“工業4.0”具有哪些核心特征？
德國制造業是世界最具競爭力的制造業之一，尤其是裝備制造業在全球處于領先地位。這在很大程度上源于德國在創新性制造技術方面的研究、開發和生產，以及復雜工業過程管理的專業性。德國擁有強大的機器和設備制造業，在信息技術領域表現出很高的水平和能力，在嵌入式系統和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業中的領軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優勢開拓新型工業化的潛能：工業4.0。
德國制造業是世界最具競爭力的制造業之一，尤其是裝備制造業在全球處于領先地位。這在很大程度上源于德國在創新性制造技術方面的研究、開發和生產，以及復雜工業過程管理的專業性。德國擁有強大的機器和設備制造業，在信息技術領域表現出很高的水平和能力，在嵌入式系統和自動化工程方面也頗有建樹，這些因素共同奠定了德國在制造工程行業中的領軍地位。因此，德國能以其得天獨厚的優勢開拓新型工業化的潛能：工業4.0。
前三次工業革命的發生，分別源于機械化、電力和信息技術。如今，將物聯網及服務引入制造業正迎來第四次工業革命。不久的將來，企業能以CPS（Cyber-Physical Systems ，信息物理系統)的形式建立全球網絡，整合其機器、倉儲系統和生產設施。
在制造業領域，這些CPS包括能自主交換信息的智能機器、存儲系統和生產設施，它們能獨立運行和相互控制。這有利于從根本上改善工業過程，包括制造、工程、材料使用、供應鏈和生命周期管理。
智能工廠現在似乎已開始采用一種全新的方式來生產產品。智能產品有唯一的特征被識別，在任何時候都能被定位，我們知道它的發展歷程，了解它當前狀況，以及實現其目標狀態的方式。從通過出口物流下訂單的那一刻起，縱向與工廠和公司業務流程聯網，橫向連接則可實時管理衍生價值體系，這二者共同構建了嵌入式制造系統。此外，這些指令都要求啟用終端間工程（模式）流經整個價值鏈。
工業4.0擁有巨大的潛力。智能工廠讓客戶個性化的定制需求得以滿足，這也意味著，即使產品只生產一次，也能通過頗具收益的方式制造出來。在工業4.0中，以供應商為例，動態業務和工程流程能幫他們根據生產需要最終做出相應改變，并靈活應對生產中斷和故障。
現在，制造過程中已經能夠提供端到端的透明化，以促進決策優化。工業4.0將會開發出創造價值的新方法和新的商業模式。特別是，它將給初創公司和小企業的發展帶來機會，下游服務也能從中受益。
此外，工業4.0將正視和解決某些當今世界面臨的挑戰，如資源能源利用效率、城鎮化、人口結構變化等。工業4.0能持續帶來覆蓋整個價值網絡的資源生產率和效率的增益。它能將人口結構變化和社會因素考慮在內，以適合的方式組織生產。智能輔助系統讓工人從單調、程序化的工作中解放出來，能把精力集中在創新和增值業務上。
鑒于熟練工短缺的問題，工業4.0允許老工人延長職業生涯，從而長久地保持生產力。靈活的工作組織形式使工人們能夠更好地整合自己的工作，私人生活和持續的職業生涯發展變得更有效率，在工作和生活之間找到了更好的平衡點。
制造工程領域的全球競爭變得愈加激烈，德國不是唯一一個認識到在制造業部署物聯網及服務是大勢所趨的國家。而且，并非只有亞洲的競爭對手對德國工業造成威脅，美國也在采取措施，通過推進“高端制造業”計劃反對“去工業化”。
為了實現工業生產向工業4.0的轉變，德國需要采取雙重策略。德國裝備制造業應尋求穩固在全球市場的領導地位，一如既往地把信息通信技術與其傳統的高科技戰略進行整合，使自己成為智能制造技術的主要供應商。與此同時，還有必要為CPS技術和產品創建新的領先市場，并為之服務。要實現上述CPS雙重策略的目標，以下工業4.0的基本特征應該得到落實：
（1）通過價值網絡實現橫向集成
（2）工程端到端數字集成橫跨整個價值鏈
（3）垂直集成和網絡化的制造系統
這些特征是制造商在面對變幻莫測的市場能夠取得穩固地位的重要因素，同時使它們的價值創造活動適應變化的市場需求。雙重物理網絡系統戰略中提到的特征將允許制造企業在高度動態的市場中達到快速的、準時的、無故障的生產。
通過價值網絡進行橫向整合
模型、設計以及通過價值網絡的橫向整合應該可以回答下面的問題：物理網絡系統如何支持企業的商務戰略、新價值網絡以及新商業模式？
這個問題同樣適用于研究、開發和應用領域（圖1）。除了“商業模型”、“不同企業間的合作形式”，還有一些話題值得研究，比如“可持續性”、“技能保護”、“標準戰略”，以及“中到長期訓練和員工發展倡議”。
圖1 通過價值網絡實現橫向整合
橫跨整個價值鏈的端對端工程
下面的關鍵問題是關于通過工程過程實現端對端數字整合，以達到產品整個價值鏈數字世界和真實世界的整合，同時滿足客戶的需求：物理網絡系統如何實現端對端的包括工程工作流的商業過程？
對于這一點，建模在管理越來越復雜的技術系統中起到了關鍵的作用（見5.2節）。應該部署適當的信息技術系統，以便為整個價值鏈提供端對端的支持，從產品開發到制造系統工程、生產和服務（圖2）。需要一個涵蓋不同技術領域的整體的工程方法系統。為了實現這個目標，工程師們需要接受適當的培訓。
圖2 橫跨價值鏈的端對端工程
垂直整合與網絡制造系統
就垂直整合來說，需要回答下面的問題：物理網絡系統如何創造靈活和可重構的制造系統？
垂直整合的地點是工廠。在明天的智能工廠，制造結構將不是固定的和事先定義好的。相反，一系列信息技術組合規則將被定義，這些信息技術組合規則可以被應用到不同的案例中，為不同情況自動形成特定的結構，包括模型、數據、通信和算法（圖3）。
圖3 垂直整合與網絡制造系統
為了完成垂直化整合，確保調節器和傳感器信號在ERP不同層面的端對端的數字化整合非常重要。開發模塊化以及重新使用戰略來完成點對點網絡和制造系統重構，以及恰當的智能系統描述也很重要。不僅如此，領班和操作者需要接受培訓以便了解操作制造系統的方法所產生的影響。