德國為保持在制造業(yè)的領先地位,在2013年提出工業(yè)4.0概念。工業(yè)4.0是一個高科技戰(zhàn)略計劃,該項目由德國聯(lián)邦教育局及研究部和聯(lián)邦經(jīng)濟技術部聯(lián)合資助,投資預計達2億歐元。旨在提升制造業(yè)的智能化水平,建立具有適應性、資源效率及人因工程學的智慧工廠,在商業(yè)流程及價值流程中整合客戶及商業(yè)伙伴。其技術基礎是網(wǎng)絡實體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。
德國學術界和產(chǎn)業(yè)界認為,“工業(yè)4.0”概念即是以智能制造為主導的第四次工業(yè)革命,或革命性的生產(chǎn)方法。該戰(zhàn)略旨在通過充分利用信息通訊技術和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng)—信息物理系統(tǒng)相結合的手段,將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。
有意思的是,中國制造業(yè)界和投資界對工業(yè)4.0的熱情程度超過了德國人。近一年來,國內(nèi)幾乎每天都有工業(yè)4.0相關主題的演講、論壇和沙龍,業(yè)內(nèi)業(yè)外都在熱烈討論工業(yè)4.0。按其熱度,似乎工業(yè)4.0馬上要落地,真實的工業(yè)4.0到底距離我們還有多遠?
一、數(shù)字工廠和人機是亮點
德國企業(yè)在生產(chǎn)自動化上已經(jīng)達到很高水平,同樣的,日本企業(yè)的精益生產(chǎn)方面也有很高水平,但兩相比較,德國并不占太大優(yōu)勢。德國企業(yè)要想獲得領先,必須有新突破,而網(wǎng)絡化涉及的產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)太多,整合難度較大,需要很長時間。所以目前的突破口只有選在數(shù)字化工廠。西門子在本屆漢諾威工業(yè)展上還強調(diào),做數(shù)字化工廠要注意積累專業(yè)的行業(yè)知識和服務,而每個行業(yè)、乃至每個企業(yè),它們的行業(yè)特點和能提供的服務都有所不同,這就意味著每個行業(yè)甚至每個企業(yè)實踐工業(yè)4.0的路徑都可能會不一樣。
數(shù)字工廠既包含產(chǎn)品的數(shù)字化,也包含生產(chǎn)過程的數(shù)字化,以及全生命周期的數(shù)字化。西門子推廣工業(yè)4.0,不會忘記推銷自家現(xiàn)成的軟硬件產(chǎn)品和方案,其涵蓋從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)規(guī)劃、工藝工程、生產(chǎn)執(zhí)行和服務的全套數(shù)字化軟件方案,也提供了可資參考的德國安倍格市的數(shù)字化工廠樣版。
為了工人安全,一般工業(yè)機器人的工作區(qū)與工人隔離開,機器人像野獸一樣被關在籠子里。同時,還安裝了很多機器安全設備,如安全繼電器、安全地毯、安全光幕、急停開關等,以防止對人身產(chǎn)生傷害。而協(xié)作機器人可以和工人一起協(xié)同工作,無需安全護欄,顯然參展企業(yè)認為自己的機器人沒有安全隱患。
KUKALBRIIWA機器人為觀眾倒啤酒,從拿杯子、開瓶、倒啤酒,動作流暢靈活,一氣呵成。KUKA的LBRIIWA機器人有七個軸,特別適用于電子、醫(yī)藥、精密儀器等行業(yè),這些行業(yè)對柔性、靈活度和精準度要求較高。
這些機器人之所以有較好的人機協(xié)作,是因為這些機器人所有的軸都具有碰撞檢測功能和關節(jié)力矩傳感器,在它碰到人時會自動減速或停止,工人也可以輕易地推開它。在安裝工件時,它還能模仿人類的裝配動作,它可以像人類一樣用鑰匙開門,它將鑰匙插入鑰匙孔一樣,上下左右轉(zhuǎn)動,感覺反饋回來的力矩,找到合適的角度進行裝配。加之機器人具有較輕的機身,動作都較為溫和,對人不易產(chǎn)生傷害。
