基于CPS架构的数字化战略能力构建.docx

    基于CPS架构的数字化战略能力构建    董小英 胡燕妮 戴亦舒 叶丽莎摘 要：在全球再工业化的背景下，网络实体系统（CPS）成为各国制造业发展的制高点文章以服务主导逻辑为理论视角，基于CPS技术架构与功能，解读其数字映射能力、资源集成能力与价值共创能力三层战略能力，并针对能力构建过程中的管理挑战对德国政府与制造企业的工业4.0管理体系进行了分析研究发现，中德制造业数字化转型的能力构建重点不同，中国关注数字映射能力和资源集成能力，德国则重点部署资源集成能力两国政府在工业4.0的推进上均发挥了战略引导作用，德国在发挥创新平台战略价值和相关标准制定上的经验值得借鉴Key：网络实体系统;服务主导逻辑;工业4.0;制造业转型;数字化战略能力：F414：A：1673-8268（2019）05-0085-14以云计算、大数据、物联网、人工智能为代表的新一代信息技术正在以前所未有的速度转化为实际生产力，驱动互联网与经济社会各领域深度融合，互联网已从重塑服务模式的工具转化为变革生产方式的创新要素2008年金融危机过后，全球新一轮产业变革方兴未艾，制造业重新成为全球经济竞争制高点发达国家政府高度重视这一趋势，加快布局新型网络化智能制造的发展，如德国推出“工业4.0战略”、美国制定“制造业创新网络计划”、日本发布“科技工业联盟”等，其目的都是加强对先进制造业前瞻布局，吸引中高端制造业回流本土，构建制造强国新优势。

德国作为传统工业强国，也是新一轮制造业革命的翘楚，自2006年起，德国将加强制造业竞争优势上升到国家战略层面德国“工业4.0”国家战略的制定可追溯到2006年发布的《德国高科技战略》，该报告是为了解决德国高成本背景下维持竞争优势的问题2010年，德国发布《德国高科技战略2020》报告，提出利用高科技战略加强德国制造的竞争优势，将工业4.0列为十大未来项目之一2013年4月，德国工业4.0平台在汉诺威工业博览会上正式发布《德国工业4.0未来项目实施建议》[1]，提出德国要成为智能制造技术的主要供应商和CPS （cyber-physical systems，即网络实体系统，又译作信息物理系统）对这一概念有不同的翻译，比较主流的译法是“信息物理系统”或“信息物理融合系统”笔者对美国和德国的CPS研究后发现，“信息物理系统”会限制人们对这一领域战略意义的理解，cyber具有网络空间的内涵，它对实体的管理与控制是跨组织、区域和行业边界的，是在万物互联的基础上对设备、人、流程、服务的整体管理、控制和优化指导因此，其应用范围已跨出技术体系，涉及政策、战略、生态、管理与机制等相关问题技术及产品的领先市场。

为了进一步落实工业4.0战略，德国相继出台《德国智能服务世界——未来项目实施建议》《德国工业4.0实施战略报告》《数字化战略2025》等多份政策报告，较为具体地指出了未来发展的路径和方法CPS作为德国工业4.0的关键框架技术，是实体资产与计算能力之间互联管理的转型技术（transformative technologies），是“计算过程与物理过程的集成，利用嵌入式计算机和网络实现对物理流程的监控，通过反馈回路相互影响的整合体系”[2]德国国家科学与工程院（acatech）認为CPS是使用传感器直接获取物理数据和执行器作用物理过程的嵌入式系统、物流、协调与管理过程及服务[3]以往学者们对CPS的讨论主要集中在技术层面，包括：CPS在技术系统工程领域的挑战[4-8]、CPS系统架构与支撑技术体系[9-12]、CPS建模方法[13]、安全分析与评估[14-17]等相关研究Key按出现频率降序排列如下：信息技术集成、ICT系统组件、智能制动器、智能传感技术、嵌入式系统、分布式系统、系统的高可扩展性、实时系统、智慧或智能，以及并发性等已有文献仅从技术视角研究CPS不足以阐释其对构建制造业竞争力的战略价值。

