姚锡凡,张剑铭,陶 韬,蒋经发,陈新准
(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院,广东 广州 510640;2.广东隽诺环保科技股份有限公司,广东 广州 511453)
制造业是国民经济的支柱产业。工业革命使人类从农业社会进入工业社会,制造业从手工作坊生产进入到大规模生产(大批量生产)。随着人类生活水平的提高和信息通信技术的迅速发展,客户需求的个性化和多样化日益增强,企业面临竞争越来越激烈的动态多变的全球化市场。
2008年国际金融危机爆发后,工业发达国家纷纷提出“再工业化战略”,试图通过发展先进制造技术抢占新一轮科技和产业竞争的制高点,进而实现“产业空心化”到“再工业化”的回归。特别是进入21世纪的第二个10年,新一轮工业革命又拉开序幕,毫无疑问,正如历史上的工业革命一样,新工业革命将对制造业产生变革性的影响[1]。而作为制造业大国的中国,国民经济正迈入新常态——从高速增长转为中高速增长,尤其是随着我国人口红利的逐渐消失,传统的依靠大量消耗资源的劳动密集型发展思路难以为继,面临双向压力,即低端制造业向更低成本的国家转移,以及高端制造业回流“再工业化”和引领新工业革命的发达国家。我国制造业转型升级已经到了紧要关头。对此,我国借鉴德国工业4.0理念,先后发布了“互联网+”和《中国制造2025》等一系列顶层设计文件来推动新一代信息技术与制造技术的融合发展,并将智能制造作为两化深度融合的主攻方向,培育新型生产方式,以促进我国制造业转型升级。因此,对进入“新常态”的我国制造业而言,面临着产业转型升级带来巨大的机遇。
制造业发展历史表明,大规模生产(mass production)已经难以适应多样化和个性化需求,大规模定制(mass customization)[2]乃至大规模个性化定制(mass personalization)[3]应运而生,而且后两者会变得越来越重要,所占市场份额将越来越大,形成所谓的产品生产长尾部分。本文探讨制造业如何从大规模生产走向长尾生产(long tail of making products)[1],为我国制造业转型升级提供理论和技术的支持。
生产模式指企业体制、经营、管理、生产组织和技术系统的形态和运作方式[4]。Koren以美国汽车制造业为例,认为制造(生产)模式经历了3次重大转变:①大规模生产替代手工作坊式生产;②大规模定制生产替代大规模生产;③个性化生产(personalized production)替代大规模定制,如图1所示[5-6]。
在工业实践上,福特公司于1913年创建了世界上第一条汽车流水生产线,标志着大规模生产方式的出现。大规模生产以泰勒的科学管理方法为基础,以生产过程的分解、流水线组装、标准化零部件、大批量生产和机械式重复劳动等为主要特征,使美国的汽车生产于1955年达到了大批量生产的顶峰,并取代了手工作坊式生产。到20世纪80年代,大规模定制在美国占据了主导地位,进入21世纪,大规模定制又被新兴起的生产模式——个性化生产所替代。
在汽车全球化生产视野下,虽然福特汽车公司创立的大规模生产流水线获得广泛应用,并成为现代工业生产的主要特征,但是随着市场需求向多样化发展,单品种、大批量流水生产方式的弱点日渐突显,而源于日本丰田汽车公司创立的精益生产在20世纪60~80年代更受业界推崇。20世纪90年代,美国政府为重新夺回制造业的世界领先地位,由通用汽车公司(GM)和里海(Leigh)大学牵头制订了旨在提高美国在未来世界中的竞争地位、培养竞争优势的先进制造计划,形成了一种新的生产方式——敏捷制造,以便更快响应定制化的产品需求。
在学术界研究上,1970年Toffler[7]最早提出大规模定制设想——以类似于标准化和大规模生产的成本和时间,提供客户特定需求的产品和服务;1987年Davis[8]首次将这种生产方式称为Mass customization(大规模定制);1993年Pine[2]对大规模定制的内容进行了完整的描述,标志大规模定制理论成型。然而大规模定制并不意味着所有生产环节都按客户的定制化需求生产,通常是由客户订单分离点(Customer Order Decoupling Point, CODP)[9]位置确定,在CODP之前的生产是推式(push)的大规模生产,而在CODP之后的生产是拉式(pull)的定制生产。
