全球视角下未来制造业的三元能力建设：
智能制造对我国的战略意义解析
一、制造业的战略地位
近年来，发达国家大力推进再工业化与制造业回归。2011年6月，美国正式启动“先进制造伙伴计划”，旨在加快抢占21世纪先进制造业制高点。2012年2月进一步推出“先进制造业国家战略计划”，通过积极政策，鼓励制造企业回归美国本土。2012年3月，奥巴马首次提出建设“国家制造业创新网络”。2013年1月，美国总统执行办公室、国家科学技术委员会和高端制造业国家项目办公室联合发布了《国家制造业创新网络初步设计》，投资10亿美元组建美国制造业创新网络，集中力量推动数字化制造、新能源以及新材料应用等先进制造业的创新发展，打造一批具有先进制造业能力的创新集群。与德国不同，美国将工业4.0概念被称之为“工业互联网”。
欧盟也及时部署。欧洲各国在2030再工业化战略中将努力探索如何开拓绿色制造业、价值链中的制造业、知识与信息时代的制造业等问题。欧洲技术发展论坛“制造业(manufacture)的未来”为欧洲制造业2020制定了路线图。根据德意志银行的报告，德国未来仍将高度依赖制造业，占本国GDP的33%，其他欧盟国家如意大利将占13%，法国10%，英国10%，西班牙7%。德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中明确提出工业4.0战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，保持德国的国际竞争力。2013年4月，德国机械及制造商协会、德国信息技术、通讯与新媒体协会、德国电子电气制造商协会合作设立了“工业4.0平台”，提出德国向工业4.0转变需要采取双重策略，即德国要成为智能制造技术的主要供应商和CPS技术的领导者。
各国大力推动制造业振兴的背景主要有五点：一是制造业直接影响各国在全球的竞争力。2002年，哈佛大学商学院战略系教授迈克尔•波特教授在对美国经济发展路径的反思中，多次谈到发展本地经济和可贸易经济(traded economy)的重要性。可贸易经济以制造业为核心，通过国内制造和国际销售，在国际市场获得高收益的同时提高国民收入，同时提供更多就业机会。2008年的金融危机证明卓越制造业的抗风险能力，对国家经济稳定和安全具有重要作用。二是制造业与就业高度相关。2012年美国总统科学顾问委员会发布的《在先进制造领域获得国内竞争优势》报告中提到，美国制造业就业从1960-1990年的1700-1800万人下降到2010年的1200万人，美国在去工业化过程中对以先进制造为基础的技术投入落后于德国、韩国、日本和中国，制造业的萎缩直接影响了美国国际竞争力和国家创新能力。另据德意志银行的报告，由于制造业外包，经济合作与发展组织(OECD)成员国占全球GDP比重不断下降，欧洲在去工业化过程中GDP损失了本该有的1/3，未来30年将失去近1/3的就业机会。再工业化是对去工业化的校正。三是制造业对国家安全具有战略意义。从军事和国家安全角度考虑，制造业可以确保产品的可靠性、安全性和真实性（特别是电子类产品）；同时，还能保证国家需求的自给自足。四是先进制造与创新相互关联。全球拥有先进制造业的地方，同时还吸引了更多研发人员参与。研发与制造在地理位置上的共生是创新经济的基础，特别是在创新的初始阶段。在美国，部分人认为美国可以专注于研发，将劳动密集型的制造工作转移到发展中国家。但近年来的研究表明，制造业外包将同时导致研发能力的衰减和制造业的丧失，使创意更难产生。五是制造业对税收的贡献，制造业外包导致税收难以回到国内。
二、未来制造业的三元能力
