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第三节 以泛制胜:泛工业革命

任何制造系统都包含两个尺度,即制造技术系统和伴随制造技术系统的制造模式系统。制造技术系统是制造技术的集合,推动着生产力不断向前发展,而制造模式系统则影响着技术投入的种类、转换过程的性质和系统的产出。因此,制造模式系统决定着技术利用的有效性和效率。如果简单地试图使技术系统最优化,则可能使社会制造的总效能降低。

泛工业时代是一个制造技术嬗变协同制造模式嬗变的时代。当前,以物联网和大数据为代表的信息技术、以绿色能源为代表的新能源技术、以3D打印技术为代表的数字化智能制造等技术系统正协同创新,将柔性化、智能化、敏捷化、精益化、全球化与人性化融为一体,改变着制造业的生产模式和全球经济系统,引领人们的生活走向“泛”化的工业时代。

只有把握“泛”工业,创造“泛”优势,迎接“泛”挑战,才能以“泛”制胜未来。

一、制造技术的嬗变

20世纪80年代,先进制造技术的提出是新一轮制造技术嬗变的开始。

先进制造技术的概念起源于美国,早期是指以计算机和信息技术为基础的制造技术群,主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程、机器人及柔性制造技术、自动控制系统、数控技术及装备等。但是,随着技术的发展,其内涵不断扩展,包括当前各种新出现的、先进的机械加工技术,如纳米加工、激光切割、增材制造等。

从生产流程来看,先进制造技术与传统制造技术相比,制造过程有极大的不同。传统制造是利用制造资源将原材料转换为产品的过程,仅为生产过程的一部分,一般包括产品的加工和装配两大内容。制造商自行生产或从供应商处购买零件,将其组装成产品并检验。制造过程中输入的是原材料、能量、信息、人力资源等,输出的是符合要求的产品。传统的制造系统设计、制造与销售各部分之间信息的传递与反馈不畅,各部门按功能分解任务,容易只考虑本部门的利益,对系统的优化考虑较少,造成设计与制造部门间难以协调、矛盾突出等问题。

先进制造技术主要从材料设计、制造流程改造、产品服务融合的集成解决方案和循环利用四个方面拓展传统制造技术的内容:新型材料的成形和加工技术越发重要,对材料分子层或原子层的定向改造极大地提高了产品性能,超硬材料、功能梯度复合材料的某些新的成形、加工技术将不断涌现,如超导材料加工等。

对于制造流程改造来说,传统制造技术是面向批处理、时间上和空间上分离的分布式加工,先进制造超效能加工和自动化技术能够促进连续流制造,减少零件库存。

并且,先进制造强调涵盖从产品研发直至客户应用的全过程,提供产品、软件和服务于一体的产品解决方案,以及端对端的服务。知识资本、人力资本和技术资本的高度聚合,使制造活动摆脱了传统制造低技术含量、低附加值的模式。通过产品设计、管理咨询等活动,技术和知识在生产过程中被实际运用,将技术进步转化为生产能力和竞争力,为企业产生更高的附加价值。

此外,先进制造过程注重材料的回收利用,不但对环境友好而且节约原材料成本。传统的产品制造模式是一个系统,即“原料—工业生产—产品使用—报废—弃入环境”,这是以大量消耗资源和破坏环境为代价的制造方式。但是,先进制造技术顾及了生态环境和资源效率,从单纯的产品功能设计扩展到生命周期设计。

其中,增材/精准制造用于对加工阶段的改造;机器人/自动化技术用于组装和生产流程的自动化;先进电子技术用于产品和服务的融合及加工过程的控制;供应链设计以整体效益最优化为目标,以系统化的观点综合考虑人、技术、管理、设备、物料、信息等系统构成要素的优化组合,在满足产品或服务供给要求的同时,达到成本最低;清洁生产技术主要用于材料的循环利用、回收等环节;分子生物学和生物制造用于材料设计及制造流程的改进;纳米材料技术用于合成与加工功能梯度材料、复合材料等;物联网、云计算和大数据用于对产品全生命周期制造过程进行全方位跟踪、分析、优化和控制,实现多维度、透明化的泛在感知,确保制造过程的高效、敏捷、可持续和智能化。

可以看出,先进制造技术注重经济效益和技术的融合,通过柔性生产、灵活生产、产品差异化、注重效率和质量等方式增强企业对市场的反应能力、提高自主创新能力,为客户提供更加人性化的服务,具有产品质量精良、技术含量高、资源消耗低、环境污染少、经济效益好等特性。

二、制造模式的嬗变

制造模式是制造业为了提高产品质量、市场竞争力、生产规模和生产速度,以完成特定的生产任务而采取的一种有效的生产方式和一定的生产组织形式。从制造业的发展进程来看,不同社会发展时期决定了不同的制造思想、生产组织方式和管理理念,它们相互作用、共同决定了特定时期的制造模式。

以计算机信息技术和智能技术为代表的高新技术以其高渗透性、高带动性和倍增性,不但使得信息产业和智能产业在国民经济中的地位迅速提高,而且也对传统制造进行了塑造。其用扁平化、网络化的结构方式组织制造活动,追求社会整体效益、顾客体验和企业盈利,成为最优化的柔性生产系统,网络化协同、个性化定制、服务化延伸及智能化生产的制造模式,成为新科技群的协同效应和深度融合的结果。

从网络化协同来看,其是指在产品全生命周期制造活动中,以信息技术和网络技术等为基础,实现快速响应市场需求和提高企业竞争力的制造模式。例如,企业借助互联网、大数据和工业云平台,发展企业间协同研发、众包设计、供应链协同等新模式,实现有效降低资源获取成本、大幅延伸资源利用范围的目标,从而加速从单打独斗向产业协同转变,提升产业整体竞争力。

