1.2 工业互联网成为全球产业竞争新焦点

1.2.1 美国的选择与工业互联网的提出

1．美国工业互联网概念的形成

进入21世纪以来，美国一直都在探索制造业与互联网等信息技术融合发展，将其作为新世纪赢得竞争新优势的重要手段，2008年金融危机后这一进程明显加快。2012年，美国通用电气公司（GE）发布白皮书《工业互联网：打破智慧与机器的边界》。该白皮书对工业互联网进行了全面介绍，还重点阐述了发展工业互联网对促进经济持续增长的重要作用和意义。工业互联网一经提出便得到产业界的积极回应，2014年美国企业发起成立工业互联网联盟（IIC），系统地开展工业互联网顶层设计与商业部署，工业互联网作为一种新产业迅速兴起。

从国家层面看，美国工业互联网概念的提出与“再工业化”和先进制造战略有着密切联系，而这些概念和战略都与3个重要的时代背景有关。

（1）长期以来美国经济存在“脱实向虚”的结构性问题。早在20世纪中期，以制造业为代表的实体经济曾在美国国民经济中占据主体地位。根据美国经济分析局提供的数据，1950年美国制造业增加值占GDP的比重达到26.8%。到了20世纪60—70年代，随着日本、德国等国制造业快速兴起，美国本土制造业遭受较大冲击。同一时期，美国深陷越南战争泥淖，财政赤字扩大，大量资本外逃，美元作为国际货币的地位受到严重冲击。20世纪70年代初，美国政府无力承担稳定美元汇率的责任，随即终结了布雷顿森林体系，并通过系列法案，开始实行宽松的货币政策，持续放宽对金融机构和产品的管制，大量金融衍生产品涌现。这一趋势持续了几十年之久，以金融和房地产业为代表的虚拟经济开始逐步取代传统制造业，在国民经济中占据主体地位。截至2006年，美国金融与房地产增加值占GDP的比重已达到20%。本土制造业的较慢增长与虚拟经济泡沫的快速膨胀形成鲜明对比，导致企业从事实体生产的意愿不断降低，而参与金融活动的意愿则逐渐增强。这直接导致企业经营行为日趋短期化、金融化，投资和再生产的资金也主要依赖金融负债，全社会的杠杆率不断攀升。2008年，长期过度膨胀和无序发展的虚拟经济终于引发了一场重创美国和世界的金融危机。

（2）产业结构失衡，空心化问题导致美国产业竞争力被持续削弱。20世纪50年代后，随着贸易全球化和投资自由化进程加速，资源要素和商品流动的成本不断降低，全球化产业分工的概念开始被广泛接受，美国企业逐步将制造流程中低附加值的加工环节向外转移，自身则重点关注前端研发、后端服务与品牌塑造。这一决策一方面强化了企业对高附加值的微笑曲线两端的控制，另一方面也导致美国制造业产业公地的衰落，进而造成产业空心化问题。美国企业加速将制造环节外迁，导致产业公地失去了重要部分，与制造相关联的配套环节也随之衰落，如制造业基础设施、原材料供应企业、高素质的制造业劳动力等。这些要素的缺失最终导致产业公地分崩瓦解，使得依靠产业公地的各类企业逐渐失去竞争力，迫于生存需要不得不跟随外迁。产业公地的衰落导致许多新技术、新产品诞生于美国，但产业化并不发生在美国，以致美国相关产业在发展到一定阶段后逐渐失去竞争力。

（3）以信息技术为代表的科技前沿领域快速发展，孕育新一轮产业革命。近年来，随着基础理论、工艺技术等不断突破，新一代信息技术、新能源、新材料等领域均取得革命性突破，全面步入跨越式发展新阶段。同时，不同行业之间的交叉融合正在加深，这些变化将会引发新一轮产业变革，对未来制造业产生颠覆性影响，并深刻改变全球制造业发展格局。

在以上3个背景下，美国政府一方面深刻反思过去“去工业化”发展模式存在的问题，认真吸取教训并提出“再工业化”战略；另一方面也充分认识到新一代信息技术与制造业的融合所形成的巨大创新动能，把以信息技术为核心的先进制造业列为未来重点发展方向，期望通过大力发展先进制造和工业互联网刺激经济增长，重塑国家竞争优势，抢占未来世界经济和科技发展的制高点。

