工业革命的历史

人类从农业社会步入工业社会的历史只有250年。在此期间，经历了三次工业革命，目前正在发生的是第四工业革命。下面我们一起来看看工业革命的历史。

第一次工业革命，发生在1760—1840年，起始于英国，波及欧美主要国家。1765年，珍妮纺纱机的出现，标志着工业革命在英国乃至世界的爆发（图1-1）。18世纪中叶，英国人瓦特改良蒸汽机之后，一系列技术革命引起了从手工劳动向动力机器生产转变的重大飞跃，大大提升了生产效率。在第一次工业革命时，纺织行业从雇佣人数、投资额度和产值工业等方面来讲都是第一大产业，也是工业革命影响最为显著的行业。到1830年，一个操作纺纱机的英国纺织工人其产量20倍于一位进行手工操作的中国同行，而一台英制蒸汽动力的“骡”式纺纱机，其产量相当于200台手纺车。机械化使英国纺织行业的生产效率从1760年到1830年提升了400倍。统治世界的中国棉布，很快就被物美价廉的英国布替代。男耕女织的中国经济模式彻底落后了。中国没有参与第一次工业革命，在世界经济中的份额由1800年的33.3%快速下降到1860年的19.7%，被英国的19.9%超越。英国成为名副其实的“世界工厂”。

图1-1　珍妮纺纱机和大型纺织工厂

第一次工业革命过程中积累了大量的资金，通过金融创新的方式来支持技术发展和基础设施建设。由于机械化需要大量的铁、机械加工技术和工具，冶金技术和化学科技取得了长足的进步，大量的生产资料和产品的运输促进了道路和运河的修建。

第一次工业革命带来的另一个巨大影响是：人类历史上第一次实现了人口和生活水平的同步增长。在之前的历史中，人类重复着经济发展—人口膨胀—资源紧张—战争—人口大量减少、休养生息、经济发展的循环。英格兰和威尔士的人口从1740年的600万增长到1901年的3050万。欧洲人口从1800年的1亿人，增长到1900年的4亿人。同期，人类生活水平大幅提升，廉价的布和食品满足了人们的基本需求。另一个文明的标志是：通过立法禁止童工。在工业革命初期，由于童工廉价，童工得以被大规模的使用。一个4岁的小孩在工厂要工作13个小时才得到成人工资的10%～20%。到1844年，第一部禁止童工的法律诞生，使用9岁以下的童工是非法的，18岁以下的童工工作时间不能超过12小时，不能夜间工作。英国工厂里的童工如图1-2所示。

图1-2　英国工厂里的童工

第一次工业革命具有划时代的历史意义，对人类社会的演进产生了空前的影响。它为新生的资本主义制度奠定了坚实的物质基础，促使欧美诸国先后实现工业化，由农业国变成工业国。它为英国提供了历史机遇，英国利用了工业化的先发优势，确立了“世界工厂”的地位。

总结一下，第一次工业革命的重点见表1-1。

第二次工业革命发生在1870—1920年，以电气化、集中控制的大规模生产和标准化生产线为特征。最为典型的标志是福特汽车公司通过电气化、标准化生产线，大规模生产T型车，大幅降低了汽车的售价，使每一个工薪家庭都可以买得起。

第二次工业革命中，制造和生产技术的进步使得全球很多地方可以广泛采用已有的技术系统，如电报和铁路网、燃气及水的供应和污水处理系统，它们此前被集中到一些特定的城市。铁路和电报线在1870年以后极大扩容，逐渐形成第一次全球化的新浪潮。在同一时期，引入了新的系统，最显著的是电力和电话。第二次工业革命一直持续到20世纪早期的，重点见表1-2。

在福特制造汽车的年代，两个问题阻碍着汽车被广泛使用，一个是汽车被的质量很不稳定，另一个是汽车生产的每个步骤都需要优秀的工程师和技术熟练的工人来完成，并且处于一种低效的作坊式生产模式，交期很长，成本高企。福特重新设计了汽车的生产体系，把工程师的知识通过机械和工具的标准化到生产的作业过程中，经过工序的细化和分工，每个工人的作业简化为几个标准的动作。一个新员工，经过简单培训就可以上线。把工程师从生产线上解放出来，用他们的知识和智慧不断优化生产工程技术体系以及产品的设计。电影《摩登时代》生动地展现了这个场景。变革的成果就是，生产效率大幅提升，质量显著提升，成本大幅下降。一辆T型车的售价从1910年的780美元降到了1924年的290美元。福特T型车生产线如图1-3所示。第二次工业革命的重点项目见表1-2。

图1-3　福特T型车生产线

生产效率的提升，交通网络的形成，工业和农业产出的增长，大幅度地降低了几乎所有商品的价格，导致很多企业倒闭，这个时期被称为世界经济增长引起的大萧条。诚然，随着第一、第二次工业革命使一大批农民失去了土地，一大批纺织工人失去了工作，一大批企业倒闭。但是，工业革命又创造出一大批新的行业和工作机会，1850年开始有了第一家炼油厂，1840年产生橡胶工业，1860年开始建造铁路而产生的铁路运输行业以及和电相关的发电、照明、通信、电动机等。

中国是第一次工业革命和第二次工业革命的看客，这造成了中国经济严重落后，中国人民生活水平严重落后。中国经济占世界经济的比重从1800年的33.3%下降到1949年的1%。

