看見(jiàn)四化

中國(guó)制造業(yè)到了轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)刻，本質(zhì)仍然離不開(kāi)四個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)：自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化和智能化。并非所有制造業(yè)都要通過(guò)這“四化”實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí);同一個(gè)企業(yè)的不同發(fā)展階段也需要兼顧不同的升級(jí)策略;不同類型的制造業(yè)也需要考慮適合自身發(fā)展規(guī)律的升級(jí)路線。

圖1歷史上中國(guó)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)路線

工業(yè)4.0的確可以助力企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，從什么角度切入是個(gè)問(wèn)題。我們不妨通過(guò)中國(guó)企業(yè)在歷史上發(fā)生過(guò)的幾次大的轉(zhuǎn)型升級(jí)來(lái)一探究竟。

從歷史發(fā)展上來(lái)看，信息化升級(jí)和自動(dòng)化升級(jí)基本上可以視為中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的兩大主線和理念載體。

信息化升級(jí)大體經(jīng)歷了MIS、ERP和后CIMS時(shí)代，企業(yè)在進(jìn)行信息化改造的同時(shí)，往往要對(duì)企業(yè)的管理流程進(jìn)行梳理甚至改制，使其與國(guó)際接軌。甚至可以說(shuō)中國(guó)企業(yè)歷次信息化升級(jí)實(shí)際上都是與國(guó)際接軌的歷程。例如，最初的進(jìn)行信息化升級(jí)的是金融財(cái)務(wù)系統(tǒng)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)由于財(cái)務(wù)報(bào)表必須按照國(guó)際通行財(cái)會(huì)準(zhǔn)則進(jìn)行修改，同時(shí)計(jì)算機(jī)開(kāi)始普及，所以企業(yè)最初是通過(guò)上計(jì)算機(jī)和電算化軟件項(xiàng)目，客觀上實(shí)現(xiàn)了會(huì)計(jì)準(zhǔn)則與國(guó)際接軌。隨著計(jì)算機(jī)的普及和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的成熟，各單位紛紛開(kāi)發(fā)自己的小型管理信息系統(tǒng)(MIS)，之后標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品越來(lái)越多，MIS公司也蓬勃發(fā)展，這時(shí)的MIS產(chǎn)品如庫(kù)存管理、圖書管理、車輛管理、客戶信息管理等。

ERP的產(chǎn)生經(jīng)歷了MRP、MRPII等幾個(gè)過(guò)程，后來(lái)集成了對(duì)企業(yè)外部的CRM和SCM，成為企業(yè)管理。

后來(lái)隨著跨國(guó)企業(yè)越來(lái)越多地進(jìn)入中國(guó)，客觀上要求中國(guó)的分公司或者本地的供應(yīng)商采用與之相兼容的企業(yè)信息系統(tǒng)和供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。同時(shí)要求中國(guó)企業(yè)按照現(xiàn)代企業(yè)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行改制。所以BPR企業(yè)流程再造幾乎是伴隨ERP同時(shí)的概念。當(dāng)時(shí)普遍公認(rèn)的理念時(shí)是，引進(jìn)ERP絕非采購(gòu)軟件，而是引進(jìn)一套現(xiàn)代化管理體系，是思想變革。

當(dāng)時(shí)在學(xué)界出現(xiàn)了CIMS概念熱，即消除信息孤島等。也產(chǎn)生了諸如并行制造、成組技術(shù)等概念。

后CIMS時(shí)代應(yīng)該說(shuō)是信息系統(tǒng)大發(fā)展時(shí)期，除了管理部門，在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)部門，也經(jīng)歷著無(wú)紙化的升級(jí)，CAD、CAM相繼大量使用，CAE開(kāi)始應(yīng)用，生產(chǎn)部門開(kāi)始使用CAPP和MES。

另一條主線是自動(dòng)化升級(jí)。應(yīng)該說(shuō)從建國(guó)以后開(kāi)始就已經(jīng)引進(jìn)國(guó)外的成套設(shè)備，重點(diǎn)行業(yè)(流程制造)直接進(jìn)入2.0甚至3.0時(shí)代。

90年代開(kāi)始，流程行業(yè)開(kāi)始大量上馬DCS項(xiàng)目。電力、石化、水泥、鋼鐵行業(yè)自動(dòng)化程度提高迅速，同時(shí)也引進(jìn)了國(guó)外的先進(jìn)控制工藝。相比之下離散制造的自動(dòng)化程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，主要義采購(gòu)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床為主，同時(shí)，通過(guò)設(shè)備供應(yīng)商和刀具供應(yīng)商快速積累工藝經(jīng)驗(yàn)，提升工藝水平。可見(jiàn)自動(dòng)化升級(jí)除了引進(jìn)裝置、設(shè)備，還間接引進(jìn)了工藝。

