工業4.0作為德國的新工業戰略，深刻地體現了在互聯網革命浪潮催迫下，一個老牌制造強國對于如何加快智能轉型并重振輝煌的新認識。
德國工業4.0的戰略指向，就是智能制造。
如果把德國這一新工業戰略視作重新鑄就德國工業戰車的“大熔爐”，那么，最具點石成金魔力的智能化技術就是CPS（賽博物理系統）。
賽博物理系統理論是核心
眾所周知，德國具有雄厚的工業基礎與全球領先的制造業，在機床、汽車等行業占據絕對的領先優勢，另外在嵌入式計算機技術、工業軟件等，均處于全球領導者的位置，這是德國實施其所謂第四次工業革命（并非全球共識）的技術基礎。德國人希望通過將嵌入式計算機技術、工業軟件、自動化設備等優勢技術攥成拳頭，形成以CPS為代表的工業4.0戰略核心，引領全球制造業發展，并將帶領德國重振輝煌。
CPS是賽博物理系統（Cyber-Physical System）的縮寫，這是工業4.0的核心。目前，國內學界很多人將CPS翻譯成信息物理系統，嚴格來說，這是不準確甚至是誤導的。CPS是一個包含計算、網絡和物理實體的復雜系統，通過3C（Computing、Communication、Control）技術的有機融合與深度協作，通過人機交互接口實現和物理進程的交互，使賽博空間以遠程、可靠、實時、安全、智能化、協作的方式操控一個物理實體。
目前，已有不少人提出，Cyber源于維納的《控制論》“Cybernetics”。在錢學森的《工程控制論》英文版中，將“Cybernetics”明確為“機械和電機系統的控制和導航科學”，并把伺服機構和經典控制等“工程實踐”升華為“工程科學”，這使得《工程控制論》在某種意義上成為了現代控制科學的代名詞。其實，根據我們的考證，維納的思想還有源頭。早在1834 年，著名的法國物理學家安培在對科學進行分類時（見《論科學的哲學》），就把管理國家的科學稱為“控制論”Cybernetique，意即“國務管理（Civil Government）”或社會控制，這導致了后來的社會控制論。
為了真切地了解CPS技術沿革史，本文兩位作者還與美國工業4.0權威、辛辛那提大學教授李杰等中外名家開展面對面學術交流。據介紹，CPS技術起源于美國國防部高級研究項目局（DARPA）上世紀60年代的一個項目，甚至比INTERNET還要早，其發展一直與互聯網技術相平行。在1991年的海灣戰爭中，號稱空中機器人的現代軍用無人飛行器（UAV）要實現對地精確制導攻擊，需要大量的CPS技術作為支持，CPS開始規模化應用。其后，美國國家科學基金會（NSF）一直在主導著CPS研究。然而，將CPS的重要性上升到新一波工業革命核心的，卻不是美國人，而是德國人。
工業4.0北京研究會組織的多學科研究人員之所以圍繞CPS的概念與技術來源作深入考察，就是為了探求這個最熱門科學名詞的本來面目。考察發現，Cyber原本是獨立于信息科學之外的控制科學的范疇。隨著新一代信息技術出現融合化趨勢，將CPS視為一種廣義的信息技術亦無不可。但必須指出，Cyber的外延與內涵遠非信息二字所能指代。從學科看，CPS系統是一個包含無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等科學在內的系統工程。從功能看，Cyber使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自治功能。因此，承認Cyber技術與普通信息技術有別，對于推動其基礎學科發展和產業創新實踐都有重要的指導意義。當前，在兩化深度融合、工業4.0、智能科技等領域一批非常活躍的知名專家學者，均建議在面向大眾宣傳CPS時不妨稱之為信息物理系統，在專業領域內部，將其稱為賽博物理系統則更為準確。我們也贊同此論。
智能工廠與智能生產是兩翼
德國工業4.0之所以如此推崇CPS技術，既是技術發展的需要，也是為了基于自身優勢打造新一代技術堡壘。CPS對德國工業4.0戰略來說，具有攻防兼備的作用。事實上，美國、日本等制造強國，早在多年前就對CPS給予了關注，但只有德國才將CPS推到新工業革命的核心位置。為確保整個戰略的主動，德國在自己優勢領域設置了兩個制高點，也即“工業4.0”的兩大主題：一是“智能工廠”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現；二是“智能生產”，主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。
