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工业4.0时代的社会技术体系演变

     本序言是应机械工业出版社邀请,为德文版《工业4.0:开启未来工业的新模式、新策略和新思维》一书撰写的,主要阐释了工业4.0时代的社会技术体系演变的趋势。

     马克思在研究英国工业革命时明确指出,生产力的改变不是革命,只有生产关系发生改变,才是革命。纵观其后发生的第二次、第三次工业革命,马克思的话犹如在耳,甚至于到了所谓工业4.0(亦即第四次工业革命),生产力和生产关系的并行改变,仍然是一个不变的规律。

     在250年前,发生在英国的工业革命最典型技术应用是机械化,这导致了车间的出现(参考《车间的竞争优势》,中国人民大学出版社出版),同时也导致了工人阶层的出现;其后以电气化为代表的第二次工业革命,再次促使了车间的革命——出现了流水线作业,同时伴随的是职业经理阶层的出现;再到以信息化为代表的第三次工业革命,导致了分布式乃至全球化的工厂出现,全球化的分工也出现了,这个阶段出现了职业的投资阶层,硅谷是最为典型的代表。

     即将到来的第四次工业革命也会遵循以上规律,由于大量的互联网技术应用到生产制造过程,将导致智能制造的出现,工厂也将转变为智能工厂,正如马克思所讲,生产力的大幅提升之后,生产关系也会发生改变,在第四次工业革命期间,生产关系将发生什么改变呢?

     机械工业出版社引进德国原版图书出版的《工业4.0》(实践版),探索性的回答了这个问题。通过社会技术视角,来自不同领域的专家深入分析了工业4.0时代的工作环境、工作内容以及工作方式等的改变,揭示了工业4.0时代的工作状态——这也是未来的工业常态。

     工业4.0研究院研究成果显示,工业4.0具有高度自动化、高度信息化和高度网络化三大基本特征。从《工业4.0》(实践版)讨论的主题来看,工业4.0时代的自动化将导致工作形态发生改变,特别是企业劳动者的角色和地位将发生较大的改变(见书中第2章),这要求新型工人拥有新的知识和技能,并能够跟机器进行协作。不过,由于工业4.0时代的高度信息化,机器人协同工作(见书中第3章第2节)将轻松达到,更由于互联网技术在生产制造领域的广泛应用,将更容易提高生产效率,形成学习型生产系统(见书中第3章第5节)。

     仅仅是车间的革命还不足以让我们认识到第四次工业革命带来的变革,按照德国工业4.0体系关于三大集成的论述,工业4.0研究院把它总结为工业4.0发展的三个阶段,分别为纵向集成、端到端集成和横向集成。

     在工业1.0、2.0和3.0阶段,技术创新大都发生在车间,到了工业4.0时代,车间仍然是最先发生变化的地方,所谓纵向集成就是传统工厂边界内发生的技术革新,这也是德国企业西门子推出数字化工厂(Digital Factory)解决方案的商业理由,因为最容易满足企业升级改造需求的地方,毫无疑问是车间的数字化。对于在探索工业4.0解决方案的三一重工和海尔等不同类型的制造企业,它们也是把纵向集成作为变革的起点。

     毫无疑问,在工业4.0时代,仅仅局限在车间的技术创新,是不足以体现互联网技术对生产制造领域的影响。正如时下李克强总理提出的“互联网+”概念,互联网技术在生产领域的应用,将导致新的业态出现——目前主要体现为端到端集成的形态,具体可以考察的案例有苹果、小米、海尔和红领等企业,它们利用自己在产业链上的影响力或创新,实现了对供应链的集成,并利用手中的核心数据,介入到了电子商务服务环节。笔者对海尔互联工厂印象深刻,一直探索利用互联网力量的张瑞敏,似乎已经在正确的工业4.0道路上。

     除了以上两种集成模式,还有跨越多条价值链的横向集成,这才是真正未来的制造业,按照工业4.0研究院提出的新工业价值生态概念,横向集成是互联网技术在生产制造领域的深入应用,同时也是社会生产力大大提升的阶段,在这个阶段,社会技术体系也会发生革命性的改变。细心的读者应该会发现,这也是《工业4.0》(实践版)一书中隐约提及的一个改变。

     由于工业4.0时代的技术高度发达,大量机器人的应用实现了高度自动化,无所不在的计算(泛在计算)将导致高度信息化得以实现,加上真正的CPS(Cyber-Physical Systems,信息物理融合系统)带来的高度网络化,传统意义上的工人、经理以及资本家等角色将不复存在,工业4.0生产体系的自组织能力,将模糊工人和经理之间的界限,也许每个人都是生产者,每个人也同时是管理者,当然,每个人也可以给自己投资,成为一个资本家。

