第3章现代制造的基本理念 最近几十年出现了一些关于制造模式的概念，如精益生产、柔性制造、敏捷制造、集成制造、绿色制造、并行工程、大批量定制、虚拟制造、网络化制造……。有人做过不完全统计，有30余种之多。智能制造既然融合了人类智慧与机器智能，其技术当然能够适用于各种制造模式。换言之，智能制造也应该融合各种制造模式的理念。尽管各种模式的理念均有其特点，但未必是制造真正核心的、基本的理念。这里仅介绍核心的、基本的理念。 3.1可持续发展 1987年，挪威首相布伦特兰夫人在她任主席的联合国世界环境与发展委员会的报告《我们共同的未来》［1］中，把可持续发展定义为“既满足当代人的需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”。 1991年，由世界自然保护同盟、联合国环境规划署和世界野生生物基金会发表的《保护地球——可持续生存战略》，将可持续发展定义为“在不超出支持它的生态系统的承载能力的情况下改善人类的生活质量”［2］。很容易看出，可持续发展的理念之要在于： 环境保护； 人的生存； 发展。 可持续发展显然是一个社会综合问题，它需要政府、教育、科技、工业、法律、社会等各方面组织和人士的共同努力。对于与人民生活和社会发展紧密相关的制造业，在可持续发展中的作用自然举足轻重。 3.1.1绿色制造 关于和制造相关的可持续发展，J.G.Spath认为： “可持续发展就是转向更清洁、更有效的技术——尽可能接近‘零排放’或‘密封式’,工艺方法——尽可能减少能源和其他自然资源的消耗。”［3］这就是人们常说的绿色制造(green manufacturing)。 绿色制造也称为环境意识制造(environmentally conscious manufacturing)、面向环境的制造(manufacturing for environment)等。它要求在产品的制造、使用到报废整个过程中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求。对于一个制造企业而言，要做到这一点，需要从产品的全生命周期去考虑。其源头当然是设计。 既然设计是企业中前端的活动，绿色设计就成为真正保证“绿色”的最重要环节。绿色首先是产品的绿色。产品使用时无污染、排放最低，这是最起码的要求。另外，产品在生产和运行中如何使能耗尽可能低？产品在报废回收过程中如何拆解？如何使某些可能产生污染的物质不至于泄漏？某些贵重的物质易于回收(如某些电子产品)吗?某些零件能否再利用？如此等等，都是产品设计人员需要考虑的重要因素。 华为从2013年开始在手机产品中使用生物基塑料。生物基塑料在环保方面具有传统塑料无法比拟的优势，其原料从植物中获取，不需要消耗生产传统塑料使用的不可再生资源——石油，因此可以在很大程度上既减少对环境的污染和破坏，又保护地球不可再生资源。2018年华为继续扩展生物基材料的应用，除了在手机产品上使用外，在HUAWEI WATCH GT手表底座中也首次使用了生物基材料。所有的生物基塑料中的蓖麻油含量均超过30%，其二氧化碳排放量减少约62.6%。2018年，华为总共使用的生物基塑料相比于传统石油基塑料约减少了612t二氧化碳排放［9］。 产品的加工工艺也应该在设计环节有所考虑，因为产品不同的结构会导致不同的工艺，不同工艺的难易程度不一样，所消耗的能量及成本都不一样。设计领域有面向制造的设计(DFM)的概念，即考虑制造工艺的设计。也就是说，设计人员必须考虑，在保证产品功能和质量要求的前提下，什么样的产品结构所需要的加工成本最低、能耗最低。 考虑产品的耗材、耗能问题，不能仅凭设计人员的感觉。虽然定性的考虑也有意义，但真正精细的设计需要利用现代设计手段。图31是卫星推进舱主承力结构的拓扑优化设计。卫星推进舱的主承力结构是卫星推进过程中最重要的支撑结构，为使主承力结构尽可能地减轻自重及改善力学性能，需要进行结构优化设计。