讓工業(yè)4.0“柔”起來

◎ 文 《法人》特約撰稿 李富強(qiáng) 劉愛國

1967 年，英國Molins 公司工程師迪奧·威廉姆遜研制出一種名為Molins System-24 的系統(tǒng)——用6 臺模塊化結(jié)構(gòu)的多工序數(shù)控機(jī)床，實現(xiàn)無人條件下晝夜24 小時連續(xù)加工。這個系統(tǒng)的推出，標(biāo)志著人類工業(yè)史上“柔性制造”系統(tǒng)的正式誕生。盡管這個劃時代的系統(tǒng)最終由于資金和技術(shù)上的困難并未全部建成，但卻為未來自動化、無人化工廠指明了方向，成為日后各工業(yè)發(fā)達(dá)國家爭相效仿和完善的技術(shù)。

新冠肺炎疫情期間，中國各大工廠快速完成產(chǎn)線切換，轉(zhuǎn)產(chǎn)口罩和防護(hù)服等抗疫物資、支援全球抗疫戰(zhàn)場的新聞屢屢見諸媒體，讓“柔性制造”再次成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

根據(jù)海關(guān)總署發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，3 月1 日—4 月30 日，全國共驗放出口主要防疫物資口罩278 億只，防護(hù)服1.3 億件，新冠病毒檢測試劑盒7341 萬人份，紅外測溫儀1257 萬件，呼吸機(jī)4.91 萬臺。近期日均出口防疫物資30 億元以上，一個月內(nèi)持續(xù)增長逾3 倍。這一長串亮眼數(shù)據(jù)的背后，除了原有廠家密集排產(chǎn)之外，通過“柔性”方式實現(xiàn)“跨界轉(zhuǎn)產(chǎn)”的力量貢獻(xiàn)巨大。

以“柔”補(bǔ)剛的制造業(yè)戰(zhàn)略

跨界轉(zhuǎn)產(chǎn)防疫物資的編外力量中，其中不乏一些超級企業(yè)的身影。比如比亞迪，從今年一月底開始調(diào)配資源，開發(fā)自動化口罩生產(chǎn)設(shè)備，半個多月即實現(xiàn)量產(chǎn)。幾乎同時，中石化的業(yè)務(wù)范圍也向下游延伸，開發(fā)了口罩、消毒液等生產(chǎn)線。就連巴菲特，都在社交媒體平臺為比亞迪口罩點(diǎn)贊。

一家生產(chǎn)戰(zhàn)斗機(jī)的著名航空工業(yè)企業(yè)——中航工業(yè)也玩起了“跨界”， 集結(jié)其旗下分布在6 省市4 家單位的力量，將原來生產(chǎn)飛機(jī)所用的數(shù)字化設(shè)計技術(shù)引入口罩生產(chǎn)，僅用3 天時間設(shè)計，16 天時間就完成樣機(jī)制造，速度堪稱驚人。這些新成立的生產(chǎn)線，普遍具備高度自動化特點(diǎn)，一個操作工人就可以同時維護(hù)兩三條生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)。

疫情帶來的不僅是國民經(jīng)濟(jì)的大考，也正在成為加速中國制造業(yè)變革的變量因素。無論是通過“柔性”方式實現(xiàn)對生產(chǎn)線的快速切換，還是用機(jī)器“換人”——通過無人技術(shù)大量替換人力，都是轉(zhuǎn)型升級的中國制造行業(yè)需要攀越的重重關(guān)山。這背后的一個基本邏輯是，“自制”和“外包”過程中越來越多的矛盾，需要靠“柔性制造”來調(diào)和解決。

航空工業(yè)企業(yè)研制的全自動口罩機(jī) 資料圖片

批量越大，效率越高，這是工業(yè)3.0 時代的普世原理。假如一個工廠只生產(chǎn)一種零件，那無論是從原材料采購、倉儲管理、生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)、操作人員熟練程度等各個維度，均能實現(xiàn)效率最大化。然而，這樣的工廠只能是理想狀態(tài)下的“烏托邦”——需求的多元化、個性化是無法抵擋的趨勢。

