作者：彭俊松
出版社：机械工业出版社
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工业4.0驱动下的制造业数字化转型试读：
前言
对于工业界来说，这一次以工业4.0命名的第四次工业革命和前三次工业革命有着很大的差别。在前三次里，工业界是做了再说；而这一次是边做边说，甚至是先说后做。瓦特在发明蒸汽机的时候，恐怕做梦也没有想到自己打开了一扇通往工业1.0的大门。而这一次的工业4.0，随着互联网媒体的传播和政府的宣传，一夜之间众人皆知。
工业4.0时代的快速到来，好像把我们带到了一个繁忙的交通路口。一方面，大量关于未来工业4.0的报道和文章从国外呼啸而来，打破了我们很多传统的习惯思维。另一方面，我们手中熟悉的工具，包括我们依赖多年的商业化管理软件，似乎仍处在向工业4.0迈进的起点。客户不停地催促SAP公司，让我们给出帮助他们迈向工业4.0的一条稳妥的路线图。与此同时，对工业4.0的研究越深入，我越发现其理论和内容的前瞻性及博大精深。对下一步究竟应该怎么走，似乎有很多想法，又似乎难以抉择。
必须承认，我们现在进入了一个软件厂商与推广客户携手共同创新的年代。在过去的20年里，SAP公司在中国的业务是伴随着最佳业务实践发展起来的。所谓的最佳业务实践，实际上就是国外先进企业的业务流程在SAP系统中的体现或预配置。工业4.0的到来，将国内企业与国外企业拉到同一条起跑线上。目前全世界尚不存在所谓的工业4.0最佳业务实践，我们需要一个一个企业、一个一个行业去创新、实践和总结。在国外如此，在国内也一样。
这一轮的工业4.0，到目前为止，展现在我们面前的可能还只是冰山一角。作为一个冠之以“革命”的新事物，我们千万不能低估其难度和颠覆性。以工业3.0背后的第三次工业革命为例，计算机技术并不是其全部的核心。按照教科书上的定义，体现第三次工业革命的核心技术，首先是核能技术，然后是生物技术，最后才是计算机技术。直到今天，能够完全掌握核能技术和生物技术的国家，在全世界也是屈指可数。那么，在第四次工业革命下的工业4.0，其核心技术——网络物理系统（CPS），也绝不是一项简单的技术。目前无论是在理论研究、标准化还是落地使用等领域，都还有很长的一条路要走。
本书是作者在接触工业4.0理论之后进行研究、交流和实践的一次书面总结。从2014年开始，在SAP公司内部，特别是从德国同行那里，不断传来一些有关工业4.0的动态和研究进展。作为一个有着机械工程学科背景、从事离散制造行业信息化多年的职业工作者，我开始关注这一话题，并付诸一系列行动：多次赴德国参观考察，参加十余场行业大会和学术大会并发表演讲，撰写白皮书，与客户进行现场交流和方案研究，推动多个SAP工业4.0的客户创新项目。在平时闲下来的时候，我也有意识地把一些研究心得和工作成果整理成文字。两年下来，积少成多，最后汇集成书。
另外，在本书的撰写过程中，我也得到了团队里其他同事的大力支持，特别是负责零售行业的专家Allen Miao，在此表示衷心的感谢。
这本书写到中间的时候，恰逢吾儿诞生，一时喜不自胜。写作进程虽有中断，但后来一路加快进度，直至成文。谨以此书为贺，并感谢吾妻李虹的长期支持。彭俊松博士SAP大中华区副总裁，行业解决方案与价值工程部总经理2016年3月于上海松江导读1.数字经济已经悄然来到我们身边
在过去的10年里，我们见证了人、物和企业在互联领域里的巨大变化。作为推动这一变化的关键技术，互联网从20世纪90年代的服务器到客户端的主从式连接，变成了点到点之间对等的高度互联。如图1所示，这一趋势不仅反映为社交网络的用户规模和互联设备的保有数量的高速增长，也反映为企业之间通过电子交易建立了庞大的业务互联。到2020年，全球企业之间的交易额将达到65万亿美元，其中绝大部分都是通过相互连接的电子化交易完成的。图1 高度互联和智能化正在推动世界进入一个前所未有的数字时代
伴随着这一轮“万物互联”逐步推进，还出现了智能化的趋势。特别是近年来随着物联网的普及和工业4.0的提出，智能工厂、智能交通、智能家居等一系列智能化概念开始得到人们的重视。在不远的将来，这些技术将会逐步从书本和实验室走入实用阶段。人们普遍认为，高度互联和智能化正在推动整个世界进入一个前所未有的数字时代。高度互联和智能化已经不再是一种技术符号，它即将变成一波数字经济的浪潮。
