董小英 胡燕妮 戴亦舒 葉麗莎

摘 要：在全球再工業(yè)化的背景下，網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)（CPS）成為各國制造業(yè)發(fā)展的制高點。文章以服務(wù)主導(dǎo)邏輯為理論視角，基于CPS技術(shù)架構(gòu)與功能，解讀其數(shù)字映射能力、資源集成能力與價值共創(chuàng)能力三層戰(zhàn)略能力，并針對能力構(gòu)建過程中的管理挑戰(zhàn)對德國政府與制造企業(yè)的工業(yè)4.0管理體系進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，中德制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的能力構(gòu)建重點不同，中國關(guān)注數(shù)字映射能力和資源集成能力，德國則重點部署資源集成能力。兩國政府在工業(yè)4.0的推進(jìn)上均發(fā)揮了戰(zhàn)略引導(dǎo)作用，德國在發(fā)揮創(chuàng)新平臺戰(zhàn)略價值和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定上的經(jīng)驗值得借鑒。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng);服務(wù)主導(dǎo)邏輯;工業(yè)4.0;制造業(yè)轉(zhuǎn)型;數(shù)字化戰(zhàn)略能力

中圖分類號：F414

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8268（2019）05-0085-14

以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能為代表的新一代信息技術(shù)正在以前所未有的速度轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力，驅(qū)動互聯(lián)網(wǎng)與經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域深度融合，互聯(lián)網(wǎng)已從重塑服務(wù)模式的工具轉(zhuǎn)化為變革生產(chǎn)方式的創(chuàng)新要素。2008年金融危機(jī)過后，全球新一輪產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，制造業(yè)重新成為全球經(jīng)濟(jì)競爭制高點。發(fā)達(dá)國家政府高度重視這一趨勢，加快布局新型網(wǎng)絡(luò)化智能制造的發(fā)展，如德國推出“工業(yè)4.0戰(zhàn)略”、美國制定“制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃”、日本發(fā)布“科技工業(yè)聯(lián)盟”等，其目的都是加強(qiáng)對先進(jìn)制造業(yè)前瞻布局，吸引中高端制造業(yè)回流本土，構(gòu)建制造強(qiáng)國新優(yōu)勢。

德國作為傳統(tǒng)工業(yè)強(qiáng)國，也是新一輪制造業(yè)革命的翹楚，自2006年起，德國將加強(qiáng)制造業(yè)競爭優(yōu)勢上升到國家戰(zhàn)略層面德國“工業(yè)4.0”國家戰(zhàn)略的制定可追溯到2006年發(fā)布的《德國高科技戰(zhàn)略》，該報告是為了解決德國高成本背景下維持競爭優(yōu)勢的問題。2010年，德國發(fā)布《德國高科技戰(zhàn)略2020》報告，提出利用高科技戰(zhàn)略加強(qiáng)德國制造的競爭優(yōu)勢，將工業(yè)4.0列為十大未來項目之一。。2013年4月，德國工業(yè)4.0平臺在漢諾威工業(yè)博覽會上正式發(fā)布《德國工業(yè)4.0未來項目實施建議》[1]，提出德國要成為智能制造技術(shù)的主要供應(yīng)商和CPS （cyber-physical systems，即網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)，又譯作信息物理系統(tǒng)）對這一概念有不同的翻譯，比較主流的譯法是“信息物理系統(tǒng)”或“信息物理融合系統(tǒng)”。筆者對美國和德國的CPS研究后發(fā)現(xiàn)，“信息物理系統(tǒng)”會限制人們對這一領(lǐng)域戰(zhàn)略意義的理解，cyber具有網(wǎng)絡(luò)空間的內(nèi)涵，它對實體的管理與控制是跨組織、區(qū)域和行業(yè)邊界的，是在萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)上對設(shè)備、人、流程、服務(wù)的整體管理、控制和優(yōu)化指導(dǎo)。因此，其應(yīng)用范圍已跨出技術(shù)體系，涉及政策、戰(zhàn)略、生態(tài)、管理與機(jī)制等相關(guān)問題。技術(shù)及產(chǎn)品的領(lǐng)先市場。為了進(jìn)一步落實工業(yè)4.0戰(zhàn)略，德國相繼出臺《德國智能服務(wù)世界——未來項目實施建議》《德國工業(yè)4.0實施戰(zhàn)略報告》《數(shù)字化戰(zhàn)略2025》等多份政策報告，較為具體地指出了未來發(fā)展的路徑和方法。

CPS作為德國工業(yè)4.0的關(guān)鍵框架技術(shù)，是實體資產(chǎn)與計算能力之間互聯(lián)管理的轉(zhuǎn)型技術(shù)（transformative technologies），是“計算過程與物理過程的集成，利用嵌入式計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對物理流程的監(jiān)控，通過反饋回路相互影響的整合體系”[2]。德國國家科學(xué)與工程院（acatech）認(rèn)為CPS是使用傳感器直接獲取物理數(shù)據(jù)和執(zhí)行器作用物理過程的嵌入式系統(tǒng)、物流、協(xié)調(diào)與管理過程及在線服務(wù)[3]。以往學(xué)者們對CPS的討論主要集中在技術(shù)層面，包括：CPS在技術(shù)系統(tǒng)工程領(lǐng)域的挑戰(zhàn)[4-8]、CPS系統(tǒng)架構(gòu)與支撐技術(shù)體系[9-12]、CPS建模方法[13]、安全分析與評估[14-17]等。相關(guān)研究關(guān)鍵詞按出現(xiàn)頻率降序排列如下：信息技術(shù)集成、ICT系統(tǒng)組件、智能制動器、智能傳感技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)、系統(tǒng)的高可擴(kuò)展性、實時系統(tǒng)、智慧或智能，以及并發(fā)性等。已有文獻(xiàn)僅從技術(shù)視角研究CPS不足以闡釋其對構(gòu)建制造業(yè)競爭力的戰(zhàn)略價值。

實際上，CPS不僅是一個技術(shù)系統(tǒng)，更是技術(shù)驅(qū)動的社會系統(tǒng)綜合體[18]?；谝延醒芯?，我們提煉出CPS的四大特點。第一，CPS具有開放性。CPS不是自給自足的獨立實體，而是物理、社會和虛擬世界廣泛聯(lián)網(wǎng)以及智能使用信息通信技術(shù)形成的開放社會技術(shù)系統(tǒng)，具備超越現(xiàn)有嚴(yán)格控制行為下的封閉式嵌入系統(tǒng)所具有的功能、服務(wù)以及特性。其中，個體或群體會被動或主動地融入CPS，人類是聯(lián)網(wǎng)的重要組件和應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部的行動者，與CPS共同協(xié)調(diào)、控制和管理其他組件。第二，CPS具有交互性。這種交互性一方面體現(xiàn)在橫向交互上，如在CPS在連接層包含了感知、通信、計算、控制與物理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)內(nèi)的不同組件（如傳感器、控制器、服務(wù)器和終端設(shè)備）將計算、網(wǎng)絡(luò)和物理進(jìn)程相結(jié)合，實現(xiàn)物與物之間、人與物之間、系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通和互操作[19-20];另一方面是縱向交互，即CPS系統(tǒng)各層之間的相互依存、相互支持的邏輯關(guān)系，如在物與物、人與物、系統(tǒng)之間連接的基礎(chǔ)上，資源被數(shù)字化后實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值和網(wǎng)絡(luò)空間的集成，實現(xiàn)對實體環(huán)境的自主感知、智能分析、反饋控制和深度融合，進(jìn)一步達(dá)到提高資源優(yōu)化配置的深度和廣度的目的[19-20]。第三，CPS具有動態(tài)性。CPS不是靜態(tài)和局部的技術(shù)解決方案，而是對分布在各地的硬件設(shè)備、服務(wù)、人和過程進(jìn)行連接、整合分析和調(diào)整的動態(tài)解決方案。根據(jù)應(yīng)用情境、環(huán)境條件以及任務(wù)需要，CPS能夠訪問其他子系統(tǒng)搜索相應(yīng)數(shù)據(jù)、功能和服務(wù)，將其動態(tài)地融合到系統(tǒng)中。它與市場環(huán)境具有密切的互動關(guān)系，從而建立高度互聯(lián)的環(huán)境適應(yīng)性系統(tǒng)，其應(yīng)用和發(fā)展跨越企業(yè)、產(chǎn)業(yè)甚至國家邊界。第四，CPS具有復(fù)雜性。CPS具有在空間和時間范圍內(nèi)感知和處理外部環(huán)境巨大復(fù)雜性的能力，構(gòu)建能力的過程涉及政策、制度、經(jīng)濟(jì)要素、產(chǎn)業(yè)競爭力、商業(yè)生態(tài)、平臺、商業(yè)模式創(chuàng)新等一系列問題。它的空間“連接”和智能化能力將會對全球未來再工業(yè)化競爭路線、模式、管理和運營產(chǎn)生長遠(yuǎn)而深刻的影響[19]。

