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工业4.0、智能制造的概念本质及其在行业的落地

2019-07-16 10:53编辑:admin人气:


  最近,关于工业4.0、智能制造的争论特别多:运七是不是工业4.0?工业4.0是不是一场革命?钢铁行业首先要追求个性化生产吗?我觉得,产生这些争论的原因,部分是对理论的本质理解不深、容易陷入邯郸学步。

  古人云:名不正则言不顺,言不顺则事不成。笔者认为,推进工业4.0、智能制造的阻力之一,就是对概念缺乏本质性的理解。理解不深,就会贴标签、走歪路,就不能理解理论和实践的矛盾、就会迷茫和困惑。

  为了阐明本质,我首先用最简短的方式给工业4.0工厂一个定义:

  理想的工业4.0就是:在(自动化)流水线上经济性地生产定制化产品。

  这里,笔者在自动化上加了一个(),意识是理想的状况应该是自动化产线。后面会详细说明。与常见说法不同的是:我的这个定义不是用互联网、CPS等技术要素来定义的。这个定义很可能会引起争议。为此,需要说明一下定义的依据。我认为:在理想状态下,工业4.0的工厂应该以自动化流水线(工业3.0)为基础。这个观点的依据来自于对白皮书的理解:每一次的工业革命都是对上一次工业革命继承基础上的延伸:工业1.0是机器生产,工业2.0是机器生产基础上的流水线;工业3.0是流水线基础上的自动化流水线。按照这个逻辑,工业4.0应该是工业3.0的自然延伸、集成基础上的延伸,所以应该以自动化流水线为基础。

  这种认识可能引发的争议,是把工业4.0的外延缩小了;工业4.0的主流企业可能非常少:未必采用个性化定制的生产方式,甚至也未必采用自动化流水线。

  把工业4.0的外延缩小是不是有道理呢?我们还是要看看现状:即便是在工业最发达的西方国家,也不是所有的工业企业都用自动化流水线(工业3.0)组织生产。这些情况包括:特殊的产品(如科研设备、高档奢侈品,艺术品可以看成一种极端情况),体积特别大或特别重要的产品(特别是工程项目,如工厂的生产线、飞船、大坝等)。这些行业没有发展到到工业3.0的阶段,恐怕未必适合延伸到工业4.0。另外,还有些3.0的行业未必需要升级到工业4.0,如零部件的生产企业。在零部件层面,更加重视标准化而不是个性化。

  如果上述观点是成立的,则无论运七火箭的数字化设计水平再高,都不能算是以工业4.0的方式生产的在笔者看来,像火箭这样的产品,本身是个工程项目。工程项目与普通的工业品生产是有本质区别的、其复杂程度完全不是一个量级。而工业4.0主要还是针对普通工业产品的。当然,尽管我不认为运七火箭不属于工业4.0,但这无损于其高大上的形象。而且,很多技术显然属于智能制造的范畴。

  从某种意义上说,工业的进化与生物进化有相似之处。所以,我们可以用生物进化的道理说一说工业技术的发展。人是地球上最高级的动物,人的出现标志着生物进化进入了一个新的高度。但是,这并不意味着所有的动物都进化成人。按照这个道理,工业4.0可能是个别企业的事情,但标志着工业进入了新的阶段。

  长期以来,定制化和自动化流水线两种方式是共存的,却很少结合在一起。工业4.0的目标,是试图将两者结合在一起。导致两者难以结合的矛盾在于:流水线本身的成本是靠批量生产来摊薄的。所以,要实现工业4.0,要有两个基本的条件:大量的定制化需求、能够生产定制化产品的自动化流水线。这样才能实现经济性、超越工业3.0。

  在笔者看来,工业4.0本质上要解决两类问题:1、让流水线具备实现定制化生产的能力;2、提高定制化生产的性价比、降低负面因素。其中,第一类问题是前提。但是,当前提实现以后,后面的问题是持续性的、长期性的。当工业4.0的经济效益高于工业3.0时,时机就成熟了,就可以实现转型。这样看来,转型是个量变到质变的过程。

  网络化、数字化的作用是提高了工业4.0的经济性。这一点至少体现在如下四点

  首先,互联网扩大定制化的市场。如果没有互联网,个性化需求的收集就很困难,本质是增加了成本。对于普通的民用产品,经济上是不合理的。如果市场不大,工业4.0也就是失去了经济可行性。

  其次,数字化保证了定制化生产的交货期。在定制化的背景下,设计、采购周期都面临新的挑战、交货期可能会大大延长。而数字化的设计和采购,则可用来解决这个问题。

  第三,信息集成和CPS解决了定制化的生产组织问题。在全自动化流水线上生产定制化产品时,生产组织与调度可能成为最大的困难:一个局部的问题,可能引发整个产线的混乱。在很多场合,如果没有信息的纵向集成和CPS,人工的实时应对是根本来不及的、产线的效率就替补上去。另外,在流水线上的定制化生产,产品质量可能会下降、能耗可能会上升,信息集成和CPS可以用来解决这些问题。