根據(jù)IHS公司的研究報告,目前工業(yè)機器人85%以上的應用都在汽車相關行業(yè),而汽車行業(yè)已經(jīng)成熟,未來機器人的應用增長空間有限。目前ABB和KUKA大力推廣協(xié)作機器人是將目光投向了潛力更大的3C制造,該行業(yè)需要應用更多的協(xié)作機器人。
一般工業(yè)機器人屬于工業(yè)3.0時代的自動化產(chǎn)品,它們僅僅實現(xiàn)了自動化。機器人只有實現(xiàn)了既能按既定程序去執(zhí)行,還能與人、材料,以及其他設備產(chǎn)生交互,才能叫作智能機器人。機器人協(xié)作會有多種外部通信端口與外界通信,與人類協(xié)作,實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)和數(shù)字化生產(chǎn)。
德國科研系統(tǒng)中,公共大學與公立研究機構主要從事基礎研究,而私立的企業(yè)研究院從事應用研究。但是Fraunhofer這樣的應用型研究機構則是基礎研究和企業(yè)創(chuàng)新之間的重要橋梁。Fraunhofer聯(lián)盟對中小企業(yè)創(chuàng)新支持項目的實施,為產(chǎn)學研合作研究提供重要的公共平臺。在德國,研究人員也要發(fā)論文,但是他們更加注重應用型的科研,需要既有戰(zhàn)略前瞻又能與企業(yè)需求對接的應用技術。
二、數(shù)字化有深挖的空間
日本的研究所主要包括國立和公立的研究所(產(chǎn)業(yè)綜合技術研究所和理化學研究所是典型代表)、特殊法人研究所及財團法人和社團法人和民間企業(yè)研究所等。在2000年前后,日本政府將原來隸屬于多個省廳的研究所調(diào)整為獨立法人機構,研究所所長由政府直接任命,所有人員都為聘用人員,實行獨立法人制度,在賦予大學和科研單位更大的行政權力的同時,這些獨立法人也需要做好盈虧預算,運營績效也要被考核,并以此推動了人員的流動和重組,充分發(fā)揮出科研的效益。日本科研力量的主體來自于企業(yè),每年企業(yè)研發(fā)經(jīng)費的投入占日本R&D(全社會研究與試驗發(fā)展)經(jīng)費的80%左右,其中絕大部分來自于大型企業(yè)。
人是工業(yè)系統(tǒng)和產(chǎn)品中非常重要的元素。譬如汽車的功能是運輸人或物,同時汽車也是由人來操控,正常行駛的汽車就是一個機器與人組成的系統(tǒng)。人類對汽車的零配件的形狀、材料、功能已經(jīng)有了深入認識,甚至早已為汽車建立了數(shù)字化模型。但這個人機系統(tǒng)中,我們了解最少的卻是人,對于復雜的人在這個人機系統(tǒng)中的作用我們還沒有太多認識,人成為這個系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)。
原來為人建模的方法是在人體表面放置標識,通過為這些標識建模來構建整個人體模型。持丸教授的新方法不用標識,直接通過捕捉人體的視頻圖像、關節(jié)運動角度和相對位置來建立完整的人體數(shù)字模型。目前持丸教授的人體數(shù)字模型已經(jīng)開始應用到了日本汽車廠的汽車碰撞測試,消費類公司的運動鞋設計、游戲公司游戲設計、外骨骼機器人、醫(yī)療康復機器人等服務機器人設計以及虛擬現(xiàn)實的應用中。
狹義的工業(yè)4.0主要在生產(chǎn)系統(tǒng),它的三大集成包含了生產(chǎn)過程的自動化、數(shù)字化和網(wǎng)絡化,而廣義的工業(yè)4.0包含了整個生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡化,這個系統(tǒng)的外延擴展到物聯(lián)網(wǎng)和服務網(wǎng)。工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一直在強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)、M2M和人機協(xié)作,持丸教授的人體數(shù)字化的研究其實是將人這個重要元素融入工業(yè)4.0打開了一扇窗戶。
