工业革命与制造范式演化研究

孟 柳，延建林，周 源

（1.中国工程院战略咨询中心，北京 100088；2.清华大学，北京 100084）

从狩猎社会、农耕社会、工业社会再到信息社会，人类社会经历了三次大的工业革命，伴随着科技的日新月异，生活水平也在不断提高，生产工具优化，工作强度降低，生产效率提高，我们正步入新的工业革命。

工业革命由科技进步从而带动新兴产业，同时改进了现有的生产方式、组织模式甚至整个社会。产业技术范式伴随着历次革命不断迭代升级，通过对产业技术范式变迁进行研究，我们可以总结经验，结合自身发展，为国家制造业发展提供有力依据。

四次工业革命的演进如图1所示。

图1 四次工业革命演进

1 范式演化与“四次工业革命”的影响

伴随着每一次的科技革命都会产生新的制造范式，每一次新的制造范式会在原有制造范式的基础上，根据新的技术和新的需求进行升级，从而使得每一次科技革命的成果能通过制造范式的迭代升级而迅速在制造业广泛应用推广。

1.1 第一次工业革命

作为世界上最早出现的创新型国家，英国领导了第一次工业革命。

整个18世纪，英国通过种种原始积累手段为工业生产的变革提供基础。随着蒸汽机采用范围的扩大，特别是机器制造业的出现，工业革命迅速扩展到各部门。19世纪中叶，英国已成为世界上第1个工业强国。并率先完成工业革命，成为“世界工厂”。

纵观英国工业百年的发展历程，可以发现英国在第一次工业革命中取得了巨大的成就，同时在工业革命前后两个世纪的时间内，英国还是全球的科技创新中心。

英国引领了第一次工业革命并取得了巨大的成就，但其传统的经济增长模式却不再适应第二次工业革命发展的需求。在第一次工业革命前后，英国作为全球最大的殖民国家，其经济增长在很大程度上依赖于大规模的海外扩张，这种资源输入和商品输出、资本输出相结合的模式为英国积累了大量资本，但企业也逐渐丧失了采纳新技术、购买新设备的积极性，导致英国生产率的增长停滞不前。究其根本原因，是因为传统的经济增长模式完全可以为资本家带来丰厚的收益，因此缺乏采用新技术的动力。

1.2 第二次工业革命

如果说第一次工业革命主要是确立了工厂制，而第二次工业革命则是确立了大规模生产制。它不但为垄断性大企业奠定了物质技术基础，而且由于电力、钢铁、汽车、飞机和石油等重工业的发展，企业规模空前扩大，资本和生产更加集中[1]。

在第二次工业革命最初30多年中，美国和德国通过迅速进入新技术体系而崛起。第一次世界大战和南北战争为美国提供了大量科技人才以及丰富的劳动力和消费市场。在这期间德国几乎同时开始了两次工业革命，政府的大力干预、科技和教育的发展和普法战争的巨额赔款为德国在短时间内迅速发展奠定了基础，并后来居上。

这次工业革命以大规模生产为主导，电力技术的发明和应用为带动，在微观企业层级以股份制企业为主要形式，在中观的产业层是以电力、钢铁、化学工业、汽车工业和电话电报等通讯业为主形成全新的技术体系，宏观经济结构看工业的大力发展取代了农业为主体的产业，同时，第三产业也快速发展起来。在全新的产业技术体系下，新的技术、设备和管理方式相继出现，促使社会的生产力进一步提高，其速度和影响前所未有的。

第二次工业革命，使得资本主义各国在经济、文化、政治和军事等各个方面，发展不平衡，美德迅速崛起，争夺市场经济和争夺世界的斗争更加激烈。第二次工业革命也促进了世界殖民体系的形成，使得资本主义世界体系的最终确立，世界逐渐成为一个整体。

1.3 第三次工业革命

第三次工业革命首先在美国兴起，主要表现在：一雄厚的物质基础、优秀科技人才、民族创新精神、地理环境和市场容量等优势；二政府高度重视，积极采取措施推动，直接促成第三次科技革命首先在美国兴起[2]。与此同时，日本通过吸收第三次工业革命的成果，也迅速发展起来，一跃成为世界第二超级经济大国。过去十几年，由于数字技术的迅猛发展和互联网的快速普及，日本大型消费电子制造企业被突变式创新颠覆，多个世界知名企业先后陷入发展困境。但日本经济的总体创新能力仍然非常强大，甚至可以说处于全球领先地位。

第三次革命，生产进入数字化，这不仅可以改变企业，还可以改变其他很多方面。第三次科技革命对经济发展的影响表现在以下几方面：一是它引起生产力各要素的变革，使劳动生产率有了显著提高；二是不仅加强了产业结构非物质化和生产过程智能化的趋势，而且引起了各国经济布局和世界经济结构的变化；三是以其丰富的内容使管理发展为一门真正的科学，并实现了现代化[3]。

与第二次工业革命相比，第三次工业革命主要以大规模个性化定制生产为主的产业制造范式。以往的工业革命追求低成本、高效率和批量化的规模化生产范式。但是，随着柔性的数字化制造、3D打印、物联网和云计算等技术的逐步完善，大规模定制的生产方式有向全球化个性化制造范式转变的趋势[4]。一些专家指出可重构的生产系统可以在柔性生产系统的基础上进一步解决生产成本、产品多样性、产能和生产周期等多目标之间的冲突，因而能够更好地适应全球化时期消费者需求千差万别且快速变动的市场环境[5]。

