;第二，在CPS環(huán)境下實現(xiàn)整個價值鏈的復雜管理;第三，寬帶互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，提供可靠、安全的通信;第四，為生產(chǎn)安全、信息安全提供保障;第五，智能工廠改變了人們的角色、內容、流程和環(huán)境，需要進行工作組織的再設計;第六，培訓和持續(xù)的專業(yè)發(fā)展，改變工人的工作和技能;第七，監(jiān)管框架，新的制造環(huán)境，需要新的法律、準則的支持;第八，不斷提高資源利用率和工作效率。工業(yè)4.0提供了充分的靈活性、柔性的制造環(huán)境，從而可以為客戶提供個性化的產(chǎn)品和服務。在大數(shù)據(jù)的支持下進行優(yōu)化，提高了資源的利用率和系統(tǒng)的效率。創(chuàng)造出在高工資條件下仍然具有競爭能力。
美國通用電氣GE公司在2012年秋天提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IndustrialInternet)的概念。2014年4月在美國波士頓，由AT&T、思科、通用電氣IBM和英特爾宣布成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)，以期打破技術壁壘，通過促進物理世界和數(shù)字世界的融合。同年6月成員已發(fā)展到50名。 2014年10月9日，通用電氣宣布其40款工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，為公司增加超過10億美元的收入。涵蓋了石油天然氣平臺監(jiān)測管理、航空發(fā)動機在線監(jiān)測和優(yōu)化管理、鐵路機車效率分析、醫(yī)院管理系統(tǒng)、提升風電機組電力輸出、電力公司配電系統(tǒng)優(yōu)化、醫(yī)療云影像技術等一系列提升管理效率、降低運營成本的軟件產(chǎn)品。GE公司開發(fā)的Predix工業(yè)大數(shù)據(jù)與分析平臺將開放給第三方用戶和軟件商，實現(xiàn)與軟件開發(fā)商和解決方案提供商的產(chǎn)品實現(xiàn)對接。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是繼工業(yè)革命、互聯(lián)網(wǎng)革命之后的第三場革命。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、感應技術以及互聯(lián)網(wǎng)連接融合的結果。它通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數(shù)據(jù)分析，重構全球工業(yè)、激發(fā)生產(chǎn)力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經(jīng)濟。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三個要素包括：
智能機器：
以嶄新的方法將現(xiàn)實世界中的機器、設備、團隊和網(wǎng)絡通過先進的傳感器、控制器和軟件應用程序連接起來。
高級分析：
使用基于物理的分析法、預測算法、自動化和材料科學，電氣工程及其他關鍵學科的深厚專業(yè)知識來理解機器與大型系統(tǒng)的運作方式。
工作人員：
建立員工之間的實時連接，連接各種工作場所的人員，以支持更為智能的設計、操作、維護以及高質量的服務與安全保障。
GE公司認為機器自身的潛能已經(jīng)發(fā)揮到極致了，只有通過智能機器、智能系統(tǒng)、智能決策，實現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)、設備、機群、網(wǎng)絡的優(yōu)化，為企業(yè)創(chuàng)造新的價值。他們預測如果通過上述的優(yōu)化，在航空、電力行業(yè)減少1%的燃料消耗，在石油天然氣行業(yè)減少1%的成本，在鐵路、醫(yī)療行業(yè)提高1%的系統(tǒng)運行效率，那么到2025年，可使世界的GDP提高15萬億美元，通過數(shù)據(jù)進行決策，企業(yè)的生產(chǎn)力可以高出5-6個百分點。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的催化劑和推動力是以下幾個方面：
設備智能化：
將設備加入傳感器和智能化改造，使其具有聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)的能力。
高級分析方法：
可使來自不同設備制造商的相似資產(chǎn)或不同資產(chǎn)種類的數(shù)據(jù)實現(xiàn)深度融合的新數(shù)據(jù)標準，能使數(shù)據(jù)更快轉換成信息資產(chǎn)并為集成和分析做準備的技術構架等。
系統(tǒng)平臺：
在技術標準和協(xié)議之上，新的系統(tǒng)平臺能使資源管理系統(tǒng)在共享框架或結構之上建立具體應用。供應商、設備制造商和消費者之間的新關系可以在這個平臺上得到持續(xù)維護。
作業(yè)流程：
充分整合信息到?jīng)Q策流程，以便創(chuàng)新業(yè)務實踐。用以監(jiān)控機械數(shù)據(jù)質量的流程。能協(xié)調各資源管理系統(tǒng)安排的先進法律程序等。
基礎設施：