智能生產是涉及整個企業包括生產物流管理等宏觀運營的層面，也就是我國業界所說的智能化工廠。而智能工廠是工業4.0的首要主題，也就是中國工業界語境里的智能化車間。前述所謂“智能化生產系統及過程”，既包括智能化的機床、機器人等生產設施，也包括對生產過程的智能管控，轉換成中國信息化術語，即智能化的MES制造執行系統。而所謂“網絡分布式生產設施的實現”，是指將生產所用的生產設施（如機床、熱處理設備、機器人、AGV、測量測試等各種數字化設備），進行互聯互通以及智能化的管理，實現信息技術與物理系統的深度融合，目前很多企業實施的設備聯網與數據采集系統是其重要基礎（在離散制造行業，叫DNC/MDC系統，在流程制造行業叫SCADA）。
從技術角度來看，德國在智能制造的裝備、過程管理、技術應用等方面，在全球范圍內都占據絕對的領先位置，這種戰略布局對德國而言，無疑是具有很大的先天優勢。
三大集成創新中德各有擅長
德國人在工業4.0中提出來三大集成：縱向集成、端對端集成、橫向集成。
縱向集成是將企業內不同的IT系統、生產設施（以數控機床、機器人等數字化生產設備為主）進行全面的集成，目的是建立一個高度集成化的系統，為將來智能工廠中網絡化制造、個性化定制、數字化生產提供支撐。
縱向集成是企業實現智能制造的基礎，通過信息技術與生產設備深度融合，是CPS在企業中的具體應用。而這方面，德國企業早在多年前就進行了精心的布局。2007年4月，西門子公司以35億美元并購美國UGS公司，將后者全球領先的CAD/CAM/PLM納入囊中，2014年又并購美國知名MES廠商Camstar公司, 至此，西門子形成研發、管理、生產、設備、控制器等軟硬件系統全面的集成，在全球范圍內實現了最強的縱向集成。作為工業4.0的另一重要推手，SAP公司也在2008年完成對MES廠商Visiprise的并購，打通了企業資源管理與生產管理的鴻溝，實現了上游信息化系統的縱向集成。
可以說，基于自身雄厚的嵌入式技術、工業軟件等優勢，再加上提早的布局，德國在縱向集成方面已經具有絕對的領先優勢。
端對端集成是通過產品的研發、生產、服務等產品全生命周期的工程活動，實現圍繞產品的企業間的集成與合作。德國絕大部分企業是家族型的中小企業，具有很強的技術與質量優勢，但規模小，難以參與全球競爭。但是如果通過端到端集成，打造緊密產業鏈、生態圈，就可以應對中國大規模傳統生產模式的沖擊。
反觀中國，在產品研發、管理、生產、控制系統、嵌入式技術等方面與德國有很大的差距，必須承認，很難在縱向集成層面與德國競爭。但筆者認為，端到端集成或許是中國制造企業的一個突破口。相信在中國成熟的工業化體系的基礎上，在如火如荼的“互聯網+”戰略推動下，中國企業在端對端集成方面將走在世界前列，引領智能制造在社會化層面實現突破。
我們注意到，近期國家在出臺中國制造2025之后又大規模推動“互聯網+”戰略，這將極大地集成我國坐擁世界最完備工業體系和第二強的互聯網應用體系的優勢，促進中國企業運用互聯網思維實現端對端的合作。比如海爾的互聯工廠，通過互聯網，讓用戶和生產線實現直接對話，用戶的個性化需求可以在第一時間反饋到生產線，滿足用戶最佳體驗，體現出個性化、網絡化、柔性化、智能化的智能制造。中國還有很多的互聯網公司，如樂視、小米、360等，均以全新的互聯網思維，顛覆著傳統的生產管理模式，以產品全生命周期為主線，實現社會化的協作，已經走在了端對端的前列。
橫向集成是以供應鏈為主線，通過企業間的三流合一（物流、能源流、信息流），實現一種社會化協同生產。由于各企業間基礎不同、軟硬件系統不同、標準不同，實現這些企業之間橫向集成的難度是非常大的。因此，德國在工業4.0的八項行動計劃中，第一項就是標準問題，但這注定是一個時間漫長、工作量巨大的工程。
通過相關分析，我們可以很清楚地看到，德國為規避全球大規模生產競爭的被動，以及基于人力資源匱乏、老齡化嚴重、中小企業眾多的現狀，揚長補短，充分發揮自身優勢，制訂了風靡全球的工業4.0戰略，該戰略以CPS（賽博物理系統）為凌厲的箭頭，以智能工廠與智能生產為兩翼，以三項集成為助推器，在自動化、數字化、網絡化、智能化的基礎上，通過社會化協作的模式，實現個性化、柔性化、高效化、社會化的智能制造。
可以說，德國以CPS為核心的智能制造戰略，與“以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向”的中國制造2025完全是不謀而合、異曲同工的。二者相同的地方，就是實現信息技術和先進制造業的結合，或者用互聯網+先進制造業的結合，帶動整個新一輪制造業發展。
如果說CPS是德國射向智能制造的利箭，經過跨界專家的學術研究和對產業創新前沿的深度交流，我們認為CPS也理應是中國制造業轉型升級、走向智能的強勁引擎。
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本文標題：CPS：智能制造“煉金術”
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