根据CODP[10],可将大规模定制分为按订单销售(Sale-To-Order, STO)、按订单装配(Assemble-to-Order, ATO)、按订单制造(Make-to-Order, MTO)和按订单设计(Engineer-to-Order, ETO)四种类型。为了降低成本和快速响应客户的需求,企业将CODP尽量向下游移动[11],但会降低定制化程度。为了平衡这种需求,可在CODP之前精益(lean)生产,以尽可能地消除浪费和非增加值的活动,而在CODP之后采用敏捷(Agile)制造,从而形成如图2所示的精敏(leagile)制造[12]的大规模定制生产方式。
从图2可见,大规模生产和个性化生产是大规模定制的两种极端情形:一是大规模生产,由企业负责所有产品生产销售活动,客户只能购买既定的商品;一是个性化生产,客户可全程参与到生产设计活动中,以客户为主导,按需制造产品。STO本质上是大规模生产,只有从销售活动开始才由客户订单驱动,然而因为可结合客户订单包装或加工出库,所以有利于制造业向服务化方面转型;而ETO是纯粹的拉式定制生产,也是客户参与到设计中的个性化生产方式[13],包括产品的开发设计、制作、装配、运输都由客户订单驱动;ATO和MTO介于这两种极端情形之间,也是大规模定制的典型情形。因此,大规模定制本质上是由推式的大规模生产和拉式的定制化生产相结合而形成的一种推拉式(push-pull)混合生产模式,即在CODP上游采用大批量生产通用、模块化的零部件,在CODP下游根据客户订单形成定制化的最终产品,精敏制造则是这种推拉式混合生产模式的一种典型代表。
由此可见,以ATO和MTO为代表的典型大规模定制成为连接大规模生产和个性化生产的桥梁。综合和总结文献[14-16]得到如表1所示的3种生产模式的对比分析。从市场细分角度来看,大规模个性化定制(或个性化生产)强调单人市场(markets of one)[15],也是大规模定制的一种极端——ETO,为单个客户提供个性化需求的产品和服务;大规模定制的另一个极端——STO或大规模生产,强调大众市场(markets of many),为公众提供低成本的产品和服务。
表1 3种生产模式对比
从用户角度来看,大批量生产只能是在既定的产品之间进行选购;定制化生产是在可选的目录上进行选择性定制;个性化生产是按客户要求进行设计生产[17],在设计上进一步考虑用户的个人品味、使用习惯、相关经历等[18-19]。从制造的角度来看,大规模制造通过少品种大批量避免了多样化的负担。大规模定制和个性化生产的差别在于:典型的大规模定制在生产上采用大规模制造,将多样化的负担转移到装配上,通过装配最终形成不同的产品;而个性化生产不仅实现多样化的装配,还可以实现多样化的设计制造。
由图1可见,生产模式从拉式的手工作坊开始,经历了大规模生产和大规模定制之后又回到起点——拉式的(大规模)个性化生产,似乎经历了一个轮回。其实不然,这不是一个简单轮回,而是螺旋式的上升演化。从生产制作来说,传统大规模定制和大规模个性化定制的产品成本相对高昂,传统手工作坊是封闭式的,由专职人员全面负责生产,而当前兴起的个性化定制生产是开放式的,由消费者与消费者、消费者与专业人员之间多领域共同合作完成。从产品设计来说,传统的个性化是由某一设计者向多个用户提供个性化的产品与服务,而大规模个性化定制是基于网络的开放结构,由多个设计者(包括外形设计、结构设计、生产制造商、用户等)共同为特定用户提供个性化定制的产品与服务[20]。
