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总的来看，“工业4.0”计划的核心就是通过信息物理系统网络实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流，从而构建一个高度灵活的个性化、数字化的智能制造模式。在这种模式下，生产由集中向分散转变，规模效应不再是工业生产的关键因素；产品由趋同向个性转变，未来产品都将完全按照个人意愿进行生产，极端情况下将成为自动化、个性化单件制造；用户由部分参与向全程参与转变，用户不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。
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德国学术界和工业界将制造业领域的技术渐进性进步描述为工业革命的四个阶段，即“工业4.0”的进化历程。在未来，基于信息物理系统的智能化将使人类步入以智能制造为主导的第四次工业革命。产品全生命周期和全制造流程的数字化以及基于信息通信技术的模块化集成，将形成一个高度柔性、定制化、数字化的产品与服务的生产模式，即实现“工业4.0”。
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信息物理系统是物联网的基础，而物联网与服务互联网的结合使“工业4.0”成为可能。在2009年的“嵌入式系统国家路线图”中，信息物理系统将最终走向物联网、数据和服务互联网。“CPS综合研究议程”计划确认了2025年前信息物理系统的4个重大研究领域：能源、移动性、健康和工业（见图2-4）。ICT是所有未来互联网需求领域的创新动力，“ICT 2020——创新研究”计划特别注重复杂系统的ICT、新业务过程和生产方法以及物联网和服务互联网，有关软件系统和知识处理的研究分为以下3类：
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1）嵌入式系统，尤其是与电子器件、通信技术和微系统技术相联系的软件密集型嵌入式系统。
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2）电网应用和基础设施的仿真现实，虚拟/增强现实和环境智能，面向高性能计算的仿真、信息后勤和软件开发。
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3）通过语言和媒体技术、实现人-机交互，类生物的信息处理，服务机器人及其可用性。
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图2-4 CPS综合研究议程
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3.“智能工厂”计划
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“智能工厂”计划是一个独立的制造演示验证与研究平台，在一个现实的工业生产环境中测试、开发创新的信息、通信技术及其应用。“智能工厂”计划旨在将工厂自动化与复杂的信息技术集成，日常生活中的消费电子设备和应用将在工业中拓展传统的加工方法，让未来工厂的运行变得更柔性、更高效。
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“智能工厂”计划由欧盟、德国教育与研究部机构等共同发起，参与者包括弗劳恩霍夫研究所以及西门子、博世、FESTO、哈挺、约翰·迪尔、思科等知名企业。“智能工厂”位于凯泽斯劳滕的德国人工智能研究中心，在这些工厂中，以直观和可接近的方式演示着“工业4.0”的关键方面。该计划的中央研究和验证平台是一个混合式验证工厂，可以从一件到批量地生产定制化产品，其中，功能电气组件柔性联网，无线通信系统运行在系统内和全部控制层级中。
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（1）愿景
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在全球化竞争、创新和产品生命周期缩短、定制化的背景下，制造商必须将工厂系统设计得更具柔性和适应性。现代信息和通信技术带来了机遇，如无线传感器网络、语义产品记忆、移动交互和泛在网络接入。随着泛在计算和物联网的普及，现代工厂正在朝智能环境发展，虚拟世界与现实世界间的鸿沟越来越小。
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通过CPS将虚拟世界与现实世界融合，以及随之而来的技术过程与商业过程的交融也通过“智能工厂”概念得到了最好的诠释。在生产系统中部署CPS是智能工厂的本源，智能工厂的产品、资源和工艺都由CPS表征，与经典生产系统相比，它随时都具备质量、时间、资源和成本优势。智能工厂根据可持续的和以服务为导向的商业实践来设计，支持适应性、柔性、自适应能力、学习特性、容错性以及风险管理。
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通过基于CPS的生产系统柔性网络，高级自动化在智能工厂中成为标准，实时响应的柔性生产系统可以让生产过程得到根本优化，生产可以根据自适应、自组织生产单元的全球网络实现优化。这在创新、成本和时间节省方面是一次生产革命，也建立了一个自下而上的生产价值创造模型，其联网能力能创造新的和更多的市场机遇。工业4.0智能工厂流水线如图2-5所示。
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图2-5 工业4.0智能工厂流水线
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（2）物联工厂
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“智能工厂”的内核其实就是基于物联网的“物联工厂”。日常环境的物联网正在转变为工厂环境的“物联工厂”，“物联工厂”概念的内核包括物联网基础技术、结构柔性、内容集成、语义描述、全局标准化参考架构，精益技术和精益信息贯穿其中。物联工厂主要涉及3个方面：架构、信息管理、用户支持。
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架构。新智能现场设备的加入和分散自动化的提升对减少集成工作方法提出了需求。基于以服务为导向的架构（SOA）的方法是一个强有力的将功能软件模块与大型IT系统集成的分散式方法，对自动化技术的软件架构是一个很好的补充，包括机电一体化功能集成和智能现场设备。研究主题包括从商务软件到自动化领域的架构转换、方法、协议和工具，以及工业现场设备中即插即用原则的实现。研究重点有以下两个：通过即插即用技术实现设备集成；自动化中的以服务为导向的架构（SOA-AT）。
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信息管理。在生产环境中互联的设备能顺利执行功能以及自主行动的一个必要条件是，对数据和信息环境的清晰表达。自动化“金字塔”的所有层级都会产生大量数据和信息，它们都与各自的机器、工厂和设施连接，并且从外部不可见。由于基于生产的数据和信息的语义注释是可视的、依环境提供的，这种对环境敏感的自动化增加了工厂的柔性以及效率。研究重点有3个：物联工厂中语义技术的重要性及其使用；通过对环境敏感的自动化达到生产环境中柔性的新维度；工厂系统中用于优化工艺的空间环境信息的使用架构。
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用户支持。在物联工厂中，关注点是人员。未来的技术系统必须使自己适应人的能力，即useware工程（根据人的能力和需求进行技术设计），从信息学到工厂自动化领域的方法和工具都需要用到基于模型的用户界面。这些模型、方法、工具的应用还包括工厂环境内的机器移动操作和泛在用户支持。研究重点有4个：基于模型的用户界面开发、由人机交互图像驱动的用户界面的术语适配、与工业现场设备进行基于直观任务的通信、工厂环境中的泛在用户支持。
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