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    图书在版编目(CIP)数据

    重构：数字化转型的逻辑安筱鹏著. —北京：电子工业出版

    社，2019.3

    ISBN 978-7-121-35909-5

    Ⅰ.①重… Ⅱ.①安… Ⅲ.①智能制造系统—制造工业—研究

    Ⅳ.①F407.4

    中国版本图书馆CIP数据核字(2019)第004221号

    策划编辑：董亚峰

    责任编辑：刘小琳 特约编辑：白天明 李丹

    印刷：

    装订：

    出版发行：电子工业出版社

    北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036

    开本：710×1 000 116 印张：20.5 字数：294千字

    版次：2019年3月第1版

    印次：2019年3月第1次印刷

    定价：79.00元

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    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com序一

    制造业是经济发展的脊梁，制造业是大国崛起的支柱。

    自工业革命以来，制造业已成为科学和技术进步成果的主要

    载体，制造业已成为创新的重要发源地。

    300多年科学技术和产业的发展，积累了一场新的变革，似

    乎这场变革依然选择了制造业为试验场。

    这场变革，肇始于信息技术，从通用目的技术向大众技术转

    变，信息资源从理论概念转变为渗透到经济社会发展所有领域、各个环节不可须臾或缺的基本要素。

    这场变革发轫于感知、物联、移动，大数据、人工智能这些

    信息技术新领域推动了比特与原子的融合，信息技术和工业技术

    的融合，工业基础设施与信息基础设施的融合。融合的新技术体

    系和基础设施，有能力改变工业革命以来形成的产业形态、技术

    路径、商业模式。

    这场变革加速于2008年金融危机。金融危机的发生推动了学

    术界、产业界、政界的思考，为什么，走向何方，如何在变革中

    保持企业和国家的竞争力？

    这场变革来得如此迅猛、广泛和深刻。2008年，全球市值前

    5名没有一家互联网公司；2018年，前5名被互联网企业包揽。网

    络跨越了国界，渗透到经济、社会、军事、文化、生活的各个角

    落，咿呀学语的幼童会用手机、行动不便的老人用手机购买服

    务。知识普及、能力提升以从来没有过的速度前行，从物质产品

    匮乏到大规模产能过剩，中国只用了40年时间。

    制造业正在系统经历由此带来的变革。先进制造业、智能制

    造、工业4.0、互联网+制造、工业互联网、两化深度融合、数字

    化转型、网络制造、绿色制造、极限制造、柔性制造、定制生

    产、循环制造、数字制造，制造业历史上从来没有像今天一样，在短短的时间内，为如此多的技术、概念、模式包围。

    制造业正在尝试突出重围、引领变革。一道道工艺、一个个产品、一条条生产线、一个个企业、一串串供应链正在将数字、技术、平台融合，从相对落后的昨天，向网络化、数字化、智能

    化的明天转变；感知、物联、数字孪生、信息物理系统正以制造

    业的实践诠释数字如何与原子融合，工业技术、信息技术、智能

    技术融合起来为制造业带来了更高的效率。这些探索，为经济社

    会各个领域在新技术体系下的发展，提供了参考模板。

    安筱鹏博士以官员的身份观察、推动这场变革，以学者的睿

    智思考、归纳这场变革。其近作《重构：数字化转型的逻辑》一

    书，正是这种双重视野的结晶。

    全书共三个部分，从智能制造、工业互联网、数字经济出

    发，以经典的实例为引导，以经济学理论为根基，对变革的技术

    特征、路径特征、商业模式特征、理论特征做了系统而又具体地

    分析和总结，不失为关注、参与到这场变革中的学者、技术人

    员、企业家、政府官员一本难得的参考读物。

    杨学山

    2018年10月31日

    于北京到福州的航班上

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com序二

    当前，新一代信息技术、新材料技术、新能源技术正在带动

    群体性技术突破，新的商业组织形态和商业模式层出不穷。特别

    是新一代信息技术和先进制造技术深度融合，柔性制造、网络制

    造、智能制造日益成为全球制造业发展的重要方向。我国是制造

    业大国，也是互联网大国，拥有完备的产业体系、坚实的制造基

    础和吸收新技术的巨大国内市场，在新兴科技和产业领域已取得

    一定突破，具有抓住这次科技和产业革命机遇的有利条件。面对

    这一新的历史机遇，我们必须牢牢把握技术变革的内在发展规

    律，顺势而为、前瞻部署，抢占新一轮产业竞争的制高点。

    回顾工业革命近三百多年发展史，每次技术变革都将带来社

    会生产过程确定性的大幅提高，从提高动力输出确定性的内燃

    机，到提高产品精度确定性的可编程逻辑控制器，再到提高企业

    管理运营确定性的软件系统，确定性是不变的追求。而每次确定

    性的提升都伴随着更大范围不确定性的涌现，不确定性是永恒的

    主题。近几年来，随着工业互联网的蓬勃发展，产品、机器、数

    据等实现互联互通和综合集成，促进设备运行、车间配送、企业

    生产、市场需求之间的实时信息交互，原材料供应、零部件生

    产、产品集成组装等全生产过程变得更加精准协同。同时，个性

    化定制、网络化协同、智能化生产、服务化延伸等新模式、新业

    态的涌现为制造业带来了更大范围、更深层次、更广领域的复杂

    不确定性，也为社会生产发展提供了更多的路径选择。

    在新一轮产业革命背景下，万物互联、数据驱动、软件定

    义、平台支撑、智能主导的发展特征日益凸显，数据已成为这个

    时代的核心资源。基于数据的生产，将推动制造业智能化升级。

    如果说传统的自动化、数字化、网络化给生产制造提供了“肢

    体”“感官”和“神经”，大数据和人工智能的应用则给生产制造配上

    了“大脑”，使之能灵活应对各种业务场景，实现真正的智能。通

    过整合、分析制造设备数据、产品数据、订单数据及生产过程中

    产生的数据，能够使生产控制更加及时准确，生产制造的协同度和柔性化水平显著增强。基于数据的决策，将增强制造业管理能

    力。推动跨行业、跨区域创新组织的建立和协同设计、电子商

    务、众包众创等新模式的发展，增强制造企业的管理能力。基于

    数据的运营，将加快制造业服务化进程。推动企业业务从产品生

    产销售，向生产型服务领域延伸，发展模式从围绕产品生产销售

    提供售后服务，转为围绕提供持续服务进行产品设计，主要利润

    来源从产品制造与销售环节，转为售后的生产型服务环节。基于

    数据的创新，将催生新产品、新模式、新业态。我国拥有巨大的

    消费市场和多样化的消费需求，将大数据融入到可穿戴设备、家

    居产品、汽车产品的功能开发中，能够推动技术产品的跨越式创

    新，形成智能可穿戴设备、智能家居、智能网联汽车等制造业发

    展新领域，有助于抢占制造业新的增长点和制高点。

    《重构：数字化转型的逻辑》一书，是安筱鹏博士对多年信

    息化工作经验的系统梳理和升华，作者从技术、产业、经济、哲

    学等多个视角审视制造业数字化转型内在机理，在眼花缭乱的概

    念丛林中剥离出一条新工业革命的发展路径——从智能制造到工

    业互联网，在确定性与不确定性之间，找到了属于这个时代的决

    策逻辑——“数据+算法”。这是一本有思想、有内涵、有价值的

    读物，值得细细品读。

    罗文

    工业和信息化部副部长

    2018年11月16日

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com序三

    冷静思考复杂环境下中国制造业转型升级的方向与路径

    在当前的环境下，研究实体经济特别是制造业的转型发展，显得尤为重要。一方面，经过多年的实践摸索，很多企业找到了

    方向和路径，成绩很显著，但从总体来看，前景困难重重，不容

    乐观，道阻且长；另一方面，全球产业竞争日趋激烈，知识产权

    纠纷更加突出，贸易保护主义盛行，中国制造业面临的环境复杂

    而艰难。过去30年，我一直重点关注中国制造业的发展，为此我

    认为，要特别重视三个问题。

    第一个问题，是审视我国制造业的真实状况。改革开放40

    年，最大的成就体现在我国制造业的发展上，我们已经是世界公

    认的制造大国。但是，同时要承认，我们不是制造强国，甚至仍

    处于全球制造业的第三梯队。尤其需要重视的是，在新一轮工业

    革命的背景下，中国制造业的数字化、网络化、智能化发展与先

    进国家比仍显落后。正如本书披露的，2016年，数字经济在全球

    发达国家GDP的比重达50%左右，而中国刚过30%。制造业是根

    本，很遗憾我们在前些年某种程度地偏离了这个根本，现在纠偏

    的意义重大，时机刻不容缓。

    第二个问题，是我们要取什么方向，走什么路径。本书为这

    个问题提供了一个详尽的蓝图，主要经历体系重构、动力变革、范式迁移的蜕变与涅槃；以互联网、大数据、人工智能的精准动

    态思维取代传统制造的冗余思维；以数据的自动流动化解复杂系

    统的不确定性，实现传统制造的转型升级；再从智能制造阶段迈

    入工业互联网阶段。感兴趣的读者可以仔细研读本书。

    第三个问题，是如何处理前进过程中的各种关系。近年来，中美关于贸易规则、知识产权、产业竞争等纠纷不断，背后潜藏

    着更深层矛盾，如何走出困境，需要的不仅仅是技巧与耐性。相

    比于外部关系，内部关系需要给予更多关注。制造业的地位、制

    造业与虚拟产业的关系、制造业与服务业的关系、国企的改革与

    民企的未来、产权的保护和法治的建设、政府与企业的角色定位、改革开放的稳定预期等，如果不能理顺，如果没有“一百年

    不变”的魄力和决心，就难以开创下一个辉煌的历程。如果有预

    期、有决心，困难算什么？改革开放40年不就是从困难中走过来

    的吗？

    让我感到振奋的是，这三个问题，本书都有很好的探讨，而

    且很多探讨是可以直接付诸实践的。在当前内外部环境错综复杂

    的情况下，中国制造业转型发展的方向和路径是什么，作者对这

    个重要议题的表达，全面准确、逻辑严密、直击本质，值得我们

    静下心来好好读一读。

    陈春花

    北京大学王宽诚讲席教授

    国家发展研究院BiMBA院长

    2018年12月于朗润园

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com推荐语

    《重构：数字化转型的逻辑》一书从理论与实践、技术与经

    济、宏观与微观等不同视角，系统梳理了一系列新技术、新概

    念、新业态背后数字化转型的技术逻辑、经济逻辑和商业逻辑，全面阐释了ICT推进制造业等实体经济转型的内在机理，深入分

    析了在当今全球数字化转型大背景下技术、产业变革的方向和趋

    势。作者多年从事ICT技术、产业、政策研究和制定工作，具有

    权威的专业知识和扎实的实践经验，提出的一系列具有思想性、前瞻性、启发性的新概念、新判断，对于产业界、学术界从事数

    字化转型探索和研究的人员多有裨益。

    ——曹淑敏(北京航空航天大学党委书记)

    高红冰：安筱鹏博士，是一位学者型的官员，更是一位有官

    员经历的产业革命研究者。本书紧扣产业前沿和实践，全面摒弃

    IT数字化转型的旧思想，深入地揭示了数字化转型的逻辑，其本

    质是技术革新下的商业与产业重构，是在互联网开放共享互操作

    的环境下，软件(算法)、数据、云计算重新定义的价值链、新

    分工体系和决策系统。

    ——高红冰：阿里巴巴集团副总裁，阿里研究院院长

    数字化是信息社会最鲜明也是最本质的特征，它已经深入人

    类生产生活的方方面面。本书从产品设计到售后服务的全流程、从底层加工平台到商业模式全方位深刻地改造和重塑制造业等各

    环节，系统介绍了数字化的引领作用。作者在信息化领域有系统

    研究和长期积累，还有参与政策制定的丰富经验，对中国制造业

    数字化转型的独特路径和发展前景的分析与判断很有说服力，使

    我们对我国通过数字化转型实现从制造业大国向制造业强国的成

    功转变充满信心。

    ——高世楫(国家信息化专家咨询委员会委员、国务院发展

    研究中心资源与环境政策研究所所长)

    安筱鹏博士探索数字化的基本逻辑，接触到了数字化的本体，而不止是末用。其内在的逻辑是以数据的自动流动化解复杂

    系统的不确定性。基于企业从提供同质产品向提供多样化产品转

    变，他判断出，制造业服务化的本质是一种范围经济。这一点超

    越了代表新经济增长理论高度的罗默。

    ——姜奇平(中国社会科学院信息化研究中心秘书长、数量

    经济与

    技术经济研究所信息化与网络经济室主任)

    安筱鹏博士有很好的学养基础，他曾经作为一位深谙技术和

    产业趋势的官员有更多接触科技工作者及众多的企业的机会，这

    又进一步拓宽了他的视野。其新著《重构：数字化转型的逻辑》

    展现了他独特的视野及深邃的思考，精辟之处频现，如智能制造

    的本质就在于以数据的自动流动化解复杂系统的不确定性，提高

    制造资源配置效率。

    对于智能制造及工业互联网技术的研究者，以及制造企业的

    管理者和工程师们而言，此书无疑是一本很好的参考书。

    ——李培根(中国工程院院士)

    安筱鹏博士是一位长期从事智能制造理论与实践研究的专

    家。他的专著《重构：数字化转型的逻辑》一书，集数字化制造

    与数字化的制造服务为一体，集数字化制造理论逻辑与实践变革

    逻辑为一脉，科学性、通俗性、指导性强，值得学界、业界、政

    界的朋友们品读。

    ——毛光烈(中国信息化百人会顾问、浙江省智能制造专委

    会主任)

    我多次在各种会议上聆听安筱鹏博士的精彩演讲，尽管受益

    匪浅，但总还有意犹未尽的感觉。今天他将这几年的深思熟虑及

    在各种公开场合的演讲资料经过系统化梳理，汇集成书，打开书

    稿让我爱不释手。我很认真地读完了《重构：数字化转型的逻

    辑》书稿。无论是语言表述，还是专业、严谨的逻辑分析，处处

    能感受到他对万物互联、两化融合、智能制造、工业互联网、CPS、制造强国等各方面问题的长期研究探索、实践积累和理论

    升华。作者用他过硬的专业素质和高智商，给我们展示了作为新

    一代“专家型领导”应该有的素养。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com本书从信息、不确定性与人类社会发展的分析入手，得出企

    业竞争的本质就是优化资源配置效率的竞争，最后给出智能制造

    的本质是以数据的自动流动化解复杂系统的不确定性。同时明确

    给出制造业智能化转型的趋势：万物互联、数据驱动、软件定

    义、平台支撑、组织重构。

    作者是工业互联网发展的倡导者、布道者。书中很多关于工

    业互联网技术体系的定义、概念的提出都是原创。例如，工业互

    联网平台为什么，是什么，怎么看？工业互联网平台的演进路

    径，建设工业互联网平台的出发点、切入点、着力点和落脚点

    等。在厘清了概念的同时也为我们指明了方向。

    由衷感谢安筱鹏为我们从事企业数字化、网络化、智能化服

    务的工作者奉献的宝贵财富。

    ——王文京(用友网络科技股份有限公司董事长兼CEO)

    云计算、大数据、物联网、人工智能等正深刻地影响和改变

    着传统行业、企业数字化转型，也是企业业务升级、提升效率、增强竞争力的必然之路。而工业互联网是企业数字化转型最重

    要、最富有具挑战性，也是有最多机会的领域。

    本书给出了工业互联网、企业数字化转型清晰、实用、可操

    作的建议，是每位企业高层领导和变革主管的必读书。

    ——徐文伟(华为公司董事，战略Marketing总裁)

    作者从思想者的维度，探讨了以大数据、人工智能、物联

    网、云计算为技术基础的新一代信息所带来的制造业革命性变

    革；又从实践者的维度，分析了我国应对以数据驱动为特征的、由智能制造和工业互联网引领的新工业革命的战略思路和路径选

    择。本书不仅具有较强的可读性，而且其中探讨的诸多问题引人

    深思。

    ——周宏仁(国家信息化专家咨询委员会常务副主任)拥抱数据驱动的新时代

    伴随着新一代信息通信技术的持续创新和渗透扩散，新一轮

    工业革命正在全球范围孕育兴起，制造业正迈向体系重构、动力

    变革、范式迁移的新阶段，加速向数字化、网络化、智能化方向

    延伸拓展，万物互联、数据驱动、软件定义、平台支撑、组织重

    构、智能主导正在构建制造业的新体系，它也成为了全球新一轮

    产业竞争的制高点。

    制造业正迈向体系重构的新阶段。工业革命300多年来，从

    机械化、电气化、自动化到智能化，技术变革是永恒的主题，在

    新一轮产业革命背景下，以互联网、大数据、人工智能为代表的

    新一代信息通信技术与制造业加快融合发展，正在全方位重构制

    造效率、成本、质量管控新体系，全方位重塑制造业的生产主

    体、生产对象、生产工具和生产方式。第一，谁来生产(Who)