世界主要发达国家再工业化进程已经毋庸置疑，但关键问题是，未来制造业将以何种模式发展将决定它的竞争力和战略价值，我们看到，一系列新的概念在不断涌现，如工业4.0、CPS、智能制造、工业互联网、产品互联网、物联网、工业机器人、3D打印等，在这些概念背后，都有一个共同的特征，就是网络信息技术、人工智能与制造业的深度融合。在这些概念中，我们特别重点关注上述技术对制造业的影响是局部、静态和技术连接层面的，还是整体、动态与社会体系层面的。
为了解决上述关注，我们特别研究了CPS（Cyber-PhysicalSystem）框架及相关研究。CPS的概念是2006年由美国科学家Helen Gill在美国国家科学基金会上提出，很快引起美国政府、学术界和产业界的高度重视，2007年美国总统科学技术顾问委员会(PCAST)提交总统的报告《挑战下的领先—竞争世界中的信息技术研发》中，提出了未来具有重要影响的8项关键信息技术，CPS位居首位。欧洲联盟在2008年启动的嵌入式智能系统的领先研究与技术项目中，CPS作为智能系统的一个重要研究方向。根据Helen Gill的看法：CPS是网络世界与实体世界的融合，通过多种方式与人类进行互动的新一代系统。美国国家自然科学基金委员会(NSF)对它的定义是：CPS是“计算资源与物理资源间的紧密集成与深度协作”；Lee等人提出CPS是“实体资产与计算能力之间互联管理系统的转型技术(transformative technologies)。它通过嵌入式计算机和网络实现对物理流程的监控，通过闭环反馈回路相互影响。”CPS的发展源自传感器、数据获取系统和计算网络技术成本的下降，可获得性的增加，以及传感器和网络机器产生的大数据；同时，CPS能够实现管理大数据、提升机器互联、建设智能化、提升对设备管理弹性和自适应能力等目标。如果将CPS与生产、物流和服务进行集成，可以将工厂转型为工业4.0的工厂，真正实现用高科技手段和方法管理工厂。”
目前国内外对CPS的研究重点是技术视角，社会视角的研究刚刚起步。技术视角关注系统设计、整体架构、技术认证、技术标准、应用评估、系统特征、模型、安全等视角，其研究关键词按出现频率降序排列为信息技术集成、物理集成和ICT系统组件、智能制动、智能感知技术、嵌入式系统、分布式系统、高可扩展性系统和系统能力、实时系统、智能和智能并行。
社会视角则更多关注CPS的管理机制、产业应用和竞争空间。从管理机制看，CPS的发展受到政策、机制、总体设计架构和平台、标准、产业推进、安全可靠性、跨越数字鸿沟的工程设计、协作网络与人机交互、人才培养等因素的影响。从产业应用看，CPS的将对产业互联网与工业互联网产生巨大影响，在美国，这种影响将重点发生在七个产业，分别为制造业（智能生产设备、流程、自动化、控制、网络和新产品设计）、交通系统（智能汽车和交通控制，智能结构和道路）、基础设施（智能网格和智能建筑结构）、健康医疗（身体网络与辅助系统）、紧急响应（识别和健康系统、通讯网络、紧急响应设备）和国防（士兵设备系统、武器系统、系统体系、后勤保障）。从竞争空间看，重点关注发展国家领先制造业的战略是什么、最前沿的技术创新领域、如何推动政府、大学与产业的深度合作以加速新知识的产生和应用。由于CPS具有在空间和时间维度感知和处理外部环境复杂性的能力，因此、它绝不仅仅是局部和静态的技术解决方案，而是对制造业的硬件设备、工厂、移动设备、物流、服务和人和过程进行连接、整合、分析和动态调整，具有鲜明的跨界特征。它的空间“连接”和智能化能力将会对全球未来再工业化竞争路线、模式、管理和运营产生长远而深刻的影响(董小英2016)。以CPS三个字母为核心的三元体系，构成了未来制造业的三元能力：