作為科技進(jìn)步的受益者，諸多行業(yè)也不得不面對由此而來的現(xiàn)實問題：產(chǎn)品復(fù)雜程度越來越高，生產(chǎn)流程變得越來越長。為了保障效率，把生產(chǎn)流程碎片化，依靠“外包”來解決多元化需求帶來的效率影響。

但是，隨著外包程度的加深，工廠對供應(yīng)鏈的依賴程度也日益提高，甚至經(jīng)常有被“卡脖子”的風(fēng)險。疫情突起，全球范圍的大隔離至今未完全解除。車間停工、物流滯后、工廠倒閉，大量產(chǎn)業(yè)鏈因此受制于人，諸多行業(yè)面臨著前所未有的斷供危機(jī)。

作為工業(yè)4.0 重要命題之一的“柔性制造”，其核心價值在于，既能夠依靠自動化設(shè)備保障生產(chǎn)效率，又讓生產(chǎn)線具有一定的延展性，可以根據(jù)市場變化和客戶需求對產(chǎn)品進(jìn)行適時調(diào)整。

從更宏觀的視野角度來看，“柔性”概念其實已經(jīng)在潛移默化地影響我們的日常生活。疫情期間，體育館改建成了方艙醫(yī)院，教師當(dāng)起了網(wǎng)絡(luò)主播，無人機(jī)被改造成五花八門的“空中機(jī)器人”……但是，局部領(lǐng)域的“柔性”和智能化，也并不代表中國制造已經(jīng)具備全面邁進(jìn)工業(yè)4.0 的能力。

近年來，“柔性制造”被行業(yè)提及的頻率大幅度降低，其重要原因之一是具備較高自動化水平的“柔性”生產(chǎn)線，對于絕大多數(shù)的中國工廠，尤其是高端制造工廠來說仍然是奢侈品。中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會專家名譽(yù)委主任、工信部智能制造專家咨詢委員會主任朱森第認(rèn)為，相當(dāng)一部分中國工廠還處于“工業(yè)2.0”階段，中國制造業(yè)需要采取并行戰(zhàn)略，即2.0補(bǔ)課、3.0 普及、4.0 示范。

實現(xiàn)“柔性制造”有多難？

“柔性制造”在中國的推廣普及，與中國制造業(yè)的進(jìn)化過程密不可分，其中始終繞不開的兩個關(guān)鍵詞是“需求”和“技術(shù)”。

從需求上來說，長期以來依靠廉價勞動力紅利的中國企業(yè)，對自動化生產(chǎn)的需求并不迫切。雖然勞動力成本整體快速上漲，但是中國工人的普遍收入水平仍然無法和西方發(fā)達(dá)國家相比。

對于大量中小制造企業(yè)甚至作坊式工廠來說，能通過人工解決的問題，就盡量不用昂貴設(shè)備。人走了可以再招，但是前置投入巨大，且“落地打八折”機(jī)器設(shè)備，經(jīng)過若干年折舊之后，可能只是一堆累贅資產(chǎn)。只有當(dāng)人工無法解決一些生產(chǎn)問題，或者效率明顯跟不上機(jī)器的時候，自動化替代才會成為企業(yè)剛需。

目前，國內(nèi)“柔性制造”和“無人工廠”普及率較高的行業(yè)，除了汽車、家電、3C 數(shù)碼等生產(chǎn)批量大、頭部企業(yè)集中的行業(yè)，以及一些從事簡單加工的行業(yè)等，其他制造企業(yè)與西方發(fā)達(dá)國家相比，更多的仍然是依靠“人海戰(zhàn)術(shù)”。甚至在我們的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，一些越尖端的行業(yè)，越難以擺脫“手工作坊式”生產(chǎn)的影子。許多關(guān)鍵工序的實現(xiàn)還是要依賴操作者的熟練程度。

我國科技政策與管理研究泰斗、聯(lián)合國大學(xué)新技術(shù)研究所高級研究員顧淑林女士認(rèn)為，中國在尖端技術(shù)領(lǐng)域并不落后于世界強(qiáng)國，我們很早就能搞出世界領(lǐng)先的尖端武器和重大裝備，但是卻長期依賴于人。這些人一旦離開崗位，很多先進(jìn)技術(shù)甚至面臨“失傳”風(fēng)險。“中國有一幫經(jīng)驗豐富的老工匠，但是目前最缺乏的，是把這些老工匠腦袋里的經(jīng)驗翻譯成數(shù)字化公式、進(jìn)行復(fù)制推廣的新一代產(chǎn)業(yè)人。”顧淑林說。