從CPS的特點可以看出，未來制造業(yè)的發(fā)展不再局限于技術(shù)架構(gòu)本身，而是與人、實體環(huán)境和產(chǎn)業(yè)生態(tài)密切關(guān)聯(lián)，從以制造為中心的產(chǎn)品化向以用戶為中心的服務(wù)化轉(zhuǎn)型[20]。而已有研究僅從技術(shù)視角出發(fā)，難以闡釋CPS在未來制造業(yè)中的戰(zhàn)略價值和關(guān)鍵地位。服務(wù)主導(dǎo)邏輯是一種以用戶為導(dǎo)向、注重服務(wù)價值的理論。區(qū)別于傳統(tǒng)產(chǎn)品主導(dǎo)邏輯，服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論注重生產(chǎn)者與消費者之間、其他供應(yīng)和價值鏈協(xié)作方之間的互動，以提供滿足用戶需求的服務(wù)為價值導(dǎo)向[20-21]。在該理論視角下，未來制造業(yè)的發(fā)展需要著重構(gòu)建基于CPS的服務(wù)化能力。因此，本研究引入服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論，以CPS的技術(shù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，關(guān)注CPS如何作用于其他技術(shù)和社會資源，構(gòu)建制造業(yè)戰(zhàn)略優(yōu)勢，重點研究以下問題：（1）探索CPS的戰(zhàn)略價值是什么;（2）德國作為制造業(yè)強(qiáng)國，在推動工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型中的路徑和方法;（3）對中國企業(yè)的啟示。

一、CPS的理論解讀與戰(zhàn)略價值

德國“工業(yè)4.0”帶來的新型商業(yè)模式以數(shù)據(jù)為驅(qū)動、以用戶為中心，是服務(wù)主導(dǎo)邏輯的重要體現(xiàn)[1]。CPS從系統(tǒng)中的所有端口收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行整合優(yōu)化，為市場和生態(tài)系統(tǒng)搭建技術(shù)基礎(chǔ)，不同供應(yīng)商根據(jù)用戶需求在數(shù)字化平臺上與個性化產(chǎn)品和服務(wù)相捆綁。智能服務(wù)世界中以用戶為中心的商業(yè)模式取代了傳統(tǒng)工業(yè)制造中以產(chǎn)品為中心的商業(yè)模式，其本質(zhì)是產(chǎn)品主導(dǎo)邏輯向服務(wù)主導(dǎo)邏輯的轉(zhuǎn)變。

服務(wù)主導(dǎo)邏輯理論由Vargo和Lush首次提出，認(rèn)為服務(wù)是市場交易的本質(zhì)對象，企業(yè)只有提供滿足用戶需求的服務(wù)才能實現(xiàn)價值[20-21]。該理論根植于核心競爭力理論[22]和資源優(yōu)勢理論[23]，將資源分為對象型資源（operand resource）和操縱型資源（operant resource）[24]。對象型資源是指能被開發(fā)利用產(chǎn)生價值的資源（如土地、植物、礦產(chǎn)等自然資源），具有有形、靜態(tài)、有限的特征[25]。操縱型資源指作用于對象型資源且使其產(chǎn)生效用的資源，包括人才、技術(shù)、知識、機(jī)制四個要素，具有無形、動態(tài)、無限的特征[21，24]。在操縱性資源的四要素中，人才是指具有研發(fā)數(shù)字化技術(shù)、并具有將數(shù)字化技術(shù)與業(yè)務(wù)深度融合和創(chuàng)新性應(yīng)用的復(fù)合型人才，如數(shù)字化領(lǐng)軍人才、數(shù)字化項目推進(jìn)與管理人才、數(shù)據(jù)科學(xué)家、人工智能專家、物聯(lián)網(wǎng)專家、區(qū)塊鏈專家、算法專家等;技術(shù)涵蓋了以5G技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、深度學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等已經(jīng)比較成熟的可以商用的技術(shù);知識則是人們用操縱性資源有效開發(fā)對象型資源，特別是將數(shù)字技術(shù)用來解決社會、經(jīng)濟(jì)、交通、醫(yī)療、教育等現(xiàn)實問題所進(jìn)行的探索、實踐、經(jīng)驗、教訓(xùn)和成效，以及所構(gòu)建的戰(zhàn)略、政策、標(biāo)準(zhǔn)和路徑;機(jī)制是指在構(gòu)建CPS體系建設(shè)過程中，對所有參與的利益群體的治理機(jī)制和運營機(jī)制，治理機(jī)制涉及相關(guān)利益者共同參與的決策模式、利益訴求和安全可靠和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù);運營機(jī)制涉及到激勵機(jī)制的制定、整體運營的公平、公正和效率能夠激發(fā)企業(yè)的活力與創(chuàng)造力。

服務(wù)主導(dǎo)邏輯強(qiáng)調(diào)在全球化的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)中，企業(yè)的主導(dǎo)邏輯從傳統(tǒng)有形商品的生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o形服務(wù)的提供，“操縱型資源代替對象型資源成為戰(zhàn)略性收益的基礎(chǔ)來源”[26]，是服務(wù)提供和價值創(chuàng)造過程的關(guān)鍵要素[27]。在營銷實踐中，消費者被視為操縱型資源受到企業(yè)的高度重視，企業(yè)注重消費者對服務(wù)體驗的反饋以進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)和改善，企業(yè)與消費者通過交互活動共同創(chuàng)造價值[26]。服務(wù)主導(dǎo)邏輯還主張，在服務(wù)提供的過程中，企業(yè)合作伙伴之間、企業(yè)與消費者之間形成大量松耦合的價值網(wǎng)絡(luò)，所有交易環(huán)節(jié)信息透明和對稱，各主體可以獲得和整合來自縱向或橫向的資源（特別是知識和信息）來共創(chuàng)價值[27]。