第一元能力是实体空间的数字化能力。数字化能力代表将实体空间要素（包括设备、移动终端、工厂、流程、服务等供应链中所有环节）进行数字化呈现与连接的能力。数字化连接的广度、深度和速度对未来制造业的运营效率至关重要。在CPS连接体系架构中，由感知设备（如传感器、感应器、分布式控制器等）、嵌入式计算设备(如分布式控制器)、企业制造控制系统（如ERP\MES\SCM和CMM），将过程中的行为和状态以数字化的方式呈现，当信息基础设施配置在适合的时空位置上时，数字可以脱离实体载体存在，在网络空间实现即时聚集、整合和传播，大大改变了嵌入在设备、流程、生产、物流和服务过程中的信息的采集、加工、处理和传播方式，逐步实现万物互联。
第二元能力是网络空间数据整合分析能力。实体空间要素被数字化通过信息基础设施传输被集成到网络空间，网络空间的能力有两个层面，一是对数据进行集成分析后增值的能力，二是在大数据基础上发展人机智能的能力。掌握这两种能力的企业演化为新型平台企业和数字生态系统。从增值能力看，在信息中心汇集海量信息基础上，每台互联机器的信息都被推送到此并形成机器网络，通过数据挖掘和分析可以对每台机器状态的进行比对和洞察，由此，机器具有了自我比较能力。每台机器的表现都能够在整个体系中进行排序和比较，通过记录机器运行的历史数据和对数据的追溯比较，预测机器未来的状况。资源集成主体通过网络空间集成信息的能力对实体空间的进行管控，掌握领先集成资源的组织能够整合其他资源。从人机智能看，随着机器学习、深度学习、人工智能等认知技术和人工智能的发展，掌握数据资源的组织具有模拟与综合集成、远程可视化、协同诊断的能力，计算机智能拥有了全面监控系统的知识和能力，同时能帮助实体空间做出正确决策。由于网络层资源密度带来的信息集成广度、深度和速度优势，认知层的智能决策能力大大超越了实体空间人类的决策能力，由此构建核心竞争优势。
第三元能力是网络-实体空间交互能力。在认知层的指导下，智能系统从网络空间将信息反馈给实体空间，通过指导性控制使机器具有自适应和自配置能力，机器通过弹性控制系统(RCS)做出修正性和预测性决策。包括传统生产顺序的改变；通过软件实现并行工程开发和商品制造的提速(Boehm and Turner 2002)；地点配置指数字化和网络改变了地点的概念，使生产企业与消费者、合作伙伴、供应商之间建立全球网络，消费者和使用者有机会参与到产品和服务提供者的价值共创过程中；形成价值网络和商业生态。CPS实现了对不确定信息的实时可靠处理、动态资源与能力的有机协调、对环境的自适应控制，构建高度自主感知、自主判断、自主调节和自治能力，能够实现虚拟世界和实际物理世界互联与协同。在汇集海量数据和智能分析的基础上，CPS可以最大化实现其战略、商业和应用价值。
三元能力之间具有依次递进、内在关联、动态发展、动态组合等特性，依次展现了制造业未来发展的格局与路线图，需要在短、中与长期发展中构建战略认知和布局。尤其是第一元能力的建设，需要较长的时间和进程，特别是对于传统制造业来说，如何实现数字化面临着巨大的转型挑战和压力。在第二元能力构建中，新兴互联网企业拥有较多优势，但如何与传统制造业对接是一个大的问题。
三、三元能力与制造业的竞争优势
CPS系统与传统网络的区别在于：一是异构集成。CPS具备“深度嵌人、泛在互联、智能感知和交互协同”的特点，体系结构具有开放性、异构性、动态性、松耦合和多维度等特点；二是智能管控。CPS在物与物互联的基础上，CPS强调对物的实时、动态信息控制与服务，在实时性、安全性和可靠性方面的要求更高；三是交互适应。自主适应实体环境的动态变化，必须满足实时性、可靠性和安全性方面的要求。
