传统制造业的智能化转型

郑晓松

摘要：我国传统制造业主要集中于劳动密集型产业，由于多方面原因，近些年来，我国制造业面临着诸多困难。随着移动互联网、人工智能和大数据等技术的飞速发展，特别是5G通信网络的逐步普及，智能化已经成为传统制造业的未来发展方向。通过智能化转型，企业的生产成本可以大幅度下降，生产工艺和流程得到全面优化，能真正意义上实现“柔性化”生产和管理，在大规模的标准化商品的生产之外，更好地满足市场的个性化需求。

关键词：传统制造业;智能化;生产成本;生产工艺;柔性生产

近年来，我国传统制造业面临诸多困难，一方面，全球制造业出现向发达国家回流和其他发展中国家转移的新态势，另一方面，创新能力不足、品牌知名度不高、制造成本上升等制约我国制造业发展。面对挑战，贯彻落实“中国制造2025”和“互联网+”行动计划，促进制造业与互联网、人工智能、大数据等新一代信息技术的融合发展，实现传统制造业的智能化转型是未来发展的主要方向。

智能化是指企业将以机器人为核心的人工智能和互联网、大数据、云计算等新一代信息技术融合到传统的生产制造工艺之中，从而达到改善企业的生产经营，大幅提高生产效率的目标。智能化是当今世界制造业发展的大趋势，比如，美国的《先进制造业国家战略计划》、德国的“工业4.O计划”和日本的《制造业白皮书》等重大战略规划中，有一个共同的方向就是不断推动传统制造业的自动化和智能化。面对各国的战略举措和全球制造业竞争格局的重大调整，2015年，中国也出台了《中国制造2025》，明确提出必须依靠创新驱动，推广“智能制造”，做大“互联网+”模式，实现从“制造”向“智造”的新突破。同年，工信部启动实施“智能制造试点示范专项行动”，公布了2015年智能制造试点示范项目名单，46个项目入围。通过示范专项行动，直接切入制造活动的关键环节，充分调动企业的积极性，注重试点示范项目的成长性，通过点上突破，形成有效的经验与模式，在制造业各个领域加以推广与应用。可以说，智能化已经成为优化生产工艺、促进制造业转型升级的关键。

一、智能化能大幅降低生产成本

改革开放以来，中国生产的产品以其“物美价廉”在国际上迅速抢占巨大份额，中国制造业蓬勃发展，国内生产总值迅速提升，为中国经济发展做出了巨大贡献。国内大量年轻、廉价劳动力为此提供了坚实的基础，这是中国有别于其他国家的先天优势，然而这种情况正在发生变化。根据国家统计局的人口出生情况统计，可以发现，经过两波人口出生高峰，在1987年前后达到高点后，人口出生规模逐年下降，特别是近些年来，人口老龄化现象日益加剧，体力劳动力市场每年减少相当大规模的适龄人口，这一趋势或维持多年，可以说老龄化进程将深刻影响我国经济和社会生活的各个方面。

除了老龄化和适龄劳动力减少外，根据国家信息中心的分析报告，影响我国制造业成本上升、利润下降的原因还包括：1（1）劳动力成本出现了快速上涨。统计数据显示，中国单位就業人员平均工资从2004年的15920元上升至2014年的56360元，年均上涨13. 5%。国际比较显示，中国劳动力成本上升速度不仅显著快于美日欧等发达经济体，而且快于南非、巴西等发展中国家。2008 2014年，中国单位就业人员平均工资年均名义增长率达到11. 8%，扣除物价因素，实际增长9%左右。而同期美国工资实际增长率仅为1. 9%、欧元区为0.5%、日本为0.8%;南非和巴西的实际工资增长率分别为3.2%和5.7%。 （2）能源原材料成本相对较高。尽管金融危机以来，全球大宗初级产品价格普遍出现大幅下跌，但是，受交易税费、定价机制、流通费用、原料来源等因素影响，总体上中国能源原材料成本高于美国、俄罗斯、巴西等主要能源市场。能源价格相对较高对中国制造业竞争力带来抑制作用。

总之，在各种成本上升的不利因素影响下，中国制造商利润空间受到压缩，产品价格上升，竞争力下降，出口放缓，一些企业利润开始下降甚至开始亏损、倒闭，劳动成本不再成为中国制造业的优势，而技术创新又没有跟上相应的发展步伐，这使许多企业特别是那些劳动密集型和资源密集型的传统企业面临转型的困境，可以说，经历多年快速发展后，中国制造业进入一段相对艰难期。