高端裝備制造，是“柔性制造”要攻克的最終堡壘，也是對“柔性”需求最強(qiáng)烈的領(lǐng)域。這類行業(yè)的零部件批量小、品種多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、裝配工序繁瑣，是最迫切希望保持速率優(yōu)勢，又期待生產(chǎn)彈性的領(lǐng)域，但恰恰是這些高端裝備制造行業(yè)，加工工序過于復(fù)雜，工藝要求太高——沒有長期工程技術(shù)經(jīng)驗的量化積累，就相當(dāng)于地基不穩(wěn)，智能化的“柔性制造”只能是空中樓閣。

壓在企業(yè)頭上的還有經(jīng)濟(jì)賬——即使能全面實現(xiàn)“柔性”改造，購置生產(chǎn)線的額外成本也需要相當(dāng)長的時間才能收回。也就是說，要想徹底改造這些“硬核直男”工廠，還有相當(dāng)長的路要走。

國內(nèi)大量機(jī)械加工，還處于高度依賴人的階段 資料圖片

軟肋和硬骨頭

2015 年，某重大裝備制造央企曾經(jīng)投入數(shù)千萬元打造“柔性制造”樣板車間，但是歷時4 年卻進(jìn)展緩慢。原因之一是軟件問題。由于機(jī)器設(shè)備多為進(jìn)口，在國外操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上再來編寫國產(chǎn)流程控制軟件，造成諸多運(yùn)行邏輯出現(xiàn)沖突。而軟件的研發(fā)，一直是中國制造業(yè)的軟肋。

擅長于逆向開發(fā)的中國人，積累了大量響應(yīng)需求的經(jīng)驗，能夠高質(zhì)高效地解決HOW（怎么做）的問題，但也容易形成思維局限——降低對WHAT （做什么） 的敏感。這就相當(dāng)于“坐在副駕駛的位置上，其實永遠(yuǎn)學(xué)不會開車”。

原因之二是硬件短板。例如，數(shù)控機(jī)床上一個工裝夾具的加工精度無法滿足要求，缺陷也會通過長鏈生產(chǎn)線逐層放大，導(dǎo)致整個環(huán)節(jié)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)重受制。同時，生產(chǎn)設(shè)備對不同軟件系統(tǒng)的適應(yīng)性差，也讓總體效率大受掣肘。硬件的能力，也是難啃的硬骨頭。

1958 年，在中國誕生了亞洲第一臺數(shù)控機(jī)床。但是此后由于歷史原因，中國機(jī)床行業(yè)陷入長達(dá)20 多年的沉寂。與此同時，鄰國日本卻在工業(yè)化的道路上突飛猛進(jìn)，在機(jī)床精度、轉(zhuǎn)速和產(chǎn)品穩(wěn)定性上精益求精，并建立了完備的產(chǎn)業(yè)體系。時至今日，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床仍然在大量依靠價廉來換取市場占有率。

此外，“軟硬融合”是“柔性制造”的最終鑰匙。再高端的硬件，如果過于“矯情”，與軟件的兼容性差，只能越用越“死”，最終被更先進(jìn)的設(shè)備淘汰。硬件的延展度和靈活度，在很大程度上決定了一套“柔性”系統(tǒng)的壽命值和生產(chǎn)能力。

北京第一機(jī)床廠與清華大學(xué)合作試制的亞洲第一臺數(shù)控機(jī)床 資料圖片

軟件功能需要硬件平臺得以實現(xiàn)，硬件設(shè)備又依賴軟件系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)。而當(dāng)下擺在中國制造業(yè)面前的現(xiàn)實困局是，軟件開發(fā)尚未厘清頭緒，硬件水平跟不上步伐，這個看似無解的莫比烏斯環(huán)，需要一點(diǎn)一點(diǎn)地撕開重組。

剛?cè)岵?jì)的解決方案

用軟件手段解決硬件問題，對非標(biāo)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和系統(tǒng)優(yōu)化，是一種思路。

