工業(yè)4.0核心載體 制造業(yè)升級之路

國務(wù)院正式頒發(fā)《中國制造2025》規劃。“中國制造2025”與工業(yè)4.0強調的智能化信息化方向與發(fā)展戰略基本一致，新一輪的制造業(yè)變革逐步來(lái)臨。

智慧工廠(chǎng)：工業(yè)4.0核心載體，制造業(yè)升級之路。

據上海羿歌所認識，智慧工廠(chǎng)，也稱(chēng)數字化工廠(chǎng)(DF)，是指以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數據為基礎，在計算機虛擬環(huán)境中，對整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真、評估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。數字化工廠(chǎng)主要解決產(chǎn)品設計和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”，實(shí)現產(chǎn)品生命周期中的設計，制造、裝配、物流等各個(gè)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(guò)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)的轉化的時(shí)間，并且提高產(chǎn)品的可靠性與成功率。與一般工廠(chǎng)相比，數字化工廠(chǎng)強調的是生產(chǎn)計劃數字化，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(chǎng)的基本設想是制造的產(chǎn)品集成有動(dòng)態(tài)數字存儲器、感知和通信能力，承載著(zhù)整個(gè)供應鏈和生命周期中所需的各種信息;整個(gè)生產(chǎn)價(jià)值鏈中所集成的生產(chǎn)設施能夠實(shí)現自組織，以及能夠根據當前的狀況靈活地決定生產(chǎn)過(guò)程。智慧工廠(chǎng)將建立“數字企業(yè)平臺”，通過(guò)開(kāi)放接口將虛擬環(huán)境與基礎架構融為一體，從而構成信息物理融合系統(CPS)，生產(chǎn)自動(dòng)化系統將升級為信息物理融合生產(chǎn)系統(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變。在這種模式中，傳統的行業(yè)界限將消失，并會(huì )產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng )造新價(jià)值的過(guò)程正在發(fā)生改變，產(chǎn)業(yè)鏈分工將被重組，將使人類(lèi)從“自動(dòng)化生產(chǎn)”進(jìn)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(CPS)是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統，是計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統一體，包含了無(wú)處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò )通信和網(wǎng)絡(luò )控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能。智能的網(wǎng)絡(luò )世界與物理世界融合產(chǎn)生的CPS亦稱(chēng)“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(shí)代!工業(yè)流程中使用物聯(lián)網(wǎng)及其服務(wù)，從而產(chǎn)生了創(chuàng )新的工廠(chǎng)系統——智慧工廠(chǎng)。完全不同于傳統的工廠(chǎng)自動(dòng)化系統，智能工廠(chǎng)采用面向服務(wù)的體系架構，具體體系架構如上圖所示。從圖中可以看出，對應于傳統自動(dòng)化系統的現場(chǎng)級，智慧工廠(chǎng)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);對應于控制級，智慧工廠(chǎng)采用CPPS信息物理融合生產(chǎn)系統;對應的監控管理級連接到安全可靠和可信的云網(wǎng)絡(luò )主干網(wǎng)，智慧工廠(chǎng)采用服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)提供的服務(wù)。

智能工廠(chǎng)：帶來(lái)制造業(yè)長(cháng)期競爭力的提升。

互聯(lián)網(wǎng)激活傳統工業(yè)，保持制造業(yè)長(cháng)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(jìn)步在于利用互聯(lián)網(wǎng)激活了傳統工業(yè)過(guò)程，使工廠(chǎng)設備“能說(shuō)話(huà)、能思考”，同時(shí)實(shí)現三大功能：最大程度地降低制造業(yè)對勞動(dòng)力的依賴(lài)、將流通成本降到最低、最大程度滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求。從長(cháng)期來(lái)看，工業(yè)4.0時(shí)代，對于智能工廠(chǎng)的投入將遠超過(guò)一般工業(yè)，但項目盈利能力也將顯著(zhù)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(wú)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(kāi)的必由之路，是未來(lái)世界制造業(yè)最大的一波“浪潮”。

我們認為，相對于傳統制造組織形式，工業(yè)4.0智能工廠(chǎng)對于制造業(yè)長(cháng)期競爭力提升主要體現在三個(gè)方面：降低對勞動(dòng)力的依賴(lài)、降低倉儲物流成本，以及滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求。

1)降低制造業(yè)對勞動(dòng)力的依賴(lài)：德國重視“工業(yè)4.0”的另一個(gè)原因是老齡化帶來(lái)的勞動(dòng)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量在不斷減少，已經(jīng)出現熟練勞動(dòng)力短缺的現象。且德國的人工成本非常高，一個(gè)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(lái)說(shuō)，未來(lái)隨著(zhù)人口紅利的消失，勞動(dòng)力供給減少、人工成本上升和新一代勞動(dòng)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(shí)代高度網(wǎng)絡(luò )化、自動(dòng)化的智慧工廠(chǎng)，能最大程度地降低制造業(yè)對勞動(dòng)力的依賴(lài)，降低勞動(dòng)成本，大幅提升制造業(yè)長(cháng)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(huì )倉儲物流成本的終極方案：在工業(yè)4.0的智能工廠(chǎng)框架中，智能物流倉儲位于后端，是連接制造端和客戶(hù)端的核心環(huán)節。自動(dòng)化物流倉儲是運用軟件技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動(dòng)分揀技術(shù)、光導分揀、RFID、聲控技術(shù)等先進(jìn)的科技手段和設備對物品的進(jìn)出、庫存、分揀、包裝、配送及其信息進(jìn)行有效的計劃、執行和控制的物流活動(dòng)。典型的物流與倉儲自動(dòng)化系統主要包括：自動(dòng)化立體倉儲系統、自動(dòng)輸送系統(包括移動(dòng)機器人系統AGVS)、自動(dòng)識別系統和自動(dòng)分揀系統，以及機器人作業(yè)系統的其他輔助系統等。相對于傳統的物流倉儲設施，自動(dòng)化物流倉儲系統的優(yōu)勢主要體現在對勞動(dòng)力成本的節約、對租金成本的節約、管理效率的提升等方面。我們估算自動(dòng)化倉儲在保證同等儲存能力的條件下，可至少節約70%以上的土地和80%以上的勞動(dòng)力。自動(dòng)化倉儲系統能夠最大程度提升倉儲管理的準確性，以及識別、分揀、進(jìn)出貨的處理速度，降低存貨周轉率，適應電商、生鮮配送等現代快速物流的需求。

3)滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求：進(jìn)入信息時(shí)代、互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代以來(lái)，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，節奏越來(lái)越快，對資源利用的要求越來(lái)越高，用戶(hù)的個(gè)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(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應需求越來(lái)越多。正因為人們對個(gè)性化需求的日益增強，當條件具備時(shí)，此前為提高生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本的規?；?、復制化生產(chǎn)方式也將隨之發(fā)生改變——工業(yè)4.0時(shí)代，個(gè)性化產(chǎn)品將以高效率的批量化方式生產(chǎn)。“個(gè)性化”是精耕細作、靈活創(chuàng )意的代名詞，“規?；?rdquo;曾經(jīng)意味著(zhù)大批量、重復生產(chǎn)，智能制造就是讓“個(gè)性化”和“規?；?rdquo;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(gè)環(huán)節更加緊密、高效協(xié)作。