互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的制造新模式

張 曙

(同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，上海 200092)

1 從資源經(jīng)濟(jì)邁向網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)

人類正在邁向一個(gè)以創(chuàng)新和互聯(lián)網(wǎng)為特征的知識(shí)資源的生產(chǎn)、占有、配置和消費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)化經(jīng)濟(jì)時(shí)代。人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)形態(tài)的發(fā)展可以分為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)和高技術(shù)經(jīng)濟(jì)。從資源配置的角度來看，相應(yīng)地分為勞力經(jīng)濟(jì)、資源經(jīng)濟(jì)和網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)。

工業(yè)經(jīng)濟(jì)的成就是運(yùn)用以流水線為特征的大量生產(chǎn)方式，大幅度提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品數(shù)量和社會(huì)物質(zhì)財(cái)富爆發(fā)性增加。但人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，工業(yè)經(jīng)濟(jì)依為命脈的土地和石油等自然資源是有限的，無節(jié)制地消耗自然資源和污染環(huán)境，已經(jīng)威脅到人類的生存。

所謂“網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)”，就是指以高技術(shù)產(chǎn)業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)支柱，以智力資源為主要依托，在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)作的新型經(jīng)濟(jì)。網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)的實(shí)質(zhì)就是利用智力資源對有限自然資源的部分取代。網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)在資源配置上以智力資源和無形資產(chǎn)為第一要素，借助互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，利用信息、知識(shí)和智力對短缺的自然資源進(jìn)行更加科學(xué)合理的重新配置和有效利用，并開發(fā)新的資源和技術(shù)來創(chuàng)造新的財(cái)富。不斷降低自然資源的浪費(fèi)，減少生態(tài)惡化，為全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供持久的推動(dòng)力，這是工業(yè)4.0 的出發(fā)點(diǎn)［1－2］。

網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為核心，建立在知識(shí)和信息的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、傳播、使用與消費(fèi)之上。它改變了過去那種以資源及資本的總量與增量決定經(jīng)濟(jì)成敗的模式，使信息和知識(shí)從經(jīng)濟(jì)增長的“外在變量”轉(zhuǎn)成經(jīng)濟(jì)增長的內(nèi)在核心因素，推動(dòng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)開始轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)，將使全球經(jīng)濟(jì)發(fā)生全面的、深刻的變革，引發(fā)新的工業(yè)革命，這就是工業(yè)4.0的精髓和終極目標(biāo)。

我們不能僅關(guān)注工業(yè)4.0的實(shí)施技術(shù)，而忽視其出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)。更加重要的是從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)到網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)的出現(xiàn)，將導(dǎo)致社會(huì)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的一系列變化。主要是:

a.投資重點(diǎn)從有形資產(chǎn)開始轉(zhuǎn)向無形資產(chǎn)，競爭的核心逐步從有形競爭轉(zhuǎn)向無形競爭，領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)從產(chǎn)品戰(zhàn)略轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)戰(zhàn)略。阿里巴巴的成功、海爾的轉(zhuǎn)型、小米與美的的聯(lián)姻等國內(nèi)外無數(shù)案例所展示的遠(yuǎn)景正在向我們走來。

c.以信息化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為表現(xiàn)形式的網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)使社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)在產(chǎn)品、服務(wù)、生產(chǎn)、流通、交易等領(lǐng)域面臨深刻的變革。定制化、個(gè)性化產(chǎn)品和服務(wù)將受到人們越來越多的寵愛，人們關(guān)注的是對某種需求的全面解決方案和完善的服務(wù)，實(shí)物產(chǎn)品僅僅是服務(wù)的載體或重要組成部分。

2 小型化、分散化和網(wǎng)絡(luò)化

2.1 分散網(wǎng)絡(luò)化制造的基本概念

以自動(dòng)化大量生產(chǎn)方式為特征的工業(yè)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)致眾多的大企業(yè)、大工廠……出現(xiàn)，將數(shù)以千萬計(jì)的人在同一時(shí)間集中到一個(gè)地點(diǎn)工作，隨之帶來許多問題，諸如交通困擾和時(shí)間浪費(fèi)?；ヂ?lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，使地理位置不顯得那么重要，空中辦公室可以跨越地區(qū)對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、原料采購、制造過程及銷售進(jìn)行管理和控制，可分散在不同地區(qū)甚至全球各地進(jìn)行［3－4］。

無論在后工業(yè)化國家或發(fā)展中國家，專業(yè)、掌握核心技術(shù)和有特色的中小企業(yè)是制造業(yè)中最具有創(chuàng)新能力的群體。在信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)支持下，這些中小企業(yè)將會(huì)發(fā)揮越來越大的作用，通過相互合作，構(gòu)成分散網(wǎng)絡(luò)化制造的新模式，其概念如圖1所示。

