導言:縱觀百年制造史,生產力的革命與生產關系的變革交織并進,"流"與"變"的辯證法始終激蕩爭鳴。工業(yè)4.0正是順應數(shù)字經濟時代的大勢,以數(shù)據驅動為核心,重塑了物料流、信息流在制造系統(tǒng)中的流轉方式。傳統(tǒng)工廠中,價值鏈各環(huán)節(jié)往往"各自為政",原料供應、產品制造、倉儲物流之間存在諸多"斷點"。而在智能工廠中,設備、產線、車間乃至供應鏈上下游通過工業(yè)互聯(lián)網實現(xiàn)萬物互聯(lián),形成了一張高效協(xié)同的智能制造“神經網絡"

第一章 引言

工業(yè)4.0作為第四次工業(yè)革命的代名詞,正在引領制造業(yè)向智能化、數(shù)字化、網絡化的方向邁進。這一概念最早由德國聯(lián)邦教育研究部于2011年提出,旨在通過物聯(lián)網、信息通訊技術與制造業(yè)的深度融合,打造更加高效、靈活、個性化的生產模式。工業(yè)4.0不僅意味著技術的進步,更體現(xiàn)了生產范式的變革。

回顧工業(yè)革命的歷史,第一次工業(yè)革命始于18世紀60年代的英國。機械化生產取代了手工勞動,標志性成果包括瓦特改良蒸汽機、機械化紡織等。第二次工業(yè)革命發(fā)生在19世紀末20世紀初,以電力的廣泛應用和內燃機的發(fā)明為標志,工業(yè)化進程大大加快。福特的"T型車"展現(xiàn)了流水線大規(guī)模生產的魅力。20世紀70年代,計算機和自動化技術的發(fā)展催生了第三次工業(yè)革命。機器人、數(shù)控機床等開始在制造業(yè)廣泛普及。

而今,信息技術的指數(shù)級進步引領我們邁向工業(yè)4.0的智能時代。大數(shù)據、云計算、人工智能、3D打印、虛擬現(xiàn)實等新技術層出不窮,帶來了前所未有的可能性。制造業(yè)作為國民經濟的中流砥柱,必須以新的視角審視自身,在變革中抓住機遇,在創(chuàng)新中贏得未來。

然而,面對紛繁復雜的技術選擇,很多企業(yè)難免會陷入盲目跟風的困境。過度關注某項前沿技術,而忽視了制造業(yè)的基本規(guī)律,往往事倍功半。正如美國麻省理工學院David Hardt教授在演講中所強調的,無論工業(yè)革命經歷多少次迭代,制造系統(tǒng)的核心原理始終不變,那就是物料和信息在時間和空間維度的流動與變異(flow and variation)。唯有以此為基礎,洞悉工業(yè)4.0背后的邏輯,才能避免"溫故而知新"的窘境。

因此,深入理解制造業(yè)的發(fā)展規(guī)律和基本原理,對于成功實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略至關重要。只有在夯實基礎的前提下,引入先進技術,才能收獲"1+1>2"的協(xié)同效應。接下來,我們將進一步剖析制造業(yè)的核心原理,探尋推動工業(yè)變革的"動力之源"。

第二章 制造業(yè)的核心原理

縱觀工業(yè)革命的歷史長河,技術的更迭為制造模式注入新的活力,也催生了管理理念的日新月異。然而,一個有趣的現(xiàn)象是,無論時代如何變遷,制造系統(tǒng)背后的核心原理卻鮮有改變。正如麻省理工學院教授David Hardt所言,制造系統(tǒng)的本質在于物料、信息、能量等生產要素在時間和空間上的流動組合(flow),同時受限于深淺不一的變異(variation)。把控"流",調控"變",正是現(xiàn)代制造管理的要義。

