2011年德國初步提出工業4.0的概念，2013年在漢諾威工業博覽會上正式推出，其目的是通過應用物聯網等新技術提高德國制造業水平，建立具有適應性、資源效率及人體工學的智能工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴。目前各國正積極推進新型制造業發展計劃，工業4.0的腳步漸行漸近。
一、工業4.0相關概述
1、工業4.0的概念
德國工業4.0：網絡、計算機技術、信息技術、軟件與自動化技術的深度交織產生新的價值模型，在制造領域，這種資源、信息、物品和人相互關聯的“虛擬網絡-實體物理系統(CPS)”。
工業4.0的本質是數據，包括產品數據、運營數據、產業鏈數據、外部數據等。工業4.0的核心就是工業智能化，相關行業包括：智能機床、工業自動化、工業互聯網、高端機器人、RFID、傳感器、3D打印。
2、工業4.0的主題
工業4.0的四大主題是智能工廠、智能生產、智能物流和智能服務。智能工廠重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現;智能生產主要涉及整個企業的生產物流管理、人機互動以及3D技術在工業生產過程中的應用等。該計劃將特別注重吸引中小企業參與，力圖使中小企業成為新一代智能化生產技術的使用者和受益者，同時也成為先進工業生產技術的創造者和供應者;智能物流主要通過互聯網、物聯網、物流網，整合物流資源，充分發揮現有物流資源供應方的效率，而需求方，則能夠快速獲得服務匹配，得到物流支持;智能服務是應用多方面信息技術，以客戶需求為目的跨平臺、多元化的集成服務。
二、國際工業4.0發展分析
1、全球工業4.0發展現狀
(1)德國
2013年漢諾威工業博覽會上，“工業4.0”的理念和計劃由德國政府正式發布，描繪了制造業的未來愿景。目前，“工業4.0”計劃已經從“德國高技術2020戰略行動計劃”獲得2億歐元投資，啟動了包括“信息物理生產系統”(CPPS)在內的若干項目。此外，德國教育與研究部(BMDF)建立的“信息通信技術(ICT)2020——創新研究”計劃以及德國科學研究聯盟(FU)經濟與社會促進組(原通信促進組)發起的“智能服務——基于網絡的商業服務”也都在“德國高技術2020戰略”框架下開展，并且與“工業4.0”緊密相關，其中前者屬于“數字德國2015”ICT戰略，后者則成為十大“未來計劃”之一，2015年3月提出了終版的戰略建議報告。
(2)美國
美國提出的“工業互聯網”，旨在將人、數據與智能設備銜接，以交換數據來驅動制造業智能轉型。相比德國，美國積極推進的“新工業戰略”更加注重“軟”的方面，例如大數據、軟件、互聯網等對于傳統工業的再工業化。在美國，工業4.0就是將虛擬網絡與實體連接，通過大數據分析等來重塑制造業，形成效率更高生產系統。美國的工業互聯網范疇更廣闊，它試圖將人、數據和機器連接起來，形成開放而全球化的工業網絡。目前，美國國內80多家ICT和互聯網巨頭公司如GE、IBM、思科等企業成立了IIC(工業互聯網聯盟)，以期打破技術壁壘，為通過大數據來實現制造業的創新。美國憑借其在工業3.0的領先優勢以及互聯網和ICT先進巨頭公司的影響力正推動著全球工業4.0的發展。
(3)日本
在面對德國率先開啟了“智能制造”這一通向未來新工業革命的大門時，安倍政府也開始采取行動，制定和規劃了日本“工業4.0”的發展方向。2015年版的《日本制造業白皮書》正是日本力求贏得“全球產業價值鏈主導權”的關鍵舉措。在政界，日本經濟產業省把3D打印機列為優先政策扶持對象，投資45億日元，實施名為“以3D造型技術為核心的產品制造革命”的大規模研究開發項目;在業界，三菱電機、富士通、日產汽車和松下等日本電子、信息、機械和汽車行業的主要企業等組建名為“產業價值鏈主導權”的聯盟，共同探討工廠互聯的技術標準化，并爭取使其成為國際標準。