    在变。生产主体从生产者向产消者(Prosumer)演进，个性化定

    制模式的兴起让消费者全程参与到生产过程中。第二，生产什么

    (What)在变。伴随着万物互联时代的到来，生产对象从功能产

    品向智能互联产品演进，可动态感知并实时响应消费需求的无人

    驾驶、服务机器人等智能化产品的商业化步伐不断加快。第三，用何工具(Which)在变。信息技术革命使得工业社会传统的以

    能量转换为特征的工具被智能化工具所驱动，形成了智能工具

    ——具备对信息进行采集、传输、处理、执行的工具。当前，数

    字化技术使劳动工具加速智能化，生产工具从传统的能量转换工

    具向智能工具演进，3D打印、数控机床、智能机器人等智能装备

    快速涌现。第四，如何生产(How)在变。伴随着新一代信息技

    术的发展，实体制造与虚拟制造加速融合，推动生产方式从传统

    制造的“试错法”到基于数字仿真的“模拟择优法”转变，构建制造

    业快速迭代、持续优化、数据驱动的新生产方式。第五，在哪生

    产(Where)在变。网络化协同制造、分享制造等制造业新模式

    推动生产地点从集中化走向分散化，跨部门、跨企业、跨地域的

    协同成为常态，尤其是分享制造的发展，构建起了检测、加工、更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com认证、配送等制造能力标准化封装、在线化交易的新体系，推动

    制造能力在全社会范围内进行协同。

    制造业正迈向动力变革的新阶段。新一代信息通信技术尤其

    是大数据技术的发展，驱动制造业迈向转型升级的新阶段——数

    据驱动的新阶段，可以从三个方面来理解。第一，资源优化是目

    标。新一代信息通信技术与制造业融合主要动力和核心目标，就

    是不断优化制造资源的配置效率，就是要实现更好的质量、更低

    的成本、更快的交付、更高的满意度，就是要提高制造业全要素

    生产率。第二，数据流动是关键。新一代信息通信技术是如何优

    化制造资源配置效率的？信息流是如何带动技术流、资金流、人

    才流、物资流的？关键是数据流动，即能够把正确的数据在正确

    的时间以正确的方式传递给正确的人和机器，把数据转化为信

    息，把信息转化为知识，把知识转化为决策，以应对和解决制造

    过程的复杂性和不确定性等问题，提高制造资源的配置效率。第

    三，工业软件是核心。数据如何转化为信息，信息如何转化为知

    识，知识如何转化为决策，其背后都有赖于软件，软件本质上是

    人类隐性知识显性化的载体，是一套数据自动流动的规则体系，把数据转变为信息，把信息转变为知识，把知识转变为决策，不

    断优化资源的配置效率，全面提升全要素生产率，激发经济创新

    活力、发展潜力和转型动力，培育基于数据驱动的新动能。

    制造业正迈向范式迁移的新阶段。制造范式指在一定时期、在特定技术条件下对制造业价值观、方法论、发展模式和运行规

    律的认识框架。新一代信息通信技术和制造业的融合发展，正在

    带来范式的迁移，人类认识和改造世界的方法正从传统的理论推

    理、试验验证向模拟择优和大数据分析转变。第一，理论推理

    法。以牛顿定律、爱因斯坦相对论为代表的理论推理法是人类认

    识世界最根本的方法，该方法在19世纪末发展到极致，理论推理

    法以“观察+抽象+数学”为关键要素，依赖于少数天才科学家，具

    备严密的逻辑关系，是试验验证和模拟择优的基础。第二，试验

    验证法。以爱迪生发明灯泡为代表的试验验证法在16世纪文艺复

    兴开始萌芽，20世纪伴随着工业化进入鼎盛时期，试验验证

    以“假设+试验+归纳”为关键要素，依赖于设备材料的高投入，试验过程大协作、长周期，验证结果直观。第三，模拟择优法。以

    波音777研发为代表的模拟择优法兴起于20世纪80年代，以“样本

    数据+机理模型”为关键要素，依赖于高质量机理模型的支撑，投

    入少、周期短。和传统的“试错法”相比，依托基于模型的产品定

    义(MBD)、全数字化样机、虚拟仿真技术等一系列模拟择优法

    的新技术、新理念，可推动产品研发、验证、制造、服务业务在

    赛博空间的快速迭代，实现更短的研发周期、更低的制造成本、更高的产品质量和更好的客户体验。第四，大数据分析。以

    GE(通用电器公司)通过平台优化风电设备性能为代表的大数据

    分析兴起于21世纪初，以“海量数据+大数据分析模型”为关键要

    素，依赖于海量数据的获取，以及计算、存储资源的低成本和高

    效利用，是一种基于数据驱动的价值创造范式。这主要是因为，物联网、大数据、云计算等新一代信息技术正在建立一个廉价、快速、高效的数据存储、计算和处理体系，新一代信息通信技术

    正推动人类进入一个全面感知、可靠传输、智能处理、精准决策

    的新时代，尤其是大数据技术的应用，拓展了人类认识世界的视

    野，通过大数据分析技术可对不可见世界和未知世界进行预测，进一步丰富了人类对客观世界的认识。

    我们正在迎来一次新工业革命，在这场前所未有的大变革

    中，我们不只是旁观者、见证者，而是这场伟大实践的亲历者、参与者、实践者。20世纪80年代国际社会提出智能制造的概念，伴随着新技术应用和实践探索，智能制造的内涵和外延在过往的

    40年一直在不断演变。2012年，国际社会提出的工业互联网日益

    成为各界关注的焦点，智能制造与工业互联网是面对制造转型升

    级需求，基于不同时代的技术体系、需求结构、竞争格局提出的

    解决方案，既有联系又有区别，从智能制造到工业互联网，是信

    息技术体系从传统架构向云架构的迁移，是制造资源从局部优化

    到全局优化的演进，是业务协同从企业内部到产业链的扩展，是

    竞争模式从单一企业竞争到生态体系竞争的升级，是产业分工从

    基于产品的分工到基于知识的分工深化，但其内在逻辑是一致的

    ——以数据的自动流动化解复杂系统的不确定性。

    本书是基于作者过去几年对万物互联、两化融合、智能制

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com造、工业互联网、制造强国的思考，并在部分公开演讲的基础上

    整理而成的，梳理这些碎片化的、应景式的、脉冲式的思想片

    段，就是想去厘清制造业转型的基本逻辑，尽管这种思考有些不

    自量力、有些凌乱，也不够严谨，还有许多值得商榷之处，唯一

    的希望是这些思考能够为业界同仁提供一点启发。

    在书稿编辑完善过程中，特别感谢以下几位对本书提出的宝

    贵建议及付出的辛劳：贾超、袁晓庆、姚磊、田洪川、李君、赵

    敏、黄培、郭朝晖、宁振波、胡虎、夏宜君等。感谢电子工业出

    版社刘九如、董亚峰为本书出版付出的辛勤工作；感谢知室的武

    凌寒、万方、鲁冬雪、赵明、陈燕等人开发的精品在线课程。

    安筱鹏

    2018年10月目录

    序一

    序二

    序三

    推荐语

    拥抱数据驱动的新时代

    上篇 智造的逻辑：从生产装备自动化到数据流动自动化

    CHAPTER 01 智能制造的本质

    一、信息、不确定性与人类社会发展

    (一)认知的动力：对不确定性的恐惧

    (二)认知的分野：认知规律中的不确定性

    (三)信息的价值：减少认知的不确定性

    (四)社会的演进：基于信息能力拓展的分工

    与协作

    二、企业竞争的本质：优化资源配置效率的竞争

    (一)企业竞争的本质

    (二)不确定性的来源

    三、智能制造的本质：以数据的自动流动化解复杂

    系统的不确定性

    (一)智能的演化

    (二)数据的自动流动

    (三)信息化与资源优化配置

    CHAPTER 02 制造业智能化转型的趋势

    一、万物互联：互联一切可数字化的事物

    二、数据驱动：驱动制造资源的优化配置

    三、软件定义：定义数据自动流动的规则

    四、平台支撑：支撑制造业生态体系的构建

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com五、组织重构：重构社会分工协作体系

    CHAPTER 03 信息物理系统(CPS)：智能制造技术体

    系

    一、CPS的总体定位：支撑智能制造的综合技术体

    系

    二、CPS的技术要素：“一硬”“一软”“一网”“一平台”

    三、CPS的层级体系：单元级、系统级、系统之系

    统级

    四、全面理解CPS：坚持五个统一

    五、建设CPS的思路：数据自动流动是关键

    (一)资源优化是目标

    (二)数据自动流动是关键

    (三)工业软件是核心

    (四)新型能力培育是主线

    (五)系统解决方案是重点

    CHAPTER 04 软件定义的未来工业

    一、软件定义的本质

    (一)国际制造业巨头的转型

    (二)中国领军企业的探索

    (三)工业软件的本质

    二、软件定义产品

    (一)软件定义产品功能

    (二)软件定义产品结构

    三、软件定义企业管理流程

    (一)软件支撑和定义的研发设计模式

    (二)软件支撑和定义的经营管理模式

    (三)软件支撑和定义的组织架构

    四、软件定义企业生产方式

    (一)制造范式的迁移：从实体制造到虚拟制造，以快速迭代、持续优化、数据驱动重建制造效率、成本、质

    量管控体系

    (二)制造模式的变革：从规模生产到定制生

    产，以数据的自动流动化解制造系统的不确定性、多样性和复杂

    性

    (三)制造系统的重建：从封闭体系走向开放

    体系，以网络化协同实现制造资源局部优化向全局优化的演进

    五、软件定义企业新型能力

    (一)产品研发创新能力

    (二)精益及柔性生产能力

    (三)市场需求实时响应能力

    (四)全生命周期服务能力

    六、软件定义产业生态

    (一)软件定义的智能终端产业生态

    (二)软件支撑和定义的智能装备产业生态

    (三)软件定义的智能制造产业生态

    CHAPTER 05 工业4.0：他山之石的启示

    一、工业4.0：为什么

    (一)危机意识

    (二)机遇意识

    (三)领先意识

    二、工业4.0：是什么

    (一)工业4.0是互联

    (二)工业4.0是集成

    (三)工业4.0是数据

    (四)工业4.0是创新

    (五)工业4.0是转型

    三、工业4.0：如何看

    (一)工业4.0与两化深度融合：如出一辙、异

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com曲同工、殊途同归

    (二)工业4.0：德国制造的新品牌、新名片

    (三)德国工业4.0战略的实施：举全国之力

    (四)优先行动：标准、技术、人才

    (五)信息安全：全球的共同挑战

    四、工业4.0：怎么干

    (一)凝聚行业共识：把智能制造作为两化融

    合的主攻方向

    (二)整合产业资源：把增强智能装备和产品

    自主发展能力作为智能制造的突破口

    (三)突出试点示范：把推广普及智能工厂作

    为智能制造的切入点

    (四)创新体制机制：把培育新业态、新机

    制、新模式作为智能制造的核心任务

    (五)坚持标准先行：把制定智能制造标准化

    作为智能制造的优先领域

    (六)夯实产业基础：把构建自主信息技术产

    业体系和工业基础能力作为建设智能制造的重要支撑

    (七)强化保障能力：人才、信息安全和制造

    业创新体系

    中篇 工业互联网：从基于产品的分工到基于知识的分工

    CHAPTER 06 探索制造业与互联网融合发展之路

    一、制造业是实施“互联网+”行动的主战场

    (一)这是由制造业的战略地位决定的

    (二)这是催生中国经济增长新动能的客观要

    求

    (三)这是互联网与制造业融合的特征和趋势

    决定的

    二、我国制造业与互联网融合发展的新进展

    (一)基于互联网的开放式“双创”平台不断涌现，成为支持制造业转型升级的重要依托

    (二)骨干企业研发设计迈向集成协同新阶

    段，新型研发组织模式不断涌现

    (三)智能装备在重点行业开始普及，成为增

    强产业核心竞争力的重要途径

    (四)信息技术与制造业融合发展，推动制造

    业生产方式持续变革

    (五)生产性服务业引领制造业转型升级，新

    的基础设施体系不断完善

    三、制造业与互联网融合发展面临的新形势

    (一)互联网加速构建新的创新体系，日益成

    为制造业转型升级的新动力

    (二)互联网加速开辟市场需求新领域，拓展

    制造业发展新空间

    (三)互联网加速构建新型制造体系，重塑国

    际竞争新优势

    四、“双创”平台是推进制造业与互联网融合的抓手

    (一)“双创”助力制造业提质增效、转型升级

    (二)大企业是推动“双创”的主力军

    (三)“双创”平台建设是两化融合的深化

    五、新模式是制造业与互联网深度融合的重要标志

    (一)网络化协同制造

    (二)个性化定制

    (三)服务型制造

    (四)制造业分享经济

    六、“新四基”是深化制造业与互联网融合的关键支

    撑

    (一)什么是“新四基”

    (二)为什么要发展“新四基”

    (三)“新四基”发展重点

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comCHAPTER 07 工业互联网平台：为什么，是什么，怎么

    看？

    一、为什么

    (一)工业互联网平台是技术发展的新阶段

    (二)工业互联网平台是企业竞争的新赛道

    (三)工业互联网平台是产业布局的新方向

    (四)工业互联网平台正处在规模扩张的窗口

    期

    二、是什么

    (一)工业互联网平台的架构

    (二)工业互联网平台的本质

    (三)工业互联网平台的核心

    (四)工业互联网与消费互联网的区别

    (五)制造业数字化架构体系的演进：从传统

    IT架构到工业互联网架构

    (六)微服务：工业互联网架构技术变革的关

    键

    (七)工业互联网平台的主要矛盾

    三、怎么看

    (一)工业云视角

    (二)解决方案视角

    (三)操作系统视角

    (四)产业生态视角

    (五)经济学的视角

    CHAPTER 08 工业互联网平台的演进路径

    一、成本驱动导向阶段

    二、集成应用导向阶段

    三、能力交易导向阶段

    四、创新引领导向阶段五、生态构建导向阶段

    CHAPTER 09 工业互联网平台建设的出发点、切入点、着力点和落脚点

    一、工业互联网平台建设的出发点

    (一)工业互联网平台是建设现代化产业体系

    的重要支撑

    (二)工业互联网平台是建设制造强国和网络

    强国的焊接点

    (三)工业互联网平台是我国经济实现高质量

    发展的必然选择

    (四)工业互联网平台是全球新一轮产业竞争

    的制高点

    二、工业互联网平台建设的切入点

    (一)工业设备上云是工业互联网平台建设的

    切入点

    (二)推动工业设备上云

    (三)工业设备上云急需突破的四大瓶颈

    三、工业互联网平台建设的着力点

    (一)打造两类工业互联网平台

    (二)建设三类工业App

    (三)开展四类试验测试

    (四)完善四大支撑体系

    四、工业互联网平台建设的落脚点

    (一)在宏观层面上，提升数据驱动的资源高

    效配置能力，助力动力变革

    (二)在中观层面上，培育数据驱动的生态构

    建能力，抢占产业竞争制高点

    (三)在微观层面上，打造数据驱动的企业新

    型能力，构筑竞争新优势

    下篇 数字经济：从制造大国到制造强国之路

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comCHAPTER 10 制造强国：迎接新一轮产业革命的历史使

    命

    一、对当前新一轮产业革命的基本认识

    (一)新一代信息技术蓬勃发展及与传统工业

    技术的融合创新，是新一轮产业革命的产业技术基础

    (二)各国对2008年金融危机的深刻反思，增

    强了各界应对新一轮产业革命的危机感和紧迫感

    (三)高端装备产业的战略地位更加凸显，智

    能制造成为新一轮产业革命的主攻方向

    (四)构建跨领域、协同化、网络化国家制造

    业创新体系，成为发达国家的共同选择

    二、各国战略布局对中国制造强国建设的意义和启

    示

    (一)牢牢树立制造业是国家崛起、实现两个

    百年目标战略基石的理念

    (二)走出一条具有中国特色的两化深度融合

    之路，是实现制造强国的必然选择

    (三)打造国家产业治理新型能力，是应对新

    一轮产业变革的当务之急

    (四)全面准确理解和认识市场与政府的关

    系，不断深化经济体制改革，是制造强国建设的基础和核心

    三、加快制造强国建设的思考与建议

    (一)树立数字经济发展观

    (二)深化制造业与互联网融合发展

    (三)建立具有竞争力的产业生态系统

    (四)培育数据驱动型企业

    (五)构建创新开放共享的产业发展环境

    CHAPTER 11 以信息化培育壮大新动能

    一、培育壮大新动能意义重大

    二、培育壮大新动能要处理好几个关系三、我国新动能培育壮大成效初显

    CHAPTER 12 制造业是分享经济的主战场

    一、消费领域经历了分享经济的早春

    二、制造业将成为分享经济的主战场

    三、分享制造：化解制造业困境的有益探索

    四、分享制造的内在机理

    CHAPTER 13 探索服务型制造的路线图

    一、数字经济时代服务型制造新特点

    二、服务型制造发展的动力机制

    (一)市场需求正在从产品导向向产品服务系

    统转变

    (二)高价值环节从制造环节为主向服务环节

    为主转变

    (三)竞争优势从规模化供给能力向个性化供

    给能力转变

    (四)客户交易正在从短期交易向长期交易方

    式转变

    三、我国服务型制造的现状

    (一)基于产品设计的增值服务

    (二)基于产品效能提升的增值服务

    (三)基于产品交易便捷化的增值服务

    (四)基于产品整合的增值服务

    四、树立服务型制造的发展观

    CHAPTER 14 产业联盟：产业竞争格局演变中的组织创

    新

    一、产业联盟的基本类型

    二、产业联盟的发展特点

    三、产业联盟发展的内在机制

    四、产业联盟的发展趋势

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comCHAPTER 15 拥抱数字经济时代

    一、新动能：数字经济成为经济增长的重要驱动力

    二、新机遇：中国数字经济快速增长、规模庞大、潜力巨大

    三、新图景：面向制造业的数字经济蓬勃发展

    四、新路径：产业转型的切入点与着力点

    五、新模式：新旧动能接续的重要着力点

    六、新生态：基于平台的产业生态竞争从ICT产业

    向制造业演进

    参考文献上篇 智造的逻辑：从生产装备自动化到数

    据流动自动化

    人类社会的发展史就是一部应对不确定性、寻求确定性的历

    史，克服对不确定性的恐惧是人类认知深化的重要动力，对客观

    世界的理解、预测、控制是人类化解不确定性恐惧的三步曲，哲

    学、科学、经济学对于不确定性这一基本命题的研究，形成了不

    同的方法论和学术体系。信息的价值在于减少认知的不确定性，个性化定制、产品智能化、产业分工深化及竞争格局加剧不断提

    升制造系统的复杂性及生产过程的不确定性，智能制造的本质就

    在于以数据的自动流动化解复杂系统的不确定性，提高制造资源

    配置效率。信息物理系统(CPS)构建起智能制造的技术体系，推动制造业迈向万物互联、数据驱动、软件定义、平台支撑、组

    织重构的新阶段，软件正在定义未来工业——定义产品功能、产

    品结构、组织架构、生产方式、新型能力、产业生态。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comCHAPTER 01 智能制造的本质伴随着技术的更新换代和市场需求的快速升级，制造企业面