     工业4.0的三大高度化特征,三者合一就会实现所谓的智能化,笔者不清楚未来历史学家在描述工业4.0的时候,会不会把智能化作为这个时代的特征,也不清楚什么样的事件可以作为这个时代的代表,但笔者相信,生产力的大幅提升,新的生产关系出现,仍然会成为这个时代的特征。

     读者在阅读《工业4.0》(实践版)的时候,如果把《工业4.0》(机械工业出版社2014年出版的一本德国引进图书)作为阅读的参考书,可以更容易理解技术的变革和社会的变化相辅相成,推动历史的车轮不断前行,人类社会将发生巨大的改变,中国制造也将成为推动这个改变的一股不可忽视的力量。

     《工业4.0》(实践版)是工业4.0研究院推荐的第一本工业4.0图书,我们还会继续推荐优秀的工业4.0相关图书给读者,同时工业4.0研究院也将推出我们专家潜心研究多年撰写的工业4.0系列丛书,期望大家阅读之后可以提出宝贵意见。

 胡权

 工业4.0研究院院长兼首席经济学家

2015年4月10日凌晨

工业4.0时代的两大核心驱动力

     本文是2015年4月2日接受《中国电子报》约稿要求撰写的文章。该文章是基于2015年3月7日在上海复旦管理学院所做演讲《工业4.0时代的两大驱动力》基础上撰写完善而成。

     目前是一个工业4.0时代,也是所谓第四次工业革命,按照马克思指出的一样,工业革命不仅仅是生产力的快速提升,同时还是生产关系的改变。历史将证明,工业4.0时代将是人类工业社会的新一轮变革,如同前三次工业革命一样,技术创新和金融资本将在工业4.0时代扮演核心驱动力的作用。

     技术是第一生产力是大家的共识,由于技术创新导致了传统的价值创造体系发生根本性改变,从而导致一个新时代的发生,这是有目共睹的事情。不过,从英国发生第一次工业革命以来,如影随形的另外一个力量也扮演了重要作用,那就是资本。技术加上资本的力量,从而给工业革命带来了不同寻常的变化,而且,每次新的工业革命都比前一次工业革命的周期更短,生产力的提升更快,这无疑跟资本市场的发展和创新不无关系。

上海复旦管理学院谈工业4.0的两大驱动力

图例:上海复旦管理学院《工业4.0时代的两大驱动力》演讲

     虽然有不少专家提出工业4.0时代的核心驱动力应该包括其他力量,例如,阿里研究院的专家曾提出产业需求是第三个驱动力,笔者表示,工业4.0是一次工业革命,也就是从产业演进的角度来谈的,除非是产业视角,才符合核心驱动力之说,产业需求是市场视角,自然不符合这个要求。

     技术创新仍然是第一驱动力

     按照德国工业4.0平台的专家对工业4.0的定义,迄今为止的三次工业革命都具有某种技术特征,例如,工业1.0是以机械化为特征的,工业2.0和3.0分别以电气化和信息化为标志的,在工业4.0,则是以CPS(Cyber-Physical Systems,信息物理融合系统)为核心的,以通俗的话来讲,工业4.0是以虚拟世界跟物理世界融合在一起为标准的。

     大约250年前,英国发生了第一次工业革命,按照经济历史学家的记载,当时英国因为工人工资比较高,资本家发动了各种技术革新,期望解决工人工资较高的问题,事实上,英国的确找到了各种技术创新的机会,例如,机械化的纺织机就是最为典型的代表,因为当时的社会需求还主要体现为服装等穿着的改善,新型的纺织机出现,解决了生产力提升这个问题,更重要的是,机械化的应用,促进了机械化技术在其他领域的广泛应用,从而导致了全社会掀起了一股机械化改造传统生产的浪潮。

     在第一次工业革命之后100年,又开始了第二次工业革命,也就是所谓工业2.0,这一次是以电气化为代表的技术广泛应用为特征的。与电气化技术的应用伴随的是管理的革命,生产车间的流水线应用,大大促进了大规模生产制造的发展,并且产生了一个新的阶层(工业1.0产生了工人阶级)——专业管理层。按照哈佛商业历史学家钱德勒在《规模与范围》中的定义,英国是个人资本主义,德国和美国都是管理资本主义,也就是英国比较重视个人及家庭对工厂的控制,而德国和美国广泛的雇佣专业管理人员来对工厂进行管理,这是它们之间的差别,这同时也是英国在工业2.0时代落后的一个重要原因。

