1.3 制造模式的變革

制造是一個減熵、增加信息含量的過程。企業是一個復雜、非線性、大動力學系統。在企業內動態地流通著勞務流、資金流、物料流、信息流和能量流等資源。在市場經濟環境和企業體制、生產組織和技術系統中，依靠科技、依靠人的決策和技術創造能力、依靠信息的減熵支撐，經營、管理上述各種資源，以獲取企業投入的優化增值和利潤，是建立企業先進制造模式的目標。

制造模式(manufacturing mode)是一種為響應社會和市場需求變化而產生的革命性集成化生產模式(production mode)[12]，并且由于一種新制造系統的創建使其成為可能，是制造企業在生產經營、管理體制、組織結構和技術系統等方面體現的形態或運作方式。從更廣義的角度看，制造模式就是一種有關制造過程和制造系統建立和運行的哲理和指導思想。

1.3.1 制造模式模型

制造企業必須對世界任何地方的消費者和市場做出快速響應，以保持企業在全球的競爭力，這個響應來自三個方面：產品設計、制造系統以及商業模式。

（1）產品設計：根據細分市場，開發創新性的客戶可定制的產品和功能（服務）。

（2）制造系統：適應性的制造系統，產品的產量和功能能夠快速適應市場需求的變化。

（3）商業模式：應響應變化莫測的市場和客戶。

制造系統、商業模式和產品結構（來自產品設計）的集成就產生了一種制造模式，每種新制造模式的驅動力都是市場需求和社會需求（圖1-4）。社會需求也許來自于有更多可供選擇的產品，以滿足個人的品位和喜好，或來自于降低產品價格，或來自于與環境有關的需求。

每種制造模式的目標由市場行情、社會的新需求以及這些需求的變化驅動。新的技術使能器（如計算機、新興信息技術等）的引入，并在新型制造系統中應用，使得新的制造模式成為可能。對應每種新的制造模式，就有一種新型的制造系統被開發出來，并通過一種基于新的技術使能器的應用使其成為可能。例如，柔性制造系統的發明使大規模定制模式成為可能。產品結構也隨著模式的變化而改變。隨著產品種類的進一步擴展，產品結構越來越模塊化。每種制造模式都有自己的商業模式，來適應制造模式的特性，并滿足制造模式的需要——社會需求或市場行情。

每種制造模式都重點涉及3個基本要素：①設計，設計產品及其功能，以滿足特定的社會需求；②制造，通過能夠快速響應市場需求和基于的工藝及制造系統來制造產品；③銷售，向客戶銷售目標明確、有針對性的產品來使企業獲利。每種制造模式的商業模式都是唯一的，這一商業模式決定著設計—生產—銷售的順序。

1．商業模式

商業模式是在提升消費者產品價值的同時，利用企業的競爭優勢為企業創造經濟價值的一種戰略方法，指企業與企業之間、企業的部門之間、企業與顧客之間、企業與渠道之間都存在各種各樣的交易關系和連接方式。商業模式也就是企業所有資源和經濟關系的有機組合，與企業戰略一起稱為企業頂層設計的核心內容。一般而言，商業模式包括10個基本要素，而一個好的商業模式至少要包含前7個，也就是說，應該確定消費者是誰，以及怎樣通過向消費者提供可以從中獲利的產品和服務，以便為企業創造經濟價值。

?價值主張(value proposition)：公司通過產品和服務向消費者提供的價值。價值主張確認公司對消費者的實用意義。

?消費者目標群體（target customer segments）：公司瞄準的消費者群體。這些群體具有某些共性，從而使公司能夠（針對這些共性）創造價值。定義消費者群體的過程也被稱為市場劃分(market segmentation)。

?分銷渠道(distribution channels)：公司用來接觸消費者的各種途徑，闡述了公司如何開拓市場。它涉及公司的市場和分銷策略。

?客戶關系(customer relationships)：公司同消費者群體之間建立的聯系，通常說的客戶關系管理(customer relationship management)與此相關。

?價值配置(value configurations)：資源和活動的配置。

?核心能力(core capabilities)：公司執行商業模式所需的能力和資格。

?合作伙伴網絡(partner network)：同其他公司之間為有效地提供價值并實現其商業化而形成的合作關系網絡，也描述了公司商業聯盟(business alliances)的范圍。

?成本結構(cost Structure)：所使用的工具和方法的貨幣描述。

?收入模型(revenue model)：通過各種收入流(Revenue Flow)創造財富的途徑。

?裂變模式(Business Name Consumer，BNC)：商業模式轉變的方式和方向。

在企業運營過程中，與商業模式相關的概念有運營模式、經營模式、盈利模式、生產模式、營銷模式等[19]，可從以下角度進行區別。

?從企業戰略角度，運營模式泛指企業對內、對外的一切商業活動及組織實施，是從企業內部資源的層面上來整體分析企業是如何運轉的、如何經營的、如何銷售的等。經營模式是運營模式中的一個很重要的部分，主要指企業創造價值的過程。運營模式是一個大圓，經營模式是大圓中的小圓。

?商業模式與運營模式：商業本身大于運營，商業模式構建的是企業與其他企業、用戶、客戶、政府、競爭對手等全方位的關系，運營模式構建的是基于企業生產經營銷售管理等企業內部經濟關系。商業模式的范圍要大于運營模式。

?盈利模式是指從成本與收入的角度分析企業是如何賺錢并持續賺錢的。

?生產模式(production mode)和營銷模式是分別解釋生產制造和營銷管理的方式。

根據企業生命周期，企業會有不同的發展階段。無論是互聯網新興企業，還是傳統企業，無論是制造企業，還是專業服務公司，開始必須設計企業的商業模式。小型企業要在創業時期設計好商業模式，中型企業在轉型升級時必須重塑商業模式，大型及巨型企業須根據多元業務進行不同業務鏈企業的商業模式改造。

