世界制造业变革期的“三国杀”_0
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  谁都不可否认,人类的文明与制造密切相关,虽然文明的最主要标志在于科技水平的进步,但科技在日常生活中的体现,与制造业有着极为密切的关系。从这个角度来说,未来也将是制造出来。

  作为一个全球公认的制造业大国,中国对于制造业未来的发展极为重视,说它将决定中国未来10年的国运也绝不为过。这其中从低端制造业向高端制造业的变革,无疑是重中之重,相关领域里的相关厂商,都在从不同的角度为这一场添砖加瓦,贡献着自己的力量。

  不过在这一场变革中,已经先行出发的,则是同为制造业强国的德国与美国,它们基于自己最擅长的领域,酝酿着下一代制造业的革命。但不管是中国,还是美国、德国,制造业变革的焦点,都是在于如何打造更智慧的工厂,如何生产出更智能的产品,只是具体的侧重点各有不同。

  德国:工业4.0

  目前在中国,工业4.0是一个很火的词汇,很多人都谈到工业4.0也将是中国制造业变革的一个重要组成部分,它基本上也代表了中国制造业努力发展的方向。不过这里所说的工业4.0,严格意义上讲是工业发展至第四阶段的核心理念,但就工业4.0这个具体概念来说,则是德国的原创,目前由德国电子电气制造商协会(ZVEI)负责工业4.0的统一规划与标准制定。

  工业发展的4个阶段的区分定义

  在开始简要介绍工业4.0之前,有必要回顾一下工业发展的前三个阶段,在1784年,第一台机械式织布机的出现,揭开了第一次工业革命的序章,这也是人类第一次摆脱了人力的限制,开始进行机械化生产制造,而驱动机械的动力则是水或是水蒸气。到了1866年,西门子推出人类第一台工业用发电机,4年之后,在美国的辛辛那提的一家屠宰场,引入第一条电动生产传送带,将工业时代引入到了第二阶段。在这一阶段中,电气化的大规模生产制造流水线成为了重要的标志,这方面的经典代表作就是福特于1908年推出的T型轿车。

  随着人类技术水平的不断进步,信息技术(IT)出现了,而当它与工业相结合时,就带来了第三次工业革命。在这一阶段,人类制造的可编程芯片植入到了电气化的工业环境中,其标志性事件就是美国莫迪康公司(Modicon,后来被法国的施耐德公司收购)推出了人类第一个可编程逻辑控制器(PLC,Programmable Logic Controller),赋予了生产线可编程的能力,从而进入自动化生产与管理时代。

  如果说前三次的变革主要是工业生产内部的自我改良与进化,那么工业4.0则是将工业与其周边的事物更紧密结合之后的产物,结合的基础手段就是互联网(Internet)与物联网(IOT,Internet Of Things),这就是工业4.0的原始驱动力,而具体的执行就是所谓的信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)。

  虽然说是信息物理系统,但请注意CPS英文全称用的是Cyber这个词,而不是什么Information,在中文里对于Cyber一词并没有一个非常确切的简单对照。其实,Cyber并不仅仅代表信息,它是对全数字化空间的一种表述,是一种比Information更复杂化的信息世界的表达。而将它与现实中的物理系统相融合的产物CPS,虽不是为工业4.0而生,但最大限度体现了工业4.0的精髓将由信息组成的虚拟世界与物理世界的生产能力进行最大化的结合,并相互影响。

  如果非要以一种简单的词汇来描述,就是让整个的生产制造流程拥有智能,即智能制造。

  工业4.0中,一个典型的CPS架构,俗称5C架构,也可以理解为5层架构Connection连接层、Conversion转换层、Cyber网络层、Cognition认知层、Configuration配置层

  简单来说,CPS是一套能自我(群体)通信、自我(群体)感知,自我(群体)认知,并可根据外界的变化进行自我(群体)调整以自动响应的系统,它可以嫁接到任何工业场景中,以让该场景拥有智能,比如智能的电网、智能的交通、智能的医疗,而与工业制造相结合就是智能制造。

  显然,CPS并不代表某一个具体的设备(不过某些设备可以理解为CPS节点,比如移动的探测器),而是将整体的工业系统囊括在内,我们可以把工业4.0时代的生产制造系统统称为CPS化的先进制造系统。其中的不同层级会横跨多个设备,具体是多少要视互联规模,也可能只有一台设备,也可能是成千上万,地域范围也可能是遍布全球甚至是太空,而负责底层连接的就是互联网与IOT,具体的实现与嵌入式系统的发展密不可分。

  工业4.0的核心智慧的工厂,简称工厂4.0,注意外围的关键点云计算、大数据、IOT、安全与新一代物流,它们也正是工业4.0得以真正实现的外部基础,而CPS、3D打印、机器人等可以认为是内部实现的基础,也是工业自身进化的必然结果,可以想象,这其中将充斥着大量的应用与API