智能化可以帮助企业降低生产成本、提高生产效率，从而实现营业利润的大幅增长。人工智能是智能制造的核心要件，人工智能可以通过自适应制造，自动质量控制，预测性维护等解决方案有效地应对当今制造业面临的问题，比如不稳定的产品优良率、生产线设计缺乏灵活性等等，从而达到改善工艺流程、缩短设计周期、减少材料和能源浪费，提高产品质量的目的。工信部新近发布的《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018 2020年）》中明确指出：“大数据的形成、理论算法的革新、计算能力的提升及网络设施的演进驱动人工智能发展进入新阶段，智能化成为技术和产业发展的重要方向。人工智能具有显著的溢出效应，将进一步带动其他技术的进步，推动战略性新兴产业总体突破，正在成为推进供给侧结构性改革的新动能、振兴实体经济的新机遇、建设制造强国和网络强国的新引擎”。具体到生产端，工业机器人是实施智能制造的主体。机器人的核心技术是运动控制技术。工业机器人基本沿着两个路径在发展：一是模仿人的手臂，实现多维运动，在应用上比较典型的是点焊、弧焊机器人;二是模仿人的下肢运动，实现物料输送、传递等搬运功能，例如AGV搬运机器人。随着微电子、新材料、控制、传感交互等新技术的发展，通过软件优化，机器人的功能将更加强大。大力发展以工业机器人为核心的智能制造也是我国经济发展的必然选择。从人口的角度来看，回顾中国近二十年的经济发展，农村劳动力转移和人口红利相互叠加，为制造业提供了大量的廉价劳动力。而今天，刘易斯拐点隐现和人口红利逐渐减弱，导致传统依赖廉价劳动力成本的发展模式受到挑战，从而促进了制造业转型期对机器人的需求。其次，国内企业的生产工艺与技术已经允许机器人及自动化装备的广泛应用，这是生产水平不断发展所必然到达的一个阶段。最后，我国制造业中工业机器人的密度及保有量远低于发达国家，我国制造业自动化程度尚处于较低水平，距制造业发达国家尚有较大的差距，市场潜力巨大，具有显著提升空间。

二、智能化能优化生产工艺和流程

2008年国际金融危机之后，为美国为首的西方发达国家对制造业在推动贸易增长、提高研发和创新水平和促进就业等方面的重要作用有了新的认识，纷纷提出制造业国家战略，如美国的《先进制造业国家战略计划》、德国的“工业4.O计划”和日本的《制造业白皮书》等。在这些重大战略规划中，有一个共同的方向就是不断推动传统制造业的智能化转型。面对各国的战略举措和全球制造业竞争格局的重大调整，2015年，中国也出台了《中国制造2025》，明确提出必须依靠创新驱动，推广“智能制造”，做大“互联网+”模式，实现从“制造”向“智造”的新突破。可以说，智能化已经成为优化生产工艺和流程、促进传统制造业转型升级的关键。

所谓智能化，实质就是“人工智能+制造”。具体来讲，智能制造包括智能制造技术和智能制造系统。智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，通过智能化的感知、人机交互、决策和执行技术，实现设计过程、制造过程和制造装备智能化，是信息技术和智能技术与装备制造过程技术的深度融合与集成。当前，核心的智能制技术包括工业机器人、数控机床和3D打印等智能制造装备。所谓智能制造系统是指一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等，也即智能化人机交互系统分布式集成制造。从哲学层面讲，智能制造的本质是人的自身解放在制造领域和生产环节的实现，是18世纪工业革命以来机器替代人的劳动的延续和深化，表现为人机一体系统的个体制造单元的“自治性”与系统整体“自组织能力”的自主与自由，同时也是人的个体性和社会性在新的物质和技术条件约束下形成新的均衡关系。

智能化的主要目标是充分利用以互联网、大数据和人工智能为核心的新一代信息技术，优化制造业传统的相对固化、效率不高的生产工艺和流程，建构高效、快捷的数字化工厂。德国工程师协会对于数字化工厂的定义是：数字化工厂（DF）是由数字化模型、方法和工具构成的综合网络，包含仿真和3D/虚拟现实可视化，通过连续的、不中断的数据管理集成在一起。数字化工厂集成了产品、过程和工厂模型数据库，通过先进的可视化、仿真和文档管理，提高产品的质量和生产过程所涉及的质量和动态性能。广义的数字化工厂则将制造企业的上游供应商、中游合作伙伴、下游渠道商、客戶等所有相关方全部包含在内，形成虚实映射的统一协作系统，其本质是通过数据流、信息流与工作流的数字化，更有效实现运营与管控。在产品研发设计环节利用数字化建模技术为产品构建三维模型，能够有效减少物理实体样机制造和人员重复劳动所产生的成本。例如，美国波音公司在其737-NX和787的设计制造中，利用数字化建模技术，不但有效缩短了研制周期，大幅降低了研制成本，有效实现了产品设计与制造环节的信息协同，从而大幅提高了生产效率。在生产规划环节，基于产品设计环节的数据，利用虚拟仿真技术，可以对于工厂的生产线布局、设备配置、生产制造工艺路径、物流等进行预规划，并在仿真模型“预演”的基础之上，进行分析、评估、验证，迅速发现系统运行中存在的问题和有待改进之处，并及时进行调整与优化，减少后续生产执行环节对于实体系统的更改与返工次数，从而有效减低成本、缩短工期、提高效率。例如，大众汽车公司旗下斯柯达捷克工厂，即采用西门子的Tecnomatix，利用虚拟仿真工艺路径规划，来减少实际生产线调整改进所需要花费的成本。

