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由 “燈塔工廠” 透視工業(yè)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(yè)

  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(yè)革命4.0技術實現企業(yè)盈利和持續(xù)發(fā)展的創(chuàng)新者與示范者。“燈塔工廠”在應用新技術實現增效降本、節(jié)能減排等方面為全球企業(yè)提供了值得借鑒的成功案例。

  1 “燈塔工廠”概況及發(fā)展情況分析

  在全球制造業(yè)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(xù)發(fā)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(yè)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(yè)的行業(yè)和規(guī)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(yè)。“燈塔工廠”評選關注的是企業(yè)利用工業(yè)革命4.0技術實踐所取得的可持續(xù)發(fā)展成效或商業(yè)模式創(chuàng)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(huán)境的友好性。

  1.2 “燈塔工廠”的兩種創(chuàng)新模式

  “燈塔工廠”所提供的工業(yè)革命4.0技術應用案例,根據創(chuàng)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(jié)能環(huán)保;端到端用例更注重供應網絡連接性、端到端產品開發(fā)、端到端規(guī)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(yōu)化采購、研發(fā)、供應鏈、物流、營銷和售后等環(huán)節(jié),以創(chuàng)造更多價值。隨著新一代信息技術的發(fā)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(yè)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(chuàng)新發(fā)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(yè)領域。現有90家“燈塔工廠”主要集中在先進工業(yè)行業(yè)(57.8%),其次為流程工業(yè)(15.6%)、日用消費品(13.3%)、醫(yī)藥及醫(yī)療產品行業(yè)(13.3%)。2018年第一批“燈塔工廠”涉及的細分行業(yè)領域有11個,2021年9月已延伸至22個。這充分表明,大規(guī)模推廣第四次工業(yè)革命的技術創(chuàng)新成果、決策戰(zhàn)略及商業(yè)模式轉變,不僅限于傳統(tǒng)制造業(yè),各行業(yè)制造企業(yè)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(yè)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(yè)分布來看,中國境內“燈塔工廠”數量最多,達31家(見圖1),行業(yè)領域覆蓋面廣,優(yōu)勢領域主要集中在先進工業(yè),而在醫(yī)藥及醫(yī)療產品行業(yè)還沒有中國企業(yè)工廠入選;美國企業(yè)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(yè)),但屬于美國企業(yè)的全球“燈塔工廠”數達到了26家,行業(yè)布局也最為全面,特別是在醫(yī)藥及醫(yī)療產品行業(yè)中具有明顯優(yōu)勢;德國入選的海外工廠數量較多,其中醫(yī)藥及醫(yī)療產品行業(yè)入選的全為海外工廠,但德國無論企業(yè)還是境內工廠都未涉及流程工業(yè)行業(yè)。

圖 1 以企業(yè)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(yè)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(yè)“燈塔工廠”數都持續(xù)快速增長。與歐美國家相比較,中國企業(yè)“燈塔工廠”全在本土范圍內,這一方面顯示出中國企業(yè)“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(yè)鏈的工業(yè)模式在應對全球經濟和政治危機、保持供應鏈穩(wěn)定等方面具有獨特優(yōu)勢。

  2 全球“燈塔工廠”用例體現的工業(yè)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(fā)現通過新一代信息技術賦能制造業(yè),從而實現企業(yè)數字化、自動化能力的提升,是“燈塔工廠”變革與創(chuàng)新的主要途徑。2021年以來,人工智能、物聯(lián)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(chuàng)新運營模式

  人工智能技術用例在引導機器性能優(yōu)化、驅動生產過程自動管控、協(xié)助產品設計和測試、賦予產品智能化提升等方面發(fā)揮了有效作用。在生產管控環(huán)節(jié),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(huán)節(jié),能夠縮短產品開發(fā)時間,提升研發(fā)效率,并使新技術在企業(yè)各部門和子系統(tǒng)間的擴展速度呈倍數提升。

  2.2 物聯(lián)網技術打通全生命周期管理

  物聯(lián)網連接了應用于產品全生命周期各核心環(huán)節(jié)的新一代信息技術,使遠程監(jiān)控和預測性維護、遠程故障診斷、物流過程監(jiān)控、污染物監(jiān)控等成為可能。基于物聯(lián)網技術能夠實現工業(yè)流程優(yōu)化和自動化,大幅降低成本;使用工業(yè)物聯(lián)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(lián)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(tǒng)制造方式

  增材制造對傳統(tǒng)產品設計、工藝流程、生產線、工廠模式、產業(yè)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(fā)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(yè)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(zhàn)略之一

