工业4.0的前世
工业4.0源自德国对2008年金融危机的一个应激式反应，当时整个欧洲大陆都在寻找改善经济的机会。对于德国而言，一个重要的结论就是，德国必须形成更加柔性与灵活的生产链条，坚定不移地转向大规模定制以适应动态的外部环节。
而整个世界正好能够感受和预见到数字转型对制造环境的巨大影响，这就是工业4.0扑面而来。前三次工业革命浪潮分别是机械化、电气化和IT技术。而现在是第二波数字化浪潮，大大拓展了人们感知、理解、执行和学习的能力，从而酝酿着第四次工业革命。
德国工业4.0也是通过几个阶段而不断发展，可以分为四个阶段。德国国家科学和工程院（acatech）发展和完善了“工业4.0”这个概念。随后，科学界、工业界的联合体与政治家一起，向联邦政府建议在几个特定的领域培育数字化。
图1 德国工业4.0平台的发展
最终德国政府非常认同这个描述，并且将工业4.0从一个战略项目，最终确立为国家级的工业4.0平台（第二个工业4.0平台）。通过联合产学研政各家力量，协调各种国家战略，也与其他国家之间的战略对接，并形成专业的知识交换平台。
工业4.0是一个德国提出来的概念，不同国家面临同样的数字化大潮可以采用不同的名字和内涵。因此，所有的国家都能够相互学习，但每一个国家都需要去发展适合自己经济结构和需求的概念。
工业4.0的潜力
工业4.0有着各种巨大的可能，比如，它可以使得单件生产成为可能，充分满足个别用户的定制需求。在工业4.0的世界，商业环境和工艺流程的动态结合，这使得即使在最后一刻需求发生变化的时候，生产仍然成为可能。与此同时，在整个供应链上，当个别供应商出现问题的时候，整个工厂仍然可以保持充分的柔性。
而终端用户也呈现出连接的状态，其巨大的透明性，可以贯穿整个制造流程之中，这使得商业决策可以大大优化。这就会产生许多不同的价值和全新的商业模式——尤其对于中小企业和新创公司，它们很容易在全流程的价值服务中找到自己的位置。
工业4.0还致力于解决资源短缺、能源效率低下、城市生产和人口变化所带来的挑战。由于工业4.0可以在整个价值链上优化资源效率，它可以充分考虑到人口变化和社会因素，从而形成有效的组织。而作为工业价值链上重要的一环——智能服务，作为相辅相成的补充概念，可以使得制造业的环节，更加广泛地向外延伸。
未来世界的形式是CPS
在未来，各种设备、库房和产线都以赛博物理系统CPS的形式出现，形成一个全球化的网络。
在制造环境中，这些CPS系统包含了智能机器、自动化仓储、自适应产线等。它们自主交换信息，实现各自独立的自动执行和控制，使得生产、工艺、物料和供应链，可以在全生命周期内得到系统性地优化。
根据德国国家科学和工程院（acatech）的定义，赛博物理系统CPS正在成为未来全球化网络世界的一部分。在这里，产品、设备和零部件都通过各种不同功能的嵌入式系统和软件，进行交互。借助于传感器强大的感知力量，这些系统可以处理物理世界产生的数据，并将其转化为基于网络的服务。反过来，这些数据将通过执行器反作用在物理系统上。通过这个CPS系统，物理实体与数字空间紧密结合，从而形成一个由物联网、数据中心和务联网所组成的世界。
图2 物联网和务联网
CPS可以看成是工业4.0的起点。在CPS的世界上，数字孪生（digital twins）可以被创建、执行和交互。数字孪生是实体系统、流程或者产品在CPS的数字映射，并且随着实际运行时间而逐渐发展。工业4.0中的所有对象，都包含一个资产管理壳，可以对应一个数字孪生。而当数字孪生发生变化时，潜在风险和缺陷就会被检测、识别，从而实现早期修复。此外，真实系统的实际运行规律，也会被进行虚拟化处理，实现预先检查，甚至整个生产流程都可以在基于云的物联网平台上进行模拟。许多企业先行的实践者，已经接受了这个概念并在项目中使用。
实施工业4.0的两大法宝
如何能够高度抽象地统一不同企业、组织的共同行动？这就是需要建立一个顶层框架。德国工业4.0的顶层设计，就是工业4.0参考框架RAMI。这是一个三维模型，它定义了“层、流、级”三个维度，分别是生产层（Layers）、生命周期价值流、系统层级（Levels）。而在每一个维度上，都有相应的技术指南和标准。