例如，通过对主承力结构进行拓扑优化、仿真分析而完成设计，然后3D打印成形。优化结果的材料使用量仅为设计空间的20%，最大位移为0.22mm，最大应力为38MPa，远低于材料的许用应力。优化结果具有完整几何信息，可直接与商用CAD、CAE软件集成，并易于3D打印成形，形成设计-制造的闭环。该例中，不仅节约了材料，更重要的是降低了能量消耗。 图31卫星推进舱主承力结构的拓扑优化设计［4］ (a) 某卫星结构； (b) 设计空间； (c) 最优拓扑； (d) 应变云图； (e) 应力云图； (f) 3D打印缩比件 图31（彩图） 如何在产品的加工生产过程中更好地监测和控制污染的排放，这是企业实施绿色制造的基本问题。其中，智能技术(包括数字化、网络化技术)的应用必不可少。九江石化［5］与浙江中控合作，实现了生产状态可视化、装置操作系统化、管理控制一体化、应急指挥实时化等，推动了生产运行管理的变革性提升。他们还通过一张图，将生产区和生活区的监测系统全部串联起来，让污染物无所遁形。它将生产区异常气味监控系统、废水特征污染物过程监控系统、固废管理与监测系统以及生活区大气质量监测系统、现有生产区外排污水及大气主要污染物监控系统等“一网打尽”。仅仅通过这张环保地图，就可以对厂区范围内的环境管理实现可视化，直观显示各装置排污点的实时和历史监测数据。经过对污染物排放数据的统计与分析，可全面排查环境风险和管理中的薄弱环节； 通过分布在各生产装置的环保在线分析仪，实施预警监控。依托智能工厂建立环保大数据，集成厂内、厂外所有环保监测数据，在环境污染超标溯源分析方面初步实现了智能化应用，为公司的污染防治提供了决策支持，将环保管理由事后管理向事前控制转变。不难想见： 绘制这张环保地图其实需要传感、物联网、大数据、智能分析等多种智能化技术。 关于绿色制造，节能问题很容易被忽略。前面阐述了产品运行的节能问题，但加工制造过程中的节能与制造企业更直接相关。一个车间、工厂的节能问题，不仅间接地影响排放，而且直接影响成本，因此对制造企业意义重大。 三菱福山制作所是三菱电机集团的节能模范工厂，通过活用生产数据以及能耗数据，达到最大化提高生产效率和削减能源成本的效果。通过生产现场的能耗使用量及生产信息的可视化管理，提高生产效率及保证品质； 通过设备的电流监视，实现预防保全； 通过品质数据的反馈，提高生产效率及保证品质，提高生产效率； 通过组装作业内容的可视化管理， 防止人为失误［6］。在低压断路器生产线上，三菱运用其eF@ctory解决方案，每个设备的生产关联信息及能源使用信息都被实时地采集起来，以便找出哪个工序有能源浪费的问题。此外，通过对采集到的数据进行分析，在设备出现问题前能够提前预警，如某设备正常生产时电流为266mA，当检测到电流达到了300mA时，系统会报警，但并不会停线，这样能够提前解决问题。如果产线上某个设备坏了，可以通过收集的数据精确地找到故障设备以及故障原因。此外，最终的能耗还能折算到生产的每台断路器。通过图32中测量、收集、发现问题——分析、改善的过程，实现持续的改进，并不断优化设备的运行。 图32（彩图） 图32实时收集管理生产设备运转状况、能耗数据［6］ 华为非常重视降低能耗［9］。未来通信网络的重要关注点之一就是能量效率，核心是用更少的能量传递更多的信息，以及在能量系统中通过信息技术来降低能耗。5G时代伊始，网络的大容量、高速率会引起能耗增加。业界担心海量联接的5G，能耗可能是4G的2倍以上。为避免过高的能耗，华为采取了若干措施。在芯片设计上，华为采用更高集成度的芯片工艺，不断提升单板集成度，大幅减少在板器件数量，降低模块的功耗。不仅是在芯片工艺层面，在系统软件和专业服务上，通过AI(人工智能)技术实现网络协同节能，在确保KPI(内核编程接口)稳定的基础上，典型无线网络设备省电10%~15%。