从字面上看，数字经济就是基于数字技术的经济，而数字技术的发展往往与互联网技术密不可分，因此“数字经济”也常常被称为“互联网经济”或“网络经济”。
早在20世纪互联网发展初期的1997年，美国一家智库公司的CEO唐·塔普斯科特（Don Tapscott）就出版了一本名为《the Digital [1]Economy》的著作，该书详细论述了互联网对经济的影响，他也被认为是最早提出“数字经济”概念的人物之一。随后，数字经济常被理解为数据信息可通过网络流动而产生的经济活动。比如开一家网店，店家和消费者不用实际见面，就能传递商品信息并讨价还价。这样的线上经济活动显然比线下具有便捷优势。同时，一些关于网络价值的[2]理论也被引入数字经济当中，比如梅特卡夫定律，它指出网络的价值等于它所拥有的网络终端数量的平方。换句话说，就是使用一个网络虚拟平台的人越多，这个虚拟平台对于每个用户的价值就越大。
今天所说的“数字经济”，指的是数字技术与各项实际产业的结合。以苏宁和淘宝这样一对先竞争后合作的企业为例，苏宁上千家连锁实体店通过信息系统来规范门店的运作，发展成为IT经济的代表。淘宝通过互联网直接将商家与消费者连接起来进行交易，快速发展成为互联网经济的代表。今天提出的“互联网+”体现了互联网与实体的结合，这就是数字经济的一种形式。数字经济不是虚拟经济，由于它把“虚”和“实”结合在一起，因此具有两大特点：一是建立在具有广泛的互联和智能化特点的新一代数字技术基础之上；二是虚实结合，用“虚”的数字技术来深刻地改造“实”的传统产业。如图2所示，数字经济将继互联网经济之后，成为推动下一场全球经济变革和工业革命的驱动力。图2 数字经济将推动下一场全球经济变革和工业革命
在中国，数字经济的发展有着自己鲜明的特点。如图3所示，从2014年的一组统计数据指标来看，中国的互联网在消费者领域已经赶上甚至超过美国的发展水平。这不仅体现在互联网的用户数量、智能设备的渗透率和互联网用户使用社交媒体的比例上，还体现在B2C电子商务的规模和占零售行业比例等一系列指标上。我们可以得出结论，在消费者互联网领域，中国已经成为在用户数上全球最大的互联网国家。图3 2014年中国的互联网在消费者领域已经赶上甚至超过美国的发展水平
2015年以来，中国政府提出“互联网+”和“中国制造2025”两个概念，其用意就是面对企业应用领域，让各个行业的企业加快迈向数字经济的脚步。这一波浪潮不仅成为当下全社会关注的焦点，也给像SAP这样的商业管理软件公司提供了一次难得的发展机遇。图4 在企业互联网领域，中国提出“互联网+”和“中国制造2025”概念
发展数字经济的前提无疑是企业提供的产品和服务的数字化，以及业务的数字化转型。在不同的行业里，产品和服务向数字化迁移的水平差异很大。在一些行业里，产品和服务在传统上主要以物理的形式出现，数字化的成分很少，例如农业、消费品和装配制造等行业。而在另一些行业里，产品和服务则表现为数字与物理的混合形式，其中电子设备和软件必不可少，例如航空、汽车、消费电子等行业。而在某些行业中，如金融、游戏、音乐等，其产品和服务主要是以数字化的形式存在。近年来，随着网络物理系统（Cyber Physical System，CPS）的应用，数字形式对物理形式的映射不断加强，“物理世界（现实世界）”和“数字世界（虚拟世界）”开始日益走向融合。如图5所示，预计终有一天，整个物理世界将会通过数字世界来控制——“当我们改变数字世界的映射状态时，物理世界的对象也会相应地发生改变。当我们和物理世界的对象进行交互时，虚拟世界也会发生变化”——这类情况已在一些行业中初露端倪。这一变化趋势反映出：现今我们应用数字化技术进行数字化转型的深度和范围都在不断扩大。图5 不同的行业已经开始相应的数字化转型过程
如图6所示，按照时间的进度和对经济的影响程度，我们把数字化转型的历史进程分为三个阶段来研究，它们分别是：
·20世纪90年代末出现的数字化产品与基础设施。
·21世纪初出现的数字化分发与Web战略。
·2010年起出现的生产方式和业务模式的转变。