汽车生产已从大规模生产逐渐过渡到如图2所示的精敏生产方式,具体例证如表2所示。19世纪末,第一辆汽车以手工生产的方式诞生,但因生产效率低、成本高而无法得到普及。20世纪20年代,得益于福特提出的流水线生产模式,汽车得到大量生产和推广。然而,正如福特本人所说,每个用户只能买到黑色的车,此时汽车的大规模生产以“大而全”的生产厂商为中心,强调于满足制造和设计过程,最终实现的是少数车型的低成本生产。60年代,丰田公司提出精益生产的理念,实现了以需求拉动的生产,并为客户提供定制化的空间。上世纪80年代,大众率先提出汽车平台的概念,一个平台可为几个车型提供共用的零部件,通过零部件共享降低生产成本,汽车可以在一个平台内进行拓展,形成一个车系,进一步丰富了产品的型号。近年来,在平台化的基础上,汽车制造商通过扩张、兼并和共享扩大可使用平台的数量,而后对多个平台进行整合及精益化,进一步对零部件进行模块化,建立模块化汽车平台,从而使汽车设计不受单一汽车平台的限制,实现更多样化和个性化的设计。模块化一方面通过零件共享降低成本,另一方面通过按需组合进行产品的客户化/个性化生产,缓解零件共享化与产品客户化/个性化之间的冲突。
表2 汽车生产模式转变
实际上,以模块化为基础,汽车不同零部件可以采用不同的方式生产,如图3所示,汽车的通用零部件,可通过大规模生产模式实现高效低成本生产;对于可选零部件,可通过定制化生产形成产品系列或产品族,以供用户选择;对于个性化的部分,可通过个性化生产进行量身定制。
如上所述,在市场环境和客户需求变化驱动的下,生产模式不断发生变化,并通过新的科学技术实现模式转变[21]。新工业革命[22],尤其是德国提出的工业4.0[23],标志着工业生产继蒸汽机驱动的机械化、电机驱动的规模流水线生产和电子信息技术引领的自动化之后,人类又迎来了以信息物理系统(Cyber Physical System, CPS)为基础的智能化生产革命,基于CPS的智能制造也应运而生[24]。图4所示为工业革命与制造模式演化过程。
与前三次工业革命不同,工业4.0除了技术维度外,还包括新增的社会维度[1]。其中,技术维度以CPS形式延伸了前期的工业革命生产模式,将前述精敏制造(工业3.0下的代表性大规模制造模式)转变为基于CPS的智能定制化制造,同时3D打印在某种程度上可以看作为以CPS方式复兴和拓展了的手工作坊生产模式;而社会维度与基于CPS的生产系统形成智慧制造——社会信息物理生产系统。从图4中可以看出,工业4.0将更加关注定制化/个性化产品的智能化生产,像3D打印这样的新型制造技术因在单件小批量生产中具有优势而获得了广泛应用。然而,即使是个性化产品,也包含通用模块、定制模块以及个性化模块[14],在现实生产中,大规模定制、大规模生产和个性化生产3种生产模式在当前和今后一段时间长期并存,并不是简单的替代关系,而是形成了如图5所示的长尾生产方式[1]。其中,大规模生产主要关注“头部”的大批量标准化生产;大规模定制和个性化生产组成所谓“长尾生产方式”、关注“尾部”的小批量或单件产品生产。
产品长尾生产理论借鉴长尾理论[25]而被提出来,它强调由大规模定制与个性化定制组成的“长尾分布”的产品生产,可以生产任意数量(尤其是单件小批量)的产品来满足多层次的客户需求,而这些单件小批量产品所占的市场份额,甚至比大规模生产的产品市场份额更大[1]。
长尾生产方式是一种新型大规模定制(包括个性化定制)的生产方式,是应全球化市场激烈竞争和多样化的客户需求而生。以物联网、云计算、大数据等为代表的新一代信息技术的发展为长尾生产的实施提供使能技术。借助这些新兴技术,特别是随新一轮工业革命兴起的新一代智能制造,生产资源按需自组织、自维护成为可能,长尾个性化产品生产才得以真正实现,尤其是3D打印(增材制造)解决了大规模生产和个性化需求的矛盾,最终形成以3D打印为代表的个性化定制,以智能制造为基础的大规模定制,以及不断升级的大规模生产共同组成的长尾生产系统,如图5所示。