    临的不确定性问题更为繁杂，智能制造的本质在于以数据的自动

    流动化解复杂制造系统的不确定性，优化制造资源配置效率。对

    制造业智能化转型规律的认识和把握，需要不断深化对信息、数

    据、复杂系统、不确定性、资源优化配置等概念的理解。

    一、信息、不确定性与人类社会发展

    只有深刻认识不确定性，才能真正理解信息化。对不确定性

    的恐惧是人类社会认知的动力，不确定性源于信息约束条件下人

    们有限的认知能力。在任何时代，化解对不确定性恐惧的三步曲

    是对客观世界的理解、预测、控制，从远古到现代，人类一直在

    努力提高认识世界的水平，以观察世界、理解规律、指导实践，来解释过去、阐明现在、预测未来，终极目的在于提升认知水平

    以提高驾驭不确定性的能力。

    (一)认知的动力：对不确定性的恐惧

    人类社会发展一直伴随着对确定性的追求，确定性是行为能

    被预测的前提，也是我们安全感的来源。人类社会的发展史就是

    一部对抗不确定性、寻求人类命运发展确定性的历史，对不确定

    性的恐惧和对确定性的追求一直伴随着人类社会的发展和演进。

    无论是上古蒙昧时代，还是迈向现代文明，如何应对不确定性是

    人类发展永恒的主题，任何一个个体、族群、部落、国家的生存

    和发展都可能面临着战争、灾害、气候、生产、疾病的反复无常

    和不可预知的结果，这种不确定性所带来的成败、得失、利弊、对错决定着个体的幸福、部落的兴衰、国家的繁荣，也决定着历

    史的走向。在任何时代，人们总希望能够准确预判自己决策的结

    果，并以此来调整和优化自己的决策。因此，人们一直试图构建

    一种能够理解世界的认知体系，化解对不确定性的恐惧，这既催

    生了占卜、巫术，也孕育了宗教、科学和哲学，对不确定性的恐

    惧是人类认知的动力，也是人类文明的重要来源。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com在人类发展的早期，当生产力水平低下、无力认知和把握世

    界演进的规律时，占卜、星象等巫术在指导人类决策、应对未知

    未来等方面画下了浓墨重彩的一笔，其渗透到了国事重大决策和

    人们的衣食住行，并融入战争、饮食、气象、农业、田猎、行

    旅、福佑等方方面面。专门记载各类卜筮活动的《史记·龟策列

    传》开篇就提出，“自古圣王将建国受命，兴动事业，何尝不宝

    卜筮以助善!”上古时代战争频繁，部落首领、诸侯国王们出征

    前面对战争的无常，求助龟壳裂纹、星象占卜，以预测各种重大

    事件的走向，指导重大决策。对于小国民众而言，占卜也是生活

    中非常重要的内容，《诗经》中“尔卜尔筮，体无咎言”，面对人

    生的无常和变化，人们通过占卜来决定终身大事。伴随着生产力

    水平的提高，自然和社会发展演进，早期混纯一体的宗教、哲

    学、科学开始出现分化，从中世纪神学至上到近代科学理性崛

    起，人们对自然和社会发展规律的认知水平不断增强。

    理解、预测、控制是人类化解对不确定性恐惧的三步曲，在

    人类社会漫长的历史进程中，无论是巫术、宗教、哲学还是科学

    都试图构建一套对自然和社会演进的解释体系、预测体系和控制

    体系，以认识世界、改造世界。宗教通过构建信仰体系解释世界

    的运行并指导人们的行为；哲学在宗教和科学之间用理性来化解

    人们对不确定性的质疑；科学用观察和可复现的方法认识世界的

    运行规律并试图预测未来。无论何种解释体系都有助于化解人们

    对不确定性的恐惧，帮助人们掌控和驾驭不确定性。

    构建一套解释体系是化解对不确定性恐惧的起点，当我们可

    以理解过去和当下世界的运行状态时，就大大消解了对不确定性

    的疑虑，无论这种解释是理性的还是非理性的。准确预测未来是

    决策的基础，我们在多大程度上能预测未来就能多大程度化解不

    确定性，但预测未来在任何时候都是富有挑战性的，其关键在于

    如何系统全面地认识世界的运行规律。所有的认知最终都要转化

    为行动，无论是巫术、宗教、哲学还是科学最终都在指导我们实

    践、帮助我们决策，使我们在不确定性的世界中寻找确定性。近

    代工业革命以来，科学带领人类社会走向现代文明，当我们用理

    性思想和科学的工具化解对不确定性的恐惧时，我们的认知水平迈向了一个新阶段。

    (二)认知的分野：认知规律中的不确定性

    如何应对不确定性是人类发展永恒的主题，对不确定性的恐

    惧是认知的重要动力，在人类社会认知体系中，哲学、科学、经

    济学对于不确定性这一基本命题都进行了深入的研究，并形成了

    不同的方法论和学术体系。

    1.哲学视角

    哲学是关于自然、社会和思维最一般规律的科学。数千年

    来，哲学家们围绕确定性和不确定性这一命题形成两种不同的认

    知。一种认为世界是确定的，世界的确定性与人类的自由相联

    系，在此基础上形成了有序性、统一性、必然性、精确性、稳定

    性和可预见的确定性思维；另一种认为世界是不确定的，在此基

    础上形成了无序性、差异性、随机性、模糊性、不稳定性和不可

    预见的不确定性思维。

    早在古希腊，泰勒斯、阿那克西美尼、原子论者分别认为万

    物是由水、元质、气、原子等一种有特定性质的物质构成的，世

    界统一于这些确定的基元。近现代，斯宾诺莎的一元论主张“宇

    宙和人生的本质能够从一些不证自明的公理照逻辑演绎出来”。

    笛卡儿主义和拉普拉斯的决定论同这种传统一脉相承，这些哲学

    家的共同特点之一就是追求可靠性、秩序、规律、逻辑，无论是

    对“一”还是对“多”的解释都是遵循确定路径进行的。

    不确定性思想始于古希腊哲学家阿那克西曼德，他认为世界

    的本源是不确定的。到了近现代，尼采是第一位深刻认识并对传

    统确定性思想进行批判的哲学家。康德开始系统思考“人类认识

    世界规律”是否可能、如何可能、限度如何等问题，休谟有说服

    力地质疑因果关系，福柯认为哲学要实现的第一个任务就是破除

    人们千百年来形成的关于本质、本源和同一的幻想，哲学家的任

    务就是要摧毁本源及永恒真理的优越地位。这些哲学流派的一个

    共同特点就是试图论证自在、自为、自由、偶然的存在，追求多

    元化、个体化、内在化、超越规律和必然性，推崇不确定性。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com长期以来确定性思维一直占据人类认识的主导地位，在追求

    确定性思维的过程中人类表现出了非凡的力量和才能，在这种思

    维的支配下人们不断强化工具理性。当前，无论在哲学领域还是

    在一般社会思想领域，人们认识世界的方法论正在从确定性思维

    走向不确定性思维。真实世界是复杂的，无序和有序、随机和确

    定、模糊和清晰、不稳定和恒定时刻共存，千百年来人们对自然

    及社会规律的认识也在不断深化，今天，人们对客观世界的认识

    并非在确定性与不确定性之间二选一，而是两种思维方式在不断

    相互转化、交叉融合。对于现实世界，人们的未知远大于已知，人类不懈追求认知的绝对确定性而逐步显现出其不确定性。

    2.科学视角

    近代科学是从认识确定性的运动规律开始的。哥白尼的“日

    心说”准确地解释了人们在空中见到的各种现象，伽利略进一步

    奠定了定量实验和科学推理方法，开普勒在丹麦天文学家第谷长

    达30年积累的精密行星测量数据的基础上，推算出行星运动的三

    大定律。其后，以牛顿三大定律和万有引力定律为核心的牛顿力

    学作为经典科学登上历史舞台，进一步阐述了产生上述规律的原

    因，完美地解释了确定性运动学规律和现象。由此而来，近现代

    科学成就不断强化人们基于确定性逻辑规律的认知，大部分的现

    实问题要靠确定性、规律性的科学来解决，如美国曼哈顿计划、阿波罗计划、中国两弹一星计划，人们不自觉地把科学性和确定

    性等同起来，认为随着科学的进步，不确定性会越来越小，甚至

    完全消除，一时间，公理化、数学化成为科学成熟的标志。

    近代科学绝对化、简单化的思维框架已容不下不确定性，对

    于不确定性造成的不可预测性，坚持传统思维框架的人们耿耿于

    怀，总想找到一劳永逸的灵丹妙药。对不确定性的重新认识，是

    现代科学对于人类思想的重要贡献，是20世纪的重大进步。海森

    堡的测不准原则、哥德尔的不完全性定理、阿罗的社会选择理

    论、埃弗雷特的平行宇宙理论等不确定性的发现，促使我们的观

    念发生了根本性变化。事实上，和确定性一样，不确定性也是确

    实存在的，不确定性思维带来人们思想方法和基本理念的变革，主要是突破简单化、绝对化、静止化的思想约束，认识到世界的复杂性和不确定性。

    3.经济学视角

    对不确定性的研究是经济学的一个重要领域。芝加哥学派创

    始人奈特首先将不确定性概念引入经济学理论，打破了经济学研

    究中此前以一般均衡分析为核心的对确定性环境的假设前提。奈

    特在其经典著作《不确定性、风险和利润》中率先对风险和不确

    定性进行了系统研究，他认为不确定性是不可度量的风险，不确

    定性意味着事件的可能结果和结果的概率分布都是未知的。不确

    定性产生于认知过程，即所涉及的情况具有罕见性，人们对其缺

    乏基本认识，不能通过现有理论或经验进行预见和定量分析。奈

    特的不确定性理论主要用于解释企业起源和性质，企业家通过识

    别不确定性中蕴含的机会，并通过资源整合把这些机会转化为利

    润，“不确定性”是企业利润的来源。

    经济学通过研究人的经济行为来分析经济现象，又将人的行

    为过程描述为决策过程，经济学的一个基本问题是在不确定性条

    件下人们的决策原则是什么。对不确定性的分析和认识不仅是经

    典的(阿罗—德布鲁)一般均衡理论的基本内容，同时也是信息

    经济学、行为经济学、制度经济学、演化经济学等新兴理论及现

    代金融理论、产业组织理论、企业理论、劳动经济学等学科的基

    本内容。对不确定性的分析和认识不仅决定着经济学对现实的分

    析和解释力，同时也是现代经济学发展的一个极为重要的方向。

    从经济学的角度来看，不确定性是经济主体对状态这一不可

    控制的变量的产生与否不具备完全知识，对不确定性及信息的研

    究孕育和催生了信息经济学的发展。杰克·赫什雷弗提出，“信息

    经济学是经济不确定性理论自然发展的结果，微观信息经济学和

    宏观信息经济学两个分支学科分别讨论的是市场不确定性和技术

    不确定性。”肯尼斯·约瑟夫·阿罗(1972年诺贝尔经济学奖获得

    者)认为，所谓信息就是根据条件概率原则有效地改变概率的任

    何观察结果，不确定就意味着成本，信息的价值就在于降低了经

    济的不确定性。丹尼尔·卡尼曼(2002年诺贝尔经济学奖获得者)

    修正了传统经济学基于“经济人”理性、自利等基本假设存在的不

    足，指出人们在根据现有信息对不确定事件进行判断时常常是非

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com理性的。

    不确定性可以从哲学、物理、信息、经济等不同视角去理

    解。从信息化推动经济转型的角度来看，不确定性是决策者不能

    准确预测事物未来状态的一种现象。这种观点可以从几个方面来

    理解，一是不确定性与人的行为和决策有关，不确定性意味着事

    件的结果取决于人的行动本身，可以因为人的行为而改变；二是

    不确定性意味着人们不能准确预测和控制，结果可能在预期之

    内，也可能在预测之外；三是对于不确定性来源，从主观上看，不确定性源于信息约束下有限的认知能力，从客观上看，客观世

    界的复杂性超过了人们的认识。

    (三)信息的价值：减少认知的不确定性

    厌恶风险、寻求确定性是人类的天性，这需要人们不断提高

    信息获取能力和水平。什么是信息？不同领域的人对信息有不同

    的表述和理解，但共性的认知在于信息与不确定性是一对相生互

    促的概念。从客观世界的角度来看，信息是一切事物运动的状态

    和运动的方式；从主观世界的角度来看，信息是关于事物运动的

    状态和运动的反映，可以消除人们认知上的不确定性。

    从信息论的角度看，信息作为一个科学概念是克劳德·香农于

    1948年首先在通信领域提出的，他在论文《通信的数学理论》中

    指出，“信息是用来减少随机不确定性的东西，信息的价值是确

    定性的增加”，将信息熵定义为“随机不确定之差”。香农把信息量

    的公式称为不确定性的度量，把信息看作不确定性减少的量，信

    息就是两次不确定性之差：式中，I表示信息；Q表示对某件事的疑问；S表示不确定

    性；X为收到消息前关于Q的认识；X′为收到消息后关于Q的认

    识。

    控制论的主要创始人维纳认为，“信息就是我们适应外部世

    界，并把这种适应反作用于外部世界的过程中，同外部世界进行

    交换的内容的名字。”杨学山在《论信息》中系统论述了信息的

    定义、形态等，认为“信息是载体或外壳承载并表达的一切客观

    存在的含义或内容，不是物质、能量、生命等任何承载，也不是

    文字、声音、图像等形式外壳，是区别于物质、能量和生命的另

    一种客观存在”。信息就是传递中的知识差。

    信息是不确定性下不同主体之间相互沟通交流、认知理解、请求反馈等过程中，用来消除不确定性而生成、传递与获取的语

    义表达。其中，“主体”既包括人类、动物等生命主体，也包括机

    器、系统、环境等非生命主体；“语义表达”的载体包括书籍、音

    像、电话、光盘、网络等，“语义表达”的形态包括消息、情报、指令、密码、符号、信号、声音、图形等，不同场景下信息的语

    义表达有不同载体和形态，而数字化本质是比特化的语义表达。

    信息与不确定性存在反向关系，信息的目的在于消除不确定

    性，其作用机理体现为三个方面。一是信息的载体能够在彼此孤

    立的主体之间建立起连接的纽带，消除由于缺乏联系而产生的不

    确定性。书籍作为信息和知识的载体为不同群体之间的传播建立

    起认知共同体；互联网作为一种信息网络通过构建信息传播的新

    载体、新渠道，不断化解生产、交换、消费、分配等各种经济活

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com动中的不确定性；区块链作为一种价值网络通过智能合约、分布

