作者：雷万云,姚峻
出版社：清华大学出版社
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工业4.0——概念、技术及演进案例试读：
前言
部分列举），感谢你们为本书的顺利完成所做出的辛勤努力。最后，谨向帮助、支持和鼓励我和我的团队完成本书工作的家人和所有亲朋好友们表达诚挚的感谢！由于你们的大力支持和亲切鼓励，才使得我们能够顺利完成本书的编写工作。博士2019年5月于北京前言
如果说过去的近二十年是消费互联网的黄金年代，中国在此期间诞生了BAT（中国三大互联网公司，B代表百度，A代表阿里巴巴，T代表腾讯）等互联网巨头，那么时至今日，风头正逐渐转向产业互联网。互联网技术在改造完消费服务业后，正迅速而坚定地来到了工业领域，以“工业4.0”之名，掀起了对传统工业的革命。
按照当今世界对历次工业革命演进的共识，可以这样简单表述：工业1.0是机械化，2.0是电气化和内燃机，3.0是自动化和信息化，4.0则是智能制造。2013年4月，德国政府正式推出“德国工业4.0战略”，一个全球性的话题瞬间被引爆，对世界强国来说，这是一次争锋制造业变革发展和互联网下半场的机会，因而世界格局将会发生深刻变化。
在新一轮的工业革命中，各国都在竞相构建自己的智能制造产业体系，这个体系背后是技术体系、标准体系、产业体系，是智能制造产业生态系统的主导权。换言之，各国新一轮工业革命的竞争，是未来全球新工业革命的标准之争。一个国家、一个地区或者一个行业及企业如果不能意识到这场变革的核心以及其中蕴藏的潜能，或者没有找到应对之道，那么当其他国家或地区、其他行业或企业在新技术上取得突破后将获得领先地位。作为世界工厂的中国，各行各业都处在一个转型升级的岔路口上，要么，我们认识到这次新技术的机遇，并且能以正确的策略和路径，将其转化成经济上成功的新产品和服务；要么，就冒经济长期衰退的风险。直面“工业4.0”的时代背景，中国制造的机会在哪里？本书以这一主题展开讨论和论述，与读者一道探讨中国工业4.0的发展策略与路径。
过去，马云看到了消费互联网的发展前景，成就了今天的阿里巴巴。今天产业互联网的风口已经来临，谁将成为下一个马云，成为下一个BAT？是转型的传统制造企业，是工业4.0技术供应商，还是技术解决方案公司？
好了，我们既没有预言也没有分析，预言工作还是留给预言家们吧。或许在10年后人们可以反观并评价今天所发生的一切，而不是今天就来评论。当今，已经有很多不同的国家、地区和大大小小的企业在着力理解工业4.0，并抓住这些机会从而开展踏实的工作。
为了抓住机遇，找准向工业4.0演进的策略与方法，社会各界必须正确理解工业4.0的细节，诸如“第四次工业革命”“信息物理融合系统（CPS）”“智能制造及技术”等概念究竟意味着什么？如何避免这些概念的滥用而成为空洞的口号和浮躁的炒作，因为空洞的口号会阻碍而不是协同人们达到工业4.0的既定目标。科技引领产业革命，如果错过了工业4.0，可能错过的就是一个时代。
本书作为一本全面、系统、深入论述工业4.0概念、技术和架构、演进策略与发方法以及应用的专著，正好弥补了这一领域的空白。
全书由3篇9章组成。第1篇工业4.0的概念、框架及意义，包括第1章新科技革命引发第四次工业革命，第2章德国工业4.0战略分析，第3章工业4.0的概念、框架及启示；第2篇工业4.0的关键技术和解决方案，包括第4章智能制造的关键技术及组织结构，第5章智能制造解决方案，第6章工业互联网平台；第3篇企业组织向工业4.0演进的策略与方法及案例，包括第7章工业4.0的参考框架，第8章企业组织向工业4.0演进的策略与方法及途径，第9章企业组织向智能制造演进的案例分析。
本书是笔者在对云计算等新一代IT技术近十年研究的基础上，携手西门子智能制造专家历时三年多对工业4.0的跟踪研究和多次赴德国汉诺威工业展览会学习考察，以及在对西门子安贝格等德国数字化工厂的参观考察基础上写作而成的一本关于工业4.0专著。因此，这本书并不是关起门来写成的纯理论书籍，它正如工业4.0的概念体系诞生一样，是对社会、科技发展以及现实需求变革的考察研究与总结。
本书的主要特点有：一是系统地论述工业4.0。无论是对社会、经济和科技发展变革引领工业革命的论述，还是对历次工业革命演进过程的描述，都给读者一条工业4.0的清晰演进脉络。二是对工业4.0的概念、内容框架及基础知识、相关技术都逐一进行了系统性阐述，帮助读者建立起工业4.0的基本概念和内容框架，以便深刻理解后续的关键技术和解决方案。三是本书的章节设计力求全面、科学，逻辑性强，能让读者循序渐进地学习书中的内容。四是全面、系统地论述了工业4.0的知识、基础技术、关键技术及解决方案。五是本书的权威性和工业4.0的原生性。由于参与编写的作者大都是西门子公司的智能制造专家，而西门子本身又是工业4.0的重要发起公司，以及笔者留学德国和长期用德语研究工业4.0的第一手资料。