以豐田生產方式(TPS)為例。上世紀五六十年代,豐田汽車公司創(chuàng)造性地提出準時化生產(Just-in-time)理念,通過精益求精地優(yōu)化物流和信息流,最大限度地減少庫存和浪費,從而快速響應市場需求?？梢哉f,準時化生產模式是以"流"的視角審視并重塑制造全過程的典范。

事實上,準時化生產的核心要義在于同步化(Synchronization),即在保證質量的前提下,使投入生產的物料以穩(wěn)定、均衡、有節(jié)奏的速度流動,減少停滯和積壓,最終與市場需求達成同步。為此,豐田創(chuàng)造性地采用看板管理、均衡生產、拉式生產等手段,有效控制了生產節(jié)拏,平滑了物料流動。

以汽車零部件的生產為例。傳統(tǒng)的批量生產模式通常采取"預測-備貨"策略,即根據對未來市場需求的預測提前備貨,再分批推送給下游工序。這種做法看似有利于規(guī)模經濟,但實則容易導致庫存積壓和短缺并存,物料流動節(jié)奏紊亂。而準時化生產以實際訂單為牽引,上游工序根據下游工序的領料需求同步生產,減少不必要的中間庫存。通過限定流動在制品的數(shù)量,可及時發(fā)現(xiàn)并消除生產節(jié)拏的?平衡,使物料在工序間高效流轉。

準時化生產的精髓還在于"流"中蘊藏著"智"。物料流動的背后,是信息流、資金流乃至價值流的高效配合。包裝箱的形狀、貨架的擺放、補貨的頻次……看似簡單的生產細節(jié),無不滲透著深邃的哲學思考。譬如,豐田的物流工人每天要數(shù)十次地往返于倉庫和車間,頻繁搬運、裝卸各類物料,其間路徑安排和作業(yè)順序至關重要。對此,豐田遵循"提高物流頻次,減少搬運批量"的原則,要求工人采取最短路徑、最少步驟完成配送,確保物料供應及時到位又不過剩。如此一來,庫存周轉加快,積壓減少,也倒逼上游及時改善,形成良性循環(huán)。

與此同時,豐田還致力于從源頭消除"變異",將質量管理理念滲透到生產的每個環(huán)節(jié)。全員參與的"QC小組"活動、"停機再造"的決策機制、層層把關的"源流開關"……這些行之有效的實踐,無一不凸顯出對"零缺陷"的不懈追求。

可以說,準時化生產是制造系統(tǒng)"流"與"變"辯證法的經典應用,其背后的深層邏輯在于:通過平滑物料流動,壓縮供應鏈條,削減冗余庫存,快速暴露并消除生產過程中的缺陷,最終實現(xiàn)低成本、高質量、短交期。

再看德國工業(yè)4.0的核心理念"CPS(信息物理融合系統(tǒng))",其本質是通過嵌入式傳感器、射頻識別、工業(yè)以太網等物聯(lián)化手段,將信息流與物料流高度融合,使生產過程透明可視,能夠自主感知并實時優(yōu)化。這與準時化生產對物料"流"的訴求如出一轍。

以西門子電子工廠為例。早在上世紀90年代,西門子就率先導入了MES(制造執(zhí)行系統(tǒng)),實現(xiàn)從訂單到交付的數(shù)字化閉環(huán)管理。工廠內部的加工中心、裝配線等設備連入統(tǒng)一的工業(yè)以太網,源源不斷地采集著加工參數(shù)、物料消耗、質量數(shù)據等關鍵信息。借助RFID、二維碼等物聯(lián)網技術,關鍵工件也被賦予了唯一的"數(shù)字身份",其每一次流轉都能夠被實時記錄和追溯。生產管理人員通過MES監(jiān)控大屏,可洞悉生產過程中人員、設備、物料、能源的實時狀態(tài),為異常分析、調度決策提供數(shù)據支撐。