由于設(shè)備越來(lái)越多，所以需要對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，于是出現(xiàn)了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集并利用這些數(shù)據(jù)做成可視化界面，同時(shí)供給現(xiàn)有管理系統(tǒng)使用的需求。于是基于工業(yè)通訊技術(shù)的自動(dòng)化升級(jí)繼續(xù)蓬勃發(fā)展。升級(jí)也是從流程行業(yè)開(kāi)始：油田數(shù)據(jù)采集、智能電表、煤礦自動(dòng)化和信息采集、水泥系統(tǒng)監(jiān)控。MES在重石油的應(yīng)用。

可以說(shuō)在這個(gè)時(shí)期，自動(dòng)化和信息化的產(chǎn)品開(kāi)始交會(huì)，自動(dòng)化和信息化公司也開(kāi)始業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)，而西門子也將自動(dòng)化和信息化事業(yè)部門統(tǒng)一為一個(gè)部門，中國(guó)人開(kāi)始提出兩化融合。中國(guó)制造與世界先進(jìn)水平的接軌基本完畢。下一步是考慮如何在工業(yè)4.0時(shí)代，繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

(1)自動(dòng)化

首先需要考慮“自動(dòng)”與“手動(dòng)”。與“自動(dòng)化生產(chǎn)”相對(duì)應(yīng)的是“手工生產(chǎn)”。通常講的自動(dòng)化升級(jí)都是指用自動(dòng)化設(shè)備和裝置替代人工。因此，凡是人做不了或者不愿意做的工作都可以通過(guò)自動(dòng)化進(jìn)行升級(jí)，越是動(dòng)作簡(jiǎn)單、重復(fù)、繁重的生產(chǎn)模式，越適合采用自動(dòng)化升級(jí)策略，例如搬運(yùn)、包裝、噴涂等;而動(dòng)作越復(fù)雜，對(duì)人手靈活性依賴越大的生產(chǎn)模式就不適合自動(dòng)化升級(jí)，例如電子產(chǎn)品裝配、皮具制作、制衣、航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配等。當(dāng)然，這里考慮的僅僅是技術(shù)層面，經(jīng)濟(jì)層面還需要考量生產(chǎn)規(guī)模和模式等問(wèn)題。

按照工業(yè)4.0的定義，1968年出現(xiàn)的莫迪康可編程控制站器ModiconPLC(后來(lái)被施耐德收購(gòu))，被視為自動(dòng)化的一個(gè)劃時(shí)代意義的產(chǎn)品。

(2)信息化管理

應(yīng)該說(shuō)“企業(yè)信息化”這個(gè)詞是伴隨著ERP的普及而流行的，而ERP的前身是MRP和MRPII。再往前推則是會(huì)計(jì)電算化軟件、庫(kù)存管理軟件等。這類軟件的流行基于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的成熟。

隨著這類軟件的普及，“MIS(管理信息系統(tǒng))”應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)MIS市場(chǎng)迅速膨脹。出于對(duì)會(huì)計(jì)制度與國(guó)際接軌的需要，當(dāng)時(shí)MIS的主力是會(huì)計(jì)電算化軟件，當(dāng)時(shí)火爆的市場(chǎng)也成就了金蝶、用友這樣的國(guó)產(chǎn)軟件公司。

上世紀(jì)末期，跨國(guó)公司全球布局的黃金時(shí)期。外企進(jìn)入中國(guó)不僅帶來(lái)了先進(jìn)的管理模式，也帶來(lái)了對(duì)企業(yè)管理信息系統(tǒng)的市場(chǎng)需求?？鐕?guó)公司要求中國(guó)本土供應(yīng)商的管理系統(tǒng)與之對(duì)接，倒逼中國(guó)企業(yè)大干快上ERP項(xiàng)目。這個(gè)時(shí)期除了捧紅了一些ERP公司，還造就了不少ERP軟件實(shí)施和信息系統(tǒng)咨詢公司，諸如畢博和埃森哲。

2000年初的時(shí)候，業(yè)內(nèi)對(duì)ERP的態(tài)度也是褒貶不一，但大家陸陸續(xù)都是一點(diǎn)一點(diǎn)地實(shí)踐了。這樣成就了當(dāng)前歐洲第一軟件公司SAP。

一個(gè)普遍的共識(shí)是，企業(yè)上ERP不是簡(jiǎn)單買個(gè)軟件，更需要對(duì)管理流程進(jìn)行梳理，破舊立新。隨之而來(lái)就出現(xiàn)了一個(gè)流行詞叫“企業(yè)流程再造BPR”，很大程度上也算是商家為了配合ERP項(xiàng)目搞的噱頭。到目前為止，ERP通用功能已經(jīng)非常成熟，而跟業(yè)務(wù)深水區(qū)的結(jié)合，正在出現(xiàn)全新的升級(jí)考驗(yàn)。

包括ERP在內(nèi)，本段所提及的軟件都是用MIS把企業(yè)管起來(lái)，本質(zhì)上是企業(yè)商業(yè)和運(yùn)營(yíng)的信息化。與此同時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備、質(zhì)量管理等直接與制造相關(guān)的環(huán)節(jié)也在進(jìn)行著信息化。

