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产业探索之制造业:从工业4.0说起

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毕友一言:

  有时候,做出放弃的决定,比坚持下去还要困难。

产业探索之制造业:从工业4.0说起

  互联网对商业环节的渗透和改造是逆向的,从与消费者最近的广告营销端开始,进入零售、渗透进分销环节,最终倒逼到生产制造环节。随着下游流通和消费环节的互联网化,正倒逼生产制造环节的互联网化。关于互联网+制造业会发生什么样的变革?传统制造业企业如何拥抱互联网倒逼的变革?接下来,小毕将聚焦制造业,展开系列探索。首期将从受到广泛关注的工业4.0说起。

  一、工业4.0起源及概念

  2011年德国汉诺威工业博览会上,德国相关协会提出工业4.0的初步概念,并在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式推出,其目的是为了提高德国工业的竞争力,在新一轮工业革命中占领先机。工业4.0迅速成为德国的另一个标签,并在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛,美国的重振制造业计划、日本的机器人革命。2015年,国务院日前印发《中国制造2025》,部署全面推进实施制造强国战略。

  那什么是工业4.0呢?根据德国联邦教育研究部的《实施“工业4.0”攻略的建议》,工业4.0的愿景:工业4.0作为智能、网络化世界的一部分。 

  在一个“智能、网络化的世界”里,物联网和服务网(the Internet of Things and Services)将渗透到所有的关键领域。这种转变正在导致智能电网出现在能源供应领域,可持续移动通信战略领域(智能移动性,智能物流)和医疗智能健康领域。在整个制造领域中,贯穿整个智能产品和系统的价值链网络的垂直网络、端到端工程和横向集成将成为工业化第四阶段的引领者—即“工业4.0”。 

  工业4.0的重点是创造智能产品,程序和过程。其中,智能工厂构成了工业4.0的一个关键特征。智能工厂能够管理复杂的事物,并且不容易受到干扰,能够更有效地制造产品。在智能工厂里, 人、机器和资源如同在一个社交网络里一般自然地相互沟通协作。智能产品理解它们被制造的细节以及将被如何使用。它们积极协助生产过程,回答诸如“我是什么时候被制造的”“哪组参数应被用来处理我”“我应该被传送到哪”等等问题。其与智能移动性,智能物流和智能系统网络相对接将使智能工厂成为未来的智能基础设施中的一个关键组成部分。这将导致传统价值链的转变和新商业模式的出现。 

  因此,工业4.0不应被孤立地对待,而是应该被看作是一系列需要采取行动的关键领域中的一个。所以,工业4.0应在跨学科状态下加以实施,并与其他关键领域展开密切合作。“


图:工业4.0和智能工厂----物联网和服务网的一部分

  二、工业4.0特征

  工业和信息化部电子信息司副司长安筱鹏则从五个方面阐述了工业4.0具有的特征:

  (一)工业4.0是互联

  工业4.0的核心是连接,要把设备、生产线、工厂、供应商、产品、客户紧密地连接在一起。“工业4.0”适应了万物互联的发展趋势,将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过信息物理系统(CPS)形成一个智能网络,使得产品与生产设备之间、不同的生产设备之间以及数字世界和物理世界之间能够互联,使得机器、工作部件、系统以及人类会通过网络持续地保持数字信息的交流。

  1、生产设备之间的互联。从工业2.0到工业3.0时代的重要标志是,单机智能设备的广泛普及。工业4.0工作组把1969年第一个可编程逻辑控制器Modicon084的使用作为工业3.0的起点,其核心是各种数控机床、工业机器人自动化设备在生产环节的推广,我们可以把它理解为单机设备智能化水平不断提升并广泛普及推广。工业4.0的核心是单机智能设备的互联,不同类型和功能的智能单机设备的互联组成智能生产线,不同的智能生产线间的互联组成智能车间,智能车间的互联组成智能工厂,不同地域、行业、企业的智能工厂的互联组成一个制造能力无所不在的智能制造系统,这些单机智能设备、智能生产线、智能车间及智能工厂可以自由的、动态的组合,以满足不断变化的制造需求,这是工业4.0区别与工业3.0的重要特征。

  2、设备和产品的互联。正如德国总理默克尔在2014年汉诺威工博会上所讲的,工业4.0的意味着智能工厂能够自行运转,零件与机器可以进行交流。由于产品和生产设备之间能够通信,使得产品能理解制造的细节以及自己将被如何使用。同时,它们能协助生产过程,回答诸如“我是什么时候被制造的”、“哪组参数应该被用来处理我”、“我应该被传送到哪”等等问题。