CPS帶來的戰(zhàn)略競爭優(yōu)勢由技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動，通過CPS的技術(shù)架構(gòu)連接服務(wù)主導(dǎo)邏輯的資源觀和戰(zhàn)略能力非常重要。在服務(wù)主導(dǎo)邏輯的理論視角下，筆者基于Lee等人提出的CPS核心技術(shù)架構(gòu)[28]，解讀工業(yè)4.0時代服務(wù)主導(dǎo)邏輯視角下CPS的戰(zhàn)略能力，詳見圖1所示。

（一）CPS的技術(shù)架構(gòu)與功能

根據(jù)CPS的功能特征，Lee等人提出5C架構(gòu)指導(dǎo)CPS實踐，包括：連接層（connection）、轉(zhuǎn)換層（conversion）、網(wǎng)絡(luò)層（cyber）、認(rèn)知層（cognition）和配置層（configuration）。5C架構(gòu)通過連續(xù)的工作流方式，清晰地定義了CPS如何從最初的數(shù)據(jù)獲取到分析到最終的價值共創(chuàng)過程（見圖1）。

連接層。連接層實現(xiàn)資源液化，是指將實體空間（P）的要素（如設(shè)備、工廠、流程、服務(wù)等供應(yīng)鏈中的所有環(huán)節(jié)）數(shù)字化，驅(qū)動數(shù)字資源從實體空間映射到網(wǎng)絡(luò)空間，使其具備在互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)空間自由流動和交換的能力[20]。在這個過程中，需要考慮三個因素：一是數(shù)據(jù)類型的多樣化，需要特定的互聯(lián)通訊協(xié)議（如MTConnect）來有效管理無縫式和非接觸式（tether-free method）的數(shù)據(jù)獲取和傳遞方式;二是開發(fā)利用合適類型與規(guī)格的傳感器;三是安全保障體系，對于生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品包含的數(shù)據(jù)和信息需要加以保護(hù)，防止濫用和未經(jīng)授權(quán)的獲取。

轉(zhuǎn)換層。轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)數(shù)據(jù)增值，是指利用計算工具和算法，對連接層采集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)空間（C）進(jìn)行整合、處理、分析和挖掘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向信息的轉(zhuǎn)換，為機(jī)器帶來自我感知（self-awareness）能力。比如，利用快照收集技術(shù)對脫離物質(zhì)載體的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，將信息以有效方式進(jìn)行存儲，記錄機(jī)器的使用和維修歷史。近年來有大量研究關(guān)注數(shù)據(jù)挖掘算法，特別是對機(jī)器健康狀態(tài)的診斷和管理，通過計算健康值來估計剩余的有效使用時間等。

網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)資源連接，指多種資源聚集交互，企業(yè)價值網(wǎng)絡(luò)中的信息在網(wǎng)絡(luò)空間大范圍聚合交換，局部物理對象之間的屏障被打破，企業(yè)內(nèi)外的信息孤島被消除。網(wǎng)絡(luò)層是整個架構(gòu)的信息中心，所有互聯(lián)機(jī)器的信息都被推送到此相互連接形成機(jī)器網(wǎng)絡(luò)。在連接海量信息的基礎(chǔ)上，既可以橫向?qū)γ颗_機(jī)器的狀態(tài)進(jìn)行比對和洞察，在更短的時間內(nèi)捕捉故障模式;又可以通過相似性識別技術(shù)縱向回顧機(jī)器的歷史記錄，計算當(dāng)前機(jī)器行為與以往資產(chǎn)利用率和健康狀況之間的相似性。在這個階段，分析處理海量信息的技術(shù)和算法是關(guān)鍵的操縱型資源。資源連接主體通過網(wǎng)絡(luò)層信息分析能力能夠?qū)崿F(xiàn)對實體空間中對象型資源的管控。網(wǎng)絡(luò)層賦予了機(jī)器自我比較（self-comparison）能力。

認(rèn)知層。認(rèn)知層進(jìn)行智能分析，是指利用人工智能等技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)層匯集的海量、復(fù)雜、異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在連接網(wǎng)絡(luò)與實體空間的系統(tǒng)（S）中生成模型庫、經(jīng)驗庫、方案庫、算法庫、工具庫等價值含量高的知識資源，為用戶提供高度個性化的服務(wù)[29]。這一層形成了關(guān)于整個監(jiān)管系統(tǒng)深入全面的知識庫，根據(jù)歷史健康狀態(tài)的適應(yīng)性學(xué)習(xí)，系統(tǒng)可以通過算法進(jìn)行模式匹配，更加準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)器的潛在故障和剩余使用壽命，有助于生產(chǎn)車間的及時維護(hù)，并利用綜合優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)當(dāng)前機(jī)器狀態(tài)，基于任務(wù)的優(yōu)先級做出流程優(yōu)化的智能決策。此外，這個階段還結(jié)合數(shù)據(jù)可視化工具，通過多模式的人機(jī)交互界面，將獲取的知識圖像化呈現(xiàn)，為用戶提供決策支持，幫助實體空間的對象型資源做出準(zhǔn)確、可靠的決策。

配置層。配置層實現(xiàn)資源調(diào)配，是指將網(wǎng)絡(luò)空間的信息反饋給實體空間并對系統(tǒng)進(jìn)行指導(dǎo)性控制，與市場、客戶和現(xiàn)實情境進(jìn)行雙向互動。配置層扮演了彈性控制系統(tǒng)的角色，利用預(yù)設(shè)規(guī)則和語義規(guī)范等控制技術(shù)，將認(rèn)知層做出的修正性和預(yù)防性決策應(yīng)用到所監(jiān)管的系統(tǒng)中，驅(qū)動知識資源靈活、動態(tài)地調(diào)配和操控底層的工業(yè)設(shè)備和機(jī)器組件，使機(jī)器具有自適應(yīng)（self-adaptive）和自配置（self-configure）能力。

服務(wù)主導(dǎo)邏輯對于理解再工業(yè)化過程中CPS的戰(zhàn)略價值具有重要意義。第一，連接層通過傳感技術(shù)將實體資源進(jìn)行數(shù)字映射，雖然這個過程將經(jīng)歷較長時間，不會一蹴而就，但資源液化的規(guī)模和速度是提高資源密度、構(gòu)建資源集成能力的基礎(chǔ)。第二，通過信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)萬物互聯(lián)后，轉(zhuǎn)換層通過數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)等操縱型資源從中提煉出更具價值的信息。網(wǎng)絡(luò)層利用操縱型資源在網(wǎng)絡(luò)空間整合對象型資源和其他操縱型資源，其速度、廣度和深度都是以前難以想象的。在網(wǎng)絡(luò)空間創(chuàng)造和掌控領(lǐng)先的操縱型資源的主體，其資源密度最大，將成為實體空間和網(wǎng)絡(luò)空間的整合者和領(lǐng)導(dǎo)者，擁有超越企業(yè)、區(qū)域甚至國家邊界的能力。第三，認(rèn)知層智能系統(tǒng)作為重要的操縱型資源，為資源的配置與優(yōu)化提供了智能分析、預(yù)測調(diào)整、動態(tài)創(chuàng)新的能力，驅(qū)動實體與網(wǎng)絡(luò)空間的實時交互和價值共創(chuàng)，迭代產(chǎn)生適應(yīng)各種情境的操縱型資源與服務(wù)。配置層人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)及相關(guān)技術(shù)算法構(gòu)造的“深腦”等操縱型資源將為智能驅(qū)動的資源配置和優(yōu)化提供前所未有的潛能。

（二）CPS與三層戰(zhàn)略能力建設(shè)