     在其后发生的工业3.0,距今不过50年,虽然对于第三次工业革命的认识有不同说法,例如,钱德勒在写《信息改变了美国》一书时,明确提出了想把书的标题确定为“第三次工业革命”,但最后还是放弃了,但最近比较热门的美国专家杰里米•里夫金(Jeremy Rifkin)写了一本以《第三次工业革命》为标题的书,不过看起内容主要以能源互联网为主,显然不能代表整个工业领域的变化。毫无疑问,工业3.0时代是一个信息技术广泛应用的时代,按照德国工业4.0平台专家的划分,工业3.0是以德国企业擅长的“嵌入式系统”为代表的,如果客观的分析,由于美国等传统的工业强国忙于发展新型电子工业和互联网产业,对传统的机械制造等工业种类重视不足,反而让德国和日本等国强化了其传统工业领域的领导地位,当然,期间中国制造也逐步崛起,这是美国始料未及的。

     从工业1.0、2.0和3.0的发展历史来看,技术创新毫无疑问扮演了非常重要的角色,把技术创新作为工业革命的核心驱动力,应该不会有太大疑问。笔者相信,即便进入了工业4.0时代,技术创新仍然会扮演核心驱动的作用。

     经过长达2年时间的研究,工业4.0研究院把高度自动化、高度信息化和高度网络化作为工业4.0时代的三大技术特征,并简称为三个高度。有专家提出应该有一个“高度智能化”技术特征,考虑到人工智能领域还对智能化缺乏统一认识,同时在实际的工业应用中难以判定智能化,因此最终没有采用智能化标准,笔者认为,智能化更多是一个定性的判定,难以在实际工业应用场景中进行深度判断,如果采用该标准,有可能会引起更多的争议。

     对于自动化和信息化,相信反对的专家不多,因为这的确是工业2.0和3.0时代的最突出特征,甚至于可以认为,自从工业革命以来,一直都在追求自动化的广泛应用,诸如目前江浙以及广东一带在进行的“机器换人”,实际上可以认为就是自动化技术的应用。当然,为了实现企业管理的高效率,信息系统在企业中不断深入应用,也是一个重要的方面,诸如MES、ERP、SCM和PLM等生产性信息化系统在工厂的应用,给企业的大规模生产经营带来了便利和可能。

     目前我国工信部提出的“两化融合”以及“两化深度融合”,其目的在于促进实现自动化和信息化在工业企业的深入应用,实际上就是在加速我国制造业的工业2.0和3.0改造。对于大部分工业领域来讲,充分利用自动化及信息化技术,是可以改善经营绩效的,也可以提升企业生产的产品竞争力的。

     对于第三个高度——高度网络化来讲,这是一个工业4.0独有的特征,用通俗的话来讲,这实际上就是互联网技术在工业领域的应用。当大量的生产制造设备联网,同时也跟传统的互联网服务(在工业4.0体系中定义为服务互联网)结合起来,将产生一些很有意思的价值创造体系——诸如海尔正在实践的所谓互联工厂等概念,有可能就是一种探索。

     在工业4.0时代,以CPS技术为核心的新工业价值生态将呈现新的价值创造场景,智能产品、智能制造以及智能服务可能会成为大家心目中新的工业制造图景,这跟传统的生产制造只发生在车间边界内的印象迥然不同。

     总而言之,工业4.0时代的高度自动化、高度信息化和高度网络化将成为新的技术标准,一些停留在工业2.0或3.0阶段的企业会加速进行自动化和信息化改造,同时一些有理想的制造企业会加速拥抱工业互联网技术,通过重组生产制造体系,为客户及消费者提供一定程度的个性化产品和附加服务,从而在工业4.0时代获得市场定价权,避免简单的价格竞争。

     金融资本驱动工业4.0快速实现

     在研究工业革命发生的历史,我们时常会发现企业家精神的存在,不过,我们会问自己,是什么力量促使了企业家精神的出现?笔者认为,企业家精神的出现,很大程度上是有金融资本在支撑其不断创新,通过创新的产品和服务占据市场,获得新的消费者,从而实现超额利润的获取。

     最近三十多年,中国制造发生了翻天覆地的变化,究其原因,相信不同专家会给出不同的结论,但笔者发现,因为中国各种生产要素的价格比较低,全球化带来的各种资本进入中国市场,给了中国制造一展身手的机会。如果没有全球大量的逐利的生产和金融资本进入,中国制造不太可能在短短三十年就走过工业国家几百年走过的历史。

     卡萝塔.佩蕾丝在《技术革命与金融资本》中分析了技术变革与金融资本的关系,毫无疑问,前三次工业革命中,金融资本一直伴随着每次技术革命,成为重要的驱动力。不仅如此,佩蕾丝还分析了技术革命产生的时候,金融资本一般是疯狂的,因为现在的投入可能带来很大的回报,会促使资本家冒险进行投资。事实上,公众所认识的风口,很多时候是因为有大量的资本流入,而不一定是有真的市场需求存在,至少不是在短期就存在的。