从智能制造到智能管理。CPS能够使智能制造应用通过大规模异构组件构成的互联系统在工业生产的过程中进行集成化计算。这些控制系统通过控制循环，即传感器和制动器、传感器相连，和生产线交互，来提供独立的生产过程控制。这些高度集成的生产网络能够很大程度上改善工业流程的效率。在智能管理上做到：（1）通过数字控制系统，具有嵌入式自动化的过程控制、处理工具和服务信息系统，最优化工厂运作和安全。（2）资产管理，使用预测性的维护工具、统计评估和测量最大化生产的可靠性。（2）智能传感器可以消除异常现象，帮助规避不正常甚至是灾难性的事件。（3）智能系统在工业能源管理系统内部集成，在外部上用智能网格使实时能源优化成为可能。
大规模定制。CPS能够在制造业创新方面提供多种可能，主要体现在在智能产品、生产，以及产品安全、可靠和可持续性的生命周期设计方面。这些领域范围得益于CPS的概念和信息基础设施建设，包括家居、军事物流和武器系统、健康、衣服、农业、食物加工和准备、自动航空器。通过CPS组件的整合，产品需求呈现安全、可靠、“即插即用”的趋势，并呈现高度的定制化可能。
集成透明高效价值网。CPS对制造业从工厂运作到供应链的所有方面进行高度整合。产品的完全生产周期能够被追踪，包括流程、资源等，使得制造业环境灵活，能够优化绩效和效率。CPS的先进能够降低产品和系统对市场的响应时间，促进供应链的创新、竞争和弹性。由于生产更靠近原材料、科技技术中心或者客户群体，这些优势使得成本和市场能更灵活地优化，制造业的未来劳动力的工作重点和技能集中在创新和研究等核心知识领域。
与消费者深度融合的价值共创体系。在传统制造业，由于企业间信息化数字化水平较低，制造商和消费者之间信息不对称，供应链搭建起制造商和消费者之间的桥梁来应对两者之间的物理鸿沟，桥梁的中间商包括批发商、零售商等，这种供应链结构具有强关联特征，在网络空间，企业间和与消费者间的结构关系呈现出从供应链到价值网络的转化。数字化使得制造商、中间商、消费者之间可以共享信息，实现信息的对称流动，供应链通过搭建物理桥梁帮助传递信息的作用在减弱。由于信息对称性，企业可以预先获得消费者偏好并通过纵向或横向资源整合形成价值共创，消费者需求成为产业研发的一部分，随着消费需求和情景的转变，企业通过数字化而非实体连接快速形成大量松耦合结构，不相关主体根据市场需求的变化快速组合和解散，共享的信息把各方相关利益者组成价值共创网络。
四、全球竞争格局下我国智能制造的战略意义
美国战略是将网络空间的优势辐射到实体空间。美国从上世纪70年代开始构建信息产业在全球的领导地位，目前已经形成了网络与信息技术的完整生态系统，包括从部件、系统连接到云应用的产业生态与格局(ofpresident 2010)。在此基础上，美国将CPS作为构建全球产业领导力的重要引擎。根据美国标准与技术研究院2013年的报告(Ying 2013)，CPS作为新一代智能系统对美国未来的经济影响巨大。其中颠覆性技术会为未来的产业发展提供巨大的空间和引擎，创造全新的市场和增长平台，新产品和新服务会创造和保留大量就业机会。可以看到，美国的战略布局是将网络空间的优势辐射到实体空间。美国从2006年开始就对CPS未来发展中涉及的关键问题（如系统的安全性和可靠性、网络的连接、交互和人机互动、跨越数字—实体鸿沟的工程方法、CPS的架构和平台、劳动力的教育培训与技术转型）直接向美国总统禀报并展开全面布局(Ying 2013)。
德国战略是将实体空间的优势延展到网络空间。德国凭借着制造业百年积淀的技术研发、工程师文化、工匠精神、管理改善和渐进式创新基础，依托德国的连接电子工程、机械工程和信息技术的跨学科研究团队与能力，良好的教育体系，设备供应商与用户之间良好的伙伴关系，自动化方面的创新领导力和更灵活的生产方法，强有力的中小企业隐性冠军及在全球细分市场上的专业能力，将实体空间的优势拓展到网络空间。因此，德国又将CPS称为产业集成(integrated industry)(Heng 2014)，旨在通过数字化转型，实现设备、工厂、流程、服务、人与客户之间的广泛连接和集成。