圖1 分散網(wǎng)絡(luò)化制造的概念

從圖1可見，掌握核心技術(shù)的企業(yè)處于網(wǎng)絡(luò)中心，與不同的關(guān)鍵供應(yīng)商進(jìn)行合作，合作的形式可以是外包的合同制造，提供關(guān)鍵零部件;合作渠道可以是直接的、間接的和通過門戶網(wǎng)站的;借助供應(yīng)鏈管理、可視化庫存統(tǒng)一加以管理。企業(yè)與關(guān)鍵顧客的合作方式同樣可以是直接的、間接的和通過門戶網(wǎng)站的;這樣從供應(yīng)商到客戶之間構(gòu)成了一個(gè)多級(jí)、多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。合作和快速響應(yīng)是分散網(wǎng)絡(luò)化制造的特征，將價(jià)值鏈上不同的小企業(yè)組織在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上運(yùn)營，力求達(dá)到比集中的大企業(yè)更高的效率和效益。

2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和處理

由于分散網(wǎng)絡(luò)化制造合作伙伴分散在不同地點(diǎn)，其管理的有效性取決于生產(chǎn)數(shù)據(jù)能否實(shí)時(shí)采集和共享，將有關(guān)信息在需要的時(shí)間傳送到需要的地點(diǎn)和人，做到快速、準(zhǔn)確和透明，實(shí)現(xiàn)無紙化、可追溯和網(wǎng)絡(luò)化的異地管理模式。

現(xiàn)舉幾個(gè)實(shí)例對分散網(wǎng)絡(luò)化制造過程的數(shù)據(jù)采集和共享技術(shù)，以及人與機(jī)(物)、機(jī)(物)與機(jī)(物)的通信方式加以形象地描述。

最簡單的例子，當(dāng)產(chǎn)品入庫時(shí)，管理員掃描二維碼即可獲得產(chǎn)品名稱、組成的零部件、每道工序的質(zhì)量檢查結(jié)果、訂單號(hào)、客戶信息等一系列重要信息，并通過移動(dòng)終端立即發(fā)送給有關(guān)生產(chǎn)和管理部門。二維碼“掃一掃”是投資少、見效快，在任何企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場都可以普遍應(yīng)用的產(chǎn)品識(shí)別、數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存方法，如圖2所示。

中國無機(jī)鹽工業(yè)協(xié)會(huì)鉀鹽鉀肥分會(huì)會(huì)長、青海鹽湖工業(yè)股份有限公司黨委書記、董事長王興富表示，中國鉀肥產(chǎn)業(yè)在創(chuàng)新氛圍中實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展。他說：“近年來，在國家發(fā)改委、科技部、自然資源部以及青海省直各部門等多個(gè)專項(xiàng)項(xiàng)目支持下，通過原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新與引進(jìn)消化吸收在創(chuàng)新并舉，自助探索與產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，鹽湖股份公司實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，形成了第三代氯化鉀工業(yè)技術(shù)。察爾汗鉀資源總利用率由初期的不足30%提高至70%以上，加工廠綜合回收率由60%提升至90%，產(chǎn)品品位KCl含量由不足90%提高到98%。察爾汗鹽湖鉀鹽開發(fā)由年產(chǎn)100萬噸服務(wù)38年增加至年產(chǎn)500萬噸服務(wù)47年，保障鹽湖鉀肥可持續(xù)發(fā)展?！?/p>

圖2 產(chǎn)品入庫時(shí)的信息采集

又如，在傳送帶上傳感器進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測，同時(shí)借助無線網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果發(fā)送到移動(dòng)終端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并反饋到機(jī)床控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的在線質(zhì)量檢測

從圖3可見，在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，傳送帶上的零件通過傳感器時(shí)，不僅在檢察員的移動(dòng)終端上立即顯示測量數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，而且可將測量數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給本工序和前工序的機(jī)床，必要時(shí)可自動(dòng)修改加工參數(shù)，即生產(chǎn)系統(tǒng)中的機(jī)－機(jī)(物－物)之間可以相互通信，不僅僅是識(shí)別、數(shù)據(jù)采集及其存儲(chǔ)，這就需要有更為復(fù)雜的傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和處理功能。

再如，機(jī)床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態(tài)，如果在刀具或刀柄上嵌入芯片，就成為智能刀具。芯片不僅可以記錄在刀具預(yù)調(diào)儀上進(jìn)行調(diào)整時(shí)的數(shù)據(jù)，還可以記錄刀具在機(jī)床上進(jìn)行了多長的切削時(shí)間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個(gè)零件等，可以讓操作者和有關(guān)部門了如指掌，減少停機(jī)和更換刀具的時(shí)間。智能刀具及其管理的概念如圖4所示。

圖4 智能刀具及其管理

3 信息物理融合系統(tǒng)

3.1 智能產(chǎn)品與 APP應(yīng)用軟件

未來制造新模式的另一個(gè)重要特征是信息和物理系統(tǒng)的深度融合。每一個(gè)智能化產(chǎn)品和設(shè)備都是在各種應(yīng)用軟件APP支持下運(yùn)作的。軟件創(chuàng)造的價(jià)值往往大于硬件，例如智能手機(jī)沒有APP就僅僅能夠打電話，喬布斯的貢獻(xiàn)就在于開創(chuàng)了蘋果APP商店，使手機(jī)變成“無所不能”的可攜帶智能終端。不久的將來，高端制造設(shè)備同樣有APP商店，加工不同類型零件或者有特定的不同需求時(shí)可以從APP商店下載相應(yīng)的軟件，如圖5所示。

