原创国际城市观察01-06 16:45
作者:林兰

摘要

随着贸易往来的日益国际化,自动化、灵活化、横向集成和纵向集成逐渐成为现代产品结构性竞争的重要特征。德国在2013年提出“工业4.0”发展战略,为世界上工业发达国家巩固其在全球市场的领先地位提供了一个重要的长期机会,以对抗新兴的、处于高速发展中的市场竞争对手。本文介绍德国“工业4.0”战略的方法及路径,并提出了提升中国工业能力的借鉴性做法。


关键词

“工业4.0”;发展战略;德国


德国在2013年提出“工业4.0”后,这一新理念为世界上工业发达国家巩固其在全球市场的领先地位提供了一个重要的长期机会,并使这些国家在应对新兴的、处于高速发展中的市场竞争对手的过程中得到了新的思路。分析德国“工业4.0”战略的方法及路径,对于中国工业能力的提升以及城市产业的升级,都有重要的借鉴性作用。

一、“工业4.0”战略解析

1、“工业4.0”的推进现状

(1)应对工业进步中的产业结构变化

尽管绝大部分欧洲国家都进入了“后工业化”发展时代,但其中许多仍然是工业强国。德国、意大利、法国、英国、西班牙分别创造了欧盟工业附加值的31%、13%、10%、10%和7%,合计占比高达71%;爱尔兰、德国、意大利、西班牙、英国、法国、希腊的制造业增加值分别占国内生产总值的23%、22%、16%、13%、11%、10%和10%。

但是,在进入新世纪以来,欧洲工业国家的产业结构发生了重大变化。欧元区国家在2000年-2012年间工业附加值占比从19%下降到15%,除德国一直保持在22%左右以外,作为工业强国的意大利、西班牙和英国分别下降了5%、5%和6%。

(2)推进世界工业发展阶段

总体上看,第一次工业革命始于18世纪末,以纺织机械的诞生为标志;19世纪末,随着劳动分工进一步加深,第二次工业革命发生,电力机械大规模出现;第三次工业革命始于20世纪70年代,是对电子和信息技术充分利用并实现生产自动化的过程,自动化不仅替代了之前大量的人工工作,也替代了一部分智能工作。前两次工业革命间隔一百年,第二次与第三次工业革命间隔70年,而第三次与第四次工业革命间隔的时间缩短为不到50年

各方对第四次工业革命(简称“工业4.0”)在未来十年发展前景的争论,既集中在重要目标上,也集中在抽象目标上(表1)。对于其倡导者来说,“工业4.0”不仅是为了工业的国际竞争力,也被视为应对最紧迫的全球挑战(如可再生和不可再生资源的消耗),以及特定国家挑战(如由于人口变化所导致的劳动力供给问题)的重要工具。

表1:“工业4.0”的内涵

联系

创新

客户

RFID芯片组织出货

包装

根据产品决定包装尺寸和形状

机器选择

根据产品组件匹配制造过程

设计

产品外观单独设计,也可在制造过程中适时调整

网络

智能工厂里的所有组件通过互联网与彼此相连

同步

窗口/机器同步掌握生产阶段,在中断情况下共同寻找替代程序

生产

工具或机器具备对原材料的处理能力

资料来源:德意志银行(2013)

(3)思想是伟大魅力的源泉

“工业4.0”专注于智能产品、程序和流程(智能生产),因此,“工业4.0”的一个关键因素是智能工厂。智能工厂的人、机器与资源之间有着直接的沟通,对制造流程和未来应用了如指掌,能够应对制造需求快速增长的复杂性,同时也大大提高了生产效率。智能产品本身也能积极促进生产过程和文档化管理,其特点表现在“我的生产时间,我的特点要素,我的交付地点”。随着智能移动、智能物流和智能管网的接入,智能工厂在未来还可接入智能基础设施,成为城市建设的重要组成部分,除完善传统的制造价值链,还可辅助建立全新的商业模式。

2、“工业4.0”的基本要素

(1)全集成智能环境

“工业4.0”是工业发展的第四阶段,主要通过日益完善的智能系统整合价值链,旨在发挥现有技术和市场的杠杆潜力,挖掘系统的创新流程,并以专业技术、服务和员工知识将整体概念串联起来,形成更加紧密的相互合作,创造一个优化的制造整体。因此,应用“工业4.0”的企业也必须有一个完全集成的智能环境。在“工业4.0”道路上的企业必须做到:a.价值链上必要过程阶段的纵向整合。b.价值链上某些阶段的横向整合。c.实现整个价值链上无缝的、终端到终端的数字信息流。

(2)通过IT技术连接生产、营销和物流

“工业4.0”不仅包括价值创造本身,还包括工作组织、商业模式和下游服务。为实现这一点,企业必须利用信息技术来连接生产、营销和物流,从而掌握所有的资源、生产设施和仓库系统。因此,从能源供应到智能电网再到先进流动性的相关概念(如智能移动、智能物流)都需要进行重组。在技术层面,“工业4.0”将信息物理系统整合到生产、物流、严密的物联网终端应用、工业流程中的服务中,而这一智能环境的形成在很大程度上得益于十年前的物联网服务的概念。

