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(lǐng)先地位。這在很大程度上源于德國在創(chuàng)新性制造技術(shù)方面的研究、開發(fā)和生產(chǎn)，以及復(fù)雜工業(yè)過程管理的專業(yè)性。德國擁有強(qiáng)大的機(jī)器和設(shè)備制造業(yè)，在信息技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出很高的水平和能力，在嵌入式系統(tǒng)和自動(dòng)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(lǐng)軍地位。因此，德國能以其得天獨(dú)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(jī)械化、電力和信息技術(shù)。如今，將物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)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-Physical Systems ，信息物理系統(tǒng))的形式建立全球網(wǎng)絡(luò)，整合其機(jī)器、倉儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施。

在制造業(yè)領(lǐng)域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，它們能獨(dú)立運(yùn)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(yīng)鏈和生命周期管理。

智能工廠現(xiàn)在似乎已開始采用一種全新的方式來生產(chǎn)產(chǎn)品。智能產(chǎn)品有唯一的特征被識(shí)別，在任何時(shí)候都能被定位，我們知道它的發(fā)展歷程，了解它當(dāng)前狀況，以及實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)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(wù)流程聯(lián)網(wǎng)，橫向連接則可實(shí)時(shí)管理衍生價(jià)值體系，這二者共同構(gòu)建了嵌入式制造系統(tǒng)。此外，這些指令都要求啟用終端間工程（模式）流經(jīng)整個(gè)價(jià)值鏈。

工業(yè)4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個(gè)性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產(chǎn)品只生產(chǎn)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(yīng)商為例，動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)和工程流程能幫他們根據(jù)生產(chǎn)需要最終做出相應(yīng)改變，并靈活應(yīng)對生產(chǎn)中斷和故障。

現(xiàn)在，制造過程中已經(jīng)能夠提供端到端的透明化，以促進(jìn)決策優(yōu)化。工業(yè)4.0將會(huì)開發(fā)出創(chuàng)造價(jià)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(jī)會(huì)，下游服務(wù)也能從中受益。

此外，工業(yè)4.0將正視和解決某些當(dāng)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(jié)構(gòu)變化等。工業(yè)4.0能持續(xù)帶來覆蓋整個(gè)價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的資源生產(chǎn)率和效率的增益。它能將人口結(jié)構(gòu)變化和社會(huì)因素考慮在內(nèi)，以適合的方式組織生產(chǎn)。智能輔助系統(tǒng)讓工人從單調(diào)、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(wù)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(chǎn)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(diǎn)。

制造工程領(lǐng)域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個(gè)認(rèn)識(shí)到在制造業(yè)部署物聯(lián)網(wǎng)及服務(wù)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(jìn)“高端制造業(yè)”計(jì)劃反對“去工業(yè)化”。

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)向工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業(yè)應(yīng)尋求穩(wěn)固在全球市場的領(lǐng)導(dǎo)地位，一如既往地把信息通信技術(shù)與其傳統(tǒng)的高科技戰(zhàn)略進(jìn)行整合，使自己成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)商。與此同時(shí)，還有必要為CPS技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)建新的領(lǐng)先市場，并為之服務(wù)。要實(shí)現(xiàn)上述CPS雙重策略的目標(biāo)，以下工業(yè)4.0的基本特征應(yīng)該得到落實(shí)：

（1）通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向集成

（2）工程端到端數(shù)字集成橫跨整個(gè)價(jià)值鏈

（3）垂直集成和網(wǎng)絡(luò)化的制造系統(tǒng)

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(shí)使它們的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)適應(yīng)變化的市場需求。雙重物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)戰(zhàn)略中提到的特征將允許制造企業(yè)在高度動(dòng)態(tài)的市場中達(dá)到快速的、準(zhǔn)時(shí)的、無故障的生產(chǎn)。

通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫向整合

模型、設(shè)計(jì)以及通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)的橫向整合應(yīng)該可以回答下面的問題：物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何支持企業(yè)的商務(wù)戰(zhàn)略、新價(jià)值網(wǎng)絡(luò)以及新商業(yè)模式？
 
這個(gè)問題同樣適用于研究、開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)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(hù)”、“標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略”，以及“中到長期訓(xùn)練和員工發(fā)展倡議”。

圖1 通過價(jià)值網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)橫向整合

橫跨整個(gè)價(jià)值鏈的端對端工程

下面的關(guān)鍵問題是關(guān)于通過工程過程實(shí)現(xiàn)端對端數(shù)字整合，以達(dá)到產(chǎn)品整個(gè)價(jià)值鏈數(shù)字世界和真實(shí)世界的整合，同時(shí)滿足客戶的需求：物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)端對端的包括工程工作流的商業(yè)過程？

對于這一點(diǎn)，建模在管理越來越復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵的作用（見5.2節(jié)）。應(yīng)該部署適當(dāng)?shù)男畔⒓夹g(shù)系統(tǒng)，以便為整個(gè)價(jià)值鏈提供端對端的支持，從產(chǎn)品開發(fā)到制造系統(tǒng)工程、生產(chǎn)和服務(wù)（圖2）。需要一個(gè)涵蓋不同技術(shù)領(lǐng)域的整體的工程方法系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，工程師們需要接受適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。

圖2 橫跨價(jià)值鏈的端對端工程

垂直整合與網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)

就垂直整合來說，需要回答下面的問題：物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如何創(chuàng)造靈活和可重構(gòu)的制造系統(tǒng)？

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

圖3 垂直整合與網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)

為了完成垂直化整合，確保調(diào)節(jié)器和傳感器信號(hào)在ERP不同層面的端對端的數(shù)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(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和制造系統(tǒng)重構(gòu)，以及恰當(dāng)?shù)闹悄芟到y(tǒng)描述也很重要。不僅如此，領(lǐng)班和操作者需要接受培訓(xùn)以便了解操作制造系統(tǒng)的方法所產(chǎn)生的影響。