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随着制造业再次成为全球经济稳定发展的驱动力，世界各主要工业国家都加快了工业发展的步伐：从美国的“制造业复兴”计划到德国的“工业4.0”战略，再到中国的“十二五”发展规划，制造业正逐步成为各国经济发展的重中之重，引领未来制造业的方向也成为制造业强国竞争的一个战略制高点。
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两个多世纪以前，蒸汽机的发明带来的第一次工业革命开启了农业社会向工业社会的转变。20世纪初期，随着电力的应用、劳动分工和大规模生产的出现，拉开了第二次工业革命的大幕。20世纪70年代后，随着自动化技术的出现，开创了第三次工业革命。前三次工业革命源于生产的机械化、电气化和信息化改造。当前，随着信息物理系统（Cyber-physical System，简称CPS）在制造业中的推广应用，正在引发第四次工业革命。“工业4.0”概念就是以数字制造为核心的第四次工业革命，工业革命的历史如图1-1所示。
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“工业4.0”首先是由德国工程院、西门子公司等产学界领袖联合提出的，被德国政府确定为《高技术战略2020》十大未来项目之一，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，并于2013年9月在上海工博会上推介给中国市场。该战略已经得到德国科研机构和产业界的广泛认同，西门子公司也已经开始将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统中。
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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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