另外，在硬件上采用更先进的工艺，如采用更科学的仿生散热技术，散热效率大幅提升，功耗也随之降低。所以，采取“软硬结合”的解决方案，华为整体上实现单站能耗比业界平均水平低20%。 从上面的例子可以看到，绿色制造的实施离不开智能制造技术支撑，智能制造的理念应该覆盖绿色制造的思想。 节点及关联 绿色设计&制造： 减少排放、污染，减少材料消耗，节能。 数字技术： CAD，CAE，拓扑优化，传感检测，数据溯源，大数据分析…… 3.1.2面向人和社会 制造企业实施绿色制造，不能仅仅着眼于污染、排放、耗能等问题。一个富有社会责任感的企业还应该面向人和社会。正如2.1节中提到的，智能制造(SM)应该是基于面向人和社会“可持续发展”哲学的、能够导致持续增长的制造发动机。 在2019年达沃斯世界经济论坛上，论坛创始人兼执行主席克劳斯·施瓦布说［7］： “在第四次全球化浪潮中，我们应以人为本，实现包容性、可持续发展。第四次工业革命的技术发展将打破现有国际格局，地缘政治经济秩序将迎来新调整，这意味着全球将步入一个充满变数的新时代。”日本前首相安倍晋三在论坛发表演讲时提到日本“5.0社会”［8］，“5.0社会”提出的目标就是创造超智能化、以人为中心的社会。安倍强调，应该为基于信任的数据自由流通(DFFT)服务。毫无疑问，所有这些都是非个人数据。受惠于第四次工业革命以及社会5.0(Society 5.0)的将会是我们每一个人。这不是一个巨大的资本密集型产业。社会5.0中，连接并推动所有一切的不是资本，而是数据。贫富差距会逐渐缩小。在撒哈拉沙漠以南地区也能提供医疗服务、从小学到职业教育的教育。曾一度辍学的少女也能走出当地村落，拥有无限潜力，看到广阔的地平线。我们的任务，已经十分明确，就是要让数据来消除贫富差距。人工智能、物联网还有机器人，由数据来推动的社会5.0将为城市带来崭新的面貌。 日本的社会5.0的确值得我们关注。这里谈到的基本是社会问题，但显而易见的是，解决这些问题需要数字化、网络化和智能化技术的帮助。 让我们回到现实中具体的例子。不少人大概知道，谷歌做了很多大事，如AlphaGo、智能机器人、无人驾驶汽车……均是引领世界科技潮流的事情。但谷歌同时也做了一些颇有意义的小事，不妨看看谷歌防抖勺(liftware spoon)，见图33。这个小玩意为帕金森综合征患者以及特发性震颤患者带来福音。它内含振动模块，能抵消掉患者手部的震颤。其防抖性能在5cm 的抖动范围内， 图33谷歌防抖勺 能够帮助病人减少70%的抖动对勺子的影响。它还可以通过连接到手机，以某种类似机器学习的方式不断提升其稳定性、精度等。可见这是一个小小的智能化产品，从这个小产品中我们是否能够看到企业文化中体现出的人文关怀？制造业理应关注人和社会。社会中存在很多生活障碍而需要特别关怀的人，从事制造业尤其是智能制造工作的人不能对此视而不见。 再看看华为把可持续发展、把面向人和社会作为企业理念的例子。 华为把公司的业务直接放到可持续发展的视域，用它们的技术大力促进全球的节能减排［9］。预计到2025 年，ICT(信息与通信技术)产业平均每联接的碳排放量将降低80%，ICT产业带来的全球节能和减排量，将远超其自身的运行能耗和碳排放量，ICT将成为全球绿化的重要使能技术。华为的技术、产品、解决方案，持续追求更加节能、环保。比如，5G Power解决方案支持太阳能供电接入，配置华为开发的高效太阳能模块，大大提升了光能转化率，实现节能环保。另外，利用高集成芯片和高效功放以及5G节能“关断”技术，使得5G设备实现15%的功耗下降。 同样，华为也关注世界上存在生存障碍的特殊人群，也致力于用它们的技术去改善那些特殊人群的生存条件。不让他们受限于先天因素，让特殊人群不再特殊。例如，华为与欧洲聋哑人协会等组织联合推出的StorySign智能手机应用，已支持英语、法语、德语、意大利语、西班牙语等10种语言翻译为手语； 通过含有AI和AR技术的手机系统，聋哑儿童只需要对着喜爱的绘本扫一下，可爱的卡通人物就会跃然于屏幕上，用手语将绘本文字活灵活现地翻译出来。