進入工業(yè)4.0時代,西門子更是將數(shù)據驅動的理念發(fā)揮到極致。工廠廣泛應用大數(shù)據分析、機器學習等技術,對設備故障、質量缺陷等生產異常進行預警。一旦發(fā)現(xiàn)某臺設備的加工誤差超標,系統(tǒng)會自動下發(fā)故障報警,并聯(lián)動ERP(企業(yè)資源計劃)、PLM(產品生命周期管理)等系統(tǒng),調整后續(xù)工藝參數(shù),平衡產線負荷,最大限度地降低不良率。西門子數(shù)據顯示,工業(yè)4.0的應用使生產效率提高了30%,不良率降低了15%。

由此可見,無論是準時化生產,還是工業(yè)4.0,其落腳點無不指向"高效流動、精準管控"。只是工業(yè)4.0站在數(shù)字經濟的風口,以信息技術為杠桿,進一步突破了時空邊界,使制造流程由"被動響應"走向"主動預判"。隨著人工智能、5G、數(shù)字孿生等新技術的加速滲透,"流"與"變"的博弈有望在更大范圍、更深層次、更高水平上展開。

當然,我們也要認識到,工業(yè)4.0對"流"與"變"的重塑,絕非一蹴而就。制造系統(tǒng)錯綜復雜,影響"流"與"變"的因素紛繁多樣,絕非技術單兵突進就能趟平。以個性化定制為例。消費需求的碎片化趨勢,對供應鏈柔性提出了極高要求。這不僅意味著產品"變"的頻次大幅提升,也對制造"流"的速度和韌性提出了新的挑戰(zhàn)。對此,單純依靠信息化手段遠遠不夠,還需要精益化、柔性化的生產組織模式相配套。唯有梳理全價值鏈的物流、信息流、資金流,找準"堵點"、補齊"斷點",才能激活智能制造的源動力。

事實上,從準時化生產到工業(yè)4.0,從豐田車間到西門子數(shù)字化工廠,萬變不離其宗的是對"流"與"變"的深刻洞察?？v覽百年制造史,生產力的革命與生產關系的變革交織并進,"流"與"變"的辯證法始終激蕩爭鳴。工業(yè)4.0只是這場博弈進程中的最新注腳。

第三章 工業(yè)4.0的關鍵改變

工業(yè)4.0是一場數(shù)字技術與制造業(yè)深度融合的盛宴。物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據、人工智能、區(qū)塊鏈……諸多前沿科技領域的新突破,正以前所未有的廣度和深度重塑制造業(yè)創(chuàng)新版圖。這些技術的交織融合,催生了智能工廠、智能產品、智能服務等一系列顛覆性場景,深刻改變了人們對生產方式的認知?？梢哉f,搶抓新一輪科技革命和產業(yè)變革的機遇,加速制造業(yè)數(shù)字化、網絡化、智能化,已成為全球制造強國的共識。

物聯(lián)網被譽為工業(yè)4.0的基石。它通過在設備、產品、物料等生產資源上部署智能傳感器,并通過RFID、WiFi、5G、NB-IoT等通信技術將其互聯(lián),形成一張覆蓋從供應商到制造商再到客戶的泛在網絡。這不啻于為制造系統(tǒng)披上"數(shù)字化外衣",使其具備自感知、自學習、自適應、自決策的能力。

以通用電氣(GE)的"百萬噸級壓縮機"項目為例。這是一款廣泛應用于石化、煉油等行業(yè)的關鍵裝備,其運行狀態(tài)直接影響生產安全和經濟效益。傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測模式,需要人工定期采集和分析海量的振動、溫度、壓力等參數(shù),難以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和實時診斷。GE創(chuàng)新性地在壓縮機的軸承、葉輪等關鍵部件上部署了數(shù)百個微型傳感器,并內置邊緣計算芯片,可實時采集和分析設備的多源異構數(shù)據。一旦發(fā)現(xiàn)設備運行出現(xiàn)異常,系統(tǒng)會自動報警,并生成智能診斷報告,指導運維人員提前采取預防措施。據悉,這套物聯(lián)網解決方案每年可為GE客戶節(jié)省500多萬美元的維修成本。