第三次工业革命发生在1970年并延续至今，以计算机（PC）、可编程逻辑控制器（PLC）和单片机等信息技术推动的自动化为特征。1969年，在Modicon公司的实验室里研究出第一台PLC，1970年，第一台工业PLC应用在通用汽车的生产线，以此为标志的工业自动化开始全面兴起。基于可编程的控制器或者计算机来控制设备运行，再加上传感器来感知环境，就形成了感知、判断行动的闭环。电子硬件和软件技术在生产制造中的应用，让自动化设备的能力得到空前的发展。德国和日本的工程师文化造就的制造工程技术方面的领先优势，在自动时代充分地发挥出来，它们成为自动化水平最高的两个国家。从而使得两个国家在应对人力成本逐步高企的竞争中，用自动化设备和机器人替代人工，在高端制造业中保持着竞争优势。第三次工业革命的重点如下表所示。

通过编程，工程师可以构建模型，通过专业知识判断，参数化的程序进行判断，通过执行器来指挥设备的运行，再加上电子硬件技术和软件技术快速进步，自动化彻底改变了制造业的竞争规则，启动了一次深刻的工业革命。第三次工业革命还在进行中，目前中国的制造企业已经深刻感受到来自欧美同行的竞争压力。

机器人是这个阶段的主要标志。目前工业机器人的功能越来越强大，应用越来越广，成本越来越低。2014年起，中国是世界机器人第一大市场，机器换人得到政府财政的大力支持，企业也尝到了用机器人代替人的甜头。但是截至2014年底，中国机器人保有量只有日本的18%、德国的35%。

第三次工业革命的重点项目见表1-3。

工业4.0就是第四次工业革命。它由德国政府的高科技战略项目组在一个喝着咖啡的小型聚会上提出，这个项目旨在推进制造业的信息化。在2011年汉诺威工业展中，工业4.0作为术语第一公开使用。在2013年4月8日汉诺威工业展前，项目组提交了工业4.0的最终报告，并被确定为德国国家重点战略。

工业4.0是一系列信息技术创新在制造业的应用集成。它基于物联网的物理信息系统，促成了智能工厂的形成。在基于模型化构建的工业4.0智能工厂中，物理信息系统监控物理流程，创造一个和现实世界同步的虚拟物理世界，并通过虚拟世界来优化和控制现实世界。把基本的运行控制决策本地化，实现分布式决策。通过物联网、物理信息系统让人、设备、产品和物料彼此实时链接协作。通过服务网、内部的和跨组织的服务可以实时由价值链上的参与者为客户提供服务。

提出工业4.0的这批专家是干什么的呢？什么背景促使他们提出了工业4.0的概念和理论，并促成了德国和欧盟为之倾心，每年欧盟要投资1400亿欧元用于工业4.0的转型？

德国人工智能研究中心是工业4.0的首先提出者，其中被誉为工业4.0之父的是人工智能研究中心的总裁德特勒夫博士（Dr.Ing.Detlef Zühlke），他带领团队研究信息技术推进制造业的进步。其中几个关键的课题分别是：

（1）知识基础管理。这个项目致力于使人类在某一领域的知识，通常来自某一特定领域的专家群，通过构架模型，让系统能够复制这一领域中的最佳实践。人类的知识用“IF-THEN”的逻辑构建模型，用于语义网的应用，来操控制造体系中的设备运行、生产技术工程等。

（2）神经网络。这个类型的项目模仿人类大脑的运行模式，用一个网络把输入的外部刺激信号（如在设备运行中的一个运行参数的设定和变化）与输出结果信号（设备运行效率、产品质量）连接起来。这项技术广泛应用于分析和优化的场景。用大量的历史数据来“训练”网络，自动优化网络的大量参数设定。

（3）模糊逻辑。它研究不确定或模糊的信息表示和处理，例如客户希望一辆车“相当豪华”，对于判断类（如“奢侈”和“经济”）量化的信息，在数学建模或目标设定中得以使用。

（4）基于案例推理。该系统的智能组件包含了过去的问题和历史（成功的）解决方案的应用。未来的问题可以通过类比过去的案例来参考，迅速定位最有效的解决方案。下一个步骤是通过在“案例库”中更新解决方案，以及学习被证明是成功的那个解决方案。

这些技术在制造业中的应用是工业4.0的基因。如果我们想充分理解工业4.0就不得不了解这些技术。在本书中对工业4.0技术、案例和原理的阐述，会让您深刻理解这一点。

工业4.0是将一系列信息通信技术在制造企业业务流程应用中的大集成。其中主要包括：

（1）以内嵌式系统发展而来的物联网技术。

（2）虚拟现实软件技术。

（3）各个领域基于知识的建模技术。

（4）大数据和大计算技术。

（5）语义网技术。

（6）移动互联网技术。

基于这些技术集成的称为信息物理系统的整体技术在制造业的广泛应用，使企业经营模式发生了革命性变革。具体特征是：智能工厂、社会化生产、大规模定制。给客户带来的是按需量身定制的、高质量的、低价格的产品和服务。企业可以实现零库存、低成本、高效率、绿色生产运营。工业4.0的重点如下所示。

第四次工业革命的重点项目见表1-4。