在人類進入工業時代後，人類的生產方式經過幾次重大變革。每次變革都是一次大規模的典範移轉，時間跨度則從數十年至上百年之久。
而現在蓄勢待發、即將引爆的就是，「第四次工業革命」，是德國政府及產官學之力提出的智慧型製造業概念。這個計畫首次於2011年在漢諾威展覽展出。計畫目標在於結合了物聯網（IoT），雲端計算、大數據分析及智慧型生產線達成全產業鏈的垂直與水平整合。
簡單的說，工業4.0的目標就是將消費端與生產端緊密結合在一起。將現有的工業生產模式，從大規模標準化生產轉變成為大規模客製化生產，按照消費者的個人化需求，彈性化生產訂製符合客戶所需要的終端產品。
為什麼需要工業4.0？
人類的生產力革命歷程並不是從天上掉下來的。每一次革命都是在前面的基礎上發展，又實際聯繫到人們的需求。也就只有植基人們的真正需求，技術才得以發展，改變才可以成。那麼工業4.0的需求從何而來？又會造成怎樣的改變呢？我們大略的可以分成兩點來談。
● 提升效率與節省成本
開始前， 讓我們先舉一個例子。假設今天你想印刷一份A4 大小的產品型錄分送給你的客戶。客戶數目不多，大概幾百張就夠了。你需要找印刷廠報價，但是你發現印刷廠給你的報價無論是一千張，或是四千張， 價格都是4 萬塊。那時你會怎麼選擇？
絕大多數人會選擇四千張，然後發送掉幾百張，另外三千多張放到爛，最後當廢紙丟掉。對吧？但是如果能夠只印一千張，成本是2 萬塊，你會怎麼選擇？是不是會選擇付2 萬塊，然後印一千張？
在這邊我們可以發現一個有趣的現象。作為一個客戶的角度來說，你雖然付出2 萬塊的成本只得到一千張型錄，但是你也最多只需要那一千張。另外三千張對你來說只是一堆廢紙。拿一堆廢紙換回2 萬塊，何樂而不為？從印刷廠的角度來看，雖然最低印刷量是4 千張。但是如果只印一千張，報價等於提高為200%。如果印刷廠能夠找到4個客戶都只要一千張的，大家拼在一塊印。那麼報價等於從4 萬塊拉高到8 萬塊，印刷廠可以獲得4 萬塊的超額利潤，何樂而不為？
這是一個標準的雙贏。客戶省下一半的印刷成本，供應商獲得200% 的超額利潤。一邊省下來原先多花的錢，一邊賺到更多的錢，兩邊誰都不吃虧，誰都不抱怨。
效率與成本指的並不完全是可以計算的金額。更多的是時間效率、經濟效率，避免原物料的浪費，達成更高的利用率。這就是工業4.0的精髓。全行業的垂直與水平整合只是它的手段之一，最終目的在於更有效地分配現有的資源來滿足更多樣化的需求，同時也有效地利用原物料，避免過多不必要的浪費。
● 完全解放生產力
工業4.0 對生產力的解放也分兩個部分。一部份是「原物料生產力」的解放，另一部份則是「人類的生產力」解放。
在任何時候，資源都是有限的。透過工業4.0 的智慧彈性化生產流程，整個生產流程可以提高到前所未見的程度。人們可以在最短的時間內，更有效率的利用手上的資源來滿足更多樣化的需求。
而現在的工業工藝很多部分已經超出人力能夠負擔的範圍。因此智慧型生產線將會導入更多的智慧型機器人來從事低階及各種需要高度精準的勞動工作。如此一來將進一步將人類從體力勞動中解放出來，從事需要人力介入的各種管理及創意工作。
組成部分
工業4.0 是一個極其複雜的系統工程。它牽涉到從發出需求的消費端到後端的生產製造端的訊息分析及跨行業、跨企業的生產流程整合。它雖然複雜，但我們可以簡化它，切割成幾個部分。逐一說明：
● 前後端感測及物聯網
物聯網是工業4.0的基礎。我們可以把物聯網想像成一個末端神經的感知及傳輸系統。它負責前端的資料採集及機器間 (Machine to Machine，M2M) 的資料傳輸及溝通。物聯網可以分為兩個部分；一個是前端的資料採集硬體及用戶端應用程式，另一個部分則是底層的傳輸協定。
前端的硬體部分其實並不複雜。每個人隨身攜帶的手機就可以成為物聯網終端的一部份。現在工業用的IPC也是物聯網前端的一環。總結來說，物聯網前端採資料採集硬體並不複雜，但是必須具備低成本、耐用的特性才有辦法大規模佈建並且在惡劣環境中使用。
相對的，物聯網底層就複雜的多。它是一個非常複雜而且龐大的資料交換協定，並且會決定前端硬體如何設計。除此之外，它需要有足夠的穩定度與擴充彈性才能涵蓋每個行業間的資料交換需求。
由於誰掌握了標準，誰就掌握了未來智慧型工業網路標準的制訂權及話語權。因此這一塊目前是兵家必爭之地。德國與美國都在爭奪物聯網底層傳輸標準協定的主導權。