从企业层面看，工业互联网概念的提出是美国制造业龙头企业顺应技术、产业变革大势，全面提升自身价值创造能力的重要选择。以GE为例，在近140年的发展历程中，它经历了数次技术和产业的颠覆性变革，多次面临过生产效率降低、供应端成本上涨、金融危机重创等困境。然而，在每一波变革浪潮中，GE都能紧紧抓住推动产业转型的新生产力，实现自身生产效率的增长与市场规模的扩张。2008年金融危机后，GE开始对企业发展模式进行重构，逐步剥离金融等与制造业无关的业务，放弃通过扩张、并购和整合的“外放型”增长方式，重点将企业价值和利润增长的方式调整为对制造流程深度优化、提高资产利用率、节约原材料和能源等。同时，GE还对过去十几年间互联网企业快速渗透各领域，不断颠覆行业规则，而工业企业对此却反应迟缓的问题进行深入分析，试图找出传统制造业企业拥抱互联网，实现全面数字化转型的路径。面对近些年云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术快速发展的时代浪潮，GE作为一家传统高端装备制造商，敏锐地认识到这些技术对于制造业的赋能作用，开始探索自身数字化转型之路。GE试图以海量设备连接和数据采集为基础，通过数据分析驱动和工业机理结合的方式打造新生产力，旨在解决长期困扰传统工业的质量、效率、能耗等问题。为此，GE还配套设计了一系列数字化转型战略，对组织、业务、流程和商业模式等进行全方位调整。

世界著名的工程机械制造商卡特彼勒公司（CAT）也是主动拥抱信息技术进行转型升级的典型代表。早在2007年，卡特彼勒的多款产品就已开始配备标准的网络通信模块，经过近十年的迭代优化，卡特彼勒的工程机械智能互联技术已十分成熟，在应用规模上实现了大幅增长。卡特彼勒的智能互联技术解决方案适用于自身或其他厂商的工程机械设备，除了能让客户了解基本的设备运行信息，还能提供全方位的专业知识服务，解决客户在施工现场面临的各种难题。2016年，卡特彼勒首次向全行业发布了《智能机器时代》（The Age of Smart Iron）战略，全方位介绍其提高企业生产效率、生产安全性和赢利水平的多种数字解决方案。

从以上案例可以看出：正是GE、卡特彼勒等龙头企业在不断强化自身数字化的基础上，努力实现在全面数字化转型的背景下，能够实时监测设备运转、深度优化企业运营、提升制造业效率从而释放更大生产力的工业互联网被提出。

此外，美国工业互联网的提出还与其强大的制造业和ICT（信息与通信技术）产业基础密切相关。美国是传统工业强国，制造业底蕴深厚，尽管过去几十年间制造加工环节持续外流，但美国企业在制造业原始创新方面依然具有显著优势，特别是在航空航天、半导体等行业领域拥有绝对优势。同时，美国ICT产业高度发达，作为世界第一互联网大国，美国在互联网技术、应用等方面引领全球发展，在互联网治理方面拥有绝对话语权。美国在工业和信息技术两个领域的优势，为工业互联网概念的提出和应用落地构筑了良好基础。

2．美国工业互联网提出的目的

2008年金融危机后，针对经济和产业发展遇到的空前困难，美国政府、产业界和学术界纷纷开始重新审视发展实体经济特别是制造业对于促进经济社会持久健康发展的意义。2011年6月，美国总统科学技术顾问委员会（PCAST）发布《保持美国在先进制造业的领导地位》报告，强调先进制造对美国经济发展的关键作用；同月，美国政府启动了《先进制造伙伴关系》（AMP）计划。就在一年后，GE以自身数字化转型实践为基础，正式提出工业互联网概念。工业互联网提出的目的，从企业层面看，是为了满足GE等龙头企业为推动自身数字化转型，实现价值创造能力与发展模式变革的需要，而从国家层面看，发展工业互联网是为了探索再创美国制造业辉煌的新实施路径。