    式账本、共识算法等核心技术，不断降低交易的不确定性，包括

    交易对象的不确定性、交易规则的不确定性、交易执行的不确定

    性及合约奖惩的不确定性。二是信息的内容能够表达主体希望表

    达的意思，消除由于无法理解而产生的不确定性。例如，语言和

    文字的出现，使得人类能够更精准地表达真实意思，大大降低了

    人类之间沟通交流与相互理解的不确定性。三是信息的运动能够

    促进主体之间持续的认知与反馈，消除难以达成共识而产生的不

    确定性，从而最终实现确定状态下的优化。例如，经济学中提到

    的“帕累托最优”，本质是在信息对称条件下不同主体不断决策反

    馈所形成的市场资源最佳配置状态；博弈论中的“囚徒困境”正是

    因为缺少了个体之间的信息流动，而无法彻底消除结果预期的不

    确定性，使得个人做出理性选择却往往导致了集体的非理性。

    综上，人类社会经济活动在很大程度上就是要以企业为主

    体，在信息交换利用的基础上，对经济社会的各种资源进行管理

    和配置，建立消除信息不确定的决策机制，解决经济活动信息中

    的不确定性。

    (四)社会的演进：基于信息能力拓展的分工与协作

    人类一直不断提高复杂生存环境下应对不确定性的能力。回

    溯人类从游牧社会、农耕社会到工业社会的演进历程，在人类社

    会的生产方式、生活方式和管理方式发生了巨大变革的背后，是

    基于信息能力提升所带来的分工和协作水平深化，人们得以在更

    广的范围、更多的群体之间加强合作，以化解自然和社会中的种

    种不确定性。

    大约250万年前，地球上出现了类人生物；200万年前，出现

    了多个不同人种；100万年前，人类开始使用石器但仍处在食物

    链的中间；40万年前，少数几种人种才开始捕猎大型动物；10万

    年前，智人崛起并跃居食物链顶端；3万年前，尼安特人退出了

    人类历史；1万年前，地球只剩下了智人。智人在与其他人种竞

    争中胜出的根本原因在于，智人在进化中率先在语言和信息交流上实现突破，建立了新的思维和沟通方式，形成了一种超凡

    的“信息认知”能力，即人们不仅仅交流猎物或危险来源、抽象虚

    构事物，更重要的是可以设定同一目标集结大批陌生人进行灵活

    分工协作[1]。在生存环境高度不确定的游牧社会，人类的生存和

    发展面临着食物来源、猛兽袭击等巨大挑战，早期人类信息交

    流、获取的能力有限，有限的分工协作发生在以血缘关系为纽带

    的部落，难以抵御残酷的、不确定性的生存环境。

    到了农耕社会，人类告别了采集狩猎、刀耕火种的时代，进

    入以种植农作物、饲养畜牧为生的社会，文字和印刷术的出现构

    建起新的信息交互方式，社会分工和组织协作水平大幅提升，人

    类对食物来源和猛兽袭击的掌控和预警能力大大提升。与迁徙逃

    避恶劣环境不同，定居下来的农耕社会需要提高改造自然的能力

    以抵御自然灾害、应对战争和资源短缺的全新挑战，围绕如何提

    高农作物产出需要不断获取气候、害虫、水源等信息，建立、传

    播、普及农业知识，以便更好地分工协作消除生存发展中的各种

    挑战和不确定性。伴随着种植业的产生与发展，粮食供给增加、人口增长，人类社会的复杂程度相比于游牧社会更加复杂、协作

    水平大幅提高，人类生产生活方式从几百人的部落演进到几万

    人、几十万人的城镇，人们可以根据需要组织几十万人的大型协

    作。

    进入工业社会，人类社会在科学、技术的推动下加速演进。

    从瓦特发明蒸汽机到特斯拉发现交流电，从电报使用到电话普

    及，从铁路、航空到现代港口体系的建立，纵观工业社会近300

    年来的发展历程，人类分工协作水平不断深化，从熟人分工协作

    演进到陌生人间分工协作，从封闭的经济体系走向开放的经济体

    系，从小尺度的合作空间走向全球化的合作空间，从几百人的协

    作生产体系演进到几十万人的协作，开启了大制造、大零售、大

    流通的新时代。基于现代交通运输体系的福特制+沃尔玛成为现

    代社会协作的基本模式，工业时代组织内部协作体系中员工已达

    到几十万人到上百万人，外部的供应商已达到成千上万家，分支

    机构遍布全球各地。伴随着工业化深化，新的协作组织不断涌

    现。需求方面临着海量千差万别的供给信息，供给方面临着海量

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com千变万化的消费需求，无论是生产方、消费方，还是需求方、供

    给方，以及成千上万名市场经济活动的相关参与者，人类社会面

    临的不确定性也在呈指数增长，人类社会经济活动、管理方式和

    资源配置方式在很大程度上就是要解决因经济越来越复杂而产生

    的各种不确定。工业革命孕育的市场经济本质是如何在高度不确

    定性的环境中实现科学决策，哈耶克(1974年诺贝尔经济学奖获

    得者)认为，市场经济就是一个信息处理系统，大量独立个体通

    过价格发现机制，基于各种有限、当地化、碎片化的信息进行决

    策，优化资源配置[2]。

    进入数字经济时代，伴随信息通信技术的推广普及，人类大

    规模协作的广度、深度、频率进入了一个新阶段。从计算机的诞

    生到互联网的普及，从人人互联到万物互联，从人工智能到区块

    链，人类正在重建外部世界信息感知、传播、获取、利用体系，重构分工协作的基础设施、生产资料、生产工具和协作模式，信

    息在组织内部的管理、监督及在外部交易、协作中的成本不断降

    低、协作模式不断创新，企业边界正在被重新定义，科层组织正

    在被瓦解，产消者(Prosumer)不断涌现，微粒社会正在来

    临[3]

    ，平台经济体迅速崛起，人类社会已经从工业社会百万人量

    级的协作生产体系演进到数千万、数亿人的合作，这也带来了产

    业分工不断深化，例如，小米实现了与千万“粉丝”的持续互动，阿里电商平台构建起3600万名各类主体广泛参与的协作体系。基

    于网络的大规模、多角色、实时互动协作机制正在兴起，网络协

    同效应正在打破传统管理的规模不经济，正如维基经济学所揭示

    的四个新法则——开放、对等、共享及全球运作正在取代旧的商

    业教条[4]

    ，对原有的生产组织体系、企业边界及劳动雇佣关系形

    成了新一轮的冲击，全球新型的社会化分工协作组织模式正在形

    成。波音制造的“梦幻787”飞机研发生产实现了来自六个国家100

    多家供应商数万人的在线协同研发，中国网约车巨头实现了每天

    2000万级出行人口与司机的业务协同。

    人类社会演进的动力在于不确定性下的分工深化与信息交

    换，信息交互促进分工协作，分工协作提升人类对不确定性的应

    对能力。从信息交换到分工协作再到消除种种不确定性，这就是人类社会演进的逻辑。

    二、企业竞争的本质：优化资源配置效率的竞争

    信息化是充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息

    交流和知识共享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型的

    历史进程。如何理解和认识信息化的价值及创造价值的机理，既

    是一个重大的理论问题，也是紧迫的现实问题。信息化的价值在

    宏观层面上可以从提高生产效率和交易效率的角度去阐释，在微

    观层面上需要审视信息化对企业所创造的价值。认识信息化对企

    业的意义需要从企业竞争的本质出发，从信息化的视角看，企业

    间的竞争本质上是资源配置效率的竞争。

    (一)企业竞争的本质

    企业是当今社会最重要的经济组织，它创造物质财富、提供

    就业岗位、带动经济增长、改变社会秩序、影响制度建设，是经

    济发展的动力、国家竞争的载体。什么是企业？罗纳德·科斯指

    出，“企业的本质是一种资源配置的机制，是替代市场进行资源

    配置的组织。”[5]

    市场和企业是配置资源的两种可相互替代的手

    段，在市场上资源的配置由价格机制来调节，在企业内则通过管

    理协调来完成，企业的边界由交易费用决定。当企业内的交易费

    用低于在市场上的交易费用时，企业的边界则得以扩展，直至两

    者的交易费用相等为止。

    企业竞争追求的是生存、发展与壮大，企业竞争的本质就是

    在不确定市场环境下企业资源配置效率的竞争。对于一个制造企

    业而言，其存在价值就是通过对社会资本、人才、设备、土地、技术、市场等各种资源进行组合配置，构筑企业的基本能力来满

    足客户需求，就是如何用更少的资源、更高的效率创造出更好的

    产品。对于制造企业而言，在研发、设计、采购、生产、配送、服务的每个环节，都面临着如何优化资源配置效率问题，企业每

    天思考的问题是，如何缩短一个产品的研发周期、如何提高一部

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com机床的使用精度、如何提高一个班组的产量、如何提高一组设备

    的使用效率、如何提升仓储周转次数、如何减少库存数量等，所

    有这些问题都是资源配置效率优化的具体体现。

    (二)不确定性的来源

    企业资源配置效率的提高面临重要的挑战是需求和生产活动

    的不确定性，伴随着技术的更新换代和市场需求的快速升级，企

    业资源配置效率面临的问题越来越复杂，优化资源配置的决策难

    度越来越大，企业面对不确定性的增加主要来自4个方面。

    (1)产品本身的复杂性。随着制造技术、材料技术、生物

    技术等基础科学的不断创新突破，人类制造能力跃上新的台阶，出现了汽车、大飞机、远洋船舶、精密机械等复杂产品。万物互

    联推动产品结构和功能日趋复杂，现代产品是集软件、电子、机

    械、液压、控制于一体的技术系统，产品的设计、生产、维护难

    度越来越高，产品的研发组织充满了不确定性。对高端复杂产品

    的可靠性要求越高，则对其制造过程中的不确定性容忍度越低。

    航空发动机的研发设计难度极高，其零部件型号规格相似、数目

    繁多、结构外形复杂，且发动机燃烧室及涡轮处的温度能达到

    1600～1700℃，而目前高温合金材料耐受的最高温度仅为

    1100℃，这就必须在发动机中采用复杂的冷却系统，设置迷宫一

    样的冷却通道和成千上万个引入冷气的细微小孔，产品本身的复

    杂性为企业研发生产带来了巨大的不确定性。商用飞机也是一种

    高度复杂的产品，波音777项目共计产生约75000张零件图样，包

    括450万个零件，空客A380项目也产生了79000张零件图样。可以

    看出，商用飞机制造的零件数量是一辆汽车的数百倍甚至上千

    倍，其研发生产的不确定性不言而喻。

    (2)生产过程的复杂性。制造是一个涉及企业内外部多主

    体、多设备、多环节、多学科、多工艺、跨区域协同的复杂系统

    工程。伴随着产业分工深化、个性化消费兴起、智能化步伐加

    快，生产过程的复杂性不断提高。国内某机床厂的车间生产过程

    中面临的挑战是：零件种类多(单机零件达万种以上，零件单件净重量从0.01千克到190吨不等)，工艺跨度大(包括铸、锻、焊、铆、锯、割、机加、装、试等)，工序种类多(包括车、铣、刨、磨、镗、插、剃、滚、珩、钻、线切等多个环节)，设

    备种类多(包括冲压机、镗铣床、剪切线、切割机等多种设

    备)，而且各种产品加工周期长短不一，同时在多个加工基地生

    产，每年有近2万个加工订单、51万个加工工序、279万条信息等

    待处理，面对车间生产如此复杂的生产过程，面对生产过程中的

    各类不确定性，如何实现车间制造资源优化配置是一个重大课

    题。

    (3)市场需求的复杂性。随着人们生活水平的不断提高，人们开始追求差异化、定制化的产品和服务，这就要求制造企业

    从传统的大规模标准化生产向适应用户个性化定制和体验式消费

    的新型生产方式演进。经历按订单销售(Sale To Order，STO)、按订单装配(Assembly To Order，ATO)、按订单制造

    (Making To Order，MTO)、按订单设计(Engineering To

    Order，ETO)等几个阶段，制造企业资源优化配置需要应对市场

    需求波动和用户定制要求的不确定性。在过去的20年，汽车、化

    工、机械、药品、快速品等产品种类增长了2.5倍，产品需要采购

    零部件增长了2.1倍，产品的生命周期缩短了70%。服装、家具等

    行业企业为了应对近年来消费者定制化的需求开始大规模转型，面对定制化的需求，企业需要思考如何构建定制化研发体系、定

    制化采购体系、定制化生产体系、定制化配送体系、定制化服务

    新体系，如图1-1所示。

    (4)供应链协同的复杂性。随着全球化的发展，企业制造

    分工日趋细化，产品供应链体系也随之越来越庞大。例如，洛马

    公司的F-35研制就面临着管理遍及30多个国家、跨越17个时区全

    球协同伙伴商的问题；波音公司已由20世纪50年代波音707约2%

    的零部件外包生产发展到目前波音787的近90%外包生产；空客公

    司把A350XWB客机的60%生产外包放在欧洲大陆以外。2006年

    10月空客宣布A380的交付时间至少推迟两年，这给空客带来的是

    几十亿美元的损失，其原因之一在于，在A380研发初期，单一产

    品数据源体系尚未建立，数字样机技术正在发展中，A380负责部

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com件生产和总装的公司使用的软件版本不一致(部件生产和总装公

    司使用了达索公司不同版本的计算机辅助设计软件)，德国公司

    负责生产的机身段在法国无法进行总装。庞大复杂的供应链对企

    业的资源优化配置带来了巨大的不确定性，如果某一环节出现问

    题则会影响整个企业的生存和发展。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图1-1 定制化生产方式

    图表来源：根据祁国宁提出的客户订单分离点思想整理绘制

    综上，企业从来不是孤立系统，而是与用户、供应商、政府

    部门等共同处在一个开放的复杂生态系统中，企业面临着多变的

    内外部环境，企业生产的全过程、产品全生命周期的各个阶段都

    面临着不确定性。但与此同时，确定性是企业追求的目标，企业

    家总是倾向于应用信息技术提高企业内外部环境的确定性，进而

    在企业资源优化配置的竞争中胜出。

    三、智能制造的本质：以数据的自动流动化解复杂系统的

    不确定性

    国际社会对于智能制造有很多种解释，美国、德国、日本等

    国家战略及各种组织给出不同的定义，或内涵式的、或外延式

    的，或技术化的、或工程化的，这些理解和定义都有其意义和价

    值。从信息、不确定性、复杂系统的角度来看，智能制造的本

    质，就是以数据的自动流动化解复杂系统的不确定性，优化制造

    资源的配置效率。

    (一)智能的演化

    为了揭示智能制造的本质，我们首先需要弄清楚“智能”的本

    质是什么？是如何演化发展的？受哪些关键因素的影响？古往今

    来，哲学、生物学、工程学的学者们都在试图找到其中的答案，但由于源自不同的学科基础，大家对于“智能”的理解也不尽相

    同。杨学山在《智能原理》一书中对各学术流派关于“智能”的认

    识和观点作了梳理，并指出“智能是主体适应、改变、选择环境

    的各种行为能力”。无论对于生物智能主体还是非生物智能主

    体，其适应、改变、选择环境的过程总是建立在充分感知、交

    互、分析、处理自身和外部环境信息的基础之上的。换言之，没

    有信息就没有智能，没有信息的组织与交互也就失去了智能行为

    的基础，信息的及时性、准确性、完备性决定了主体的智能化水

    平。(1)在从单细胞向多细胞、从低级向高级、从单个生命体

    向物种群落的生物进化过程中，生物智能在不断进化，与之相应

    的信息组织方式也越来越复杂。大约35亿年前，地球上诞生了最

    原始的单细胞生命体，其具备了生物智能的基本特征，具备了通

    过信息感知、传递、处理等功能适应环境的基本能力，这时的信

    息组织发生在一个细胞内。大约又过了14亿年，更为复杂的多细

    胞生物出现了，跨细胞信息传递和复杂行为控制的信息机制开始

    形成，与之前出现的单细胞生物一样，由于没有神经系统的存

    在，这时的多细胞生物并不具备对外部信息的判断、分析和决策

    功能，只能适应环境而不能改变环境。单体生物智能的质变是在

    有神经系统生物出现以后发生的，多细胞生物不断进化，细胞功

    能开始分化，出现了神经细胞，形成了网状神经系统和神经链中

    心的“脑”，这时出现的以扁形动物为代表的生物有了专门处理信

    息的系统，产生了以神经元为基础的信息感知、传输、存储、处

    理功能。随着生物的进一步进化，经由鱼、爬行动物、两栖动

    物、鸟、哺乳动物到人类，神经系统和脑越来越发达，生物体不

    仅对外部环境的感知能力显著增强，而且具备基于信息存储的学

    习能力及对外部事件进行分析判断和决策的能力[6]。人类是生物

    进化的最高点，也是生物智能的最高点，人类大脑表面是一层叫

    作“大脑皮质”的薄膜，由约150亿个神经细胞构成，能够对人类

    感官(眼、耳、鼻、舌、皮肤)接收到的外界信息进行存储、记

    忆、识别、联想、比较、重组并发出指令信息支配一切生命活

    动，如感知认识客观外界、应对复杂环境变化、进行生产生活实

    践等。人类之所以能够成为当今地球的“主宰者”，更为重要的是

    建立了不同个体间通用的信息交互方式——语言和文字，并且基

    于信息交互进行大规模群体协作。可以看出，在漫长的生物智能

    进化过程中，生物体对于信息处理的能力不断增强，对信息的依

    赖程度也不断增强。

    (2)非生物智能伴随着信息革命悄然兴起，基于新一代信

    息技术的非生物智能将突破生物智能的极限。人类智能很有可能

    是在碳基世界里智能所能达到的极限状态，未来建立在信息技术

    应用基础上的模拟、延伸和扩展人类智能的非生物智能(以人工

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com智能为代表)正在崛起，我们即将看到在硅基世界[7]

    里非生物智

    能以前所未有的态势向更高级演化。对于非生物智能的研究探索

    由来已久，出现了三大主流学派，即基于逻辑推理算法的符号主

    义学派、基于神经网络及网络间联结机制与学习算法的连接主义

    学派、基于“感知—行动”行为模拟算法的行为主义学派，这三个

    学派都没有脱离构建完整信息处理机制的根本出发点。一个成熟

    的非生物智能系统应当具备状态感知、实时分析、科学决策、精

    准执行等能力[8]

