“工業4.0”的核心是智能制造，智能制造主要是基于信息物理系統（CPS）。信息是指軟件，物理是指硬件，軟件的信息化+硬件的自動化=信息物理系統的智能化。
出處：VINT實驗室
自動化只是單純的控制，智能化則是在控制的基礎上，通過物聯網傳感器采集海量生產數據，通過互聯網匯集到云計算數據中心，然后通過信息管理系統對大數據進行分析、挖掘，從而制定出正確的決策。
這些決策附加給自動化設備的是“智能”，從而提高生產靈活性和資源利用率，增強顧客與商業合作伙伴之間的緊密關聯度，并提升工業生產的商業價值。
（一）生產智能化
生產智能化通過基于信息化的機械、知識、管理和技能等多種要素的有機結合，從著手生產制造之前，就按照交貨期、生產數量、優先級、工廠現有資源(人員、設備、物料)的有限生產能力，自動制訂出科學的生產計劃。從而，提高生產效率，實現生產成本的大幅下降，同時實現產品多樣性、縮短新產品開發周期，從而最終實現工廠運營的全面優化變革。
（二）設備智能化
在生產線、生產設備中配備的傳感器，能夠實時抓取數據，然后經過無線通信連接互聯網，傳輸數據，對生產本身進行實時的監控。設備傳感和控制層的數據與企業信息系統融合形成了信息物理系統（CPS），使得生產大數據傳到云計算數據中心進行存儲、分析，形成決策并反過來指導設備運轉。設備的智能化直接決定了“工業4.0”所要求的智能生產水平。
（三）能源管理智能化
能源管理智能化將對生產能耗進行管理，以最具經濟效益的方式，部署工業節能減排與綜合利用的智能化系統架構，從資源、原材料、研發設計、生產制造到廢棄物回收再利用處理，形成綠色產品生命周期管理的循環。
（四）供應鏈管理智能化
供應鏈管理智能化將統一工廠的零部件庫存和供應商的生產流程，從而保證工廠的零部件庫存的最小化，降低庫存帶來的風險，降低生產成本。
“工業4.0”其實就是基于信息物理系統（CPS）實現智能工廠，最終實現的是制造模式的變革。
其實，CPS概念最早由美國國家科學基金會（NSF）在2006提出，被認為有望成為繼計算機、互聯網之后世界信息技術的第三次浪潮。
CPS的核心是3C（Computing、Communication、Control）的融合。
信息世界是指工業軟件和管理軟件、工業設計、互聯網和移動互聯網等。
物理世界是指能源環境、人、工作環境、局域通信以及設備與產品等。
CPS的最終目標是實現信息世界和物理世界的完全融合，構建一個可控、可信、可擴展并且安全高效的CPS網絡，并最終從根本上改變人類構建工程物理系統的方式。
CPS概念是從上世紀80年代的嵌入式系統演變而來。經歷1990年的泛在計算、1994年的普適計算、2000年的環境智能，直到2006年才發展成為了信息物理系統。
據資料顯示，2005年5月，美國國會要求美國科學院評估美國的技術競爭力，并提出維持和提高這種競爭力的建議。5個月后，基于此項研究的報告《站在風暴之上》問世。在此基礎上，于2006年2月美國發布《美國競爭力計劃》，將信息物理系統CPS列為重要的研究項目。
根據英國電氣工程師協會（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定義，嵌入式系統為控制、監視或輔助設備、機器或用于工廠運作的設備。與個人計算機這樣的通用計算機系統不同，嵌入式系統通常執行的是帶有特定要求的預先定義的任務。由于嵌入式系統只針對一項特殊的任務，設計人員能夠對它進行優化，減小尺寸降低成本。
嵌入式系統是軟件程序對硬件的一對一的控制。
一旦，基于高性能軟件的嵌入式系統與融合在數字網絡中的專業用戶接口之間，發生的相互作用，必將誕生全新的系統功能性世界。舉一個簡單的例子，智能手機囊括許多應用和服務，已經遠遠超出設備本身通話功能。由于全新的劃時代應用和服務的提供商將不斷涌現，漸漸形成新價值鏈，所以，CPS也將對現有業務與市場模式帶來范式上的轉變。
CPS就是嵌入式系統加上網絡控制功能，實現了多個軟件對多個硬件控制的網絡。其中網絡功能主要是為了實現控制目的，利用物聯網、傳感器的無線連接和感知功能，實現進一步管理和控制。
在“工業3.0”時代，傳統的自動化系統是封閉的，許多嵌入式設備并沒有預留外部接口?！肮I4.0”在自動化的基礎上，通過網絡功能對嵌入式系統進行了擴展，使得匯集計算、通信和控制能力于一體的CPS成為智能工廠的核心。
CSP是融合技術，包括計算、通信以及控制（傳感器、執行器等）。