在国家层面上，美国发展工业互联网的目的又可分为短期目的和长期目的两个方面。从短期看，美国希望通过发展先进制造与工业互联网，扭转经济脱实向虚趋势，吸引制造业向美国本土回流，稳定和促进就业，缩小贸易逆差，同时积极应对中、德等国的制造业振兴计划。从长期看，美国希望通过发展工业互联网，积累颠覆性的未来工业使能技术，巩固和扩大其在基础和前沿科技领域的优势，并积极将技术优势转化为先进制造业产业竞争优势，彻底变革制造业价值创造模式，实现产业全面升级，推动国家经济的长远健康发展。此外，过去美国存在产业结构失衡的问题，中低端产品的加工环节须要放到国外，这不利于构建一个完整、强大的制造业生态。美国希望通过发展工业互联网，结合在页岩气能源方面取得的突破，大幅降低本土制造业成本，显著提升效率，以补足自身在加工环节的“短板”，重新获得对制造业生态的全盘掌控能力。

3．先进制造、CPS与工业互联网

2012年2月，美国国家科学技术委员会发布《国家先进制造战略计划》（National Strategic Plan for Advanced Manufacturing），将先进制造确定为国家战略。美国的先进制造战略提出，要优先发展的先进传感器、控制和制造平台（ASCPM），以及可视化、信息化和数字化制造（VIDM）3个方向都与工业互联网直接相关。先进传感器是工业互联网感知能力构建的基础。ASCPM基于先进的互联网络基础设施，可实现智能制造过程中信息和机器设备的无缝集成，从而提高制造敏捷性和生产率。VIDM是一系列企业层级的智能制造技术集合，包括制造业端到端集成的发展、供应链效率的提升、过程安全的改善、制造技术柔性化等。VIDM依托稳健的网络安全架构和高性能共享型网络基础设施，运用可视化、数字化的制造技术帮助企业向客户提供最优化服务。从理念、实现方式和应用效果等方面进行比较，ASCPM和VIDM都与工业互联网十分类似，三者均通过智能传感设备获取数据，利用网络实现数据的自由流动，以及运用高级分析工具对数据进行深度分析，进而驱动工业智能决策。

信息物理系统（Cyber-Physical Systems, CPS）是集成计算、通信与控制于一体的智能系统，能够实现信息系统与物理系统的深度融合。2006年，美国国家科学基金会（NSF）召开了国际上第一个关于CPS的研讨会，详细描述CPS概念，为未来研究指明了方向。此后，美国政府、学术界高度重视CPS基础研究，投入大量资源不断完善CPS科学体系。2007年7月，美国总统科技顾问委员会（PCAST）发布《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》报告，列出八大关键信息技术，CPS位列首位。作为美国应用研究的主管机构，国家技术与标准研究院（NIST）最早注意到CPS的产业应用潜力，2010年NIST开始向产业界介绍CPS相关技术及其在工业中的应用潜力。CPS在工业领域的应用并不是传统的信息系统与工业系统的简单集成，与过去工业领域基于经验、规则的控制和信息系统关注数据随着生产活动流转的模式不同，CPS更多的是依托智能传感、物联网等技术对机器设备等实时感知、动态控制，并通过强化机器的自主认知能力和基于数据分析的决策能力，实现工业系统与信息系统在感知、分析、决策和管理等方面的深度融合。以GE为代表的工业企业长期以来高度关注CPS发展，可以认为，正是受到CPS理论的影响，GE等行业巨头才提出了工业互联网。

1.2.2 德国的选择与工业4.0的源起

1．工业4.0提出的背景

德国作为制造业发达的经济体，是欧洲第一大商品出口国，其汽车、机械、工业自动化设备等产品在全球范围内享有盛誉。历经国际金融危机和欧债危机后，德国依靠良好的实体经济基础和制成品出口拉动效应，较好地抵御了经济危机带来的冲击。然而，在后危机时代，德国的经济和产业发展依然面临挑战。

（1）受到经济危机的持续影响，世界各主要国家经济复苏乏力，部分新兴国家的经济增长也开始放缓，这些因素的叠加导致外部需求不振。德国作为一个以工业产品出口为主导的外向型国家，2006年以来工业出口总值的增长陷入了停滞状态，这在一定程度上影响了德国经济的发展。由于德国出口的商品长期以来都是以技术领先、质量优良而非价格低廉取胜，所以如何在经济新常态下通过结构变革和产业升级，进一步强化德国制造在品质方面的比较优势，以及有效开拓市场成为德国政府和产业界首先想要解决的问题。

