由 “燈塔工廠” 透視工業革命4.0技術實現路徑
http://www.debgrams.com 2022-11-29 17:17 來源：先進制造業
2018年，世界經濟論壇(WEF)攜手麥肯錫公司共同倡議并正式啟動了全球“燈塔工廠網絡項目”(Light house Network)，共同遴選率先應用工業革命4.0技術實現企業盈利和持續發展的創新者與示范者。“燈塔工廠”在應用新技術實現增效降本、節能減排等方面為全球企業提供了值得借鑒的成功案例。
1 “燈塔工廠”概況及發展情況分析
在全球制造業轉型升級如火如荼的今天，“燈塔工廠”展示了如何從數字化中挖掘新的價值，包括提升資源利用率和生產率、加強敏捷度和響應能力、提高定制化和柔性化水平、獲得更好的投資回報率等，并為全球可持續發展做出了貢獻。
1.1 “燈塔工廠”的評選標準
“燈塔工廠”評選基于企業提供的切實可見的成果和用例，但沒有絕對的量化標準，入圍企業的行業和規模彈性也很大，現有“燈塔工廠”涵蓋了不足100名到超過1萬名員工的各類企業。“燈塔工廠”評選關注的是企業利用工業革命4.0技術實踐所取得的可持續發展成效或商業模式創新，從現有“燈塔工廠”的用例來看，入圍考量重點主要有三個方面:效率的提升、成本的下降以及對環境的友好性。
1.2 “燈塔工廠”的兩種創新模式
“燈塔工廠”所提供的工業革命4.0技術應用案例，根據創新模式的不同可分為兩大方向:一是著眼于生產制造本身，二是側重打通端到端的價值鏈。生產制造用例主要是利用數字化技術提高生產制造過程的效率、質量和節能環保;端到端用例更注重供應網絡連接性、端到端產品開發、端到端規劃、端到端交付、客戶連接性等方面的價值鏈打造，也就是利用數字化工具優化采購、研發、供應鏈、物流、營銷和售后等環節，以創造更多價值。隨著新一代信息技術的發展和生產端到消費端供需關系的變革，端到端價值鏈的打造越來越受到重視。2020年生產制造用例與端到端用例占比分別為65%和35%，2021年這一比率已變化為53%和47%。
1.3 “燈塔工廠”的數量和行業快速增加
自2019年1月第一批16家“燈塔工廠”入選，至2021年9月最新加入全球燈塔網絡的21個新成員，目前“燈塔工廠網絡項目”已評選出90家“燈塔工廠”，開辟了2種創新發展模式，部署了124個成功應用案例，覆蓋4大類22個細分行業領域。現有90家“燈塔工廠”主要集中在先進工業行業(57.8%)，其次為流程工業(15.6%)、日用消費品(13.3%)、醫藥及醫療產品行業(13.3%)。2018年第一批“燈塔工廠”涉及的細分行業領域有11個，2021年9月已延伸至22個。這充分表明，大規模推廣第四次工業革命的技術創新成果、決策戰略及商業模式轉變，不僅限于傳統制造業，各行業制造企業都有實現“燈塔工廠”目標的潛力和機會。
1.4 中、美、德三國在全球范圍內表現突出
全球各國中，擁有“燈塔工廠”企業數和境內“燈塔工廠”數綜合排名前三位的是中國、美國和德國。從上述三國“燈塔工廠”的行業分布來看，中國境內“燈塔工廠”數量最多，達31家(見圖1)，行業領域覆蓋面廣，優勢領域主要集中在先進工業，而在醫藥及醫療產品行業還沒有中國企業工廠入選;美國企業的“燈塔工廠”數量最多，雖然美國本土只有9家“燈塔工廠”(其中7家為美國企業)，但屬于美國企業的全球“燈塔工廠”數達到了26家，行業布局也最為全面，特別是在醫藥及醫療產品行業中具有明顯優勢;德國入選的海外工廠數量較多，其中醫藥及醫療產品行業入選的全為海外工廠，但德國無論企業還是境內工廠都未涉及流程工業行業。
圖 1 以企業所屬國計算和以工廠所在國計算的各國 “燈塔工廠”數量
