1.1 工業革命的歷史

人類從農業社會步入工業社會的歷史只有250年。在此期間，經歷了三次工業革命，目前正在發生的是第四工業革命。下面我們一起來看看工業革命的歷史。

1.1.1 工業1.0

第一次工業革命，發生在1760—1840年，起始于英國，波及歐美主要國家。1765年，珍妮紡紗機的出現，標志著工業革命在英國乃至世界的爆發（圖1-1）。18世紀中葉，英國人瓦特改良蒸汽機之后，一系列技術革命引起了從手工勞動向動力機器生產轉變的重大飛躍，大大提升了生產效率。在第一次工業革命時，紡織行業從雇傭人數、投資額度和產值工業等方面來講都是第一大產業，也是工業革命影響最為顯著的行業。到1830年，一個操作紡紗機的英國紡織工人其產量20倍于一位進行手工操作的中國同行，而一臺英制蒸汽動力的“騾”式紡紗機，其產量相當于200臺手紡車。機械化使英國紡織行業的生產效率從1760年到1830年提升了400倍。統治世界的中國棉布，很快就被物美價廉的英國布替代。男耕女織的中國經濟模式徹底落后了。中國沒有參與第一次工業革命，在世界經濟中的份額由1800年的33.3%快速下降到1860年的19.7%，被英國的19.9%超越。英國成為名副其實的“世界工廠”。

圖1-1 珍妮紡紗機和大型紡織工廠

第一次工業革命過程中積累了大量的資金，通過金融創新的方式來支持技術發展和基礎設施建設。由于機械化需要大量的鐵、機械加工技術和工具，冶金技術和化學科技取得了長足的進步，大量的生產資料和產品的運輸促進了道路和運河的修建。

第一次工業革命帶來的另一個巨大影響是：人類歷史上第一次實現了人口和生活水平的同步增長。在之前的歷史中，人類重復著經濟發展—人口膨脹—資源緊張—戰爭—人口大量減少、休養生息、經濟發展的循環。英格蘭和威爾士的人口從1740年的600萬增長到1901年的3050萬。歐洲人口從1800年的1億人，增長到1900年的4億人。同期，人類生活水平大幅提升，廉價的布和食品滿足了人們的基本需求。另一個文明的標志是：通過立法禁止童工。在工業革命初期，由于童工廉價，童工得以被大規模的使用。一個4歲的小孩在工廠要工作13個小時才得到成人工資的10%～20%。到1844年，第一部禁止童工的法律誕生，使用9歲以下的童工是非法的，18歲以下的童工工作時間不能超過12小時，不能夜間工作。英國工廠里的童工如圖1-2所示。

圖1-2 英國工廠里的童工

第一次工業革命具有劃時代的歷史意義，對人類社會的演進產生了空前的影響。它為新生的資本主義制度奠定了堅實的物質基礎，促使歐美諸國先后實現工業化，由農業國變成工業國。它為英國提供了歷史機遇，英國利用了工業化的先發優勢，確立了“世界工廠”的地位。

總結一下，第一次工業革命的重點見表1-1。

表1-1 第一次工業革命的重點項目

1.1.2 工業2.0

第二次工業革命發生在1870—1920年，以電氣化、集中控制的大規模生產和標準化生產線為特征。最為典型的標志是福特汽車公司通過電氣化、標準化生產線，大規模生產T型車，大幅降低了汽車的售價，使每一個工薪家庭都可以買得起。

第二次工業革命中，制造和生產技術的進步使得全球很多地方可以廣泛采用已有的技術系統，如電報和鐵路網、燃氣及水的供應和污水處理系統，它們此前被集中到一些特定的城市。鐵路和電報線在1870年以后極大擴容，逐漸形成第一次全球化的新浪潮。在同一時期，引入了新的系統，最顯著的是電力和電話。第二次工業革命一直持續到20世紀早期的，重點見表1-2。

表1-2 第二次工業革命的重點項目

在福特制造汽車的年代，兩個問題阻礙著汽車被廣泛使用，一個是汽車被的質量很不穩定，另一個是汽車生產的每個步驟都需要優秀的工程師和技術熟練的工人來完成，并且處于一種低效的作坊式生產模式，交期很長，成本高企。福特重新設計了汽車的生產體系，把工程師的知識通過機械和工具的標準化到生產的作業過程中，經過工序的細化和分工，每個工人的作業簡化為幾個標準的動作。一個新員工，經過簡單培訓就可以上線。把工程師從生產線上解放出來，用他們的知識和智慧不斷優化生產工程技術體系以及產品的設計。電影《摩登時代》生動地展現了這個場景。變革的成果就是，生產效率大幅提升，質量顯著提升，成本大幅下降。一輛T型車的售價從1910年的780美元降到了1924年的290美元。福特T型車生產線如圖1-3所示。第二次工業革命的重點項目見表1-2。

圖1-3 福特T型車生產線

生產效率的提升，交通網絡的形成，工業和農業產出的增長，大幅度地降低了幾乎所有商品的價格，導致很多企業倒閉，這個時期被稱為世界經濟增長引起的大蕭條。誠然，隨著第一、第二次工業革命使一大批農民失去了土地，一大批紡織工人失去了工作，一大批企業倒閉。但是，工業革命又創造出一大批新的行業和工作機會，1850年開始有了第一家煉油廠，1840年產生橡膠工業，1860年開始建造鐵路而產生的鐵路運輸行業以及和電相關的發電、照明、通信、電動機等。

中國是第一次工業革命和第二次工業革命的看客，這造成了中國經濟嚴重落后，中國人民生活水平嚴重落后。中國經濟占世界經濟的比重從1800年的33.3%下降到1949年的1%。