在很多情況下，采用一種新型的商業模式比發明新的產品更容易獲得成功。例如，Domino's Pizza發明的送貨上門的商業模式、Dell發明的計算機組裝模式、阿里的淘寶網絡大賣場模式、京東的自有物流送貨、小米的互聯網手機模式（改變了傳統手機制造的供應鏈）、e保養的O2O維護保養模式（改變了傳統汽車后服務市場）等。

2．制造系統

制造系統是人、機器和裝備以及物料流和信息流的一個組合體。國際著名制造系統工程專家、日本東京大學的一位教授指出：“制造系統可從3個方面定義。①制造系統的結構方面：制造系統是一個包括人員、生產設施、物料加工設備和其他附屬裝置等各種硬件的統一整體；②制造系統的轉變方面：制造系統可定義為生產要素的轉變過程，特別是將原材料以最大生產率變成為產品；③制造系統的過程方面：制造系統可定義為生產的運行過程，包括計劃、實施和控制。”

綜合而言，制造系統是制造過程及其所涉及的硬件、軟件和人員組成的一個將制造資源轉變為產品或半成品的輸入/輸出系統，涉及產品全生命周期（包括市場分析、產品設計、工藝規劃、加工過程、裝配、運輸、產品銷售、售后服務及回收處理等）的全過程或部分環節。其中，硬件包括廠房、生產設備、工具、刀具、計算機及網絡等；軟件包括制造理論、制造技術（制造工藝和制造方法等）、管理方法、制造信息及其有關的軟件系統等；制造資源包括狹義制造資源和廣義制造資源；狹義制造資源主要指物能資源，包括原材料、坯件、半成品、能源等；廣義制造資源還包括硬件、軟件、人員等。

制造系統的目標是用遠低于生產原型產品的成本來生產高質量的產品，使它們能夠以暢銷的價格進行銷售。在全球化競爭環境中，設計一種具有成本效益的制造系統并有效地運作是具有重要競爭力的跳幀，特別是當競爭對手有大量勞動力優勢時。

3．產品結構

產品結構隨著模式的變化而改變，隨著產品種類的擴展，產品結構越來越模塊化和產品功能（服務）越來越多樣化。

1.3.2 制造模式的發展階段

20世紀后半葉，特別是20世紀80年代后期以來，生產需求朝多樣化方向發展且競爭加劇。信息技術的進步，特別是互聯網的出現，迫使產品生產朝多品種、變批量、短生產周期方向演變，傳統的大量生產正在被更先進的生產模式所代替，從而對制造模式的演變起到了巨大的推動作用。從美國學者于20世紀80年代末首次提出了“先進制造”(advanced manufacturing)的概念開始，國內外專家學者先后總結出了一系列頗有成效和價值的制造模式，如精益制造、柔性制造、計算機集成制造、敏捷制造、現代集成制造、虛擬制造、高效快速重組(Lean Agile Flexible，LAF)、分散化網絡制造、成組技術、綠色制造、智能制造、大規模定制等，為制造業實現多品種、小批量、個性化定制生產奠定了相關的理論基礎。

總的來說，制造模式總是與當時的生產發展水平及市場需求相聯系的，至今，消費品制造經歷了手工作坊制造、大規模制造、精益制造、柔性制造和計算機集成制造、敏捷制造和現代集成制造、智能制造等不同發展階段（圖1-5改編自文獻[16])。

1．手工作坊制造

在手工業生產時代，是手工作坊制造模式，其特點是產品的設計、加工、裝配和檢驗基本上都由個人完成，技術工人使用通用機床基準地制造客戶所支付的產品，一次生產一件產品。這種制造模式靈活性好，但效率低，難以完成大批量產品的生產，其有如下特征：

（1）產品品種多，因為每種產品都是根據訂單生產的。

（2）每種產品的產量極低。

（3）拉動式商業模式：銷售—設計—制造。

（4）高技能的勞動力。

（5）通用機床完成所有的加工操作。

2．20世紀初—20世紀中葉：大規模制造

大規模制造也稱量產，是指產品數量很大，大多數工作地點固定，長期按照一定的生產節拍（在流水線生產中，相繼完成兩件制品之間的時間間隔）進行某一個零件的某一道工序的加工。大量生產品種單一，產量大，生產重復程度高。高質量標準化可互換零件的生產技術是大規模制造成功的主要技術使能器。

從19世紀中葉到20世紀中葉，福特于1913年提出基于可互換零件的大規模制造(Mass Production，MP)模式，以低成本生產高質量(C/Q)的產品，在制造業中占主導地位近百年，這種模式通過勞動分工實現作業專業化，在機械化和電氣化技術支持下，大大提高了勞動生產率，降低了產品成本，有力推動了制造業的發展和社會進步。

大規模制造的主要特征如下。

?生產的產品種類非常有限。

?每種產品的產量很大。

?推動式商業模式：設計—制造—銷售。

?專用機械和裝配流水線。

?相對低技能的勞動力。

大規模制造的實現條件：

?可互換零件。

?流水生產線。

?專用設備與專用制造系統。

3．20世紀60年代—20世紀80年代中后期：精益制造

精益制造的目標是以低成本生產高質量的產品。

精益制造(LP)，有些專家稱之為精益生產，是指在需要的時候按需要的量生產所需的產品。其目標是：降低制造成本、提高產品質量。也就是說，即使在產品產量相對較低的情況下，通過消除浪費，從而降低成本、改善品質、提高生產率，也能很經濟地生產高品質的產品。有些管理專家也稱精益生產方式為JIT生產方式、準時制生產方式、適時生產方式或看板生產方式等。浪費的來源主要包括以下8種情形。