2、全球工業4.0戰略規劃
美國自2008年金融危機起遇到了產業空心化，鑒于在其GDP總量中服務業占比70%而制造業僅占12%的不平衡結構，美國提出“先進制造業伙伴計劃”，旨在振興“美國制造”;日本制造業產值占GDP比重達20%，日本已從國家層面上開始高度重視科技附加值高的高端制造業;德國以精益制造領先全球，提出“工業4.0”企圖再次引領新一輪工業革命，鞏固其競爭地位;中國經濟增長放緩，經濟結構調整站在了制造業轉型升級的十字路口。未來制造業將回歸各國戰略重心，成為全球經濟穩定增長的重要引擎。
三、中國工業4.0發展分析
1、中國工業4.0政策環境分析
《中國制造2025》是中國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領，于2015年5月發布，是中國工業未來10年的發展綱領、頂層設計。
《中國制造2025》提出通過“三步走”實現制造強國的戰略目標：第一步，到2025年邁入制造強國行列;第二步，到2035年我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平;第三步，到新中國成立一百年時，制造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。圍繞實現制造強國的戰略目標，《中國制造2025》明確了9項戰略任務和重點：一是提高國家制造業創新能力;二是推進信息化與工業化深度融合;三是強化工業基礎能力;四是加強質量品牌建設;五是全面推行綠色制造;六是大力推動重點領域突破發展，聚焦新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械等十大重點領域;七是深入推進制造業結構調整;八是積極發展服務型制造和生產性服務業;九是提高制造業國際化發展水平。
中國制造2025與德國工業4.0異曲同工，是布局工業互聯網的綱領性文件。不過二者也有適當差別，德國工業4.0是瞄準新一輪科技革命制定的措施，主要聚焦制造業的高端產業和高端環節。中國制造2025不是專門應對新一輪科技革命制定的規劃，是對制造業轉型升級的整體謀劃。
2、中國制造的現狀及發展分析
2016年中國是全球最具競爭力的制造業國家，中國當前的制造業規模非常大，早在2010年就超越美國成為了全球第一。按照聯合國統計，500多個產品中，220個產品中國的規模全球第一。從制造業的技術創新來看，中國近幾年進步很快。不過，2015年中國經濟增長率為6.9%，經濟放緩可能會進一步持續。由于需求下降引起工業活動不斷下滑，進而導致工廠產能過剩。中國汽車行業目前產能利用率從2009年的100%下降至70%，制造業占GDP的比重也在逐年遞減，其中大部分轉向了服務業。很顯然中國制造業轉型升級的任務非常繁重，主要的問題仍然是結構性問題：有效需求不足，使得產能過剩問題凸顯;有效供給不能完全適應消費結構升級的需要，應該提高供給側對消費結構升級的適應性和靈活性。
中國要順應“互聯網+”的發展趨勢，以信息化與工業化深度融合為主線，重點發展新一代信息技術、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械、農業機械裝備10大領域。這些領域需要投入大量的創新研發資金，需要軍工企業、大型國企、高校科研機構的通力合作。同時，中國的中小企業是中國制造業最有潛力的組成部分，它的數量占到了所有企業的99%，創造了中國60%的GDP。中國中小企業的研發創造遠遠超過大型企業，中國65%的專利，75%的發明專利及80%的新產品來自于中小企業。中國制造的未來不僅要依靠大型企業，更需要中小企業的創新和活力。