    ，这些都建立在各要素之间实时联通、相互识别

    和有效交流的基础之上，信息网络发展、信息技术应用、信息资

    源开发成为非生物智能进化的必要条件。与生物智能体类似，非

    生物智能系统从单元级、系统级向系统之系统级不断进化，信息

    组织方式也由简单向复杂演化。现在讨论非生物智能是否会取代

    生物智能还为时尚早，但可以断定的是，非生物智能能否超越生

    物智能的关键在于其是否具有更高效的信息采集、传输、分析、处理能力。

    (二)数据的自动流动

    在高度数字化的今天，数据是信息的具体表现形式和重要载

    体，对信息的组织本质上是对承载信息的数据进行采集、传输、分析和处理。在数据种类越来越多、规模越来越大、来源越来越

    复杂的大背景下，解决好数据从哪里来、到哪里去的问题是实现

    非生物智能的关键。无论是单元级、系统级还是系统之系统级的

    非生物智能系统，都需要构建基于数据自动流动的状态感知、实

    时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系。数据自动流动实

    际上就是把正确的数据在正确的时间以正确的方式发送给正确的

    主体，非生物智能系统构建数据自动流动体系的重点是构建一套

    完备的数据采集、传输、分析和决策体系。

    (1)完整、准确的数据采集是数据自动流动的起点，也是

    智能行为实现的基础。对于一个非生物智能系统来说，其所处的

    外部环境瞬息万变，自身运行状态也需要时刻随机而变，如果不

    能够完整准确地掌握外部环境情况和内部运行状态，就无法减小不确定性，也就失去了智能行为的基础。在智能进化过程中，通

    过提升数据采集的完整性和准确性来增强智能主体感知复杂环境

    的能力，是智能主体适应、改变、选择环境的根本前提。智能装

    备和终端的普及，以及各种各样传感器的大量使用，使得非生物

    智能系统所能采集数据的数量和质量大幅提升，为实现物理世界

    隐性数据显性化和构建数据自动流动体系奠定了基础。

    (2)及时、可靠的数据传输网络是数据自动流动的通道，也是智能系统的重要组成。在非生物智能实现过程中往往需要单

    个主体各组成要素单元之间，或者多个主体之间相互连接、相互

    沟通、相互交流，及时可靠的数据传输网络是智能系统各部分之

    间相互协作必不可少的组成部分。与生物智能的神经网络相类

    似，数据传输网络是支撑数据采集交互、分析处理和反馈执行的

    通道，是智能系统各部分连接的纽带。5G、物联网、时间敏感网

    络等通信网络技术的发展，为非生物智能系统内部互联互通和无

    缝集成提供了更多选择。

    (3)科学、合理的数据分析是数据自动流动的核心，也是

    智能行为实现的关键。一个非生物智能系统要实现基于数据自动

    流动的智能行为，除充分感知周围环境并实现内部信息传递以

    外，还需要对自身感知接收到的数据进行分析和处理。数据分析

    就是借助一系列将物理世界运行原理逻辑化、代码化和模型化的

    算法，对感知数据进行加工、分析和处理，是数据自动流动的核

    心，为智能行为的实现提供重要依据。软件技术的发展有助于在

    非生物智能系统中构建一套数据自动流动的规则体系，从而形成

    智能行为的基本逻辑。

    (4)精准、有效的数据决策是数据自动流动的终点，也是

    智能主体适应、改变、选择环境的直接能力体现。非生物智能行

    为最终体现为一系列动作或反应，需要在一系列指令的控制下才

    能实现。数据决策是在数据采集、传输、分析和挖掘的基础上做

    出的执行指令，是数据闭环流动的终点，也是智能行为精准执行

    的“触发器”。当前广泛应用于非生物智能系统中的分布式控制系

    统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)等自动控制器件，都是

    建立在精准有效数据决策基础上的智能行为实施部件。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com(三)信息化与资源优化配置

    信息物理系统是一种非生物智能与生物智能的集成系统，其

    本质是通过信息化手段实现数据自动流动，以信息流带动技术

    流、资金流、人才流、物资流，进而解决复杂制造系统的不确定

    性问题，不断优化资源配置效率。智能制造背后的逻辑在于建立

    了一套赛博空间(Cyberspace)和物理空间(Physical)的闭环赋

    能体系，传感器、工业软件、网络通信系统、新型人机交互方式

    等技术应用实现了设备、产品、人员等制造业所有相关要素的相

    互识别、实时联通和有效交流，研发设计、生产装备、工艺流

    程、产品服务等过程的数字化、网络化、智能化重构了生产制造

    全要素、全流程，复杂制造系统所面临的众多不确定性问题在信

    息物理系统中被显性化，从而使得构建基于数据自动流动的新型

    生产制造体系成为可能，使得制造资源优化配置的方式和手段更

    为丰富、更为便捷、更为高效。

    一般来说，企业生产过程中均伴有一定的运行总日历时间，在总日历时间中，因生产设备性能衰减(如速度损失、空转停

    机)、质量损失、系统停机(外部干扰、节假日)等不可抗拒因

    素引起的时间损耗约占40%，生产运行实际理论可用时间仅占总

    日历时间的60%左右。而在理论可用时间中，生产过程还面临工

    艺准备、主动维修、意外故障所带来的时间损耗，实际生产可利

    用时间仅占理论可用时间的30%。同时，如果考虑到操作失误、设备检测、工艺更换带来的运行停机，最终实际生产有效可用时

    间占企业生产运行总日历时间不足10%。综上来看，在实际生产

    过程中企业生产运行时间损失、生产制造资源浪费情况十分严

    重，通过全面优化企业生产全流程、各环节资源配置提升企业生

    产效率，提高生产有效可用时间的潜力巨大(见图1-2)。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图1-2 企业生产过程中的总日历时间与有效可用时间

    图表来源：引用Lean Enterprise Institute的《Overall Equipment Effectiveness》

    (1)从资源优化配置的系统性来看，将从局部优化向全局

    优化演进。智能制造发展的过程是对制造过程的范围领域不断深

    化的过程，是从自动化单点、低水平、有限的资源优化配置向多

    点、高水平、全局的资源优化配置演进的过程。智能制造系统从

    单机设备、单一环节、单一场景、单一要素的局部小系统不断向

    大系统、巨系统演进，从部门级到企业级，再到产业链级，乃至

    产业生态级系统演进，不断突破地域、组织、机制的界限，实现

    对人才、技术、资金等资源和要素的高效整合，从而带动产品、模式和业态创新。通过智能制造实现资源优化配置的范围也沿着

    点、线、面、大系统、巨系统的方向不断扩展，从机器、智能生

    产线、控制系统、制造执行系统，到整个企业内部系统，到整个

    产业链，再到整个产业生态。

    (2)从资源优化配置的时效性来看，将从静态优化向动态

    优化演进。正如杨学山在《智能原理》一书中所讲的，智能是主

    体适应、改变、选择环境的各种行为能力，对于制造业而言，各

    类主体对环境变化如何响应是衡量智能化水平的重要标志。传统

    的红绿灯系统调节时间是固定不变的；智能红绿灯系统，根据交

    通流量改变红绿灯调整策略对道路资源进行优化，智能体现在资

    源优化的频率上。传统制造理念是以不变应万变、以确定性应对

    不确定性，用各种冗余应对可能出现的不确定性，人们通过功能

    冗余换取产品质量的稳定可靠；面对生产交期、成本、质量、效

    率的各项要求，生产企业总是希望生产周期是固定的、专业工人

    是固定的、生产工艺是固定的、供应体系是固定的；通过定期维

    修确保设备的正常运转，通过定期更换刀具确保加工精度可靠，通过库存冗余应对供应链危机。传统制造走向智能制造，就是摒

    弃冗余思维、静态思维，走向精准思维、动态思维，实时响应变

    化、拥抱变化，以动态优化策略应对各种不确定性。

    [1] 尤瓦尔·赫拉利.人类简史[M].林俊宏译.北京：中信出版社，2014.

    [2] 弗里德利希·奥古斯特·哈耶克.通往奴役之路[M].王明毅，冯兴元，等译.北京：

    中国社会科学出版社，1997.[3] 克里斯多夫·库克里克.微粒社会[M].黄昆，夏柯译.北京：中信出版社，2018.

    [4] 唐·泰普斯科特(Don Tapscott).维基经济学：大规模协作如何改变一切[M].何

    帆，林季红译.北京：中国青年出版社，2012.

    [5] 罗纳德·科斯.企业的性质[M].姚海鑫，等译.北京：商务印书馆，2007.

    [6] 杨学山.智能原理[M].北京：电子工业出版社，2018.

    [7] 硅基世界，即赛博世界(Cyberspace)，是指用二进制编码形式的数据来表达

    世界和演进智能，是信息化的飞跃。

    [8] 胡虎，赵敏，宁振波，等.三体智能革命[M].北京：机械工业出版社，2016.

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comCHAPTER 02 制造业智能化转型的趋势高效率、低成本、高质量是制造业不变的追求。当前，互联

    网、大数据、人工智能等新技术持续创新和高速发展，为制造业

    发展注入新的活力，使得制造业加速迈向万物互联、数据驱动、软件定义、平台支撑、组织重构的新时代。

    一、万物互联：互联一切可数字化的事物

    信息通信技术的持续演进正在开启万物互联新时代。伴随着

    新一代信息通信技术的发展，传感器向着低成本、低功耗、微型

    化方向不断演进，正在建立全面、实时、高效的数据采集体系。

    网络通信技术从2G、3G等向4G、5G、窄带物联网(NB-IoT)、时间敏感网络(TSN)等方向发展，正在构建低时延、高可靠、广覆盖的数据传输体系。云计算、大数据、人工智能等新技术蓬

    勃发展，正在建立廉价、快速、高效的数据存储、计算和处理体

    系，新一代信息通信技术正推动人类进入一个全面感知、可靠传

    输、智能处理、精准决策的万物互联时代。正如德国国家科学与

    工程院院长孔翰宁强调的，今天发展工业的准则是：数字化一切

    可数字化之物，并由此开辟新的价值创造模式。

    所谓万物互联，就是人、物、数据和应用通过互联网连接在

    一起，实现所有人和人、人和物及物和物之间的互联，重构整个

    社会的生产工具、生产方式和生活场景。在万物互联的角度下，信息化就是物理设备不断成为网络终端并引发整个社会变革的过

    程，信息技术发展的终极目标是基于物联网平台实现设备无所不

    在的连接，开发各类应用，提供多种数据支撑和服务(表2-1展示

    了目前主流物联网平台产品)，未来所有产品都将成为可监测、可控制、可优化、自主性的智能产品。正如迈克尔·波特所说，智

    能互联产品包含监测、控制、优化和自动四类核心功能，其中，监测是指通过传感器对产品的状态、运行和外部环境进行全面监

    测，控制是指人们可以通过产品内置或产品云中的命令和算法对

    产品进行远程控制，优化是指可基于实时数据或历史数据对产品

    进行性能优化，自动是指在监测、控制、优化等能力的基础上产

    品达到前所未有的自主性和协同性[1]。

    表2-1 主流物联网平台产品对比

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图表来源：作者自制

    续表

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图表来源：作者自制

    智能产品既包括数控机床、工业机器人等智能装备，也包括

    智能手机、智能网联汽车、智能穿戴等消费产品。在过去10年间

    最典型的智能产品是智能手机，在下一个10年汽车将成为新的移

    动智能终端，智能网联汽车的发展如火如荼，在经历了从感知到

    控制、从部件到整车、从单项到集成、从单向到互动之后，汽车

    正进入“全面感知+可靠通信+智能驾驶”的新时代。在智能化的道

    路上，汽车已走了很多年，但就未来发展的前景来看，汽车还处

    于低“智商”婴幼儿阶段，汽车的网联化、智能化还有很长的路要

    走。2016年8月，工业和信息化部指导发布《智能网联汽车发展

    技术路线图》，给出了智能网联汽车智能化发展五级定义，智能

    化将从驾驶辅助、部分自动、有条件自动、高度自动和完全自动

    演进，如图2-1所示。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图2-1 智能网联汽车的五个等级

    图表来源：根据《智能网联汽车发展技术路线图》作者自绘

    智能化、网联化已经成为汽车技术变革的重要方向，智能化

    在从辅助驾驶向最终的无人驾驶演进的过程中，网联化步伐不断

    加快，网络化将从单车网联、多车网联向交通体系网联演进，在

    这一进程中汽车感知、分析、决策、执行等各个环节技术将快速

    迭代，不断替代驾驶员的分析、判断和决策，高度自动驾驶和完

    全自动驾驶将完全由系统完成，如图2-2所示。

    可监测、可控制、可优化、自主性的智能产品将感知客户需

    求、推送客户服务，推动企业从产品生产商到客户运营商的转

    变。正如宽带资本董事长田溯宁所说，产业互联网时代，企业成

    功的核心是能否从观念、技术、商业模式上进行改造，使每个企

    业不再只是产品生产者、服务提供者，而是通过对产品的运营建

    立与客户的“强关系”，像电信运营商一样成为24小时在线、为客

    户提供全生命周期服务的“客户运营商”。这要求企业把握万物互

    联时代智能产品广泛普及的机遇，基于“数据+模型=服务”的理

    念，实现企业从产品生产商到客户运营商的转变，构建状态监

    测、故障诊断、预测预警、健康优化等各种智能服务，构建检

    测、加工、认证、配送等制造能力标准化封装、在线化交易新体

    系，基于实时数据流培育精准、便捷、智能的新型融资、租赁、保险业态，构建企业差异化竞争新优势。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图2-2 智能网联汽车的技术趋势

    图表来源：作者自绘

    二、数据驱动：驱动制造资源的优化配置

    企业竞争是资源配置效率的竞争，资源配置的核心在于科

    学、高效和精准的决策，这一决策越来越依赖于数据的自动流

    动，就是要把正确的数据以正确的方式在正确的时间传递给正确

    的人和机器。伴随着智能产品和设备的广泛普及，未来所有的生

    产装备、感知设备、联网终端，包括生产者本身都在源源不断地

    产生数据，这些数据将会渗透到产品设计、建模、工艺、维护等

    全生命周期，企业的生产、运营、管理、服务等各个环节，以及

    供应商、合作伙伴、客户等全价值链，并将成为制造的基石。数

    据驱动的本质就是通过生产制造全过程、全产业链、产品全生命

    周期数据的自动流动不断优化制造资源的配置效率，就是要实现

    更好的质量、更低的成本、更快的交付、更高的满意度，就是要

    提高制造业全要素生产率，这将带来数据驱动的创新、数据驱动

    的生产和数据驱动的决策。

    (1)数据驱动的创新。在数字经济时代，对客户现实需求

    和潜在需求的深度挖掘、实时感知、快速响应、及时满足水平已

    成为企业新型能力的分水岭。无论是工业4.0所强调的端到端集

    成，还是工业互联网所关心的效率提升；无论是传统制造企业在

    发展电子商务中的去分销商化，还是在互联网思维中孕育的“粉

    丝经济”，其核心都在于打造面向客户需求、客户体验的感知能

    力和转化能力，这依赖于需求—数据—功能—创意—产品链条数

    据联动的速度、节奏和效率。

    (2)数据驱动的生产。在生产过程中，智能装备的自感

    知、自决策、自执行奠定了从单机智能化到智能生产线、智能工

    厂的基础。生产线、生产设备的数据可以用于对设备本身进行实

    时监控，实现工业控制和管理最优化。在采购、仓储、销售、配

    送等供应链环节上，极大地减少冗余库存，改进和优化供应链。

    销售数据、供应商数据的实时变化，能够不断地动态调整优化生

    产、库存的节奏和规模。数据驱动的智能生产模式，带来了个性

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com化定制、服务型制造及分享制造，重构了整个生产体系。

    (3)数据驱动的决策。企业间内部数据的横向集成及企业

    间数据的纵向集成，带来了数据的完整性、及时性、准确性和可

    执行性，推动数据—信息—知识—决策持续转化，构建企业运营

    新机制。数据会成为信息，信息会变成知识，知识会带来服务，数据到服务的转变依赖于数据的准确性、及时性和完整性，而数

    据的准确性、及时性和完整性来自数据的开放、共享、集成。

    三、软件定义：定义数据自动流动的规则

    数据的自动流动是优化制造资源配置的关键，问题是如何实

    现数据的自动流动，如何把正确的数据以正确的方式在正确的时

    间传递给正确的人和机器，背后需要一套数据自动流动的规则体

    系，这套规则体系就是软件。软件的本质是构建一套数据自动流

    动的规则体系，基于软件打造“状态感知—实时分析—科学决策

    —精准执行”的数据闭环，解决研发设计、生产制造、运营管理

    乃至生产制造全过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置

    效率。当前，软件定义可以从几个方面来理解。

    (1)软件定义实现了软硬件的解耦分离。软件定义最早起

    源于“软件定义网络”(Software Defined Network，SDN)，其核

    心是利用分层思想将软硬件分离，通过打破过去的一体化硬件设

    施，实现“硬件资源的虚拟化”和“服务任务的可编程”，即将传统

    的“单体式”(Monolithic)硬件设施分解为“基础硬件虚拟化及其

    API+管控软件”两部分：基础硬件通过API提供标准化的基本功

    能，进而在其上新增一个软件层替换“单体式”硬件中实现管控

    的“硬”逻辑，为用户提供更开放、灵活的系统管理服务。这一思

    想以虚拟化技术为基础，既解决了资源的效率过低的问题，也极

    大地提升了资源的弹性和灵活性。

    (2)软件定义重构生产流程和控制模式。软件定义了生产

    流程，打破了传统的“设计—制造—测试—再设计”的过程，重构

    一个与实物制造相对应的虚拟制造空间，实现了研发设计、仿

    真、试验、制造、服务在虚拟空间并行运行，通过软件定义设

    计、产品、生产和管理等制造全环节的方式，推动制造过程快速迭代、持续优化和效率提升。软件定义了控制模式，在工业革命

    300年的历史进程中，控制装置作为技术完备系统(动力装置、传动装置、执行装置、控制装置)重要子系统之一发展最为迅

    猛，从珍妮纺织机到继电器开关，从电流调节器到数控机床，从

    嵌入式控制到基于云平台的远程控制，控制系统在核心技术上走

    过了一条“机械→机电→电子→数字→软件”的技术发展路线，软

    件技术的发展促使装备控制模式实现从物理控制到数字控制的革

    命性变迁。

    四、平台支撑：支撑制造业生态体系的构建

    平台是基于信息技术构建的连接多个参与方的虚拟空间，是

    提供信息汇聚、产品交易和知识交易的互联网信息服务载体。互

    联网平台大概经历了三个阶段：第一阶段是以信息交流为典型特

    征的门户平台，如搜狐、新浪；第二阶段是以产品交易为典型特

    征的电商平台，如阿里、京东；第三阶段是以知识交易为典型特

    征的工业互联网平台，承载着工业知识的数字化模型和工业App

    成为平台交易的重点，工业互联网平台成为工业知识沉淀、传

    播、复用和价值创造的重要载体，工业互联网平台成为全球领军

    企业竞争的新赛道、产业布局的新方向和制造大国竞争的新焦

    点。

    (1)工业互联网平台正成为抢占全球制造业主导权的必争

    之地。过去40年来，基于产业生态的竞争在ICT领域愈演愈烈，从Wintel体系到Android、iOS两大操作系统，从电子商务、搜索

    引擎到社交平台，一批领军企业主导了全球ICT产业生态发展。

    当前，伴随着新一代信息通信技术和制造业的融合发展，以平台

    为核心的产业竞争正从ICT领域向制造领域拓展，GE、西门子等

    领军企业围绕“智能机器+云平台+工业App”功能架构，整合“平台

    提供商+应用开发者+用户”生态资源，抢占工业大数据入口主导

    权、培育海量开发者、提升用户黏性，通过组建产业联盟、成立

    开源社区、开展试验测试等举措，打造基于工业互联网平台的制

    造业生态，不断巩固和强化制造业垄断地位，抢占全球新一轮产

    业竞争的制高点(见图2-3)。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com(2)工业互联网平台正步入规模化扩张的战略窗口期。国