三、德日大多數(shù)企業(yè)的態(tài)度
德國前十大貿(mào)易伙伴,除了美國和中國外,其他全是歐洲國家,中國和美國加起來也只占了15%。相比較歐盟成員國和非成員國之間的貿(mào)易,歐盟成員國之間的交易有更多優(yōu)惠條件。從2002年到2012年十年間,德國是歐盟經(jīng)濟一體化最大的收益者,同時也是最大的貢獻者。而日本的主要出口貿(mào)易伙伴集中在亞太區(qū)域,同樣也說明區(qū)域經(jīng)濟對國家出口的影響巨大。
除了區(qū)域經(jīng)濟一體化,德國和日本兩個國家競爭多于合作,因為日本只是德國第17大出口目的地,而德國只是日本第8大出口目的地,而且占比只有2.7%。
具體到制造業(yè)行業(yè),日本和德國在汽車、化工、基礎材料、鋼鐵等行業(yè)全面競爭;在機械設備上,德國和日本的數(shù)控機床、包裝機械、注塑機、機器人、建筑機械、食品機械直接競爭;在自動化產(chǎn)品上更是全面競爭,包括PLC(可編程序控制器),變頻、電機、伺服、減速機等產(chǎn)品;從半導體來看,在功率元器件和控制芯片上面競爭也比較大。
日本制造業(yè)界對德國工業(yè)4.0概念比較冷靜,目前只是研究而已,并沒有像中國一樣大勢渲染。日本雖然有自己的工業(yè)4.1J,但這個是個民間組織,影響力并不大。
德國的大型企業(yè)、軟件公司、大學和研究所提工業(yè)4.0更多一些,中小企業(yè)特別是一些基礎自動化原件廠商對工業(yè)4.0還處在學習探索的階段。在斯圖加特Sudtec和柏林CWIEME展會的論壇現(xiàn)場,當Fraunhofer,Smartfactory協(xié)會和ZVEI電氣電子協(xié)會的專家講工業(yè)4.0時,偌大的會場聽者寥寥,但講行業(yè)和具體產(chǎn)品的專家演講時,論壇現(xiàn)場瞬間滿場。對于做配套元器件的中小公司,可能對大的工業(yè)4.0概念不太感興趣,而更關注自身的產(chǎn)品銷售和行業(yè)市場。
德國中小企業(yè)(GermanyMittelstand)在各個工業(yè)領域都比較活躍,超過99%的德國公司屬于中小型企業(yè),很多德國的中小企業(yè)都是家族擁有或運營,這些企業(yè)的目標是做百年老店。它們行事謹慎,很少借貸,以求代代相傳。德國同行之間在價格方面并不搞惡性競爭,他們或者在細分行業(yè)上構筑自己的競爭優(yōu)勢,或者在質(zhì)量和產(chǎn)品創(chuàng)新上競爭。
標準化和模塊化是工業(yè)4.0的重要概念,對于這些只做配套元器件的中小企業(yè),是工業(yè)4.0的標準化產(chǎn)品或模塊產(chǎn)品供應商,比較好的策略是專心做好自家產(chǎn)品,跟蹤工業(yè)4.0的發(fā)展,在適當?shù)臅r候融入到工業(yè)4.0的大體系中來。所以,對于工業(yè)4.0概念大多數(shù)德企略顯謹慎。
日本企業(yè)生態(tài)模式中,大型企業(yè)或母公司扮演了帶頭大哥的角色,子企業(yè)或?qū)O企業(yè)跟隨大企業(yè)做配套。公司和銀行集團關系緊密,通過復雜的交叉持股聯(lián)系在一起;由于銀行和其他工商企業(yè)關系密切,公司管理者受到保護,從而使之能夠不受股東影響而可以進行長線投資。大型企業(yè)和中小型企業(yè)形成了緊密的企業(yè)群體結構,日本小型企業(yè)以供應大型企業(yè)為主,依賴幾家大客戶,這樣以來日本小廠商在創(chuàng)新方面很難產(chǎn)生自己的想法。
德日兩國企業(yè)對工業(yè)4.0的熱情明顯不及中國企業(yè),它們的著眼點還是聚焦于自身傳統(tǒng)競爭力的提高。不過,中國人的熱烈討論并非多余,正因為有了這些討論和爭論,工業(yè)4.0的概念漸漸豐滿起來,甚至反過來完善了德國的工業(yè)4.0的理論體系和實踐案例。譬如青島紅領C2M模式和青島海爾的倒金字塔模式就引起了德國人的高度關注。中國一些大型企業(yè),比如流程制造型企業(yè)寶鋼,離散制造型企業(yè)華為等公司甚至在工業(yè)4.0概念提出之前就已經(jīng)開始了智能制造的實踐。