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要一個適宜的主干網(wǎng)。數(shù)據(jù)中心、寬帶網(wǎng)絡都是信息通信技術基礎設施的一部分，他們需要進一步發(fā)展，并用以連接行業(yè)和地域之間不同的機器、系統(tǒng)和網(wǎng)絡。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0與中國兩化融合的比較
工信部苗圩部長在講到德國工業(yè)4.0與中國兩化深度融合時，用了三個關鍵詞：“如出一轍、異曲同工、殊途同歸”。下面我們用一張表將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0和中國的信息化與工業(yè)化深度融合做一個比較。
從產(chǎn)品智能、互聯(lián)互通、制造智能、經(jīng)營智能、服務智能、大數(shù)據(jù)分析和先進制造幾個維度，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0和我國的兩化融合做一個比較可以看出：美國GE公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，強調智能產(chǎn)品、互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、服務，沒有涉及制造環(huán)節(jié)。但是2014年10月24日，GE公司在上海發(fā)布了《未來智造》白皮書，提出：由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、先進制造和全球智慧所催生的新一輪工業(yè)變革。由此可見，德國工業(yè)4.0，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+未來制造，中國兩化深度融合對新一輪工業(yè)革命的認識高度一致。智能制造、智能工廠是主要特征，這和德國工業(yè)4.0和我國的兩化融合高度契合。
離散制造業(yè)智能制造的內涵
1 智能制造的定義和內涵
智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它對制造自動化的概念進行了更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。“智能制造國際合作研究計劃JIRPIMS”明確提出：“智能制造系統(tǒng)是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)到市場銷售等各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來的能發(fā)揮最大生產(chǎn)力的先進生產(chǎn)系統(tǒng)。”
與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造具有如下特征：
自律能力：
智能制造過程具有能感知與理解環(huán)境信息和自身信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。具有自律能力的設備稱為“智能機器”，“智能機器”在一定程度上表現(xiàn)出獨立性、自主性和個性，甚至相互間還能協(xié)調運作與競爭。 值得注意的是，強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎。
人機一體化：
目前IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，它不僅具有邏輯思維，形象思維還具有靈感(頓悟)思維。 它能夠獨立承擔起分析、判斷、決策等任務。 人機一體化智能系統(tǒng)在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關系。
因此，在智能制造系統(tǒng)中，高素質、高智能的人將發(fā)揮更好的作用，機器智能和人的智能將真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。
虛擬現(xiàn)實技術：
虛擬現(xiàn)實技術是實現(xiàn)虛擬制造的支持技術，也是實現(xiàn)高水平人機一體化的關鍵技術之一。虛擬現(xiàn)實技術是以計算機為基礎，融信號處理、動畫技術、智能推理、預測、仿真和多媒體技術為一體，借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現(xiàn)實生活中的各種過程、物件等，因而也能擬實制造過程和未來的產(chǎn)品，從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的感受，但其特點是可以按照人們的意愿任意變化，這種人機結合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。
自組織和超柔性：
自組織和超柔性是指智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務的需要，自行組成一種最佳結構，其柔性不僅表現(xiàn)在運行方式上，而且表現(xiàn)在結構形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。
學習能力與自我維護能力：