(3)信息化制造與數(shù)字化制造

這里不得不提CIMS(計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng))。CIMS要集成的對(duì)象是一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)輔助軟件(CAX)，消除信息孤島。這個(gè)源于美國(guó)的概念，在德國(guó)也進(jìn)行了嘗試，但都沒(méi)有在中國(guó)的動(dòng)靜大。在中國(guó)，其興起也要早于ERP?？梢哉f(shuō)ERP是面向商業(yè)的信息集成，而CIMS是面向制造業(yè)的信息集成，當(dāng)時(shí)都是被當(dāng)作信息化所理解的。CIMS除了要集成CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)、CAT(計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè))、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝)等系統(tǒng)模塊，還明確提出了邏輯層次結(jié)構(gòu)，并整合了敏捷制造、并行工程、虛擬制造等方法論范疇的理論概念。

然而，技術(shù)為它的早產(chǎn)付出了代價(jià)。中國(guó)也為“沒(méi)想清楚就大干快上”付出了代價(jià)。

CIMS的失敗就是因?yàn)樗岢龅臅r(shí)代太超前，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品都還沒(méi)成熟。而在它之后便迎來(lái)了工業(yè)軟件市場(chǎng)的大整合時(shí)代：例如，由對(duì)CAD產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理發(fā)展而來(lái)的PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品BOM的信息化管理實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品“數(shù)字化”?！皵?shù)字化”這個(gè)概念盡管現(xiàn)在被濫用，但是它應(yīng)該是脫胎于3D數(shù)模的。至少在商業(yè)語(yǔ)境里，“數(shù)字化”要與3D圖形和動(dòng)態(tài)仿真同時(shí)出現(xiàn)。例如，“產(chǎn)品數(shù)字化”是指用3D數(shù)模構(gòu)建產(chǎn)品模型，“工廠數(shù)字化”則需要面向工廠建模。

當(dāng)前數(shù)字制造所處的環(huán)境，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越CIMS所處的年代。大量設(shè)計(jì)軟件廣泛使用，大量數(shù)字化資源和虛擬化產(chǎn)品，已經(jīng)進(jìn)入主流，DigitalThread(數(shù)字主線)、DigitalTwin(數(shù)字孿生)被更廣泛地應(yīng)用。

在過(guò)去30年中國(guó)企業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，除信息化項(xiàng)目大干快上之外，還有一條自動(dòng)化升級(jí)的主線。在流程制造行業(yè)(如石化、水泥、食品等)，一大批分散控制系統(tǒng)DCS和儀表自動(dòng)化項(xiàng)目迅速崛起，而國(guó)產(chǎn)的DCS如浙大中控、和利時(shí)，甚至被GE收購(gòu)之前的新華控制系統(tǒng)，都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展;而在離散制造行業(yè)的是企業(yè)采購(gòu)了大量數(shù)控和自動(dòng)化物流設(shè)備。隨之而來(lái)出現(xiàn)的問(wèn)題就是如何獲得這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并把這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用起來(lái)。

10年前做方案時(shí)，往往會(huì)在示意圖中用云彩和墻的圖標(biāo)兩端分別畫上服務(wù)器和筆記本電腦，筆記本和云彩圖標(biāo)之間畫一個(gè)閃電符號(hào)，意為有防火墻的無(wú)線數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)在的“云”方案只是在筆記本旁邊加上了手機(jī)和pad圖標(biāo)。事物的發(fā)展，只是在增添要素而已。

說(shuō)到數(shù)字化，就不能不說(shuō)數(shù)據(jù)采集，就不得不提組態(tài)軟件。這類產(chǎn)品最早是DCS或PLC廠家為方便客戶開(kāi)發(fā)界面而配備的開(kāi)發(fā)套件，后來(lái)出現(xiàn)了許多獨(dú)立的組態(tài)軟件廠商，可以通過(guò)圖形界面直觀地看到數(shù)據(jù)的變化。由此產(chǎn)生了“人機(jī)界面(HMI)”，所以“圖形化”往往指的是人機(jī)交互相關(guān)的產(chǎn)品或項(xiàng)目，比如工作站的面板和電子看板等。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集SCADA，正是自動(dòng)化與信息化的鏈接節(jié)點(diǎn)，是自動(dòng)化設(shè)備和信息化管理軟件的承上啟下的層級(jí)，也是自動(dòng)化與信息化相融合的過(guò)渡區(qū)域。

而這些早年軟件留下的數(shù)據(jù)，正是當(dāng)下的工業(yè)大數(shù)據(jù)“黑金”。它們深埋在設(shè)備、模塊和系統(tǒng)之中，不見(jiàn)天日。工業(yè)大數(shù)據(jù)從業(yè)者，需要有非常的智慧，來(lái)解救這些黑金。