1.4 第四次工业革命

物理、数字网络和生物等几大领域的交叉互动以及ICT技术、生物技术和3D打印技术等多种先进技术之间的融合，其影响范围之广、变革速度之快，使得这场变革有别于人类历史上的任何一次工业革命[6]。

世界各国制造企业普遍面临着提质、增效、降耗的需求和大规模个性化定制生产带来的生产柔性化、智能化需求，生产也从工厂化转为社会化生产，同时，随着工业化程度的加深，环境资源问题成了全球不得不面对的问题，绿色可持续发展也成了第四工业革命的特色和发展方向。

在微观企业层，是以企业为平台，形成无数小企业共生的生态，生产模式呈现出，众包创新、柔性大规模定制、大数据远程分析管理的特点；在中观产业层次，以物联网、智能机器人、3D打印和无人驾驶为主导，展现出服务化、智能化和绿色化的发展趋势；在宏观经济结构层次上，以信息技术产业兴起，三大产业逐渐实现信息化为特点，多极化、片段化为发展趋向。

产业技术新范式出现，数字化、网络化和智能化。数字化、网络化和智能化技术是新一轮产业变革的核心技术，将深刻改变制造业的生产模式和产业形态。这些范式里既有智能制造的基础，也有体现智能制造价值实现、技术路径升级、组织方式等不同维度的范式，它们从不同视角上反映出制造业的数字化、网络化和智能化特征，在制造业从自动化走向智能化的转型过程中发挥积极作用。

下面就通过表1汇总四次工业革命带来的制造范式。

表1 四次工业革命带来的制造范式

2 分析与比较各国发展战略对中国的启示

面对以智能制造为核心技术的新一轮工业革命，世界各国尤其是发达国家都在结合自身实际和优势，积极采取行动，抢占未来发展的战略制高点，确保本国在未来制造业竞争中的国际领先和主导地位。美国提出“先进制造业伙伴计划”，德国提出“工业4.0战略计划”，英国提出“英国工业2050战略”，法国提出“新工业法国计划”，日本提出“超智能社会5.0战略”，韩国提出“制造业创新3.0计划”，都将发展智能制造作为本国构建新形势下制造业竞争优势的关键举措，并提出了相应的发展技术路线。

2018年，中国工程院发布了《中国智能制造发展战略研究》报告，报告对第四工业革命的到来进行深入的分析，同时将第四次工业革命的核心范式，智能制造进行了详细的分析。

新的产业技术范式——智能制造，是新一代人工智能技术与制造技术的融合，也就是人工智能技术加上大数据、工业互联网、多媒体、传感器、人机交互和自主系统等多种技术实现未来城市的智能化、农业的智能化、医疗的智能化、家居的智能化、驾驶的智能化以及制造的智能化。

智能制造是让机器实现从技能型工作自动化到知识型工作自动化的跨越。将人从繁重的体力劳动中解放出来，从事更多脑力劳动的工作，从而提高人类工作生活的幸福感和获得感。实现知识型工作的自动化是指，在全新的智能制造系统——HCPS中，人类真正的加入到信息物理系统，可以随时将数据、知识和经验输入进系统，让智能系统代替人类完成更多的脑力和体力劳动，同时将数据和专家知识经验以及系统的分析相结合，不断迭代升级，达到一加一大于二的最终效果。

新一代智能制造系统包括六大组成部分（如图2所示）：智能制造云、智能产品、智能生产、智能服务和工业智联网，并通过智能的集成将这5个部分连接成为一个整体。其中系统内部通过，纵向、横向、端到端集成，外部通过制造业产业链条的系统集成，以及智能制造与智能城市、智能农业、智能医疗等交融集成，形成智能生态大系统——智能社会。

图2 智能制造系统

从而，我们可以得出，数字化网络化是这次工业革命的开始，新一代人工智能技术的突破和广泛应用将形成这次工业革命的高潮，并形成新一轮工业革命最为根本、核心的驱动力[13]。此外，新一代智能制造将引发制造业发展理念、制造模式发生重大而深刻的变革，重塑制造业的技术体系、生产模式、发展要素及价值链，推动制造业发展步入新阶段。

当前，我国第一次与世界强国站在同一起跑线，迎接第四工业革命的到来，又恰逢全球贸易投资秩序深度调整，我国制造业在深化推进过程将中面临的一系列新的挑战和约束通过分析历次工业革命中各国的经验并结合我国现阶段制造业发展的现状和新一轮工业革命的特点，本文总结出目前我国的制造业发展需要着重研究的问题。

一方面是工业民间投资增速持续疲软，劳动、能源、物流成本不断攀升，严重影响企业运行效率；另一方面，我国制造业质量效益、结构问题突出。一是质量效益低。二是产业结构不合理。高技术产品贸易竞争优势指数低，高端领域竞争力薄弱，产业仍处于中低端。三是创新能力薄弱。研发投入与制造强国相比存在较大差距，创新产出效率低。四是核心技术、工业“四基”和关键装备受制于人。

面对这些问题，我们应该坚定不移地推进制造强国战略；切实减轻制造企业税费负担；扬长补短，构建现代化制造业体系；将智能制造作为主攻方向；组建先进制造共性技术创新体系。凝聚人心、动员全社会力量，抓住第四工业革命和全球贸易投资秩序深度调整的机遇，推进我国制造业向高质量发展，加快新旧动能转化，为工业发展夯实基础。