智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，同時，在運行過程中自行進行故障診斷，并具備對故障自行排除、自行維護的能力。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠自我優(yōu)化并適應各種復雜的環(huán)境。智能制造對于不同的行業(yè)其需求是不同的。
2 流程工業(yè)智能工廠
最近幾年歐美國家針對流程工業(yè)提出了“智能工廠”的概念。流程工業(yè)智能工廠由商業(yè)智能、運營智能、操作智能三個層次組成，如圖2所示。 圖2 流程工業(yè)智能工廠
3 離散制造業(yè)智能工廠
離散制造業(yè)與流程工業(yè)相比較，首先在底層制造環(huán)節(jié)由于生產(chǎn)工藝的復雜性，車、銑、刨、磨、鑄、鍛、鉚、焊對制造裝備的智能化要求很高，投資很大。與原材料工業(yè)相比較，離散制造業(yè)特別是裝備制造業(yè)、家電、消費電子等產(chǎn)品大都要求產(chǎn)品智能化，設計智能。圖3給出離散制造業(yè)智能工廠的框架。
在信息物理融合系統(tǒng)的CPS的支持下，構建智能制造、智能經(jīng)營、智能設計、智能產(chǎn)品、智能決策五大系統(tǒng)。要做到縱向、橫向和端到端的集成首先要有一系列的標準的支持，信息安全的保障。
信息物理融合系統(tǒng)CPS：
通過物聯(lián)網(wǎng)、服務網(wǎng)將制造業(yè)企業(yè)設施、設備、組織、人互通互聯(lián)，集計算機、通訊系統(tǒng)、感知系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)對物理世界安全、可靠、實時、協(xié)同感知和控制。對物理世界實現(xiàn)“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”。 如圖4所示。
智能設計：
應用CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技術，在設計知識庫、專家系統(tǒng)的支持下進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計。在虛擬環(huán)境下設計出數(shù)字化樣機，對其結構、性能、功能進行模擬仿真，優(yōu)化設計，實驗驗證。支持并行設計、協(xié)同設計。在工藝知識庫的支持下進行工藝設計、工藝過程模擬仿真。最大限度縮短產(chǎn)品設計、試制周期，快速響應客戶需求，提高產(chǎn)品設計的創(chuàng)新能力。
智能產(chǎn)品：
智能產(chǎn)品要具有感知、分析、推理、決策、控制功能。具有信息存儲、傳感、無線通信功能，進入物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程服務。它是先進制造技術、信息技術和智能技術的集成和深度融合。如智能加工中心、自適應數(shù)控機床、自動駕駛汽車、智能儀表。
智能經(jīng)營：
在物聯(lián)網(wǎng)和務聯(lián)網(wǎng)支持下的整個價值鏈上從客戶需求、產(chǎn)品設計、工藝設計、智能制造、進出廠物流、生產(chǎn)物流等全過程的協(xié)同供應鏈的優(yōu)化和管理，使得任何客戶的需求、變動、設計的更改，在整個供應鏈的網(wǎng)絡中快速傳播，及時響應。制造服務全過程的管理。著眼于產(chǎn)品全生命周期，從用戶需求、設計制造、賣方信貸、產(chǎn)品租賃、售后服務、直至回收再利用全過程的管理和服務。在上述全流程過程中的契約、協(xié)議、交易、法律、互聯(lián)網(wǎng)金融的支持。全價值鏈上資源優(yōu)化利用，意外的處置，生產(chǎn)安全、信息安全、綠色環(huán)保等一系列的保障措施。
智能制造：
使用智能裝備、智能物流、制造執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)制造過程的優(yōu)化控制、智能調度、生產(chǎn)及設備運行狀態(tài)監(jiān)控、質量管理、車間績效等。對生產(chǎn)、設備、質量的異常作出正確的判斷和處置。實現(xiàn)制造執(zhí)行與運營管理、研發(fā)設計、智能裝備的集成。實現(xiàn)設計制造一體化，管控一體化。
智能決策：
在智能工廠的環(huán)境下，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)包括結構化數(shù)據(jù)、半結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)，用大數(shù)據(jù)的處理技術，進行建模、數(shù)據(jù)抽取、分析使企業(yè)的各級決策者獲得知識或洞察力，促使他們做出對企業(yè)更有利的決策。提高決策的遇見性和準確性。對于工業(yè)企業(yè)大數(shù)據(jù)的開發(fā)利用可以用于市場和客戶的分析，爭取、發(fā)展和留住客戶;優(yōu)化企業(yè)運營，使資源利用最大化，降低成本;全面了解、深入洞察和控制財務風險;創(chuàng)建新的業(yè)務模式等。
智能制造之路
對于一個制造業(yè)企業(yè)特別是離散制造業(yè)企業(yè)，要全面實現(xiàn)智能化是一個浩大的工程。需要大量的資金，人力資源的投入，絕不是一蹴而就的事。正如“中國制造2025”的規(guī)劃，要用第一個十年進入世界第二方陣，第二個十年進入第一方陣，第三個十年完成中國從制造大國向制造強國的轉變，在制造業(yè)的主要領域我們要具有創(chuàng)新引領的能力和明顯的競爭優(yōu)勢，建成全球領先的技術體系和產(chǎn)業(yè)體系。這是中國制造2025的愿景和目標，也應該成為每一個企業(yè)的愿景和目標。這樣一個宏偉的目標不是短時間能完成的。所以我們一定要總體規(guī)劃，分步實施，重點突破，效益為先的方針。
