2016-02-17
轉載：吳昊陽 直觀學機械
08年金融海嘯以后，中國制造業(yè)受到巨大沖擊，整個行業(yè)陷入恐慌。當時業(yè)界的共識是：制造企業(yè)必須“轉型升級”才能走出困境。至于如何轉型，如何升級，具體策略和路線也是見仁見智。從盛行數(shù)月的“互聯(lián)網(wǎng)思維”到3D打印熱，從“大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)”到“互聯(lián)網(wǎng)金融”，從“工業(yè)4.0、工業(yè)大數(shù)據(jù)”到“中國制造2025”再到現(xiàn)在被說濫的“智能制造”。讓人感覺我們的制造業(yè)已經(jīng)被這些名目繁多的概念搞得暈頭轉向，甚至開始忘記了初衷。
本文將僅就生產(chǎn)技術升級，試圖梳理制造企業(yè)的轉型升級路線。目前比較流行的制造技術升級的概念是：自動化，信息化和智能化。然而，并非所有制造業(yè)都要通過這“三化”實現(xiàn)技術升級；同一個企業(yè)的不同發(fā)展階段也需要兼顧不同的升級策略；不同類型的制造業(yè)也需要考慮適合自身發(fā)展規(guī)律的升級路線。總之絕無固定模式可言，必須具體問題具體分析。
一. 哪些制造企業(yè)適合通過“智能制造”轉型升級
在談這個問題之前，首先需要明確“智能化”和“自動化”的區(qū)別。由于目前沒有任何關于智能化外延的界定，自動化和智能化之間的界線十分模糊，因此，當智能制造成為國家戰(zhàn)略以后，許多稀松平常的自動化項目也被冠以智能制造之名。
在筆者看來，智能制造的特征是對復雜生產(chǎn)情形的決策。決策算法的有效性以及對復雜約束條件的適應性決定了智能化程度的高低。
盡管很多自動控制產(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程中根據(jù)切削力和震動頻率等參數(shù)實時優(yōu)化進給速度和主軸轉速；或者根據(jù)床身熱變形量對刀具軌跡進行補償， 但是這些技術歸根結底都是工藝過程的一種前饋控制，只是控制算法更加復雜而已。為便于后面論述，我更愿意將這部分劃歸為工藝自動化，當然也可以叫“智能設備”。
智能化應強調對不可知事件的判斷和決策，而自動化則強調對既定動作和已知事件的執(zhí)行。
又如，一臺柔性制造系統(tǒng)可以自動識別和檢測零件，并根據(jù)識別碼自動選擇工裝，自動裝夾，自動調用不同的程序完成全部加工，由于完成的這一系列活動都是既定的，并沒有根據(jù)約束條件和目標進行決策，因此只能算是比較高級的自動化系統(tǒng)，不能算智能。
下面案例實現(xiàn)了按訂單全柔性生產(chǎn)，但是由于無法進行動態(tài)調度，因此即便自動化程度已經(jīng)很高，那么在我看來也不能稱為真正意義的智能制造。
可見，智能化和自動化是兩個獨立的概念，二者只是產(chǎn)生的歷史時期有先后，但是在項目實施過程中并沒有必然的先后順序。
明確了智能化和自動化的區(qū)別之后，回到本段的問題：“哪些制造企業(yè)適合搞智能制造呢？”簡而言之：生產(chǎn)管理越復雜，企業(yè)越適合上智能制造項目。
這類企業(yè)通常
1、產(chǎn)品系列多，工序變化多，零部件品種多，供應鏈管理復雜；
2、多以組裝工序為主，多為勞動密集型企業(yè)；
3、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：
1、每一個維修項目都各不相同，因此生產(chǎn)模式屬于單件定制；
2、每一個維修項目的工序復雜，沒有既定模式，幾乎無章可循；
3、維修（生產(chǎn)）數(shù)據(jù)難以定義，更難以度量，難以采集；
每一個維修項目的周期無法量化，產(chǎn)品復雜程度越高，維修周期不確定性越大；
因此在面臨這樣復雜問題的時候就只有通過“智能化”才能解決問題。
二. 哪些制造企業(yè)適合通過“自動化”轉型升級
自動化生產(chǎn) vs. 手工生產(chǎn)