（1）過量生產：生產了多于客戶需求數量、下一生產工序所需數量的產品，過早或過快生產出了下一工序要求的產品。

（2）產品缺陷：不僅使產品質量下降，而且在生產系統中增加無價值的活動。

（3）庫存：精益生產系統中，庫存按照拉動系統原理，保持在最低狀態。

（4）運輸（搬運）：廠房布局不合理，生產操作之間長距離運輸或頻繁地搬運物料。

（5）多余的動作：生產中不會為產品增加價值的動作，如移動零件。

（6）等待：零件在待加工區等待機器加工、機器空轉或閑置等待零件加工。

（7）員工未被充分利用。

（8）無效加工。

20世紀50年代初，當二次大戰剛剛結束，西方國家正在津津樂道于大批量生產方式帶來的績效和優勢時，日本人卻在迅速恢復被戰爭破壞的經濟，悄悄地和不自覺地開始醞釀了一場制造史上的革命。在此同時，制造技術的發展突飛猛進，數控、機器人、可編程序控制器、自動物料搬運裝置、工廠局域網、基于成組技術的柔性制造系統等先進制造技術和系統迅速發展，但它們只是著眼于提高制造的效率，減少生產準備時間，卻忽略了可能增加的庫存帶來的成本增加。當時，日本豐田汽車公司副總裁大野耐一開始注意到制造過程中的浪費是造成生產率低下和增加成本的根源，他從美國的超級市場受到啟發，形成了看板系統的構想，于1953年提出了JIT方式（使能器），并于20世紀60年代初形成了日本豐田應用于運營管理的精益生產模式。20世紀80年代后期，精益生產系統的原理在美國、歐洲和中國開始運用，這時大規模定制模式也應運而生。

大規模定制是以大量生產的成本生產類型廣泛（多品種、小批量）的定制產品，吸引更多的消費者，增加銷售。

4．20世紀80年代—20世紀90年代中后期：柔性制造和計算機集成制造

柔性制造和計算機集成制造的目標是通過計算機數控機床或機器人以低成本生產多品種、小批量的零件和產品。

1）柔性制造

柔性制造系統是由可編程設備（如計算機數控機床和工業機器人）加上柔性物料進給系統（如自動導向小車或一個行車式機器人）組成的系統。柔性制造系統的構件單元是計算機數控機床（常用于加工系統中）或機器人（常用于裝配系統和自動焊接線等），它們兩者都包含了柔性物料進給系統的精細運行控制器。加工系統中典型的計算機數控機床包括加工中心、鉆床、激光切割機和一些自動檢測設備等；典型的柔性物料進給系統包括傳送帶、門架和自動導向小車(AGV)等。柔性制造系統可以通過改變零件程序、刀具和定位方式生產新的產品。柔性制造系統成為大規模定制生產模式的使能器。

1967年，英國莫林斯公司首次根據威廉森提出的柔性制造系統(FMS)基本概念，研制了“威廉森系統24”。其主要設備是6臺模塊化結構的多工序數控機床，目標是在無人看管條件下實現晝夜24小時連續加工，但最終由于經濟和技術上的困難而未全部建成。同年，美國的懷特?森斯特蘭公司建成OmnilineⅠ系統，它由8臺加工中心和2臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節拍在各機床間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備適于在少品種、大批量生產中使用，在形式上與傳統的自動生產線相似，所以也叫柔性自動線。日本、德國等也都在20世紀60年代末至20世紀70年代初，先后開展了FMS的研制工作。1976年，日本發那科公司展出了由加工中心和工業機器人組成的柔性制造單元(FMC)，為發展FMS提供了重要的設備形式。FMC一般由1~2臺數控機床與物料傳送裝置組成，有獨立的工件儲存站和單元控制系統，能在機床上自動裝卸工件，甚至自動檢測工件，可實現有限工序的連續生產，適于多品種、小批量生產應用。20世紀70年代末期，柔性制造系統在技術上和數量上都有較大發展，20世紀80年代初期已進入實用階段，其中以由3~5臺設備組成的柔性制造系統為最多，但也有規模更龐大的系統投入使用。

柔性制造系統的歷史如下：

?1967年，英國的莫林斯公司最早推出了“威廉森系統24”，6臺模塊化結構的多工序數控機床由傳輸工件（固定在托盤上）的自動物料處理系統連接，實現24小時連續加工。

?1971年，美國Sundstrand公司設計了軌道式托盤傳輸系統——穿梭車系統。

?1972年，德國機床廠商Auerbach推出了“M250/02CNC”制造系統，配有2個三軸加工中心、3個兩臂轉換器和1個四臂機器人，完成菱形零件的五面加工。

?20世紀70年代中期，柔性制造系統開始生產小批量、多品種零件。

?20世紀80年代及此后20年，柔性制造系統廣泛應用于整個工業界。

柔性制造系統的發展趨勢大致有兩個方面：一方面是與計算機輔助設計和輔助制造系統相結合，利用原有產品系列的典型工藝資料，組合設計不同模塊，構成各種不同形式的具有物料流和信息流的模塊化柔性系統。另一方面是實現從產品決策、產品設計、生產到銷售的整個企業經營過程的自動化，特別是管理層次自動化的計算機集成制造系統。在計算機集成制造系統中，柔性制造系統只是它的一個組成部分。

2）計算機集成制造

計算機集成制造(Computer Integrated Manufacturing，CIM)是隨著計算機技術在制造領域中廣泛應用而產生的一種生產模式，于1973年由美國約瑟夫?哈靈頓博士提出。CIM是一種概念、一種哲理，而計算機集成制造系統CIMS是指在CIM思想指導下，逐步實現的企業全過程計算機化的綜合系統，其目標是通過企業全流程改善降低浪費、次品和事故，提高產品的質量。計算機集成制造系統是計算機集成制造模式的使能器。

5．20世紀90年代后期—21世紀初：敏捷制造和現代集成制造

敏捷制造和現代集成制造的目標是通過產品全生命周期的數據管理，為用戶提供所需要的能力和服務（個性化產品和服務）。

全球化制造革命開始于20世紀的最后10年。全球化使世界各地不同國家生產相似產品的企業加入了競爭行列，大大加劇了全世界的競爭。在這種情況下，消費者的個性化需求刺激了制造市場的個性化生產。20世紀末，全球化的個性化生產開始成熟，消費者可以主動參與到購買產品的設計過程，精準地選擇符合自己需求的商品和服務。