(4)智能化

智能化定義眾說(shuō)紛紜，就沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)了?，F(xiàn)在許多復(fù)雜一點(diǎn)的控制系統(tǒng)，似乎都被叫做“智能控制”，好像更新一代的控制系統(tǒng)叫做智能化。

嚴(yán)格意義上的智能化，必須要借助大量的建模和算法，和一些必要的人工智能技術(shù)，包括啟發(fā)式算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等。如果按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，目前不少先進(jìn)的控制系統(tǒng)的控制算法已經(jīng)可以算是智能化，但真正智能化的管理信息系統(tǒng)市面上還不存在。信息系統(tǒng)的智能化趁勢(shì)應(yīng)該說(shuō)是很明確的，特別是AI項(xiàng)目開(kāi)始受到大量資金關(guān)注后，那些原本只在學(xué)術(shù)期刊上出現(xiàn)的，服務(wù)于制造調(diào)度算法的復(fù)雜公式才開(kāi)始有了一些用武之地。

當(dāng)下很多遠(yuǎn)程監(jiān)控的事情，都會(huì)當(dāng)成是“智能制造”或者“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的典范，人工智能也頻繁攪在其中。其實(shí)這種“遠(yuǎn)程監(jiān)控”前身是“遠(yuǎn)程抄表”。最早在油田、礦井等野外設(shè)備需要監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)——早期用的是電報(bào)技術(shù)(RTU)，后來(lái)通過(guò)短信。在智能手機(jī)尚未普及的時(shí)代，還用過(guò)手機(jī)網(wǎng)頁(yè)客戶端，而現(xiàn)在基本就是成熟的3G/4G網(wǎng)絡(luò)，外加APP客戶端。

關(guān)于信息化或智能化級(jí)。簡(jiǎn)而言之：生產(chǎn)管理越復(fù)雜，對(duì)信息化軟件的智能程度要求越高。

適合智能化升級(jí)，或者說(shuō)適合選擇智能化程度高的信息系統(tǒng)的企業(yè)通常具備以下特征：

☆產(chǎn)品系列多，工序變化多，零部件品種多，供應(yīng)鏈管理復(fù)雜;

☆多以組裝工序?yàn)橹?，多為勞?dòng)密集型企業(yè);

☆典型行業(yè)：家電、服裝、數(shù)碼產(chǎn)品等。

最適合搞智能制造的比較極端的例子是產(chǎn)品維修，維修業(yè)務(wù)具有下列特性：

☆每一個(gè)維修項(xiàng)目都各不相同，因此生產(chǎn)模式屬于單件定制;

☆每一個(gè)維修項(xiàng)目的工序都比較復(fù)雜，沒(méi)有既定模式，幾乎無(wú)章可循;

☆維修(生產(chǎn))數(shù)據(jù)難以定義，更難以度量，難以采集;

☆每一個(gè)維修項(xiàng)目的周期無(wú)法量化，產(chǎn)品復(fù)雜程度越高，維修周期不確定性越大。

因此在面臨這樣復(fù)雜問(wèn)題的時(shí)候就只有通過(guò)“智能化”才能解決問(wèn)題。

當(dāng)前對(duì)于智能化，大家都各自假設(shè)了外延界定，使得自動(dòng)化和智能化之間、數(shù)字化與智能化之間的界線十分模糊。而當(dāng)“智能制造成為國(guó)家的主戰(zhàn)場(chǎng)”以后，許多稀松平常的自動(dòng)化項(xiàng)目也被冠以智能制造之名。

生產(chǎn)柔性的四大象限

工業(yè)4.0體系中，個(gè)性化定制被反復(fù)提及。這就特別需要考慮生產(chǎn)“柔性”與“剛性”。所謂剛性生產(chǎn)是指大批大量生產(chǎn)單一或少量品種的產(chǎn)品，這種生產(chǎn)模式特別適合自動(dòng)化，例如，緊固件等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)就是通過(guò)自動(dòng)化專機(jī)實(shí)現(xiàn)的;所謂柔性生產(chǎn)是指多品種小批量，甚至單件定制化生產(chǎn)，這種生產(chǎn)模式對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化程度要求較高(從某種意義上接近或等同于智能制造)，比較典型的行業(yè)是汽車的混線生產(chǎn)和非標(biāo)零件的機(jī)械加工。

圖2將目前國(guó)內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向進(jìn)行了劃分：

X向表示產(chǎn)品種類的復(fù)雜程度;Y向表示生產(chǎn)工序要求動(dòng)作的靈活程度。

圖2 四類生產(chǎn)模式及典型行業(yè)

象限I、手工柔性生產(chǎn)

該象限的特點(diǎn)是：產(chǎn)品種類復(fù)雜且動(dòng)作靈巧度高。典型行業(yè)如飛機(jī)、航天器等復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品裝配，成衣、皮具定制，家電、數(shù)碼產(chǎn)品組裝，以及前文所論述過(guò)的產(chǎn)品維修或返修。