3、中國工業4.0的產業鏈分析
從工業4.0產業鏈的上游看，現代智能工廠所高度依賴的四大基礎條件--傳感器(數據采集)、大容量存儲(數據存儲)、大數據計算能力(數據處理)和工業以太網(數據通信)，以及執行單元-智能機器人，均是工業4.0實施的關鍵要素;產業鏈中游包括軟硬結合的行業解決方案提供商、智能工廠解決方案設計方，由于在中國大部分行業并沒有成熟的智能工廠解決方案，先進入者往往具有較強的先發優勢，在細分行業形成較高進入壁壘;從產業鏈下游看，接受工業4.0改造的產業和廠商將大幅節省勞動成本、提高生產效率、提升客戶體驗，增強制造廠商的競爭優勢。
4、中國工業4.0發展優勢分析
中國工業體系具備拓展工業4.0的明顯優勢，主要體現在以下三個方面：
(1)中高端人力資源優勢。智能化生產將使人擔當更有挑戰性的角色，如創新、規劃、監督和協調機器的運作。知識型員工需求的大幅上升，將成為工業智能化的可持續性支撐，而中國是此類中高端人力資源的“富礦”。據統計，2015年初我國科技人力資源總量約為8114萬人，仍然保持世界科技人力資源第一大國的地位。
(2)完整齊全的工業體系。中國工業如今在競爭中的優勢已更多的體現在擁有完整的供應鏈條上。中國是世界上唯一擁有聯合國產業分類中全部工業門類的國家，形成了“門類齊全、獨立完整”的工業體系，這個龐大完整的工業體系依托眾多工業企業的集聚效應而具備了高度靈活性。
(3)全球最大的需求市場。中國不僅是重要的產品生產國，還是世界最大的消費市場之一，這種雙重角色將使國內市場與工業生產產生更為強勁的互動，促進社會經濟發展，并有助抵御世界經濟波動的沖擊。
5、中國工業4.0發展進程分析
據2015年底發布的《中國工業4.0進程報告》顯示，超過一半的企業已經對工業4.0的整體概念有了一個較為全面的認識：其中31.13%的企業認為工業4.0是引導新一輪技術的變革，22.87%的企業認為它將是面對行業危機的必然轉型之趨勢。其中，最認同的工業4.0的特點，最多選擇的前四個選項分別是智能化(16.78%)、數字化(13.82%)、互聯化(12.83%)、物聯化(12.41%)，顯示出中國制造業企業對工業4.0的認知程度已經達到了一個較好的水平。可以說智能化是制造業追求的最高境界，同樣也是最難實現和最大投入的。從技術實現的路線圖看，數字化、互聯化和物聯化是第一步，大集成是第二步，之后才是智能化。目前已經有很多企業都認可工業4.0的愿景，并積極地投身實踐，調查顯示，已經開始投入到工業4.0變革的企業占到43.92%，未來三年內開始投入的企業占到32.43%，沒有考慮的只有14.86%。
自動化與智能設備是實現工業4.0的基礎。工業4.0的升級改造必須建立在自動化的結構上，這點得到了大多數企業的認同。其中17.14%的企業選擇更新自己內部的生產設施，加強自動化與智能化，16.43%的企業選擇升級MES/ERP軟件系統，而在工業4.0最為關鍵的大數據、數字化、物聯網、云制造等方面投入的企業相對較少，分別只有7.04%、6.34%、6.10%和5.87%，顯示出中國企業在進軍工業4.0領域時漸進而突變的特點。云制造、大數據需要整體行業的配合和沉淀，目前還處在前期探索階段。
6、中國工業4.0發展難點分析
工業4.0是由大規模批量生產向大規模定制生產轉變，是由集中生產向網絡化異地協同生產轉變，是由傳統制造企業向跨界融合企業轉變。但是，實現工業4.0尚存以下4方面的難題：
(1)標準化。工廠要對內外各種物品與服務進行聯網，那么通信方式、數據格式等許多內容都需要標準化。我國在推進信息技術與工業深度融合的具體實踐中，也應高度重視標準化在制造業發展中的引領作用，及時出臺“兩化融合”或“兩化深度融合”的標準化路線圖，盡最大可能實現標準的國際化，使中國標準得到國際上的廣泛采用。