实际上，CPS不仅是一个技术系统，更是技术驱动的社会系统综合体[18]基于已有研究，我们提炼出CPS的四大特点第一，CPS具有开放性CPS不是自给自足的独立实体，而是物理、社会和虚拟世界广泛联网以及智能使用信息通信技术形成的开放社会技术系统，具备超越现有严格控制行为下的封闭式嵌入系统所具有的功能、服务以及特性其中，个体或群体会被动或主动地融入CPS，人类是联网的重要组件和应用系统内部的行动者，与CPS共同协调、控制和管理其他组件第二，CPS具有交互性这种交互性一方面体现在横向交互上，如在CPS在连接层包含了感知、通信、计算、控制与物理系统，通过系统内的不同组件（如传感器、控制器、服务器和终端设备）将计算、网络和物理进程相结合，实现物与物之间、人与物之间、系统之间的互联、互通和互操作[19-20];另一方面是纵向交互，即CPS系统各层之间的相互依存、相互支持的逻辑关系，如在物与物、人与物、系统之间连接的基础上，资源被数字化后实现数据的增值和网络空间的集成，实现对实体环境的自主感知、智能分析、反馈控制和深度融合，进一步达到提高资源优化配置的深度和广度的目的[19-20]第三，CPS具有动态性。

CPS不是静态和局部的技术解决方案，而是对分布在各地的硬件设备、服务、人和过程进行连接、整合分析和调整的动态解决方案根据应用情境、环境条件以及任务需要，CPS能够访问其他子系统搜索相应数据、功能和服务，将其动态地融合到系统中它与市场环境具有密切的互动关系，从而建立高度互联的环境适应性系统，其应用和发展跨越企业、产业甚至国家边界第四，CPS具有复杂性CPS具有在空间和时间范围内感知和处理外部环境巨大复杂性的能力，构建能力的过程涉及政策、制度、经济要素、产业竞争力、商业生态、平台、商业模式创新等一系列问题它的空间“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[19]从CPS的特点可以看出，未来制造业的发展不再局限于技术架构本身，而是与人、实体环境和产业生态密切关联，从以制造为中心的产品化向以用户为中心的服务化转型[20]而已有研究仅从技术视角出发，难以阐释CPS在未来制造业中的战略价值和关键地位服务主导逻辑是一种以用户为导向、注重服务价值的理论区别于传统产品主导逻辑，服务主导逻辑理论注重生产者与消费者之间、其他供应和价值链协作方之间的互动，以提供满足用户需求的服务为价值导向[20-21]。

在该理论视角下，未来制造业的发展需要着重构建基于CPS的服务化能力因此，本研究引入服务主导逻辑理论，以CPS的技术结构为基础，关注CPS如何作用于其他技术和社会资源，构建制造业战略优势，重点研究以下问题：（1）探索CPS的战略价值是什么;（2）德国作为制造业强国，在推动工业4.0转型中的路径和方法;（3）对中国企业的启示一、CPS的理论解读与战略价值德国“工业4.0”带来的新型商业模式以数据为驱动、以用户为中心，是服务主导逻辑的重要体现[1]CPS从系统中的所有端口收集数据并进行整合优化，为市场和生态系统搭建技术基础，不同供应商根据用户需求在数字化平台上与个性化产品和服务相捆绑智能服务世界中以用户为中心的商业模式取代了传统工业制造中以产品为中心的商业模式，其本质是产品主导逻辑向服务主导逻辑的转变服务主导逻辑理论由Vargo和Lush首次提出，认为服务是市场交易的本质对象，企业只有提供满足用户需求的服务才能实现价值[20-21]该理论根植于核心竞争力理论[22]和资源优势理论[23]，将资源分为对象型资源（operand resource）和操纵型资源（operant resource）[24]。