三、智能化能实现真正的柔性生产

现代化的企业遵循的原则是大规模生产和标准化的商品，今天，到处商场林立，各种产品琳琅满目，产品越来越丰富，但勿庸置疑，同一款商品都是按标准化的原则大批量生产的，每个产品都是事先被统一设计好的，无法真正体现购买者的意愿和爱好，顾客只能被动接受，充其量能在众多同类商品中进行挑选而已。另一方面，随着人们收入的增加，消费流行期和产品生命周期的缩短，时髦的消费方式被模仿速度的加快，消费观念逐步向品质的外在化、个性化、自然化方向发展，由主要注重物质消费向物质与精神消费并重方向发展，人们不仅只满足于生存的生理需求，更需要满足发展和享受需求，特别需要一种自发的心理满意感的需求。因此，那些能充分满足个性化要求的具有广泛的市场前景和更高的附加值。以前，因为空间的限制和沟通成本的高昂，具体个人的需求和个性化制造之间无法有效进行匹配，但是，随着互联网和智能手机在全球的普遍运用，这一切都迎刃而解，可以说，智能化大大接近了消费者和生产者的距离，为个性化制造提供了广阔的前景。

个性化产品要求企业根据消费者要求，实现真正意义上的“柔性化”生产。美国的克里斯·安德森是互联网经济理论领域的著名作家，被誉为“信息时代的精神领袖”。在《创客：新工业革命》-书中，对于互联网时代的个性化制造，安德森寄予其崇高的地位和莫大的希望，安德森把互联网时代的个性化制造理解为一种新的工业革命，它不仅推动传统制造业与互联网的融合，而且会促使全球数以百万计的创新爱好者和发明者投入到个人制造中，从而改变现存的标准化制造业生态，全球制造业将由此翻开新的一页。对于企业而言，个性化产品和标准化、规范化的产品完全不同，这就要求企业必须实行企业再造，在制度设计上对企业业务流程做根本性的重新思考和彻底的重新设计，因此它不是对原有组织进行修修补补，而是对企业运营方式的重大革命，也是企业制度的重新安排。为了满足顾客的多样化需求，企业的生产装配线必须具有快速调整的能力。为此，必须实现适合于个性化生产的模块化设计和模块化制造。一旦顾客提出自己的特定要求，便将这些满足要求的部件迅速组装上去，从而可以提高速度和效率。在信息技术空前发达的今天，互联网、大数据将生产企业和消费者紧密联系在一起，使消费需求数据、信息得以迅捷地传达给生产者和品牌商。生产商根据市场需求变化组织物料采购、生产制造和物流配送，使得生产方式由大批量、标准化的推动式生产向市场需求和个性化定制拉动式生产转变。因此，企业的生产必须更加“柔性化”，所谓“柔性化”是指供应链具有足够弹性，产能可根据市场需求快速做出反应：“多款式的小批量”可以做，需要大批量翻单、补货也能快速做出来，而且无论大单、小单能做到品质统一可控，成本相差无几、及时交货。对于企业而言，柔性化供应链的最大收益在于把握销售机会的同时，又不至于造成库存风险。个性化时代，企业根据顾客的实际订单来进行生产，真正做到了以需定产，因而大大加快了企业资金的周转速度，减少了资金的占用。由于在产品生产之前就形成了一种契约，就是已经销售出去的产品，因此不会造成产品积压，缩短了再生产周期。同时，个性化产品减少了各中间环节及其支持费用，缩短了供求双方之间的距离，强化了企业与顾客之间的沟通，因而只要质量可靠、定价合理，这些产品就能很顺利地销售出去，大大减少了广告、促销等销售成本。比如，目前，在淘宝网上，“多品种、小批量、快翻新”正在逐步成为主流。以服装业为例：在消费端，淘宝网上固然有一些单款销售数万件的服装，但另一方面长尾效应也越来越显著，一款女装销售百余件，在淘宝网上就是一个很普遍的现实。这意味着，企业生产体系必须适应“多品种、小批量”的要求，才能“接得住”蓬勃的个性化需求。事实上，不只是服装业，互联网上大量分散的个性化需求正在以倒逼之势，持续施压于电子商务企业的销售端，并倒逼生产制造企业在生产方式上具备更强的柔性化能力，并将进一步推动整条供应链乃至整个产业，使之在响应效率、行动逻辑和思考方式上逐步适应快速多变的需求。