中國科學院何積豐院士指出：“CPS，從廣義上理解，就是一個在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控可信可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加或擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制一個物理實體?！?/p>
在“工業4.0”時代，進一步豐富了CPS的3C融合概念。在計算、通信和控制的基礎上，增加了內容（Content，語義分析）、社群（Community，協同合作）、與定制化（Customization，個性化定制）。也可以說，從3C到6C反映了制造業思維和制造業模式的變革。6C條件下的智能工廠通過網絡協同制造，可以實現全產業鏈的智能生產，實現生產的自律調整，生產出智能產品。
同時，6C條件下的智能工廠，可以實現可視化生產，預測性制造管理。傳統的制造過程中，存在許多無法定量的因素，包括加工過程中的設備性能下降、零部件的突發故障、殘次品的返工等。通過可視化，實時監控生產數據，掌控那些不確定因素，使得智能工廠管理者能客觀地評估制造和設備的使用狀態，并通過管理實現預測性制造，起到降低成本，提升運行效率，改進產品質量的作用。
目前所說的制造業信息系統，首先強調的是CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）、CAM (Computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造)等工業軟件和PPS(生產計劃控制系統)、PLM(產品生命周期管理)等信息化管理系統。主要應用于由上而下的集中式中央控制系統。
而“工業4.0”通過CPS實現生產工藝與信息系統融合，體現了生產模式從“集中型”到“分散型”的范式轉變，正是因為有了讓傳統生產過程理論發生顛覆的技術進步，這一切才成為可能。同時，分散型智能利用，代表了生產制造過程的虛擬世界與物理世界之間的交互關系，在構建智能物體網絡中發揮重要作用。
未來，生產設備不再只是“加工”產品，取而代之的是，智能化的生產設備通過網絡的形式緊密地聯接在一起，而產品則通過網絡通信向生產設備傳達如何采取正確操作。更具動態性和靈活性，從而能挖掘出更多優化的可能，提高生產效率。
出處：德國工業4.0最終報告
CPS連接了信息世界與物理現實世界，使智能物體互相通信、相互作用，創造一個真正的網絡世界。生產設備中的嵌入式系統與生產線上的物聯網傳感器是構成CPS的要素之一，這些技術被稱為“物理技術”。但是，CPS 體現了相對當前嵌入式系統和物聯網的進一步進化，與互聯網或者網上可搜集的數據、服務結合在一起，實現更加廣泛的基于創新型應用或過程的新物理空間，淡化物理世界與信息世界的界限。
也就是，CPS通過提供構建物聯網的基礎部分，并且與“服務互聯網”一體化，實現“工業 4.0”。使得傳統制造業中的物理技術就像互聯網讓個人相互通信、相互作用的關系發生變革一樣，將給我們與物理現實世界之間的相互作用關系帶來新的、根本性變化。
未來，CPS將聯接數百億的物聯網傳感器、數十億的人和上千萬的服務。就智能制造而言，CPS對涵蓋自動化、生產技術、汽車、機械工程、能源、運輸以及遠程醫療等眾多工業部門、應用領域，具有非常重要的意義。CPS不僅可以降低實際成本，提高能源、時間等的效率，還能降低二氧化碳（CO2）排放水平，在保護環境上發揮重大作用。因CPS而實現的許多應用，將產生新附加價值鏈和業務模式。
生產系統，智能工廠的產品、資源及處理過程因CPS的存在，將具有非常高水平的實時性，同時在資源、成本節約中也頗具優勢。智能工廠將按照重視可持續性的服務中心的業務來設計。因此，靈活性、自適應以及機械學習能力等特征，甚至風險管理都是其中不可或缺的要素。
智能工廠的設備將實現高級自動化，主要是由基于自動觀察生產過程的CPS的生產系統的靈活網絡來實現的。通過可實時應對的靈活的生產系統，能夠實現生產工程的徹底優化。同時，生產優勢不僅僅是在特定生產條件下一次性體現，也可以實現多家工廠、多個生產單元所形成的世界級網絡的最優化。
“工業 4.0”從嵌入式系統向信息物理系統（CPS）進化，形成智能工廠。智能工廠作為未來第四次工業革命的代表，不斷向實現物體、數據以及服務等無縫連接的互聯網 （物聯網、數據網和服務互聯網）的方向發展。