华为已帮助约3.4万听障儿童，让听障儿童也享受到阅读的快乐。用技术进步的力量释放他们的潜能。 华为投资控股有限公司2019年可持续发展报告 华为还建立了自己的可持续发展管理体系框架。 2020年新春之际，新冠病毒肆虐中国大地。2月14日，海尔COSMOPlat携手华住会、中国工业设计协会等16家生态合作伙伴共建“企业复工生态链群”，针对企业疫情防控和复工复产需求，可定制人员返程安心住、全员防疫智能管理、复工实操指南等十大全场景解决方案，全流程保障企业安全复工、产能提升。COSMOPlat打造的“企业复工生态链群”，可跨行业、跨领域打通全产业链，从原材料的供应到解决生产控制、细分部件质量等各类问题，同时能涉及企业的整个运转生态，包含衣、食、住、行、康、养、衣、教及金融保险、招聘培训等各环节的全流程协同，快速高效赋能，为企业疫情防控管理和复工复产提供保障［10］。这里同样需要大数据、物联网和某些智能分析技术。 面向人，当然也需要面向企业自己的员工。这一点尚未引起多数企业的重视。企业要有与员工共生的意识。如何创建一个学习生态系统来支持高速成长的个体——在他们的角色变得陈旧之前让他们接触新的、富有挑战性的机会［11］， 也就是说让员工更好地成长。在这方面，潍柴动力股份有限公司的工作很有创见。它们每年拿出1000万元专项资金奖励一线职工进行现场改善(创新)，搭建工匠创新工作室36个，每年员工改善项目6.6万项，直接经济效益约3.2亿元，以员工名字命名现场改善151项。图34是车间现场改善的例子。有更多普通员工参与的智能制造难道不更好吗？ 图34以员工名字命名现场改善项目 3.2以客户为中心 以客户为中心，已成为广大制造企业的核心理念。以客户为中心的理念，既是企业赢得市场的需要，同时也是企业面向人和社会的表现。 3.2.1顾客主义和商业长期主义 商家大概都知道顾客的重要性，都会以自己的方式去争取顾客或客户，但通常并非顾客主义理念所致。 在工业时代相对稳定的环境中，人们判断行业的结构和利润率(外部)、评估企业自身的资源和能力(内部)，再将内外部因素进行结合，得出战略选择的空间。但这有两个重要的前提： 行业的边界相对清晰，资源能力相对可靠。在今天的数字化环境下，这些前提都不成立了： 物联网(IoT)、云服务、大数据、移动设备等打破了许多行业的藩篱。如美团做打车的业务，滴滴做起外卖，两家公司为了争夺本地生活人口而相互渗透核心业务……。尤其是与互联网紧密联系的公司之边界在哪里？行业，变得“抓不住”了。同时，企业自身的资源和能力也变得越来越不“可靠”。一方面，资源和能力在不同企业之间的流动变得越来越频繁，依靠资源和能力在企业间的不可流动或难以复制来获得竞争优势的传统理论，受到了极大挑战。例如，开源模式和共享经济的出现，代表了资源和能力从所有观到使用观的转变，如2014年特斯拉免费开放了所有的知识产权，以推动清洁能源汽车的发展。另一方面，曾经的核心竞争力可能逐步成为路径依赖，阻碍企业的创新和发展，导致今天的优势被明天的趋势所取代。故资源能力，也变得“抓不住”了［12］。人们茫然，在这个如云的时代里，只在此山中，云深不知处。 在数字和云的飘忽不定中，人们蓦然发现，白云生处有人家！顾客原来可以成为相对而言能“抓得住”的一个群体。技术的发展赋予了企业更先进的理解和服务顾客的手段。过去，企业必须通过昂贵的用户调研等方式去了解客户的需求，且由于种种偏差，结果未必令人满意。今天，企业和顾客之间的触点越来越丰富： 用户论坛、社交网络、网页浏览记录、智能硬件交互等。这些触点留下了顾客的蛛丝马迹，帮助企业更好地把握客户的需求，提高产品的定制化水平。企业间的合作又可以进一步放大数据的可用性。例如，优步获得的行车记录不仅可以用于优化派单算法，还可以提供给保险公司，基于个人的驾驶习惯进行个性化的车险定制。