在本书的写作过程中力求兼顾普及与专业、理论与实践相结合，尽可能地照顾到不同层次和不同专业的读者，力求给广大读者呈现一个完整、系统和清晰的工业4.0体系，以便作为大家日常学习、工作的案头参考书。本书对各章节结构做了精心的设计和安排，有较强的逻辑性，力求系统性、全面性、专业性和实践性。如果您是企业管理人员，可以通过阅读第1篇和第3篇来思考企业的战略和管理，了解如何基于工业4.0来成功实现企业转型升级，商业模式的创新，提升企业的核心竞争力，以适应新时代企业发展趋势。如果您是企业的CIO或IT人员，您将能从书中系统获取工业4.0的技术知识和解决方案，以科学的策略和方法帮助企业向工业4.0演进，并将更深刻体会如何基于工业4.0的理念来开展企业数字化、信息化建设，并尽早规划您的职业生涯。如果您是工业4.0价值链上的一家解决方案公司或从事智能制造技术开发、服务的IT人，通过本书的学习，可以更好地确立您在产业链中的角色，了解工业4.0的发展态势、商业模式、技术架构，从而更进一步定位您所在公司的产品、技术或服务。如果您是政府部门的官员或工作人员，可以通过此书关键章节的学习来为政府规划、区域或行业发展、标准制定和为政府监管提供帮助。如果您是大专院校学生，将获得从现有课本无法获取的知识，完善自己的知识结构，及早规划职业生涯，为走向社会提供良好的帮助。总之，本书是值得所有关注工业4.0的读者一读的兼顾普及性与专业性的参考书。
本书编委会主任由西门子（中国）有限公司林斌和中国医药集团有限公司原副总封多佳担任，主编为雷万云博士和西门子（中国）有限公司姚峻博士。在编委会主任协调下，雷万云和姚峻编写了大纲和各章节的主要内容要点，雷万云对全书各章节内容进行了优化和统稿工作，并撰写了前言和致谢。姚峻对西门子（中国）有限公司的技术和解决方案章节部分进行了优化和统稿。其中，第1篇由雷万云、中国民航信息网络股份有限公司王静、中国医药集团有限公司齐华编写；第4章由雷万云、西门子（中国）有限公司徐一滨、谢海龙、张兆中编写；第5章由西门子（中国）有限公司朱诚实、任张鑫、张靖、杨桂忠、刘姝琦、唐邦志、樊林、李辉编写；第6章由雷万云、西门子（中国）有限公司王保建、苏昆哲编写；第7章由雷万云、中国医药集团联合工程有限公司李厚强、北京智通翔云科技有限公司赵利华编写；第8章由雷万云、中国民航信息网络股份有限公司王静编写；第9章由西门子（中国）有限公司朱诚实、王晓玲、雷万云编写。
工业4.0是一个跨学科的复杂巨系统，并且由于时间仓促，参与编写的作者众多，对于书中的疏漏和不当之处，敬请读者批评指正。关于对本书的建议和意见可以在我的新浪博客（http://blog.sina.com.cn/alexalei）留言互动或写信到我的邮箱（Alexalei@189.cn）进行交流。博士2019年5月于北京第1篇工业4.0的概念、框架及意义第1章新科技革命引发第四次工业革命
纵观人类社会和科技发展史，我们不难看出，科技革命必将引发产业革命。当前，以云计算、大数据、智能制造和5G为代表的新一代ICT科学技术的发展，加快催生了新一轮科技革命和产业变革，我们已感觉到工业4.0时代正在向我们走来。如何认识和把握当今世界科技发展的新趋势、新特点？如何牢牢抓住和把握新科技革命的历史机遇，实现我国的科技跨越式发展？我国的企业又该如何应对新一轮技术变革带来的机遇和挑战，并以科学的系统的方法向工业4.0时代迈进？这些问题正是本书讨论的主旨。本章首先系统地阐述这一主题。1.1 新科技革命正在引发产业革命
我们把科学革命与技术革命总称为科技革命。科学革命主要指科学理论、方法、思维方式等发生了巨大的突破性进展。科学革命即科学的理论范式发生了根本性变革。技术革命主要指技术体系原理的根本性变革。
科学革命、技术革命和产业革命之间有一定的线性关系。一般来讲，科学革命是技术革命的基础与理论前提，科学革命一般不会直接引发产业变革；技术革命则能够直接对生产力与生产方式产生影响，成为推动产业革命爆发的直接驱动力。
所谓21世纪的新科技革命，是指当今科技前沿领域以生命科技为基础，同时融合信息科技为代表的最有可能取得突破性进展的新科技成就。它本质上是20世纪后半叶科技革命的延续与拓展，与科学革命相关而重点聚焦于技术革命，同时影响到新的产业变革。马克思认为，产业革命就是指生产力的革命。产业革命最初指发生于18—19世纪英、美、日等发达国家并引发世界范围内的机器大工业生产替代手工工业生产的革命性变革。所谓产业变革一般指社会物质生产部门结构的革命或变革，是技术革命的成果在生产中的广泛应用，当社会经济运行模式和生产方式发生变革时，才意味着产业变革的发生。但从目前来看，更多的人将产业革命等同于工业革命，例如，美国著名历史学家R.P.帕尔默等提出了Industrial Revolution可这被译为“产业革命”，也可被译为“工业革命”。学者们已积极探讨这些变革及其特征属性。科技革命正处于集中爆发的前夜。中国科学院研究员何传启认为，生命科学将会是新科技革命的基础，同时融合信息、纳米科技等，从而引发新一轮产业变革。1.1.1 新时期的科技革命呈现出智能化、生态化等特点