個性化生產商業模式：以接近大量生產的成本，從給定模塊中選取組件，及時地按訂單生產定制產品，通過完全符合消費者對產品的需求來增加銷售。

在全球化制造中，制造系統不僅必須具有柔性，而且能夠對產品需求的波動做出響應。這種響應性可以通過開發可重構制造系統實現。可重構制造系統[13]能夠快速調整其生產能力，使之與市場需求相匹配；能夠迅速裝備響應的工具生產新產品；能夠及時更新功能，生產不同的產品系列。可重構制造系統通過“按時、按需提供產能和功能”，從而擁有對市場需求高度適應的生產能力。個性化生產和可重構制造系統融合誕生了敏捷制造和現代集成制造。

1）敏捷制造

敏捷制造是指制造企業采用現代通信手段，通過快速配置各種資源（包括技術、管理和人），以有效和協調的方式響應用戶需求，實現制造的敏捷性。敏捷性是核心，是企業在不斷變化、不可預測的經營環境中善于應變的能力，是企業在市場中生存和領先能力的綜合表現，具體表現在產品的需求、設計和制造上具有敏捷性，也可以說是可重構制造。

20世紀90年代，信息技術突飛猛進，信息化的浪潮洶涌而來，許多國家制訂了旨在提高自己國家在未來世界中的競爭地位、培養競爭優勢的先進的制造計劃。為重新奪回美國制造業的世界領先地位，美國政府把制造業發展戰略目標瞄向21世紀。美國通用汽車(GM)公司和里海(Leigh)大學的雅柯卡(Iacocca)研究所在國防部的資助下組織了百余家公司，由通用汽車、波音、IBM、德州儀器、AT&T、摩托羅拉等15家著名大公司和國防部代表共20人組成了核心研究隊伍。此項研究歷時3年，于1994年年底提出了“21世紀制造企業戰略”。這份報告中提出既能體現國防部與工業界各自的特殊利益，又能獲取他們共同利益的一種新的生產方式，即敏捷制造(AM)。

敏捷制造是在具有創新精神的組織和管理結構、先進制造技術（以信息技術和柔性智能技術為主導）有技術和知識的管理人員三大類資源支柱支撐下得以實施的，也就是將柔性生產技術、有技術和知識的勞動力與能夠促進企業內部和企業之間合作的靈活管理集中在一起，通過建立的共同基礎結構對迅速改變的市場需求和市場進度做出快速響應。敏捷制造比其他制造方式具有更靈敏、更快捷的反應能力。

2）現代集成制造

現代集成制造(Contemporary Integrated Manufacturing，CIM)在繼承計算機集成制造優秀成果的基礎上不斷吸收先進制造技術中相關思想的精華，適應集成過程從信息集成、過程集成向企業集成方向迅速發展，于1999年由中國學者李伯虎、吳澄等提出。

6．2012年至今：智能制造

智能制造的目標是以低成本快速實現智能化的客戶定制需求。

隨著2012年美國工業互聯網、2013年德國工業4.0、2015年“中國制造2025”等國家制造戰略的提出，社會進入智能制造模式。智能制造突出了知識在制造活動中的價值地位，而知識經濟又是繼工業經濟后的主體經濟形式。智能制造成為未來經濟發展過程中制造業重要的生產模式。

制造系統中問題的發生和解決的過程會產生大量數據，通過對這些數據的分析和挖掘可以了解問題產生的過程、造成的影響和解決的方式（圖1-6(a)），這些信息被抽象化建模后轉化成知識，再利用知識去認識、解決和避免問題，核心是從以往依靠人的經驗，轉向依靠挖掘數據中隱形的線索，使得制造知識能夠被更加高效和自發地產生、利用和傳承。

基于大數據的預測性分析技術可以加速產品創新、生產系統質量的預測性管理、產品健康管理及預測性維護、能源管理、環保與安全、供應鏈優化、產品精準營銷、智能裝備和生產系統的自省性和重構能力，其實現方式可以從以下3個方面體現（圖1-6(b)）。

?建模：把問題變成數據，通過數據建模把經驗變成可持續的價值。

?預測：把數據（如時域信號的統計特征、波形信號的頻域特征、能量譜特征以及特定工況下的信號讀數等）變成知識，分析可見問題，預測不可見問題。

?決策：把知識變成數據，驅動產品、工藝、生產、運營、決策創新。

總體來說，每種制造模式都具有一組不同的需求集合，既有來自社會的需求，也有來自市場的需求，見表1.4。

1.3.3 各工業強國制造模式的變革過程

在過去近200年的工業積累中，美國、日本、德國等工業強國都形成了非常鮮明的制造哲學，其根源是對知識的理解、積累和傳承方式的差異[6]。日本的載體是人，德國的載體是裝備，美國積累的主要載體是數據，形成了各自特色。

1．日本：通過組織文化和人的訓練不斷改善，在知識的承載和傳承上非常依賴人

日本獨特的克忍、服從和集體觀念文化也深深地影響了日本的制造文化，其最主要的特征就是通過組織的不斷優化、文化建設和人的訓練解決生產系統中的問題。日本在1970年提出以“全生產系統維護(Total Production Maintenance，TPM)”為核心的生產管理體系，其核心思想為：全效率、全系統和全員參與。1990年以后，日本選擇了“精益制造”(JIT&LP)作為其轉型方向，而非6-sigma質量管理體系。日本企業在人才的培養方面也是不遺余力的，尤其是雇員終身制文化，將雇員與企業的命運緊密聯系在一起，使得人的經驗和知識能夠在企業內部積累、運用和傳承。

除了企業內部以外，日本還有獨特的“企業金字塔梯隊”文化，即以一個巨型企業為核心，如豐田、三菱等，形成一個完整產業鏈上的企業集群，企業之間保持長期的合作，互相幫助對方進行改善和提升，這樣能夠保證知識在一個更大的體系中不斷地積累、流通和傳承。