在擁抱新一輪工業革命的探索中，中國表現出了很強的行動力，自2018年“燈塔工廠”評選啟動以來，無論是中國境內的“燈塔工廠”數還是中國企業“燈塔工廠”數都持續快速增長。與歐美國家相比較，中國企業“燈塔工廠”全在本土范圍內，這一方面顯示出中國企業“出海”的步伐比較謹慎，海外工廠在先進技術應用上與國內工廠還有差距;另一方面中國全產業鏈的工業模式在應對全球經濟和政治危機、保持供應鏈穩定等方面具有獨特優勢。
2 全球“燈塔工廠”用例體現的工業革命4.0關鍵技術
通過對全球90家“燈塔工廠”124個用例的分析，發現通過新一代信息技術賦能制造業，從而實現企業數字化、自動化能力的提升，是“燈塔工廠”變革與創新的主要途徑。2021年以來，人工智能、物聯網、增材制造、數字孿生、大數據等成了技術應用的主要趨勢。
2.1 人工智能技術提升生產管控能力，創新運營模式
人工智能技術用例在引導機器性能優化、驅動生產過程自動管控、協助產品設計和測試、賦予產品智能化提升等方面發揮了有效作用。在生產管控環節，基于人工智能的質量檢驗方法，如機器視覺檢測和光學檢測，可以使產品或零部件瑕疵率和缺陷率下降至近乎為零，檢測成本下降一半以上，勞動效率大幅提升。通過人工智能賦能產品設計、銷售、運營、合同審查等環節，能夠縮短產品開發時間，提升研發效率，并使新技術在企業各部門和子系統間的擴展速度呈倍數提升。
2.2 物聯網技術打通全生命周期管理
物聯網連接了應用于產品全生命周期各核心環節的新一代信息技術，使遠程監控和預測性維護、遠程故障診斷、物流過程監控、污染物監控等成為可能。基于物聯網技術能夠實現工業流程優化和自動化，大幅降低成本;使用工業物聯網進行數據匯總和高級分析，用于能源、水、廢氣廢水排放等方面的管理，能夠使能源效率顯著提升、能源消耗降低。物聯網甚至還可用于增強員工之間的操作配合，進而提升設備綜合效率。
2.3 增材制造技術顛覆傳統制造方式
增材制造對傳統產品設計、工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合等都產生了顛覆性影響，可滿足高精度、復雜形狀、小批量的生產需求，能實現更輕量化的設計、更低的成本、更短的開發與制造周期，已成為最受關注的制造技術。“燈塔工廠”的實踐表明，通過應用增材制造技術，可以降低企業銷貨成本，縮短生產制造周期，減少交付時間，甚至使產品上市時間減短近90%。
2.4 數字孿生技術成為推進數字化轉型的核心戰略之一
孿生可應用于產品的運行監控和智能運維、工廠運行狀態實時模擬和遠程監控、生產線虛擬調試、復雜產品研發、數字營銷等多個環節。應用數字孿生技術進行生產規劃、柔性生產和預測性維護，可提高產能和能效，使停機時間減少一半以上。數字孿生技術用于開發測試、模擬客戶系統等，能夠實現新產品開發時間縮短，大幅提升檢驗效率，使生產周期縮減30%以上。
2.5 大數據技術幫助發掘潛在價值，以更好地為用戶提供產品和服務
工業大數據應用的本質是通過數據挖掘和分析優化，幫助企業發掘潛在價值，優化控制生產環境，更有針對性地為用戶提供產品和服務，并提升企業產品的服務附加值。目前工業大數據的應用主要集中在兩個方向，一是通過對自身產品或設備運行狀態的監測，為客戶提供運維管理、運營優化等服務;二是通過監測生產過程中機器設備的運轉情況，對設備進行健康評估、性能預測和故障診斷，最大限度地降低非計劃停機率。已有成功用例表明，運用大數據進行智能分析和預見性維護，能夠使機器人故障率下降近10%，產品出廠質量提升最高至70%，設備意外停機時間明顯減少，并延長工具使用壽命。
3 工業革命4.0時代企業應具備的重要能力
通過對90家“燈塔工廠”的優勢與特點的梳理分析，發現雖然其行業、規模、創新模式與優勢不盡相同，但都有一些共性，這也是企業打造“燈塔工廠”、邁向工業革命4.0所應具備的重要能力。
3.1 構建智能制造體系的戰略能力