根据德国国家科学工程科学院(NASE)估算，工业4.0将使劳动生产率提高30%。为此，欧盟将每年投资3.4亿欧元连续10年，通过CPS相关研发实现其“世界领导者”的地位。另据弗劳恩霍夫协会与德国信息产业、电信和新媒体协会(Bitkom)的联合报告，工业4.0带给德国的总增值将达到2670亿欧元，这些贡献主要来自六个领域：机械与设备安装与运转过程（2013-2025，230亿欧元）；机动车辆与汽车零配件（150亿欧元）；信息与通讯技术（140亿欧元）；电子设备与化工产业（120亿欧元）；农业和林业（30亿欧元）。这些领域的收益将占到总增值2670亿欧元中1/3(Heng 2014)。
在新一轮制造业的国际竞争中，我国制造业面临着两翼竞争。根据工信部苗圩的看法，2010年，中国人经过150年的努力奋斗，终于重回世界第一制造业大国的位置。但在全球竞争格局下，我国制造业大而不强的问题仍然存在，在全球制造业竞争优势的阵营中，美国为第一阵营，德国日本为第二阵营，我国为第三阵营。因此，中国企业面临的压力与挑战比德美企业更大。一方面，在实体空间，中国企业面临着传统制造业转型升级的艰难挑战，在产品质量、技术含量、运营体系和品牌建设上与德国企业有较大差距；在网络空间，虽然我国的消费类互联网近年来得到很大发展，但在企业、产业和工业互联网领域，与德国和美国的企业仍有很大距离；在实体与网络连接的系统层面，美国已经建立了一定的领先优势。为了进一步缩小与领先国家的距离，我国政府相继提出的“互联网+”和“中国制造2025战略”是制造业和互联网产业同步发展的战略设计，国务院和工信部相继推出了《中国制造2025》（2015年5月，国务院）、《关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见》（2015年7月，国务院）、《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》（2015年11月，国务院）、《智能制造发展规划（2016-2020）》（工信部）、《智能制造工程》（工信部）等一系列政策指导大力推进这一进程。在这种背景下，我们建议：
一是整体规划布局三元能力建设。通过对CPS战略价值的解读，我们可以预见未来工业化进程与制造业的发展将取决于三种能力：一是数字化能力。即通过推进组织、行业和国家层面的信息化，实现实体空间资源的数字化及向网络空间聚集的能力；二是数字集成与分析的能力。既在网络空间发展领先智能资源，支持对海量数据的集成、处理、分析挖掘、决策支持与预判。三是价值共创的能力。在信息资源集成能力的基础上，我国制造业在应对环境复杂性、消费者需求个性化和情境动态化的过程中，通过发展共享经济和平台经济，以最优成本和最高效率满足客户和市场的需求，随需而变、供需匹配，，从而确保制造业的高适应性、可靠性、实时性、安全性及竞争优势。
二是通过渐进式创新强化制造业的品质与品牌。中国制造企业应该坚信卓越产品的恒久价值。从全球视野看，对产品卓越品质的追求这一价值观在互联网大潮中并没有改变。中国在大力推进发展互联网产业的同时，需要同样高度重视实体经济的转型升级与可持续发展。我们需要特别借鉴德国的经验，接受美国在制造业大量外包转移时所带来的实体经济空心化的教训。中国作为人口大国，就业问题直接关系到社会稳定和经济繁荣，应该把互联网企业与制造业作为互补的战略伙伴，而不是相互替代的竞争对手。从全球工业发展的历史视角看，我国制造业发展仍处在初级阶段，需要以坚定不移的目标、坚忍不拔的毅力和坚持不懈的努力，继续推进信息化与工业企业的深度融合，在这个过程中，一方面要扎扎实实以工匠精神打好基本功，深化技术能力，改善管理体系，加强研发投入、塑造卓越品质和品牌，把中国制造打造成象德国制造一样的有国际竞争力的产品；另一方面通过重点突破、弯道超车的机会，实现国际级水准的智能制造。