  3、虚拟和现实的互联。信息物理系统(CPS)是工业4.0的核心,它通过将物理设备连接到互联网上,让物理设备具有计算、通信、控制、远程协调和自治等五大功能,从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。信息物理系统(CPS)可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起,从而创造物联网及相关服务,并将生产工厂转变为一个智能环境,是实现设备、产品、人协调互动的基础。智能制造的核心在于实现机器智能和人类智能协,实现生产过程的自感知、自适应、自诊断、自决策、自修复。

  4、万物互联(IOE,InternetofEverything)。信息技术发展的终极目标是实现无所不在的连接,所有产品都将成为一个网络终端。万物互联就是人、物、数据和程序通过互联网联接在一起,实现人类社会所有人和人、人和物以及物和物之间的互联,重构整个社会的生产工具、生产方式和生活场景。人们能够以多种方式通过社交网络联接到互联网,基于感知、传输、处理的各类人造物将成为网络的终端,人、物、数据在网络环境下进行流程再造,基于物理世界感知和人群交互的在线化、实时化的数据与智能处理改变着我们对外部世界的响应模式。

  (二)工业4.0是集成

  “工业4.0”将无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络,使人与人、人与机器、机器与机器以及服务与服务之间能够互联,从而实现横向、纵向和端对端的高度集成。集成是德国工业4.0的关键词,也是长期以来中国推动两化融合的关键词。在两化融合评估体系中,将两化融合分为起步阶段、单项应用阶段、综合集成阶段、协同创新阶段等四个阶段,综合集成是信息化和工业化融合走向纵向重要标志,中国两化融合主要强调了企业间的横向集成和企业内部的纵向集成,而德国工业4.0增加了端到端的集成。

  1、纵向集成。纵向集成不是一个新话题,伴随着信息技术与工业融合发展常讲常新,换句话说,企业信息化在各个部门发展阶段的里程碑,就是企业内部信息流、资金流和物流的集成,是在哪一个层次、哪一个环节、哪一个水平上,是生产环节上的集成(如研发设计内部信息集成),还是跨环节的集成(如研发设计与制造环节的集成),还是产品全生命周期的(如产品研发、设计、计划、工艺到生产、服务的全生命周期的信息集成)。工业4.0所要追求的就是在企业内部实现所有环节信息无缝链接,这是所有智能化的基础。

  2、横向集成。在市场竞争牵引和信息技术创新驱动下,每一个企业都是在追求生产过中的信息流、资金流、物流无缝链接与有机协同,在过去这一目标主要集中在企业内部,但现在这一远远不够了,企业要实现新的目标:从企业内部的信息集成向产业链信息集成,从企业内部协同研发体系到企业间的研发网络,从企业内部的供应链管理与企业间的协同供应链管理,从企业内部的价值链重构向企业间的价值链重构。横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合,为实现各企业间的无缝合作,提供实时产品与服务,推动企业间研产供销、经营管理与生产控制、业务与财务全流程的无缝衔接和综合集成,实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同的企业间的信息共享和业务协同。

  3、端到端集成。从某种意义上来讲,端到端的集成是一个新理念,各界对于端到端集成有不同的理解。所谓端到端就是围绕产品全生命周期的价值链创造,通过价值链上不同企业资源的整合,实现从产品设计、生产制造、物流配送、使用维护的产品全生命周期的管理和服务,它以产品价值链创造集成供应商(一级、二级、三级……)、制造商(研发、设计、加工、配送)、分销商(一级、二级、三级……)以及客户信息流、物流和资金流,在为客户提供更有价值的产品和服务同时,重构产业链各环节的价值体系。

  (三)工业4.0是数据

  德国机械设备制造业协会及SAP的专家在交流时都提出,工业4.0的核心就是数据。SAP高级副总裁柯曼说,企业数据分析就像汽车的后视镜,开车没有后视镜就没有安全感,但更重要的是车的前档风玻璃——对实时数据的精准分析。从工业1.0、2.0、3.0演进的角度来看,这一认识不无道理,数据是区别于传统工业生产体系的本质特征。在“工业4.0”时代,制造企业的数据将会呈现爆炸式增长态势。随着信息物理系统(CPS)的推广、智能装备和终端的普及以及各种各样传感器的使用,将会带来无所不在的感知和无所不在的连接,所有的生产装备、感知设备、联网终端,包括生产者本身都在源源不断地产生数据,这些数据将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期,是工业4.0和制造革命的基石。