其中，前两个阶段的数字化转型较多地集中在产品和基础设施的数字化改造、数字化分发与Web技术的应用上，其特点是对企业现有的业务模式进行加强与改进，它们对经济带来的影响较为有限。而本轮的数字化转型的特点反映为不断加强的数字世界对物理世界的映射与控制，这和以前两个阶段有较大不同。这一轮的数字化转型将会更多地体现为生产方式和业务模式的转变，采用的技术主要是工业4.0、移动技术、大数据分析和云计算等，它们将会对经济产生更为深刻的影响。其中，工业4.0将会是引领这场变革转型的标志，也是推动数字经济发展的核心技术。图6 不同阶段数字化转型的特点各有不同2.工业4.0是推动数字经济发展的核心技术
德国制造业是世界上最具竞争力的制造业之一，在全球制造装备领域占据领头羊的地位。德国所提出的工业4.0，也就是第四次工业革命，是继第三次工业革命之后的又一轮新的工业革命。如图7所示，经过前三次工业革命，人类从事的工业活动从手工时代，先后跨入了蒸汽机时代、电气时代和信息时代，获得了极为丰富的物质生活水平。即将到来的第四次工业革命，无疑会成为推动数字经济发展的核心技术，那它究竟会给我们带来什么呢？图7 发生在工业4.0之前的三次工业革命，极大地丰富了人类的物质生活
让我们来假设这样一个发生在一位工厂工程师家中的场景（它其实已经在现实中实现了）。“在一个暴风雨的夜晚，我正在家中休息，突然手机开始振动并响铃，收到了来自工厂的一条短信，原来是工厂的夜班生产出现了问题。接着，一条又一条短信接踵而至。这些消息是由一些工厂设备上的传感器发出的，看起来似乎是设备正在准备自动重启。我立即意识到，可能是糟糕的天气导致电力供应出现了问题。我迅速打开iPad，立即看到代表整个工厂实时运行状况的仪表板，并且还接到工厂屋顶的摄像头，鸟瞰整个工厂的生产状况。通过在iPad上的一系列操作，首先确保在电力恢复正常之后，生产线上的设备能按照正常的顺序重启，然后将已经入库的前一批产品进行隔离，并指示将受到影响的这一批产品的生产订单重新以最高优先级安排计划。接下来，工厂的系统根据重排的计划，自动给供应商和客户发去新版本的指令和更改送货时间的通知。”
未来工业4.0下的智能工厂如图8所示。图8 未来工业4.0下的智能工厂
上述文字所描述的场景揭示了工业4.0所带来的诸多转变的冰山一角。工业4.0作为数字经济的代表，是一组数字化技术的综合应用，包括网络物理系统、物联网、云计算、移动、大数据、内存计算、分析、增强现实、3D打印等。在这些技术的推动下，制造业正在数字经济时代里发生一场深刻的变化。在此之前，制造业发生这么大的变化，应该是19世纪可互换零件的出现，或者是20世纪流水化生产线的诞生。但是这一次的变化，可能要比之前的两次变化更大。
作为首先提出工业4.0的国家，德国政府希望利用数字化技术和工业4.0的巨大潜力来夯实德国制造的基石。工业4.0已经成为德国政府数字化议程的中心焦点。在“自主的工业4.0”（Autonomics for [3]Industrie 4.0）和“智能服务世界”（Smart Service Welt）两个资助计划中，德国经济部已经提供了将近1亿欧元来促进工业4.0领域的研发和创新活动。工业4.0已成为德国工业的一个强劲发展趋势。
德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会估计，通过工业4.0的应用，机械工程、电气工程、汽车工程、化工、农业和信息通信行业可新创造780亿欧元产值，相当于让德国经济每年增长1.7%。
阿里巴巴集团董事局主席马云认为，世界的未来取决于数据，企业可利用自身掌握的大量数据生产出符合客户需求的个性化产品。
一场由工业4.0作为核心技术推动的数字经济的浪潮，正在向我们呼啸而来。[1] 该书于1997年由McGraw-Hill出版社出版，读者可通过Amazon购买纸质版或Kindle版。[2] 鲍勃·梅特卡夫（Bob Metcalfe）是以太网（Ethernet）的发明者，他揭开了网络价值的秘密：“网络的价值与网络使用者数量的平方成正比”，这就是梅特卡夫定律。[3] Welt是德文中“世界”的意思。第一篇工业4.0的诞生背景、理论和方法“工业4.0给德国带来了加固其作为制造基地、制造设备供应商和IT业务解决方案供应商地位的机会。德国政府鼓励德国的各个利益相关方结合在一起，紧密地在工业4.0的平台上工作，推动工业4.0不断向前实施。”——德国国家科学和工程院院长、德国“工业4.0”工作组联合主席、SAP公司前CEO孔翰宁教授第1章 工业4.0诞生的内外因分析