如果說物聯(lián)網是智能制造的"觸角",那么工業(yè)互聯(lián)網就是聯(lián)通生產制造各個神經元的"中樞神經"。它以工業(yè)以太網為基礎,將企業(yè)內部的研發(fā)、設計、生產、管理、服務等核心業(yè)務環(huán)節(jié)與外部的供應鏈伙伴緊密相連,打破"信息孤島",實現(xiàn)全產業(yè)鏈的高效協(xié)同。

德國汽車零部件供應商博世力士樂就構建了一張覆蓋全球80多個工廠、2500多家核心供應商的工業(yè)互聯(lián)網。這一網絡不僅將分散在全球的生產基地連為一體,還將上游供應商的物流、庫存、生產狀況等信息實時共享給下游工廠,大大提升了供應鏈運作效率。以前,博世力士樂對零部件供應商的需求預測準確率只有60%左右,導致呆滯庫存居高不下。在工業(yè)互聯(lián)網的加持下,工廠與供應商基于統(tǒng)一的生產計劃進行協(xié)同,將零部件供應的及時率提高到95%以上?？梢哉f,工業(yè)互聯(lián)網正在成為重構制造業(yè)創(chuàng)新版圖的"新基建",推動制造模式從"中心化"走向"網絡化"。

除了信息技術,先進制造技術也是工業(yè)4.0的利器。增材制造(3D打印)正以其"柔性化、個性化、復雜化"的獨特優(yōu)勢,催生諸多顛覆性的應用場景。從定制化齒科模型、輕量化飛機零部件,到直接打印金屬模具,3D打印技術不斷刷新人們對制造模式的認知。通用電氣公司就利用3D打印機,將一臺噴氣發(fā)動機的燃油噴嘴從20個零部件簡化為一個整體打印件。這不僅大幅提升了零件性能,更將生產周期從1年縮短至3個月。隨著金屬3D打印、4D打印技術的日益成熟,增材制造有望在更多領域掀起一場"后模具時代"的變革。

協(xié)作機器人的興起,則預示著自動化進入了與人共舞的"柔性時代"。傳統(tǒng)工業(yè)機器人需要"關在籠子里",以確保作業(yè)安全,但也因此難以適應定制化、多品種、小批量生產的靈活需求。而協(xié)作機器人搭載了高精度的力傳感器和智能視覺系統(tǒng),能夠感知人的行為并及時做出反應,從而實現(xiàn)人機協(xié)同作業(yè)。在汽車、電子等行業(yè),協(xié)作機器人正在流水線末端、物料上下料等場景大顯身手,有效提升生產效率和柔性。據國際機器人聯(lián)合會預測,協(xié)作機器人未來5年的年均增長率將達50%。

當然,單一技術很難成為制造企業(yè)的"靈丹妙藥"。實現(xiàn)工業(yè)4.0的關鍵是將前沿技術與行業(yè)know-how、管理實踐相結合,圍繞制造業(yè)的"流"與"變"持續(xù)創(chuàng)新。例如,江蘇金發(fā)科技公司將工業(yè)互聯(lián)網、大數(shù)據分析與注塑成型工藝深度融合,打造了一套智能注塑車間系統(tǒng)。該系統(tǒng)對溫度、壓力、時間等300多個工藝參數(shù)進行精準采集和優(yōu)化分析,實現(xiàn)注塑工藝與產品質量的閉環(huán)優(yōu)化。經過3個月的應用,不良品率從8%降低到2%,產能提升20%以上。

諸如此類的探索表明,制造業(yè)數(shù)字化轉型不能簡單照搬照套,而應從解決具體業(yè)務問題入手,聚焦價值流轉過程的"堵點""痛點",既要"上云",也要"接地氣"。關鍵在于夯實數(shù)字化基礎,積累數(shù)據資產,用數(shù)字孿生(Digital Twin)、工業(yè)APP等形式,將前沿技術"軟著陸"。唯有透過表象,洞見工業(yè)4.0的內在邏輯,才能在智能時代乘風破浪,駛向制造強國的彼岸。