對于日本企業而言，員工是最重要的價值，對人的信任遠勝于對設備、數據和系統的信任，所有的自動化或是信息化建設也都是以幫助人去工作為目的，所以日本企業從來不會談機器換人或是無人工廠。如果中國想要學習工匠精神，那么最應該借鑒的是日本孕育工匠的組織文化和制度。但是，這樣的文化在近幾年遇到了一個十分巨大的挑戰，就是日本的老齡化和制造業年輕一代大量短缺的問題，使得沒有人能夠去傳承這些知識。日本也意識到了自己在數據和信息系統方面的缺失，開始在這些方面發力。這一點在日本的工業價值鏈(Industrial Value chain Initiative，IVI)產業聯盟的構架和目標上能夠清晰地看到。

該聯盟提出的19條工作項目：①遠程工廠的操作監控和管理；②設備生命周期管理；③生產線實時數據的動態管理；④設備集成的實時維護；⑤實時數據分析和預測維護；⑥云共享和維護數據的策劃—實施—檢查—改進（Plan-Do-Check Action cyc1e，PDCA）；⑦通過制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）將自動化生產線、運輸和人工檢測進行集成；⑧自主的制造執行系統在公司外工作；⑨能處理意外情況的制造執行系統；⑩達到從實時數據獲取制造知識； ?以智能數據作為質量保證（故障的早期發現和阻止）； ?中小型企業制造系統使用機器人； ?制造技術與管理的無縫集成； ?設計和制造的物料清單與可追溯管理的集成； ?人與機器合作的工作方式的工廠的標準化； ?連接中小企業； ?信息物理生產和物理一體化； ?遠程站點的B2B收貨服務； ?面向用戶的大規模定制。其中有7條與大數據直接相關。

可以說，日本的轉型戰略是應對其人口結構問題和社會矛盾的無奈之舉，核心是要解決替代人的知識獲取和傳承方式。日本在轉型過程中同樣面臨著許多挑戰，首先是數據積累的缺失，使得知識和經驗從人轉移到信息化體系和制造系統的過程中，缺少了依據和判斷標準。其次是日本工業企業保守的文化造成軟件和IT技術人才的缺失，正如日本經產省公布的《2015年制造白皮書》中表達的憂慮“相對于在德國和美國正在加快的制造業變革，現在還沒有（日本）企業表現出重視軟件的姿態”。

2．德國的制造哲學及“工業4.0”：通過設備和生產系統的不斷升級，將知識固化在設備上

德國的先進設備和自動化的生產線是舉世聞名的，可以說在裝備制造業的實力上有著傲視群雄的資格。德國人嚴謹的風格以及獨特的“學徒制”高等教育模式(co-operative education，co-op)使得德國制造業的風格非常務實，理論研究與工業應用的結合也最緊密。

日本和德國解決問題的方式是不同的。例如，如果生產線上經常發生物料分揀出錯的現象，日本的解決方式很有可能是改善物料辨識度（如顏色等）、員工訓練以及設置復查制度；而德國則很可能會設計一個射頻識別(Radio Frequency IDentification，RFID)掃碼自動分揀系統或是利用“圖像識別＋機械手臂”自動進行分揀。

除了在生產現場追求問題的自動解決之外，在企業的管理和經營方面也能夠看到其盡力減少人為影響因素的努力。例如，世界上最好的企業資源計劃(ERP)管理系統、制造執行系統(MES)、先進規劃與排程系統(Advanced Planning and Scheduling，APS)等軟件供應商都來自德國，通過軟件自動完成盡量減少人為因素帶來的不確定性。

然而，德國同樣對數據的采集缺少積累。在德國的制造系統中，對故障和缺陷采用零容忍的態度，一旦出現問題，就通過裝備端的改進一勞永逸地解決，在德國人的意識中不允許出現問題，也就自然不會由問題產生數據，最直接的表現就是找遍德國的高校和企業幾乎沒有人在做設備預診與健康管理(Prognostics Health Management，PHM)和虛擬測量等質量預測性分析。另外，德國生產線的高度自動化和集成化，使得其整體設備效率(Overall Equipment Effectiveness，OEE)非常穩定，利用數據進行優化的空間也較小。

產品優秀的質量和可靠性，使得德國制造擁有非常好的品牌口碑。然而，德國近年來也發現了一個問題，那就是大多數工業產品本身只能夠賣一次，賣給一個客戶之后也就少了一個客戶。同時，隨著一些發展中國家的裝備制造和工業能力的崛起，德國的市場也在不斷被擠壓，在2008—2012年的5年時間里，德國工業出口幾乎沒有增長。因此，德國開始意識到賣裝備不如賣整套的解決方案，甚至如果同時還能夠賣服務就更好了。

2013年4月，德國在漢諾威工業博覽會上正式推出了“工業4.0”戰略計劃，其背后是德國將制造系統中積累的知識體系集成后產生的系統產品，同時將制造知識以軟件或是工具包的形式提供給客戶作為增值服務，從而在客戶身上實現可持續的盈利能力。“工業4.0”的思想是通過信息物理系統(CPS)實現人、設備與產品的實時連通、相互識別和有效交流，構建一個高度靈活的個性化和數字化的智能制造模式。在這種模式下，生產由集中向分散轉變，規模效應不再是工業生產的關鍵因素；產品由趨同向個性轉變，未來產品都將完全按照個人意愿進行生產，極端情況下將成為自動化、個性化的單件制造；用戶由部分參與向全程參與轉變，不僅出現在生產流程的兩端，而且廣泛、實時參與生產和價值創造的全過程。