     在一个新技术革命发生初期的大爆炸发生之后,金融资本会跟生产资本进行分离,由企业家掌握的生产资本将更加重视可以给企业带来竞争优势的基础设施等投资,以在接下来的需求爆发和竞争加剧奠定基础。例如,互联网领域的BAT公司纷纷投入巨资在云计算领域,其商业逻辑也在于此——云计算将成为工业4.0时代的基础设施,这是毋庸置疑的结论。

     按照佩蕾丝对技术革命跟金融资本关系的分析,当投资泡沫发生之后,金融资本将与生产资本进一步结合,这一次它们合作将更加紧密,共同推动企业的产品及服务贴近市场,获取直接的销售回报,因为到了这个阶段,技术的商业价值已经得到证实,资本的回报风险也大大降低。

     笔者认为,目前我们还处于工业4.0时代的初期,也就是工业4.0技术应用的大爆炸的前期,虽然有大量的金融资本不断介入,但生产资本还比较缺乏,技术的应用模式还没有得到很好地证实,这需要真正具有远见的企业家做出英明决断,找到适合自己的发展方向,才可能把握工业4.0时代的发展机会。

     与消费互联网领域的创新和创业不同,工业制造领域的创新需要的资本显然非常巨大(与消费互联网创新需要的几百万投资相比),动辄几个亿甚至于几百亿的投入,这不是一般的VC可以承担的,这需要构建一个新的资本体系,相信深谙制度经济学的李克强总理知道,从资本制度上提供疏通渠道,才是解决工业4.0时代资本需求的实际方案。

     对于已经上市或在三板的企业来讲,已经具有融资渠道和能力,可以通过针对工业4.0领域的创新,获得较好的估值,并可以利用增发等手段获得扩展生产所需要的资金,同时还可以借助自己对工业4.0的深入理解,收购一些可以满足自己未来竞争优势的创新企业。实际上,这也是资本驱动力在工业革命以来的重要作用,在英国发生第一次工业革命的同时,英国的伦敦交易所就一直扮演重要作用,几乎可以说,资本市场一直与工业革命并存,互相促进了工业革命的深入发展。

     工业4.0时代的机会不仅仅属于已经上市的企业,一些有野心的企业家可能拥有更大的机会,那就是开创一个新领域的机会。如同当时个人电脑产生的初期,传统的诸如IBM是无法想象个人电脑在人类社会的广泛存在,因此也就错过了提供个人软件或部件(诸如CPU等)的机会。当时拥有远见的年轻人比尔盖茨投身个人软件领域,成为了IT时代的翘楚,也不过在20多年前发生的创业故事。

     在工业4.0领域,肯定会产生一些跟传统工厂不同的价值创造体系,通过生产制造的确可以产生价值,但在可能的未来,也许会在服务互联网(Internet of Services,IoS)产生一些工业4.0企业,这种企业多半不会是诸如百度、阿里巴巴和腾讯一类的互联网企业,它可能会对生产制造有很深入的理解,同时也能够理解消费互联网在新工业价值生态中的定位,从而改变了工业4.0时代的竞争规则,这样的企业家肯定会出现。

     总结

     在工业4.0时代,我们需要理解技术和资本两大核心驱动力,它们在工业4.0的演进过程中会扮演非常重要的角色,更重要的是,技术和资本两者的有机结合,可能会改变目前的制造行业和互联网领域的竞争格局,给一些真正理解工业4.0时代规律的企业以新的力量,我们把这种力量称为新的竞争优势来源。无论如何,期望把握工业4.0时代发展机会的企业家,应该不要放弃创新,这毫无疑问是成功的必要条件。

     胡权,工业4.0研究院院长、首席经济学家。关注工业4.0时代的竞争规律研究,目前主持工业4.0相关技术、模式及战略的研究及咨询工作。作为国内最早跟踪研究第四次工业革命的专家之一,在多个高峰论坛做工业4.0主题发言,著有《第四次工业革命:高度网络化的新工业革命》一书。

工业4.0竞争的焦点是市场定价权

     这是基于本人在机械工业出版社、《清华管理评论》和智造大讲堂联合举办的“工业4.0高峰论坛”上的发言,补充一些资料重新撰写的一篇文章,请大家批评指正。

     在题为《工业4.0时代的竞争战略》的演讲中,我明确提出了三个要点,第一,工业4.0的本质是德国产业界期望重新找到制造业的市场定价权;第二,制造企业主要关注两个成本,一个是生产成本,一个是交易成本(经济学意义上);第三,移动互联网初期融合的领域是消费市场,我们叫做手机应用,但目前移动互联网开始进入生产领域,大家可以称为工业4.0。