  因此,我们必须再次强调,如果没有互联网和IOT,CPS也就无从谈起,也正因为互联网与IOT的成熟,才让CPS的实现成为可能,也让工业4.0成为了可能。我们可以这样理解:基于全互联的信息化(数字化)环境下,从产品最开始的购买意向,到后续的定单提交、产品设计、供应链采购、生产制造、物流交付、后续服务与产品质量跟踪,直至产品寿命终止的,全生命周期流程智能化的制造服务,就是工业4.0。

  美国:工业互联网

  在上文讲到的工业发展的4个阶段中,我们能发现美国的企业开启了第二和第三阶段,这也体现出美国在工业发展的传统擅长于在电气与信息化领域进行创新,这一点在工业互联网(Industrial Internet)上体现得也非常明显。

  如果说德国的工业4.0是在工厂一侧精益求精,以智慧的工厂开启智能制造,那么美国的工业互联网,则更集中于产品一侧,借助物联网与先进的信息与通信技术(ICT,Informationand Communication Technology),精雕细琢,围绕着产品物联,提供全新的用户体验。这个最早由通用电气(GE)提出的概念,逐渐已经成为美国下一代制造业变革理念的代名词,与德国工业4.0分庭抗礼。

  2014年3月,工业互联网联盟(IIC,Industrial Internet Consortium)正式成立,创始会员均是美国公司:ATT、思科、GE、IBM、英特尔,从中也可以看出工业互联网与ICT领域的密切关系

  互联网如今对于这个时代的人们来说,早已经不再陌生,几乎每个人、每个企业在日常生活与经营中都离不开它。它已经成为人类生活和企业经营的一个基础环境与平台。在十几年前,我们似乎生活在一个各自独立的世界,通过书信与其他人沟通,通过纸质的媒体、定向通信的电视了解国内外大事,大多数企业也更多的是靠电话、传真等传统的通信手段支撑起自身的业务往来。但是在今天,如果你愿意,你可以让互联网上人任何人通过智能手机、平板电脑或传统PC找到你,企业借助互联网可以足不出户完成跨洋的生意。

  其实互联网在诞生的最初,是方便身处不同地方的人共享信息,但是技术的发展与理念的进步,让互联网蔓延至更多的领域,并在此基础上衍生出丰富的功能。它就像电一样,起初只是用来点亮灯泡,而后又成为工业变革的决定性力量。互联网的进化也是如此,当相关的通信技术不断成熟之后,它的胃口也越来越大,将我们身边越来越多的事物关联在了一起。现在,我们可以通过智能手机找到附近心仪的餐厅,直接在附近的电影院里选择座位购买影票,可以直接向电商下订单,可以方便完成从机票到住宿一整套的旅行规划。企业们也是如此,借助互联网的演进,不断转型,将自己的业务向客户不断靠拢当我们在手机上下单时,企业的经营模式与商业理念也正在紧跟其后,IT支撑环境也借助于互联网,向云计算时代迈进。

  籍由互联的理念,当互联网向上不断的将人与企业互联在一起时,其向下与基础工业设施的结合也必然发生。因为相关技术的进步,正在不断降低互联的门槛,而当这一门槛降到某一临界点时,就如水库开闸一样,互联之水也将迅速扩散开来,并由此出现新的风景,工业互联网就是其中之一。

  工业互联网其实已经有几年的历史。从某种角度上讲它是物联网在工业领域的一个分支,而物联网就是针对非人非企业,而是各种各样物体的互联网,并可有针对性的与人和企业的互联网产业互动。打个比方,当初人们谈到物联网时,大多会说起冰箱自动下单的设计,冰箱可以通过产品包装上的条型码或二维码等标识来感知这一产品的存量(此时,冰箱就相当于一个节点,通过条码扫描设备获取了产品信息),当存量低于设定值之后(比如没有牛奶了),就会通过互联网向相关的企业下单购买,从而在没有人的干预下,完成了一个自动补充相关物品的操作。工业互联网,顾名思义就是将工业系统中的各种设备、功能组件有机的互联起来,让每台工业机器成为一个节点,将它们各自的相关信息,通过相应的通信传送手段互通,从而形成了一个特殊的互联网。

  举例来说,我们可以为每个工业设备打上节点的标识、安装传感器、将设备的运转情况数字(信息)化,甚至可以对设备的关键组件进行状态跟踪,再对生产与制造环境进行监控收集。通过工业互联网将这些来自于数万,甚至是成百上千万传感器发出的信息汇总,然后基于大数据平台,根据相应的指标、规则予以过滤、分析,就会找到很多有益的信息。比如设备自身的健康情况、产品加工精度、产品加工难点、生产环境异常、产品的辅助质检等等,配合设备上相应的致动器(也是工业互联网中的一部分),更可以根据上述分析的结果,对相关的设备进行自动调整,然后再次跟踪调整后的数据周而复始,最终使设备、产品一直保持在高品质状态。