  第四,数字化、网络化,有效地解决了产品的维修维护问题,解决了用户的后顾之忧。

  工业4.0在现在提出,是有道理的。以笔者的亲身经历,即便在10多年前,计算机的性能不足以维持众多数字化模型的运转。互联网的普及程度也要低得多。所以,随着互联网的发展、计算机性能的提高,工业4.0的经济可行性不断增强。

  然而,凡事都有例外。

  国内外很多优秀的钢铁企业,在20多年前就自动化生产线上实现了按订单组织生产等个性化定制。如何解释这种现象呢?这是由钢铁行业的特殊性决定的。

  首先,钢铁行业的个性化定制,还是有一定批量的一定批量意味着生产的节奏不会太快,人可以有效地介入生产组织;这时,信息来源必须统一(宝钢叫做数据不落地),但却不一定需要CPS进行自动的调度。

  其次,跟踪问题容易解决。钢铁的跟踪是从钢包到钢坯、再到钢卷,是顺序生产下来的。这一点不像有些机械加工行业,一个产品需要跟踪大量的相关零件和部件,必须依靠RFID才行。需要跟踪的信息也相对简单。

  第三,钢铁的用户是企业,定制的需求和价值更大。历史上,钢铁是最重要的工业行业之一;由于体量大,任何微小的改进都能带来巨大的经济效益。所以,先进技术往往首先用在钢铁上。我们同时注意到:即便是钢铁产品,也是定制化生产和非定制化生产并存的:高端的钢板产品多为定制化生产,而螺纹钢等通用钢铁产品,则往往不采用定制化生产。其中的差别,就是经济性的差异决定的。

  最近,钢铁行业对个性化定制的争论很多。某种意义上讲,这反映了钢铁行业的先进性和复杂性。所谓先进性,指的钢铁行业率先实现了自动化流水线上的定制化生产、实现了工业3.5;对定制化的反对声,是因为钢铁人首先意识到过于强调个性化的危害。所谓复杂性,指的是钢铁的品种很多、质量要求千差万别,有些理念不适合所有品种。

  由此可见,先进的钢铁行业目前的重点应该是解决工业3.5后的问题。在笔者看来,这个阶段强调的不是通过信息化实现个性化生产,而是用信息化手段推进个性化服务,其本质就是将知识和信息叠加在产品上,从而让用户使用更方便。

  在中国,工业4.0还有一个异类,这就是红领制衣。在这个企业是在手工流水线而不是自动化流水线的基础上进行个性化定制。也就是说,同时具备工业2.0和工业4.0的双重特点。从某种意义上说,这个例子也可以看做工业3.5。

  在笔者看来,工业3.0的极限应该是无人的自动化流水线。这样看来,不仅是红领,即便是汽车、钢铁、石化这种大型流程行业,也为达到理想的工业3.0状态。这让我们意识到:工业4.0与工业3.0可以同步发展。工业4.0并不是在工业3.0达到终极目标之后才开始的。所以,笔者认为:工业4.0的起步可以从手工流水线加个性化定制,终点是在无人的、全自动流水线上生产定制化产品。

  谈完了工业4.0,再谈谈智能制造。

  在笔者看来,智能制造可以用技术要素来定义:数字化和网络化。这样看来,智能制造的范畴比工业4.0要大得多、影响的行业也多得多。

  比如,GE将飞机发动机上的检测信号通过互联网与其服务器相连,在线提供个性化的决策支持。这个案例是工业互联网的典型。注意到:这个案例提供的是基于通用性产品的个性化服务,而不是个性化产品。故而,GE的做法属于智能制造却不属于工业4.0。

  一般来说,智能制造的想象空间比工业4.0要大得多。笔者在河南开封参观过一家叫做昊南耐火材料公司的小型民营企业。这家企业现在已经近乎无人化了,也是智能制造的典型。

  从钢铁、红领、昊南的例子可以看出,实践者的脚步并不会被理论所局限,而是走到了理论的前面。技术进步是以经济上的成功为前提的。在这个前提下,成功的路子有若干条。他们的共性是充分利用ICT技术,发现经济增长点。其中,技术本身并不重要,重要的是找到能用ICT技术创造价值的着力点。所以,在智能制造方面走在前面的很多企业,其当家人的文化水平未必很高,很多优秀的CIO也并不是计算机相关专业出身他们的优势在于不被光怪陆离的技术现象和教条所迷惑,勇敢地走自己的道路。

  笔者一直认为:智能制造是一场真正的技术革命、工业4.0是智能制造的一部分。说得远一点:智能制造是迈向社会主义、共产主义的台阶互联网的深入使用,促进企业按订单组织生产,让计划变得更加有效;从而迈向有效的计划经济。智能制造让机器代替人来完成一些不符合人性的工作,从而让人从事更加富有创造性的工作:未来的时候,劳动可能真的就成为人类的第一需要。马克思、恩格斯或许没有预测到这种路径,但却预测到了结果。

(来源:未知)

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