數(shù)字映射能力。CPS通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等從機(jī)器和零部件上獲取準(zhǔn)確可靠的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源液化驅(qū)動數(shù)字資源從實體空間映射到網(wǎng)絡(luò)空間，使信息脫離物理載體，以數(shù)字化形態(tài)像液體一般流動在網(wǎng)絡(luò)空間[30]，是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，如智能工廠。通過數(shù)字映射到網(wǎng)絡(luò)空間，能夠記錄實體空間隨時間的變化，并對實體空間的生產(chǎn)活動等進(jìn)行模擬和監(jiān)測，支持和推動實體空間活動的分解和重組。資源密度用來描述某一時間或情境下主體獲得資源的總量[31]。資源密度最大化指在恰當(dāng)?shù)臅r間和地點最有效地配置合適的資源，這種狀態(tài)是理論中的最優(yōu)狀態(tài)，在現(xiàn)實中還難以實現(xiàn)。當(dāng)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施配置在適合的時空位置時，信息就可以傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)空間并即時傳播。

資源集成能力。服務(wù)主導(dǎo)邏輯指出，服務(wù)的關(guān)鍵是資源集成[32]。資源集成即多種資源的聚集交互[33]，以信息通信技術(shù)為代表的操縱型資源是驅(qū)動資源集成的關(guān)鍵要素[34]。資源集成與資源液化和資源密度高度相關(guān)。信息技術(shù)的發(fā)展顯著提升了資源液化能力，更新和提升了資源密度，使得資源集成的成本減低、速度加快、范圍擴(kuò)大[31，35-36]。CPS在轉(zhuǎn)換層實現(xiàn)數(shù)據(jù)向信息的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行資源的廣泛連接交互，構(gòu)建資源集成能力，包括企業(yè)內(nèi)部所有生產(chǎn)和運營環(huán)節(jié)信息的縱向集成、企業(yè)之間通過價值鏈和價值網(wǎng)絡(luò)的資源橫向集成，以及圍繞產(chǎn)品全生命周期的價值鏈的端到端集成。資源集成能力是構(gòu)筑制造網(wǎng)絡(luò)和創(chuàng)新生態(tài)的關(guān)鍵。

價值共創(chuàng)能力。傳統(tǒng)產(chǎn)品主導(dǎo)邏輯中，企業(yè)通過一系列生產(chǎn)活動將價值嵌入商品，然后投入市場與消費者進(jìn)行交易，最終實現(xiàn)價值創(chuàng)造。制造商與消費者之間存在嚴(yán)重的信息不對稱，需要構(gòu)建多級供應(yīng)鏈橋梁應(yīng)對二者之間的信息鴻溝，這種結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征[36]。在工業(yè)4.0時代的服務(wù)主導(dǎo)邏輯視角下，價值共創(chuàng)往往區(qū)別于以往明確規(guī)定的工業(yè)流程，從產(chǎn)品設(shè)計到市場交易的各項職責(zé)都跨越企業(yè)界限，企業(yè)之間以及企業(yè)與消費者間的關(guān)系呈現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CPS的資源液化和資源集成能力使得制造商、中間商、消費者之間可以實時共享信息，信息的對稱流動性增強(qiáng)，對供應(yīng)鏈傳遞信息的依賴度降低[37]，網(wǎng)絡(luò)中的所有主體都可以獲得和整合資源（特別是操縱型資源），即時動態(tài)滿足特定情境下的用戶需求[30]。價值創(chuàng)造不是廠商單向發(fā)起的線性過程，而是在與客戶和消費者雙向動態(tài)交互過程中共同實現(xiàn)，各個主體通過大量松耦合結(jié)構(gòu)快速形成價值共創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)[36]。在工業(yè)4.0時代，企業(yè)能夠跨越組織邊界以開放的戰(zhàn)略構(gòu)建生態(tài)體系，實現(xiàn)價值共創(chuàng)[38]。

CPS的三層戰(zhàn)略能力具有內(nèi)在關(guān)聯(lián)和深入遞進(jìn)特性，數(shù)字映射能力將數(shù)字資源從實體空間映射到網(wǎng)絡(luò)空間，實現(xiàn)物理對象的數(shù)字化;資源集成能力在網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行大范圍的資源集成和交互，打通企業(yè)內(nèi)部所有節(jié)點、產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)之間的組織邊界，乃至價值網(wǎng)絡(luò)中的各個環(huán)節(jié);價值共創(chuàng)能力加強(qiáng)企業(yè)與供應(yīng)商、客戶之間的連接和協(xié)作，催生新興商業(yè)機(jī)會和模式。這三種能力展現(xiàn)了制造業(yè)未來發(fā)展的格局與路線圖，需在短期、中期和長期發(fā)展中依次進(jìn)行重點戰(zhàn)略部署（見圖1），但在構(gòu)建過程中面臨著諸多管理挑戰(zhàn)。

二、CPS與德國工業(yè)4.0的管理體系

（一）德國政府的對策

德國政府在構(gòu)建CPS三層戰(zhàn)略能力的過程中，針對這些管理挑戰(zhàn)提出了相應(yīng)的政策措施，具體包括：基礎(chǔ)設(shè)施與標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)、管理復(fù)雜系統(tǒng)、平臺與網(wǎng)絡(luò)生態(tài)建設(shè)、知識開發(fā)、服務(wù)創(chuàng)新等（見表1），這些因素對CPS的成功都發(fā)揮了重要作用。

1.基礎(chǔ)設(shè)施與標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)

在連接層實現(xiàn)萬物互聯(lián)互通，首先需要完備的基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)對異構(gòu)數(shù)據(jù)敏捷、高效、即插即用的采集和實時、高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。工業(yè)4.0的價值網(wǎng)絡(luò)中涉及各類不同企業(yè)，須開發(fā)出一套單一的共同標(biāo)準(zhǔn)推動伙伴關(guān)系的形成。為了提高合作有效性，還需要參考架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)提供詳細(xì)的技術(shù)說明，并有效推動在實踐中的落實。在標(biāo)準(zhǔn)和參考架構(gòu)的指導(dǎo)下，實體空間的單元和系統(tǒng)逐步實現(xiàn)互聯(lián)互通，支持彼此的互操作，為資源液化奠定基礎(chǔ)。CPS對大范圍的分布式組件進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通常涉及大量敏感數(shù)據(jù)的交換，因此安全保障體系對CPS也十分重要，需要加強(qiáng)對數(shù)據(jù)和信息的保護(hù)，盡可能防止濫用以及未經(jīng)授權(quán)的獲取。

在基礎(chǔ)設(shè)施方面，德國要求在國內(nèi)和與伙伴國家之間大幅擴(kuò)建寬帶互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，提供可靠、全面、高質(zhì)量的通信網(wǎng)絡(luò)，德國計劃在“2018年保證50兆比特每秒的網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋”[1]。在標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)上，德國建議工業(yè)4.0平臺下成立相關(guān)工作組專門處理標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)問題，使得各合作伙伴在基本結(jié)構(gòu)原理、接口和數(shù)據(jù)等方面達(dá)成一致，基于一套標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換、識別、處理、維護(hù)等。2013年12月，德國電氣電子和信息技術(shù)協(xié)會（DKE）發(fā)布《德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》，對工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行頂層設(shè)計，就工業(yè)4.0涉及的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格取得一致意見，為所有參與方提供一個概覽和規(guī)劃基礎(chǔ)。2015年，德國電氣電子行業(yè)協(xié)會（ZWEI）確定工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0），從產(chǎn)品生命周期、價值鏈、層級和架構(gòu)等級三個維度定義工業(yè)4.0組件。借助參考架構(gòu)模型，可以對任務(wù)和流程進(jìn)行具體清晰的分解，更直觀地呈現(xiàn)真實情況。2016年，德國工業(yè)界與標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域權(quán)威機(jī)構(gòu)設(shè)立“工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化理事會”，以提出工業(yè)4.0數(shù)字化產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并形成“工業(yè)4.0平臺”“工業(yè)4.0實驗室網(wǎng)絡(luò)”和“工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化理事會”三大平臺，共同推進(jìn)工業(yè)4.0在全球范圍內(nèi)落地。