物聯網和服務互聯網分別位于智能工廠的三層信息技術基礎架構的底層和頂層。最頂層中，與生產計劃、物流、能耗和經營管理相關的ERP、SCM、CRM等，和產品設計、技術相關的PLM處在最上層，與服務互聯網緊緊相連。中間一層，通過CPS物理信息系統實現與生產設備和生產線控制、調度等相關功能。從智能物料供應，到智能產品的產出，貫通整個產品生命周期管理。最底層則通過物聯網技術實現控制、執行、傳感，實現智能生產。
同時“智能工廠”的“智能生產”，重點研究智能化生產系統及過程，以及網絡化分布式生產設施的實現，其核心就是在整個工業生產過程中的應用中，通過信息物理系統（CPS），利用物聯網的技術、軟件技術和通信技術，加強信息管理和服務，提高生產過程的可控性，從而實現研發、生產、制造工藝及工業控制等全方位的信息覆蓋，全面控制各種信息，確保各個生產制造環節都能處于最優狀態。從而引導制造業向智能化轉型。
出處：德國人工智能研究中心[DFKI]
在未來的智能工廠，每個生產環節清晰可見、高度透明，整個車間有序且高效地運轉?！肮I4.0”中，自動化設備在原有的控制功能基礎上，附加一定新功能，就可以實現產品生命周期管理、安全性、可追蹤性與節能性等智能化要求。這些為生產設備添加的新功能是指通過為生產線配置眾多傳感器，讓設備具有感知能力，將所感知的信息通過無線網絡傳送到云計算數據中心，通過大數據分析決策進一步使得自動化設備具有自律管理的智能功能，從而實現設備智能化。
“工業4.0”中，在生產線、生產設備中配備的傳感器，能夠實時抓取數據，然后經過無線通信連接互聯網，傳輸數據，對生產本身進行實時的監控。設備傳感和控制層的數據與企業信息系統融合形成了信息物理系統（CPS），使得生產大數據傳到云計算數據中心進行存儲、分析，形成決策并反過來指導設備運轉。設備的智能化直接決定了“工業4.0”所要求的智能生產水平。
隨著移動互聯網和云計算、大數據技術的發展，計算機到智能手機等移動終端的演進，越來越多功能強大的智能設備以無線方式實現了與互聯網或設備之間的互聯。由此衍生出物聯網、服務互聯網和數據網，推動著物理世界和信息世界以信息物理系統（CPS）的方式相融合。也可以說，是這種技術進步使得制造業領域實現了資源、信息、物品、設備和人的互通互聯。
通過互通互聯，云計算、大數據這些新的互聯網技術，和以前的自動化的技術結合在一起，生產工序實現縱向系統上的融合，生產設備和設備之間，工人與設備之間的合作，把整個工廠內部的聯結起來，形成信息物理系統，互相之間可以合作、可以響應，能夠開展個性化的生產制造，可以調整產品的生產率，還可以調整利用資源的多少、大小，采用最節約資源的方式。
“工業4.0”時代，生產智能化通過基于信息化的機械、知識、管理和技能等多種要素的有機結合，從著手生產制造之前，就按照交貨期、生產數量、優先級、工廠現有資源(人員、設備、物料)的有限生產能力，自動制訂出科學的生產計劃。從而，提高生產效率，實現生產成本的大幅下降，同時實現產品多樣性、縮短新產品開發周期，從而最終實現工廠運營的全面優化變革。
也就是，“工業4.0”時代的智能生產將從資源驅動演變成了信息驅動。
傳統制造業時代，材料、能源和信息是工廠生產的三個要素。傳統制造業發展的歷史，就是工廠利用材料、能源和信息進行物質生產的歷史。
也可以說，材料、能源和信息領域的任何技術革命，必然導致生產方式的革命和生產力的飛躍發展。
出處：德國工業4.0最終報告
“工業4.0”時代，在智能工廠中，CRM（Customer Relationship Management,客戶關系管理）、PDM（Product Data Management，產品數據管理）、SCM（Supply chain management，供應鏈管理）等軟件管理系統可能都將互聯。屆時，接到顧客訂單后的一瞬間，工廠就會立即自動地向原材料供應商采購原材料。原材料到貨后，將被賦予數據，“這是給某某客戶生產的某某產品的某某工藝中的原材料”，使“原材料”帶有信息。
帶有信息的原材料也就意味著擁有自己的用途或目的地。如果，在生產過程中，當原材料一旦被錯誤配送到其他生產線，它就會通過與生產設備開展“對話”，返回屬于自己的正確的生產線；如果，生產機器之間的原材料不夠用，同樣，生產機器也可以向訂單系統進行“交涉”，來增加原材料數量；最終，即便是原材料嵌入到產品內之后，由于它還保存著路徑流程信息，將會很容易實現追蹤溯源。