總體規(guī)劃，分步實施
建設智能制造系統(tǒng)，智能工廠是一項長期、艱巨、復雜的系統(tǒng)工程，必須按照“總體規(guī)劃，分步實施，重點突破，效益為先”的原則進行規(guī)劃。首先要將其納入企業(yè)的長期發(fā)展戰(zhàn)略，5-10年企業(yè)發(fā)展愿景是什么，我們要成為什么樣的企業(yè)，在國內和國際上我們在某一特定領域占有什么位置。制定企業(yè)長遠發(fā)展的戰(zhàn)略目標，抓住獲取企業(yè)核心競爭能力這條主線，從而知道我們需要創(chuàng)新研發(fā)什么樣的產(chǎn)品，什么樣的制造技術，什么樣的經(jīng)營模式，什么樣的服務。在這樣清晰的戰(zhàn)略目標指引下制定總體規(guī)劃，分析制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，排出先后順序，制定分階段的目標和內容。
抓住獲取企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心競爭力這條主線
什么是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心競爭能力，能為客戶創(chuàng)造高的價值，超越競爭對手，很難復制和模仿的競爭能力。降價競爭從來不可能獲得可持續(xù)競爭優(yōu)勢，引進一項新技術或新產(chǎn)品獲得的競爭優(yōu)勢并不是可持續(xù)的。擁抱互聯(lián)網(wǎng)，走智能制造的路，逐步實現(xiàn)研發(fā)設計智能化、產(chǎn)品智能化、經(jīng)營管理智能化、制造智能化、服務智能化、決策智能化，這是制造業(yè)的發(fā)展方向。
智能制造也要進行投資效益分析
建設一個自動化、智能化的工廠是要花費大量資金的，為了智能化而智能化，不進行投資效益分析是不行的。中國勞動力成本是在逐年上升，但是與發(fā)達國家比較仍然是低的，在企業(yè)的若干生產(chǎn)活動中仍然有許多活動用人比用機器更合理、更便宜。要首先選擇那些質量、效益、安全綜合效益好的環(huán)節(jié)實施智能化，不要盲目追求全盤自動化、智能化。企業(yè)要結合自身的情況、所處的發(fā)展階段、技術水平、經(jīng)濟實力，量力而行。二十多年前一個863/CIMS示范企業(yè)盲目追求制造自動化，向銀行貸款大筆資金，背上沉重的負債，企業(yè)從此一蹶不振，這是一個沉重痛的教訓。所以搞智能制造也要進行投資效益分析。
發(fā)揮企業(yè)的主體作用
隨著新一輪工業(yè)革命的興起，國家實施“中國制造2025”，“智能制造試點示范專項行動”，“互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新”等項目相繼開展，這是非常重要的。政府組織、引導、鼓勵企業(yè)走新型工業(yè)化的道路。但是一定要堅持市場主導，企業(yè)為主體的思想，企業(yè)對投資效益負責。
中國已成為全球制造業(yè)第一大國。世界500種主要工業(yè)品中，中國有220種產(chǎn)品產(chǎn)量位居世界第一。鋼鐵、煤炭占全球產(chǎn)量的一半，水泥占世界產(chǎn)量的60%，化纖產(chǎn)品、造船、汽車、家電….全球產(chǎn)量第一。 載人航天、探月、深潛....躍身世界前列。我們可以自豪的說我們取得了舉世屬目的成就。
但是我國工業(yè)自主創(chuàng)新能力不強。一些關鍵裝備、核心和關鍵技術依賴進口，自主品牌缺乏，缺少具有國際競爭力的大企業(yè)大集團。在國際產(chǎn)業(yè)鏈的分工中我們處于價值鏈的低端，一部蘋果手機在中國組裝只分得1.8%的利潤，而蘋果公司一個零件不造獲得58.5%的利潤，高附加價值的的部分被發(fā)達國家把持。資源環(huán)境難以支撐。中國粗鋼、水泥、煤炭產(chǎn)量世界第一，但GDP只占全球的9.5%。2012年中國能源消費量達到36億噸標煤，按照現(xiàn)有模式完成中國的工業(yè)化進程，顯然不現(xiàn)實。投資、消費、出口比例失衡。長期以來，工業(yè)發(fā)展過度依靠投資拉動，“十一五”期間投資年均增長25.5%，2013年固定資產(chǎn)投資42.7萬億，投資對經(jīng)濟增長的貢獻率高達50.4%，造成能源原材料價格上漲、地方負債增加、部分行業(yè)產(chǎn)能過剩嚴重，發(fā)展的風險和隱患突出。外貿依存度高達50-60%，受國際市場波動影響大，抗風險能力低。隨著土地、勞動力、原材料、燃料動力等要素成本的全面、快速上升，中國傳統(tǒng)比較優(yōu)勢將逐步削弱，亟待形成新的競爭優(yōu)勢。管理模式、流程、制度落后。受近40年計劃經(jīng)濟的影響，面向市場的采購、銷售模式改變了，但是企業(yè)內部的管理模式、流程、制度和新型工業(yè)化不匹配。兩化融合還有很長的路要走。設計智能化、產(chǎn)品智能化、管理現(xiàn)代化、決策科學化、制造自動化、智能化、網(wǎng)絡化與發(fā)達國家比還有差距。