    际金融危机以来，GE、西门子、博世等跨国巨头围绕制造业数字

    化、网络化、智能化持续推进自身的战略转型，通过一系列兼并

    重组、业务转型、模式创新，在不断提高装备智能化水平、加快

    软件云化迁移步伐、打造开源社区生态的基础上，GE、西门子分

    别推出工业互联网平台Predix、MindSphere，均将未来2～3年视

    为规模化扩张的关键时期。我国工业互联网平台发展的机遇稍纵

    即逝，为避免重蹈PC、移动互联网平台被跨国公司垄断的覆辙，亟待加快构建中国工业互联网平台。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图2-3 以平台为核心的产业竞争正从ICT领域向制造领域拓展

    图表来源：作者自绘

    (3)工业互联网平台正在重新定义制造业生态。工业互联

    网平台是工业全要素连接的枢纽，是工业资源配置的核心。工业

    互联网的本质是推动工业资源和要素的解耦、整合和重构，构建

    新的发展理念、生产体系、组织架构和商业模式，宏观上提升国

    家资源高效配置能力，中观上培育产业生态构建能力，微观上打

    造企业新型能力。工业互联网平台推动资源优化的范围从单机、产线、车间、企业拓展到跨企业、跨区域，正在重塑制造业研发

    体系、生产范式和商业模式，推动企业研发实现研发主体跨部门

    协同化、研发流程并行化、研发模式闭环化，不断提升研发效

    率、缩短研发周期、降低研发成本，推动企业智能制造在更广的

    范围、更深的领域优化制造资源配置效率，实现价值创造从封闭

    的价值链向开放的价值网络拓展，推动企业从产品生产商向客户

    运营商转变，基于平台开展状态监测、故障诊断、预测预警、健

    康优化等各种新型智能服务。

    五、组织重构：重构社会分工协作体系

    组织是社会的基本生产单元。从人类历史进程看，农业社会

    的生产组织形式是以有血缘关系的家庭为基本的生产单元，工业

    社会形成了以企业为单元的社会化大生产组织形式，在信息时

    代，以自组织方式、平台化方式为主的各种社会化协作模式不断

    涌现。信息技术的普及深化，正在重组整个社会运行的“细胞”，在这个意义上互联网对于社会组织变革而言是一场“转基因工

    程”。

    “小前端+大中台”已成为数字经济时代企业组织架构演变的

    方向。美军作战最小单元在“二战”时是军一级，越战时是营一

    级，中东战争时是班一级，因为在数字化时代，强大的后台可以

    为前线作战的小分队提供全方位的支持和服务。2015年芬兰移动

    游戏公司Supercell开发的游戏占到了全球游戏App TOP10的半壁

    江山，2016年腾讯以86亿美元收购了这家员工不超过200人的公

    司。Supercell将游戏开发过程中大量的公共、通用的开发素材、算法、工具等资源沉淀在平台上，大幅提高了游戏开发小团队的

    效率，降低了试错成本。

    谷歌、亚马逊、阿里巴巴等互联网公司是全球ICT等先进技

    术的开发者、应用者，也是全球组织变革的创新者、引领者，它

    们成功的重要原因在于构建了与先进生产力相适应的生产关系，以及与业务快速迭代、持续创新相适应的组织架构和运行体系。

    2003年阿里经济体不断孕育出了淘宝、天猫、1688、聚划算等新

    业务，每个业务都建立了包括支撑搜索、营销、用户、商品、交

    易、评价、店铺等信息系统[2]

    ，烟囱林立的业务系统的建设和运

    营模式带来了重复投资、维护困难、数据孤岛、迭代缓慢等一系

    列问题，这样的故事在今天企业信息化转型中每天都在上演。阿

    里2015年启动了中台战略，组建了共享服务中心，通过将20多个

    核心业务中基础性、通用性、公共性的业务和数据以服务的方式

    沉淀到中台上，实现了业务和资源高效、便捷的大规模重用，实

    现了信息系统与不断变化的业务需求之间的实时响应。

    组织重构的本质就是进入数字经济时代后，数据作为一种新

    管理要素与传统技术、业务流程、组织结构相互影响、相互作

    用，极大地变革了不同群体的交流方式、交易方式，有效提升交

    易速率和质量，从而使得企业内外部交易成本呈现明显下降趋

    势，推动了组织向扁平化、平台化和联盟化方向发展。面对这一

    趋势，任何企业都必须在组织和流程上做出及时响应，建立具有

    弹性、适应性、差异化的新型组织，建立流程驱动、动态灵活的

    组织形态，以适应市场的快速变化，没有组织及流程的持续变

    革，就不会有数据驱动型企业，组织变革的方向感、动态性、适

    应性将成企业竞争力差异化的重要来源，也是企业打造可持续发

    展的新型能力的重要组成部分。组织重构主要体现在以下三个方

    面。

    (1)极小化的自组织。不断适应竞争格局和形势的变化是

    企业由小变大、由弱变强、基业长青的基础。数字经济时代，面

    对快速变化的市场需求、新技术新业态的兴起、日益复杂的供应

    链体系及柔性化的生产模式，企业组织扁平化、网络化步伐不断

    加快，决策分散化、团队微型化、管理平台化趋势日益凸显。从

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comGE组织扁平化到谷歌、亚马逊等互联网企业团队微型化，从海尔

    企业无边界、组织无领导、供应链无中心的新理念，到韩都衣舍

    责、权、利统一的三人小组管理模式，再到华为“让听见炮火的

    人指挥战斗”，无不显示出在数字经济时代，企业无论大小、无

    论强弱，构建弹性、开放、灵活的组织体系，不仅事关竞争力强

    弱，也事关生死存亡。

    (2)极大化的平台。万物智能、泛在互联推动了平台与依

    托群体的崛起，苹果、谷歌、亚马逊、脸书(Facebook)、阿里

    巴巴、腾讯、百度、小米等一批互联网企业打造了一个巨型的创

    新创业平台，在其上形成了几百万乃至上千万的创业群体，构成

    了一个复杂的产业生态系统。在各类平台与依托型群体的不断演

    化中，形成了服务与被服务、管理与被管理、协作与共生等新的

    组织关系。产业生态系统化正在重新定义企业的边界、不断重塑

    企业间的关系，这一新型的企业间组织关系随着产业生态化步伐

    的加快而不断扩散。

    (3)生态化的产业联盟。基于各种目的的产业联盟体系不

    断丰富，出现了以制定或推行产业技术标准为目标的技术标准联

    盟、以合作研发为目标的研发合作联盟、以完善产业链协作为目

    标的产业链合作联盟、以共同开发市场为目标的市场合作联盟

    等。近年来，工业4.0平台、工业互联网联盟等产业联盟在全球产

    业竞争中的地位不断凸显，它们正成为主导产业竞争规则的新主

    体，引领着行业技术变革的方向，决定着标准规范和产业竞争新

    格局。

    [1] 迈克尔·波特，詹姆斯·贺普曼.物联网时代企业竞争战略[J].哈佛商业评论，2014，10.

    [2] 钟华.企业IT架构转型之道—阿里巴巴中台战略思想与架构实战[M].北京：机械

    工业出版社，2018.CHAPTER 03 信息物理系统(CPS)：智能

    制造技术体系

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com智能制造的实现需要建立在一套完整的技术体系之上，信息

    物理系统集成先进的信息通信和自动控制等技术构建了一个物理

    空间与赛博空间相互映射、实时交互、高效协同的复杂系统，是

    智能制造发展的关键技术支撑。信息物理系统的核心在于构建一

    套基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执

    行的闭环赋能体系，从而解决生产制造过程中的复杂性、不确定

    性，提高资源配置效率。面对智能制造发展过程中不断涌现的新

    技术、新概念、新理念、新模式，迫切需要系统研究信息物理系

    统的背景起源、概念内涵、构成要素和应用场景。[此书分享V信

    wsyy 5437]

    2006年，美国国家科学基金会(NSF)组织召开了国际上第

    一个关于信息物理系统的研讨会，并对Cyber-Physical

    Systems(CPS)这一概念做出详细描述。此后美国政府、学术界

    和产业界高度重视CPS的研究和应用推广，并将CPS作为美国抢

    占全球新一轮产业竞争制高点的优先议题。2013年德国《工业4.0

    实施建议》将CPS作为工业4.0的核心技术，并在标准制定、技术

    研发、验证测试平台建设等方面做出了一系列战略部署。CPS因

    控制技术而起、信息技术而兴，随着制造业与互联网融合迅速发

    展壮大，正成为支撑和引领全球新一轮产业变革的核心技术体

    系。

    一、CPS的总体定位：支撑智能制造的综合技术体系

    信息化和工业化融合是人类社会两个重要发展历史进程的交

    汇。从社会形态演进角度看，其所引发的生产方式变革与生活方

    式调整正在构建信息社会发展新蓝图；从经济发展角度看，其所

    推动的资源配置方式优化与发展方式转变正在构建现代产业体系

    新格局；从工业发展角度看，其所催生的智能化技术装备、协同

    化创新体系、柔性化生产方式、集约化资源利用、精准化管理模

    式正在重塑新时期国家竞争新优势。

    当前，面对抢占新一轮科技革命和产业变革竞争制高点的新

    形势，面对“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”的战略方针，面对从制造大国向制造强国转变的战略任务，迫切需要构建支撑智能制造的技术体

    系。信息物理系统通过集成先进的信息通信和自动控制等技术，构建了物理空间与赛博空间中人、机、物、环境、信息等要素相

    互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置

    和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。可以看出，信息物理

    系统是工业和信息技术范畴内跨学科、跨领域、跨平台的综合技

    术体系所构成的系统，覆盖广泛、集成度高、渗透性强、创新活

    跃，是两化融合支撑技术体系的集大成者。信息物理系统能够将

    感知、计算、通信、控制等信息技术与设计、工艺、生产、装备

    等工业技术融合，能够将物理实体、生产环境和制造过程精准映

    射到虚拟空间并进行实时反馈，能够作用于生产制造全过程、全

    产业链、产品全生命周期，能够从单元级、系统级到系统之系统

    (SoS)级不断深化，实现制造业生产范式的重构。从新一轮产

    业变革的全局出发，结合多年来推动两化融合的实践，我们认

    为，信息物理系统是支撑智能制造的综合技术体系。

    如图3-1所示，CPS打通状态感知、实时分析、科学决策、精

    准执行四个环节，连接了物理空间和赛博空间，构筑起数据自动

    流动的闭环赋能体系，通过隐性数据显性化、隐性知识显性化，实现由数据转化为信息、信息提炼成知识、知识转化决策，在这

    一过程中，解决了物理世界四个基本问题：首先是描述

    (Descriptive)物理世界发生了什么(What happened)；其次是

    诊断(Diagnostic)为什么会发生(Why it happened)；再次是预

    测(Predictive)接下来会怎样(What will happen)；最后是决策

    (Decision)应该怎么办(How to do)，决策完成之后就可以驱

    动物理世界执行(Action)，最终实现制造资源的优化配置。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-1 CPS的逻辑

    图表来源：作者自绘

    二、CPS的技术要素：“一硬”“一软”“一网”“一平台”

    美国国家科学基金会、美国国家标准与技术研究院、德国国

    家科学与工程院、欧盟第七框架计划等研究机构或科研项目对信

    息物理系统的概念、定义不尽相同，但总体来看，其本质就是构

    建一套赛博(Cyber)空间与物理(Physical)空间之间基于数据

    自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋

    能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问

    题，提高资源配置效率，实现资源优化。状态感知就是通过各种

    各样的传感器感知物质世界的运行状态，实时分析就是通过工业

    软件实现数据、信息、知识的转化，科学决策就是通过大数据平

    台实现异构系统数据的流动与知识的分享，精准执行就是通过控

    制器、执行器等机械硬件实现对决策的反馈响应，这一切都依赖

    于一个实时、可靠、安全的网络。我们可以把这一闭环赋能体系

    概括为“一硬”(感知和自动控制)、“一软”(工业软件)、“一

    网”(工业网络)、“一平台”(工业互联网平台)，即“新四

    基”。“新四基”与中国制造2025提出的“四基”(核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础)共同构筑了制造

    强国建设之基。CPS的本质如图3-2所示。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-2 CPS的本质

    图表来源：中国信息物理系统发展论坛《信息物理系统白皮书(2017)》

    (1)感知和自动控制是数据闭环流动的起点和终点。感知

    的本质是物理世界的数字化，通过各种芯片、传感器等智能硬件

    实现生产制造全流程中人、设备、物料、环境等隐性信息的显性

    化，是信息物理系统实现实时分析、科学决策的基础，是数据闭

    环流动的起点。与人体类比，可以把感知看作人类接收外部信息

    的感觉器官，提供视觉、听觉、嗅觉、触觉和味觉这“五觉”。自

    动控制是在数据采集、传输、存储、分析和挖掘的基础上做出的

    精准执行，体现为一系列动作或行为，作用于人、设备、物料和

    环境上，如分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器

    (PLC)及数据采集与监视控制系统(SCADA)等，是数据闭环

    流动的终点。

    (2)工业软件是对工业研发设计、生产制造、经营管理、服务等全生命周期环节规律的模型化、代码化、工具化，是工业

    知识、技术积累和经验体系的载体，是实现工业数字化、网络

    化、智能化的核心。简而言之，工业软件是算法的代码化，算法

    是对现实问题解决方案的抽象描述，仿真工具的核心是一套算

    法，排产计划的核心是一套算法，企业资源计划也是一套算法。

    工业软件定义了信息物理系统，其本质是要打造“状态感知—实

    时分析—科学决策—精准执行”的数据闭环，构筑数据自动流动

    的规则体系，应对制造系统的不确定性，实现制造资源的高效配

    置。

    (3)工业网络是连接工业生产系统和工业产品各要素的信

    息网络，通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络和异构

    网络集成等技术，能够实现工厂内各类装备、控制系统和信息系

    统的互联互通，以及物料、产品与人的无缝集成，并呈现扁平

    化、无线化、灵活组网的发展趋势。工业网络主要用于支撑工业

    数据的采集交换、集成处理、建模分析和反馈执行，是实现从单

    个机器、产线、车间到工厂的工业全系统互联互通的重要基础工

    具，是支撑数据流动的通道。物质(机械，如导线)连接、能量

    (物理场，如传感器)连接、信息(数字，如比特)连接，乃至

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com意识(生物场，如思维)连接，为打造万物互联的世界提供了基

    础和前提。

    (4)工业互联网平台是高度集成、开放和共享的数据服务

    平台，是跨系统、跨平台、跨领域的数据集散中心、数据存储中

    心、数据分析中心和数据共享中心，基于工业互联网平台推动专

    业软件库、应用模型库、产品知识库、测试评估库、案例专家库

    等基础数据和工具的开发集成和开放共享，实现生产全要素、全

    流程、全产业链、全生命周期管理的资源配置优化，以提升生产

    效率、创新模式业态，构建全新产业生态。这将带来产品、机

    器、人、业务从封闭走向开放，从独立走向系统，将重组客户、供应商、销售商及企业内部组织的关系，重构生产体系中信息

    流、产品流、资金流的运行模式，重建产业价值链和竞争格局。

    国际巨头正加快构建工业互联网平台，向下整合硬件资源、向上

    承载软件应用，加快全球战略资源的整合步伐，抢占规则制定

    权、标准话语权、生态主导权和竞争制高点。

    三、CPS的层级体系：单元级、系统级、系统之系统级

    理解和认识信息物理系统要树立系统观和层次观，要深刻把

    握信息物理系统演进和发展的规律。具体来说，信息物理系统具

    有明显的层级特征，小到一个智能部件、一个智能产品，大到整

    个智能工厂都能构成信息物理系统。信息物理系统建设的过程就

    是从单一部件、单机设备、单一环节、单一场景的局部小系统不

    断向大系统、巨系统演进的过程，是从部门级到企业级，再到产

    业链级，乃至产业生态级演进的过程，是数据流闭环体系不断延

    伸和扩展的过程，并逐步形成相互作用的复杂系统网络，突破地

    域、组织、机制的界限，实现对人才、技术、资金等资源和要素

    的高效整合，从而带动产品、模式和业态创新。

    CPS可以分为单元级、系统级、系统之系统(SoS)级三个

    层级，如图3-3所示，其层次演进过程如图3-4所示。

    (1)单元级是具有不可分割性的信息物理系统的最小单

    元。它可以是一个部件或一个产品，通过“一硬”(如具备传感、控制功能的机械臂和传动轴承等)和“一软”(如嵌入式软件)就可构成“感知—分析—决策—执行”的数据闭环，具备了可感知、可计算、可交互、可延展、自决策的功能，典型的单元级最小单