首先，基础科学与新兴高技术领域分别出现跨界融合与交叉分化的发展态势，这是由新兴学科以及前沿技术领域的不断出现与创新引起的。新的科技发展模式正在形成，实现从基础科学到应用技术产业领域发展的新境界。例如，新一轮信息技术与脑科学、数学等学科领域的交叉融合将会极大地推动人工智能、机器人技术产业的发展，同时对人类在新时期揭示大脑的秘密也具有重要的促进作用。其次，科技革命的发展更加注重绿色服务化与生态文明化，正所谓“绿水青山就是金山银山”。工业化的进程虽然带来了生产力的巨大变革，但其负面影响特别是对环境与资源方面的负面影响日益严重，21世纪人类面临的发展问题更为严峻与迫切，这就要求科技要向绿色化、智能化、生态化的方向发展。未来的科技革命将注重生态环境的修复与保护、自然资源的合理利用，致力于开发新能源等绿色技术产品。
第四次工业革命具有一些明显的特征。首先是生产方式将发生根本性变革，数字智能化将成为主流模式。21世纪信息技术革命仍具有主导性地位，其本质就是包括信息、数字、智能化的一场技术革命。这些信息化科技与生产管理方式的深度融合形成协同创新，一方面会引发传统产业的转型升级、推动新兴产业的发展，更重要的是它会引发生产方式、生产组织模式，甚至人类思维模式的全方位变革。其次，能源结构将以互联网配置的可再生能源为主体结构模式。新时期能源技术革命的关键就是要使可再生能源成为能源结构的主体，同时新能源技术本身也是众多技术的融合点。新一轮产业变革的能源主体是以诸如风能、太阳能、潮汐、地热等可再生能源为主体，同时以“可再生能源+新型互联网通信技术”为核心模式，并且产生新的能源储备技术，实现资源的合理利用与经济社会的持续发展。1.1.2 新科技革命与产业变革的互动具有复杂性
首先，科技革命与产业变革有直接的因果联系，但科技革命只有在合理的社会体制与经济条件下才能引发产业变革，这从第一、二次工业革命中均可以看出来。第一次工业革命是以力学为理论基础，蒸汽机的发明则是理论的实际应用，由此引发了机器大工业生产等变革，而力学基础早在17世纪科学革命中已经奠定。第二次工业革命，科技与产业关联的效应更加明显，热力学电磁理论等直接推动了内燃机及电动机等产业革命。产业变革的直接动力来自科技革命，但并非任何科技革命都一定会引发产业变革。例如，哥白尼的天文学革命并未引发产业变革。古希腊的希罗发明了类似于蒸汽机的一种动力机器，完全算是一场技术革命，但未能引起一场产业变革，这也是出于一定的社会经济原因。21世纪，国际科技合作交流日益深化，经济全球化进一步加深，各主要发达国家对新一轮科技革命的到来都高度重视，这就为即将到来的产业变革奠定了良好的经济制度、社会制度、环境条件的基础。欧、美、亚洲等具有良好社会制度及科技发展土壤的国家将会成为新一轮产业变革的重点爆发区域。
其次，新一轮产业变革的重要推动力不仅仅来自前沿高技术的突破，更多的是来自人类日益增长的精神文明需求与开拓高级绿色工业文明的需要。诸如新能源、信息技术、生命科学等前沿科技领域正处于大规模突破爆发的酝酿期，必然会引发相应领域的产业变革。同时，21世纪科技发展迅猛，随着人类物质生活的极大丰富，精神文明的需求愈发成为引领产业变革的重要动力。产业变革更多地表现为人类深入认识自然环境，适应自然以永续发展的迫切需要。与历次工业革命不同的是，新一轮产业变革更加注重生态绿色的发展方向，改变了以往单纯追求经济发展的生产方式，向着人与自然生态系统和谐的可持续发展的绿色工业转变。新一轮产业变革能够解决以往产业变革所不能解决的问题，诸如环境恶化、资源枯竭、人口增长等现实问题。新一轮产业变革的动力从某种程度上正是人们对迫切需求改变这一现状的需要而产生的，产业变革的直接动力表现得更加迫切与明显，这种需求与动力甚至引领相关技术领域发生变革。例如，21世纪发展潜力巨大的生命科学将是解决生态系统恶化，开拓绿色产业文明的直接手段，基于目前迫切的现实需求，生物工程技术会重点在农业、医药卫生等领域展开和推进，引发技术变革。因此，21世纪新科技革命与产业变革表现为更加复杂的互动关系，而不仅仅是直接的线性推进关系。在此情况下，应注重战略性新兴产业的发展，并加强科技政策与产业政策的协调互动，共同推动国家的科技进步。1.1.3 注重战略性新兴产业的发展，兼顾传统产业
传统产业是指传统技术的比例占55%以上，并以传统产品为主的产业。而战略性新兴产业是指具有先导性与战略性，同时会带动国民经济和社会长远发展，未来成长潜力巨大的产业。长期以来，国民经济体系以传统产业为主导。但随着新一轮科技革命与产业变革的逐渐兴起、发达国家的再工业化与重振制造业的崛起，传统产业面临着转型升级的巨大压力，而战略性新兴产业正是在新的形势下形成的。
战略性新兴产业与传统产业应有明显的区分，自身应有明确的发展规划与路线。传统产业与战略性新兴产业的最大不同在于：前沿科技之间、前沿科技与产业之间的跨界融合是催生战略性新兴产业的重要动力，战略性新兴产业伴随着技术创新而产生，历史上的科技革命也表明了新的科技对于新兴产业的形成具有直接的推动作用。21世纪，随着各种前沿性高技术的兴起，创新驱动成为推进新一轮产业变革的重点。因此，战略性新兴产业的发展重点应以前沿技术的突破创新为基点，重点关注核心技术的突破。同时，战略性新兴产业在遵循自身发展时也应当注意与传统产业的结合，传统产业是根本，战略性新兴产业是先导。战略性新兴产业可以基于传统产业而发展，传统产业的结构优化升级可以激发培育战略性新兴产业。但战略性新兴产业的发展应有明确的导向性与目标，把科技创新发展带来的成果惠及民生，实现综合国力的提升与社会经济的全面提高。