為了改變上述狀況，國務院提出了工業(yè)轉型升級的規(guī)劃：“工業(yè)轉型升級，要堅持走中國特色新型工業(yè)化道路，按照構建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的本質要求，以科學發(fā)展為主題，以加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式為主線，以改革開放為動力，著力提升自主創(chuàng)新能力;推進信息化與工業(yè)化深度融合，改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，培育壯大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展生產(chǎn)性服務業(yè)，全面優(yōu)化技術結構、組織結構、布局結構和行業(yè)結構;把工業(yè)發(fā)展建立在創(chuàng)新驅動、集約高效、環(huán)境友好、惠及民生、內生增長的基礎上，不斷增強工業(yè)核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力，為建設工業(yè)強國和全面建成小康社會打下更加堅實的基礎。”這是英明的決策。但是制造業(yè)轉型升級的方向究竟在何方呢?我們應該借鑒國外新一輪工業(yè)革命的發(fā)展趨勢。
新一輪工業(yè)革命的興起
關于新一輪工業(yè)革命，國外有許多計劃和文章。如美國的未來學者杰里米·里夫金發(fā)布了專著《第三次工業(yè)革命》，以蒸汽機為代表的第一次工業(yè)革命;以內燃機為代表的第二次工業(yè)革命;以可再生能源為代表的第三次工業(yè)革命。
德國提出工業(yè)4.0，他們認為第一次工業(yè)革命是18世紀60年代至19世紀中期掀起的通過水力和蒸汽機實現(xiàn)的工廠機械化;第二次工業(yè)革命是19世紀后半期至20世紀初的電力廣泛應用;第三次工業(yè)革命是20世紀后半期出現(xiàn)的，應用電子、信息技術進一步提高生產(chǎn)自動化水平;今天提出的第四次工業(yè)革命則是以信息物理融合系統(tǒng)為特征的新的工業(yè)革命。
德國“工業(yè)4.0”概念包含了由集中式控制向分布式增強型控制的基本模式轉變，目標是建立一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組。德國學術界和產(chǎn)業(yè)界認為，“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命，或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)—信息物理融合系統(tǒng)CPS(Cyber-Physical System)相結合的手段，將制造業(yè)向智能化轉型。
德國工業(yè)4.0提出了八項行動計劃，包括：第一，標準化和參考架構是實現(xiàn)縱向集成、橫向集成和端到端三項集成的基礎;第二，在CPS環(huán)境下實現(xiàn)整個價值鏈的復雜管理;第三，寬帶互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，提供可靠、安全的通信;第四，為生產(chǎn)安全、信息安全提供保障;第五，智能工廠改變了人們的角色、內容、流程和環(huán)境，需要進行工作組織的再設計;第六，培訓和持續(xù)的專業(yè)發(fā)展，改變工人的工作和技能;第七，監(jiān)管框架，新的制造環(huán)境，需要新的法律、準則的支持;第八，不斷提高資源利用率和工作效率。工業(yè)4.0提供了充分的靈活性、柔性的制造環(huán)境，從而可以為客戶提供個性化的產(chǎn)品和服務。在大數(shù)據(jù)的支持下進行優(yōu)化，提高了資源的利用率和系統(tǒng)的效率。創(chuàng)造出在高工資條件下仍然具有競爭能力。
美國通用電氣GE公司在2012年秋天提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IndustrialInternet)的概念。2014年4月在美國波士頓，由AT&T、思科、通用電氣IBM和英特爾宣布成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)，以期打破技術壁壘，通過促進物理世界和數(shù)字世界的融合。同年6月成員已發(fā)展到50名。 2014年10月9日，通用電氣宣布其40款工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，為公司增加超過10億美元的收入。涵蓋了石油天然氣平臺監(jiān)測管理、航空發(fā)動機在線監(jiān)測和優(yōu)化管理、鐵路機車效率分析、醫(yī)院管理系統(tǒng)、提升風電機組電力輸出、電力公司配電系統(tǒng)優(yōu)化、醫(yī)療云影像技術等一系列提升管理效率、降低運營成本的軟件產(chǎn)品。GE公司開發(fā)的Predix工業(yè)大數(shù)據(jù)與分析平臺將開放給第三方用戶和軟件商，實現(xiàn)與軟件開發(fā)商和解決方案提供商的產(chǎn)品實現(xiàn)對接。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是繼工業(yè)革命、互聯(lián)網(wǎng)革命之后的第三場革命。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、感應技術以及互聯(lián)網(wǎng)連接融合的結果。它通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數(shù)據(jù)分析，重構全球工業(yè)、激發(fā)生產(chǎn)力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經(jīng)濟。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三個要素包括：