3D打印以数字化、自动化形式“复活”了手工作坊生产,而生产的产品成本却比手工生产低得多。另外,3D打印依靠数字模型直接成型,避免了传统加工中复杂的工艺规划和工艺局限(如铸造注口、退刀槽等),提高了设计的灵活性,缩短了产品的开发周期,扩大了加工范围[26],在既有的数字模型下,可制造结构复杂的零件,其加工成本取决于产品的质量和体积,且对结构的复杂程度不敏感,同时基于数字模型的制造使得加工成本不受加工零件之间差异化的影响[27]。此外,以数字模型作为产品的存储和传输对象,进一步促进长尾生产方式实现。由于上述优势,3D打印已应用于航天航空、机械制造、生物、医疗、个人制造等领域,可以生产传统制造难以克服的形状、结构、工艺以及生产批量小等特点的产品(图6)。
下面从经济学的角度对大规模生产、大规模定制和个性化生产进行分析和对比。产品的生产成本主要受设计研发成本、运输成本、材料成本、生产数量等因素影响。3种生产模式之间的差别主要体现在产品生产数量上,而且产品的生产制造成本也主要受生产数量影响。在对产量与生产成本关系的分析中,学习曲线(learning curve)是一种重要的预测和估计工具[28],它反映生产数量对生产成本的影响,即对于某一特定产品,如果产量增加一倍,则产品的生产成本以一定的学习曲线率(r)下降。根据文献[29-30]得到大规模定制中产品的单位生产成本为
(1)
式中,CMC(Ni)为大规模定制中生产第N个(批)i种产品生产时的生产成本,m种产品的产量分别为N1,N2,…,Nm;Ci(1)为首次生产第i种的成本,r为生产该产品的学习曲线率。假设所有产品的首次生产成本相近,令Ci(1)=C1(1)=C(1),则式(1)可进一步简化为
(2)
对于大规模生产情形,即假定产品种类i只有1种,此时由式(2)得到大规模生产的单位生产成本CMP(Ni)为
(3)
对于个性化定制生产,由于其产品为单件生产,可令式(2)中Nj≡1,得个性化生产的单位生产成本
Cpp(Ni)=C(1)。
(4)
由于学习曲线以指数的形式单调递减,对上述公式进行分析可知,CMP和CMC都是从C(1)开始以指数形式递减,且大规模定制中产品种类多于大规模生产的种类,在生产相同总量的产品时,单位价格的下降速度小于大规模生产。CPP因为均为单件小批量生产,所以受数量影响较小,其值近似为C(1),如图7a所示。
上述分析仅考虑了数量对产品生产成本的影响,即当某一类产品的生产数量提高时会形成规模经济,从而取得生产成本上的优势。然而产品的生产成本还受多方面影响,大规模定制生产还可以通过市场细分和范围经济,使成本进一步下降。此外,相关技术的进步将导致产品的边际成本和平均成本下降,即图7a中的成本曲线整体下移。具体而言,受信息通信技术和管理技术等影响,提高定制化生产技术可以降低定制成本,而且新的生产技术,如3D打印和可重组制造,可以使单件小批量产品的生产成本进一步下降,特别是3D打印可以以较低的成本生产个性化产品,其生产成本与数量变化无关[1]。也就是说,无论数量如何变化,成本变化始终为零(严格意义上来说,多个产品打印在设计和物流等方面有一定价格优势,但在生产上几乎不受影响)。由于上述原因,图7a中的CMC和CPP进一步下移,形成了如图7b所示的3条曲线交于A和B两个点。从经济角度来看,B点以后部分表示随着产品批量的增加,大规模生产通过规模经济取得生产成本上的优势,适用于生产数量较多的通用零件或产品;A和B之间的部分表示大规模定制通过新技术引进、市场细分和范围经济,在生产定制(可选)零件或产品时取得了经济上的优势,满足客户的多样化产品需求;OA段表示3D打印等技术使个性化的生产成本下降,并在单件小批量的生产中较其他生产模式有优势,通过单件、多品种小批量的产品生产可进一步获得范围经济效应。此外,个性化和定制化的生产将使产品具有更高的附加值,更贴合用户的需求,满足用户的价值体验,用户也愿意购买比大规模生产价格稍高的定制产品,从而为企业赢得更好的市场和价格。