物聯網的交換及傳輸協定不會只有一種。將會因地制宜，根據不同的行業，不同的環境及不同的需求，演變出不同的幾個大類別。而且也不太可能全球都被德國或美國的標準所主導。幾個主要工業製造大國，像是日本及中國也不太可能會放棄對自己對未來工業的主導權，應該也會制訂自己的國家標準協定。
● 雲端計算及大數據
如果物聯網是工業4.0的神經網路系統，那麼雲端運算及大數據分析就是整個工業4.0的大腦。它負責將通過物聯網傳送來的資料進行分析、歸類、並根據不同的商業邏輯更進一步的運算。最後將生產指令下達到後端的虛擬製造系統。
雲端科技在現在的商業環境中越來越重要。它主要包含三個部分，雲端計算、雲端儲存及高速網路。透過三者，雲端可以儲存海量資料，並運行一般企業的中小型伺服器無法執行的高速運算。而大數據分析就是中間最重要的一環。
工業4.0裡主要目標之一就是達成全行業從消費到生產端的IT整合。這裡面所需的IT資源及資料處理量並不小。而最重要的大數據分析模型也會因行業的不同而有差異。而這是想要導入工業4.0的企業所面對的一個最重要的課題。如何建構一個高速、精準、有效率的雲端大腦將會是工業4.0最大的挑戰。
● 虛實整合系統
現在我們有了物聯網這個末稍神經來收集資料，有了一個雲端大腦來分析這些資料，這些都做完之後，再來就是進入實際的生產系統。
虛實整合系統 (Cyber Physical System，CPS) 是目前最熱門議題，也是工業4.0最關鍵的生產部分。CPS是一個整合控制系統，它主要包含兩個部分，智慧型生產線及生產流程的最佳化配置。別被這些拗口的名詞嚇到了。其實它的概念並不複雜。
智慧型生產線可以透過物聯網的M2M (機器對機器交談) 讓CPS完全掌握生產線中每一個單元的目前狀態。同時也可以在生產線中動態協調不同生產線中的任務分配，充分利用生產線的所有產能。而如果有生產線發生異常狀況，或是需要人力介入處理，智慧型生產線也會通知CPS呼叫現場人員進行處理，並同時即時動態配置新的生產流程。讓整個流程不至於中斷。
由於CPS可以隨時掌握生產線的每個生產單元目前及未來的產能利用率、良率等各種生產資料。因此當有新訂單進來，CPS可以先在系統內做虛擬化處理，依照訂單的優先程度及需求等動態配置生產線，得出「當下」最佳化的生產流程安排。然後再將實際的生產指令下達給系統中的每個生產單元。
● 機器人及工廠虛擬化
智慧型生產線的一個很核心的關鍵就是大量導入智慧型工業機器人。而由於資訊及電子工業的進步，現在的機器人早已經脫離了粗大厚重的角色， 完全可以做到超輕薄短小，而且價格非常低廉。事實上， 現在只要講到工廠自動化，背後幾乎就是一整排的機器人大軍在運作。除了一些重勞動的工作之外， 現在的機器人也能執行非常細微精細的工作任務。而且已經有相當程度的協同作業能力。現有的工業機器人只要稍稍改裝，連上物聯網，其實不難整合進系統中。
工廠虛擬化則是從目前的單一工廠的CPS 概念再往前推一步。每個工廠都有一個獨立的CPS系統，如果將其整合成一個大型的虛擬CPS 中心，那麼就可以動態分配跨工廠的CPS 生產流程及工作任務。這個影響將是巨大的，等於整合整個行業的生產線，組成一個巨大的虛擬工廠。
但是要做到虛擬化工廠並不簡單。除了需更上層的虛擬CPS系統之外，它需要整個行業的生產規格與品質的極其嚴格的標準化。如此一來才能做到不同生產線生產出來的產品具備一致性，可以完全互換的地步。但是一旦成功，那會對未來的生產模式帶來翻天覆地的改變。
工業4.0的衝擊
環顧人類過去200多年來走過的工業革命，我們可以清楚看到任何一個革命都是一波巨大的生產模式的典範移轉。其所帶來的社會影響規模空前巨大。目前估計工業4.0會有下列幾點影響：
● 製造業回流已開發國家
全球化分工體系的形成主要原因是已開發國家的勞動成本與開發中國家相比居於絕對的劣勢。而已開發國家在工業4.0中的虛實整合系統 (CPS) 及智慧型生產線的生產、設計、操作等方面具備絕對性的優勢主導地位。而這些都能大量降低對勞動力的依賴，這將使得已開發國家的製造業重新取得比較優勢。
而且工業4.0的投資巨大，比起開發中國家，已開發國家更能負擔得起這些投資。而生產線回流所縮短的物流成本，也使得生產線可以就近服務於主要市場。這將對開發中國家形成巨大的壓力。
對台灣來說，要面對這個困境，最好的方式是自己的工業體系比已開發國家更快移轉到工業4.0，取得先行者優勢，一旦我們能完成移轉，那麼還可以在全球分工的生產鏈中搶佔一個關鍵地位。否則等到已開發國家完成轉型，台灣將不會再有任何機會。
● 消失的底層勞工