  孿生可應用于產品的運行監(jiān)控和智能運維、工廠運行狀態(tài)實時模擬和遠程監(jiān)控、生產線虛擬調試、復雜產品研發(fā)、數字營銷等多個環(huán)節(jié)。應用數字孿生技術進行生產規(guī)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(fā)測試、模擬客戶系統(tǒng)等,能夠實現新產品開發(fā)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(fā)掘潛在價值,以更好地為用戶提供產品和服務

  工業(yè)大數據應用的本質是通過數據挖掘和分析優(yōu)化,幫助企業(yè)發(fā)掘潛在價值,優(yōu)化控制生產環(huán)境,更有針對性地為用戶提供產品和服務,并提升企業(yè)產品的服務附加值。目前工業(yè)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(tài)的監(jiān)測,為客戶提供運維管理、運營優(yōu)化等服務;二是通過監(jiān)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(yè)革命4.0時代企業(yè)應具備的重要能力

  通過對90家“燈塔工廠”的優(yōu)勢與特點的梳理分析,發(fā)現雖然其行業(yè)、規(guī)模、創(chuàng)新模式與優(yōu)勢不盡相同,但都有一些共性,這也是企業(yè)打造“燈塔工廠”、邁向工業(yè)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(zhàn)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(zhàn)略規(guī)劃和實施能力,由上而下地推動企業(yè)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(yè)和企業(yè)特點的數字化、智能化戰(zhàn)略規(guī)劃和實施路徑,從企業(yè)管理和決策層面開始,數字化轉型囊括了資源需求和規(guī)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(xù)、有效的,并能夠被復制和推廣。

  3.2 打造具有影響力的工業(yè)互聯(lián)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(yè)互聯(lián)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(tǒng)制造系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)和要素的整合與重構,提升企業(yè)敏捷性,幫助企業(yè)發(fā)掘新的價值增長點。借助工業(yè)互聯(lián)網平臺,可對企業(yè)的全球資源進行聚集整合,并通過工業(yè)技術軟件化、云化等,實現工業(yè)應用的快速開發(fā)、部署、運行、集成,進而跨行業(yè)推廣,賦能中小企業(yè)提質增效和轉型升級。

  3.3 開發(fā)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(fā)運營“端到端”的新型商業(yè)模式和創(chuàng)新發(fā)展模式,即將用戶需求與整個智能制造系統(tǒng)連接起來,讓用戶可以全程參與產品設計研發(fā)、生產制造、物流配送、迭代升級等環(huán)節(jié),以“用戶驅動”作為企業(yè)不斷創(chuàng)新、提供產品解決方案的原動力,把以往“企業(yè)和用戶之間只是生產和消費關系”的傳統(tǒng)思維轉化為“創(chuàng)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(fā)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(tǒng)增長模式實現產能釋放

  傳統(tǒng)企業(yè)要想實現規(guī)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(tǒng)相結合,企業(yè)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(tǒng)、自動送料系統(tǒng)、機器視覺驅動的生產周期和換線優(yōu)化系統(tǒng)、數字孿生結合智能分析等流程優(yōu)化新方法、新技術的應用,使企業(yè)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(jié)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(xù)發(fā)展的社會責任

  節(jié)能、低碳、環(huán)保的可持續(xù)發(fā)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(huán)境變化的加劇,轉變發(fā)展方式已迫在眉睫,2021年WEF更是增加了“可持續(xù)發(fā)展燈塔”評選,各行業(yè)“燈塔工廠”在可持續(xù)發(fā)展能力方面的用例也大幅提升,做出了很好的表率。企業(yè)從基礎設施規(guī)劃設計開始就應充分考慮環(huán)境友好性,如合理運用環(huán)保建筑材料、雨水回收利用裝置、清潔能源儲能發(fā)電系統(tǒng)等。在生產制造環(huán)節(jié),數字化、智能化的能源管控系統(tǒng)可提供比人為控制更精確的實時能耗優(yōu)化方案,甚至能夠實時調整設備運行參數,提高生態(tài)效率。“燈塔工廠”的成功案例表明,通過廠區(qū)規(guī)劃設計和廠內能源管理平臺或系統(tǒng)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(yè)革命4.0知識技能需求為導向培養(yǎng)人才

  “工業(yè)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(fā)展中必不可少的內容,很多企業(yè)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(chuàng)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(yōu)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(yǎng)一支數字化賦能的員工隊伍。部分有能力的頭部企業(yè)還面向社會公眾開展教育培訓,分享數字化技術發(fā)展經驗。企業(yè)需積極利用好各方資源,重點加強員工在數字化、工業(yè)軟件、數控系統(tǒng)、工業(yè)網絡、行業(yè)標準等方面的培訓教育,為新一輪的工業(yè)革命浪潮做好人才儲備。

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