另外，在战略性新兴产业的选择上，应当结合本国的科技发展现实情况来进行。首先需要考虑基础科学的优势研究领域；其次需要考虑能够提升国际产业竞争、满足自身发展需要的科技领域；最后需要考虑科技成果产业化等现实条件，前沿技术合理地实现产业化形成的创新驱动力可以引发辐射效应并优化产业结构，推动战略性产业集群的发展。可以通过智能化数字再造、核心技术裂变、两化融合等多种方式来实现战略性新兴产业的发展，兼顾传统产业与战略性新兴产业的关系，加强两大产业群的融合度，形成创新的经济增长潜力。1.1.4 科技政策与产业政策的协调，推进国家科技发展战略
科技政策由政府制定，旨在协调整合国家发展与科技进步的有机关系，是国家政策重要的组成部分。产业政策主要关注产业的发展形成等方面。可以看出，科技政策的作用范围更为宏观，产业政策从具体的领域出发，推动社会与经济的发展。相比科技政策，产业政策的作用对象和范围更加具体，可以直接深入影响产业结构、产业组织以及社会经济的运行结构。
首先，科技政策应为产业政策服务。科技政策作为科技活动的手段与工具，同时具有经济与社会双方面的属性与目标。科技政策的合理制定与实施，对促进前沿技术进步、提升产业核心技术水平等具有重大的作用与意义。当今的科技政策不仅关注国家的科技发展，同时还考虑国际竞争、经济增长、产业发展等综合因素，并且随着当今世界经济全球化、科技合作的日益加深而逐渐发展为多元化的政策，以此来更好地统筹协调国家或区域的科技与产业发展，促进经济增长。
其次，科技政策的实施与发展需要产业政策的指引。当下企业愈发成为科技创新的产业主体，需要提升科技实力、提高自身的服务及产品质量等综合实力。现实中多方面的需求使得企业需要从多方面提升自己。企业会革新已有技术、加大创新投入、改善现有生产及工艺流程，这些措施必定对科技政策的实施和创新提供更多机会。另一方面，对于一些旧有的落后产业，相关产业政策会针对其情况进行产业改造与重组，通过改善提升产业结构等措施，促进科技创新，以此来引导新的科技政策的制定与实施。
最后，在新一轮科技革命背景下，科技政策与产业政策应相互协调来共同支持国家的发展战略，以此来抓住机遇，实现综合国力的提升。对于当今国家科技实力的提升与社会经济增长来说，科技政策与产业政策有着不可或缺的重要作用。科技政策要以产业发展为基础，以企业创新为主体、市场需求为导向，努力突破能提升经济发展的关键技术；产业政策要积极引导、协调科技政策的实施，在新一轮科技革命与产业变革中抓住机遇，实现综合国力的提升。
第一次工业革命诞生于英国，英国因此成为了“日不落”帝国；第二次和第三次工业革命都诞生于美国，美国由此开启百年巅峰之路。2013年，德国率先向世界推出“工业4.0国家战略”，与美国争夺全球新工业革命的主导权。可以看出，这是一场未来之战。
时代浪潮汹涌澎湃，企业脚步一日千里。如今的制造不再是简单的流水线生产、机械式复制，工业4.0的到来，让科技的力量更加凸显。无论是美国工业互联网、德国工业4.0还是中国制造2025，核心都是智能制造。智能制造是复杂无比的巨系统，是互联网和物联网对工业的颠覆和再造。推进智能制造，是全球工业发展的必由之路，也是中国制造转型升级的主攻方向；打造智能工厂，是加速传统制造迈向智能制造的现实需要，也是中国制造由大变强的蜕变之旅！1.2 历次工业革命的演进
我们正站在技术革命的风口，技术革命将从根本上改变我们的社会、工作和生活方式。在其规模、范围和复杂性上，这种转变将不同于人类以前所经历的任何事情。我们还不知道它将如何展开，但有一点是清楚的：它的反应必将是综合的和全面的，涉及全球政治经济体系内的所有利益相关者，从国家发展，社会、科技进步和经济发展到大众生活。
为了进一步使读者有一个系统的认知，我们简要回顾一下历次工业革命的演进过程，如图1-1所示。
正如1.1节所述，工业革命有时又称产业革命，指资本主义工业化的早期历程，即资本主义生产完成了从工场手工业向机器大工业过渡的阶段。它是以机器生产逐步取代手工劳动，以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产的一场生产与科技革命，后来又扩充到其他行业。这一演变过程叫作工业革命。图1-1 历次工业革命的演进
工业革命开始于18世纪60年代，到了18世纪后半期，其在英国的进展已经很显著了。通常认为工业革命发源于英格兰中部地区，是指资本主义工业化的早期历程，即资本主义生产完成了从工场手工业向机器大工业过渡的阶段。工业革命是以机器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产的一场生产与科技革命。由于机器的发明及运用成为这个时代的标志，因此历史学家称这个时代为“机器时代”（the Age of Machines）。18世纪中叶，英国人瓦特改良蒸汽机之后，一系列技术革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃，随后向英国乃至整个欧洲大陆传播，19世纪传至北美。一般认为，蒸汽机、煤、铁和钢是促成工业革命技术加速发展的四项主要因素。英国是最早开始工业革命也是最早结束工业革命的国家。