2.管理復(fù)雜系統(tǒng)

在轉(zhuǎn)換層，制造業(yè)每年都存儲了最大的數(shù)據(jù)量[39]，工廠源源不斷產(chǎn)生的大量原始數(shù)據(jù)為生產(chǎn)過程的智能化提供了機(jī)遇。CPS不僅要分析產(chǎn)品全生命周期和供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)如滾雪球般產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，而且需要通過智能關(guān)聯(lián)海量數(shù)據(jù)來深度了解用戶的需求和偏好，并將這種洞察與生產(chǎn)活動相結(jié)合，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為高度個性化的產(chǎn)品和服務(wù)。這一階段，需要先進(jìn)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)從海量、高速、多樣性的數(shù)據(jù)中提取高附加值的信息，用來控制、支撐與強(qiáng)化產(chǎn)品與服務(wù)，以提供優(yōu)化產(chǎn)品、服務(wù)和商業(yè)模式的基礎(chǔ)知識。同時，隨著產(chǎn)品功能的豐富、用戶個性化需求的增加、交付要求的頻繁變動和企業(yè)間合作形式的迅速變化，產(chǎn)品及其相關(guān)的制造系統(tǒng)都變得愈發(fā)復(fù)雜。

為了有效管理復(fù)雜系統(tǒng)，德國在工業(yè)4.0平臺下成立工作組專門處理與建模管理復(fù)雜系統(tǒng)有關(guān)的問題，特別是在制造工程領(lǐng)域。首先瞄準(zhǔn)建模領(lǐng)域最迫切的需求進(jìn)行有代表性的調(diào)查，將學(xué)科領(lǐng)域范圍縮小;并在從業(yè)者和決策者中宣傳建模的重要性，建立旗艦項目對現(xiàn)有的建模方法和工具進(jìn)行測試，說明在不同情景下建模的價值，并在企業(yè)間進(jìn)行最佳實踐的共享。除平臺活動外，在建模和系統(tǒng)工程方面提供有針對性的培訓(xùn)和持續(xù)的職業(yè)指導(dǎo)。建模是復(fù)雜性管理的一種有效手段。因為模型通常有格式化的描述，這意味著可以通過計算機(jī)來完成計算和其他重復(fù)性工作，使之前用模具完成的工作可以通過數(shù)字仿真完成。因此，開發(fā)規(guī)劃和解釋性模型為管理復(fù)雜數(shù)據(jù)和復(fù)雜系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。規(guī)劃模型把基于產(chǎn)品的設(shè)計、工藝、制造、維護(hù)的流程固化，使復(fù)雜系統(tǒng)建立成為可能;解釋模型通過更加智能的仿真等數(shù)據(jù)分析方法，優(yōu)化決策分析、有效管理能耗等。

3.平臺與網(wǎng)絡(luò)生態(tài)建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)層提供了開放而靈活的環(huán)境，讓組織能打破傳統(tǒng)運營邊界，將之前分散的網(wǎng)絡(luò)組合起來，通過云計算和平臺創(chuàng)造新的客戶體驗、關(guān)系和組織形態(tài)[40-41]。這個過程要經(jīng)歷從交易流程到知識網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，對商業(yè)范圍、商業(yè)邏輯和商業(yè)模式產(chǎn)生直接影響，也會產(chǎn)生新的分配方式。這個階段企業(yè)和產(chǎn)業(yè)的集成活動在三個維度逐步展開：第一，企業(yè)內(nèi)部制造體系的縱向集成?？v向集成針對企業(yè)邊界內(nèi)的各種IT系統(tǒng)集成而言，企業(yè)可以通過不同層次的IT系統(tǒng)集成實現(xiàn)內(nèi)部效率的提升，提高企業(yè)生產(chǎn)的靈活性，提升競爭優(yōu)勢。在未來智能工廠中，生產(chǎn)流程不會預(yù)先限定或固定，而是根據(jù)個性化需求定制一組結(jié)構(gòu)化模塊，并依據(jù)生產(chǎn)需要自動塑造涵蓋模型、數(shù)據(jù)、通信、算法在內(nèi)的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[42]，固定的生產(chǎn)線在這種集成方式下將陸續(xù)被淘汰。第二，實現(xiàn)從客戶到廠商的端到端數(shù)字化價值鏈集成。這是指在所有終端實現(xiàn)數(shù)字化，通過信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用打破企業(yè)邊界，加速產(chǎn)業(yè)鏈的信息流通。此時，顧客能在價值鏈環(huán)節(jié)上隨時參與選擇與決策。例如，蘋果通過端到端集成打通產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)對產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、制造、銷售和服務(wù)各環(huán)節(jié)的有效控制，實現(xiàn)了最佳產(chǎn)品體驗。第三，實現(xiàn)不同企業(yè)間的橫向集成。這個維度是指價值鏈各參與主體利用智能化技術(shù)，打破原有企業(yè)邊界之間的屏障，實現(xiàn)相互之間的信息共享和生產(chǎn)協(xié)同，提供包括定制生產(chǎn)、維修養(yǎng)護(hù)在內(nèi)的產(chǎn)品和服務(wù)[43]。這是智能化技術(shù)驅(qū)動的一種資源整合，關(guān)注價值鏈的某一環(huán)節(jié)，探討如何利用和組合企業(yè)間的互補(bǔ)性資源，如技術(shù)、品牌、流量、知識、資金和人才等，以降低供應(yīng)鏈上下游成本和信息共享為主要目標(biāo)[44]。在這種環(huán)境下，功能集成的方向在于依靠智能化網(wǎng)絡(luò)妥善處理企業(yè)間在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造和經(jīng)營管理等方面的信息傳送、生產(chǎn)柔性等一系列問題。需要注意的是，盡管不同企業(yè)存在橫向集成，但同時也存在分工，各企業(yè)專注于發(fā)展自身的核心技術(shù)和能力，因此，供應(yīng)鏈橫向集成效率的提高和參與企業(yè)專業(yè)分工的深化有助于提升整體競爭力和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的形成，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

德國制造企業(yè)存在于密集的企業(yè)合作網(wǎng)中，通過技術(shù)轉(zhuǎn)讓、工業(yè)擴(kuò)展、技術(shù)范圍設(shè)定、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立以及技術(shù)培訓(xùn)，各行業(yè)的企業(yè)間可進(jìn)行水平與垂直化協(xié)同，德國實現(xiàn)高品質(zhì)產(chǎn)品戰(zhàn)略依賴于在企業(yè)間（包括供應(yīng)商、客戶、競爭對手）構(gòu)建契約關(guān)系的能力，借由技術(shù)交流，實現(xiàn)對機(jī)械和生產(chǎn)流程的共同開發(fā)、改變及量身定制。這些活動涉及企業(yè)間商業(yè)信息的交換，為保證公平，對交換進(jìn)行獨立監(jiān)管尤為重要。德國有一系列機(jī)構(gòu)組織來保證項目的實施，包括銀行、專業(yè)工程聯(lián)盟、商會和德國工商聯(lián)合會（IHK）。