工业4.0研究院院长胡权谈工业4.0时代

     工业4.0时代的价值创造

     笔者在学习哈佛商学院课程时,印象最深刻的是哈佛商学院一直把价值创造放到所有商业问题的起点,这样就让我们在分析商业问题的把握到其核心。因此,对于工业4.0时代的商业及产业问题,也许也应该从价值创造开始去思考。

工业4.0时代的市场定价权

     按照经济学的研究思考方法,制造企业有两个成本,分别是生产成本和交易成本。

     对于大家比较熟悉的生产成本,生产制造企业的管理者应该很清楚。一般情况下,企业通过购买生产资料,然后实现生产制造,再把它销售出去,在整个价值链活动过程中,产品的销售价格和生产成本会产生了价格差,其大小就是企业在市场中地位的体现,因此生产成本是非常重要的。

     同时企业还有另外一个成本,那就是交易成本,有一门学科《交易成本经济学》就是谈这个问题的。交易成本实际上包括内部和外部两种。以企业边界来看交易成本,在企业内部发生的部门与部门之间的协调,那就是内部交易成本;如果企业与其他公司进行交易,这种交易产生的成本就是外部交易成本。当内部交易成本比较高的时候,我们会通过外包来降低成本,例如小米等手机企业,它们自己不生产制造手机,它会让外部的公司帮他制造,原因在于他自己要搭建这个团队后,并通过建设工厂来做这个事情,成本是非常高的。

     德国提出的工业4.0概念,本质上是把互联网加到智能制造上去了,也就是所谓网络型的制造企业。我们可以用经济学的交易成本来解释工业4.0的概念,如果企业在组织生产的时候,可以形成制造网络,这是一种新的产业形态。

     工业4.0时代的竞争焦点

     从价值创造上来讲,每一个企业从各个环节都希望创造更多的价值,而且还希望把这个价值放到自己的口袋里面来,这样自然就会产生竞争。如果从竞争的角度去看工业4.0,我们就可以获得非常清晰的认识,德国之所以要提出工业4.0,本质上是为了应对来自中国及其他亚洲国家带来的价格压力,这一点在德国工业4.0工作组的报告中已经明确提出。

三一集团通过数字化工厂实践工业4.0

     大家知道,企业的经营活动是围绕价值创造开展的。从生产制造型企业的价值创造来看,工业4.0的核心价值更多体现为成本、质量和效率的不断改善,这些概念可以帮助企业在市场竞争中获得主导地位。我们看到小米、三一重工、华为等企业获得了一定的成功,从产业价值链的角度来看,也就是这些企业获得了一定的定价权。

     德国提出的信息物理融合系统(CPS,Cyber-Physical Systems),本质上就是通过信息化方式或者工业4.0方式,整体提升企业集团或者产业集团的竞争优势。德国提出的工业4.0概念,核心是信息物理融合系统,这对于德国的工业产业链的信息化水平提升很大,从一个国家来讲体现为国家竞争优势,对产业来讲就是产业竞争优势了。

     如果用工业4.0的概念来解读小米案例,会产生不同的理解。在互联网领域,小米的创新被称为互联网思维,本质上是通过互联网渠道代替传统的实体渠道或者多级的销售渠道。从工业4.0的概念来理解,小米在手机生产制造的多个产业环节中实现了价值优化,它主要改造的是销售这部分价值链环节,小米这种工业4.0思维是能够降低成本的,这促使小米在智能手机领域实现了新的定价权,因此它在市场中获得了竞争优势。

    中国企业的工业4.0战略定位

     本人曾经给《清华管理评论》写了一篇文章,题目是《新竞争优势:移动互联网时代的商业模式设计》,这篇文章是解读移动互联网时代的驱动力和基本商业模式的。在这篇近一万字的文章中,本人提出了移动互联网时代的两个驱动力:一个叫做融合,另外一个叫做开放。对于工业4.0时代来讲,这两个驱动力仍然是适用的。

基于融合与开放的商业模式

     以企业边界来看,如果我的价值创造不仅仅限于企业内部,部分价值创造跨越到了产业价值链的其他企业,这就是“融合”的场景,一些媒体把这种情况称为“跨界”,我自己倾向于用“融合”的概念,因为“融合”更体现“你来我往”之意,跨界似乎有侵略的意味。对于第二个驱动力——开放就容易理解了,不过开放似乎在美国比较多一点,特别在硅谷那边。

     对中国的企业来说,目前不太容易掌握到开放的方式,怎么开放还能赚钱?像腾讯、阿里巴巴以及百度这些公司也在尝试。工业制造型企业做开放比较困难,实施开放策略的企业需要把自己产业链条上的优势资源和能力分享给产业链的其他合作伙伴,因此,融合、开放本身导致了整个产业链的演变。