根据相对应的虚拟数字映射和技术功能描述，与RAMI相呼应的还有一个重要的支撑概念：“管理壳”。 “管理壳”可以是一个或多个生产组件，但必须能够跟RAMI所定义的三个维度上的要素之一相呼应，并且需要满足相关技术标准。借助于管理壳，确定设备资产的数据、功能和安全需求就变得非常容易，无需重复定义，而且可以确保相互连接。因此，管理壳和RAMI都是实施工业4.0的重要保障。
图3 管理壳的定义
2017年10月20日在法兰克福开展的“管理壳日”是工业4.0平台走向工作标准化的一个重要步骤。
此外，RAMI是国际间进行合作、形成相互映射的参考架构的基础。目前跟工业互联网联盟的架构IIRA已经开始合作，与其他国家如中国和日本也有交流合作。
颠覆性的平台经济
工业4.0与平台经济密切相关，最重要的关联点就是智能工厂。在智能工厂中，整个生产流程和供应链都是虚拟的，而且高度柔性化，最极端的批量为1件产品。而这些都是由单独的个人订单所驱动。在智能工厂可以广泛地生产智能产品，后者是高度互联的物理实体、设备和机器，从而产生大量的数据。通过有意义的分析、解读、连接和补充，这些数据可以重新定义，成为“智能数据”。
基于这一点，企业不仅仅可以有效地控制、维护和提升智能产品，而且可以生成知识，从而作为“智能服务”的基础。实际上，智能服务是全新的、定制化的服务，并且基于数据驱动的商务模式，从而提供了更多商业化的机会。
图4 数字生态系统
要提供智能服务，所有的机器、设施和工厂都必须通过数字化平台连接到物联网上，而这个数字化平台就会逐渐演化成一个生态系统。这个生态系统有一个基本原则，那就是“即插即用”。通过数字服务平台，一个公司的服务就可以模块化，与第三方的各种服务平台有机结合，共同对外来满足用户的各种实时需求。
在平台经济或者服务驱动的商业模式下，一家一家的提供商和其产品就不再是重点。所有的重心都转移到用户的个性化需求上。从工业生产的实例来看，一个压缩机不再是出售空压机，而是将“提供压缩空气”当作一种服务。这就打破了既有的商业模式，代表了一种新的范式转换。高品质的产品供应商，将转向基于产品服务系统或者智能服务系统。
中小企业的挑战
乍看起来，中小企业可以更好更快地实施工业4.0，因为他们对于业务的理解往往更加清晰，便于实施。但事实上，这是一个巨大的挑战，尤其是对于中小企业，因为他们往往缺少足够的领导力、优秀的雇员和良好的财务结构，来识别急需优化的领域，以及实施路径。
要实现从产品销售到“服务为基础”的商业模式，要向将其增值的价值链部分进行数字化，中小企业都面临巨大的挑战。为此，德国政府实施了一系列的资助项目，来提高中小企业对工业4.0的认识，并且确保他们能跟专业人才相衔接。
图5 工业4.0的人才培训路径图
有很多方法可以推动工业4.0的实现。每家公司都可以采用不同方法、不同工具来实施。德国国家科学和工程院今年发布了一个工业4.0成熟度指数，将成熟度视为一个六级层级的模型。
图6 工业4.0进阶六步法
与此同时，《工业4.0成熟度指数》将企业结构分解为资源、信息系统、文化和组织结构四个结构领域。每一结构领域都包含两个指导原则和必要能力。这些能力用于实现各个发展等级，并为制造型企业向敏捷型组织的转型提供基础。
图7 企业结构四个领域
该模型在一些中小企业，例如德国的Harting公司，已经实际得到了验证。
数字化需要全社会介入
数字化不能被认为只是精英的事情：整个社会都需要介入。在德国，业界已经联合起来形成一个 “工作4.0”的工作组；在韩国，政府则致力于成为“世界上最数字化的社会”；日本也发布了“社会5.0”概念。每一种业务都需要重新考虑工作地点、流程、组织领导风格。对每一个国家，这都是一个极具挑战的开始，需要工业界、官员和科学家一起来努力。我们需要在一个全新的教育理念下，建立领先的数字化能力，让有能力的专家用得其所，从而真正能够推动一个全新的制造范式。
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