工业4.0在给制造企业带来美好憧憬的同时，其实现过程必然充满着艰辛。从投资人和企业管理层的角度来看，必不可少地要对它的投入、产出以及可行性进行分析。无疑，这些分析最终必然会被追溯到实施工业4.0的必要性和必然性的讨论上去。本章的主要内容就是根据事物发展的内外因，从四个方面来帮助读者理解第四次工业革命出现的必要性和必然性，从而为企业制定迈向工业4.0的决策提供相关的背景信息。对于希望学习工业4.0的读者来说，本章也可帮助他们对工业4.0有一个全面的了解。1.1 工业4.0的诞生是内因与外因共同作用的结果
时间进入2014年，工业4.0或第四次工业革命的概念一下子在国内流行起来。无论是报纸、杂志、电视，还是政府、企业，甚至股票市场，都在讨论这方面的话题。工业4.0之所以得到如此高的重视，一个很重要的原因是前三次工业革命实在是太有名了。现今，每一个人的生活都离不开这三次工业革命带来的成果，人们自然会对第四次工业革命寄予极大的希望。接下来让我们稍微回顾一下这段重要的历史。
第一次工业革命是指在18世纪从英国发起的一场技术革命。它从珍妮织布机开始，以著名的蒸汽机为代表，推动了机器的普及与大工厂制的建立，以及交通运输领域的革新（见图1-1）。这场技术发展史上的巨大革命开创了以机器代替手工劳动的时代，扫除了结构性饥荒，并引发了人口的爆发性增长。这不仅是一次技术改革，更是一场深刻的社会变革，推动了经济领域、政治领域、思想领域、世界市场等诸多方面的深刻变革。图1-1 第一次工业革命：人类开始系统地使用蒸汽动力的机械化生产（1750年左右）
第二次工业革命是从19世纪70年代开始的欧洲率先发起的又一轮技术革命。在这一阶段，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术和新发明层出不穷，并被迅速地应用于工业生产，大大地促进了经济的发展。第二次工业革命在科学技术上的突出发展主要表现在四个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的发明与创造、新通信手段的出现及化学工业的建立。控制论创始人维纳提出的自动化概念是第二次工业革命的典型特征（这个人物在后面关于工业4.0的章节中还会谈到）。世界由“蒸汽机时代”进入“电气时代”（见图1-2）。图1-2 第二次工业革命：电力与大规模生产（1870年左右）
接下来的第三次工业革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电气技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃，它的发起地是美国。这场革命以原子能、电子计算机、空间技术、生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。通过第三次工业革命，世界由“电气时代”一举迈入“信息时代”（见图1-3）。图1-3 第三次工业革命：数字化计算与通信技术（1945年左右）
应该说，本次工业4.0浪潮的兴起，与前三次工业革命有着完全不同的背景和意义。如果说通过第一次工业革命，让蒸汽机为人类提供机器动力，可以比喻为“解放了人类的双手”；那么通过第二次工业革命，用电力实现动力的远程传输，让内燃机带动汽车的行驶，人们可以站在流水线旁进行装配，可以坐在座椅上进行驾驶，则可以比喻为“解放了人类的双腿”；而最近一次完成的第三次工业革命，用电子技术实现了生产的自动化，让人们可以盯着控制室的屏幕操纵设备，更可以比喻为“解放了人类的神经”。经过这三次工业革命，整个社会已经基本进入了一个衣食无忧，甚至产能过剩的阶段。那么为什么在这个时点，德国政府还要提出可以比喻为“解放人类的大脑”的第四次工业革命呢（见图1-4）？这次工业革命出现的必然性和必要性是什么？图1-4 经过前三次工业革命，全球产能已经普遍过剩，为什么还要有工业4.0？