    元如智能轴承、智能机器人、智能数控机床等。每个最小单元都

    是一个可被识别、定位、访问、联网的信息载体，通过在赛博空

    间中对物理实体的身份信息、几何形状、功能信息、运行状态等

    进行描述和建模，在虚拟空间也可以映射形成一个最小的数字化

    单元，并伴随着物理实体单元的加工、组装、集成不断叠加、扩

    展、升级，这一过程也是最小单元在虚拟和实体两个空间不断向

    系统级和系统之系统级同步演进的过程。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-3 CPS的三个层级

    图表来源：中国信息物理系统发展论坛《信息物理系统白皮书(2017)》

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-4 CPS的层次演进

    图表来源：中国信息物理系统发展论坛《信息物理系统白皮书(2017)》

    (2)系统级是“一硬、一软、一网”的有机组合。信息物理

    系统的多个最小单元(单元级)通过工业网络(如工业现场总

    线、工业以太网等，简称“一网”)，实现更大范围、更宽领域的

    数据自动流动，构成智能生产线、智能车间、智能工厂，实现了

    多个单元级CPS的互联、互通和互操作，进一步提高制造资源优

    化配置的广度、深度和精度。系统级CPS基于多个单元级最小单

    元的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自

    组织、自配置、自决策、自优化。由传感器、控制终端、组态软

    件、工业网络等构成的分布式控制系统(DCS)和数据采集与监

    控系统(SCADA)是系统级CPS，由数控机床、机器人、AGV小

    车、传送带等构成的智能生产线是系统级CPS，通过制造执行系

    统(MES)对人、机、物、料、环等生产要素进行生产调度、设

    备管理、物料配送、计划排产和质量监控而构成的智能车间也是

    系统级CPS。

    (3)系统之系统级(SoS级)是多个系统级CPS的有机组

    合，涵盖了“一硬、一软、一网、一平台”四大要素。SoS级CPS通

    过工业互联网平台，实现了跨系统、跨平台的互联、互通和互操

    作，促成了多源异构数据的集成、交换和共享的闭环自动流动，在全局范围内实现信息全面感知、深度分析、科学决策和精准执

    行。基于工业互联网平台，通过丰富开发工具、开放应用接口、共享数据资源、建设开发社区，加快各类工业App和平台软件的

    快速发展，形成一个赢者通吃的多边市场，构建一个新的产业生

    态。西门子Mindsphere、GE Predix及海尔COSMOPlat、PTC的

    ThingWorx等软件和大数据平台，通过实现横向、纵向和端到端

    集成，形成了开放、协同、共赢的产业新生态，体现了SoS级

    CPS的发展方向。

    综上所述，CPS包括单元级、系统级、系统之系统级三个层

    级和状态感知、实时分析、科学决策和精准执行四个过程，如图

    3-5所示。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-5 CPS的3个层级和4个过程

    图表来源：作者自绘

    四、全面理解CPS：坚持五个统一

    工业革命的进程总是伴随着划时代意义的颠覆性产品的创

    造、应用和普及，从蒸汽机到电动机，从手摇机床到数控机床，从阿帕网到互联网，从功能手机到智能手机，都预示一个新时代

    的开始。信息物理系统作为一项颠覆性创新技术，正在带来制造

    体系的重构与制造范式的迁移，昭示着人类正进入新工业革命时

    代。认识信息物理系统，需要坚持五个统一。

    (1)继承性与创新性的统一。信息技术产业的发展，总是

    伴随着传承与颠覆、追赶与超越、竞合与重生的相互交织。信息

    物理系统是新一轮产业革命的奥林匹克，它永恒的主题是更高、更快、更强，是如何超越和不被超越。信息物理系统由美国、德

    国等发达国家提出并推广应用，我们看到基于信息物理系统的智

    能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革，其背后是

    一个国家对产业生态的驾驭能力，体现着一个国家实力的消涨。

    面对产业生态系统构建的重大窗口期，面对构建技术先进、产业

    领先、安全可控的历史任务，我们需要继承国外优秀的研究成

    果，需要系统总结中国两化融合的多年实践，更需要有领跑者思

    维和持续创新的勇气，提出具有中国特色的信息物理系统的技术

    架构，增强产品和服务的定义能力、产业生态的驾驭能力。

    (2)理论性与指导性的统一。信息物理系统不仅仅包含一

    套技术体系，也包含一套人类认识和改造世界的新方法，包含一

    套制造业价值观、方法论、发展模式和运行规律的认识框架。信

    息物理系统在中国的应用和发展必须与中国的实践相结合，从中

    国的工业实践出发，体现对实践背后规律的理论认识。从本质上

    来说，开展信息物理系统的研究就是要构建一套符合我国国情的

    信息化和工业化深度融合的技术体系，通过这套技术体系形成指

    导我国工业实践的方法论、技术谱系、标准体系。

    (3)阶段性与演进性的统一。当前，我们正处在一个技术

    变革的时代，信息技术发展日新月异，颠覆、跨界、融合、生

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com态、创新将是信息技术产业的主题。对信息物理系统而言，技术

    在发展，产品在创新，体系在重建，能够实现感知、分析、决

    策、执行等环节的新技术将会不断涌现，当前的技术体系可能被

    未来的技术体系所颠覆，因此对信息物理系统的认识不是静态的

    过程，而是动态的、演进的、优化的过程。同时，信息物理系统

    的建设，只有起点，没有终点，是一个认识和应用不断深化的过

    程。

    (4)层次性与系统性的统一。信息技术扩散、融合、应用

    的内在逻辑是在比特的汪洋中重构原子的运行轨道，信息物理系

    统建设就是在比特的世界中构建物质世界的运行框架和体系，是

    以数据自动流动实现资源优化，这将是一个从局部到全局、从初

    级到高级、从单机到系统逐步演进的过程。信息物理系统层次性

    体现为最小单元叠加成为小系统，小系统叠加成为大系统，大系

    统叠加构建成巨系统，这带来资源优化配置从单点到多点、从静

    态到动态、从低级到高级的跃升。感知、通信、计算、控制相互

    作用构成了信息物理系统的基本形态，其不断叠加形成的复杂巨

    系统是信息物理系统演进的最终形态，“一硬、一软、一网、一

    平台”既是相对独立的信息物理系统四大构成要素，也是相互融

    合、相互促进的集成系统，这是CPS系统性的集中体现。从工业

    领域的实施路径和落地方案来看，智能制造不只是“黑灯工厂”，不只是“机器换人”，不单纯是设备改造，也不是简单的软件堆

    叠，而是制造系统的集成、制造体系的重建、制造模式的再造。

    对于信息物理系统而言，其不是传统制造思维的线性延伸，不是

    传统制造要素的全面展开，也不完全是制造阶段的整体跨越，而

    应该是适用性和先进性、局部实现和整体实现的相对统一。

    (5)实体制造和虚拟制造的统一。ICT对人类社会带来的重

    大变革是创造一个新世界：赛博空间。制造业数字化、网络化、智能化的过程，是在赛博空间重建制造流程，并基于此不断提升

    制造效率的过程。未来制造，将是基于信息物理系统的制造，将

    是数据驱动、软件定义、平台支撑的制造，将是实体制造与虚拟

    制造实时交互的制造，无论是产品、设备、工艺流程都将以数字

    孪生的形态出现。虚拟制造的应用，将会经历从碎片化到一体化、从局部到全局、从静态到动态的过程，逐渐涵盖研发设计、制造过程、服务运营的全流程。

    信息化的终极版图就是要在赛博空间构建起一个与物理空间

    泛在连接、虚实映射、实时联动、精准反馈、系统自治的数字孪

    生体。伴随着新技术、新方法、新模式的持续创新，物理空间与

    数字孪生的交互将实现从静态、动态向实时不断演进，这将驱动

    着赛博空间的数字孪生无限逼近真实物理空间，实现在单元级、系统级、SoS级等不同层次上的感知、分析、决策、控制。未来

    无论在制造、医疗、建筑等领域都将会在赛博空间建立起一套与

    物理空间实时联动的运行体系，实现对制造流程、建筑结构、医

    学试验、城市管理等方面资源优化配置，基于“物理实体+数字孪

    生”的资源优化配置体系将成为信息化发展的终极模式(见图3-

    6)。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-6 数字孪生将在各领域中发挥巨大作用

    图表来源：作者自绘

    五、建设CPS的思路：数据自动流动是关键

    信息物理系统通过数据、软件、网络、平台等信息技术与人

    员、机器、物料、环境、供应链等制造要素的深度融合，构建一

    个赛博空间与物理空间数据自动流动的闭环赋能体系，实现生产

    制造的自主协调、智能优化和持续创新，推动制造业与互联网融

    合发展。总的来看，要围绕以下5个方面建设信息物理系统。

    (一)资源优化是目标

    工业革命300年来，技术变革是永恒主题，而不变的永恒主

    题是对制造效率、成本、质量的追求。企业是社会资源配置的一

    种组织，是通过对社会资本、人才、设备、土地、技术、市场等

    各种资源进行组合配置来塑造能力，满足客户需求的一种社会组

    织。企业的竞争就是资源配置效率的竞争，是能力不断跃升的竞

    争。如何缩短一个产品研发周期、提高一部机床使用精度、提高

    一个班组的产量、提高一组设备的使用效率、提升仓储周转次

    数、减少一类部件库存数量、缩短客户服务的响应时间、降低资

    金使用成本等，所有这些本质上都是如何优化资源使用效率。信

    息物理系统通过创造一个与实物制造相对应的虚拟制造空间，实

    现了研发设计、试验、制造、服务在虚拟空间的仿真测试和生

    产，形成人类认识和改造世界的新方法，实现资源优化的新模

    式。

    一是在资源优化的频率上，从静态优化走向动态优化，摒弃

    传统的以不变应万变的思维模式，根据需求和环境的变化实时调

    整资源配置方式，企业面对个性需求带来生产批次越来越多、批

    量越来越少的新形势，面对制造环节柔性生产的要求，面对不断

    追求零库存的过程就是资源优化频率加快的过程，对资源优化频

    率的追求将是无止境的。

    二是在资源优化的范围，从单点局部走向全局优化，在时间

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com上，资源优化只有起点，没有终点；在空间上，参与优化的资源

    沿着点、线、面、体、大系统、巨系统方向不断拓展，局部优化

    不能替代全局优化，全局优化也不是局部优化的总和。

    三是在资源优化方法论上，从实体优化走向虚实结合优化，从传统的“试错法”到基于数字仿真的“模拟择优法”的演变，这一

    新方法推动了制造范式的迁移，通过构建制造业快速迭代、持续

    优化、数据驱动的新方式，重建制造效率、成本和质量管控新体

    系，实现更短的研发周期、更低的制造成本、更高的产品质量和

    更好的客户体验。总体来看，基于CPS的资源优化过程是一个“螺

    旋式”上升的过程，如图3-7所示。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-7 基于CPS的资源优化是一个“螺旋式”上升的过程

    图表来源：中国信息物理系统发展论坛《信息物理系统白皮书(2017)》

    (二)数据自动流动是关键

    青岛红领是一家个性化定制服装企业，是国家智能制造的试

    点示范企业，然而有些企业高管在参观青岛红领后感到非常失

    望，因为其没有想象中的一排排机器人、一条条先进生产线，以

    及忙乱而有序的AGV小车，而是一排排的工人在用手工的方式加

    工衣服，是一个典型的劳动密集型企业生产场景。企业家们感到

    困惑的是，这样一个典型的劳动密集型企业为什么是智能制造的

    试点示范企业？事实上，从工业经济迈向数字经济，人类的生产

    方式正在经历两种自动化。一种是看得见的自动化，如数控机

    床、机器人等各种各样先进的生产装备，不需要人为干预就可以

    完成人们预想的动作、实现人们的目标；还有一种是看不见的自

    动化，就是赛博空间中数据流动的自动化，青岛红领多年探索的

    就是如何在赛博空间实现数据的自动流动，采集完一个人身上的

    22个指标后，这组数据开始在设计、采购、仓储、生产、管理、配送、服务等环节在没有人为干预的情况下自动流动，把需要的

    数据及时传递给需要的人和机器。如果机器人、数控机床、立体

    仓库等生产设备的自动化替代的是体力劳动者，那么数据流动的

    自动化将替代脑力劳动者；如果生产设备的自动化是工业3.0，那

    么数据流动的自动化才是工业4.0的本质。

    信息物理系统的本质就是构建一套数据自动流动的运行体

    系，即将正确的数据(所承载知识)在正确的时间传递给正确的

    人和机器，以信息流带动技术流、资金流、人才流、物资流，进

    而不断优化制造资源的配置效率。新一代信息技术的发展带来最

    本质的变化是实现了生产全流程、全产业链、全生命周期管理数

    据的可获取、可分析、可执行，使得数据的及时性、准确性和完

    整性不断提升，数据开发利用的深度和广度不断拓展，数据流、物流、资金流的协同水平和集成能力不断提高。从数据流动的视

    角看，数字化解决了“有数据”的问题，网络化解决了“能流动”的问题，智能化解决了“自动流动”的问题。

    数据流动的自动化水平逐渐成为一个企业的生命线，成为企

    业未来核心竞争力的来源。这带来了数据驱动的服务，智能互联

    产品正演变为一个客户需求数据实时感知的平台，演变为基于实

    时数据的客户服务平台；带来了数据驱动的创新，企业对客户现

    实需求和潜在需求的深度挖掘、实时感知、快速响应、及时满

    足，越来越依赖于需求—功能—创意—产品链条数据联动的速

    度、节奏和效率；带来了基于数据驱动的模型，数字化模型普遍

    存在于生产体系各个环节，构建了面向设计、生产、运营、服务

    和管理的产品库、知识库、专家库，衍生出个性化定制、极少量

    生产、服务型制造和云制造等新的生产模式；带来了数据驱动的

    决策，企业内部的横向集成和企业间的纵向集成实现了数据的及

    时性、完整性、准确性和可执行性，推动数据—信息—知识—决

    策持续转化，构建企业运营新机制。

    把青岛红领的模式推而广之，对于一个制造企业而言，企业

    采集了客户的需求信息之后，从赛博空间的视角来观察，需求信

    息就开始了一场在企业内、供应商、销售商之间的“数据之旅”，通过数据的自动采集、自动传输、自动转换和自动执行，实现数

    据的自动流动，以各种形式和载体实现数据在企业销售环节—经

    营管理—产品设计—工艺设计—生产制造—过程控制—产品测试

    —产品销售—产品维护流动，并形成若干个决策闭环，实现基于

    智能数据的生产运营，从而解决生产的不确定性、多样性和复杂

    性问题。衡量一个企业智能化水平的最重要的标志不仅是生产设

    备的自动化，而且是数据流动的自动化，是企业全流程中用数据

    的自动流动替代了多少脑力劳动者，用数据的自动流动化如何化

    解制造系统的不确定性，用数据的自动流动在多大程度上能够优

    化制造资源配置效率，如图3-8所示。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-8 智能制造的本质就是构建一套数据自动流动的规则体系

    图表来源：作者自绘

    (三)工业软件是核心

    工业软件是一种以数据与指令集合对知识、经验、控制逻辑

    等进行固化封装的数字化(代码化)技术，它构建了工业领域中

    数据自动流动的规则体系，是业务、流程、组织的赋能工具和载

    体，解决了复杂制造系统的不确定性、多样性等问题。工业软件

    作为一种工具、要素和载体，为制造业建立了一套赛博空间与物

    理空间的闭环赋能体系，实现了物质生产运行规律的模型化、代

    码化、软件化，使制造过程在虚拟世界实现快速迭代和持续优

    化，并不断优化物质世界的运行。产品设计和全生命周期管理软

    件(如CAX、PLM等)建立了高度集成的数字化模型及研发工艺

    仿真体系，生产制造执行系统(MES)是企业实现纵向整合的核

    心，联通了设备、原料、订单、排产、配送等各主要生产环节和

    生产资源，企业管理系统(如ERP、WMS、CRM)为企业的业

    务活动进行科学管理，改变了企业管理模式和管理理念。在网络

    化协同生产、个性化定制、服务型制造等生产新模式的驱动下，工业软件定制化、平台化、网络化和智能化已成为工业软件巨头

    推动产品变革的重要方向。

    (四)新型能力培育是主线

    技术进步引发的数次工业革命，不仅伴随着管理思想和实践

    的变革，也伴随着企业核心能力体系的变迁，伴随着机械化、电

    气化的发展，企业构建起大规模生产体系。在数字经济时代，企

    业为应对内外部环境和条件的快速变化，生产方式的变革不仅仅

    是软件、机器人、数控机床、自动化生产线的引入，也不仅仅是

    企业内部的流程再造、组织优化，变革最终都要落实到企业核心

    能力提升上来，并不断推动从传统能力拓展到新型能力，以保持

    竞争优势的可持续性。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com信息物理系统作为一套支撑两化融合的综合技术体系，落到

