互聯網時代的制造新模式

張 曙

(同濟大學現代制造技術研究所，上海 200092)

1 從資源經濟邁向網絡化知識經濟

人類正在邁向一個以創新和互聯網為特征的知識資源的生產、占有、配置和消費的網絡化經濟時代。人類社會經濟形態的發展可以分為農業經濟、工業經濟和高技術經濟。從資源配置的角度來看，相應地分為勞力經濟、資源經濟和網絡化知識經濟。

工業經濟的成就是運用以流水線為特征的大量生產方式，大幅度提高了生產效率和產品質量、降低了生產成本，使產品數量和社會物質財富爆發性增加。但人們已經認識到，工業經濟依為命脈的土地和石油等自然資源是有限的，無節制地消耗自然資源和污染環境，已經威脅到人類的生存。

所謂“網絡化知識經濟”，就是指以高技術產業為主要產業支柱，以智力資源為主要依托，在互聯網環境下運作的新型經濟。網絡化知識經濟的實質就是利用智力資源對有限自然資源的部分取代。網絡化知識經濟在資源配置上以智力資源和無形資產為第一要素，借助互聯網和物聯網，利用信息、知識和智力對短缺的自然資源進行更加科學合理的重新配置和有效利用，并開發新的資源和技術來創造新的財富。不斷降低自然資源的浪費，減少生態惡化，為全球經濟的可持續發展提供持久的推動力，這是工業4.0 的出發點［1－2］。

網絡化知識經濟以現代科學技術為核心，建立在知識和信息的生產、存儲、傳播、使用與消費之上。它改變了過去那種以資源及資本的總量與增量決定經濟成敗的模式，使信息和知識從經濟增長的“外在變量”轉成經濟增長的內在核心因素，推動工業經濟開始轉向網絡化知識經濟，將使全球經濟發生全面的、深刻的變革，引發新的工業革命，這就是工業4.0的精髓和終極目標。

我們不能僅關注工業4.0的實施技術，而忽視其出發點和目標。更加重要的是從本質上認識到網絡化知識經濟的出現，將導致社會和經濟領域的一系列變化。主要是:

a.投資重點從有形資產開始轉向無形資產，競爭的核心逐步從有形競爭轉向無形競爭，領先的企業已經從產品戰略轉為網絡服務平臺戰略。阿里巴巴的成功、海爾的轉型、小米與美的的聯姻等國內外無數案例所展示的遠景正在向我們走來。

c.以信息化、數字化和網絡化為表現形式的網絡化知識經濟使社會經濟系統在產品、服務、生產、流通、交易等領域面臨深刻的變革。定制化、個性化產品和服務將受到人們越來越多的寵愛，人們關注的是對某種需求的全面解決方案和完善的服務，實物產品僅僅是服務的載體或重要組成部分。

2 小型化、分散化和網絡化

2.1 分散網絡化制造的基本概念

以自動化大量生產方式為特征的工業經濟導致眾多的大企業、大工廠……出現，將數以千萬計的人在同一時間集中到一個地點工作，隨之帶來許多問題，諸如交通困擾和時間浪費?；ヂ摼W的出現，使地理位置不顯得那么重要，空中辦公室可以跨越地區對產品的設計、原料采購、制造過程及銷售進行管理和控制，可分散在不同地區甚至全球各地進行［3－4］。

無論在后工業化國家或發展中國家，專業、掌握核心技術和有特色的中小企業是制造業中最具有創新能力的群體。在信息技術和網絡平臺支持下，這些中小企業將會發揮越來越大的作用，通過相互合作，構成分散網絡化制造的新模式，其概念如圖1所示。

圖1 分散網絡化制造的概念

從圖1可見，掌握核心技術的企業處于網絡中心，與不同的關鍵供應商進行合作，合作的形式可以是外包的合同制造，提供關鍵零部件;合作渠道可以是直接的、間接的和通過門戶網站的;借助供應鏈管理、可視化庫存統一加以管理。企業與關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站的;這樣從供應商到客戶之間構成了一個多級、多節點的網絡。合作和快速響應是分散網絡化制造的特征，將價值鏈上不同的小企業組織在一個網絡平臺上運營，力求達到比集中的大企業更高的效率和效益。

2.2 生產數據采集和處理

由于分散網絡化制造合作伙伴分散在不同地點，其管理的有效性取決于生產數據能否實時采集和共享，將有關信息在需要的時間傳送到需要的地點和人，做到快速、準確和透明，實現無紙化、可追溯和網絡化的異地管理模式。

現舉幾個實例對分散網絡化制造過程的數據采集和共享技術，以及人與機(物)、機(物)與機(物)的通信方式加以形象地描述。

最簡單的例子，當產品入庫時，管理員掃描二維碼即可獲得產品名稱、組成的零部件、每道工序的質量檢查結果、訂單號、客戶信息等一系列重要信息，并通過移動終端立即發送給有關生產和管理部門。二維碼“掃一掃”是投資少、見效快，在任何企業的生產現場都可以普遍應用的產品識別、數據采集和儲存方法，如圖2所示。