首先，與“自動化生產(chǎn)”相對應的是“手工生產(chǎn)”。我們通常講的自動化升級都是指用自動化設備和裝置替代人工。因此，凡是人工作不了或者不愿意做的工作都可以通過自動化進行升級，越是動作簡單，重復，繁重的生產(chǎn)模式，越適合采用自動化升級策略，例如搬運，包裝，噴涂等；而動作越復雜，對人手靈活性依賴越大的生產(chǎn)模式就不適合自動化升級，例如皮具制作，制衣等。
剛性生產(chǎn) vs. 柔性生產(chǎn)
其次，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)單一或少量產(chǎn)品，這種生產(chǎn)模式特別適合自動化，例如緊固件等工業(yè)標準件的生產(chǎn)就是通過自動化專機實現(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)模式對自動化系統(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)和非標零件的機械加工。
下圖將目前國內(nèi)制造業(yè)轉型升級的方向進行了劃分：
X向表示產(chǎn)品種類的復雜程度；Y向表示生產(chǎn)工序要求動作的靈活程度。
I. 產(chǎn)品種類復雜且動作靈巧度高：手工柔性生產(chǎn)
典型行業(yè)如飛機、航天器等復雜機電產(chǎn)品裝配，成衣、皮具定制，家電、數(shù)碼產(chǎn)品組裝，以及前文所論述過的產(chǎn)品維修或返修；
這類生產(chǎn)對動作靈活性要求高，因此無法通過自動化手段替代人工或者替代人工的自動化設備研發(fā)投入過高。例如目前的機器人或運動控制技術都難以達到人手的復雜和靈活程度，因此諸如皮具制作和縫紉等工作在相當長的時間內(nèi)無法被機器所取代；
適合這類制造企業(yè)的生產(chǎn)模式我稱之為：手工柔性生產(chǎn)，即生產(chǎn)管理組織復雜且無法實現(xiàn)自動化。實際上這類企業(yè)非常適合走“智能制造”路線，既通過智能決策系統(tǒng)或相關的軟件產(chǎn)品管理生產(chǎn)并指導工人操作。智能產(chǎn)品的作用在于指導生產(chǎn)，避免人為失誤。
實操方案一：自動配料系統(tǒng)
例如保時捷發(fā)動機在裝配過程中大量工序無法實現(xiàn)自動化，而產(chǎn)品多品種小批量的特點又難以避免工人在裝配過程中犯錯誤。為調和這個矛盾，該生產(chǎn)系統(tǒng)采用集中備料的方案，發(fā)動機上的小型零部件隨托盤運動到各個裝配工位，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，但它的配料需要工人根據(jù)物料車的指示在制定倉庫托盤中拾取，沒有實現(xiàn)自動化。
實際上比較成熟的軟件應用是在服裝行業(yè)，包括許多國內(nèi)企業(yè)在內(nèi)，許多成衣定制的服裝集團都已經(jīng)采用自動下料，配料系統(tǒng)：一件成衣所需要的全部布料和配件等，會通過該系統(tǒng)配送給某個工位或制作單元，而工人之需要按照設計要求縫制即可。
實操方案二：操作輔助終端（電子作業(yè)指導書+生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）
圖片為克萊斯勒變速箱組裝線，值得注意的是每個工位上都有操作輔助終端，工人在裝配過程中嚴格按照電子作業(yè)指導書的每個步驟進行，同時輔助終端也記錄相應的生產(chǎn)組裝數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機。
以上兩個方案是智能制造的基礎，也是智能制造的雛形：自動配料方案實現(xiàn)柔性和單件定制化生產(chǎn)，操作輔助終端實現(xiàn)人與生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；至于智能排產(chǎn)，動態(tài)調度，專家決策等系統(tǒng)都可以在這兩個技術方案的基礎上實施。
II. 產(chǎn)品種類單一且動作靈巧度高：手工剛性生產(chǎn)