  由于工业互联网与最终的产品设计和应用有密切的关系,所以与工业4.0的通用属性不同,工业互联网有着明确的行业属性,并不与制造业必然挂钩,这也是与工业4.0的显著区别。当然,这里所说的产品,绝对不是指我们日常见的产品,而是真正的工业产品,也是具备更高智能层面的产品。

  GE给出的工业互联网典型的应用领域与相关的收益,有着明确的行业属性

  不过,有意思的是,工业互联网也完全可以渗透入工业4.0,比如智慧工厂里的生产设施(如智能机器人、车床),就是一种制造行业的产品,它们完全可以纳入工业互联网的覆盖范围,进行工作状态的自动化校正,事实上,在IIC的网站上所重点列出的5大行业,就有制造业,而这个能力设计无疑也是工业4.0的一个重要内容。所以说,工业4.0与工业互联网,既有侧重,也有重合。

  中国:制造2025

  在全球制造业的版图中,中国的地位已经得到世界公认,但这种地位基本上是靠规模而非质量与技术含量来获得的。如果不能迅速提升中国制造中高端产品,尤其是高端工业产品的比例,中国制造在全球中的地位,必然会因技术与社会需求的变化,而逐渐走低,只能处于低端的工业加工等级,无缘高利润,高回报的高等级市场,这显然是中国政府不愿意看到。因此,在2015年5月8日,中国国务院正式印发了《中国制造2025》的通知(下文简称通知),这代表着中国在未来争取高端智能制造市场的征途中,也有了自己的行动纲领。

  中国2020年和2025年制造业主要指标

  1规模以上制造业每亿元主营业务收入有效发明专利数=规模以上制造企业有效发明专利数/规模以上制造企业主营业务收入。

  2制造业质量竞争力指数是反映我国制造业质量整体水平的经济技术综合指标,由质量水平和发展能力两个方面共计12项具体指标计算得出。

  3宽带普及率用固定宽带家庭普及率代表,固定宽带家庭普及率=固定宽带家庭用户数/家庭户数。

  4数字化研发设计工具普及率=应用数字化研发设计工具的规模以上企业数量/规模以上企业总数量(相关数据来源于3万家样本企业,下同)。

  5关键工序数控化率为规模以上工业企业关键工序数控化率的平均值。

  根据《通知》,到2020年,中国会重点形成15家左右制造业创新中心(工业技术研究基地),力争到2025年形成40家左右制造业创新中心(工业技术研究基地)。此外,到2020年,制造业重点领域智能化水平显著提升,试点示范项目运营成本降低30%,产品生产周期缩短30%,不良品率降低30%。到2025年,制造业重点领域全面实现智能化,试点示范项目运营成本降低50%,产品生产周期缩短50%,不良品率降低50%。

  从《通知》的整体内容来看,可以感觉到中国对于未来制造业的发展方向,明显更类似于德国的工业4.0,这也是为什么一谈到中国制造2025,就会或多或少的提及工业4.0的原因,而对于工业互联网,《通知》并没有明确的对标阐述,虽然肯定会有所涉及,但鉴于工业互联网,所涵盖的范围远大于制造业本身,所以短期内中国可能不会有类似的具体规划,而这其实也与中国自身的特点有很大关系。

  相比较而言,德国在制造系统本身有着悠久的光辉历史,是精细、专业、匠心的典范,所以在工业4.0理念里,也更多的围绕制造本身来展开,将智能赋予制造。所以,在工业4.0的主导厂商中,我们能看到更多的是来自传统制造设备控制领域的巨头,2015年5月4日发布的工业4.0参考架构RAMI4.0(Reference Architeture Model for Industry4.0)更是大量参考了德国制造控制巨头西门子的框架。与之对应,美国更长于服务与信息化,这并非意指美国制造本身的水平不高,恰恰相反,在最高端的制造业领域,比如航空航天、船舶、军工等领域,美国有着一流水平,但在服务理念与信息化能力方面,更是美国的强项。这也正是工业互联网诞生的基础就ICT能力而言,美国绝对是世界的领导者,所以IIC的5个创始厂商里,除了GE之外,都是ICT巨头。

  德国工业4.0参考架构(RAMI4.0)

  那么中国呢?很遗憾,无论是在制造系统本身,还是服务和信息化领域,中国均有相当大的差距,所以在面临未来发展方向的抉择时,必须选择一个重点。而工业互联网,更像是一种制造业的增值服务,所以选择与工业4.0类似的路径就是情理之中了。

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