“燈塔工廠”在數字化、智能化轉型中均體現出了前瞻性的戰略規劃和實施能力，由上而下地推動企業實現全面轉型。“燈塔工廠”不局限于簡單地在生產制造過程中應用數字化技術，其有完整的、適用于本行業和企業特點的數字化、智能化戰略規劃和實施路徑，從企業管理和決策層面開始，數字化轉型囊括了資源需求和規劃管理、柔性生產、物流運輸、客戶服務等全價值鏈，以保證新技術的應用是持續、有效的，并能夠被復制和推廣。
3.2 打造具有影響力的工業互聯網平臺
“燈塔工廠”均著力于打造面向數字化、網絡化、智能化需求，基于海量數據采集、匯聚和分析的工業互聯網平臺服務體系，以實現各類資源的廣泛連接、彈性供給和高效配置，從而推動傳統制造系統各個環節和要素的整合與重構，提升企業敏捷性，幫助企業發掘新的價值增長點。借助工業互聯網平臺，可對企業的全球資源進行聚集整合，并通過工業技術軟件化、云化等，實現工業應用的快速開發、部署、運行、集成，進而跨行業推廣，賦能中小企業提質增效和轉型升級。
3.3 開發運營以用戶為導向的“端到端”模式
“燈塔工廠”普遍能夠熟練開發運營“端到端”的新型商業模式和創新發展模式，即將用戶需求與整個智能制造系統連接起來，讓用戶可以全程參與產品設計研發、生產制造、物流配送、迭代升級等環節，以“用戶驅動”作為企業不斷創新、提供產品解決方案的原動力，把以往“企業和用戶之間只是生產和消費關系”的傳統思維轉化為“創造用戶終身價值”，并以空前的速度推出高質量的定制化產品。借助數字化工具，在整個價值鏈上下游部署智能數字化技術，一方面，更容易實現產品個性化定制，大幅降低小批量產品的最低起訂量，縮短新產品開發和交付的時間;另一方面，通過人工智能算法打造高度個性化的用戶體驗，不僅實現了端到端的有效對接，還便于獲取用戶偏好數據，提升用戶體驗，進而提高新客戶轉化率。
3.4 改變傳統增長模式實現產能釋放
傳統企業要想實現規模化增長，就必須大力擴建實體工廠和基礎設施，但“燈塔工廠”帶來了另一種可能性，即通過將先進的數字化工具與柔性生產系統相結合，企業在無須大量資本投入的情況下，也能降低生產成本，提高生產效率，通過產量和銷量的雙重增長實現產能釋放。例如，數字化換班績效管理系統、自動送料系統、機器視覺驅動的生產周期和換線優化系統、數字孿生結合智能分析等流程優化新方法、新技術的應用，使企業在基本不改變現有基礎設施的情況下，就能夠明顯降低制造成本，節約人力資源，提升產品質量，加快產品上市速度。
3.5 重視可持續發展的社會責任
節能、低碳、環保的可持續發展能力是評選“燈塔工廠”的一個重要方面。隨著全球資源短缺及氣候與環境變化的加劇，轉變發展方式已迫在眉睫，2021年WEF更是增加了“可持續發展燈塔”評選，各行業“燈塔工廠”在可持續發展能力方面的用例也大幅提升，做出了很好的表率。企業從基礎設施規劃設計開始就應充分考慮環境友好性，如合理運用環保建筑材料、雨水回收利用裝置、清潔能源儲能發電系統等。在生產制造環節，數字化、智能化的能源管控系統可提供比人為控制更精確的實時能耗優化方案，甚至能夠實時調整設備運行參數，提高生態效率。“燈塔工廠”的成功案例表明，通過廠區規劃設計和廠內能源管理平臺或系統的應用，已經能夠實現100%的電力來自可再生能源，碳排放減少甚至可達97%。
3.6 以工業革命4.0知識技能需求為導向培養人才
“工業革命4.0”時代，人的作用并非被弱化，而是成了充分釋放數字化轉型潛力的關鍵因素。員工培訓和技能提升是“燈塔工廠”發展中必不可少的內容，很多企業已將數字化能力培訓納入員工培訓中，并鼓勵員工圍繞顧客價值主動創新。校企合作、內部培訓和針對性培訓這三個層面的教育培訓互為補充，可促進人才梯隊結構的優化。校企合作為員工提供了高級項目學習機會和學位支持;借助內部培訓和討論平臺能夠普遍提升員工能力;利用針對性培訓可培養一支數字化賦能的員工隊伍。部分有能力的頭部企業還面向社會公眾開展教育培訓，分享數字化技術發展經驗。企業需積極利用好各方資源，重點加強員工在數字化、工業軟件、數控系統、工業網絡、行業標準等方面的培訓教育，為新一輪的工業革命浪潮做好人才儲備。
編輯精選
