1.1 初识工业4.0

随着“工业4.0”这个高端战略规划的提出，欧洲乃至全球许多国家和工业领域企业都陆续表现出了极大的关注和支持。

只有先了解“工业4.0”的知识，才能真正走进“工业4.0”。那么“工业4.0”是基于什么背景提出的呢？为什么是“工业4.0”呢？“工业4.0”又能为我们的生活带来什么呢？如图1-1所示。

1.1.1 工业4.0的背景

自从2013年德国在汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0”战略规划以来，在短时间内就得到了来自政府、党派、工业企业、协会以及相关院所的支持和帮助，并且达成了一致共识。如图1-2所示为汉诺威工业博览会上的“工业4.0”字样。

这对于一个来自民间的概念来说，从一个产业政策上升为国家法律并迅速演变为国家产业战略，有其偶然性，也有一定的必然性，如图1-3所示。

1．偶然性

早前在“工业4.0”刚提出时，人们的最终目标是想要利用物联网等信息技术媒介来提升国家整体的工业制造业水平，只是当时世界对“工业4.0”的关注度并不高。如图1-4所示为基于物联网与服务的智能化环境发展过程。

此后，直到2013年有关部门再度提出这一愿景，并做出了一系列的实践。2013年《德国工业4.0战略计划实施建议》发表后，德国正式向全世界宣布第四次工业革命已经到来，才逐渐得到认可和重视。

2．必然性

德国是传统的科技工业强国，其中以鲁尔工业区为主，在全球工业制造业中起着主导作用，如图1-5所示。

直到第三次工业革命，由于遭受到了来自各界的压力，导致其竞争优势逐步衰退。也是因为这一打击，德国才开始对工业产业链进行反思，并陆续展开转型和升级。那么，德国此前遭受到了哪些打击，又存在哪些忧虑呢？如图1-6所示。

1.1.2 工业4.0的来源

“工业4.0”相比较于此前的3次革命，它的发展模式发生了基本改变，已经不再是过去的传统集中式控制，而是重新建立了集分散式与增强型于一体的控制模式。这种发展模式具有更大的弹性空间，能够有效实现灵活度高的数字化产品生产模式。如图1-7所示为数字化生产控制平台。

在这一新兴模式背景下，传统工业制造业将逐步消失，同时还会出现许多跨领域的合作，这样传统的价值链也将会被取代，产业链将面临重组。

在德国看来，第四次工业革命就是以智能化为主导的“工业4.0”，最终目的就是利用新兴信息通信技术和信息物理系统（Cyber-Physical System）相结合的举措，实现工业制造业的智能化转型。如图1-8所示为智能制造环境。

通常，我们把“工业4.0”划分为两大部分，即“智能工厂”和“智能生产”。下面主要从这两个方面详细介绍什么是“工业4.0”。

1．智能工厂

智能工厂主要与工业智能化生产过程相关，同时还能实现网络化分布式的生产设施。在智能工厂中，假如将人、机器以及资源三者集合到一起，它们就能够自然地进行沟通和协作，就如同置身于一个现代社交网络中一样。如图1-9所示为智能工厂网络结构。

那么，智能工厂又具有哪些优势呢？如图1-10所示。

另外，在这个沟通过程中，工业供应链也将参与其中。与此同时，未完成加工的工业产品将向机器传递加工资料与数据，再将其加工成工业商品。

在智能工厂背景下，未来的工厂将有很大可能实现自主工作，完成自主优化和自主操控。智能工厂不仅能够脱离中央控制，实现智能化，这种生产过程与传统生产模式相比更具有弹性空间，柔性生产程度也更高，如图1-11所示。

2．智能生产

智能生产的过程中主要会涉及3大部分，如图1-12所示。

在智能生产的发展背景下，在不久的将来工业制造业的智能产品将会被定位，我们能够对其工业产品一目了然，例如产品的发展历程和当前现状等。如图1-13所示为智能生产。

1.1.3 工业4.0的目标

“工业4.0”时代来势汹汹，志在必行。那么“工业4.0”能为我们带来什么，能实现什么目标呢？如图1-14所示。

1．德国角度：继续保持在制造领域领头羊的地位

德国是工业制造业强国，也是制造业的先行者，在国际制造业市场具有领头羊的地位。“工业4.0”对于德国来说，既是一次挑战也是一次机遇，德国人想要利用第四次工业革命这一契机稳住全球工业制造业领头羊的地位，因此，在向“工业4.0”进发的道路上，德国开始抢占先机，先发制人，力争占领全球工业制造业的制高点。

那么德国工业强国的地位，在“工业4.0”的发展进程中具备哪些优势呢？如图1-15所示为德国工业的优势。

2．制造业角度：实现智能化

随着第四次工业革命的开展，相信在不久的将来制造业将全面实现智能化。例如，通过信息物理系统构建网络全球化，如图1-16所示。

那么信息物理体系还有哪些优势与作用呢？如图1-17所示为信息物理体系的作用。

与此同时，“智能工厂”也将通过智能化的方式来加工、制造和生产，及时为人们提供工业智能产品的生产、使用和运输情况。

3．个人角度：实现个性化定制

“工业4.0”潜能是无限大的，从个人角度来看，当今社会人们所追求的个性化、多元化都可以通过智能工厂来实现，满足大众个性化需求。也就是说，以供应链为例，智能工厂能够完全自主掌握工业生产流程或一切与之相关的动态业务，并根据生产需求做出适当调整，灵活应对工程生产中可能出现的误差和故障。

一般来说，个性化的定制产品相比标准化产品会更加贴近现代化需求，也更具有价值。由此可知，生产线柔性升级是制造业个性化定制的最终目标。个性定制服务是一种大规模定制。通常，个性化产品定制多以高效率的批量定制为主，如图1-19所示。

实际上，想要真正实现大规模定制生产，还需要利用动态配置的生产方式来完成。第四次工业革命中提到的智能工厂的固定生产线理念已经消失，现阶段采用的是动态有机的模块化生产方式，如图1-20所示。

例如，可以将生产模块看成一个“信息物理系统”，使装配汽车自助在生产模块中自由穿梭，接受装配作业。在装配过程中假设某个环节或零部件出现故障，能够及时使用其他车型的零部件进行有效弥补，使其继续生产，达到及时解决生产故障的目的。在这种动态配置的生产方式下，不仅能够通过动态方式来管理从设计到测试的全过程，还能保证生产设备的高效运作以及多元化的生产种类。那么，动态配置生产方式下的个性化定制流程又是怎样的呢？如图1-21所示。

以智能制造的方式实现个性化定制生产，以最高质量和效率来满足客户需求。随着这一制造模式的普及和传播，我们应该看到它的优势，利用这一制造模式从根本上实现传统工业产业的转型升级。如图1-22所示为个性化定制平台。