  1、产品数据。包括设计、建模、工艺、加工、测试、维护、产品结构、零部件配置关系、变更记录等数据。产品的各种数据被记录、传输、处理和加工,使得产品全生命周期管理成为可能,也为满足个性化的产品需求提供了条件。首先,外部设备将不再是记录产品数据的主要手段,内嵌在产品中的传感器将会获取更多的、实时的产品数据,使得产品管理能够贯穿需求、设计、生产、销售、售后到淘汰报废的全部生命历程。其次,企业与消费者之间的交互和交易行为也将产生大量数据,挖掘和分析这些数据,能够帮助消费者参与到产品的需求分析和产品设计、柔性加工等创新活动中。

  2、运营数据。包括组织结构、业务管理、生产设备、市场营销、质量控制、生产、采购、库存、目标计划、电子商务等数据。工业生产过程的无所不在的传感、连接,带来了无所不在的数据,这些数据会创新企业的研发、生产、运营、营销和管理方式。首先,生产线、生产设备的数据可以用于对设备本身进行实时监控,同时生产所产生的数据反馈至生产过程中,使得工业控制和管理最优化。其次,通过对采购、仓储、销售、配送等供应链环节上的数据采集和分析,将带来效率的大幅提升和成本的大幅下降,并将极大地减少库存,改进和优化供应链。再次,利用销售数据、供应商数据的变化,可以动态调整优化生产、库存的节奏和规模。此外,基于实时感知的能源管理系统,能够在生产过程中不断实时优化能源效率。

  3、价值链数据。包括客户、供应商、合作伙伴等数据。企业在当前全球化的经济环境中参与竞争,需要全面地了解技术开发、生产作业、采购销售、服务、内外部后勤等环节的竞争力要素。大数据技术的发展和应用,使得价值链上各环节数据和信息能够被深入分析和挖掘,为企业管理者和参与者提供看待价值链的全新视角,使得企业有机会把价值链上更多的环节转化为企业的战略优势。例如,汽车公司大数据提前预测到哪些人会购买特定型号的汽车,从而实现目标客户的响应率提高了15%至20%,客户忠诚度提高7%。

  4、外部数据。包括经济运行、行业、市场、竞争对手等数据。为了应对外部环境变化所带来的风险,企业必须充分掌握外部环境的发展现状以增强自身的应变能力。大数据分析技术在宏观经济分析、行业市场调研中得到了越来越广泛的应用,已经成为企业提升管理决策和市场应变能力的重要手段。少数领先的企业已经通过为包括从高管到营销甚至车间工人在内的员工提供信息、技能和工具,引导员工更好、更及时地在“影响点”做出决策。

  (四)工业4.0是创新

  “工业4.0”的实施过程实际上就是制造业创新发展的过程,制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新将会层出不穷。

  1、技术创新。未来工业4.0的技术创新在三条轨道上进行,一是新型传感器、集成电路、人工智能、移动互联、大数据在信息技术创新体系中不断演进,并为新技术在其它行业的不断融合渗透奠定技术基础。二是传统工业在信息化创新环境中,不断优化创新流程、创新手段和创新模式,在既有的技术路线上不断演进。三是传统工业与信息技术的融合发展,它既包括信息物理空间(CPS)、智能工厂整体解决方案等一系综合集成技术,也包括集成工业软硬件的各种嵌入式系统、虚拟制造、工业应用电子等单项技术突破。

  2、产品创新。信息通信技术不断融入工业装备中,推动着工业产品向数字化、智能化方向发展,使产品结构不断优化升级。一方面,传统的汽车、船舶、家居的智能化创新步伐加快,如汽车正进入“全面感知+可靠通信+智能驾驶”的新时代,万物互联(IOE)时代正在到来。另一方面,制造装备从单机智能化向智能生产线、智能车间到智能工厂演进,提供工厂级的系统化、集成化、成套化的生产装备成为产品创新的重要方向。

  3、模式创新。“工业4.0”将发展出全新的生产模式、商业模式。首先在生产模式层面,“工业4.0”对传统工业提出了新的挑战,要求从过去的“人脑分析判断+机器生产制造”的方式转变为“机器分析判断+机器生产制造”的方式,基于信息物理系统(CPS)的智能工厂和智能制造模式正在引领制造方式的变革。其次在商业模式层面,“工业4.0”的“网络化制造”、“自我组织适应性强的物流”和“集成客户的制造工程”等特征,也使得它追求新的商业模式以率先满足动态的商业网络而非单个公司,网络众包、异地协同设计、大规模个性化定制、精准供应链管理等新型智能制造模式将加速构建产业竞争新优势。