“工業4.0”設計框架的核心要素就是集成：一是價值網絡的橫向集成，即通過應用CPS，加強企業之間在研究、開發與應用的協同推進，以及在可持續發展、商業保密、標準化、員工培訓等方面的合作；二是全價值鏈的縱向集成，即在企業內部通過采用CPS，實現從產品設計、研發、計劃、工藝到生產、服務的全價值鏈的數字化；三是端對端系統工程，即在工廠生產層面，通過應用CPS，根據個性化需求定制特殊的IT結構模塊，確保傳感器、控制器采集的數據與ERP管理系統進行有機集成，打造智能工廠。因此，德國在第四次工業革命中的主要目的是利用知識進一步提升其工業產品出口的競爭力，并產生直接的經濟回報。

2013年12月，德國電氣電子和信息技術協會發布了“德國‘工業4.0’標準化路線圖”，其目標是制定出一套單一的共同標準，形成一個標準化的、具有開放性特點的標準參考體系，最終達到通過價值網絡實現不同公司間的網絡連接和集成。德國“工業4.0”提出的標準參考體系是一個通用模型，適用于所有合作伙伴公司的產品和服務，提供了“工業4.0”相關的技術系統的構建、開發、集成和運行的框架，意圖是將不同業務模型的企業采用的不同作業方法統一為共同的作業方法。

3．美國的制造哲學及工業互聯網：從數據和移民中獲得新的知識，并擅長顛覆和重新定義問題

與日本和德國相比，美國在解決問題的方式中最注重數據的作用，在客戶的需求分析、客戶關系管理、生產過程中的質量管理、設備的健康管理、供應鏈管理、產品的服役期管理和服務等方面都大量地依靠數據進行。這也造成了1990年后美國與日本和中國選擇了兩種不同的制造系統改善方式：美國企業普遍選擇了非常依賴數據的6-sigma體系，而日本選擇了非常依賴人和制度的精益管理體系。由于中國與日本文化的相似性以及中國企業普遍缺乏數據的積累和信息化基礎，所以中國的制造企業在2000年以后的質量和管理改革也大多選擇精益管理體系。除了從生產系統中獲取數據以外，美國還在21世紀初提出了“產品全生命周期管理(PLM)”的概念，核心是對所有與產品相關的數據在整個生命周期內進行管理，管理的對象為產品的數據，目的是全生命周期的增值服務和實現到設計端的數據閉環(closed-loop design)。

數據也是美國獲取知識的最重要途徑，不僅是對數據積累的重視，更重要的是對數據分析的重視，以及企業決策從數據反映出來的事實出發的管理文化。除了利用知識解決問題外，美國也非常擅長利用知識進行顛覆式創新，從而對問題進行重新定義。例如，美國的航空發動機制造業，降低發動機的油耗是需要解決的重要問題。大多數企業會從設計、材料、工藝、控制優化等角度去解決這個問題，然而GE公司發現飛機的油耗與飛行員的駕駛習慣以及發動機的保養情況非常相關，于是就從制造端跳出來轉向運維端去解決這個問題，收到的效果比從制造端的改善還要明顯。這也就是GE公司在推廣工業互聯網時提出的“1%的力量”(Power of 1%)的依據和信心來源，其實與制造并沒有太大的關系。

所以，美國在智能制造革命中的關鍵詞依然是“顛覆”，這一點從其新的戰略布局中可以清楚地看到，利用工業互聯網顛覆制造業的價值體系，利用數字化、新材料和新的生產方式（3D打印等）去顛覆制造業的生產方式。

1）工業互聯網

工業互聯網的概念最早由通用電氣于2012年提出，與“工業4.0”的基本理念相似，倡導將人、數據和機器連接起來，形成開放而全球化的工業網絡，其內涵已經超越制造過程以及制造業本身，跨越產品生命周期的整個價值鏈。工業互聯網和“工業4.0”相比，更加注重軟件、網絡和大數據，目標是促進物理系統和數字系統的融合，實現通信、控制和計算的融合，營造一個信息物理系統的環境。

工業互聯網系統由智能設備、智能系統和智能決策三大核心要素構成，是數據流、硬件、軟件和智能的交互。由智能設備和網絡收集的數據存儲之后，利用大數據分析工具進行數據分析和可視化。由此產生的“智能信息”可以由決策者必要時進行實時判斷處理，成為大范圍工業系統中工業資產優化戰略決策過程的一部分。

（1）智能設備。

將信息技術嵌入裝備中，使裝備成為可智能互聯產品。為工業機器提供數字化儀表是工業互聯網革命的第一步，使機器和機器交互更加智能化，這得益于以下3個要素：①部署成本：儀器儀表的成本已大幅下降，從而有可能以一個比過去更經濟的方式裝備和監測工業機器；②微處理器芯片的計算能力：微處理器芯片持續發展已經達到一個轉折點，即使得機器擁有數字智能成為可能；③高級分析：“大數據”軟件工具和分析技術的進展為了解由智能設備產生的大規模數據提供了手段。

（2）智能系統。

智能系統是將設備互聯形成的一個系統。智能系統包括各種傳統的網絡系統，但廣義的定義包括了部署在機組和網絡中并廣泛結合的機器儀表和軟件。隨著越來越多的機器和設備加入工業互聯網，可以實現跨越整個機組和網絡的機器儀表的協同效應。智能系統的構建整合了廣泛部署智能設備的優點。當越來越多的機器連接在一個系統中，久而久之，結果將是系統不斷擴大并能自主學習，而且越來越智能化。

（3）智能決策。

當從智能設備和系統收集到足夠的信息來促進數據驅動型學習的時候，智能決策就發生了，從而使一個小機組網絡層的操作功能從運營商傳輸到數字安全系統。

2014年3月，美國通用電氣、IBM、思科、英特爾和AT&T 5家行業龍頭企業聯手組建了工業互聯網聯盟(Industrial Internet Consortium，IIC)，其目的是通過制定通用標準，打破技術壁壘，使各個廠商設備之間可以實現數據共享，利用互聯網激活傳統工業過程，更好地促進物理世界和數字世界的融合。工業互聯網聯盟已經開始起草工業互聯網通用參考架構，該參考架構將定義工業物聯網的功能區域、技術及標準，用于指導相關標準的制定，幫助硬件和軟件開發商創建與物聯網完全兼容的產品，最終目的是使傳感器、網絡、計算機、云計算系統、大型企業、車輛和數以百計其他類型的實體得以全面整合，推動整個工業產業鏈的效率全面提高。