在傳統的制造業生產模式中，無論是工廠還是供應商，都需要為制造業的零部件或原材料的庫存付出一定的成本支出，由于供應商和工廠之間的信息不對稱和非自動的信息交換，生產的模式只能采用按計劃或按庫存生產的模式，靈活性和效率受到了約束。
“工業4.0”時代，復雜的制造系統在一定程度上也加速了產業組織結構的轉型。傳統的大型企業集團掌控的供應鏈主導型將向產業生態型演變，平臺技術以及平臺型企業將在產業生態中的展現出更多的作用。因此，企業競爭戰略的重點將不再是做大規模，而將是智能化的供應鏈管理，在不斷變化的動態環境中獲得和保持動態的供需協調能力。
供應鏈管理智能化將統一工廠的零部件庫存和供應商的生產流程，從而保證工廠的零部件庫存的最小化，降低庫存帶來的風險，降低生產成本。供應鏈管理智能化要求企業間的信息采用基于事件驅動的方式交換信息，信息的交換是實時地，并且對方同樣可以做出實時地反應，供應鏈上不同的企業的運作效率與在同一個企業中的運作一樣敏捷，滿足不斷變化的需求的適應性。供應鏈管理智能化將為供應鏈上的企業帶來更大的利益，供應鏈上各個企業的協同制造將為降低制造成本，物流成本，縮短制造周期，提供更好的服務提供有力的保障。
未來制造業中，每個工廠是獨立運作的模式，每個工廠都有獨立運行的生產管理系統，或者采用一套生產管理系統來管理所有的工廠的操作。但是隨著企業的發展，企業設置有不同的生產基地及多個工廠，工廠之間往往需要互相調度，合理地利用人力、設備、物料等資源，企業中每個工廠之間的信息的流量越來越多，實時性的要求越來越高，同時每個工廠的數據量和執行的速度的要求也越來越高。這就要求不同工廠之間能夠做到網絡協同，確保實時的信息傳遞與共享。
出處：ARC公司
實際上，早在2000年，國際著名的咨詢機構ARC針對生產制造模式新的發展，詳細地分析了自動化、制造業以及信息化技術發展現狀，從科技發展趨勢對生產制造可能產生影響的角度，作出過全面的調查研究，并提出了用工程、生產制造、供應鏈三個維度描述的數字工廠模型。
從生產流程管理、企業業務管理一直到研究開發產品生命周期的管理而形成的“協同制造模式”（Collaborative Manufacturing Model，CMM），使得制造管理、產品設計、產品服務生命周期和供應鏈管理、客戶關系管理有機地融合在一個完整的企業與市場的閉環系統之中，使企業的價值鏈從單一的制造環節向上游設計與研發環節延伸，企業的管理鏈也從上游向下游生產制造控制環節拓展，形成一個集成了工程、生產制造、供應鏈和企業管理的網絡協同制造系統。
“工業4.0”也在一定程度上借用了CMM的理論?！肮I4.0”定義了制造商、供應商乃至開發商之間的網絡協同結構，主要目的是實現市場與研發的協同、研發與生產的協同、管理與通信的協同，從而形成一個完整的制造網絡，由多個制造企業或參與者組成，它們相互交換商品和信息，共同執行業務流程。企業、價值鏈和產品生命周期這三個維度貫穿于各個價值鏈中的制造參與者之間。居于上方的是管理職能，下方是制造職能。
2011年底，美國學者發布了一份名為《捕捉Apple全球供應網絡利潤》的報告，其中針對iPhone手機利潤分配的研究顯示，2010年Apple公司每賣出一臺iPhone，就獨占其中58.5%的利潤，而富士康組裝利潤僅為1.8%。
iPhone手機的系列產品包裝內一如既往地寫著，“Designed by Apple in California，Assembled in China”。意即“Apple是在美國本土西部太平洋沿岸的加州進行了產品研發與設計，在中國實施的產品組裝”。但是，除了很少一部分零部件之外，其他的大多零部件都不是Apple公司生產的，這已經不是一個秘密了。Apple公司對全球的各類優秀零部件供應商的產品進行了組合，生產出了iPhone、iPad。所以，iPhone是“中國制造”嗎？是“美國制造”嗎？顯然都不是。據日本媒體報道，iPhone6中，攝像頭由索尼供貨，液晶面板由夏普供貨，高頻零部件由村田制作所或TDK供貨，LED背光模塊由美蓓亞等日本企業供貨的，只不過組裝過程是由位于中國境內的富士康公司來完成的。
隨著“工業4.0”時代的到來，互聯網公司紛紛加入“造車”隊伍，它們像Apple那樣采用網絡協同方式生產產品，那么豐田汽車呢？或許會成為汽車領域的富士康——為互聯網公司代工。