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)過程基本上只能通過手工實現(xiàn)。
這種靠薄利多銷生存的行業(yè)除非在產(chǎn)品設計和工藝上做文章，否則在自動化或智能化層面幾乎沒有改良的余地。當然，自動裝配技術在不斷改進，而這也需要模塊化設計理念的完善。
值得注意的是視頻中有一處是自動化機構將柔軟的連接帶穿過卡槽。
III. 產(chǎn)品種類單一且動作靈巧度低：自動化剛性生產(chǎn)
典型行業(yè)就是工業(yè)標準件生產(chǎn)如緊固件，軸承，齒輪，五金件，連接端子，微電子等行業(yè)，以及相對簡單日用品如食品、飲料行業(yè)，紡織，印刷和制筆業(yè)等。
這類產(chǎn)品通常是通過專機和自動化設備實現(xiàn)的，而且技術非常成熟。中國大量低端制造業(yè)企業(yè)都屬于這種類型的制造業(yè)，都可以通過自動化專機實現(xiàn)量產(chǎn)。
而且，這種行業(yè)一旦開發(fā)出全自動高效量產(chǎn)的專用設備，那么就極有可能實現(xiàn)對該行業(yè)的壟斷，為其他競爭對手設置投資門檻?？藦娍偫砬安痪锰岬降膱A珠筆芯困境實際上就是這個道理：幾大筆業(yè)集團壟斷了筆芯制造設備，使筆芯的生產(chǎn)成本降至最低，因此中國這種市場追隨者就很難獲得同樣的自動化系統(tǒng)，如果自行研發(fā)同類設備在投資上也并不劃算，所以倒不如放棄這個行業(yè)，或者另辟蹊徑，開發(fā)替代性產(chǎn)品和技術。
下面圖片是德國最著名的熒光筆生產(chǎn)商STABILO的自動化生產(chǎn)線
中國的中小制造企業(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，攝像頭，拉鏈，打火機等。相信在未來的5年內(nèi)必定會出現(xiàn)生產(chǎn)這些通用產(chǎn)品的全自動化生產(chǎn)線，也一定會在中國出現(xiàn)世界級的行業(yè)寡頭。
IV. 產(chǎn)品種類復雜且動作靈巧度低：自動化柔性生產(chǎn)
最典型的行業(yè)就是汽車，目前國際上主流車型均采用混線生產(chǎn)模式，即自動化柔性線。這種生產(chǎn)系統(tǒng)對設備的自動化程度和軟件的智能化程度要求極高。是目前復雜程度最高的生產(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)。事實上木工是最容易實現(xiàn)自動化柔性生產(chǎn)的行業(yè)。理由是木工制造的工序簡單，零件結構標準化程度較高，產(chǎn)品的多樣性要求較高。說得更通俗些，就是木工行業(yè)與樂高積木的相似性最大。
圖片中所顯示的系統(tǒng)，CAD軟件為木屋設計提供了非常多的標準件庫，并且可以自動生成項目BOM表；CAM軟件具備下料計算功能，可以在標準尺寸木料上優(yōu)化毛坯下料尺寸并自動生成每個零件的NC代碼；同時ERP系統(tǒng)將所需木料尺寸和數(shù)量發(fā)送給供應商并進行采購；木料到達車間后，生產(chǎn)系統(tǒng)可根據(jù)木料編碼和尺寸決定下料毛坯，并對毛坯進行機械加工；加工好的零件被貼上標簽，連同五金件打包送往建造工地，建筑團隊可以根據(jù)圖紙把送來的這批木料零件拼裝成木屋。
從這個案例可知，由于木屋的木料零件都是直的，基本上都可以通過切割和鉆孔完成，工序簡單，可以在CNC上完成所有工序，因此容易實現(xiàn)自動化。此外，木梁的拼接相對簡單，零件種類少且標準化程度高，給PLM系統(tǒng)的簡化帶來便利。與之相似的還有樓梯加工系統(tǒng)。
很多政府官員和企業(yè)家都認為木工是落后的夕陽行業(yè)，應該淘汰。但實際上瑞士，德國和奧地利等制造業(yè)最發(fā)達的國家已經(jīng)通過技術升級，正在將木工行業(yè)改造成最接近“智能制造”和“工業(yè)4.0”理想的技術密集型產(chǎn)業(yè)。這個思路值得中國企業(yè)學習，不斷用新技術改造舊產(chǎn)業(yè)和就產(chǎn)能，而不是一刀切地推到重來。