(2)復雜的系統管理。邁向工業4.0的道路上，生產過程與各種業務管理系統協同之后，系統整體會更加復雜化，對其進行管理將更為困難。為此，需要實現“制造系統的橫向、縱向集成”和“工程端到端的集成”。橫向集成主要解決企業和企業之間復雜系統管理，實現信息無縫的交流;縱向集成主要解決企業內部的復雜系統管理，在企業的研發、設計、制造、驗證、物流、交互各環節，所有的信息都無縫隙、高效、順暢地傳遞;端到端集成主要解決貫穿整個價值鏈的工程化信息系統集成的復雜系統管理問題，以保障大規模個性化定制的實施。
(3)通信基礎設施建設。德國工業4.0的本質就是基于信息物理系統(CPS)實現“智能工廠”，讓制造業的各個環節充分地與互聯網融合，形成工業互聯網。當前的網絡基礎設施恐怕難以滿足“工業4.0”時代的要求。因此，構建容量更大、服務質量更可靠的工業通信基礎設施，將成為未來制造業迫切需要解決的一項課題。
(4)網絡安全保障。隨著工業4.0時代的到來，人力、物料、生產設備、各種生產管理系統以及價值鏈上的眾多協同企業都將互聯，隨之而來的是網絡安全問題的隱憂，這就迫切需要建立一套完善的工業互聯網信息安全認證體系，此外在認證制度的設計和標準規范的研究與設計方面，還需要大量的經驗積累。
四、工業4.0相關行業發展分析
1、中國汽車行業工業4.0發展分析
汽車工業4.0是依托信息物理系統(CPS)和信息通訊技術相結合使汽車車間實現自動化、智能化、互聯網化得汽車生產制造過程，包括無線射頻技術、工業以太網、在線條碼、二維碼比對、影像識別、機器人等技術應用。
(1)中國汽車業產銷規模
近年來，我國汽車行業總體上呈現快速發展的態勢，據中國汽車工業協會統計，2015年，汽車產銷量分別為2107.94萬輛和2114.63萬輛，比上年分別增長5.8%和7.3%。2016年1-8月汽車產銷1684.59萬輛和1675.50萬輛，同比增長10.82%和11.43%。
(2)工業4.0對汽車工業的意義
工業4.0的意義在于制造商直接完成整個商品交易流程，尤其是銷售這一塊，這樣的好處是，客人可以根據自己喜歡設置來個性化產品。廠家可以更好的掌握客戶的數據，以便未來的規劃和生產。與現行的大規模、批量化生產相對應，工業4.0將確保多批次，小產量狀態下產業的獲利能力，確保工藝流程的靈活性和資源利用率。這種生產模式成功后，能夠提供品種更豐富的個性化、功能更齊全的多樣性、性能更穩定的高質量、使用更人性化的產品。因此工業4.0給汽車行業帶來的變化將是：汽車的換代速度會越來越快，越來越個性化。消費者更容易買到自己喜歡的配置和車型;廠家可以更好的控制生產，減少浪費，提高效率。
(3)大數據驅動汽車工業4.0發展
大數據驅動汽車零部件標準化、信息化處理，制造業通過在模塊化和封裝化的基礎上進行系統化，拓展新的應用與服務;大數據驅動互聯制造技術，工廠將通過互聯網，實現內、外服務的網絡化，采集和分析生產車間的各種信息，實現車廠與消費者之間的實時互動;大數據驅動汽車個性化生產，隨著大規模定制和網絡協同的發展，制造業企業還需要實時從網上接受眾多消費者的個性化定制數據，并通過網絡協同配置各方資源，實現汽車個性化生產;大數據驅動定制汽車批量生產，以定制化為重點的多種類、小批量制造業漸漸成為主流，以3D 打印為代表的數字化和信息技術的普及帶來了技術革新。
2、中國機器人產業工業4.0發展分析
工業機器人是面向工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，它能自動執行工作，是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。它可以接受人類指揮，也可以按照預先編排的程序運行，現代的工業機器人還可以根據人工智能技術制定的原則綱領行動。