智能機器：
以嶄新的方法將現(xiàn)實世界中的機器、設備、團隊和網(wǎng)絡通過先進的傳感器、控制器和軟件應用程序連接起來。
高級分析：
使用基于物理的分析法、預測算法、自動化和材料科學，電氣工程及其他關鍵學科的深厚專業(yè)知識來理解機器與大型系統(tǒng)的運作方式。
工作人員：
建立員工之間的實時連接，連接各種工作場所的人員，以支持更為智能的設計、操作、維護以及高質量的服務與安全保障。
GE公司認為機器自身的潛能已經(jīng)發(fā)揮到極致了，只有通過智能機器、智能系統(tǒng)、智能決策，實現(xiàn)企業(yè)資產(chǎn)、設備、機群、網(wǎng)絡的優(yōu)化，為企業(yè)創(chuàng)造新的價值。他們預測如果通過上述的優(yōu)化，在航空、電力行業(yè)減少1%的燃料消耗，在石油天然氣行業(yè)減少1%的成本，在鐵路、醫(yī)療行業(yè)提高1%的系統(tǒng)運行效率，那么到2025年，可使世界的GDP提高15萬億美元，通過數(shù)據(jù)進行決策，企業(yè)的生產(chǎn)力可以高出5-6個百分點。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的催化劑和推動力是以下幾個方面：
設備智能化：
將設備加入傳感器和智能化改造，使其具有聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù)的能力。
高級分析方法：
可使來自不同設備制造商的相似資產(chǎn)或不同資產(chǎn)種類的數(shù)據(jù)實現(xiàn)深度融合的新數(shù)據(jù)標準，能使數(shù)據(jù)更快轉換成信息資產(chǎn)并為集成和分析做準備的技術構架等。
系統(tǒng)平臺：
在技術標準和協(xié)議之上，新的系統(tǒng)平臺能使資源管理系統(tǒng)在共享框架或結構之上建立具體應用。供應商、設備制造商和消費者之間的新關系可以在這個平臺上得到持續(xù)維護。
作業(yè)流程：
充分整合信息到?jīng)Q策流程，以便創(chuàng)新業(yè)務實踐。用以監(jiān)控機械數(shù)據(jù)質量的流程。能協(xié)調各資源管理系統(tǒng)安排的先進法律程序等。
基礎設施：
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要一個適宜的主干網(wǎng)。數(shù)據(jù)中心、寬帶網(wǎng)絡都是信息通信技術基礎設施的一部分，他們需要進一步發(fā)展，并用以連接行業(yè)和地域之間不同的機器、系統(tǒng)和網(wǎng)絡。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0與中國兩化融合的比較
工信部苗圩部長在講到德國工業(yè)4.0與中國兩化深度融合時，用了三個關鍵詞：“如出一轍、異曲同工、殊途同歸”。下面我們用一張表將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0和中國的信息化與工業(yè)化深度融合做一個比較。
從產(chǎn)品智能、互聯(lián)互通、制造智能、經(jīng)營智能、服務智能、大數(shù)據(jù)分析和先進制造幾個維度，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0和我國的兩化融合做一個比較可以看出：美國GE公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，強調智能產(chǎn)品、互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、服務，沒有涉及制造環(huán)節(jié)。但是2014年10月24日，GE公司在上海發(fā)布了《未來智造》白皮書，提出：由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、先進制造和全球智慧所催生的新一輪工業(yè)變革。由此可見，德國工業(yè)4.0，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+未來制造，中國兩化深度融合對新一輪工業(yè)革命的認識高度一致。智能制造、智能工廠是主要特征，這和德國工業(yè)4.0和我國的兩化融合高度契合。
離散制造業(yè)智能制造的內涵
1 智能制造的定義和內涵
智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)，它在制造過程中能進行智能活動，諸如分析、推理、判斷、構思和決策等。通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動。它對制造自動化的概念進行了更新，擴展到柔性化、智能化和高度集成化。“智能制造國際合作研究計劃JIRPIMS”明確提出：“智能制造系統(tǒng)是一種在整個制造過程中貫穿智能活動，并將這種智能活動與智能機器有機融合，將整個制造過程從訂貨、產(chǎn)品設計、生產(chǎn)到市場銷售等各個環(huán)節(jié)以柔性方式集成起來的能發(fā)揮最大生產(chǎn)力的先進生產(chǎn)系統(tǒng)。”