中國無機鹽工業協會鉀鹽鉀肥分會會長、青海鹽湖工業股份有限公司黨委書記、董事長王興富表示，中國鉀肥產業在創新氛圍中實現了快速發展。他說：“近年來，在國家發改委、科技部、自然資源部以及青海省直各部門等多個專項項目支持下，通過原始創新、集成創新與引進消化吸收在創新并舉，自助探索與產學研相結合，鹽湖股份公司實現了多項先進技術的產業化，形成了第三代氯化鉀工業技術。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%，產品品位KCl含量由不足90%提高到98%。察爾汗鹽湖鉀鹽開發由年產100萬噸服務38年增加至年產500萬噸服務47年，保障鹽湖鉀肥可持續發展?！?/p>

圖2 產品入庫時的信息采集

又如，在傳送帶上傳感器進行產品質量檢測，同時借助無線網絡將檢測結果發送到移動終端進行統計分析，并反饋到機床控制系統，如圖3所示。

圖3 在無線網絡環境下的在線質量檢測

從圖3可見，在無線網絡環境下，傳送帶上的零件通過傳感器時，不僅在檢察員的移動終端上立即顯示測量數據及統計分析結果，而且可將測量數據同時發送給本工序和前工序的機床，必要時可自動修改加工參數，即生產系統中的機－機(物－物)之間可以相互通信，不僅僅是識別、數據采集及其存儲，這就需要有更為復雜的傳感器和數據發送、接收和處理功能。

再如，機床的加工精度和效率在很大程度上取決于刀具的狀態，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調儀上進行調整時的數據，還可以記錄刀具在機床上進行了多長的切削時間，還有多少剩余壽命，可以加工幾個零件等，可以讓操作者和有關部門了如指掌，減少停機和更換刀具的時間。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

3.1 智能產品與 APP應用軟件

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

圖5 高端制造設備的APP應用下載

從圖5可見，即使針對特定型號的機床和數控系統，APP商店的應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能的以及屬于該機床標配的免費APP軟件等。

3.2 建模、仿真和優化

為了使分散在不同地點的制造活動能夠有條不紊地、高效率地組成為一個整體生產系統，建模、仿真和優化是不可或缺的重要手段。見于未形，造于虛有，反復優化，無縫連接，相互協調，提高制造系統的效率和效益。

傳統的制造企業只有現實世界的生產活動(體力)和工程活動(腦力)，失誤和計劃不周在所難免。工業4.0的信息物理系統，無論智能產品和智能設備都有虛擬的“替身”模型，具有產品和設備相似的特性和功能，在產品沒有制造出來之前就可以“使用”產品，并對其進行評價?；蛘咴谕度肷a之前，在計算機里“制造”，驗證其生產過程及其規劃，并加以優化，其基本概念如圖6所示。

圖6 信息物理生產系統的基本概念

從圖6可見，信息物理生產系統包括3大部分:

a.在現實世界的物理產品、制造資源和制造環境，它們具有相互識別、通信和交互的能力。

b.在現實世界由人完成的數字化工程活動，如產品設計、生產準備和生產管理，這些活動過去基于經驗，現在基于模型，可以在網絡上進行異地交流和信息共享。

c.在虛擬世界的產品、過程和環境模型，可以進行整個生產過程的仿真，優化分散網絡化制造的整體效益。

4 結束語

互聯網和物聯網的普及促進了網絡化知識經濟的發展，將引發一場新的工業革命——工業4.0。小型化、分散網絡化制造可能逐步取代工業2.0時代的大型、集中的制造企業，形成一種基于網絡平臺的虛擬制造聯盟，就好像淘寶是由無數虛擬小商店構建而成的龐大零售電商網絡，為顧客提供更加快捷和周到的服務。

但在生產領域，問題要復雜一些，不僅需要相互合作和快速響應，更需要透明、準確、實時和共同認可和遵守的管理規則。因此，與人為因素無關的生產數據自動采集和處理就特別重要，應該先易后難，從“掃一掃”開始，一步步推進。同樣，信息和物理系統的融合，也是在現有系統的基礎上演變而成，不是推倒重來。例如，機床數控系統從軌跡控制正在向加工任務管理擴展，不斷增加APP應用程序，改善人機界面，開發機－機通信功能。

整個生產系統的建模、仿真和優化難度很大，目前還僅僅是愿景，尚有待時日，才能逐步實現。

［1］ 張曙.分散網絡化制造［J］.機械與電子，1998(5):3－6.

［2］ 張曙.分散網絡化制造［M］.北京:機械工業出版社，2000.

［3］ 張曙，陳炳森，沈斌，等.以獨立制造島為基礎的分散網絡化制造［J］.工廠建設與設計，1998(1):41－45.

［4］ 張曙.基于互聯網的現代制造業正在形成［EB/OL］.［2015－01 －22］.http://tech.qq.com/a/20080923/000266.htm.

［5］ 張曙.工業4.0和智能制造［J］.機械設計與制造工程，2014，43(8):1－5.

［6］ 張曙.中國制造企業如何邁向工業4.0［J］.機械設計與制造工程，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.