同時，德國數(shù)字化平臺上進(jìn)行的商務(wù)貿(mào)易都建立在堅實可靠的法律基礎(chǔ)上，自然人和法人的貿(mào)易規(guī)則都有明確規(guī)定。在智能服務(wù)世界中，人、機(jī)構(gòu)和工件都具備可檢測、可認(rèn)證的身份標(biāo)識，并要提供由權(quán)威安全部門發(fā)出的類似銀行卡、準(zhǔn)入卡、硬件模塊等物件。這些物件可以提高用戶對身份和交易的控制，以及獲取用戶的信任[1]。2017年4月，德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)與能源部推出第一版工業(yè)4.0法律架構(gòu)“Ju-RAMI 4.0”[45]，為企業(yè)提供法律指引，促進(jìn)新秩序的建立。這個法律框架在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）基礎(chǔ)上增加法律維度構(gòu)建而成，本質(zhì)上是一款交互式在線法律指引工具，通過不斷完善互動網(wǎng)頁，讓用戶僅通過點擊鼠標(biāo)就能輕易了解工業(yè)4.0技術(shù)和法律關(guān)系。德國將市場監(jiān)管政策作為法律框架的補(bǔ)充，主要手段是通過“試驗空間”對商業(yè)創(chuàng)新進(jìn)行審查。這些試驗空間將創(chuàng)新測試和監(jiān)管工具相結(jié)合，基于真實的市場條件，在一個實驗性法律框架下進(jìn)行，讓試驗空間成為創(chuàng)新和監(jiān)管的對接點，檢驗現(xiàn)有法規(guī)的適用性、探索新法規(guī)的改善方向，同時檢驗新實驗室和新技術(shù)的價值。德國還從數(shù)字化視角審查國家法律框架，建議制定數(shù)字化法，重點研究包含開放競爭、公平競爭、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)主權(quán)以及歐洲協(xié)調(diào)的五項原則[46]。

（1）數(shù)字映射能力。寶馬在每個流程都實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集來實現(xiàn)數(shù)字映射。從生產(chǎn)過程來看，在萊比錫工廠的裝配車間中，機(jī)器人數(shù)量達(dá)到700臺，幾乎看不到人工。工廠各處布滿物聯(lián)網(wǎng)傳感器，收集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)和參數(shù)。從配送過程來看，供應(yīng)鏈采用智能物流，對貨物在全球物流鏈中的確切位置進(jìn)行實時定位，提高供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的透明度和靈活性，適應(yīng)不斷變化的物流和生產(chǎn)需求。在工廠建設(shè)中，也使用特殊的三維掃描儀和高分辨率的照相機(jī)，快速完成對工廠的測量，便于日后進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)施調(diào)整時的規(guī)劃，無需再費力進(jìn)行CAD建模和人工測量。

（2）資源集成能力。寶馬集成海量數(shù)據(jù)建立全生產(chǎn)周期的數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行資源集成。通過對零部件供給流程和元器件生產(chǎn)過程的自動化數(shù)據(jù)分析，幫助工廠監(jiān)控整個生產(chǎn)過程，保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在分析標(biāo)準(zhǔn)工藝曲線時，會評估整個流程相關(guān)聯(lián)的螺絲釘數(shù)據(jù)，修正與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，防止加工誤操作等。寶馬對工廠進(jìn)行模擬仿真，建立三維生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)庫。數(shù)字化工廠可以為快速、靈活的調(diào)整生產(chǎn)提供精準(zhǔn)、全面的實時數(shù)據(jù)庫。工廠的任何空間變動，都能在數(shù)字平臺進(jìn)行直接模擬和評估。例如：勞斯萊斯工廠借助3D掃描儀和高精度的數(shù)碼相機(jī)，僅用一個周末就完成了準(zhǔn)確到2毫米內(nèi)的精密測量，這是全球第一個用于生產(chǎn)規(guī)劃的三維工廠模型。

（3）價值共創(chuàng)能力。寶馬利用CPS不僅能做到多種車型按訂單生產(chǎn)和混線生產(chǎn)，而且能在不損失生產(chǎn)節(jié)拍和品質(zhì)的前提下，滿足每臺車型的定制化需求，實現(xiàn)與客戶的價值共創(chuàng)。寶馬基于智能儀表打造的智能化動力數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，能實時記錄生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)器人的能耗，并將數(shù)據(jù)上傳到寶馬信息技術(shù)大數(shù)據(jù)中心進(jìn)行記錄和分析，識別出過度消耗的偏差值，預(yù)防個別生產(chǎn)設(shè)備和機(jī)器人損毀，確保了車輛品質(zhì)。同時，在生產(chǎn)中寶馬借助CPS簡化工序，輔助工人執(zhí)行任務(wù)。寶馬的智能手表可以預(yù)先提示工人流水帶上車輛的特殊需求。手表顯示屏亮起并發(fā)出振動預(yù)警，提醒工人下一道工序的注意事項，如安裝螺絲數(shù)量的差異。2013年寶馬開發(fā)了輕型機(jī)器人與工人協(xié)同工作（例如安裝車門內(nèi)部的隔音材料、噴涂擋風(fēng)玻璃粘合劑等），采用手勢控制機(jī)器人的測試工作，通過人性化交互方式實現(xiàn)工人對機(jī)器人的控制，創(chuàng)造更自然的人機(jī)工作環(huán)境。

2.西門子的數(shù)字化轉(zhuǎn)型實踐

作為德國工業(yè)4.0的主要提出者之一，西門子是目前唯一能夠運用技術(shù)將現(xiàn)實和虛擬生產(chǎn)過程相結(jié)合的企業(yè)，旗下的安貝格電子工廠是歐洲乃至全球最先進(jìn)的數(shù)字化工廠，被認(rèn)為是最接近工業(yè)4.0概念雛形的工廠。該工廠每年向全球250家供應(yīng)商采購約1萬種原材料，生產(chǎn)約1 000個品種共計1 200萬件工業(yè)控制產(chǎn)品，平均每秒就能生產(chǎn)出一件產(chǎn)品。雖然整個生產(chǎn)流程的復(fù)雜性遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)工廠的能力范圍，但卻保證了生產(chǎn)線極高的可靠性，百萬件缺陷僅為15件（按百分比計算近乎于零），缺陷率僅為德國工人的4%[48]。西門子圍繞CPS實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的具體實踐如下。

（1）數(shù)字映射能力。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，安貝格工廠將傳感器、存儲裝置、微型化處理器和發(fā)送器幾乎嵌入所有原材料、半成品和機(jī)器，以及用于組織數(shù)據(jù)流的智能工具和新型軟件中。工廠的每件產(chǎn)品都有自己在研發(fā)、生產(chǎn)、物流等各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，實時保存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺中。這些基礎(chǔ)識別信息包括：哪條生產(chǎn)線生產(chǎn)的、生產(chǎn)材質(zhì)、扭矩大小、螺絲釘型號等。基于這一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)實現(xiàn)信息無縫互聯(lián)[49]。