與傳統(tǒng)的制造相比，智能制造具有如下特征：
自律能力：
智能制造過程具有能感知與理解環(huán)境信息和自身信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。具有自律能力的設備稱為“智能機器”，“智能機器”在一定程度上表現(xiàn)出獨立性、自主性和個性，甚至相互間還能協(xié)調運作與競爭。 值得注意的是，強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎。
人機一體化：
目前IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，它不僅具有邏輯思維，形象思維還具有靈感(頓悟)思維。 它能夠獨立承擔起分析、判斷、決策等任務。 人機一體化智能系統(tǒng)在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關系。
因此，在智能制造系統(tǒng)中，高素質、高智能的人將發(fā)揮更好的作用，機器智能和人的智能將真正地集成在一起，互相配合，相得益彰。
虛擬現(xiàn)實技術：
虛擬現(xiàn)實技術是實現(xiàn)虛擬制造的支持技術，也是實現(xiàn)高水平人機一體化的關鍵技術之一。虛擬現(xiàn)實技術是以計算機為基礎，融信號處理、動畫技術、智能推理、預測、仿真和多媒體技術為一體，借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現(xiàn)實生活中的各種過程、物件等，因而也能擬實制造過程和未來的產(chǎn)品，從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的感受，但其特點是可以按照人們的意愿任意變化，這種人機結合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。
自組織和超柔性：
自組織和超柔性是指智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務的需要，自行組成一種最佳結構，其柔性不僅表現(xiàn)在運行方式上，而且表現(xiàn)在結構形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。
學習能力與自我維護能力：
智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學習功能，同時，在運行過程中自行進行故障診斷，并具備對故障自行排除、自行維護的能力。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠自我優(yōu)化并適應各種復雜的環(huán)境。智能制造對于不同的行業(yè)其需求是不同的。
2 流程工業(yè)智能工廠
最近幾年歐美國家針對流程工業(yè)提出了“智能工廠”的概念。流程工業(yè)智能工廠由商業(yè)智能、運營智能、操作智能三個層次組成，如圖2所示。 圖2 流程工業(yè)智能工廠
3 離散制造業(yè)智能工廠
離散制造業(yè)與流程工業(yè)相比較，首先在底層制造環(huán)節(jié)由于生產(chǎn)工藝的復雜性，車、銑、刨、磨、鑄、鍛、鉚、焊對制造裝備的智能化要求很高，投資很大。與原材料工業(yè)相比較，離散制造業(yè)特別是裝備制造業(yè)、家電、消費電子等產(chǎn)品大都要求產(chǎn)品智能化，設計智能。圖3給出離散制造業(yè)智能工廠的框架。
在信息物理融合系統(tǒng)的CPS的支持下，構建智能制造、智能經(jīng)營、智能設計、智能產(chǎn)品、智能決策五大系統(tǒng)。要做到縱向、橫向和端到端的集成首先要有一系列的標準的支持，信息安全的保障。
信息物理融合系統(tǒng)CPS：
通過物聯(lián)網(wǎng)、服務網(wǎng)將制造業(yè)企業(yè)設施、設備、組織、人互通互聯(lián)，集計算機、通訊系統(tǒng)、感知系統(tǒng)為一體，實現(xiàn)對物理世界安全、可靠、實時、協(xié)同感知和控制。對物理世界實現(xiàn)“感”、“聯(lián)”、“知”、“控”。 如圖4所示。
智能設計：
應用CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技術，在設計知識庫、專家系統(tǒng)的支持下進行產(chǎn)品創(chuàng)新設計。在虛擬環(huán)境下設計出數(shù)字化樣機，對其結構、性能、功能進行模擬仿真，優(yōu)化設計，實驗驗證。支持并行設計、協(xié)同設計。在工藝知識庫的支持下進行工藝設計、工藝過程模擬仿真。最大限度縮短產(chǎn)品設計、試制周期，快速響應客戶需求，提高產(chǎn)品設計的創(chuàng)新能力。
智能產(chǎn)品：
智能產(chǎn)品要具有感知、分析、推理、決策、控制功能。具有信息存儲、傳感、無線通信功能，進入物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程服務。它是先進制造技術、信息技術和智能技術的集成和深度融合。如智能加工中心、自適應數(shù)控機床、自動駕駛汽車、智能儀表。
智能經(jīng)營：