这个问题给了我们一个温习内外因辩证原理的绝好机会。从哲学的角度来看，分析任何一个事物的变化发展，有三句非常经典的论断，它们是：
·事物发展是由内因和外因共同起作用的结果。
·内因是事物变化发展的根据，外因是事物变化发展的条件。
·外因需要通过内因起作用。
内因和外因的这种关系（见图1-5）决定了我们在观察、分析问题时，既要看到内因，又要看到外因，坚持内因和外因相结合的观点。图1-5 内因与外因的辩证关系
根据这样一套理论，我们试着来分析一下工业4.0的出现究竟是怎么一回事。
我们认为，本次工业4.0的兴起是由四个方面的内外因共同作用的结果（见图1-6），它们分别是：图1-6 本次工业4.0的兴起是由四个方面的内外因共同作用的结果
·内因一：以客户个性化需求升级为代表的来自市场的挑战。
·内因二：传统制造业向数字化商业模式的转变。
·外因一：CPS、物联网等新技术对传统技术的推动。
·外因二：提高制造业竞争力的国家竞争战略的需要。
两个内因，即来自市场的挑战和商业模式的转变，它们是直接引发这场工业革命的内在因素。而两个外因，即新技术的推动和国家意志，则起到了从旁推动的作用。1.2 内因之一：以客户个性化需求升级为代表的来自市场的挑战
近年来，全球市场所面临的挑战日益复杂、日益升级。它们就像“潘多拉盒子”一样，已经接近或达到目前技术手段可以解决的极限，因此需要由一场颠覆性的变革来解决。这些挑战包括：
·全球化的市场和全球化的制造网络的形成。
·不断增加的组织复杂度。
·不断提高的产品复杂度。
·对实时响应的期望。
·更高的客户个性化需求。
·新的竞争对手。
·来自成本的压力。
其中，客户个性化需求在其中最具有代表性。在很多文章里，都将它与工业4.0联系在一起。不过，尽管从吸引读者的角度，个性化需求确实是一个博取眼球的话题，但我们仍然要清楚地牢记，个性化需求只是众多推动工业4.0的市场挑战中的一个。
那么，我们就来看一看，客户的个性化需求是如何催生出工业4.0的。1.2.1 工业4.0时代，通过客户定制化需求的拉动来进行价值重构
长期以来，客户都处在一个信息不对称的市场中，并且相对于制造商和流通商来说，处于相对较弱的不利地位。通常，卖方（或者说是企业）对自己所生产或提供的产品拥有更多的信息，而客户则拥有更少的信息。虽然市场竞争日益激烈，但客户所处的信息不对称的弱势地位一直没有本质上的变化。
在这样一个信息不对称的市场中，尽管存在一定的信息搜集成本，并受到知识、灵活性和收入等条件的限制与约束，客户仍然希望能够成为价值最大化的追求者。于是，在做出最终购买决策时，客户感知价值（Customer Perceived Value，CPV）就成为一个具有决定性的能影响客户的变量。简单地说，客户感知价值就是客户在对一种产品的感知利得与其所付出的成本之间进行权衡的基础上，对产品效用的整体评价。这是构筑在工业2.0和工业3.0阶段，基于功利主义的行为方式的结果。这一阶段客户感知的利得包括品牌形象、产品功能、产品可靠性、产品多样性、服务能力等。客户感知的成本包括信息搜集成本、产品成本、渠道成本、服务成本等。
因此，对于企业来说，提高客户的感知价值就具有了极为重要的实践意义。在交易前，企业开展的市场营销往往就是利用信息不对称，发掘出商品中不为客户注意的价值，或者让客户从中获得溢价的感觉，从而产生更高的感知价值。
在以互联网为代表的新技术的冲击下，客户的信息不对称的地位得到了极大的改观，在互联网上可以方便地进行产品的性能与价格比较。客户在走进商店的时候，对产品的了解可能不会比售货员少很多。并且，在电商世界普遍只有10元左右的快递费，甚至免费送货的“教育”下，客户对于传统渠道的价值认可程度也在急剧下降，不会认为商场做了“搬运工”的事情就应该拿到那么多的增值收入。这一切都造成不少企业（先是流通企业，后是制造企业）的利润明显下滑。
与此同时，对于客户来说，除了产品功利之外的其他价值也开始得到重视，包括产品的定制化、服务的定制化，以及客户在接受产品和服务的过程中的个人体验、社会化体验等。这种转变直接导致了一场价值重构的革命（见图1-7）。从企业的角度来看，这就是工业4.0最有代表性的外部动因。为什么这么说呢？图1-7 制造业的业务模式正在转向用客户感知价值进行价值重构的新阶段，其重要的驱动性特征就是产品的定制化需求开始不断涌现