最终，企业对顾客的洞察会越来越精准。 顾客主义的逻辑还不仅仅是了解和满足顾客已有的需求，能否创造和引领顾客潜在的需求？能给顾客带来想象吗？这个问题考察的是企业对顾客潜在需求的预见和影响能力。乔布斯似乎从来不在乎已知的消费者需求，他考虑的是消费者将来想要什么。《乔布斯传》最后一章中引用亨利·福特的话： “如果我最初问消费者他们想要什么,他们应该是会告诉我，‘要一匹更快的马!’”人们不知道想要什么，直到你把它摆在他们面前［13］。当年，乔布斯决定做智能手机，有人提出是否进行一下市场调查。乔布斯说，不用，因为人们根本不知道有此需求。这说明洞察消费者需求的方式不只有一种，还可以依靠直觉和预判，也就是给顾客带来超乎想象、令人尖叫的产品和体验。这要求企业具有非同一般的远见、与顾客群体的深度共鸣以及对顾客巨大的影响力。这就是顾客主义的至高境界。 日本服装企业优衣库取得成功的很重要原因之一便是不断给顾客带去超乎想象的体验［14］。优衣库的总裁柳井正说： “作为专业人士，你必须基于顾客所反映的问题和需求，充分发挥想象力和创造力，以超出顾客期待的水准将顾客的需求变为现实。只有这样，你才能创造出顾客真正需要的附加价值。”优衣库始终坚持“服适人生”的理念，坚持以消费者体验为中心，坚持将艺术、科技等元素融入产品和服务之中的商业长期主义。 很多企业追求短期利益。商业长期主义，顾名思义，是以公司的长期发展为其终极目标，绝不肯做出一些为短期的利益而牺牲长期发展机会的商业行为。长期主义也是一种价值观的表现。有人认为，亚马逊的成功密码是长期主义的胜利［15］。应该讲，长期主义也是和以顾客为中心联系在一起的。亚马逊创始人贝索斯曾说： “以顾客为中心并不能保证你不受竞争影响。但如果从客户需求出发进行创新，你将能保持领先。” 值得注意的是： 无论是顾客主义还是商业长期主义，数字化、网络化、智能化技术是奉行其理念的最好手段。 基于这些技术，开发者可以想象顾客的潜在需求，最终创造需求，从而给顾客或客户带来惊喜。恰恰是这类技术的快速发展，客户自己往往很难意识到潜在的需求。一旦企业创造出需求，会迅速吸引大批客户。 苹果手机的发展就可以说明这一点。第一代iPhone于2007年发布，2008年7月11日，苹果公司推出iPhone 3G。自此，智能手机的发展开启了新的时代。不要误以为，苹果的成功主要是保持住了顾客对美学不断变化的理解(尽管乔布斯是一个完美主义者，从事苹果产品相关的工作人员还有音乐家、诗人以及艺术家等)，更重要的是他们不断把一些先进的信息通信技术用到手机上，如多点触控屏幕、谷歌地图、iPhone应用程序商店、指纹扫描仪——指纹解锁、移动网络、虚拟助手、加速度计和传感器、无线耳机(不需耳机插孔)……这些技术应用于手机之前，人们并没有关于相关功能的需求甚至想象。正是这些先进技术的应用不断为人们带来惊喜，iPhone也极大地改变了人们的生活。所以，企业应该致力于利用新技术开发超乎人们想象力的产品。智能制造的首要任务恐怕是把数字化、智能化技术用于产品，使其具有超乎客户想象力的功能。 另外，要抓住客户，即使产品本身并不一定体现多少新技术(如某些形式上创新的产品，如服装)，但新产品的开发过程需要新技术的支撑。如何收集、分析某些群体的相关信息(往往是非结构化的)，做出正确的决策，需要数字化、网络化、智能化手段。 总之，商业长期主义表现在产品上，无论是产品内在功能还是形式，数字化、智能化等前沿技术的应用不可或缺。 3.2.2以客户为中心的产品开发 以客户为中心的制造理念，首先应反映在产品开发上。现代产品开发的理念强调设计制造使用一体化考虑，如图35所示。 图35设计制造使用一体化考虑(引自： Detlev Reicheneder，AutoDesk) 3.1.1节中提到，在设计的早期阶段就要充分考虑制造和产品运行过程中的问题。不能说传统的产品开发方式中设计者完全没考虑，但其考虑是建立在自己的以传统方式(书本、经验、调查研究等)获取的认知基础之上。