(1)工業機器人產銷量分析
目前國內除了少數以組裝為主的中日合資的機器人公司外，具有自主知識產權的工業機器人尚停留在高校或科研單位組織的零星生產，未能形成氣候。因此，我國工業機器人生產能力較國外成熟國家還有很大的差距，不過這種差距隨著我國技術的發展正在不斷縮小。2015年，中國工業機器人產量為3.3萬臺，同比增長21.7%;銷售量為6.8萬臺，同比增長18%。
(2)工業機器人需求領域
工業機器人在國內的應用以汽車以及電子工業居多，此外還有橡膠塑料、軍工、航空制造、食品工業、醫藥設備、金屬制品等領域。從應用行業看，汽車行業依舊是中國工業機器人市場最大的消費行業，中國市場上36.8%的機器人銷往汽車行業;電氣機械和器材制造業位居第二位，占比23.3%;金屬制造行業位居第三位，占比15.2%。外資機器人應用比較集中，汽車行業銷量占總銷量的近48%，電氣機械和器材制造業、金屬制造行業銷量分別占總銷量的23.6%和7.6%。
(3)智能機器人推動工業4.0
傳統工業機器人和工人的工作空間通常是隔離的，新一代工業機器人則要具備柔性、安全、易操作等特點，同時達到高速和精確，這在技術上是很大挑戰。此外，工業4.0時代，機器人不再是獨立的單元，需要具備與其他智能設備的溝通能力、對環境的感知能力，甚至把復雜信息綜合起來從而做出決策等諸多能力。工業4.0要求將智能機器人的很多技術融入到更大的生產系統中。基于云計算和大數據的知識建模、物理仿真、多傳感器感知預測等技術，既是工業4.0的關鍵技術，也是工業機器人的關鍵技術。
因此，發展智能機器人推動工業4.0尤為重要，其主要措施包括：(1)加快發展智慧制造。智慧制造作為一種新的制造模式和制造技術，可為復雜零件的高品質制造提供解決方案。(2)加大財政研究投入。通過工業轉型升級、中央基建投資等現有資金渠道支持機器人及其關鍵零部件產業化和推廣應用;利用中央財政科技計劃(專項、基金等)支持符合條件的機器人及其關鍵零部件研發工作等。(3)加快制定技術條例。加大支持力度，推進智能機器人核心技術的研發;梳理整合智能機器人研發成果，支持智能機器人成果轉化;加快制定智能機器人標準體系和人機交互安全規則。
(4)機器人行業工業4.0的發展趨勢
當今工業機器人的總體趨勢是，從狹義的機器人概念向廣義的機器人技術概念轉移，從工業機器人產業向解決方案業務的機器人技術產業發展。機器人技術的內涵已變為靈活應用機器人技術的、具有實際動作功能的智能化系統。機器人結構越來越靈巧，控制系統愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發展。
3、中國智能家居產業發展分析
智能家居是以住宅為平臺，基于物聯網技術，由硬件(智能家電、智能硬件、安防控制設備、家具等)、軟件系統、云計算平臺構成的一個家居生態圈，實現人遠程控制設備、設備間互聯互通、設備自我學習等功能，并通過收集、分析用戶行為數據為用戶提供個性化生活服務，使家居生活安全、舒適、節能、高效、便捷。
智能家居的發展現狀
盡管我國的智能家居起步較晚，尚未形成一定的國家標準，但令人欣喜的是國內專業智能家居廠家的數量正在增長。這些廠家中有的是獨立開發，有些是引入國外技術在國內生產和集成。比較知名的產品有海爾U-Home，清華同方的e-Home數字家園，其他的還有科龍的“現代家居信息服務集散控制統”，Enjoysmart易居家庭自動化系統，引進新加坡技術的Treasureway寶路家庭智能化系統等。目前國內自主研發的智能家居系統主要市場是智能家居安防系統。2015年中國智能家居市場規模達到431億元，同比增長41.78%。