這類生產(chǎn)對(duì)動(dòng)作靈活性要求高，因此無(wú)法通過(guò)自動(dòng)化手段替代人工或者替代人工的自動(dòng)化設(shè)備研發(fā)投入過(guò)高。例如，目前的機(jī)器人或運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)都難以達(dá)到人手的復(fù)雜和靈活程度，因此諸如皮具制作和縫紉等工作在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)無(wú)法被機(jī)器所取代。

適合這類制造企業(yè)的生產(chǎn)模式，稱為手工柔性生產(chǎn)，即生產(chǎn)管理組織復(fù)雜且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。實(shí)際上這類企業(yè)非常適合走“信息化”或“智能化”軟件升級(jí)路線，既通過(guò)專家決策系統(tǒng)或相關(guān)的軟件產(chǎn)品管理生產(chǎn)并指導(dǎo)工人操作。信息化或智能化軟件的作用在于指導(dǎo)生產(chǎn)，避免人為失誤。

實(shí)操方案一：自動(dòng)配料系統(tǒng)

例如，保時(shí)捷發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配過(guò)程中大量工序無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，而產(chǎn)品多品種小批量的特點(diǎn)又難以避免工人在裝配過(guò)程中犯錯(cuò)誤。為調(diào)和這個(gè)矛盾，該生產(chǎn)系統(tǒng)采用集中備料的方案，發(fā)動(dòng)機(jī)上的小型零部件隨托盤運(yùn)動(dòng)到各個(gè)裝配工位，裝配工直接在托盤上取用配套的部件并按照電子操作終端的指示進(jìn)行裝配和自檢即可。

此外，有類似成熟系統(tǒng)的汽車企業(yè)還有寶馬，但它的配料仍需要工人根據(jù)物料車的指示在指定的倉(cāng)庫(kù)托盤中拾取，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

實(shí)際上比較成熟的軟件應(yīng)用是在服裝行業(yè)，包括紅領(lǐng)在內(nèi)的許多國(guó)內(nèi)企業(yè)，成衣定制的服裝集團(tuán)都已經(jīng)采用自動(dòng)下料，配料系統(tǒng)：一件成衣所需要的全部布料和配件等，會(huì)通過(guò)該系統(tǒng)配送給某個(gè)工位或制作單元，而工人只需要按照設(shè)計(jì)要求縫制即可。

實(shí)操方案二：操作輔助終端

(電子作業(yè)指導(dǎo)書+生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))

視頻1中值得注意的是每個(gè)工位上都有操作輔助終端，工人在裝配過(guò)程中嚴(yán)格按照電子作業(yè)指導(dǎo)書的每個(gè)步驟進(jìn)行，同時(shí)輔助終端也記錄相應(yīng)的生產(chǎn)組裝數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)。

以上兩個(gè)方案可以看成是智能制造的雛形。自動(dòng)配料方案實(shí)現(xiàn)柔性和單件定制化生產(chǎn)，操作輔助終端實(shí)現(xiàn)人與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互;至于自動(dòng)化排產(chǎn)、動(dòng)態(tài)調(diào)度、專家決策等系統(tǒng)都可以在這兩個(gè)技術(shù)方案的基礎(chǔ)上實(shí)施。

象限II、手工剛性生產(chǎn)

該象限的制造特點(diǎn)是：產(chǎn)品種類單一且動(dòng)作靈巧度高。

典型行業(yè)如傳統(tǒng)的服裝、鞋帽業(yè)等，這類行業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)量大，但生產(chǎn)過(guò)程基本上只能通過(guò)手工實(shí)現(xiàn)。這種靠薄利多銷生存的行業(yè)除非在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝上做文章，否則在自動(dòng)化或智能化層面幾乎沒(méi)有改良的余地。當(dāng)然，自動(dòng)裝配技術(shù)在不斷改進(jìn)，而這也需要模塊化設(shè)計(jì)理念的完善。

值得注意的是，有一些產(chǎn)業(yè)原本難以實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)成本極高的自動(dòng)化生產(chǎn)，但隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，新的自動(dòng)化生產(chǎn)方式也逐漸浮出水面，而這也正是中國(guó)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要契機(jī)。其技術(shù)策略相當(dāng)于從第II象限向第III象限轉(zhuǎn)移。例如，我國(guó)有大量制造企業(yè)從事鈑金焊接，由于焊接工作很辛苦環(huán)境差，所以歐美國(guó)家已經(jīng)把大量低附加值的需要手工焊接的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)包給中國(guó)企業(yè)，本土只留下容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的電阻焊、氣體保護(hù)焊、等離子焊等高附加值工藝。在這樣一個(gè)市場(chǎng)需求下，歐美的設(shè)備制造商就缺乏開(kāi)發(fā)面向低成本鈑金件的自動(dòng)化焊接設(shè)備。對(duì)于中國(guó)本土的設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是個(gè)巨大的商機(jī)。面向中國(guó)制造業(yè)特定市場(chǎng)的自動(dòng)化專機(jī)也是中國(guó)制造彎道超車的絕佳時(shí)機(jī)。