随着物联网、务联网、云计算、CPS和大数据等新一代信息技术而兴起的智能制造(Smart Manufacturing, SM)[31],为实现多样化制造提供了基础[32-33]:①通过智能机器人、自动导引小车等先进设备提高自动化水平;②结合物联网、云计算、大数据等信息技术提高了生产的管理水平和制造系统的智能化水平,并不断向个性化生产方向发展,为实现低成本、多品种、差异化的产品生产提供支持;③尽管3D打印能够完成商品的个性化部分,但是对于涉及多个领域并由多个构件组成的复杂产品,通常需要将多个通用模块、可选模块和个性化模块进一步组合装配,仍需要智能制造技术进行大规模的通用模块和定制化的可选模块的生产[34]。
由此可见,从经济学角度来看,长尾生产方式兼顾现有3种主要生产方式的优点,弥补各自的不足,形成一种理想的生产方式[1]。通过长尾生产,企业不仅能在激烈的全球化市场下满足用户个性化产品需求,还能为自身带来巨大的利益,具体包括如下几个方面:首先,个性化生产可以减少库存量,提高企业资金流动;其次,多样化的产品可提高企业的抗风险能力;再者,个性化的生产使企业积累的经验和人才得到充分的发挥,提高企业的创新能力和研发能力;此外,用户的广泛参与为企业提供多样化的群体智慧,扩宽企业的创新来源;同时,多样化的生产有利于推动不同企业之间的交流协作,进而促进产业集群的形成,提高行业的整体生产水平[35]。
我国制造业产值已占世界第一,是名符其实的制造业大国,但自主创新能力不足、生产模式落后,主要体现在如下的结构性问题[36-38]:①中低端产品(低附加值产业、高消耗、高污染、高排放产业)过剩,高端产品(高附加值产业、绿色低碳产业、具有国际竞争力产业)供给不足,关键零部件和核心技术受限于人;②生产要素投入不合理与环境污染,需要进一步提高人才、技术、知识、信息等高级要素所占比重;③生产要素(如劳动力、土地、能源等)成本攀升,人口老龄化和人口红利衰减使制造成本上升,依靠要素规模推动的经济增长难以为继。
为适应这种变化,我国制造业迫切需要依托先制造技术,先进制造装备,并结合互联网、物联网、云计算、大数据等技术,进行智能化、个性化的转型升级,进而改革供给侧,提高资源利用率,增加产品附加值,降低能源消耗和环境污染,以实现高效、优质、低耗的绿色制造和智能制造,从制造业大国走向制造业强国。
长尾生产对制造业转型升级的可行性可从供给和需求两个方面进行分析。从供给侧而言,当前我国的低端产能过剩,大规模生产方式已能满足大众的基本需求,摆脱了产品短缺而处于供大于求的状态,但中高端产品缺乏说明现在还不能满足人们消费水平提高而呈现出的多样化与个性化的需求。因此需要对供给侧进行改革,即通过去产能减少已能满足大众基本需求的大规模生产的低端产品,通过增产能增加满足多样化与个性化需求的长尾产品(高端产品)。长尾生产要求厂家以短的产品研发周期和多品种变批量的生产规模进行生产,提高了厂家对市场需求的反应速度,即供给的弹性,有利于市场的稳定发展;同时以满足客户需求为出发点,避免盲目生产,减少大规模生产带来的库存压力,去除过剩产能,弥补中高端制造短板。
从需求方面而言,人类的需求是一个从低端走向高端的过程。对于需求的分类和分析,人们提出不同理论和模型,如Kano模型[39]、马斯洛(Maslow)需求层次理论[40]。不论分类如何,从低级需求走向高级的过程都体现了从单一走向多样化的要求,因为高级需求取决于人的经历、文化背景、心理因素等,需要满足人们差异化的精神需求。我国改革开放30多年来,解决了人们的基本需求——温饱问题,步入了中等收入国家行列,已成为名副其实的经济大国,人们对产品提出了更高的期望需求。
按照经济均衡(尤其是竞争性均衡)理论[41],当价格为如图8a所示的P1时,需求大于供给,即消费者购买商品大于生产者所能供给的商品,必然导致价格上升,生产者愿意扩大产能;当价格为P2时,供给大于需求,即消费者愿意购买的商品小于生产者供给的商品,必然导致价格下降,生产者不得不缩减产能;当价格为P时,供给和需求相等,生产者和消费者都能接受并愿保持该均衡点(E)上的价格(P)与数量(Q)。当前我国绝大部分商品的生产以大规模制造为主导,虽然能提供数量充足的基本产品,但不能分层次、分程度地满足客户的多样化需求;虽然高端产品存在需求,却没有形成有效的供给,造成高端产品依赖进口,国内价格过高的现象。因而,需要发展以用户为中心、直接面向客户多样化需求的长尾生产。长尾生产能够更好地满足不同群体和个人多层次、多样化产品和服务需求,最终达到如图8b所示的供求基本均衡状态。