  4、业态创新。伴随信息等技术升级应用,从现有产业领域中衍生叠加出的新环节新活动,将会发展成为新的业态,进一步来讲在新市场需求的拉动下,将会形成引发产业体系重大变革的产业。就目前来看,工业云服务、工业大数据应用、物联网应用都有可能成为或者催生出一些新的产业和新的经济增长点。制造与服务融合的趋势,使得全生命周期管理、总集成总承包、互联网金融、电子商务等加速重构产业价值链新体系。

  5、组织创新。在工业4.0时代,很多企业将会利用信息技术手段和现代管理理念,进行业务流程重组和企业组织再造,现有的组织体系将会被改变,符合智能制造要求的组织模式将会出现。基于信息物理系统(CPS)的智能工厂将会加快普及,进一步推动企业业务流程的优化和再造。企业组织管理创新,也是两化融管理体系标准的重要内容,在两化融合管理体系的九大原则、四大核心要素、四个管理域中都涉及到,如何围绕企业获取可续的竞争优势,不断优化企业的业务流程和组织架构。从实践的角度来看,国内企业在组织创新方面做了很多积极的探索,海尔张瑞敏提出企业无边界、组织无领导、供应链无中心等新的管理理念。华为任正非提出让听见炮火的人指挥战斗,作战的基本单元要从师一级缩小到旅、团、营、连,一直到班,以后的战争是“班长的战争”。

  (五)工业4.0是转型

  在“工业4.0”时代,物联网和(服)务联网将渗透到工业的各个环节,形成高度灵活、个性化、智能化的产品与服务的生产模式,推动生产方式向大规模定制、服务型制造、创新驱动转变。

  1、从大规模生产向个性化定制转型。“工业4.0”给生产过程带来了极大的自由度与灵活性,通过在设计、供应链、制造、物流、服务等各个环节植入用户参与界面,新的生产体系能够实现每个客户、每个产品进行不同设计、零部件采购、安排生产计划、实施制造加工、物流配送,极端情况下可以实现个性化的单件制造,问题的关键是,设计、制造、配送单件产品是盈利的。在这一过程中,用户由部分参与向全程参与转变,用户不仅出现在生产流程的两端,而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。实现真正的个性化定制将是一个漫长而艰辛的过程,这一进程只有起点没有终点。这次去德国考察工业4.0,德国相关机构提供了几个可供参观的工业4.0典型企业,其中一家企业的材料给我留下了深刻的影响,它介绍说工业4.0帮助企业建立了极多品种的极少量生产模式,这是我们后来考虑去这家企业参观学习的重要原因。

  2、从生产型制造向服务型制造转型。服务型制造是工业4.0理念中工业未来转型的重要方向,越来越多的制造型企业围绕产品全生命周期的各个环节不断融入能够带来市场价值的增值服务,以此实现从传统的提供制造业产品向提供融入了大量服务要素的产品与服务组合转变。事实上,在德国工业4.0概念提出之前,服务型制造的理念已得到广泛认同。关于制造业服务化,我之前曾出版了一本专著《制造业服务路线图:机理、模式与选择》,提出服务型制造的四种基本模式。围绕增强产品效能,拓展在线维护、个性化设计等服务,围绕提高产品交易便捷性,拓展融资租赁、现代物流和电子商务等服务,围绕提高产品线效能,提供专业化产品集成服务,围绕客户全方位需求,实现从基于产品的服务到基于需求的服务。在与德国三个大协会以及西门子、博世、蒂森克虏伯等企业交流时,他们都从不同角度提出,推动制造业服务化转型是工业4.0的核心理念。

  3、从要素驱动向创新驱动转型。以廉价劳动力、大规模资本投入的传统要素驱动发展模式将难以为继,移动互联网、云计算、物联网、大数据等新一代信息技术在制造业的集成应用,带来产业链协同开放创新,带来了用户参与式创新,带来了制造业技术、产品、工艺、服务的全方位创新,不断催生和孕育出新技术、新业态和新模式,从而激发整个社会的创新创业激情,加快从传统的要素驱动向创新驱动转型。

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