工业革命是由资本主义经济发展的客观要求决定的。（1）资产阶级革命废除了封建制度，消除了不利于资本主义发展的种种束缚，为工业革命创造了重要的政治前提；（2）消除农业中的封建制度和小农经济，为资本主义大工业的发展提供了充分的劳动力和国内市场（表现在英国的圈地运动）；（3）资本主义原始积累过程，提供了资本主义大工业所必需的大批自由劳动力和巨额的货币资本（殖民）；（4）资本主义工场手工业长期的发展，为大机器生产的出现准备了技术条件。1.2.1 第一次工业革命
18世纪60年代至19世纪中期人类开始进入了蒸汽机时代。
一般认为，蒸汽机、焦炭、钢和铁是促成工业革命技术加速发展的四项主要因素。
在瓦特改进蒸汽机之前，整个生产所需动力依靠人力和畜力。伴随蒸汽机的发明和改进，工厂不再依河或溪流而建，很多以前依赖人力与手工完成的工作自蒸汽机发明后被机械化生产所取代。工业革命是一般政治革命不可比拟的巨大变革，其影响涉及人类社会生活的方方面面，使人类社会发生了巨大变革，对人类的现代化进程推动起到不可替代的作用，把人类推向了崭新的蒸汽机时代。
工业革命对19世纪科学的发展也产生了重要的影响。以前的科学研究很少用于工业生产，随着工业革命的发展壮大，工程师与科学家的界限越来越小，更多的工程师埋头做科学研究。以前的科学家多是贵族或富人子弟，现在则有许多来自工业发达地区和工人阶级的子弟成了科学家。他们对化学和电学更加感兴趣，这也促进了这些学科的发展。
工业革命这个术语最早是由恩格斯提出来的，指18世纪后期—19世纪前期发生在英国的从手工生产转向大机器生产的技术、经济变革，后来逐渐扩散到世界各国。工业革命是资本主义发展史上的一个重要阶段，它实现了从传统农业社会转向现代工业社会的重要变革。工业革命是生产技术的变革，同时也是一场深刻的社会关系的变革。从生产技术方面来说，它使机器代替了手工劳动；工厂代替了手工工场。从社会关系说，它使社会明显地分裂为两大对立的阶级——工业资产阶级和工业无产阶级。17—18世纪，英法等国资产阶级革命的胜利，为生产力的发展扫清了道路；资本主义工场手工业的发展和科学技术的发明，为向机器大工业过渡准备了条件。随着市场的扩大，以手工技术为基础的工场手工业不能满足市场的需要，资产阶级为追求利润，广泛采用新技术。工业革命在18世纪60年代开始于英国，首先从棉纺织业开始，80年代因蒸汽机的发明和使用得到了进一步发展。继英国之后，法、美等国也在19世纪中期完成工业革命。它极大地促进了社会生产力的发展，巩固了新兴的资本主义制度，引起了社会结构和东西方关系的变化，对世界历史进程产生了重大影响。
工业革命不能仅仅归因于一小群发明者的天才。天才无疑起了一定的作用，然而，更重要的是18世纪后期种种起作用的有利力量的结合。除了在强有力的需求刺激下，发明者很少做出发明。作为种种新发明的基础的许多原理在工业革命前数世纪已为人们所知道，但是，由于缺乏刺激，它们未被应用于工业。例如，蒸汽动力的情况就是如此。蒸汽动力在希腊化时代的古埃及已为人们所知道，甚至得到应用，但是，仅仅用于开关庙宇大门。不过，在英国，为了从矿井里抽水和转动新机械的机轮，急需一种新的动力之源，其结果是引起了一系列发明和改进，直到最后研制出适宜产业化生产的蒸汽机。
这些有利条件导致一系列发明，使棉纺织工业有可能到1830年时完全实现机械化。新发明中，理查德·阿克莱特的水力纺纱机（1769）、詹姆斯·哈格里夫斯的多轴纺纱机（1770）和塞缪尔·克朗普顿的走锭纺纱机（1779）是十分出色的。水力纺纱机能在皮辊之间纺出又细又结实的纱；用多轴纺纱机，一个人能同时纺8根纱线，后来是16根纱线，最后为100多根纱线；走锭纺纱机也称为“骡机”，因为它结合了水力纺纱机和多轴纺纱机的优点。所有这些新型纺纱机很快就能生产出比织布工所能处理的多得多的纱线。有位名叫埃德蒙·卡特赖特的牧师试图矫正这种不平衡状态，他在1785年取得了一种最初由马驱动，1789年以后由蒸汽驱动的动力织机的专利权。这种新发明物制作粗陋，在商业上无利可图。但是，经过20年的改进之后，其最严重的缺陷得到了纠正。到19世纪20年代，这种动力织机在棉纺织工业中基本上取代了手织织布工。
正如纺纱方面的发明导致织布方面相应的发明一样，某一工业中的发明促进了其他工业中相应的发明。新的棉纺机引起对新动力的需要，这种新动力要比传统的水车和马力所能提供的动力更充裕、更可靠。约1702年前后，一台原始的蒸汽机已由托马斯·纽科门制成，并被广泛用于从煤矿里抽水。但是，比起它能提供的动力来，它消耗的燃料太多，所以经济上仅适用于煤田本身。1763年，格拉斯哥大学的技师詹姆斯·瓦特开始改进纽科门的蒸汽机。他同制造商马修·博尔顿结成事业上的伙伴关系，博尔顿为相当昂贵的实验和初始的模型筹措资金。这一事业证明是极其成功的：到1800年即瓦特的基本专利权期满终止时，已有500台左右的博尔顿－瓦特蒸汽机在使用中。其中38%的蒸汽机用于抽水，剩下的用于为纺织厂、炼铁炉、面粉厂和其他工业提供旋转式动力。但是，蒸汽机的顺利发明也离不开当时的自然环境与社会因素，早在公元前120年，古埃及就有人曾研究过使用蒸汽作为动力。据统计，在此后的一千八百多年里，试用蒸汽作为动力的发明者不少于二十人，但他们都未制成较为完善的蒸汽机，并广泛运用于生产。于是，有人说：“如果瓦特早出生一百年，他和他的发明将会一起死亡！”由此可见，环境也是十分重要的。1.2.2 第二次工业革命