传统的产品开发模式是串行的，即概念设计、设计(包括初步设计和详细设计)、生产、销售、产品运行和报废； 现代产品开发模式是并行的，即设计者在其设计过程中可以及时充分地获取产品生命周期其他环节的现场数据和专家(人或智能工具)知识，其中最重要的是使用现场的数据和使用者(客户)的经验、需求和想法，见图36。要做到及时全面地获取相关信息，传统方式完全无能为力。因为获得现场数据需要传感、物联网； 获得的数据需要大数据分析手段； 专家给的知识或信息可能是非结构化的数据，需要相应的智能分析手段； 为了更好地呈现某些初步设计或想法，可利用虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)技术，也便于不同环节的专家之间的交流协同； 如此等等。简单地说，需要工业4.0的方式。可见： 设计制造使用一体化考虑需要物联网、大数据、智能分析、VR、AR…… 李培根.面向人和社会——实现企业价值增长 图36智能产品开发与传统产品开发(引自： Detlev Reicheneder，AutoDesk) 3.2.3大规模个性化定制 早期的制造业是手工作坊式的。这种模式中，产品的设计者和制造者可能是同一人，即使是不同的人，因为工作场所在一起，也可以随时交流。若需要其产品满足客户的某些特定要求，并非难事，因为手工作坊式具有足够的柔性。18世纪60年代，瓦特改进蒸汽机，手工工场开始向工厂发展。及至19世纪20年代，电力、电机和内燃机等技术相继出现，人们突然发现可以更大规模地生产更多的产品。20世纪初，亨利·福特和斯隆创立大批量生产方式。大批量生产方式的出现是一次真正的革命，这种方式分工更细，效率更高，成本自然更低。它创造需求，迅速地让全社会(包括很多普通人)受惠于工业的进步。当然，大批量生产方式因为柔性的欠缺而牺牲了个性化的需求。第二次世界大战后，高新技术，特别是电子技术的飞速发展，使大批量生产方式发展到极致。新技术的发展永远不会扼杀人类的欲望，因为人类是欲望的产物而不是需求的产物。随着先进制造、计算机、网络、人工智能等技术的发展，客户需求多样化和个性化的欲望催生了新的制造模式——大规模定制(MC)。早在1970年，美国未来学家阿尔文·托夫(Alvin Toffler)在Future Shock一书中提出了一种全新的生产方式的设想： 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，斯坦·戴维斯(Start Davis)在Future Perfect［16］一书中首次将这种生产方式称为Mass Customization，即大规模定制。1993年，B.约瑟夫·派恩(B.Joseph Pine II)在《大规模定制： 企业竞争的新前沿》［17］一书中写道，大规模定制的核心是产品品种的多样化和定制化急剧增加，而不相应增加成本。 随着大数据、互联网平台等技术的发展，企业更容易与用户深度交互、广泛征集需求。在生产端，柔性自动化、智能调度排产、传感互联、大数据等技术的成熟应用，使企业在保持规模生产的同时针对客户个性化需求而进行敏捷柔性的生产。图37展示了大规模生产模式和个性化定制模式的区别。 图37大规模生产与个性化定制对比［18］ 未来，个性化定制将成为常态，尤其在消费类产品行业。当前，服装、家居、家电等领域已开启个性化定制。在时尚行业，早在《2015中国时尚消费人群调查报告》显示，80后、90后人群中90.3%的人对定制消费感兴趣。在家具行业，定制家具制造业增长明显快于传统成品家具制造业。近3年，5家成品家具上市公司的营收增速分别为9%、8%、25%，而同期8家定制家具企业营收增速分别为27%、26%、32%。未来随着互联网技术和制造技术的发展成熟，柔性大规模个性化生产线将逐步普及，按需生产、大规模个性化定制将成为常态［18］。