（2）資源集成能力。安貝格工廠通過構(gòu)建虛擬工廠實現(xiàn)資源集成，將工藝規(guī)劃與工程化、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)劃與工程化、仿真優(yōu)化及驗證全部實現(xiàn)數(shù)字化，真實工廠生產(chǎn)的數(shù)據(jù)參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境等都會通過虛擬工廠反映出來，達(dá)到實體與數(shù)字信息同步，設(shè)計、制造、調(diào)試信息一體化聯(lián)動。例如，研發(fā)設(shè)計部門把虛擬的研發(fā)產(chǎn)品同步給生產(chǎn)部門來生產(chǎn)，并時刻保持著協(xié)調(diào)的一致性。從設(shè)計研發(fā)到生產(chǎn)制造的過程中，還借助CPS采集零部件與加工信息，并反饋給制造執(zhí)行系統(tǒng)，形成信息閉環(huán)。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題或需要調(diào)整時，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計與生產(chǎn)的同步更新。物流環(huán)節(jié)，安貝格工廠的生產(chǎn)系統(tǒng)與公司的ERP系統(tǒng)無縫對接，當(dāng)某一訂單生產(chǎn)完最后一個產(chǎn)品時，該訂單將會在ERP系統(tǒng)中改變訂單狀態(tài)——生產(chǎn)完畢，成品就直接發(fā)貨運走，工廠里沒有成品倉庫。

（3）價值共創(chuàng)能力。安貝格工廠基于平臺的海量數(shù)據(jù)，利用智能技術(shù)進(jìn)行解析和仿真，進(jìn)而通過虛擬工廠對真實工廠進(jìn)行把控。在這個過程中，員工最為重要的作用是提出改進(jìn)意見，參與價值的共同創(chuàng)造。這些改進(jìn)意見對工廠年生產(chǎn)力增長的貢獻(xiàn)率達(dá)40%，剩余60%源于基礎(chǔ)設(shè)施投資，包括購置新裝配線和用創(chuàng)新方法改造物流設(shè)備。借助大數(shù)據(jù)分析可以挖出生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的短板，找到需要提高效率的區(qū)域。在生產(chǎn)控制和執(zhí)行環(huán)節(jié)，西門子通過機(jī)器人的仿真模擬就能完成測試任務(wù)，在投產(chǎn)前驗證整個生產(chǎn)系統(tǒng)，順利過渡到生產(chǎn)階段。根據(jù)生產(chǎn)工藝的實際情況，安貝格工廠也會投入人力資源進(jìn)行支撐，主要參與確保物料、設(shè)備、產(chǎn)品檢驗等工作。例如，當(dāng)生產(chǎn)需要某種原材料時，系統(tǒng)會發(fā)出提示，工人通過掃描原材料樣品將條碼信息傳輸?shù)阶詣踊瘋}庫，系統(tǒng)會發(fā)出指令讓自動化物流系統(tǒng)去倉庫的指定位置取件，然后通過自動升降機(jī)傳送至生產(chǎn)線。

三、德國經(jīng)驗的啟示

在全球再工業(yè)化與制造業(yè)回歸的背景下，CPS正在成為各國搶占新一輪制造業(yè)國際競爭的制高點。中國作為世界制造大國，如何在未來的技術(shù)轉(zhuǎn)型中發(fā)展成為制造強(qiáng)國，是政府、學(xué)界和企業(yè)界都非常關(guān)注的問題。當(dāng)前，中國制造業(yè)大而不強(qiáng)，面臨著核心技術(shù)缺乏、自主創(chuàng)新能力不足、產(chǎn)品質(zhì)量低下、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)薄弱、產(chǎn)業(yè)協(xié)同不緊密等問題，在數(shù)字化、精密化和核心技術(shù)的掌控等方面與發(fā)達(dá)國家存在較大差距[20]。因此，在發(fā)展CPS架構(gòu)中，中國制造業(yè)應(yīng)針對性地集中力量在基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)（如智能傳感技術(shù)、智能感知元器件、智能檢測裝備等）、精密化制造設(shè)備（如高端數(shù)控機(jī)床、增材制造裝備、工業(yè)機(jī)器人等）和搭建標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)業(yè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)云服務(wù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺）幾方面，以實現(xiàn)制造業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的突破[20]。

（一）中德制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的能力構(gòu)建重點不同

中國當(dāng)前的能力構(gòu)建集中在數(shù)字映射能力和資源集成能力上[50]。這與我國的制造業(yè)基礎(chǔ)相對薄弱、制造業(yè)規(guī)模巨大有關(guān)，只有將基礎(chǔ)建設(shè)好，才有制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的空間。數(shù)字映射能力是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)能力，也是構(gòu)建最漫長的階段。從生產(chǎn)端的機(jī)器裝備到用戶端的穿戴設(shè)備，制造業(yè)對實體空間對象的資源液化需要相當(dāng)長的時間積累。德國的重點是資源集成能力[1]。資源集成能力是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，其不僅打破了各主體之間的時空界限和信息鴻溝，而且創(chuàng)造了生態(tài)中各種資源聚集交互協(xié)同的機(jī)會。通過網(wǎng)絡(luò)空間實現(xiàn)對操縱型資源與對象型資源的整合利用，驅(qū)動不同主體之間的信息共享與業(yè)務(wù)協(xié)同，才能促進(jìn)企業(yè)之間、企業(yè)與消費者之間實現(xiàn)價值共創(chuàng)能力，滿足個性化的、多變的客戶需求。德國制造業(yè)有非常良好的工業(yè)基礎(chǔ)，企業(yè)信息化和數(shù)字化進(jìn)程迅速。因此，它需要通過工業(yè)4.0戰(zhàn)略有效地實現(xiàn)服務(wù)于客戶的資源集成，支持德國工業(yè)高效服務(wù)于全球市場，確保德國制造業(yè)的核心競爭力。

（二）兩國政府發(fā)揮戰(zhàn)略引導(dǎo)作用

在推進(jìn)工業(yè)4.0的過程中，中國和德國政府都發(fā)揮了戰(zhàn)略引領(lǐng)和推動轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵作用。自2015年起，中國國務(wù)院、工信部、發(fā)改委等主要政府機(jī)構(gòu)，圍繞“中國制造2025”戰(zhàn)略先后啟動了三批智能制造試點示范項目，發(fā)布了《智能制造發(fā)展規(guī)劃20162020年》和《中國制造2025》（“1+X”）規(guī)劃體系，“1”是指《中國制造2025》，“X”是指11個配套的實施指南、行動指南和發(fā)展規(guī)劃指南，為制造業(yè)整體轉(zhuǎn)型升級奠定了基礎(chǔ)。2017年11月，國務(wù)院啟動了“中國制造2025”國家級示范區(qū)創(chuàng)建工作。

德國政府自2009年起，依托傳統(tǒng)制造業(yè)優(yōu)勢，將傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù)與先進(jìn)的技術(shù)、完善的解決方案相結(jié)合，將實體空間的優(yōu)勢拓展到網(wǎng)絡(luò)空間，確立工業(yè)4.0國家戰(zhàn)略。德國工業(yè)4.0工作組、國家科學(xué)與工程院、電氣電工信息技術(shù)委員會等政府機(jī)構(gòu)，圍繞“工業(yè)4.0”發(fā)布12個主要的推進(jìn)政策，涵蓋了CPS、智能服務(wù)、數(shù)字化發(fā)展等多個維度。德國政府在“工業(yè)4.0”的推進(jìn)上，有兩方面最值得中國借鑒：