1870年以后，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。当时，科学技术的突出发展主要表现在三个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通信手段的发明。
第二次工业革命以电力的广泛应用为显著特点。从19世纪60—70年代开始，出现了一系列电气发明。德国人西门子制成发电机，比利时人格拉姆发明了电动机，电力开始用于带动机器，成为补充和取代蒸汽动力的新能源。电力工业和电器制造业迅速发展起来。人类跨入了电气时代。
第二次工业革命的又一重大成就是内燃机的发明和使用。19世纪70—80年代，以煤气和汽油为燃料的内燃机相继诞生，90年代柴油机发明成功。内燃机的发明解决了交通工具的发动机问题。1885年，德国人卡尔·本茨成功地制造了第一辆由内燃机驱动的汽车。内燃机车、远洋轮船、飞机等也得到了迅速发展。内燃机的发明，还推动了石油开采业的发展和石油化工工业的产生。
工业革命的第二阶段以大量生产的技术的发展为特点。美国在这一方面领先，就像德国在科学领域中领先一样。美国拥有的某些明显的有利条件可以说明它在大量生产方面居首位的原因：巨大的原料宝库；土著和欧洲人的充分的资本供应；廉价的移民劳动力的不断流入；大陆规模的巨大的国内市场、迅速增长的人口以及不断提高的生活标准。
大量生产的两种主要方法是在美国发展起来的。第一种方法是制造标准的、可互换的零件，然后以最少量的手工劳动把这些零件装配成完整的单位。美国发明家伊莱·惠特尼就是在19世纪开始时用这种方法为政府大量制造滑膛枪。他的工厂因建立在这一新原理的基础上，引起了广泛关注，受到了许多旅行者的访问。其中有位访问者对惠特尼的这种革命性技术的基本特点作了恰当的描述：“他为滑膛枪的每个零件都制作了一个模子；据说，这些模子被加工得非常精确，以致滑膛枪的每个零件都可适用于其他任何滑膛枪。”在惠特尼之后的数十年间，机器被制造得愈来愈精确，因此，有可能生产出不是几乎相同而是完全一样的零件。第二种方法出现于20世纪初，是设计出“流水线”。亨利·福特因为发明了能将汽车零件运送到装配工人所需要的地点的环形传送带，获得了名声和财富。1.2.3 第三次工业革命
第三次工业革命始于第二次世界大战后初期，20世纪50年代中期—70年代初期达到高潮，70年代以后进入一个新阶段。
20世纪40—50年代以来，在原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域取得的重大突破，标志着新的科学技术革命的到来。这次科技革命被称为第三次工业革命。它产生了一大批新型工业，第三产业迅速发展。其中最具划时代意义的是电子计算机的迅速发展和广泛运用，它开启了信息时代，也带来了一种新型经济——知识经济。知识经济发达程度的高低已成为各国综合国力竞争中成败的关键所在。
第三次工业革命是人类文明史上继蒸汽技术革命和电力技术革命之后科技领域里的又一次重大飞跃。它以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，是涉及信息技术、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。这次工业革命不仅极大地推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也影响了人类的生活方式和思维方式，使人类社会生活向更高境界发展。从20世纪80年代以来，国内史学工作者对第三次工业革命史的研究日益深入，相关研究成果不断问世。
有发展就会有变革，经过科技的长足发展，以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志的第三次工业革命再次开启了一个新的领域，带来了涉及信息技术、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次变革。
在此次工业革命中，不仅是制造业发生了重大改变，产生了一大批的新型工业，第三产业也借此迅速发展，而电子计算机的迅速普及更是开启了全新的信息时代，经济也开始走入了知识经济的时代，因此人类的衣、食、住、行、用等日常生活的各个方面也发生了重大的改变。1.2.4 三次工业革命对社会的冲击
三次工业革命比较：
• 第一次始于18世纪60年代，蒸汽机得到广泛应用。
• 第二次始于19世纪70年代，电力得到广泛应用。
• 第三次始于20世纪40—50年代，在原子能、电子计算机、微电子技术、航天技术、分子生物学和遗传工程等领域取得了重大突破。
每一次技术进步都会引发技术之外的社会变迁。至少在短时期内，谁是获利者？谁是失利者？正所谓，一轮明月照九州，几家欢喜几家愁？这是一个值得深思的问题，历史是面镜子。