象限III、自動(dòng)化剛性生產(chǎn)

該象限的特點(diǎn)是產(chǎn)品種類單一且動(dòng)作靈巧度低。

典型行業(yè)就是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)如緊固件、軸承、齒輪、五金件、連接端子、微電子等行業(yè)，以及相對(duì)簡(jiǎn)單日用品，如食品、飲料行業(yè)、紡織、印刷和制筆業(yè)等。

這類產(chǎn)品通常是通過(guò)專機(jī)和自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，而且技術(shù)非常成熟。中國(guó)大量低端制造業(yè)企業(yè)都屬于這種類型的制造業(yè)，都可以通過(guò)自動(dòng)化專機(jī)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

而且，這種行業(yè)一旦開(kāi)發(fā)出全自動(dòng)高效量產(chǎn)的專用設(shè)備，那么就極有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)該行業(yè)的壟斷，為其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手設(shè)置投資門檻。

中國(guó)“圓珠筆芯困境”實(shí)際上就是這個(gè)道理：幾大筆業(yè)集團(tuán)壟斷了筆芯制造設(shè)備，使筆芯的生產(chǎn)成本降至最低，因此中國(guó)這種市場(chǎng)追隨者就很難獲得同樣的自動(dòng)化系統(tǒng)，如果自行研發(fā)同類設(shè)備在投資上也并不劃算，所以倒不如放棄這個(gè)行業(yè)，或者另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)替代性產(chǎn)品和技術(shù)。

中國(guó)的中小制造企業(yè)里，有非常多是從事單一產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)的，如USB線、鼠標(biāo)、攝像頭、拉鏈、打火機(jī)等。相信在未來(lái)的5年內(nèi)必定會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)這些通用產(chǎn)品的全自動(dòng)化生產(chǎn)線，也一定會(huì)在中國(guó)出現(xiàn)世界級(jí)的行業(yè)寡頭。

中國(guó)制造發(fā)展于特定的歷史時(shí)期，因此具有鮮明的特色。具體表現(xiàn)就是II、III象限制造業(yè)的轉(zhuǎn)化。由于II象限的中國(guó)制造企業(yè)規(guī)模和市場(chǎng)占有率通常極大，所以通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝就可以把II象限的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)到III象限。在III象限里通過(guò)開(kāi)發(fā)專機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)，再配合智能化管理軟件，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化，向IV象限進(jìn)軍，占領(lǐng)國(guó)際制造業(yè)的頂端。

象限IV、自動(dòng)化柔性生產(chǎn)

該象限的特點(diǎn)是產(chǎn)品種類復(fù)雜且動(dòng)作靈巧度低。

最典型的行業(yè)就是汽車，目前國(guó)際上主流車型均采用混線生產(chǎn)模式，即自動(dòng)化柔性線。這種生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)化程度和軟件的智能化程度要求極高，是目前復(fù)雜程度最高的生產(chǎn)系統(tǒng)。與汽車類似的還有電子行業(yè)，如電路板的生產(chǎn)。事實(shí)上木工是最容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化柔性生產(chǎn)的行業(yè)。理由是木工制造的工序簡(jiǎn)單，零件結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，產(chǎn)品的多樣性要求較高。說(shuō)得更通俗些，就是木工行業(yè)與樂(lè)高積木的相似性最大。

視頻2中所顯示的系統(tǒng)，CAD軟件為木屋設(shè)計(jì)提供了非常多的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，并且可以自動(dòng)生成項(xiàng)目BOM表;CAM軟件具備下料計(jì)算功能，可以在標(biāo)準(zhǔn)尺寸木料上優(yōu)化毛坯下料尺寸并自動(dòng)生成每個(gè)零件的NC代碼;同時(shí)ERP系統(tǒng)將所需木料尺寸和數(shù)量發(fā)送給供應(yīng)商并進(jìn)行采購(gòu);木料到達(dá)車間后，生產(chǎn)系統(tǒng)可根據(jù)木料編碼和尺寸決定下料毛坯，并對(duì)毛坯進(jìn)行機(jī)械加工;加工好的零件被貼上標(biāo)簽，連同五金件打包送往建造工地，建筑團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)圖紙把送來(lái)的這批木料零件拼裝成木屋。

從這個(gè)案例可知，由于木屋的木料零件都是直的，基本上都可以通過(guò)切割和鉆孔完成，工序簡(jiǎn)單，可以在CNC上完成所有工序，因此容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。此外，木梁的拼接相對(duì)簡(jiǎn)單，零件種類少且標(biāo)準(zhǔn)化程度高，給PLM系統(tǒng)的簡(jiǎn)化帶來(lái)便利。與之相似的還有樓梯加工系統(tǒng)。

需要注意的是，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化絕不是單純?cè)O(shè)備自動(dòng)化升級(jí)可以實(shí)現(xiàn)的。它需要從設(shè)計(jì)到工藝到設(shè)備到軟件的全方位統(tǒng)籌。