（2）当前消费者需求不仅个性化、多样化，而且需求转变迅速，市场节奏明显加快，这让很多传统制造企业不知所措。德国企业都希望能够改变传统的以“硬”产品为核心的制造思维模式，将新一代的信息化技术融入制造业体系，为开展定制化生产和个性化服务等高附加值活动创造条件。

（3）德国在互联网等新兴产业方向上相对落后，目前全球市值排名前20位的互联网企业中没有一家欧洲企业，包括德国在内的欧洲消费互联网市场基本上被美国企业垄断。面对美国企业在消费互联网领域的绝对领先优势，德国想要扭转局面，唯有另辟蹊径，依托德国制造业综合优势，在“产业+互联网”方向上发力。

（4）劳动力成本上涨较快，德国制造业工资水平长期高于欧盟平均水平，并且从2011年起，德国单位劳动力成本增速已开始超越欧元区平均增速。同时，德国还面临严重的劳动力短缺问题，多重因素叠加使得未来德国劳动力成本还会持续上涨。

（5）来自其他国家的挑战。中国制造业近年来发展迅速，已成为德国的强劲对手，中国企业具备很强的大规模生产能力和成本方面的比较优势，产品的技术含量与质量也在稳步提升，已经开始对外输出机床、汽车、高铁等高附加值产品，在中高端领域与德国等传统工业强国展开竞争。此外，美国、日本等国均积极出台先进制造政策，不断推动新工业化进程，也给德国带来了压力。

近年来随着互联网等新兴技术快速发展，并且加速向实体经济各领域渗透，德国政府和产业界敏锐地认识到两点：一是信息技术强大的赋能作用，潜力不可估量。二是制造业与信息技术融合发展必将带来产业突破与重构，引发第四次工业革命。从发展基础看，德国具备抓住第四次工业革命机遇的条件。在硬件方面，德国工业基础雄厚，制造体系和产品链条十分健全，在机械装备、电气工程、自动化、医药等方面优势明显；西门子、博世等龙头企业引领行业数字化转型，发展势头强劲；众多“隐形冠军”企业也具备向产业链提供专业化解决方案的能力。在软件方面，德国企业在CAX、ERP、MES、PLM等核心工业软件领域都占据主导地位。在基础技术方面，相关企业在材料、元器件等领域技术积累深厚，一直处于全球领先位置。

2．工业4.0提出的目的

德国提出工业4.0的目的是在制造业成本不断上涨和外部竞争挤压的背景下，依靠产业变革来增强本国制造业核心竞争力，一方面为装备产品出口打开新市场，另一方面转变过去只卖产品而售后服务收入比例偏低的状态，将制造价值创造从产品端向服务端延伸，增强德国制造产品的持续赢利能力。从总体上看，德国制造的传统优势在于核心技术研发与产品制造，由于多种原因，目前市场对于产品本身的需求已接近饱和，德国制造未来的发展空间必然在提供高效集成方案与增值服务这两个方向上。德国传统制造业巨头们希望借助工业4.0体系，以高质量产品为基础，融合新一代信息技术，形成具有极强竞争力的集成解决方案，面向全球推广，为制造业创造新的价值增长点。

德国工业4.0的提出还有一个重要目的，就是促进制造业大、中、小企业融通发展，保持制造业生态发展活力。以西门子、博世等为代表的德国工业巨头拥有雄厚的资金实力、专业的技术积累并占据着市场主导地位。面对新的产业变革大潮，它们完全能够依靠自身实力进行技术和模式创新，实现跨越式升级。然而，德国还有大量的中、小企业并不具备良好的数字化转型基础和能力，这些企业虽然是某些垂直领域内的“隐形冠军”，但实现信息技术和传统技术的深度融合需要大量成本投入，包括资金、人才等，高昂的转型成本已成为这些中、小企业追赶工业革命浪潮中遇到的最大障碍。工业4.0提出后，在德国政府的牵头下，各工业巨头共同参与工业4.0的研究和框架制定，不仅是为拓展未来新市场，更是为了帮助德国中小企业降低数字化转型成本，以及通过大企业的落地项目，带动产业链上下游的中、小企业一同发展，让所有企业都能实现数字化转型，分享发展成果。