圖5 高端制造設(shè)備的APP應(yīng)用下載

從圖5可見，即使針對特定型號(hào)的機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)，APP商店的應(yīng)用軟件也分成不同類型，例如用于提高加工精度的、提高加工效率的和節(jié)能的以及屬于該機(jī)床標(biāo)配的免費(fèi)APP軟件等。

3.2 建模、仿真和優(yōu)化

為了使分散在不同地點(diǎn)的制造活動(dòng)能夠有條不紊地、高效率地組成為一個(gè)整體生產(chǎn)系統(tǒng)，建模、仿真和優(yōu)化是不可或缺的重要手段。見于未形，造于虛有，反復(fù)優(yōu)化，無縫連接，相互協(xié)調(diào)，提高制造系統(tǒng)的效率和效益。

傳統(tǒng)的制造企業(yè)只有現(xiàn)實(shí)世界的生產(chǎn)活動(dòng)(體力)和工程活動(dòng)(腦力)，失誤和計(jì)劃不周在所難免。工業(yè)4.0的信息物理系統(tǒng)，無論智能產(chǎn)品和智能設(shè)備都有虛擬的“替身”模型，具有產(chǎn)品和設(shè)備相似的特性和功能，在產(chǎn)品沒有制造出來之前就可以“使用”產(chǎn)品，并對其進(jìn)行評價(jià)?；蛘咴谕度肷a(chǎn)之前，在計(jì)算機(jī)里“制造”，驗(yàn)證其生產(chǎn)過程及其規(guī)劃，并加以優(yōu)化，其基本概念如圖6所示。

圖6 信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的基本概念

從圖6可見，信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)包括3大部分:

a.在現(xiàn)實(shí)世界的物理產(chǎn)品、制造資源和制造環(huán)境，它們具有相互識(shí)別、通信和交互的能力。

b.在現(xiàn)實(shí)世界由人完成的數(shù)字化工程活動(dòng)，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備和生產(chǎn)管理，這些活動(dòng)過去基于經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在基于模型，可以在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行異地交流和信息共享。

c.在虛擬世界的產(chǎn)品、過程和環(huán)境模型，可以進(jìn)行整個(gè)生產(chǎn)過程的仿真，優(yōu)化分散網(wǎng)絡(luò)化制造的整體效益。

4 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的普及促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將引發(fā)一場新的工業(yè)革命——工業(yè)4.0。小型化、分散網(wǎng)絡(luò)化制造可能逐步取代工業(yè)2.0時(shí)代的大型、集中的制造企業(yè)，形成一種基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的虛擬制造聯(lián)盟，就好像淘寶是由無數(shù)虛擬小商店構(gòu)建而成的龐大零售電商網(wǎng)絡(luò)，為顧客提供更加快捷和周到的服務(wù)。

但在生產(chǎn)領(lǐng)域，問題要復(fù)雜一些，不僅需要相互合作和快速響應(yīng)，更需要透明、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和共同認(rèn)可和遵守的管理規(guī)則。因此，與人為因素?zé)o關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理就特別重要，應(yīng)該先易后難，從“掃一掃”開始，一步步推進(jìn)。同樣，信息和物理系統(tǒng)的融合，也是在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演變而成，不是推倒重來。例如，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)從軌跡控制正在向加工任務(wù)管理擴(kuò)展，不斷增加APP應(yīng)用程序，改善人機(jī)界面，開發(fā)機(jī)－機(jī)通信功能。

整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的建模、仿真和優(yōu)化難度很大，目前還僅僅是愿景，尚有待時(shí)日，才能逐步實(shí)現(xiàn)。

［1］ 張曙.分散網(wǎng)絡(luò)化制造［J］.機(jī)械與電子，1998(5):3－6.

［2］ 張曙.分散網(wǎng)絡(luò)化制造［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］ 張曙，陳炳森，沈斌，等.以獨(dú)立制造島為基礎(chǔ)的分散網(wǎng)絡(luò)化制造［J］.工廠建設(shè)與設(shè)計(jì)，1998(1):41－45.

［4］ 張曙.基于互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代制造業(yè)正在形成［EB/OL］.［2015－01 －22］.http://tech.qq.com/a/20080923/000266.htm.

［5］ 張曙.工業(yè)4.0和智能制造［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(8):1－5.

［6］ 張曙.中國制造企業(yè)如何邁向工業(yè)4.0［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014，43(12):1 －5.

［7］ Kagermann H，Wahlster W，Helbig J.Securing the future of German manufacturing industry——recommendations for implementing the strategic initiative industrie 4.0，final report of the Industrie 4.0 Working Group，April 2013 ［R/OL］.［2015 －01－ 23］. http://max.book118.com/html/2014/1125/10444399.shtm.