第四章 數(shù)字化轉型與民主化

當前,德國、美國、中國等制造強國紛紛將工業(yè)4.0上升為國家戰(zhàn)略。然而,放眼全球,大多數(shù)中小制造企業(yè)還遠未做好擁抱智能制造的準備。以德國為例,根據波士頓咨詢公司的一項調研,截止2016年,德國中小企業(yè)的工業(yè)4.0滲透率只有17%。77%的美國中小制造企業(yè)對工業(yè)互聯(lián)網的認知度也接近于零。資金實力、人才匱乏、供應鏈地位以及管理水平的局限,使中小企業(yè)對智能制造望而卻步。

這一窘境凸顯了制造業(yè)數(shù)字化轉型的兩大悖論:一方面,工業(yè)4.0要求打通企業(yè)內外部的信息壁壘,通過全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈的連接,最大化資源配置效率;另一方面,中小企業(yè)在數(shù)字化的浪潮中卻面臨著邊緣化的風險。作為產業(yè)鏈、供應鏈的重要參與者,中小制造業(yè)的數(shù)字化程度,很大程度上決定了整個制造生態(tài)的進化速度與廣度。正如工信部部長肖亞慶所言:"中國制造業(yè)大而不強的突出表現(xiàn)之一,就是中小企業(yè)眾多但專業(yè)化水平不高,這是我國邁向制造強國必須解決的問題。"

事實上,從全球視野來看,各國在"工業(yè)4.0"這盤大棋上的落子雖殊,但殊途同歸,無不將中小企業(yè)的數(shù)字化視為重中之重。德國政府發(fā)布的"工業(yè)4.0實施戰(zhàn)略建議",明確提出要"支持和促進中小企業(yè)應用工業(yè)4.0"。美國2014年成立了"國家制造業(yè)創(chuàng)新網絡"計劃(NNMI),目標之一就是加速中小企業(yè)的數(shù)字化普及。

中國也在積極探索中小企業(yè)數(shù)字化振興之路。2020年,工信部會同國家發(fā)改委印發(fā)《關于推動工業(yè)互聯(lián)網加快發(fā)展的通知》,明確提出工業(yè)互聯(lián)網在降低中小企業(yè)數(shù)字化門檻、提升發(fā)展能力等方面的重要作用。在此背景下,一批聚焦中小企業(yè)數(shù)字化服務的"賦能者"不斷涌現(xiàn)。例如,樹根互聯(lián)推出了"根云"平臺,為傳統(tǒng)制造業(yè)客戶提供設備物聯(lián)、數(shù)據分析、智能排產等SaaS服務,幫助眾多中小企業(yè)上云上平臺。富士康、海爾等龍頭企業(yè)也紛紛對外開放其工業(yè)互聯(lián)網平臺能力,通過服務外溢帶動產業(yè)鏈上下游中小企業(yè)數(shù)字化升級。

當然,破解中小企業(yè)數(shù)字化轉型困局,不能寄望于某項顛覆性技術,而需要產業(yè)政策、服務生態(tài)、人才建設等多管齊下,久久為功。例如,德國的"中小企業(yè)4.0能力中心"項目通過政府補貼,在全國范圍內建立了多個面向中小企業(yè)的數(shù)字化咨詢服務中心,幫助中小企業(yè)識別數(shù)字化機遇與挑戰(zhàn),制定差異化的轉型路徑。"易智工坊"等國內工業(yè)APP開發(fā)平臺聚焦"用完即走"的輕量級工業(yè)軟件開發(fā)需求,有效降低了中小企業(yè)數(shù)字化的資金門檻。新加坡南洋理工學院等機構也在積極探索"數(shù)字化學徒"培養(yǎng)模式,通過實訓、競賽等方式為中小企業(yè)輸送數(shù)字化"新藍領"。