3．基于CPPS的工业4.0

德国在工业4.0中专门提出CPPS（Cyber-Physical Production Systems）概念，即应用在生产过程的CPS。CPPS是利用CPS技术实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流，进而构建起一种数字化、虚拟化、网络化的制造模式。在这种模式下，生产由集中向分散转变，产品由趋同向个性的转变，用户由部分参与向全程参与转变。而要实现这些转变，必须将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起，即将物理生产设备与数字化模型有机结合，并基于统一的数据基础，对所有数据进行管理和有效应用，实现智慧生产与服务。为了全面推广CPPS部署及相关理念的普及，德国工业4.0专门制定了“双领先”战略，即对外实施“领先供应商战略”，对内实施“领先市场战略”。“双领先”战略着重发挥德国在先进制造技术解决方案方面的优势，依照制造业的特定需求对信息技术进行适配优化，帮助企业创新商业模式，升级价值链，还通过实施示范工程来降低中小企业应用CPPS等技术的门槛。

1.2.3 重塑国际竞争新优势的共同选择

纵观世界工业发展史，几乎每一次产业革命都为各国转型升级进程铺设了大体一致的路径。在新一轮科技革命和产业变革浪潮下，以信息技术为基础支撑，跨领域融合所产生的技术上的变革，对制造业的促进和催化作用非常明显，使得制造业呈现出网络化、智能化、服务化的新特征。德国和美国虽然为此分别提出了不同的战略概念、模式和路线图，但在新一轮产业革命的大背景下，工业互联网与工业4.0也存在诸多共同点。

1．相同的时代背景

工业互联网与工业4.0这两个概念都是在同一历史时期（2012—2013年）提出的，通过对这一时期两国的产业发展背景进行梳理可以发现，美、德两国都面临着过去经济发展模式累积的深层次矛盾日益凸显，制造业成本上升、竞争力下降、产业发展放缓的困境。面对相似的发展环境，美、德两国又都认识到信息技术和工业的融合会引发新的产业革命。正是在现实的倒逼下，美、德两国分别提出了基于各自不同发展现状，但又拥有相似目标和诉求的新工业发展路线与技术框架，希望借助新一代信息技术帮助本国制造业重塑竞争优势。

2．一致的发展方向

数字化、网络化和智能化已成为制造业未来发展的主要方向。美、德两国在编写制造业发展规划时，都不约而同地提出通过打造跨领域的工业互联架构，让企业运用新技术、新模式提高生产效率，增强产品和服务的市场竞争力。工业4.0侧重于将信息技术与传统工业系统紧密结合，把工厂的数字化和智能化建设作为产业升级的核心，希望通过打造软硬件融合与虚实结合的 “智能工厂”，全面提升企业生产运营效率。工业互联网侧重于通过云计算、大数据、人工智能等信息技术赋能，增强传统企业的“软实力”，以此来触发商业模式创新和生产效率的大幅提升，进而实现转型升级。

3．趋同的内核实质

工业互联网和工业4.0都是以新一代信息技术为基础，通过建立泛在的连接与感知能力，进行实时数据的收集、传输、处理和反馈。工业4.0计划提出，通过信息网络与工业生产系统的充分融合，打造数字工厂，实现价值链上企业间的横向集成，网络化制造系统的纵向集成，以及端对端的工程数字化集成，来改变当前的工业生产与服务模式。工业互联网提出，要将带有内置传感器的机器、复杂信息系统与其他机器、人连接起来，从中提取数据并进行深入分析，挖掘生产或服务系统在效能优化、质量提升等方面的潜力。工业互联网和工业4.0都是将CPS作为自身技术理论基础，用于指导改善各自系统运行的自主性、可用性和可靠性。工业4.0还专门提出了以CPS技术为核心的CPPS，并将其摆在重要位置（CPPS/CPS是各类工业4.0实施建议报告中出现频率最高的词汇）。而CPS发源和基础理论研究都集中在美国，工业互联网概念的提出也是以此为基础，目前CPS的内涵和功能均已被GE等美国企业融合在工业互联网具体实践中。