2）智能制造

2011年6月24日，美國智能制造領導聯盟(Smart Manufacturing Leadership Coalition，SMLC)發表了“實施21世紀智能制造”報告。該報告認為智能制造是先進智能系統強化應用、新產品制造快速、產品需求動態響應，以及工業生產和供應鏈網絡實時優化的制造。智能制造的核心技術是網絡化傳感器、數據互操作性、多尺度動態建模與仿真、智能自動化，以及可擴展的多層次的網絡安全。該報告給出了美國智能制造企業框架（圖1-7）。智能制造企業將融合所有方面的制造，從工廠運營到供應鏈，并且使得對固定資產、過程和資源的虛擬追蹤橫跨整個產品的生命周期。最終結果將是在一個柔性的、敏捷的、創新的制造環境中優化性能和效率，并且使業務與制造過程有效串聯在一起。

總的來說，對知識的理解、積累和傳承方式的差異決定了日本、德國和美國制造業的創新制造哲學和文化，而制造哲學和文化又影響了國家在工業道路選擇的路徑和側重點。

1.3.4 中國智能制造的部分內容

經過幾十年的快速發展，我國制造業規模躍居世界前列，建立起門類齊全、獨立完整的制造體系，成為支撐我國經濟社會發展的重要基石和促進世界經濟發展的重要力量。持續的技術創新，大大提高了我國制造業的綜合競爭力。載人航天、載人深潛、大型飛機、北斗衛星導航、超級計算機、高鐵裝備、百萬千瓦級發電裝備、萬米深海石油鉆探設備等一批重大技術裝備取得突破，形成了若干具有國際競爭力的優勢產業和骨干企業，我國已具備建設工業強國的基礎和條件。

但我國仍處于工業化進程中，與先進國家相比還有較大差距。制造業大而不強，自主創新能力弱，關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高，以企業為主體的制造業創新體系不完善；產品檔次不高，缺乏世界知名品牌；資源能源利用效率低，環境污染問題較為突出；產業結構不合理，高端裝備制造業和生產性服務業發展滯后；信息化水平不高，與工業化融合深度不夠；產業國際化程度不高，企業全球化經營能力不足。推進制造強國建設，必須著力解決以上問題。

建設制造強國，必須緊緊抓住當前難得的戰略機遇，積極應對挑戰，加強統籌規劃，突出創新驅動，制定特殊政策，發揮制度優勢，動員全社會力量奮力拼搏，更多依靠中國裝備、依托中國品牌，實現中國制造向中國創造的轉變，中國速度向中國質量的轉變，中國產品向中國品牌的轉變，完成中國制造由大變強的戰略任務。

1．指導思想

全面貫徹黨的十九大精神，加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合。以推進智能制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目標，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，促進產業轉型升級，培育有中國特色的制造文化，實現制造業由大變強的歷史跨越。基本方針是：

（1）創新驅動。堅持把創新擺在制造業發展全局的核心位置，完善有利于創新的制度環境，推動跨領域、跨行業協同創新，突破一批重點領域關鍵共性技術，促進制造業數字化、網絡化、智能化，走創新驅動的發展道路。

（2）質量為先。堅持把質量作為建設制造強國的生命線，強化企業質量主體責任，加強質量技術攻關、自主品牌培育。建設法規標準體系、質量監管體系、先進質量文化，營造誠信經營的市場環境，走以質取勝的發展道路。

（3）綠色發展。堅持把可持續發展作為建設制造強國的重要著力點，加強節能環保技術、工藝、裝備推廣應用，全面推行清潔生產。發展循環經濟，提高資源回收利用效率，構建綠色制造體系，走生態文明的發展道路。

（4）結構優化。堅持把結構調整作為建設制造強國的關鍵環節，大力發展先進制造業，改造提升傳統產業，推動生產型制造向服務型制造轉變。優化產業空間布局，培育一批具有核心競爭力的產業集群和企業群體，走提質增效的發展道路。

（5）人才為本。堅持把人才作為建設制造強國的根本，建立健全科學合理的選人、用人、育人機制，加快培養制造業發展急需的專業技術人才、經營管理人才、技能人才。營造大眾創業、萬眾創新的氛圍，建設一支素質優良、結構合理的制造業人才隊伍，走人才引領的發展道路。

2．戰略目標

立足國情，立足現實，力爭通過“三步走”實現制造強國的戰略目標。

第一步，力爭用10年時間，邁入制造強國行列。

到2020年，基本實現工業化，制造業大國地位進一步鞏固，制造業信息化水平大幅提升。掌握一批重點領域關鍵核心技術，優勢領域競爭力進一步增強，產品質量有較大提高。制造業數字化、網絡化、智能化取得明顯進展。重點行業單位工業增加值能耗、物耗及污染物排放明顯下降。

到2025年，制造業整體素質大幅提升，創新能力顯著增強，全員勞動生產率明顯提高，兩化（工業化和信息化）融合邁上新臺階。重點行業單位工業增加值能耗、物耗及污染物排放達到世界先進水平。形成一批具有較強國際競爭力的跨國公司和產業集群，在全球產業分工和價值鏈中的地位明顯提升。

第二步，到2035年，我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平。創新能力大幅提升，重點領域發展取得重大突破，整體競爭力明顯增強，優勢行業形成全球創新引領能力，全面實現工業化。

第三步，新中國成立100年時，制造業大國地位更加鞏固，綜合實力進入世界制造強國前列。制造業主要領域具有創新引領能力和明顯競爭優勢，建成全球領先的技術體系和產業體系。