     最近刚从一家超过一百年历史的制造企业那里回来,我们是去给这家百年企业做信息化战略规划。在跟这家企业的总经理及领导班子沟通的时候,他们告诉我们,对于企业管理者来讲,选择什么概念不是最重要的,不管是两化融合还是工业4.0,只要可以给企业带来价值,他们都是欢迎的。从企业的经营来看,特别是在国内的市场争夺上,同行间的竞争是非常激烈的。他们在国际市场上也存在这样的状况。这家企业的总经理强调,制造企业的主要挑战是压缩成本,中国制造企业生产制造工艺还很难做到差异化,因此只能在中低端制造领域进行竞争,这才是我们工业企业所面临的现状。

     对于工业4.0的战略路径来讲,它主要体现为从生产型制造转化成为服务型制造的过程。我们很容易理解,现在可以利用一些新技术(例如感应器等),为客户工程提供一些增值服务。例如,对于提供桥梁建设的企业,以往只能通过定期查勘才可以判定这个桥梁的钢结构是不是老化了,需不需要进行更新或者加固,但现在你可以通过工业4.0的技术,例如在生产制造的时候,就加上一些感应器,这个制造企业就可以在工厂监控这个桥梁的使用情况,是不是需要派人去维修。美国GE公司为飞机提供零部件的时候,就可以在全球跟踪其零部件的使用情况,如果有潜在风险,是可以提前为客户提供服务的。这些案例都显示以生产型制造转向服务型制造的可能性。

     我们可以看看三一集团是如何介入工业4.0的。早在2007年,三一集团总裁唐修国就关注到了数字化工厂的概念,2009年,三一集团首先在起重机事业部引入数字化工厂进行新产业园规划,并获得成功。通过数字化工厂的成功应用,起重机二期基建周期相对于一期缩短了50%、降低设备投资4000余万元、降低基建成本100多万元、厂房设备空间占用率提升了14%、物料库存占用率降低了11%、大件物流路线缩短了15%、仓库日配送减少570多次。据三一集团总裁唐修国自己透露,当三一集团了解到德国明确提出工业4.0概念之后,三一集团也随即跟进工业4.0相关技术,并在前几个月聘请全球知名的咨询公司,为三一重工做全面的流程型企业改造,提升企业的工业化及信息化水平,为进一步提升企业的竞争优势奠定了很好的基础。

     展望和建议

      总的来讲,本人对工业4.0持有明确的观点,一是建议对工业4.0的概念应该从多个角度去认识和应用,不应该只简单从技术角度去认识,还应该结合到经济学的视角,例如经济学中的概念市场定价权;第二是企业在具体落实工业4.0相关技术时,应该考虑到企业的战略定位、组织架构、管理体系以及企业文化,甚至于还应该借鉴德国政府及相关机构的经验,它们通过网络制造业大学等在线教育努力传播其理念和技能,真正让工业4.0落地。

     (本文基于工业4.0研究院院长兼首席经济学家胡权2014年12月20日在《工业4.0高峰论坛——新常态与中国工业变革之路》的主题演讲补充修订,转载请注明来源:工业4.0研究院)

基于CPS技术的工业4.0智能工厂

     在德国工业4.0工作组推荐的一个智能工厂示范点,人们可以看到一个类似科幻的生产制造场景,未来的工人不再是目前大家心目中的身着蓝色工衣,手持各种机械工具的形象,他们如同Google公司一些科技达人,穿着T恤,听着音乐就可以把手头上的生产制造工作完成了。能够实现以上场景的未来制造业,可以基于CPS的不断演进,将在工业4.0体系中得以实现。

未来的智能工厂和工人

图例:未来的智能工厂和工人

     威廉.拉佐尼克在《车间的竞争优势》一书中明确指出了工业制造中车间的重要性,在工厂的现代管理体系中,工厂的现场管理也是重要的部分。因此,本节结合工厂的演变,解读CPS在未来制造业的重要地位。

     对于CPS和智能工厂,目前似乎存在很多混淆视听的说法,一方面学术界为了凸显CPS的价值,认为CPS可以利用到所有场景下去,另外一方面一些提供信息化解决方案的供应商,认为智能工厂的解决方案就是CPS的解决方案。以上两种看法都有问题,前者忽视了智能工厂还有其他非CPS系统的存在,后者则缩小了CPS可以帮助制造企业解决问题的范围。

     我们可以看一个基于CPS的智能工厂示意图,在图中,工厂的CPS占据了一半的面积,但在CPS之外,还有诸如MES、CAD、ERP和PLM等应用系统,严格意义上讲,这些系统不属于CPS的一部分,它们是较为独立的一些系统体系。如果非要把系统包含为一体,或许工业4.0技术体系中的智能工厂才是最好的概念。

