工业物联网概览工业4.0时代的新机遇与挑战

在早期的工业自动化时代，继电器的应用标志着生产设备的智能化起步。传感器感应自然信号，通过触发继电器的“梯形逻辑”产生“开关”效应，控制机械装置的运作。这种控制过程被系统地应用于生产设备的各个活动部件，实现了无需人工干预的自动化生产。定时器也起到了启停设备的重要作用。

随着技术的不断进步，可编程逻辑控制器（PLC）的出现，替代了继电器和定时器，为工厂的自动化程度带来了质的飞跃。PLC结合专用的I/O网络和工业以太网，使得车间的自动化操作水平迅速提升，机器臂和工业机器人逐渐替代了车间工位的工人。

从通信技术的视角来看，工业自动化是一种典型的M2M通信。传感器、控制器（PLC）和执行器构成了紧密的信息环，其中传感器将自然信号转换为电子信号并传递给PLC，PLC根据预先设置的逻辑规则计算结果并发送相应的电信号给执行器，从而控制机械部件的运作。这种“采集-计算-操控”的信息环路是工业自动化的核心。

在生产设备上，众多的电子器件形成了无数个信息环，它们被系统地布置在机械零部件上，构建了精密、复杂且内部协调的生产系统。这种嵌入式信号连接方式在结构设计上既灵活又有效，能够适应各个领域的实际需求，搭建出复杂的生产系统。

传统自动化系统存在着紧耦合、不开放的问题，信息系统和生产设备之间的连接是封闭的，这限制了系统的升级和发展。在“工业3.0”时代，虽然自动化系统具有高度的复杂性和精密度，但其信息控制系统是封闭的，导致生产过程中产生的传感信息只能在系统内部使用，外部系统无法了解自动化系统的运行状态或进行调整。

为了解决这个问题，制造业提出了CPS（信息物理系统）的概念。CPS通过网络连接嵌入式系统和各种行业信息系统，实现多个应用软件对多个硬件设备的联合监测和控制。CPS的出现使工业的信息通信方式从一对一的信息隧道模式转变为多对多的互联网模式，这是工业信息化进程中的一次重大变革。

德国工业4.0的核心内容可以概括为“一个网络、两个主题、三项集成、四个阶段”。其中，“一个网络”指的是CPS，它连接嵌入式的生产系统，并使企业内外的生产管理系统能够交互信息，实现全生产环节的信息互联。在这个网络中，产品的要素和构件具有标准的一致性，但它们的组合是多样化的，具有语义化特性。

工业自动化的发展历程是从简单的继电器控制到复杂的PLC控制，再到如今的CPS系统。随着技术的不断进步，工业生产正朝着更加智能化、信息化的方向发展。CPS系统的出现，为工业4.0的实现奠定了基础，使得工业生产能够更加智能、高效、灵活。在未来工业生产的宏伟画卷中，我们将见证一场由上层应用软件主导的革新。这些软件将通过CPS网络，精准指挥机械设备，协同完成各类生产行为。这是一场从思维到实践的深刻变革，将工业生产带入一个全新的时代。

当我们谈及工业4.0，一个关键词跃然纸上——“集成”。在这个充满创新与挑战的平台中，三类“集成”如璀璨星辰，照亮工业领域的未来之路：纵向集成、横向集成和端到端集成。它们共同构成了工业4.0的核心架构，为实现工业领域的全面适配，打通系统和设备之间的信息数据铺平了道路。

让我们聚焦纵向集成。在现代化企业中，各部门分工明确，信息系统亦是如此。众多信息系统各司其职，负责不同的管理领域和生产服务环节。要实现企业内部的智能制造，信息互通是关键。排产管理系统需要了解采购系统的原材料订购情况，采购系统需要根据销售系统的客户反馈挑选供应商，销售系统需要及时通知物流系统以便送货上门，测试系统则希望与设计系统紧密沟通，分享零部件结构优化的信息。这些系统之间的紧密互动，构筑了智能生产的基础。工业4.0的目标就是通过CPS的标准化架构，让这些信息系统能够相互交流，用一种通用的“语言”，让系统之间可以“对话”。纵向集成，不仅意味着生产系统和信息系统的互联，更意味着全系统之间实现了数字化信息的互通。

接下来，我们转向横向集成。在产业链上，每个企业都有自己独立的任务和角色。信息的上传下达对于每个企业来说都至关重要。横向集成，让企业和企业之间可以共享信息，形成一条完整的信息链。从产品设计、测试、制造到销售、物流、售后和增值服务，每一个环节的企业都可以根据产业链上的信息优化方案、减少库存、提升技术。这种紧密的沟通与合作，不仅增加了企业之间的契合程度，也减少了商业合作中的矛盾和摩擦。想象一下，如果整个制造行业是一个“虚拟的大工厂”，那么每个环节的企业都是这个“大工厂”中的“员工”，他们根据上下游的信息动态调整工作，共同推动产业链的运转。