正如第1.2.1节所述，第一次工业革命在18世纪英国西北部的纺织领域发生（蒸汽机时代）。1760年，詹姆斯·哈格里夫斯发明多轴纺纱机，俗称强力机（Power Loom），使得原来家庭式作坊从只能一个一个地纺纱，变成在保持同样质量的情况下，可以8个、16个甚至20个轴同时纺纱，效率提高十多倍，成本大幅下降。传统家庭作坊在竞争中纷纷倒闭。后来蒸汽机也用于生产，机械力替代了人力，再强壮的人力也无法与机器力相比。工业革命推动了经济高速发展。1760年英国全年生产了1300吨棉布，百年后的1860年英国全年生产19万吨棉布——纺织领域的经济效益提高了近150倍。可见，工业革命不仅是人类历史上空前的技术革新，也使得世界经济和人类财富进入了爆发期。
工业革命给社会带来了什么？是整个生产方式、社会结构的重组。原生态的小作坊纷纷消失，本来很有优越感，居于富裕阶层的作坊主人不得不委身到工厂打工。新技术动摇了他们的生活基础，降低了他们的社会地位。所以失意者不是仇恨大工厂主，而是仇恨机器。1811—1812年英国诺丁汉郡发生了反工业化的卢德运动（由卢德带头闹事），愤怒的工人们砸毁了纺织机。此运动很快蔓延到全英国，英国政府不得不派遣1.2万士兵前往镇压，而且立法规定破坏纺织机的人将被判处重刑。
第一次工业化浪潮中，农村人口移向城市，城市中形成了没有生活根基的无产阶级（马克思沿用拉丁文Proletarius一词，即古罗马时代享有罗马市民身份（不是奴隶），且来自外地的罗马贫民阶层），工业城市中出现了工伤、失业、老年、女工、童工等一系列问题，这就是改变欧洲政治生态的“十九世纪社会问题”，社会主义思潮及工人运动应运而生。
第二次工业革命（电气时代），电动机替代了蒸汽机，电力应用到工业生产的各个领域；又将生产线根据生产时间、投入能量进一步优化（细化、模块化、标准化），以便大规模地生产（mass production），这就是所谓的流水线作业。第一次大规模启用流水线的是美国人亨利·福特，第一辆完整通过流水线生产的汽车型号是Ford T。福特公司的汽车产量倍增，成本骤降。这一模式推广到欧洲各国，德国大众汽车就是其中的佼佼者，甲壳虫汽车荣登世界汽车销售量第一位。流水线成为工业生产的主流，也促使了电力、钢铁、铁路、化工、汽车等重工业的兴起。
从技术与社会角度来看，因为提高了生产效率，企业主的赢利大幅提高，财富增长大大超越以前的小作坊和传统工厂。另一方面，工人的工作时间和工作强度也大幅降低，19世纪美国工人每天工作12小时，而到了1914年福特首次实现了1830年前后英国社会主义者欧文提出的“八小时工作制”设想。福特声称，通过他对生产线的“科学优化”——组装一辆车子，从原来需要12.5小时，降低到1.5小时——福特找到了劳资双方共赢的一种方法。因为工人工资提高，且产品成本降低，从而价格降低，因此普通工人也能买得起汽车。这就是20世纪欧美重要的特征：美国式的生活之路（American Way of Life）。
但从负面而言，所谓流水线，就是把人也变成机器，变成机器的一个零件、资本运作中的一项生产成本。人们在流水线的一个特定位置工作，天天只做一项重复劳动，只有一个动作。而且也不知道该工作在整个生产流程中处于什么环节，所生产的零件用于哪里。这种生产方式迥异于传统的农耕生产和作坊生产，长此以往，会导致人的心理异化，卓别林的电影《摩登时代》、蒙克等表现主义绘画，就是以艺术手法再现了这种异化现象——直到第二次世界大战后，生产的人性化才引起社会重视，成为企业文化的一个重要部分。
到了第三次工业革命（信息时代），将电子技术、数字技术应用到生产上，出现了数控机床、机器人等机械。日本丰田公司改进了生产管理，使汽车生产效率、质量大幅提高，被誉为福特之后的第二次汽车业革命，以致现代管理的许多名词使用日语。例如，Kanban（看板管理）；Kaizen（持续改进）——根据学者对系统的优化设计来改变人的举止、人与人之间的关系，以提高生产效率。即把人也看作一种产品，一种资本，不知道这是在优化人种还是在退化人种，至少是异化了人种。
由于生产成本、运输成本的大幅降低，信息交流的普及，更多国家卷入到这样的经济圈。20世纪80年代开始了第二次经济全球化浪潮，形成了新的经济分工，大批劳动密集型企业生产线转入发展中国家。在工业发达国家，企业和白领阶层获得更多利益，蓝领阶层则受到失业的威胁；在发展中国家，得益于工业发达国家的投资，总体经济发展迅速，企业与工人几乎获得双赢，但那些国家为经济发展付出了巨大的环境代价。而且，由于生产与消费的膨胀，造成了巨大的能源和资源消耗，引发了全球能源危机、资源危机和气候变化等问题。
由此可见，技术发展一方面促进了经济发展，另一方面也衍生了许多社会问题。如今进入到第四次工业革命，将互联网技术应用到生产过程中，应当能进一步促进生产和经济发展。但以往三次工业革命所产生的社会问题，马克思对第一次和第二次工业革命的思考，又会再度被提出。