4. 哪些制造企業(yè)適合通過“信息化”轉型升級
首先需要明確“信息化”和“數(shù)字化”兩個概念。實際上“數(shù)字化”這個概念是近幾年伴隨著數(shù)字工廠慢慢被提及得越來越頻繁，當我們說數(shù)字化的時候通常是指“圖形化”，即將產(chǎn)品和生產(chǎn)相關的數(shù)據(jù)用圖形的方式表達出來。而因為數(shù)字本身也是一種信息，所以信息化應該是包含數(shù)字化的大概念。
我們通常所說的信息化產(chǎn)品有很多，典型的如ERP，MES，CRM等。信息化的本質是把生產(chǎn)過程的復雜性通過信息表達和信息處理手段進行自動的管理，所以從某種意義上，信息化可以理解為管理流程的自動化。
為了便于區(qū)分制造業(yè)相關的信息技術，索性將信息化和數(shù)字化概念分開：數(shù)字化指圖形相關的產(chǎn)品和技術，如數(shù)字工廠（Digital Factory），組態(tài)軟件（Configuration software），仿真軟件（Simulation），數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA），CAD/CAM/CAE等；信息化指流程相關的產(chǎn)品和技術，如ERP，CRM，MES，EMS（能源管理系統(tǒng)），APS等。
另外，數(shù)字化強調的是狀態(tài)監(jiān)控，圖形化界面可以很好地輔助人類決策；而智能化強調專家決策系統(tǒng)，智能系統(tǒng)可以快速根據(jù)約束條件的改變獲得次優(yōu)解或近優(yōu)解，代替人類決策。
現(xiàn)在，基本的數(shù)字化和信息化產(chǎn)品已經(jīng)成為企業(yè)的必備工具，如CAD/CAM和ERP等。隨著工業(yè)4.0和智能制造概念的提出，很多新玩藝開始受到關注。比如工業(yè)4.0中提出的信息物理系統(tǒng)CPS使得3D仿真和組態(tài)產(chǎn)品成為工控領域的新寵；而智能制造又使得MES和APS獲得新生；10年前我做組態(tài)軟件和MES的時候，離散制造行業(yè)幾乎沒有市場，現(xiàn)在想來，當時做的東西完全可以大言不慚地包裝成工業(yè)4.0項目，而現(xiàn)在相當一部分鼓吹4.0的企業(yè)做的就是做MES和SCADA。當時只有為數(shù)不多的幾個行業(yè)有實力搞MES和SCADA（現(xiàn)在可以號稱生產(chǎn)大數(shù)據(jù)）：油田，石化，電力，煙草以及少量鋼鐵企業(yè)。離散制造業(yè)最開始上MES的據(jù)我所知是黎明機械，與中石油霍尼韋爾的MES項目幾乎同時。
在面對種類繁多的信息化產(chǎn)品和方案時，企業(yè)需要認清自身的實際需求，絕對應該盡量避免在追求酷眩的過程中迷失。其中比較容易盲目投入的是數(shù)字工廠項目，并不是說數(shù)字工廠不重要，而是由于圖形化實時顯示工廠運行狀況通常會讓人“不明覺厲”，感覺很酷。但問題是圖形化的程度要多少，是否一定3D仿真？2D是否就已經(jīng)足夠表達工廠運行信息？車間設備級的動作仿真是否有必要？搞這些花里胡哨的東西是不是只是為了給領導看？
3. 哪些制造企業(yè)適合通過“產(chǎn)品設計和工藝”轉型升級
由于產(chǎn)品是制造業(yè)創(chuàng)造價值的最終載體，而制造業(yè)的產(chǎn)品永遠是實物，所以產(chǎn)品被設計成什么樣子（產(chǎn)品設計）和如何把實體產(chǎn)品做出來（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)品設計和生產(chǎn)工藝幾乎都是正確的戰(zhàn)略選擇。
值得中國制造企業(yè)注意的是：設計和工藝是不可分的，生產(chǎn)設備和工藝現(xiàn)狀可能制約著設計，而設計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，質量，可靠性，生產(chǎn)成本等。
