工業(yè)4.0核心載體 制造業(yè)升級之路

國務院正式頒發(fā)《中國制造2025》規(guī)劃。“中國制造2025”與工業(yè)4.0強調(diào)的智能化信息化方向與發(fā)展戰(zhàn)略基本一致，新一輪的制造業(yè)變革逐步來臨。

智慧工廠：工業(yè)4.0核心載體，制造業(yè)升級之路。

據(jù)上海羿歌所認識，智慧工廠，也稱數(shù)字化工廠(DF)，是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，并進一步擴展到整個產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。數(shù)字化工廠主要解決產(chǎn)品設計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”，實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期中的設計，制造、裝配、物流等各個方面的功能，降低設計到生產(chǎn)制造之間的不確定性，在虛擬環(huán)境下將生產(chǎn)制造過程壓縮和提前，并得以評估與檢驗，從而縮短產(chǎn)品設計到生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化的時間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與成功率。與一般工廠相比，數(shù)字化工廠強調(diào)的是生產(chǎn)計劃數(shù)字化，大量使用計算機各種輔助技術(shù)，如CAD、CAM、CIM等等，相對固定，由上而下。

智慧工廠的基本設想是制造的產(chǎn)品集成有動態(tài)數(shù)字存儲器、感知和通信能力，承載著整個供應鏈和生命周期中所需的各種信息;整個生產(chǎn)價值鏈中所集成的生產(chǎn)設施能夠?qū)崿F(xiàn)自組織，以及能夠根據(jù)當前的狀況靈活地決定生產(chǎn)過程。智慧工廠將建立“數(shù)字企業(yè)平臺”，通過開放接口將虛擬環(huán)境與基礎架構(gòu)融為一體，從而構(gòu)成信息物理融合系統(tǒng)(CPS)，生產(chǎn)自動化系統(tǒng)將升級為信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)(cyberphysicalproductionsystem，CPPS)。

工業(yè)4.0將由集中式控制向分散式增強型控制基本模式轉(zhuǎn)變。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè)界限將消失，并會產(chǎn)生各種新的活動領域和合作形式。創(chuàng)造新價值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，將使人類從“自動化生產(chǎn)”進入“智能化生產(chǎn)、綠色生產(chǎn)、都市化生產(chǎn)”。信息物理融合系統(tǒng)(CPS)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡通信和網(wǎng)絡控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能。智能的網(wǎng)絡世界與物理世界融合產(chǎn)生的CPS亦稱“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”。

從中國制造到中國智造，這是工業(yè)4.0的大時代!工業(yè)流程中使用物聯(lián)網(wǎng)及其服務，從而產(chǎn)生了創(chuàng)新的工廠系統(tǒng)——智慧工廠。完全不同于傳統(tǒng)的工廠自動化系統(tǒng)，智能工廠采用面向服務的體系架構(gòu)，具體體系架構(gòu)如上圖所示。從圖中可以看出，對應于傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場級，智慧工廠使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);對應于控制級，智慧工廠采用CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng);對應的監(jiān)控管理級連接到安全可靠和可信的云網(wǎng)絡主干網(wǎng)，智慧工廠采用服務互聯(lián)網(wǎng)提供的服務。

智能工廠：帶來制造業(yè)長期競爭力的提升。

互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)，保持制造業(yè)長期競爭力的必由之路：與前三次工業(yè)革命相比，我們認為工業(yè)4.0最大的進步在于利用互聯(lián)網(wǎng)激活了傳統(tǒng)工業(yè)過程，使工廠設備“能說話、能思考”，同時實現(xiàn)三大功能：最大程度地降低制造業(yè)對勞動力的依賴、將流通成本降到最低、最大程度滿足用戶個性化需求。從長期來看，工業(yè)4.0時代，對于智能工廠的投入將遠超過一般工業(yè)，但項目盈利能力也將顯著提高，并且資本投入越大、斜率越陡峭，即投資的邊際回報率越高。我們認為，無論在何種經(jīng)濟體，工業(yè)4.0都將是制造業(yè)發(fā)展不可繞開的必由之路，是未來世界制造業(yè)最大的一波“浪潮”。