对象型资源是指能被开发利用产生价值的资源（如土地、植物、矿产等自然资源），具有有形、静态、有限的特征[25]操纵型资源指作用于对象型资源且使其产生效用的资源，包括人才、技术、知识、机制四个要素，具有无形、动态、无限的特征[21，24]在操纵性资源的四要素中，人才是指具有研发数字化技术、并具有将数字化技术与业务深度融合和创新性应用的复合型人才，如数字化领军人才、数字化项目推进与管理人才、数据科学家、人工智能专家、物联网专家、区块链专家、算法专家等;技术涵盖了以5G技术、云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、深度学习、区块链等已经比较成熟的可以商用的技术;知识则是人们用操纵性资源有效开发对象型资源，特别是将数字技术用来解决社会、经济、交通、医疗、教育等现实问题所进行的探索、实践、经验、教训和成效，以及所构建的战略、政策、标准和路径;机制是指在构建CPS体系建设过程中，对所有参与的利益群体的治理机制和运营机制，治理机制涉及相关利益者共同参与的决策模式、利益诉求和安全可靠和知识产权保护;运营机制涉及到激励机制的制定、整体运营的公平、公正和效率能够激发企业的活力与创造力服务主导逻辑强调在全球化的网络经济中，企业的主导逻辑从传统有形商品的生产转变为无形服务的提供，“操纵型资源代替对象型资源成为战略性收益的基础来源”[26]，是服务提供和价值创造过程的关键要素[27]。

在营销实践中，消费者被视为操纵型资源受到企业的高度重视，企业注重消费者对服务体验的反馈以进行持续学习和改善，企业与消费者通过交互活动共同创造价值[26]服务主导逻辑还主张，在服务提供的过程中，企业合作伙伴之间、企业与消费者之间形成大量松耦合的价值网络，所有交易環节信息透明和对称，各主体可以获得和整合来自纵向或横向的资源（特别是知识和信息）来共创价值[27]CPS带来的战略竞争优势由技术创新驱动，通过CPS的技术架构连接服务主导逻辑的资源观和战略能力非常重要在服务主导逻辑的理论视角下，笔者基于Lee等人提出的CPS核心技术架构[28]，解读工业4.0时代服务主导逻辑视角下CPS的战略能力，详见图1所示一）CPS的技术架构与功能根据CPS的功能特征，Lee等人提出5C架构指导CPS实践，包括：连接层（connection）、转换层（conversion）、网络层（cyber）、认知层（cognition）和配置层（configuration）5C架构通过连续的工作流方式，清晰地定义了CPS如何从最初的数据获取到分析到最终的价值共创过程（见图1）连接层实现资源液化，是指将实体空间（P）的要素（如设备、工厂、流程、服务等供应链中的所有环节）数字化，驱动数字资源从实体空间映射到网络空间，使其具备在互联互通的网络空间自由流动和交换的能力[20]。

在这个过程中，需要考虑三个因素：一是数据类型的多样化，需要特定的互联通讯协议（如MTConnect）来有效管理无缝式和非接触式（tether-free method）的数据获取和传递方式;二是开发利用合适类型与规格的传感器;三是安全保障体系，对于生产设施和产品包含的数据和信息需要加以保护，防止滥用和未经授权的获取转换层实现数据增值，是指利用计算工具和算法，对连接层采集的数据在网络空间（C）进行整合、处理、分析和挖掘，实现数据向信息的转换，为机器带来自我感知（self-awareness）能力比如，利用快照收集技术对脱离物质载体的数据进行管理，将信息以有效方式进行存储，记录机器的使用和维修历史近年来有大量研究关注数据挖掘算法，特别是对机器健康状态的诊断和管理，通过计算健康值来估计剩余的有效使用时间等网络层实现资源连接，指多种资源聚集交互，企业价值网络中的信息在网络空间大范围聚合交换，局部物理对象之间的屏障被打破，企业内外的信息孤岛被消除网络层是整个架构的信息中心，所有互联机器的信息都被推送到此相互连接形成机器网络在连接海量信息的基础上，既可以横向对每台机器的状态进行比对和洞察，在更短的时间内捕捉故障模式;又可以通过相似性识别技术纵向回顾机器的历史记录，计算当前机器行为与以往资产利用率和健康状况之间的相似性。