    企业具体实践上，其最终目的是打造企业互联网时代背景下的新

    型能力。历次技术进步引发的工业革命，不仅推动了制造范式的

    变革，也伴随着企业核心能力体系的变迁。当前，伴随着制造业

    新产品、新需求、新模式的快速发展，伴随着制造系统越来越复

    杂及生产全流程不确定性增加，迫切需要CPS更广泛地应用和普

    及。CPS的出现和应用，它不仅仅是CPS部件、单元、数控机

    床、智能机器人、自动化生产线的引入，其最终都必须转化为企

    业新型能力。因此，企业推进信息物理系统建设，不能只单纯强

    调信息技术的先进性，而要围绕企业新型能力不断推进数据、技

    术、业务流程、组织结构的互动创新和持续优化，将技术的进

    步、组织结构的变革、业务流程的优化转化成企业的新型能力，诸如个性化定制、精益管理、风险管控、供应链协同、市场快速

    响应等新型能力，进而重构企业生产方式、服务模式和组织形

    态，不断获取差异化的可持续竞争优势。

    近年来，工业和信息化部推动开展的两化融合管理体系贯标

    工作，要求企业按照规范的路径打造和提升信息化环境下的新型

    能力。通过对企业正在打造的2200余项能力进行分析发现，当前

    我国企业关注信息化环境下的六大类能力，包括研发创新类、生

    产管控类、供应链管理类、财务管控类、经营管控类及用户服务

    类能力，但是其内涵与传统工业时期相比已经发生了很大的变

    化，企业核心能力体系不断变迁。研发创新类能力主要关注基于

    客户需求的数字化快速定制研发、产品研发、工艺设计、生产制

    造一体化，以及在线、异地协同研发；生产管控类能力重点关注

    大规模个性化定制生产管控、基于用户订单的柔性生产、服务型

    制造等；经营管控类能力主要关注基于数据分析的智能决策、企

    业资源集中共享与协同运营等；用户服务类能力主要关注远程诊

    断与服务、客户互动与敏捷服务、产品全生命周期追溯等。

    对于行业领军企业而言，其新型能力的本质实际上就是产业

    生态系统的构建能力，通过整合企业内外部优势资源，构筑质

    量、成本、研发、营销、生产、服务等各个环节的综合优势，从

    而获得市场占有率、客户满意度、劳动生产率等的提高。推进两化融合发展，就是要激活企业的技术、装备、系统、流程、组织

    和数据，持续打造适应时代发展需求的新型能力，培育形成企业

    互联网发展背景下的竞争新优势，如图3-9所示。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图3-9 企业新型能力体系的变迁

    图表来源：作者自绘

    (五)系统解决方案是重点

    推动信息物理系统的应用与发展既需要核心关键技术的突

    破，也需要一批具有广泛应用前景的行业系统解决方案。美国、德国、日本等发达国家从各自发展特点出发，围绕信息物理系统

    的建设、使用和推广，组建产业联盟、研制参考架构、研发共性

    技术、建设试验环境，逐步摸索出一套方法、路径和模式，形成

    了多种解决方案。率先打造基于信息物理系统的成熟、完整、可

    复制的解决方案，正成为国际巨头竞争的制高点和引领行业转型

    发展的风向标。在实践中，迫切需要抓住制造资源碎片化、在线

    化、再重组、再优化的机遇，在打造信息物理系统共性平台的基

    础上，要围绕产品、装备、工具、客户、供应链、第三方应用等

    要素的数字化、网络化、智能化，逐步构建跨设备、跨产线、跨

    车间、跨工厂、跨企业的信息物理系统解决方案。

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.comCHAPTER 04 软件定义的未来工业“软件定义”已成为引领新一轮科技革命和产业变革的核心动

    力，正加快从信息技术产业领域向制造业领域延伸。“软件定义

    制造”的本质是研发设计、生产制造、经营管理、运维服务等全

    生命周期业务环节规律的模型化、代码化、工具化，从根本上优

    化制造业产品装备、生产方式、组织管理和产业生态，是实现智

    能制造的核心。2016年5月发布的《国务院关于深化制造业与互

    联网融合发展的指导意见》(国发〔2016〕28号)提出“强化软

    件支撑和定义制造业的基础性作用”，从战略和全局的高度明确

    了新时期工业软件的地位。这需要我们深化软件在新一轮产业革

    命中的地位和作用的认识，从软件定义的产品、管理、生产方

    式、新型能力和产业生态等方面深入探讨未来工业发展趋势。

    一、软件定义的本质

    2008年的国际金融危机，重创了金融业，也惊醒了制造业。

    制造业领军企业纷纷调整战略、加速转型、应对挑战，这些举措

    引发了各界对工业软件地位和作用的重新思考。

    (一)国际制造业巨头的转型

    2011年，网景公司创始人马克·安德森率先发声，提出软件正

    在吞噬世界，当智能无处不在，软件一定无所不在，无软件，不

    智能。随后，软件定义网络(SDN)、软件定义存储(SDS)等

    新理念和新技术不断涌现，商业化步伐不断加快。人们需要思考

    一个问题：在万物互联(IoE)时代，当越来越多的产品成为智

    能产品的时候，“软件定义”的理念是否会从IT产品走向工业品？

    IT产业的竞争规则是否会延伸到制造领域？

    在过去的120多年，GE公司面对全球工业革命带来的机遇和

    挑战，能勇立潮头、把握机遇、变革创新。2015年GE成立GE数

    字集团，在全球拥有15000名软件开发人员。展望未来，GE前任

    董事长杰夫·伊梅尔特认为，“到2020年GE将成为全球十大软件供

    应商之一。”他提出，“未来每个工业企业也必须是一家软件企

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com业。”一个销售额将近1500亿美元的工业巨头，决心成为软件供

    应商——这给传统工业企业提出来一个重大的转型命题：面对全

    球新一轮技术变革和产业革命，工业企业有必要成为软件企业

    吗？软件在工业企业转型中将扮演什么角色？工业企业如何转型

    为一家软件企业？

    在过去的160多年，西门子引以为豪的是曾经引领全球的工

    业2.0、工业3.0变革，目前它正试图巩固和加强工业4.0全球领导

    者地位。在过去的10年，西门子一直默默地围绕如何构建软件竞

    争优势进行全方位的战略布局，其秉持补短板、全谱系、体系

    化、生态化、融合化的理念，先后斥巨资收购UGS、LMS、CAMStar等一批研发设计工具、产品全生命周期管理、制造执行

    系统等工业软件。西门子最近10年来的战略收获是：2014年成立

    数字化工厂集团——“全球智能制造软硬件整合解决方案提供

    商”。如此大体量的工业企业，GE和西门子都在毫不犹豫地转

    型，踏上引领和支撑未来制造的工业软件之路。看不见的软件，正在成为工业的全新筋骨。这是否像过去的100多年一样，西门

    子又一次在全球产业转型的拐点上做出一次新的战略部署？中国

    如何构建一个完整的工业软件谱系，支撑中国制造业的战略转

    型？

    在过去的130多年，博世(BOSCH)作为全球最大的汽车零

    件供应商，积极把握新一代科技革命带来的机会，致力于自动

    化、数字化、智能化转型。2008年博世专门成立软件创新业务部

    门，并通过收购Innovations Software Technology和Inubit不断拓展

    软件技术和服务能力。面对未来，博世提出了以软件平台为核心

    的“慧连制造”解决方案。正如博世集团董事会主席沃尔克·邓纳尔

    指出的，“未来工厂是灵活的、网络化的、智能的，在那里人、机器和产品能够相互沟通、相互配合。”而这一切，都需要通过

    应用软件对整个生产流程进行云化和再造。看不见的软件，正帮

    助博世从一家重型工业企业向平台服务综合解决方案厂商转型。

    罗兰贝格公司的专家在谈到工业4.0时曾指出，未来的工业竞

    争存在两种可能的情景：软件革命和硬件进化。软件革命的情境

    是，来自硅谷的国际ICT巨头或新兴企业，以ICT产业领域的技术优势、竞争规则和商业模式重整制造业，通过构建制造业平台、解决方案和产业生态，掌控消费者，从而掌握制造业发展的主导

    权，美国通过强化这一领域自己独特的竞争优势将形成对传统欧

    洲制造企业的全面领先，也将对中国制造企业构成巨大挑战。硬

    件进化的情境是，传统制造业进一步强化核心工业技术的竞争优

    势，更加高效地解决传统工业体系封闭、分散、碎片化的问题，化解软件革命所带来的新生产模式的挑战。

    谷歌、特斯拉与德国宝马、奔驰围绕下一代汽车市场主导权

    的竞争，是软件革命和硬件进化两种可能情景最好的阐释。德国

    宝马公司成立于102年前，2017年宝马在全球销售了246.35万辆汽

    车，营业收入1124.24亿美元，净利润约99.12亿美元。2003年成

    立于美国硅谷的特斯拉2017年仅销售了10.32万辆汽车，全球营业

    收入118亿美元，亏损了22亿美元。2017年特斯拉汽车销量仅相

    当于宝马的4.2%，销售额约为宝马的10.5%，公司自成立以来尚

    未盈利，但特斯拉的市值已达了宝马的105%，如表4-1所列。企

    业市值估计是资本市场对企业发展前景的判断，在制造业竞争格

    局演化的过程中，资本市场对软件革命和硬件进化的未来情景给

    出某种阶段性的判断。

    表4-1 宝马和特斯拉企业经营情况比较

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图表来源：根据相关企业财报整理

    (二)中国领军企业的探索

    国内一批市场敏感的制造企业也察觉到了这种转型发展的机

    遇，开始进行软件产业的战略布局。十多年来宝信、石化盈科代

    表脱胎于制造企业的软件服务商，以系统解决方案为切入点，已

    经发展成为行业龙头企业。

    伴随着新一轮产业革命的兴起，制造企业围绕软件的布局不

    断加快。2014年年初，陕鼓集团成立致力于提供全智能化解决方

    案的智能信息科技；徐工集团成立徐工信息，定位为智能化整体

    解决方案提供商和两化融合咨询服务厂商；2016年海尔集团成立

    智能研究院，打造家电行业软硬件整体解决方案；安世亚太的精

    益研发体系与苏氏工业领先的精密制造技术集成，携手打造基于

    仿真和精密制造的新生产模式，释放了基于仿真技术进行产品再

    设计的潜力。

    这带给我们的思考是，强化软件开发能力是不是制造业企业

    转型的新支点？拓展软件能力和业务是锦上添花，还是领军企业

    转型升级的必然选项？

    作为中国机床行业的领导厂商，沈阳机床在2016年推出了i5

    机床，其战略意义不仅在于填补了中国机床工业数控系统的短

    板，更为重要的是，它建立了一套全新的商业生态体系。这是一

    张企业参与全球机床行业主导权竞争的入场券，展示了中国企业

    对复杂智能产品的定义能力，也正在重构全球机床产业的竞争规

    则和产业生态。i5机床引发的思考是，复杂智能产品的竞争格局

    将如何演进？操作系统是否是构建复杂智能产品生态系统的基

    石？生态系统的竞争是不是智能制造竞争的制高点？

    (三)工业软件的本质

    带着这些问题，我们需要从工业软件的视角，来审视未来工

    业的变革方向。我们反复思考的问题是，什么是软件？软件的本

    更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com质是什么？软件如何支撑和定义制造业？一部工业革命300多年

    的发展史，就是一部人类社会如何创造新工具，更好地开发资

    源、不断地解放自己的发展史。信息通信技术牵引的新一轮工业

    革命，推动了人类生产工具从能量转换工具到知识和智能工具的

    演进，从开发自然资源到开发信息资源拓展，从解放人类体力到

    解放人类脑力跨越。其背后的逻辑在于构建一套赛博(Cyber)

    空间、物理(Physical)空间、意识(Human)空间的闭环赋能体

    系：物理世界运行—运行规律化—规律模型化—模型算法化—算

    法代码化—代码软件化—软件不断优化和创新物理世界运行(见

    图4-1)。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图4-1 软件的本质：物质世界运行的代码化

    图表来源：根据走向智能研究院执行院长赵敏的报告整理绘制

    软件是一系列按照特定架构组织的计算机数据和指令的集

    合，本质是事物运行规律的代码化，是指导甚至控制物理世界高

    效、有序乃至创造性运转的工具，是工业和商业技术体系的载

    体，也是人类经验、知识和智慧的结晶。软件开发过程中最重要

    的逻辑就是if…then…，其核心理念是如何将现实世界可能出现的

    各种不确定性状态，通过“数据+算法”的分析判断转化为确定性

    选择，通过对这一逻辑结构的不断组合、嵌套，软件能够在现实

    世界中建立起一套认识、理解、化解不确定性的方法论(见图4-

    2)。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图4-2 软件开发将不确定性转化为确定性

    图表来源：作者自绘

    工业软件是人们对工业研发设计、生产制造、经营管理、运

    维服务等全生命周期业务环节认知规律的模型化、代码化、工具

    化，是工业知识、技术积累和经验体系的新载体，是实现工业数

    字化、网络化、智能化的核心。数字化正在从研发手段、管理手

    段、服务手段等环节走向产品、设备本身，各种芯片、传感器、智能微尘等都具有数字化计算内核(嵌入式系统)；网络化正在

    从物质(机械，如螺栓、导线)连接向能量(物理场，如传感

    器、WiFi)连接、信息(数字，如比特)连接，甚至意识(生物

    场，如意识)连接演进；进而，当网络无处不在、知识沉淀为数

    据和软件、信息可以在任何场景下以数字化形式调用时，智能化

    得以实现。

    根据麦肯锡发布的研究报告，在机电一体化系统开发过程

    中，软件开发在软件、电气、机械开发中占用的成本，从20世纪

    80年代的10%增加到2010年的40%左右，如图4-3所示。软件变得

    越来越复杂，耗费在软件开发、升级、维护方面的工作量越来越

    大。赵敏认为，在物理空间是“一代材料，一代装备”，在赛博空

    间已经是“一代软件，一代装备”，软件发展速度要比材料发展速

    度快得多，工业软件已经不仅仅是单纯的软件，而是变成了具有

    工业品意义的“软零件、软部件、软机器、软装备”，世界正在以

    软件的速度发展。更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图4-3 在机电一体化系统开发过程中软件、电气、机械的成本占比

    图表来源：根据麦肯锡研究报告整理绘制

    软件扩大了产品的边界，改变了人与产品的交互方式，让产

    品的功能更加柔性、更加人性；软件让无序的组织走向规范，给

    僵化的流程注入活力；软件让困惑者觉醒，不断拓宽转型的视

    野，让观望者自信，找到奋力前行的工具。基于这样一些基本认

    知，人们可以从工业产品、企业流程、生产方式、企业核心竞争

    力和产业生态5个角度，重新审视软件的价值和作用。

    二、软件定义产品

    万物互联时代正在到来，可感知、可计算、可交互、可追溯

    的智能互联产品正在向我们走来，从计算机到可穿戴设备，从消

    费品到工业品……预计到2020年数以百亿计、千亿计的智能互联

    网产品将重新塑造人们的生活行为和方式，重新定义社会的商业

    模式，重新构建企业的制造体系。伴随着产品智能化步伐的加

    快，软件支撑和定义智能互联网产品功能、结构和价值的作用将

    不断凸显。如表4-2所示，从国外波音系列到我国的飞豹、预警

    机、运20的研发，均离不开软件的支撑。

    表4-2 国外和国内飞机使用系统软件的时间起点更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图表来源：引自中航工业集团信息技术中心首席顾问宁振波《从复杂的飞机制造业

    看数字化制造》

    (一)软件定义产品功能

    万物互联时代正在到来，通过与硬件技术集成，产品的功

    能、灵活性、易扩展性、安全性、可管理性正通过丰富多彩的软

    件来展现，软件在产品功能演进中将扮演越来越重要的角色。软

    件定义产品功能的过程如表4-3所示。

    表4-3 软件定义产品功能更多免费电子书请搜索「慧眼看」www.huiyankan.com图表来源：作者自制

    主要体现在以下三个方面。

    (1)定义产品功能。在电子产品功能发展演进的历史进程

    中，软件日益成为产品功能构成的核心要素。在过去的60年，计

    算设备每10年都会开发出新的产品形态，从大型机、小型机、微

    型机、笔记本、智能手机一直到智能穿戴，伴随着硬件性能的持

    续提升，软件版本的升级即产品功能的演进，操作系统定义了不

    同时代计算机的基本功能。传统功能手机向智能演进的标志是构

    建一个新的基于移动互联网的操作系统，一部智能手机的功能是

    否强大更多取决于App是否丰富：从社交游戏到商务旅游，从电

    子商务到音乐娱乐，从办公系统到视频会议，无所不及。对许多

    电子产品而言，软件功能即产品功能。

    (2)增强产品效能。与软件直接定义计算、网络、存储等

    电子产品功能不同，软件与传感器、芯片、网络等技术一起持续

    提升传统产品效能。在装备制造领域，数控机床在过去的60年经

    历了六代产品的演进更替，而数控系统在提升产品 ......