第一，創(chuàng)新平臺的戰(zhàn)略價值。德國政府采用平臺化機(jī)制自上而下推動“工業(yè)4.0平臺”作為德國工業(yè)4.0的中樞機(jī)構(gòu)整體負(fù)責(zé)工業(yè)4.0的戰(zhàn)略研究、戰(zhàn)術(shù)發(fā)展和協(xié)調(diào)工作。2015年4月德國發(fā)布了《德國工業(yè)4.0實施戰(zhàn)略報告》，明確提出了未來的17項任務(wù)和工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）。2015年11月，正式推出“工業(yè)4.0平臺地圖”，在這份虛擬地圖上清晰地標(biāo)注了遍布德國各地的250個應(yīng)用實例和試驗點，展示了當(dāng)下數(shù)字化生產(chǎn)帶來的可能性以及投資數(shù)字化改造的價值。此外，平臺還開設(shè)工業(yè)4.0在線圖書館，不斷更新包含工業(yè)4.0所有主題的數(shù)據(jù)庫，包含平臺五大工作組的研究成果、戰(zhàn)略文獻(xiàn)以及合作伙伴的案例學(xué)習(xí)。同時，設(shè)立工業(yè)4.0測試臺（Test Bed），將理論知識應(yīng)用到實踐。測試平臺分布在德國各大高校與科研中心，通過聯(lián)網(wǎng)可以進(jìn)行分布式生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)程的模擬仿真。

德國的智能服務(wù)實施平臺和智能服務(wù)創(chuàng)新平臺直接服務(wù)于制造型企業(yè)的服務(wù)轉(zhuǎn)型，平臺對任何規(guī)模、行業(yè)和特定的國際企業(yè)保持開放，為其數(shù)字化平臺和組件提供跨企業(yè)的前期試驗和原型，一旦試驗成功，可以快速發(fā)展為不同行業(yè)、企業(yè)協(xié)作和分享的智能服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，成為制造業(yè)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的孵化器。在這個過程中，政府與企業(yè)、研究團(tuán)體、社會合作伙伴以及民間團(tuán)體之間有機(jī)會保持密切交流與溝通，特別關(guān)注中小企業(yè)的發(fā)展，同時對政策調(diào)整和機(jī)制優(yōu)化創(chuàng)造條件。

第二，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。德國將標(biāo)準(zhǔn)化作為工業(yè)4.0戰(zhàn)略實施的第一優(yōu)先行動領(lǐng)域。2013年底，發(fā)布《德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化路線圖》，為工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)制定提供了概覽和規(guī)劃基礎(chǔ)，在參考體系結(jié)構(gòu)、用例、術(shù)語與模型、技術(shù)流程等12個領(lǐng)域提出具體建議[51]。2015年提出工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0），以分層結(jié)構(gòu)的方式將生命周期和價值鏈結(jié)合來定義工業(yè)4.0組件，為描述和實施智能制造奠定基礎(chǔ)。德國通過建立“工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化理事會”，旨在提出工業(yè)4.0數(shù)字化產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并協(xié)調(diào)其在德國和全球范圍內(nèi)落地，希望通過主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程引領(lǐng)全球工業(yè)4.0發(fā)展。智能制造的標(biāo)準(zhǔn)體系是未來全球爭奪焦點，掌握引導(dǎo)行業(yè)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)就擁有了占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈高端的機(jī)會，中國必須加快行動。

隨著全球制造業(yè)發(fā)展格局的深刻變化，中國正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，受到高端制造業(yè)向發(fā)達(dá)國家回流，低端制造業(yè)向低成本國家轉(zhuǎn)移的雙重擠壓。同時，中國工業(yè)自動化和數(shù)字化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家，制造業(yè)企業(yè)之間的發(fā)展水平參差不齊。在新一輪的國際競爭中，中國企業(yè)面臨的壓力與挑戰(zhàn)比德國企業(yè)更大：在實體層面，中國企業(yè)面臨著傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的艱難挑戰(zhàn)，在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)含量、運營體系和品牌建設(shè)上與德國企業(yè)有較大差距;在網(wǎng)絡(luò)層面，雖然我國的消費類互聯(lián)網(wǎng)近年來得到很大發(fā)展，但在企業(yè)、產(chǎn)業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域與德國仍有很大距離。但與此同時，目前工業(yè)生產(chǎn)的顛覆性革命對中國來說，也是一個在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上追趕上發(fā)達(dá)國家的絕佳機(jī)遇。

四、研究局限與未來展望

本研究的局限性主要體現(xiàn)在，經(jīng)過系統(tǒng)的文獻(xiàn)檢索，從理論上看，世界主要工業(yè)國家對數(shù)字化戰(zhàn)略能力的構(gòu)建較多集中在政策層面和技術(shù)層面，學(xué)術(shù)層面的理論研究和分析框架相對不足，這給研究的理論體系梳理和構(gòu)建帶來了一定的困難。但是，鑒于數(shù)字化戰(zhàn)略能力構(gòu)建課題的重要性，本文試圖借助CPS架構(gòu)的社會技術(shù)體系拓展，來分析德國政策的發(fā)展脈絡(luò)與管理舉措，這有一定的創(chuàng)新性，但同時又可能是不夠成熟和完整的。為了推進(jìn)和深化這一領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究，我們愿意拋磚引玉，引發(fā)學(xué)者和政策制定者們深化和拓展對這一領(lǐng)域的研究。

從未來發(fā)展趨勢看，德國的經(jīng)驗仍然值得我們高度關(guān)注。2019年，德國工業(yè)比重占GDP的23%，德國計劃到2030年，工業(yè)比重將增加到25%[52]。這意味著德國將在電子、汽車、機(jī)械領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展新一代數(shù)字化技術(shù)，特別是人工智能、云計算和移動技術(shù)的應(yīng)用，以推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)4.0步伐。目前，德國對保有其傳統(tǒng)優(yōu)勢有著很大的危機(jī)感，特別是在顛覆式創(chuàng)新和創(chuàng)新速度方面擔(dān)憂落后于美國和中國。一方面，歐洲年輕的數(shù)字初創(chuàng)企業(yè)遷往美國尋求風(fēng)險融資;另一方面，中國的智能制造（特別是電池行業(yè)）的發(fā)展，又影響著德國在全球價值鏈上的競爭地位和獲取高附加值的機(jī)會。為了形成更強(qiáng)有力的歐洲制造業(yè)競爭力，德國推動歐盟修訂政策，鼓勵企業(yè)之間的并購，通過政策、歐盟協(xié)調(diào)機(jī)制和管理體系的優(yōu)化和改善，進(jìn)一步強(qiáng)化德國在全球工業(yè)競爭中的數(shù)字化能力建設(shè)。德國工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展與實踐，仍然值得我們高度學(xué)習(xí)和關(guān)注。

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German Industry 4.0 Management System and TransformationEnlightenment： The Construction of Strategic Capabilities Basedon CPS Architecture

DONG Xiaoying1， HU Yanni2， DAI Yishu3， YE Lisha1

（1.Guanghua School of Management， Peking University， Beijing 100871， China;

2.Digital Economy ResearchInstitute， China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China;

3.School of Computer and Information Engineering， Beijing Technology and Business University， Beijing 100048， China）

Abstract：

In the context of global re-industrialization， cyber physical systems （CPS） has become the key to develop manufacturing industries. This paper takes the theoretical perspective of Service Dominant Logic to interpret the three-level strategic capabilities construction of CPS， which are digital mapping capability， resource integration capability and value creation capability， based on its technology architecture. Besides， this paper addresses the management challenges in the capability construction with German Industry 4.0 management system including government and manufacturing enterprises. The study finds that China and Germany have different emphasis on the capability construction. China is concerned with digital mapping capability and resource integration capability， while Germany is focusing on the deployment of resource integration capability. Both governments have played a strategic guiding role in the advancement of Industry 4.0. It is worth learning from Germany in the development of innovation platforms and related standards.

Keywords：

cyber physical systems; service dominant logic; Industry 4.0; manufacturing industry transformation; strategic capabilities