在工业3.0时代，有一个生产者驱动下的市场均衡。一方面，工厂以低成本、高质量为目标，大批量地向市场推出产品。客户在信息不对称的市场中，在一定的搜索成本和有限的知识、收入等条件的限制下，对利得和成本进行感知，推导出价值，并进一步根据得到的感知价值做出购买与否的决策。这一阶段，工厂的能力和客户的感知价值之间建立了一种平衡。
随着时代的发展和技术的进步，一方面客户的收入水平不断提高，另一方面客户通过互联网获取信息也越来越方便，由此他们改变了对一些传统的利得和成本的认识，产品的定制化需求在客户感知的利得中所占的比例与重要性日益提升，并且他们对于一些传统的渠道成本和物流成本，哪怕再低，也难以认可，甚至完全不予认可。由于客户感知价值发生了这些变化，原有的市场均衡被打破，所以企业必须要按照客户认同的感知价值来组织生产，提供相应的产品和服务——这就是工业4.0产生的一种由来。
近年来，中国市场上出现了一股消费者到企业（Consumer to Business，C2B）的思潮。它试图改变原有的企业和消费者的关系，是一种消费者贡献价值（Create Value），企业消费价值（Consume Value）的过程。按照C2B的理想，真正的C2B应该先有消费者需求而后有企业生产，即先由消费者提出需求，后由生产企业按需求组织生产。通常情况为消费者根据自身需求定制产品和价格，或主动参与产品设计、生产和定价，产品、价格等彰显消费者的个性化需求，而生产企业进行定制化生产。在C2B的模式下，渠道不掌握定价权，同时产品的价格构成必须合理。
以前在国外学术界和产业界，被普遍接受的提法是所谓的“定制”（Customi-zation）。
应该说，人人都不会拒绝定制化的需求。那么，为什么客户的定制化需求会在今天“逼出”工业4.0呢？1.2.2 产品多样化给企业的经营带来了巨大的挑战
众所周知，为了满足客户的定制化需求，就必然提高产品的多样化水平，但另一个问题是，由此也会给企业的经营带来巨大的挑战。
实际上，制造企业一直面临着各种挑战。其中，最常见的挑战包括两类：一类是企业自身的生产要素，如产品、业务流程、供应商构成的网络等日益复杂，企业之间的竞争也日益激烈；另一类是企业外部来自客户的需求日益提高，包括成本、质量、交货速度、产品满足需求的程度也在不断变化和日益苛刻。这两类挑战就像跷跷板的两端，如果一端翘起来，例如要降低成本，本能的做法就是把产品做得简单一些，流程尽可能稳定和标准化，只有这样才能把跷跷板的另一端压下去。但现在的问题是，这种妥协总是有限度的。如果到了两边都压不下去的时候，企业要怎么办？
近年来，几乎在每个行业里，企业提供给市场的产品多样性都在急剧增加。图1-8展示了汽车、化工、机械、快速消费品（Fast Moving Consumer Goods，FMCG）、药品五类产品在过去十几年里的变化趋势。我们发现，在1997~2012年的15年里，产品的多样性以及复杂性有了很大的提高。相比1997年，在2012年可销售的产品种类增加了120%，产品的生命周期缩短到76%。与此同时，原材料和零部件的种类也增加了85%。最后这个数字要略低于同期可销售产品种类的增长，这说明一些行业中（特别是汽车工业和快速消费品）的标准化和模块化的工作起到了一定的作用。事实上，不但是这五类产品有这种趋势，几乎所有的产品在过去的这些年里都在发生同样的变化。
造成这一现象的原因有好几种。
第一，无论是在消费品市场还是生产资料市场，很多企业都面临着投放到市场上的新产品的生命周期不断缩短的现象。当然，缩短的产品生命周期又会导致更多的新产品上市。但是，同类型产品的商业生命周期不应该和其物理生命周期混淆起来，后者甚至有延长的可能。因此，在一段时间里，在市场保有的产品类型中，增加的那一部分主要是来自新上市的产品。
第二，在成熟市场上不断升温的竞争导致了对狭小细分市场的不断挖掘，从而产生更多小众的产品类型。
第三，对于企业来说，增加产品种类是一种提高客户满意度的好办法。一般的想法是，客户总是希望买到真正符合自己心意的产品，能够为客户提供大量选择的企业总是能够讨得更多客户的欢心。