3．戰略任務和重點

實現制造強國的戰略目標，必須堅持問題導向、統籌謀劃、突出重點；必須凝聚全社會共識，加快制造業轉型升級，全面提高發展質量和核心競爭力。

1）推進信息化與工業化深度融合

加快推動新一代信息技術與制造技術融合發展，著力發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。

研究制定智能制造發展戰略。編制智能制造發展規劃，明確發展目標、重點任務和重大布局。加快制定智能制造技術標準，建立完善智能制造和兩化融合管理標準體系。強化應用牽引，建立智能制造產業聯盟，協同推動智能裝備和產品研發、系統集成創新與產業化。促進工業互聯網、云計算、大數據在企業研發設計、生產制造、經營管理、銷售服務等全流程和全產業鏈的綜合集成應用。加強智能制造工業控制系統網絡安全保障能力建設，健全綜合保障體系。

智能產品研發：加快發展智能制造裝備和產品。組織研發具有深度感知、智慧決策、自動執行功能的高檔數控機床、工業機器人、增材制造裝備等智能制造裝備以及智能化生產線，突破新型傳感器、智能測量儀表、工業控制系統、伺服電動機及驅動器和減速器等智能核心裝置，推進工程化和產業化。加快機械、航空、船舶、汽車、輕工、紡織、食品、電子等行業生產設備的智能化改造，提高精準制造、敏捷制造能力。統籌布局和推動智能交通工具、智能工程機械、服務機器人、智能家電、智能照明電器、可穿戴設備等產品研發和產業化。

智能工廠（智能生產）：推進制造過程智能化。在重點領域試點建設智能工廠/數字化車間，加快人機智能交互、工業機器人、智能物流管理、增材制造等技術和裝備在生產過程中的應用，促進制造工藝的仿真優化、數字化控制、狀態信息實時監測和自適應控制。

產品全生命周期的智能管控：加快產品全生命周期管理、客戶關系管理、供應鏈管理系統的推廣應用，促進集團管控、設計與制造、產供銷一體、業務和財務銜接等關鍵環節集成，實現智能管控。加快民用爆炸物品、危險化學品、食品、印染、稀土、農藥等重點行業智能檢測監管體系建設，提高智能化水平。

價值鏈的智能服務：深化互聯網在制造領域的應用。制定互聯網與制造業融合發展的路線圖，明確發展方向、目標和路徑。發展基于互聯網的個性化定制、眾包設計、云制造等新型制造模式，推動形成基于消費需求動態感知的研發、制造和產業組織方式。建立優勢互補、合作共贏的開放型產業生態體系。加快開展物聯網技術研發和應用示范，培育智能監測、遠程診斷管理、全產業鏈追溯等工業互聯網新應用。實施工業云及工業大數據創新應用試點，建設一批高質量的工業云服務和工業大數據平臺，推動軟件與服務、設計與制造資源、關鍵技術與標準的開放共享。

基礎設施建設：加強互聯網基礎設施建設。加強工業互聯網基礎設施建設規劃與布局，建設低時延、高可靠、廣覆蓋的工業互聯網。加快制造業集聚區光纖網、移動通信網和無線局域網的部署和建設，實現信息網絡寬帶升級，提高企業寬帶接入能力。針對信息物理系統網絡研發及應用需求，組織開發智能控制系統、工業應用軟件、故障診斷軟件和相關工具、傳感和通信系統協議，實現人、設備與產品的實時聯通、精確識別、有效交互與智能控制。

緊密圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用。支持政產學研用聯合攻關，開發智能產品和自主可控的智能裝置并實現產業化。依托優勢企業，緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化，建設重點領域智能工廠/數字化車間。在基礎條件好、需求迫切的重點地區、行業和企業中，分類實施流程制造、離散制造、智能裝備和產品、新業態新模式、智能化管理、智能化服務等試點示范及應用推廣。建立智能制造標準體系和信息安全保障系統，搭建智能制造網絡系統平臺。

2）積極發展服務型制造和生產性服務業

加快制造與服務的協同發展，推動商業模式創新和業態創新，促進生產型制造向服務型制造轉變。大力發展與制造業緊密相關的生產性服務業，推動服務功能區和服務平臺建設。

推動發展服務型制造。研究制定促進服務型制造發展的指導意見，實施服務型制造行動計劃。開展試點示范，引導和支持制造業企業延伸服務鏈條，從主要提供產品制造向提供產品和服務轉變。鼓勵制造業企業增加服務環節投入，發展個性化定制服務、全生命周期管理、網絡精準營銷和在線支持服務等。支持有條件的企業由提供設備向提供系統集成總承包服務轉變，由提供產品向提供整體解決方案轉變。鼓勵優勢制造業企業“裂變”專業優勢，通過業務流程再造，面向行業提供社會化、專業化服務。支持符合條件的制造業企業建立企業財務公司、金融租賃公司等金融機構，推廣大型制造設備、生產線等融資租賃服務。

加快生產性服務業發展。大力發展面向制造業的信息技術服務，提高重點行業信息應用系統的方案設計、開發、綜合集成能力。鼓勵互聯網等企業發展移動電子商務、在線定制、線上到線下等創新模式，積極發展對產品、市場的動態監控和預測預警等業務，實現與制造業企業的無縫對接，創新業務協作流程和價值創造模式。加快發展研發設計、技術轉移、創業孵化、知識產權、科技咨詢等科技服務業，發展壯大第三方物流、節能環保、檢驗檢測認證、電子商務、服務外包、融資租賃、人力資源服務、售后服務、品牌建設等生產性服務業，提高對制造業轉型升級的支撐能力。

強化服務功能區和公共服務平臺建設。建設和提升生產性服務業功能區，重點發展研發設計、信息、物流、商務、金融等現代服務業，增強輻射能力。依托制造業集聚區，建設一批生產性服務業公共服務平臺。鼓勵東部地區企業加快制造業服務化轉型，建立生產服務基地。支持中西部地區發展具有特色和競爭力的生產性服務業，加快產業轉移承接地服務配套設施和能力建設，實現制造業和服務業協同發展。