三是增强网络空间能力建设。鉴于CPS在智能电网系统、智能交通系统、航空航天电子系统、智能医疗系统、智能家电系统、环境监测、智能建筑、工业控制、国防系统、武器系统等领域的战略意义和广泛应用价值，笔者建议政府与学术界、企业通过建立联盟的方式联合进行前瞻性与应用性并行的研究与开发，利用我国的创新和市场优势，力争成为国际标准的参与者与制定者。研究的范围应是综合性的，涉及核心技术体系和架构的开发，及服务和社会体系的探索与创新。通过前瞻性战略研究，提供实体经济与网络经济共赢发展的综合性框架，为企业提供长期、稳定的政策设计与环境营造，将实体与网络经济的发展打造成互利互惠、共同发展的伙伴关系。
四是加速发展工业和产业互联网，重视相关人才培养。鼓励我国互联网企业强化在网络空间能力的转移，并在与制造业的交集领域实现能力转型与创新，推进工业互联网、产业互联网与专业互联网的发展。在政策上，支持消费类互联网利用其与客户价值共创和大数据开发的能力，通过建立聚合消费者和厂家资源的平台，形成逆向整合产业资源的“龙头模式”，从而提升制造业的运营效率及与市场动态接轨的能力，用逆向倒逼方式整合产业链，使中国的相关产业不仅在智能制造环节发力，而且能在人、设备、服务、流程等各环节连接，形成价值网络的智能化。在这个过程中，我国需要一大批在计算机、专业、创新、商业模式设计方面具有综合能力的人才，在美国，专家已建议排名在前200的大学中25%的学校设立CPS学位，本科层面的CPS项目将在2017年正式推出，通过在这一阶段的人才培养，为企业节约大约5年的培训时间。
五是持续推进企业数字化与信息化转型。企业通过信息化和数字化手段不断优化供应链、提升现有供应链价值，并在此基础上逐渐实现系统互联，为价值网络的形成打下坚实的基础。由于我国制造型企业众多、信息化和数字化水平参差不齐，三元能力的构建过程必将经历一段历史进程，这个过程要经历领导人认知模式、管理模式和业务模式的转型与变革，将遇到很多困难，政府和企业在推动信息化过程中投入了不懈努力，今天应该以更大的力度沿着这个目标走下去。
六是发挥中国的综合优势，寻求弯道超车机会。中国市场广阔，消费群体众多，消费者对产品质量的要求不断升级。在这个大环境下，我国已经涌现出小米、京东、阿里巴巴、腾讯、滴滴等互联网企业，或者用互联网思维做实体企业的范例。同时在高铁、造船、航空航天、电信设备等领域有一大批具有国际竞争力的制造型企业。建议企业之间通过建立联盟的方式共同探索工业发展的顶层设计、标准制定、路线图规划和示范模式，寻求共同推进与中国制造2025战略高度关联的基础设施、核心架构、核心技术、标准规范、软件应用、服务创新、商业生态和模式创新的探索性研究与知识产权保护，使我国在新一轮的工业化国际竞争中获得更多的影响力和主动地位。
董小英，北大本-硕-博；现为博士生导师，光华管理学院管理科学与管理信息系统系副教授，案例研究中心学术主任，中国信息经济协会副理事长，信息产业部中国信息通讯委员会委员。曾在美国哈佛大学，匹兹堡大学，澳大利亚国立大学等多所大学短期学习或做访问学者。主持联合国教科文组织、国家自然科学基金（2项）和国家社科基金项目。主要学术著作5部。发表中英文论文50余篇。研究领域包括高科技企业创新、双元能力、知识管理、信息平台与商业模式创新，传统企业互联网转型、医疗信息化平台和工业4.0。教学领域包括知识管理与创新，领导者创新思维、竞争情报与创业设计。近年来在国际和国内学术期刊上发表的深度案例研究有思科、华为、李宁、京东等企业。担任企业知识管理与创新、企业信息化方面顾问。为光华ExEd行动学习的主要倡导者和实践者，拥有为近20多家企业设计、管理和实践行动学习的实战经验。