在以上三种原因的共同作用下，这一趋势最后导致了所谓的大规模定制（Mass Customization）的出现，即根据客户的个性化需求，以大批量生产的低成本、高质量和高效率提供定制的产品和服务。图1-8 汽车、化工、机械、快速消费品、药品的产品多样性发展趋势
但是，工厂总是被设计成提供有限种类的产品类型。当然，一些手工作坊式的工厂确实能够生产大量种类的产品，但是他们遇到的难题是如何将客户对交货速度、成本和质量的要求结合起来。直至今天，对生产系统的设计出发点都是在产量和品种都相对稳定的假设前提下仔细地分析产品类型与加工工艺。只有在产品类型与工艺路线不是经常改变的前提下，通过学习进行持续改进，才有可能提高生产效率和产品质量。
处理多样性的困难不止工厂有，实际上所有的业务流程都需要某种程度上的稳定性。无限制的多样化和无节制的变动，对于质量控制、效率以及流程的通过时间都会造成威胁。也就是说，产品多样性会给几乎所有的业务流程带来严重的影响。在这里，我们选择了一些业务流程进行分析，包括产品开发、制造、营销、订单获取、交付和售后服务等。如图1-9所示，在整条价值链上，产品多样性都会给企业带来更大的成本，其中最普遍的是：
·增加了库存管理的困难。
·更强烈的客户需求的差异性。
·由更碎片化的产品组合带来的需求的易变性。
·在全局供应链上的更高的复杂性（供应商、客户）。
·由更复杂的计划带来的处理成本。
·由更短的产品生命周期带来的更频繁的产品导入和退出。图1-9 产品多样性的增加对业务流程复杂性造成的影响
产品多样性对企业带来的影响可以从两个方面来看。如图1-10所示，一方面是增加了企业的运营成本和风险；另一方面则是给企业带来了更多的价值。产品多样性是企业在市场竞争中的关键差异性武器，可以锁定更多的潜在消费客户。福特汽车创始人亨利·福特曾说过，“你可以选择任何一种颜色，只要它是黑色的（You can paint it any colors，as long as it's black）”，其出发点就是运营成本最低。而《长尾理论》一书的作者克里斯·安德森则写道“无限的选择创造无尽的需求（Endless choice is creating unlimited demand）”，这则是从产品多样性可以带来的价值的角度做出的论断。图1-10 产品多样性对企业带来的影响
讲了这么多关于产品多样性的不同方面，工业4.0的到来究竟对产品多样性或定制造成了什么影响呢？1.2.3 大规模生产和大规模定制的变迁
大规模定制出现在工业3.0时代。在此之前，是大规模生产流行的阶段。大规模生产这种模式之所以能够稳定运行至今，是因为它有着自己特定的反馈循环圈（见图1-11）。
在这个反馈循环圈中，新产品在大规模生产方式下制造，生产成本低、质量稳定、面向统一市场提供尽可能标准的产品，进而形成较为稳定的需求和较长的产品生产周期，从而允许新产品的开发周期同步延长。此外，企业通过忽略细分市场、调节市场库存、开展促销等调控方式，加强稳定性，以保证生产过程的高效率和低成本，从而通过大规模生产与定制产品价格上的差异进一步推动需求向同类大规模生产产品集中。通过这种不断加强的反馈循环，大规模生产越来越向少数品种的生产集中，表现为产能不断加大直至过剩。目前市场上过剩的是大规模生产的能力，而不是定制生产的能力。
而在大规模定制的反馈循环圈中（见图1-12），通过大规模定制过程，生产出低成本、高质量的定制产品，为多元化的细分市场提供足够丰富的产品，并进一步推动客户的需求分化。不断分化的客户需求造成产品的生命周期日益缩短，从而推动企业以更短的产品开发周期开发新的产品。图1-11 大规模生产的反馈循环圈图1-12 大规模定制的反馈循环圈
显然，在这里要实现反馈循环圈从大规模生产向大规模定制的转变，关键在于是否能够通过大规模定制的制造过程，在低成本的前提下生产出高质量的定制产品，以高水平地满足客户的个性化需求。总的来说，大规模定制针对细分市场，通过充分满足客户的个性化需求而取得更高的利润。随着细分市场越来越小，从而逼近个性化定制。尽管不少产业开始了从大规模生产到大规模定制的转变，但低水平的大规模定制难以保证足够的盈利，实现可盈利的高水平的个性化定制已经变得迫在眉睫。