在筆者看來，中國制造企業(yè)轉型升級應該始終圍繞著工藝提升展開，特別是工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)商。將X軸定義為工序復雜程度，將Y軸定義為工藝難度，以此區(qū)分不同行業(yè)的技術難點。
I. 工序復雜度高且工藝難度高
高端工業(yè)產(chǎn)品都具有這個特性，而這種行業(yè)通常都是大型企業(yè)集團，他們有自己的戰(zhàn)略規(guī)劃，這類企業(yè)的轉型升級是全方位的，需要階段性發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)短板并加以彌補。
典型行業(yè)如航空發(fā)動機，飛機，航天器，汽車等；
II. 工序復雜度低且工藝難度高
典型行業(yè)如軸承，葉片加工等特種零件的生產(chǎn)；
由于工序少，工藝難，所以在這類企業(yè)里通常容易見到大量高端設備，但是種類相對較少。
這種行業(yè)特別容易出現(xiàn)利基企業(yè)即所謂的隱形冠軍。只要企業(yè)保持某種特殊工藝的領先性就可以獲得技術獨占性優(yōu)勢。這種企業(yè)在轉型升級時就應該考慮工藝的提升，并且根據(jù)現(xiàn)有特殊工藝研發(fā)專用設備。
另外，值得注意的是工藝的替代性，這類企業(yè)必須時刻留意最新的技術動向，時刻關注自己的工藝訣竅是否會被新技術所取代。同時也需要思考，在現(xiàn)有工藝技術的基礎上，是否可以衍生出其它產(chǎn)品。
德國和日本這類企業(yè)非常多，但是同樣面臨轉型問題。
III. 工序復雜度低且工藝難度低
這類產(chǎn)品說白了就是沒有什么生產(chǎn)技術含量的，以通用標準化產(chǎn)品為主，比如工業(yè)標準件，這類產(chǎn)品強調質量和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。這種行業(yè)適合采用自動化專機或專門的自動化系統(tǒng)。盡量通過機器保證產(chǎn)量，質量和利潤；
IV. 工序復雜度高且工藝難度低
典型行業(yè)如家電和數(shù)碼產(chǎn)品生產(chǎn)，每一個工序都很簡單，但是步驟非常多。在這類企業(yè)的生產(chǎn)車間里會見到各式各樣的設備和工作站。中國制造業(yè)目前的優(yōu)勢恰恰就在這個象限：
a、由于技術起步晚，因此欠缺工藝積累；
b、由于承接產(chǎn)業(yè)轉移的緣故，這類復雜程度高但難度小的業(yè)務就逐步轉移到中國，而中國龐大的市場對成產(chǎn)規(guī)模的放大作用使得中國企業(yè)在過去的30年里練就了出色的生產(chǎn)協(xié)調和組織能力，使得中國企業(yè)特別擅長組織超大規(guī)模的生產(chǎn)，工序越復雜，需要協(xié)調的人員越多，中國企業(yè)特別是民營企業(yè)，越是有優(yōu)勢
c、由于生產(chǎn)組織復雜，所以要求生產(chǎn)系統(tǒng)的信息化程度高，我十分相信這種信息化甚至智能化系統(tǒng)可以在中國企業(yè)中得到最好的測試和應用，而未來創(chuàng)新的管理理論也一定會出現(xiàn)在中國；
3. 制造企業(yè)轉型升級策略小結
a、產(chǎn)品設計和生產(chǎn)工藝是制造的基礎，永遠具備升級空間；
b、在設計和工藝都明確的基礎上才可能談設備升級和自動化升級；
設備升級和自動化升級都是機器替代繁瑣重復性體力勞動；
設備升級指的是專機的設計研發(fā)，（專機穩(wěn)定定型后才成為標準機）；
設備升級是基于產(chǎn)品工藝的自動化集成；
自動化升級是基于生產(chǎn)工序和車間物流的自動化集成；
c、信息化升級是基于管理流程的自動化，用以替代繁瑣重復性腦力勞動；
d、數(shù)字化升級時基于產(chǎn)品模型表達和生產(chǎn)狀態(tài)的可視化，用以直觀輔助設計和決策
e、智能化升級是基于復雜生產(chǎn)狀態(tài)的決策系統(tǒng)；
總之，轉型有風險，決策須謹慎！