我们探讨端到端的数字化集成。这并不是简单的“两头联接”，而是所有涉及的系统和设备都在网络中实现信息的交互和价值创造。这种端到端的集成需要企业内外的各类系统都接入CPS网络，通过不断的纵向和横向集成，最终实现商业价值链在CPS中的贯穿。这意味着在“商业交付”中涉及的所有环节都联接在整体开放的CPS系统中，围绕着产品和服务的全生命周期进行信息交互和价值创造。

工业4.0的“集成”理念，如同一盏明灯，照亮工业生产的未来之路。它让我们看到了工业生产的美好前景，也让我们对未来的发展充满了期待。在这场深刻的变革中，我们将携手共进，共同创造一个更加智能、高效、绿色的工业生产新纪元。在企业运营中，当用户在订单管理系统（CRM系统）提交产品订单后，产品管理/设计系统（如PDM系统）会迅速交出产品图纸及其他生产信息。随后，生产管理系统（如ERP系统、APS系统）会根据这些详尽的产品信息开始协调资源，并制定出详尽的生产计划。而MES（制造执行系统）则根据这些计划，通过PLC模块控制车间内的生产设备进行实际的生产制造。这一流程凸显了企业内各系统间的“纵向集成”重要性，确保从订单接收到产品制造完成的流畅运作。

对于负责组装的企业来说，它们的产品是由多个外部供应商提供的零部件和原材料组合而成。在收到客户订单后，企业需进一步细化需求，向供应商采购原材料，向上游厂家预订零部件，并查询仓库的库存情况。为保证生产流程的顺畅，上下游企业间必须进行“横向集成”，确保产品设计图纸的同步以及排产计划的协同。

“端到端集成”则融合了“纵向集成”与“横向集成”，实现了生产环节的全面数字化、信息化。在这一模式下，各个生产环节相互连通、能够对话，形成一个协同工作的“有机”产业生态。整个产业就像一个“虚拟化大工厂”，能够自主完成从订购到售后服务的一系列任务，对人工干预的需求降到最低。

在智能工厂和智能生产的背景下，智能工厂是生产车间的信息化系统升级，通过CPS实现“纵向集成”和“横向集成”，最终实现全面的自动化生产。而智能生产则更注重个性化、创造性的市场需求。用户可以通过客户端参与产品设计，甚至远程操作3D打印为产品添加个性化元素。用户在产品使用过程中的数据和反馈会被收集并用于改进未来的服务质量。

这一过程涉及到多个阶段，包括智能的感知控制阶段、全面的互联互通阶段和深度的数据应用阶段。从设备中的各类传感系统实时采集生产数据，到通过各种通信手段汇聚生产信息到开放的信息平台，再到利用云计算、大数据等技术进行数据处理和应用，每个阶段都不可或缺。这一过程支持多源异构数据和机械设备的深度开发应用，推动了智能生产的进一步发展。在现今的时代背景下，技术与服务已逐步走向深度融合，尤其在工业领域，信息技术与行业技术的“组合进化”已然引领我们进入了新的发展阶段。

4、创新的服务模式阶段

随着技术的不断进步和融合，服务业正经历着一场前所未有的变革。定制、增值、运营、租赁、咨询、设计、教育等服务形式，正逐渐汇聚成巨大的商业价值。工业领域的企业不再仅仅关注产品的生产，而是逐渐将目光转向使用过程，致力于通过优质服务为用户带来“增值”。这种转变，正是技术“组合进化”带来的成果。

这四个阶段呈现了一种从下到上的工业发展脉络。它以海量的生产数据为信息化基石，借助网络和软件的强大功能，不断扩大覆盖范围，直至实现全领域的开放连接和相互服务。这是一个充满活力和创新的过程，每一次技术进步都推动着这一模式的深化和拓展。

对于那些拥有丰富生产数据的工业巨头来说，这种发展模式具有得天独厚的优势。相比互联网企业，它们在数据多样性、业务复杂性等方面具有先天优势。通过CPS的连接，这些企业能够将繁杂的数据融入云计算系统，搭建起具有高度专业性的工业物联网平台，进而实现大数据分析和智能应用。拥有“底层数据”的它们，在平台构建和生态营造方面信心十足。这种优势也可能成为它们向互联网开放性进一步迈进的阻碍，对服务创新阶段产生影响。

德国的工业4.0不仅是一次单纯的技术革命，更是一场深远的社会革命。它激励全社会参与技术发展，意图实现两个核心战略目标：成为领先的供应商并主导市场。这种变革意味着在制造领域的所有要素和资源之间，实现更高层次的“社会-技术互动”。通俗地说，就是推动社会文明的进一步发展。

随着技术的不断进步和市场的日益开放，我们期待更多的工业企业能够抓住这一历史机遇，通过服务创新为用户带来更大的价值，推动整个行业的持续进步。