技术进步对汽车工业的冲击：第一次工业革命用蒸汽机替代了人力，第二次工业革命通过流水线优化了人力生产，第三次工业革命通过自动化替代了人工，第四次工业革命通过网络和智能机器人替代人——每一次工业革命的结果都是减少人工劳动。约翰·布朗（Jenn Brown）和埃星克·利弗（Eric Leaver）提出的未来工业将走向“无人工厂”，高兴还是恐惧？工厂无人，人怎么办？都离开工厂而流浪街头？技术进步的孪生现象就是失业？前三次工业革命发生时人们最担心的就是这点。好在除了第一次工业革命外，另两次似乎都没有发生非常严重的失业问题，甚至最终还给社会增加了就业。那第四次工业革命会发生什么？对于这个问题，我们将在第2章对德国工业4.0进行系统分析来给予回答。
从第一次工业革命至今，科学技术转化为直接生产力的进程正不断加快，从照相机的发明到大规模应用经过了122年，而从电视机的发明到应用只用了5年，技术更为复杂的原子能，从发现到应用到第一座核电站上也仅仅用了15年。
不难看出，随着科学和技术的不断结合，科研的探索领域也正在不断扩展，而且在技术革新之后也可以更快地投入到应用中来。科学与技术相互渗透，科学、技术、生产形成了统一的革命过程。1.3 第四次工业革命正在拉开序幕
所谓工业4.0，是基于工业发展的不同阶段做出的划分。按照目前的共识，如1.2节所述，工业1.0是蒸汽机时代，工业2.0是电气化时代，工业3.0是信息化时代，工业4.0则是利用信息物理融合技术（CPS）促进产业变革的时代，也就是所谓的智能化时代。
这个概念最早出现在德国，于2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出，其核心目的是为了提高德国工业竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。
工业4.0是由德国政府《德国2020高技术战略》中提出的十大未来项目之一。该项目由德国联邦教育局及研究部和联邦经济技术部联合资助。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及基因工程学的智能工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是CPS及物联网。
德国所谓的工业4.0（Industry 4.0）是指利用信息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智能化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应。
众所周知，德国的制造业是世界上最具竞争力的产业部门之一，这归功于德国制造业能够管理复杂的工业生产过程，不同任务由位于不同地点的合作伙伴完成。近二三十年来，德国制造业已成功地利用信息通信技术（ICT）实现了对工业生产过程的管理。如今，大约90%的工业生产过程已应用了ICT技术。在过去三十年甚至更早以前，信息技术（IT）革命使我们生活和工作的世界发生了彻底改变，其影响力可媲美分别成就前两次工业革命的机械和电力。
随着个人电脑向智能设备演变，一种新的趋势开始显现，越来越多的IT基础设施和服务通过智能网络（云计算）来提供。伴随着新一代IT技术的飞速发展，这一趋势宣告了人们期盼的普适计算已成为现实。
通过无线，越来越多功能强大的、自主的微型电脑（嵌入式系统）实现了与其他微型电脑和互联网的互联。这意味着物理世界和虚拟世界（网络空间）以信息-物理系统（CPS）的形式实现了融合。
新的互联网协议IPv6于2012年推出后，目前已经有足够多的IP地址可供智能设备通过互联网实现直接联网。于是，网络资源、信息、物体和人之间能实现物联网及服务互联网。这也将扩展到工业领域，在制造业中，这种技术演化可以描述为“第四阶段的工业化”或“工业4.0”。
德国充分利用其作为世界领先的制造设备供应商及在嵌入式系统领域的传统优势，通过利用物联网及服务互联网向智能制造领域扩展这一趋势，在向第四阶段工业化迈进的过程中先发制人。
正在展开的这次技术革命规模极大、范围极广，将引发经济、社会和文化等诸多领域的变革，其影响将非常深刻，我们几乎无法预判。尽管如此，我们还是要描述并分析、预测第四次工业革命对经济、企业、政府、国家、社会及个人的潜在影响。
在所有这些领域，最重大的影响之一可能来源于赋权，即政府如何与公民互动；企业如何与雇员、股东和客户互动；超级大国如何与小国互动。因此，随着第四次工业革命颠覆现有的政治、经济和社会模式，被赋权者必须认识到，他们属于一个分散的权力系统，需要在相互交往中加强协作，方能取得成功。1.3.1 经济爆发式增长和就业困境
第四次工业革命将对全球经济产生深远的影响，由于影响的范围非常广泛且涉及众多领域，所以我们很难对某个影响进行孤立地分析。事实上，你能想到的所有宏观变量，包括GDP、投资、消费、就业、贸易、通货膨胀等，都会受到影响。在此，笔者想重点阐述两个最关键的方面：增长和就业。
1．经济增长还是衰退
关于第四次工业革命对经济增长的影响，经济学家们也莫衷一是。技术悲观主义者认为，数字革命的关键性贡献已经完成，它对生
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