從本質上講,實現(xiàn)工業(yè)4.0的"民主化",就是要讓智能制造這盤大蛋糕拆小、分散、滲透,以開源開放、普惠共享的理念為中小企業(yè)賦能。在這個過程中,龍頭企業(yè)要發(fā)揮"鏈主"作用,與數(shù)字化解決方案提供商攜手打造開放共享的產業(yè)互聯(lián)網生態(tài)。中小企業(yè)則要摒棄"者旁觀"心態(tài),加強數(shù)字素養(yǎng),積極擁抱變革。政府宏觀指導,產業(yè)協(xié)同發(fā)力,最終形成全社會共建共享的工業(yè)4.0"命運共同體"。

第五章 未來展望

回望工業(yè)4.0的發(fā)展歷程,我們有理由相信,智能制造大潮已勢不可擋。從2013年德國率先提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略,到如今世界主要工業(yè)國競相出臺智能制造規(guī)劃,再到數(shù)字化解決方案提供商、制造企業(yè)、科研機構的蓬勃實踐,工業(yè)4.0正以前所未有的速度和廣度重塑全球制造業(yè)版圖。麥肯錫預測,未來10年工業(yè)互聯(lián)網將為全球制造業(yè)創(chuàng)造1.2萬億至3.7萬億美元的經濟價值。

然而,我們也要清醒地認識到,實現(xiàn)工業(yè)4.0目標絕非一蹴而就。當前,不少企業(yè)對智能制造的認知還停留在"升級自動化"層面,對生產過程的數(shù)字化、透明化缺乏整體規(guī)劃。數(shù)據孤島、協(xié)議壁壘阻礙了企業(yè)內外部的互聯(lián)互通。核心器件、工業(yè)軟件等領域的"卡脖子"問題依然突出。中小企業(yè)面臨資金、人才、技術等諸多掣肘。這些問題無不昭示著,工業(yè)4.0在我國仍處于起步探索階段,亟需在頂層設計、技術攻關、產業(yè)生態(tài)等方面持續(xù)用力,推動戰(zhàn)略部署落地落實。

展望未來,后疫情時代全球產業(yè)鏈重構、國際貿易保護主義抬頭、能源資源約束趨緊等不確定性因素交織,智能制造的發(fā)展道路注定荊棘叢生。對此,德國學者Victor Mayer-Sch?nberger提出了一個頗具洞見的概念——智能制造的 "有韌性(Resilient)范式",即在VUCA(易變性、不確定性、復雜性、模糊性)時代,制造企業(yè)必須具備感知風險、快速適應、持續(xù)進化的能力,方能笑傲環(huán)境變化之巔。這一觀點為后疫情時代的智能制造發(fā)展指明了方向:唯有打造開放共享的產業(yè)生態(tài),構筑多方參與的創(chuàng)新網絡,制造企業(yè)才能在動蕩的市場環(huán)境中穩(wěn)健前行。

具體而言,未來智能制造的創(chuàng)新圖景或將呈現(xiàn)以下趨勢:一是跨界融合不斷深化,5G、人工智能、區(qū)塊鏈、量子計算等領域的前沿技術將為智能制造注入新動能;二是制造模式加速迭代,研發(fā)設計、生產制造、運維服務等環(huán)節(jié)將實現(xiàn)全面互聯(lián)、實時優(yōu)化、智能決策;三是人機協(xié)作持續(xù)升級,3A(Adaptive自適應、Automatic自動化、Autonomous自主性)機器人將與技術工人和諧共舞,讓人回歸創(chuàng)造性勞動;四是競爭范式深刻變革,"產品+服務""研發(fā)眾包""使用許可"等新業(yè)態(tài)將不斷涌現(xiàn),價值鏈各環(huán)節(jié)將通過數(shù)據打通,實現(xiàn)互利共贏……凡此種種,無不預示著工業(yè)4.0正帶來一場影響深遠的"范式革命"。