基于CPS的智能工厂示意图

图例:基于CPS的智能工厂示意图

     作为第一次工业革命最大的成就,工厂是其中一个创造,由于有了工厂的存在,才有了工人的产生,生产制造才作为一种产业开始显现,工业革命才第一次有了核心的地方去不断创新,不断提升生产力,一次又一次的提升人类的生产效率。试想如果没有工厂的存在,第二次工业革命的流水线、第三次工业革命的数控设备等,将成为无本之木、无源之水,是难以在工业发展进程中出现的,也难以在人类生活中产生巨大影响,因此就谈不上什么工业革命了。

     在工业4.0体系中,传统的工厂将因为应用CPS等技术,成为了智能工厂,这将促使工厂内的生产力大大提升,其生产的柔性也将大大提高,一条生产线可以实现更多的产品型号的生产,从而最终实现大规模个性化生产的目的。因此,CPS在工厂的应用是智能工厂的一部分。

     当然,在制造企业的研发、制造、运营和营销等多个环节中,CPS仍然大有所为,例如,CPS还可以利用到供应链的管理中,通过原材料工厂的CPS应用,并跟工厂的CPS系统连接起来,可以实现网络化CPS系统,这就为智能产品的出现奠定了基础。

     对于产品来讲,其初期的形态是原材料,原材料被工厂采购回来之后,根据将来加工制造的需要,分别要进入不同的生产工厂或流水线,生产制造管理系统将根据生产计划安排,让工人或者物料系统把这些生产资料运送到具体的位置。传统的工厂一般是通过工人根据标签进行判断,安排这些生产资料进入相应的生产线去的,这种场景我们很容易在一家汽车生产车间看到。不过,在未来基于CPS的生产制造中,生产资料在进入生产体系之前就赋予了CPS能力,它一个具有智能的生产资料,它会进行自我描述,可以跟同样赋予了CPS能力的生产线进行对话,生产线可以根据对话的结果,智能化的安排相关生产制造计划。

基于RFID等技术的生产流水线

图例:基于RFID等技术的生产流水线

     按照德国工业4.0体系所设想,智能产品将集成有动态数字存储器、感知和通信能力,承载着在其整个供应链和生命周期中所需的各种必需信息。在这样的情况下,智能产品具有三个方面的特征:

  • 智能产品是信息的载体,智能产品产品在整个完整的供应链和生命周期中都一直带有自身信息;
  • 智能产品是一个AGENT(中文可以翻译为代理,人工智能术语),智能产品将会影响其所在环境;
  • 智能产品具有自我监测能力,产品会对其自身状态和环境进行监测。

     对于智能产品的第一个特征来讲,拥有自我识别和描述的信息,是一个基本要求,同时还可以包含大量的生产或销售信息,当然,这些信息可以在生产过程中附加上去。例如,对于一个在生产制造流程中的智能产品来讲,智能产品自己可以对自己进行描述,例如,“我将在2015年2月10日生产,2015年2月14日出厂,并要求运送到清华大学东门。”

     在智能产品进入生产制造流程中的时候,该产品还会作为一个代理,对周围的环境进行感知和产生影响,例如,在生产线上的智能产品可以对智能生产线发出指令,“请握紧我的左边把柄。”

     智能产品还可以对自己不断进行监测,并根据自身状态和环境做出恰当的反应,例如,已经被某智能生产线加工了10多分钟的智能产品,可能会发出指令,“我已经被加工10分钟,请把我传送到下一个生产线环节。”

     以上描绘的智能产品具有的三个特征,是CPS赋予产品的功能,这也是CPS应用所产生的价值。在生产制造领域采用CPS,将给产品赋予大量的智能,结合到智能工厂拥有的智能设备、智能流水线和智能管理设备等,智能产品将跟他们产生大量的交互,从而使得智能产品在智能工厂实现所谓智能制造,这就是未来制造业的图景。

纵向集成的主要结果是提升效率

     与工业4.0计划的横向集成和端到端集成不同,纵向集成是针对企业边界内的各种IT系统集成来讲的,企业可以自行通过各个层次的IT系统集成,实现企业内部的效率提升,从而实现竞争优势。一般来讲,我们可以把企业的IT系统按照从高到低分为管理系统、运营系统、制造系统、基础设施等,如果可以实现这些系统的纵向集成,自然可以提升企业效率,同时还可以提升企业生产的灵活性。

纵向集成的技术体系架构示例

图例:纵向集成的技术体系架构示例

     目前大部分企业的管理系统难以跟制造系统集成,主要原因是制造系统的技术性偏强,相关数据需要经过管理人员筛选和优化才可以进入管理系统,这样管理人员才可以看得懂相关数据。例如,MES、ERP等系统的大部分数据,直接给管理人员是看不太懂的,或者难以明白工厂现场具体发生了什么事情。

