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提高生产力、缩短产品上市时间、采取更灵活的生产模式以及提高资源和能源利用效率，是全球工业面临的挑战，也是“工业4.0”提出的未来制造业的目标。为了实现这种先进的生产模式，需要融合现实生产和虚拟生产的技术，基于大数据、互联网、人，通过数字化工程、数字化制造等各种信息技术实现柔性制造，经济高效地满足客户个性化的定制需求。未来工厂的智能化程度将很高，这种智能将通过使用微型化处理器、存储装置、传感器和发送器来实现，这些装置将被嵌入几乎所有的设备、半成品和材料以及用于组织数据流的智能工具和新型软件中。所有这些创新将使产品和设备能够相互通信并交换命令。未来的工厂将在很大程度上自行控制和优化其制造工序，实现智能制造。
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图1-1 工业革命的历史
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这一切的变化都将通过信息物理系统实现。随着虚拟世界生成的信息流向实际物理世界的制造过程，全新的生产环境由此诞生。工业4.0带来的智能将人从执行例行任务中解放出来，使得他们能够专注于创新、增值的活动。工业4.0的标志性特征有如下三点。
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·通过价值链和价值网络实现企业间的横向集成。在工业4.0环境下，企业通过CPS系统，可以保障新商业策略、价值网络和商业模式得到持续的支持和实施。横向集成是指将各种企业内和企业间的商业运营IT系统集成在一起，实现全供应链的集成（见图1-2）。
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·贯穿整个价值链的端到端的设计工程数字化集成。CPS系统使得产品的开发、制造及服务可以实时地在虚拟世界进行仿真研究，并控制现实的制造过程，实现全数字化的价值链（见图1-3）。
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·企业内部可灵活重组网络化制造系统的纵向集成。在智能工厂中，柔性的制造模式将不同层面的自动化IT系统（执行器、传感器、控制器、制造执行系统、企业计划系统等层面）集成在一起，灵活地按照生产任务进行组织，实现全集成自动化（见图1-4）。
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图1-2 横向全供应链集成
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图1-3 全数字化的价值链
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图1-4 纵向全集成自动化
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工业4.0将应对并解决当今世界所面临的诸如资源与能源利用效率、城市生产和人口结构变化等一系列挑战。它将为制造业和社会带来如下收益。
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·满足用户个性化需求。工业4.0可以在设计、配置、规划、制造和运作等环节考虑个体的特殊需求，也可以保障企业在产品批量很低的情况下仍然获利。
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·灵活性。基于CPS的自组织网络，可以根据业务过程的不同方面，如质量、时间、风险、价格等，进行动态配置。这有利于供应链的“微调”，也意味着工艺流程可以更加灵活。
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·决策优化。工业4.0通过集成，实现横向、纵向实时透明，使得决策有强大的数据支持，并且可以及时得到验证，达到全局最优。
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·生产效率优化。CPS贯穿在整个价值网络中，对制造过程进行优化。
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·通过服务创造价值。通过CPS的大数据智能，企业可以创造新的价值服务。
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·应对人口的变化。工业4.0将提供灵活多样化的职业路径，让人们的工作生涯更长，并保持生产能力。
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·工作和生活的平衡。CPS使得公司的工作组织模式更加灵活，可以让员工在工作、生活之间获得更好的平衡。
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2015年，中国政府正式提出了“中国制造2025”的战略。“中国制造2025”和“互联网＋”的概念包罗万象，其内容相当于美欧日近年来相关战略计划的有机综合。表1-1详细对比了中国制造2025、德国工业4.0和美国的制造业复兴的战略内容、特征等信息。从这些特征来看，整个工业领域也正在经历一场制造业的大变革，这将引领传统制造业迈向定制化、信息化、数字化和绿色化。
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表1-1 中国、德国、美国制造战略对比