在物聯(lián)網(wǎng)和務聯(lián)網(wǎng)支持下的整個價值鏈上從客戶需求、產(chǎn)品設計、工藝設計、智能制造、進出廠物流、生產(chǎn)物流等全過程的協(xié)同供應鏈的優(yōu)化和管理，使得任何客戶的需求、變動、設計的更改，在整個供應鏈的網(wǎng)絡中快速傳播，及時響應。制造服務全過程的管理。著眼于產(chǎn)品全生命周期，從用戶需求、設計制造、賣方信貸、產(chǎn)品租賃、售后服務、直至回收再利用全過程的管理和服務。在上述全流程過程中的契約、協(xié)議、交易、法律、互聯(lián)網(wǎng)金融的支持。全價值鏈上資源優(yōu)化利用，意外的處置，生產(chǎn)安全、信息安全、綠色環(huán)保等一系列的保障措施。
智能制造：
使用智能裝備、智能物流、制造執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)整個生產(chǎn)制造過程的優(yōu)化控制、智能調度、生產(chǎn)及設備運行狀態(tài)監(jiān)控、質量管理、車間績效等。對生產(chǎn)、設備、質量的異常作出正確的判斷和處置。實現(xiàn)制造執(zhí)行與運營管理、研發(fā)設計、智能裝備的集成。實現(xiàn)設計制造一體化，管控一體化。
智能決策：
在智能工廠的環(huán)境下，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)包括結構化數(shù)據(jù)、半結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)，用大數(shù)據(jù)的處理技術，進行建模、數(shù)據(jù)抽取、分析使企業(yè)的各級決策者獲得知識或洞察力，促使他們做出對企業(yè)更有利的決策。提高決策的遇見性和準確性。對于工業(yè)企業(yè)大數(shù)據(jù)的開發(fā)利用可以用于市場和客戶的分析，爭取、發(fā)展和留住客戶;優(yōu)化企業(yè)運營，使資源利用最大化，降低成本;全面了解、深入洞察和控制財務風險;創(chuàng)建新的業(yè)務模式等。
智能制造之路
對于一個制造業(yè)企業(yè)特別是離散制造業(yè)企業(yè)，要全面實現(xiàn)智能化是一個浩大的工程。需要大量的資金，人力資源的投入，絕不是一蹴而就的事。正如“中國制造2025”的規(guī)劃，要用第一個十年進入世界第二方陣，第二個十年進入第一方陣，第三個十年完成中國從制造大國向制造強國的轉變，在制造業(yè)的主要領域我們要具有創(chuàng)新引領的能力和明顯的競爭優(yōu)勢，建成全球領先的技術體系和產(chǎn)業(yè)體系。這是中國制造2025的愿景和目標，也應該成為每一個企業(yè)的愿景和目標。這樣一個宏偉的目標不是短時間能完成的。所以我們一定要總體規(guī)劃，分步實施，重點突破，效益為先的方針。
總體規(guī)劃，分步實施
建設智能制造系統(tǒng)，智能工廠是一項長期、艱巨、復雜的系統(tǒng)工程，必須按照“總體規(guī)劃，分步實施，重點突破，效益為先”的原則進行規(guī)劃。首先要將其納入企業(yè)的長期發(fā)展戰(zhàn)略，5-10年企業(yè)發(fā)展愿景是什么，我們要成為什么樣的企業(yè)，在國內和國際上我們在某一特定領域占有什么位置。制定企業(yè)長遠發(fā)展的戰(zhàn)略目標，抓住獲取企業(yè)核心競爭能力這條主線，從而知道我們需要創(chuàng)新研發(fā)什么樣的產(chǎn)品，什么樣的制造技術，什么樣的經(jīng)營模式，什么樣的服務。在這樣清晰的戰(zhàn)略目標指引下制定總體規(guī)劃，分析制約企業(yè)發(fā)展的瓶頸，排出先后順序，制定分階段的目標和內容。
抓住獲取企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心競爭力這條主線
什么是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心競爭能力，能為客戶創(chuàng)造高的價值，超越競爭對手，很難復制和模仿的競爭能力。降價競爭從來不可能獲得可持續(xù)競爭優(yōu)勢，引進一項新技術或新產(chǎn)品獲得的競爭優(yōu)勢并不是可持續(xù)的。擁抱互聯(lián)網(wǎng)，走智能制造的路，逐步實現(xiàn)研發(fā)設計智能化、產(chǎn)品智能化、經(jīng)營管理智能化、制造智能化、服務智能化、決策智能化，這是制造業(yè)的發(fā)展方向。
智能制造也要進行投資效益分析
建設一個自動化、智能化的工廠是要花費大量資金的，為了智能化而智能化，不進行投資效益分析是不行的。中國勞動力成本是在逐年上升，但是與發(fā)達國家比較仍然是低的，在企業(yè)的若干生產(chǎn)活動中仍然有許多活動用人比用機器更合理、更便宜。要首先選擇那些質量、效益、安全綜合效益好的環(huán)節(jié)實施智能化，不要盲目追求全盤自動化、智能化。企業(yè)要結合自身的情況、所處的發(fā)展階段、技術水平、經(jīng)濟實力，量力而行。二十多年前一個863/CIMS示范企業(yè)盲目追求制造自動化，向銀行貸款大筆資金，背上沉重的負債，企業(yè)從此一蹶不振，這是一個沉重痛的教訓。所以搞智能制造也要進行投資效益分析。
發(fā)揮企業(yè)的主體作用
隨著新一輪工業(yè)革命的興起，國家實施“中國制造2025”，“智能制造試點示范專項行動”，“互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)融合創(chuàng)新”等項目相繼開展，這是非常重要的。政府組織、引導、鼓勵企業(yè)走新型工業(yè)化的道路。但是一定要堅持市場主導，企業(yè)為主體的思想，企業(yè)對投資效益負責。