从个性化定制来看,互联网、大数据及云计算、算法和柔性化生产能力与水平提升,推动个性化定制迅速发展。借助工业平台,企业得以与用户深度交互、广泛征集需求,运用大数据分析建立排产模型,依托柔性生产线在保持规模经济性的同时提供个性化的产品。个性化定制通过工业平台和智能工厂,将用户需求直接转化为生产排单,实现以用户为中心的个性定制与按需生产,有效满足市场多样化需求,解决了制造业长期存在的库存和产能问题,从而实现产销动态平衡。例如,在以3D打印为代表的个性化制造系统中,消费者不再被动接受或仅仅从企业给出的产品清单中选择自己喜好的产品,而是亲身参与产品的设计过程,并直接成为产品的生产者。

服务化延伸则是为实现制造价值链的增值,通过产品和服务融合、客户全程参与、提供生产型服务或服务型生产,实现分散的制造资源整合和各自核心竞争力的高效协同,达到高效创新的一种制造模式。

企业可以通过在产品上添加智能模块,实现产品联网与运行数据采集,并利用大数据分析提供多样化的智能服务,实现由卖产品向卖服务拓展,有效延伸价值链条,扩展利润空间。构建智能化服务平台和智能化服务将成为新的业务核心,以摆脱对资源、能源等要素的投入,更好地满足用户需求、增加附加价值、提高综合竞争力。

智能化生产是利用先进制造工具和网络信息技术对生产流程进行智能化改造,实现数据的跨系统流动、采集、分析、优化,完成设备性能感知、过程优化、智能排产等智能化生产方式。同时,它也是在新一代信息技术、云计算、大数据、物联网技术、纳米技术、传感技术和人工智能等基础上,通过感知、人机交互、决策、执行和反馈,实现产品设计、制造、物流、管理、维护和服务的智能化,是信息技术与制造技术的集成协同与深度融合。

在产品加工过程中,智能制造将传感器及智能诊断和决策软件集成至装备,由程序控制装备上升为由智能控制装备,能自适应反馈被加工工件实时的状况。例如,基于信息物理系统的智能制造生产过程与传统的数控加工技术相比,能感知温度、环境、加工材料的属性变化,并做出相应调整,不会死板地执行预定程序,能够保证加工出的产品精度。

三、以泛制胜,革命先声

以生产方式变革为主线的新兴制造技术和制造模式的涌现、协同、融合将人类社会推进至泛工业时代。

一方面,泛工业革命不是依赖单一学科或某几类技术,而是全方位的多学科、多技术、深层次、宽领域的协同效应和深度融合的革命。新一代信息技术包括云计算、大数据、物联网、云平台等,新能源如再生能源、清洁能源等,新材料如复合材料、纳米材料等,将为泛工业革命创造强大的新基础设施。网络化制造、制造物联、云制造、智能制造等分散式制造,以及众包生产、集群效应、利基思维等使生产方式发生变革,将整个工业生产体系提升到一个新的水平,工业生产、经济体系和社会结构将从垂直转向扁平、从集中转向分散。

并且,以智能制造为代表的新一代先进制造模式,必将使商业模式、管理模式、服务模式、企业组织结构和人才资源需求发生巨大变化。这将给工业领域、生产价值链、业务模式乃至生活方式带来根本性变革,进而推进和实现泛工业革命。

另一方面,泛工业革命将广泛深入所有行业,因此,迎接这场革命的战略准备不能狭隘地停留于前沿制造技术的突破,更应该将技术与行业融合,打造具有创新优势和管理优势的泛工业平台。

一是制造技术嵌入更大的技术创新系统中。泛工业革命是将包括数字、电子和材料在内的基础技术及模拟、数字建模、机器人、人工智能、过程控制传感器、测度等技术工具向设计、开发、制造、配送和服务的各个环节应用和渗透的过程。因此,一国对先进制造技术的突破必须打破传统、静态的技术和产业边界,或者形成独立的创新能力,或者具备接入和利用全球创新资源的能力,通过培育、整合各领域的技术能力才能形成具有竞争优势的现代制造能力。

二是制造技术嵌入企业的管理系统中。新一代制造技术的应用和执行过程从来都是制造技术与企业战略、营销和基础管理工作的系统性协调变革。对美国柔性制造系统的一项调研发现,20世纪90年代初期,美国采用的柔性制造系统中高达20%的设备并没有实际投入使用,而制约这些设备使用的主要原因就是企业管理和员工能力没有与新的设备相匹配。可以预见,泛工业革命必然伴随着产品创新、管理、商业模式等方面的变革,发生在工厂中的制造革命只是企业总体战略变迁的一部分。

对泛工业革命内涵的理解必须通过与社会科学(如经济学和管理学)等跨学科的对话和交流,适当突破自然科学和工程技术学科的理论范畴。工业发展历程表明,新的生产模式的出现均是与特定的社会制度、组织结构和经济因素等相互作用的产物,而新的制造模式又会对既有社会制度和管理方式提出新的要求,从而推进企业管理模式、社会制度环境的变革。

总体来说,在市场、技术、社会经济环境变化与全球一体化趋势的推动下,制造业正在经历着一场革命,一场以实施先进制造技术和经营方式彻底变革为主要内容的先进制造模式的革命,涉及制造理念、制造战略、制造技术、制造组织与管理各个领域的全面变革。 vXnp5+ZrL4j5jYbBeHb3Mcz6qmANTEto3UQYLbUVm+KzJZ8UemgKXarsn1hLxFFI

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