德國制造業(yè)是世界最具競爭力的制造業(yè)之一，尤其是裝備制造業(yè)在全球處于領先地位。這在很大程度上源于德國在創(chuàng)新性制造技術方面的研究、開發(fā)和生產，以及復雜工業(yè)過程管理的專業(yè)性。德國擁有強大的機器和設備制造業(yè)，在信息技術領域表現出很高的水平和能力，在嵌入式系統和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業(yè)中的領軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優(yōu)勢開拓新型工業(yè)化的潛能：工業(yè)4.0。

前三次工業(yè)革命的發(fā)生，分別源于機械化、電力和信息技術。如今，將物聯網及服務引入制造業(yè)正迎來第四次工業(yè)革命。不久的將來，企業(yè)能以CPS(Cyber-PhysicalSystems，信息物理系統)的形式建立全球網絡，整合其機器、倉儲系統和生產設施。

在制造業(yè)領域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機器、存儲系統和生產設施，它們能獨立運行和相互控制。這有利于從根本上改善工業(yè)過程，包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理。

智能工廠現在似乎已開始采用一種全新的方式來生產產品。智能產品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位，我們知道它的發(fā)展歷程，了解它當前狀況，以及實現其目標狀態(tài)的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業(yè)務流程聯網，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構建了嵌入式制造系統。此外，這些指令都要求啟用終端間工程(模式)流經整個價值鏈。

工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產品只生產一次，也能通過頗具收益的方式制造出來。在工業(yè)4.0中，以供應商為例，動態(tài)業(yè)務和工程流程能幫他們根據生產需要最終做出相應改變，并靈活應對生產中斷和故障。

現在，制造過程中已經能夠提供端到端的透明化，以促進決策優(yōu)化。工業(yè)4.0將會開發(fā)出創(chuàng)造價值的新方法和新的商業(yè)模式。特別是，它將給初創(chuàng)公司和小企業(yè)的發(fā)展帶來機會，下游服務也能從中受益。

此外，工業(yè)4.0將正視和解決某些當今世界面臨的挑戰(zhàn)，如資源能源利用效率、城鎮(zhèn)化、人口結構變化等。工業(yè)4.0能持續(xù)帶來覆蓋整個價值網絡的資源生產率和效率的增益。它能將人口結構變化和社會因素考慮在內，以適合的方式組織生產。智能輔助系統讓工人從單調、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創(chuàng)新和增值業(yè)務上。

鑒于熟練工短缺的問題，工業(yè)4.0允許老工人延長職業(yè)生涯，從而長久地保持生產力。靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持續(xù)的職業(yè)生涯發(fā)展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點。

制造工程領域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認識到在制造業(yè)部署物聯網及服務是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業(yè)造成威脅，美國也在采取措施，通過推進“高端制造業(yè)”計劃反對“去工業(yè)化”。

為了實現工業(yè)生產向工業(yè)4.0的轉變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業(yè)應尋求穩(wěn)固在全球市場的領導地位，一如既往地把信息通信技術與其傳統的高科技戰(zhàn)略進行整合，使自己成為智能制造技術的主要供應商。與此同時，還有必要為CPS技術和產品創(chuàng)建新的領先市場，并為之服務。要實現上述CPS雙重策略的目標，以下工業(yè)4.0的基本特征應該得到落實：

(1)通過價值網絡實現橫向集成

(2)工程端到端數字集成橫跨整個價值鏈

(3)垂直集成和網絡化的制造系統

這些特征是制造商在面對變幻莫測的市場能夠取得穩(wěn)固地位的重要因素，同時使它們的價值創(chuàng)造活動適應變化的市場需求。雙重物理網絡系統戰(zhàn)略中提到的特征將允許制造企業(yè)在高度動態(tài)的市場中達到快速的、準時的、無故障的生產。

通過價值網絡進行橫向整合

模型、設計以及通過價值網絡的橫向整合應該可以回答下面的問題：物理網絡系統如何支持企業(yè)的商務戰(zhàn)略、新價值網絡以及新商業(yè)模式?

這個問題同樣適用于研究、開發(fā)和應用領域(圖1)。除了“商業(yè)模型”、“不同企業(yè)間的合作形式”，還有一些話題值得研究，比如“可持續(xù)性”、“技能保護”、“標準戰(zhàn)略”，以及“中到長期訓練和員工發(fā)展倡議”。

1通過價值網絡實現橫向整合

橫跨整個價值鏈的端對端工程

下面的關鍵問題是關于通過工程過程實現端對端數字整合，以達到產品整個價值鏈數字世界和真實世界的整合，同時滿足客戶的需求：物理網絡系統如何實現端對端的包括工程工作流的商業(yè)過程?

對于這一點，建模在管理越來越復雜的技術系統中起到了關鍵的作用。應該部署適當的信息技術系統，以便為整個價值鏈提供端對端的支持，從產品開發(fā)到制造系統工程、生產和服務(圖2)。需要一個涵蓋不同技術領域的整體的工程方法系統。為了實現這個目標，工程師們需要接受適當的培訓。

2橫跨價值鏈的端對端工程

垂直整合與網絡制造系統

就垂直整合來說，需要回答下面的問題：物理網絡系統如何創(chuàng)造靈活和可重構的制造系統?

垂直整合的地點是工廠。在明天的智能工廠，制造結構將不是固定的和事先定義好的。相反，一系列信息技術組合規(guī)則將被定義，這些信息技術組合規(guī)則可以被應用到不同的案例中，為不同情況自動形成特定的結構，包括模型、數據、通信和算法(圖3)。

3垂直整合與網絡制造系統

為了完成垂直化整合，確保調節(jié)器和傳感器信號在ERP不同層面的端對端的數字化整合非常重要。開發(fā)模塊化以及重新使用戰(zhàn)略來完成點對點網絡和制造系統重構，以及恰當的智能系統描述也很重要。不僅如此，領班和操作者需要接受培訓以便了解操作制造系統的方法所產生的影響。

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