下面案例是FESTO柔性生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單一產(chǎn)品訂單的實(shí)時(shí)響應(yīng)，也就是說(shuō)，哪怕只有一個(gè)氣缸的訂單，F(xiàn)ESTO可以生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)戰(zhàn)略要求，首先在型材毛坯上進(jìn)行簡(jiǎn)化，盡量采用通用截面的型材毛坯，以便避免頻繁更換夾具。

圖3 FESTO氣缸型材毛坯

鋁型材毛坯的更換可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，但是固定截面的夾具則只能通過(guò)手動(dòng)更換，因?yàn)槿斯じ鼡Q夾具的速度遠(yuǎn)快于機(jī)器人，機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)成本也較高，所以最終該系統(tǒng)采用了手動(dòng)換裝的方案。除了通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化型材降低夾具更換頻率，在夾具設(shè)計(jì)上也采用便于精準(zhǔn)定位和快速更換的零點(diǎn)卡盤。

圖4氣缸鋁型材固定夾具

夾具的位置是可以通過(guò)程序控制的，那么通過(guò)更換刀具和5自由度加工，該系統(tǒng)就可以很容易地實(shí)現(xiàn)根據(jù)訂單要求截?cái)嗖煌L(zhǎng)度的氣缸毛坯，并對(duì)其進(jìn)行高精度的五軸加工。

圖5活動(dòng)空間靈活的五軸加工頭

軟件上開(kāi)發(fā)了小型APS系統(tǒng)，可以讀取現(xiàn)場(chǎng)ERP的訂單，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)同類截面零件的訂單進(jìn)行匯總，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)優(yōu)化。這個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)APS實(shí)現(xiàn)了從ERP到生產(chǎn)設(shè)備的無(wú)縫連接。APS僅僅向NC傳達(dá)需要調(diào)用的程序編號(hào)，生產(chǎn)過(guò)程的可靠性控制仍然由設(shè)備PLC進(jìn)行，同樣貫徹了分級(jí)管理分層實(shí)現(xiàn)的原則。

“智能”體現(xiàn)在APS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)排產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度;“柔性自動(dòng)化”體現(xiàn)在自動(dòng)化夾具和五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，以及快速更換工裝的解決方案。

圖6可以連接設(shè)備和信息系統(tǒng)的小型APS及工藝監(jiān)控系統(tǒng)

制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的四大基礎(chǔ)原則

總的說(shuō)來(lái)，由于自動(dòng)化和信息化程度的不斷加深，對(duì)于從業(yè)人員來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)制造過(guò)程的管理變得越來(lái)越容易。從歷史經(jīng)驗(yàn)看，制造升級(jí)與人力解放是同一過(guò)程。

機(jī)器(機(jī)械)設(shè)備的出現(xiàn)解放了重體力勞動(dòng)，如鐵匠、礦工等;自動(dòng)化技術(shù)的出現(xiàn)，解決了繁瑣體力勞動(dòng)，如流水線裝配工和搬運(yùn)工;信息化管理系統(tǒng)則解放了從事繁瑣的腦力工作的勞動(dòng)者，如會(huì)計(jì)、倉(cāng)庫(kù)管理員等;數(shù)字化軟件讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝人員不必趴在圖板上畫圖并反復(fù)修改，同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)管理者更直觀的圖形化調(diào)度決策支持;下一步的智能化升級(jí)或?qū)⒔夥艣Q策層的腦力勞動(dòng)。

可見(jiàn)，人類的制造系統(tǒng)在不斷地更新?lián)Q代，每次升級(jí)都會(huì)解放體力和腦力，使人的創(chuàng)造力可以有更大限度地發(fā)揮。未來(lái)制造業(yè)的從業(yè)人員將僅進(jìn)行創(chuàng)造性的工作，可以模式化的體力和腦力工作將完全交給智能制造系統(tǒng)完成。

圖7制造升級(jí)過(guò)程

從圖7中可以歸納出生產(chǎn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一般規(guī)律：

產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝是制造的基礎(chǔ)，永遠(yuǎn)具備升級(jí)空間;

由于產(chǎn)品是制造業(yè)創(chuàng)造價(jià)值的最終載體，而制造業(yè)的產(chǎn)品永遠(yuǎn)是實(shí)物，所以產(chǎn)品被設(shè)計(jì)成什么樣子(產(chǎn)品設(shè)計(jì))和如何把實(shí)體產(chǎn)品做出來(lái)(生產(chǎn)工藝)是制造業(yè)永恒的話題。

在任何階段投入精力研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝幾乎都是正確的戰(zhàn)略選擇。

值得中國(guó)制造企業(yè)注意的是：設(shè)計(jì)和工藝是不可分的，生產(chǎn)設(shè)備和工藝現(xiàn)狀可能制約著設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)的好壞又直接影響到工藝/工序路線的選擇，影響到產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、可靠性、生產(chǎn)成本等。所以將資源投入在生產(chǎn)的前段(設(shè)計(jì)和工藝)要比投入在中段(設(shè)備及自動(dòng)化)和后段(管理信息系統(tǒng))會(huì)產(chǎn)生更大的效益。