从理论上说，实现大规模定制的主要方法有三种（见图1-13），它们对于个性化定制或大规模定制的贡献程度是逐步提高的。
第一种方法是提高企业的响应灵活性，加快它的响应速度：通过在供应链上设置多个耦合点，加强供应链上的信息共享，用最经济的[1]推拉结合的手段快速满足客户的定制化需求。
第二种方法是由产品模块化带来的规模性和灵活性的结合：用标准化和模块化的零部件实现规模经济，零部件可以按照多种方式进行组合，形成多种产品，从而实现灵活性。具体的手段包括零部件共享（Sharing）、零部件交换（Swapping）、分割适应（Cut-to-Fit）、材料混合（Mix）、平台（Platform）、可组合（Sectional）等手段。由于篇幅所限，在这里不做进一步介绍。
第三种方法是柔性化生产，通过引进柔性化的加工设备和物流设备，在加工过程中实现柔性化的加工工艺。图1-13 实现大规模定制的三种方法
前两种方法在目前的大规模定制过程中是最为常见的。其中，供应链耦合技术对于现有的产品和加工过程几乎没有改变，是对现有的工作方式影响最小的做法。产品模块化技术需要对现有的产品设计进行改变，需要改变产品的结构和组装方式。这两种方法都是工业3.0时代实现大规模定制的主要技术，但是它们对于深度的个性化定制来说，仍显得力不从心。在工业3.0时代，工艺过程的灵活性没有得到很好的解决，因此未能充分发挥柔性化生产的潜能。而实际上，加工环节的灵活性对于大规模定制和个性化定制的实现，是最为直接和有效的方式。
在国内外的很多行业中，早已经出现了一批能为客户提供定制化产品的企业。图1-14以最能体现客户定制化需求的鞋服消费品等行业为例，总结了目前国外出现的一些提供定制化产品的企业的情况。实际上，这种前台通过电商平台进行交互式配置，后台进行产品定制化生产交付的业务模式，在国外的消费品行业里早已屡见不鲜。早在1993年，Levis牛仔裤就已经开始了这方面的尝试。除了常见的鞋服之外，手袋、婴儿用品、化妆用品、珠宝、手表、食品等均已出现了定制化的商业模式。可以这么说，在工业3.0时代，通过图1-13中的第一、第二种方法，一些行业已经实现了大规模定制。图1-14 以国外的鞋服消费品行业为例，在工业3.0时代就已经出现了一批提供客户定制化产品的企业
应该说，定制化产品是每个行业与生俱来的能力。那么，既然工业3.0已经能够实现产品的定制化交付，那么工业4.0出现的意义又在哪里？如图1-15所示，以汽车工业为例，从工业1.0时代的手工定制（几乎100%满足客户的个性化需求）到工业2.0时代的大规模制造，再到工业3.0时代的大规模定制1.0，我们需要的是需求更加细化、产品变化种类更多、成本更低的工业4.0下的大规模定制2.0。而实现这一大幅度提升的利器，就是我们将在下一章详细介绍的网络物理系统（CPS）。图1-15 很多行业都经历了从手工制造到大规模制造，再到大规模定制1.0的螺旋上升过程，我们期待工业4.0驱动的大规模定制2.0的到来[1] 关于这部分的内容，请参见《汽车行业整车订单交付系统——建立需求驱动的汽车供应网络》一书，该书也由彭俊松编写。1.3 内因之二：传统制造业向数字化商业模式的转变
近年来，伴随着以物联网、大数据为代表的新技术的应用，很多行业里都出现了一批采用数字化技术的新的竞争对手，它们对传统的制造企业形成了强烈竞争。如图1-16所示，以德国制造业为例，新的采用数字化技术的竞争对手正在对德国制造业在价值链上的地位和份额发起竞争，可能的情况是，信息技术（而不是传统的制造技术）对制造业产品的价值贡献增加，从而让传统的制造企业失去竞争力；或者是信息技术让传统的制造企业逐渐失去对客户的接触和把握——无论是哪一种，都是德国的制造企业所不愿意看到的。据分析，在最不利的场景中，德国制造业在2025年将会为此损失2200亿欧元的收入。图1-16 随着近年来以物联网、大数据为代表的一批新技术的诞生，出现了一批新的采用数字化技术的竞争对手，它们与德国的传统制造业展开了激烈竞争
应该说，一直以来，德国的制造业通过与客户在产品使用和业务
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