疫情期間，哈工大機(jī)器人集團(tuán)（HRG）共派出5 名骨干，用6 天時間，對黑龍江省兩家抗疫轉(zhuǎn)型的生產(chǎn)企業(yè)臨時采購的21 臺口罩生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，這些設(shè)備型號、規(guī)格各有不同，甚至有部分是“二手”。經(jīng)過調(diào)試，共7 條生產(chǎn)線釋放了兩倍的產(chǎn)能，并將合格率從80%提高到了95%。

反之，對標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備的系統(tǒng)進(jìn)行個性化編輯，從而實現(xiàn)不同的功能，是另外一種“柔性”思路。這類操作方式一般是：用規(guī)范化、模塊化的硬件平臺去承載不斷迭代的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)多重排列組合，適應(yīng)不同的產(chǎn)品生產(chǎn)。這也是目前最經(jīng)濟(jì)的解決方案之一。

有經(jīng)濟(jì)實力和豐富經(jīng)驗的企業(yè)，可能會一次性投入巨資打造“剛?cè)岵?jì)”的未來車間，但這畢竟是極少數(shù)。一個典型案例是三一重工位于長沙的18 號工廠，這個號稱亞洲最大的智能化制造車間里，實現(xiàn)了生產(chǎn)中人、設(shè)備、物料、工藝等各要素的“柔性”融合；8 條裝配線，可以實現(xiàn)69 種產(chǎn)品的混裝“柔性”生產(chǎn)；在10 萬平方米的車間里，每一條生產(chǎn)線可以同時混裝30 多種機(jī)械設(shè)備，馬力全開可支撐300 億產(chǎn)值。

18 號工廠的“柔性制造”生產(chǎn)系統(tǒng)包含了大量數(shù)據(jù)信息：用戶需求、產(chǎn)品信息、設(shè)備信息、生產(chǎn)計劃等。依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將這些大數(shù)據(jù)連接起來并通過三一的MES 系統(tǒng)處理，能制定最合適的生產(chǎn)方案，最優(yōu)的資源分配。

軟件和硬件，是如今“柔性制造”需要齊頭并進(jìn)，同步破解的兩大難題。軟件的開發(fā)不能止步于IT 部門，需要由企業(yè)最高決策者來部署和推動，貫穿整個組織和各大職能，并在運(yùn)營環(huán)節(jié)落地。每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)通過信息化建立連接，并實現(xiàn)可視化。硬件的標(biāo)準(zhǔn)化管理也非一日之功。不同的設(shè)備規(guī)范，一定程度上需要相互融合借鑒——這意味著工廠、企業(yè)，甚至大量行業(yè)都要逐步走出舒適圈，適應(yīng)新的游戲規(guī)則。全球化的經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)，也要求我們與國際接軌，充分考慮到國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備、零部件以及軟件的可替代性和兼容性，形成整個上下游產(chǎn)業(yè)鏈的疏通和規(guī)范化管理。

“多個廟就多個鬼”，自動化生產(chǎn)是減法思維。越簡單越穩(wěn)定；而“柔性制造”既要做減法，也要做加法。一條生產(chǎn)線上，用盡量少的設(shè)備和工具，實現(xiàn)生產(chǎn)更多產(chǎn)品的可能。

實現(xiàn)工業(yè)4.0 版本的“柔性制造”，考驗的絕不單是企業(yè)的技術(shù)能力，還有管理等各方面的軟實力。而機(jī)制體制的問題，不是依靠引入一兩項先進(jìn)設(shè)備就能解決的——就像“用一只昂貴的金鞍去配一匹老馬，只會讓老馬更加不堪重負(fù)”。

中國制造要真正實現(xiàn)從“剛”到“柔”的升級，也不能僅僅局限于對生產(chǎn)層面的關(guān)注，更需要全面開發(fā)上下游產(chǎn)業(yè)的“柔性”。以企業(yè)的制造能力和“柔性”程度為基礎(chǔ)，結(jié)合供應(yīng)鏈和市場，把產(chǎn)品的各個功能部件獨(dú)立成單個模塊，實現(xiàn)其任意組合和輸出，而不同模塊的生產(chǎn)流程和生產(chǎn)成本都“柔性”可控。這一系列復(fù)雜紛繁的排列組合，都只能依靠中國人自己的智慧，從漫長的實踐過程中去尋找答案。