智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的四大基礎(chǔ)原則

一是只有在設(shè)計(jì)和工藝都明確的基礎(chǔ)上才可能談設(shè)備升級(jí)和自動(dòng)化升級(jí);

☆設(shè)備升級(jí)和自動(dòng)化升級(jí)都是機(jī)器替代繁瑣重復(fù)性體力勞動(dòng);專機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)耗時(shí)費(fèi)力，而且只有穩(wěn)定定型后才成為標(biāo)準(zhǔn)機(jī);

☆設(shè)備升級(jí)是基于產(chǎn)品工藝的自動(dòng)化集成;

☆自動(dòng)化升級(jí)是基于生產(chǎn)工序和車間物流的自動(dòng)化集成;

二是只有基于管理流程的自動(dòng)化才能信息化升級(jí)，用以替代繁瑣重復(fù)性腦力勞動(dòng);

三是只有產(chǎn)品和生產(chǎn)數(shù)據(jù)，具有數(shù)字化表達(dá)的基礎(chǔ)，才能談到數(shù)字化;

四是只有基于復(fù)雜生產(chǎn)狀態(tài)的決策系統(tǒng)才需要智能化。

夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)也瘋狂

即使是像木工機(jī)械、紡織機(jī)械這種被很多政府官員和企業(yè)家都認(rèn)為是落后的夕陽(yáng)行業(yè)，也在迅速地轉(zhuǎn)型升級(jí)。瑞士、德國(guó)和奧地利等制造業(yè)最發(fā)達(dá)的國(guó)家已經(jīng)通過(guò)技術(shù)升級(jí)，正在將木工行業(yè)改造成最接近“智能制造”和“工業(yè)4.0”理想的技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。這個(gè)思路值得中國(guó)企業(yè)學(xué)習(xí)，不斷用新技術(shù)改造舊產(chǎn)業(yè)和就產(chǎn)能，而不是一刀切地推倒重來(lái)。

實(shí)際上，采用柔性自動(dòng)化生產(chǎn)模式的行業(yè)，比較適合進(jìn)行“智能制造”升級(jí)。

在筆者看來(lái)，智能制造的特征是對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)情形的決策。決策算法的有效性以及對(duì)復(fù)雜約束條件的適應(yīng)性決定了智能化程度的高低。

盡管很多自動(dòng)控制產(chǎn)品具備一定的智能算法，例如，有些加工中心可以在切削過(guò)程中根據(jù)切削力和震動(dòng)頻率等參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速;或者根據(jù)床身熱變形量對(duì)刀具軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，但是這些技術(shù)歸根結(jié)底都是工藝過(guò)程的一種前饋控制，只是控制算法更加復(fù)雜而已。這種方式，其實(shí)是歸于“工藝自動(dòng)化”，當(dāng)然也可以叫“智能設(shè)備”。

智能化應(yīng)強(qiáng)調(diào)對(duì)不可知事件的判斷和決策，而自動(dòng)化則強(qiáng)調(diào)對(duì)既定動(dòng)作和已知事件的執(zhí)行。

一臺(tái)柔性制造系統(tǒng)可以自動(dòng)識(shí)別和檢測(cè)零件，并根據(jù)識(shí)別碼自動(dòng)選擇工裝，自動(dòng)裝夾，自動(dòng)調(diào)用不同的程序完成全部加工，由于完成的這一系列活動(dòng)都是既定的，并沒(méi)有根據(jù)約束條件和目標(biāo)進(jìn)行決策，因此只能算是比較高級(jí)的自動(dòng)化系統(tǒng)，不能算智能。

下面案例實(shí)現(xiàn)了按訂單全柔性生產(chǎn)，但是由于無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，因此即便自動(dòng)化程度已經(jīng)很高，那么在我看來(lái)也不能稱為真正意義的智能制造。

可見(jiàn)，智能化和自動(dòng)化是兩個(gè)獨(dú)立的概念，二者只是產(chǎn)生的歷史時(shí)期有先后。但是在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中并沒(méi)有必然的先后順序。

結(jié)尾

生產(chǎn)制造企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)是一個(gè)系統(tǒng)工程問(wèn)題，絕不是單靠幾個(gè)項(xiàng)目、幾套軟件、幾套自動(dòng)化生產(chǎn)線就可以解決的。說(shuō)白了，它是一次戰(zhàn)略意義的考量，或者是對(duì)傳統(tǒng)工廠戰(zhàn)略的一次清洗和重生。需要從市場(chǎng)定位、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、供應(yīng)體系規(guī)劃等整體入手。在前期決策時(shí)投入的研究精力越大，實(shí)施起來(lái)就越容易，轉(zhuǎn)型升級(jí)成功的可能性也就越高。