1.1.3 工業3.0

第三次工業革命發生在1970年并延續至今，以計算機（PC）、可編程邏輯控制器（PLC）和單片機等信息技術推動的自動化為特征。1969年，在Modicon公司的實驗室里研究出第一臺PLC，1970年，第一臺工業PLC應用在通用汽車的生產線，以此為標志的工業自動化開始全面興起。基于可編程的控制器或者計算機來控制設備運行，再加上傳感器來感知環境，就形成了感知、判斷行動的閉環。電子硬件和軟件技術在生產制造中的應用，讓自動化設備的能力得到空前的發展。德國和日本的工程師文化造就的制造工程技術方面的領先優勢，在自動時代充分地發揮出來，它們成為自動化水平最高的兩個國家。從而使得兩個國家在應對人力成本逐步高企的競爭中，用自動化設備和機器人替代人工，在高端制造業中保持著競爭優勢。第三次工業革命的重點如下表所示。

通過編程，工程師可以構建模型，通過專業知識判斷，參數化的程序進行判斷，通過執行器來指揮設備的運行，再加上電子硬件技術和軟件技術快速進步，自動化徹底改變了制造業的競爭規則，啟動了一次深刻的工業革命。第三次工業革命還在進行中，目前中國的制造企業已經深刻感受到來自歐美同行的競爭壓力。

機器人是這個階段的主要標志。目前工業機器人的功能越來越強大，應用越來越廣，成本越來越低。2014年起，中國是世界機器人第一大市場，機器換人得到政府財政的大力支持，企業也嘗到了用機器人代替人的甜頭。但是截至2014年底，中國機器人保有量只有日本的18%、德國的35%。

第三次工業革命的重點項目見表1-3。

表1-3 第三次工業革命的重點項目

1.1.4 工業4.0

工業4.0就是第四次工業革命。它由德國政府的高科技戰略項目組在一個喝著咖啡的小型聚會上提出，這個項目旨在推進制造業的信息化。在2011年漢諾威工業展中，工業4.0作為術語第一公開使用。在2013年4月8日漢諾威工業展前，項目組提交了工業4.0的最終報告，并被確定為德國國家重點戰略。

工業4.0是一系列信息技術創新在制造業的應用集成。它基于物聯網的物理信息系統，促成了智能工廠的形成。在基于模型化構建的工業4.0智能工廠中，物理信息系統監控物理流程，創造一個和現實世界同步的虛擬物理世界，并通過虛擬世界來優化和控制現實世界。把基本的運行控制決策本地化，實現分布式決策。通過物聯網、物理信息系統讓人、設備、產品和物料彼此實時鏈接協作。通過服務網、內部的和跨組織的服務可以實時由價值鏈上的參與者為客戶提供服務。

提出工業4.0的這批專家是干什么的呢？什么背景促使他們提出了工業4.0的概念和理論，并促成了德國和歐盟為之傾心，每年歐盟要投資1400億歐元用于工業4.0的轉型？

德國人工智能研究中心是工業4.0的首先提出者，其中被譽為工業4.0之父的是人工智能研究中心的總裁德特勒夫博士（Dr.Ing.Detlef Zühlke），他帶領團隊研究信息技術推進制造業的進步。其中幾個關鍵的課題分別是：

（1）知識基礎管理。這個項目致力于使人類在某一領域的知識，通常來自某一特定領域的專家群，通過構架模型，讓系統能夠復制這一領域中的最佳實踐。人類的知識用“IF-THEN”的邏輯構建模型，用于語義網的應用，來操控制造體系中的設備運行、生產技術工程等。

（2）神經網絡。這個類型的項目模仿人類大腦的運行模式，用一個網絡把輸入的外部刺激信號（如在設備運行中的一個運行參數的設定和變化）與輸出結果信號（設備運行效率、產品質量）連接起來。這項技術廣泛應用于分析和優化的場景。用大量的歷史數據來“訓練”網絡，自動優化網絡的大量參數設定。

（3）模糊邏輯。它研究不確定或模糊的信息表示和處理，例如客戶希望一輛車“相當豪華”，對于判斷類（如“奢侈”和“經濟”）量化的信息，在數學建模或目標設定中得以使用。

（4）基于案例推理。該系統的智能組件包含了過去的問題和歷史（成功的）解決方案的應用。未來的問題可以通過類比過去的案例來參考，迅速定位最有效的解決方案。下一個步驟是通過在“案例庫”中更新解決方案，以及學習被證明是成功的那個解決方案。

這些技術在制造業中的應用是工業4.0的基因。如果我們想充分理解工業4.0就不得不了解這些技術。在本書中對工業4.0技術、案例和原理的闡述，會讓您深刻理解這一點。

工業4.0是將一系列信息通信技術在制造企業業務流程應用中的大集成。其中主要包括：

（1）以內嵌式系統發展而來的物聯網技術。

（2）虛擬現實軟件技術。

（3）各個領域基于知識的建模技術。

（4）大數據和大計算技術。

（5）語義網技術。

（6）移動互聯網技術。

基于這些技術集成的稱為信息物理系統的整體技術在制造業的廣泛應用，使企業經營模式發生了革命性變革。具體特征是：智能工廠、社會化生產、大規模定制。給客戶帶來的是按需量身定制的、高質量的、低價格的產品和服務。企業可以實現零庫存、低成本、高效率、綠色生產運營。工業4.0的重點如下所示。

第四次工業革命的重點項目見表1-4。

表1-4 第四次工業革命的重點項目