我国资源、土地和劳动力的低成本比较优势已大大减弱,环境压力却逐渐增大,因此经济的增长将全面转向依靠技术、知识、信息等高级要素的创新驱动。随着互联网,特别是社会化媒体、人际网和移动
互联网发展,越来越多的社会因素被引入到现代制造系统中,出现了社会制造和智慧制造(Wisdom Manufacturing, WM)等概念[42-44]。社会(化)制造可看作为3D打印等制造技术与社会系统的有机融合[22],智慧制造可作看为基于CPS的智能制造与社会系统的结合[42],进而形成一种基于社会信息物理系统(Social CPS, SCPS)的制造模式,如图4所示。因此,引入社会维度后,将如图5所示的以大规模定制和个性化生产为主的“长尾”变为如图9所示的以智慧制造和社会制造为主的“长尾”[1],未来大批量生产所占市场份额越来越少,并逐渐被智慧制造替代,而尾巴却变得更长和更粗。实质上,3D打印等先进制造技术是工业4.0下智能制造的重要组成部分[23],因此智慧制造也包括社会制造,使整个长尾生产“智慧化”。
制造系统本质上是社会技术系统[45],需要从组织、人和技术角度思考制造业如何转型升级。对于走向长尾制造的转型升级,企业需要发展先进生产技术和新的科学管理方法,集大众智慧来实现个性化设计与产品生产,充分发挥人力资本的创新能力,将“大众创业,万众创新”的理念落实到生产制造中[42]。历史上,专用设备和流水线生产的发展促进了大规模制造的实现,当前信息化自动化技术的引入,使多样化的大规模定制成为现实,特别是新兴的3D打印、大数据、云计算、物联网等为大规模定制和个性化制造提供了使能技术。
需要指出的是,我国实施的“科学发展观”、“一带一路”政策等为制造的转型升级提供了新的机遇。在新一代信息通讯技术支撑下的智能(智慧)制造系统中,定制并不总是意味着高的生产成本,当系统有足够的能力调整生产,满足多样化定单时,定制意味着精准、节约、节能,例如钢材的定制可以直接面向需求,避免不必要的冶炼过程,反而节约能耗和成本。
“一带一路”政策的提出对解决我国产能过剩、实现产业转型升级有着重要的意义[46]。“一带一路”的国家战略是各国合作共赢、实现共同发展的道路,一方面利用外部环境为国内市场引进新的产业,将自身过剩的产能转移到沿线有需求的国家;另一方面产业的转型升级、生产力的提高也是一带一路的落脚点。“一带一路”沿线多个国家基础设施和产业结构相对落后[47],但其廉价的劳动力和巨大的市场有利于我国将过剩的产能转移到沿线国家,在实现优势互补的同时,有利于我国腾出精力来发展智能制造,实现制造业转型升级。
综上所述,长尾生产方式符合我国政府当前倡导的创新驱动发展,有助于实施“供给侧改革”、“一带一路”和“双创”的战略,是实现我国制造业转型升级的重要途径。
本文在对大规模生产、大规模定制和个性化生产对比分析的基础上,总结出兼顾精益生产和敏捷制造优点的推拉式大规模定制生产方式,并以汽车生产为例加以印证,然后将精敏大规模定制生产理念延伸到工业4.0下的长尾生产,并借助经济学中的学习曲线对长尾生产进行成本分析,最后分析了长尾生产方式对我国制造业智能化转型升级的问题。
本研究最鲜明的特点在于从“承前启后、继往开来”的角度论述制造业转型升级问题。长尾生产不但承传和拓展了工业3.0下的精敏大规模定制理念,而且为工业4.0的未来制造业转型升级指明了方向,同时也为我国实施“供给侧改革”、“一带一路”和“双创”等战略提供了有益启示。
在当前和今后很长的一段时间里,大规模定制、大规模生产和个性化生产3种模式长期并存并紧密联系在一起,本文正是探讨如何融合新一代信息通讯技术和制造技术,形成兼顾大规模定制、大规模生产和个性化生产于一体的长尾生产方式来满足人们对多层次的产品需求,这也是推动我国制造业迈向中高端转型升级切实可行的途径。后续研究将进一步探讨智慧化长尾制造具体实现技术线路图。