     对于一个生产制造企业来讲,它有两个生命周期,一个是工厂的生命周期(Factory Lifecycle),另外一个就是常说的产品生命周期(Product Lifecycle),前者关系到投资、工程、流程以及服务等流程,而后者则是产品计划、开发、设计、生产和服务等流程,两者不是没有关系,只是在一般的经营管理中,似乎这两者难以紧密关联在一起,因此也难以实现最佳的企业效率。

     如果企业要实现企业内部的经营效率提升,应该通过纵向集成模式来推动相关工作。如果结合到企业生命周期和产品生命周期来理解,前者是从企业管理的角度来看的,而后者是从生产制造的角度来理解。在企业经营中,企业生命周期涉及的管理主要是常说的职能管理,产品生命周期涉及的管理主要发生在生产现场。

     如果考虑到工业4.0的研究主题是自动化、信息化和网络化,当企业分别在职能管理领域实现了较好的信息化,在生产现场也实现了较好的自动化,那么企业接下来就需要解决网络化的问题,如果可以实现生产相关的产品和设备信息跟管理层的经营系统连接,企业和产品生命周期的管理就会达到一个很高效率,这也就是纵向集成所想达到的最佳状态。

     工厂生命周期管理主要从投资开始的,并通过经营计划、生产以及服务等实现这些年流程。对于工厂经营者来讲,他们比较关心投资收益,有些工厂还是上市公司,他们更为从财务视角关注公司的经营。例如,笔者曾经服务的一个百年历史的制造公司,他们的核心部门是经济运行部,该部门加上财务部,就形成了工厂生命周期的核心部门,是公司决策层所关注的焦点。

     虽然工厂生命周期管理是企业经营者关注的重要方面,但对于制造企业来讲,从产品生命周期去实现生产制造工作,则显得更为重要,因为产品生命周期管理涉及到原材料采购、产业设计、产品生产、产品销售等多个跟生产制造息息相关的环节,这也是工厂创新的关键所在,但部分工厂正是通过产品研发获得了市场机会。我们很容易理解,苹果公司显然不是董事会决定了iPhone的出现,苹果的研发部门是iPhone出现的真正源头,它们不断吸纳新技术和工艺,最终才创造出iPhone这样的产品。

     按照纵向集成的定义,企业需要从企业、管理、运行、控制和现场多个层级来集成IT系统,从而达到最佳的运行状态。在工业4.0技术体系中,以CPS为基础的纵向集成将实现几个标准化,分别是数据标准化、流程标准化、工艺标准化等。纵向集成可以在这些标准推动下,实现企业较好的集中化管理,从而大大提升效率。

信息物理融合系统的交互过程

图例:信息物理融合系统的交互过程

     通常情况下,CPS是对嵌入式系统和物理过程的集成,因此,对CPS数据的分析需要考虑信息组件、物理组件,更重要的是信息与物理相互交互的过程。

     CPS的纯信息部分包括相互连接的信息组件,在它们之间交换承载供做出指令或响应的数据。CPS的纯物理部分包括相互连接的物理组件,它们可以执行或者控制实际的物理过程,例如,对于网络的基础设施通过特定位置和一些物理组件的组合而实现被控制的目的。这样,CPS的信息组件部分跟物理组件部分交互,形成了信息物理交互过程,在一定程度上,物理系统的连接拓扑结构限制了信息流。

     一般来讲,CPS是一个抽象的概念,在实际企业应用CPS的时候,可能没有任何一个系统被称为CPS系统或模块,大家所看到的系统大都是我们所熟悉的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,数据采集与监视控制系统)、MES(Manufacturing Execution System,制造执行系统)、PLM等系统,在这个层级中,SCADA是操作级的系统,MES是管理级的,而PLM是企业级的,在操作级更低一些,应该是控制器及传感器,这都是现场级的器件或系统。

     我们很容易理解,如果上面提及这些系统不能很好的连接起来,那么它们之间的数据就无法共享,企业想要实现的纵向集成就不可能实现。在实现纵向集成模式的各个因素中,各个系统或设备(或器件)是否有标准化的接口,是非常关键的,这也是我们持续关注标准化的根本原因。

     在工业4.0架构体系中,德国工业4.0工作组非常强调利用CPS技术体系去规范未来的制造业标准,同时,工作组还积极利用国际标准组织去推动相关工作,例如IEC SG8就是专门针对工业4.0相关标准的国际组织,按照IEC官方介绍,IEC SG8需要解决未来制造业网络化的一系列标准,其中就有CPS相关的工作主题。

     本文是工业4.0研究院院长兼首席经济学家胡权新撰《第四次工业革命:高度网络化的新工业革命》一书的内容。版权所有,未经书面许可,不得转载。联系方式:innobase(#)qq.com