我們認為，相對于傳統(tǒng)制造組織形式，工業(yè)4.0智能工廠對于制造業(yè)長期競爭力提升主要體現(xiàn)在三個方面：降低對勞動力的依賴、降低倉儲物流成本，以及滿足用戶個性化需求。

1)降低制造業(yè)對勞動力的依賴：德國重視“工業(yè)4.0”的另一個原因是老齡化帶來的勞動力不足。德國人口的老齡化程度在全球排名第二，僅次于日本，許多德國制造公司年輕員工的數(shù)量在不斷減少，已經(jīng)出現(xiàn)熟練勞動力短缺的現(xiàn)象。且德國的人工成本非常高，一個典型制造業(yè)企業(yè)的人工成本要占到25%到30%。對于我國來說，未來隨著人口紅利的消失，勞動力供給減少、人工成本上升和新一代勞動力制造業(yè)就業(yè)意愿的下降，制造業(yè)的國際競爭力面臨巨大制約。而工業(yè)4.0時代高度網(wǎng)絡化、自動化的智慧工廠，能最大程度地降低制造業(yè)對勞動力的依賴，降低勞動成本，大幅提升制造業(yè)長期競爭力。

2)降低物流成本：智能物流是工業(yè)4.0核心組成部分，是降低社會倉儲物流成本的終極方案：在工業(yè)4.0的智能工廠框架中，智能物流倉儲位于后端，是連接制造端和客戶端的核心環(huán)節(jié)。自動化物流倉儲是運用軟件技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動分揀技術(shù)、光導分揀、RFID、聲控技術(shù)等先進的科技手段和設備對物品的進出、庫存、分揀、包裝、配送及其信息進行有效的計劃、執(zhí)行和控制的物流活動。典型的物流與倉儲自動化系統(tǒng)主要包括：自動化立體倉儲系統(tǒng)、自動輸送系統(tǒng)(包括移動機器人系統(tǒng)AGVS)、自動識別系統(tǒng)和自動分揀系統(tǒng)，以及機器人作業(yè)系統(tǒng)的其他輔助系統(tǒng)等。相對于傳統(tǒng)的物流倉儲設施，自動化物流倉儲系統(tǒng)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對勞動力成本的節(jié)約、對租金成本的節(jié)約、管理效率的提升等方面。我們估算自動化倉儲在保證同等儲存能力的條件下，可至少節(jié)約70%以上的土地和80%以上的勞動力。自動化倉儲系統(tǒng)能夠最大程度提升倉儲管理的準確性，以及識別、分揀、進出貨的處理速度，降低存貨周轉(zhuǎn)率，適應電商、生鮮配送等現(xiàn)代快速物流的需求。

3)滿足用戶個性化需求：進入信息時代、互聯(lián)網(wǎng)時代以來，產(chǎn)品生命周期越來越短，節(jié)奏越來越快，對資源利用的要求越來越高，用戶的個性化需求快速釋放，導致制造業(yè)大批量生產(chǎn)的模式慢慢被摒棄，柔性化的實時的動態(tài)響應需求越來越多。正因為人們對個性化需求的日益增強，當條件具備時，此前為提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本的規(guī)模化、復制化生產(chǎn)方式也將隨之發(fā)生改變——工業(yè)4.0時代，個性化產(chǎn)品將以高效率的批量化方式生產(chǎn)。“個性化”是精耕細作、靈活創(chuàng)意的代名詞，“規(guī)?；?rdquo;曾經(jīng)意味著大批量、重復生產(chǎn)，智能制造就是讓“個性化”和“規(guī)模化”這對工業(yè)生產(chǎn)中的矛盾相融合的生產(chǎn)方式，互聯(lián)網(wǎng)則能夠讓制造鏈條上的各個環(huán)節(jié)更加緊密、高效協(xié)作。