3、“工业4.0”实施的意义

(1)降低成本

“工业4.0”制定的初衷是帮助企业实现低成本、高效率的制造,并在制造链和在价值链能保持最优化的运作。对制造业而言,具有降低成本潜力的主要领域包括:a.资本成本:优化价值链,提高生产自动化能力,从而减少无法流动的资本;b.能源成本:通过工厂设施的高效使用和智能控制来降低能源成本。许多公司很少关注这项成本,但这项成本通常相当大;c.人员成本:自动化生产流程高的企业往往不需要过多的低技能雇员。除以上三个成本外,在大多数情况下,很难对企业内部的运行成本(包括培训、实施和维护成本)进行评估,但运行成本也在“工业4.0”降低成本的计划之列。一般而言,越是小规模的企业,越是只能含糊地估计实际运营成本,因此“工业4.0”对此类企业具有特殊意义。

(2)增加灵活性

网络使业务流程结构变得更加动态,便于企业的单个生产线根据订单进行自我组织,特别是生产流程能够更加灵活地适应需求的变化或短时间内发生的价值链故障。在“工业4.0”时代,生产线上的机器出现故障带来的损失会大大减小,因为高度的生产灵活性保障了生产线能够自动重组,切换到另一替代渠道保障订单需求。

(3)缩短市场交货时间

无缝数据采集为全球各处生产相关数据的快速应用提供了可能,为企业短时间内做出决策提供依据。这意味着,“工业4.0”的用户企业能够缩短市场交货时间,为创新成果产业化和产品商业化争取时间。特别是对于初创公司来说,这是最具吸引力之处。

(4)适应小批量的客户需求

“工业4.0”使根据单个客户需求制定具体标准成为可能,允许客户对设计、配置、订单、规划、生产和经营等提出需求并随时进行调整,其最终目的是使快速和廉价的小批量生产和一次性生产(一批次的最小数量为1)成为可能,即使在汽车或家具制造行业领域,也可以实现定制化汽车和百变家具。在适应小批量客户需求的过程中,智能生产组织和3D打印技术的应用十分重要。

(5)有吸引力的工作结构

在处于后工业化发展阶段的工业发达国家,由于人口减少和技术工人短缺,劳动力市场不断萎缩,因而需要对服务先进制造的用工结构进行规划。规划的作用在于提高用工的时间、空间灵活性,以现代化的组织结构促进生产的灵活性。

4、“工业4.0”面临的挑战

虽然“工业4.0”有望为价值链上的企业带来相关利益,但是也面临着技术、法律、经济和组织方面的挑战。这些挑战中最重要的是实时收集数据的使用、生产能力的利用、生产组织的复杂性、价值链的集成以及数据保护和数据安全的问题。

(1)实时评估价值链数据

“工业4.0”的概念之一是分析价值链上收集数据的相关性,并进行实时评估以应用于组织生产。然而,这需要IT系统功能的精准设计。

(2)生产过程优化与自主组织生产融合,实现最佳产能利用率

应用“工业4.0”的企业必须具备生产过程优化的能力,灵活、高效、快速地处理单个生产领域中的流程和故障。但是,产生过程优化非常复杂,常常与企业自主组织的特设干预措施产生冲突,二者的整合势在必行。

(3)价值链集成

“工业4.0”通过价值链上快速和高效的数据传输实现基础设施和流程的相互协调,必须以应用通用标准技术为前提。如果专有系统相互之间不兼容,企业切换到不同的生产频道和价值链就会产生巨大成本。处于经济考虑,企业会放弃优化生产过程。

(4)数据保护和数据安全问题

不同企业对价值链数据交换的意见不尽相同,导致生产灵活性的优势被抵消,并可能因供应商和客户之间过于密切的联系致使企业生产流程泄漏(如敏感的内部战略数据),从而产生数据保护和数据安全的相关风险。尽管“工业4.0”能够灵活地调整应用程序从而对用户具有强大吸引力,但随之而来的大量数据交换也使得用户成为黑客们的理想目标。在此类黑客攻击中,不仅总成相关数据的盗窃,还可以破坏整个生产过程,更可能带来宏观经济层面的风险。因此,数据保护和数据安全合同对于“工业4.0”的执行至关重要。

二、促进工业升级的德国经验

1、“工业4.0”提供的是一种协作发展思路

从技术上看,“工业4.0”必须通过电子、工程和IT领域的密切合作来实现。而由于这一前提条件,使得“工业4.0”实际上成为一种跨学科合作的方法。德国作为“世界工厂”有着特殊的优势,其升级的潜力主要体现在电子、电气工程、机械工程、IT等领域之间的紧密协作,也唯有通过产业间的协作才能保有德国工业的绝对竞争优势。除了产业层面的协作,为了能够全面发挥“工业4.0”的杠杆潜力,监控、安全、保密、标准化、法律框架和基础设施提供(电力和通信网络)等都需要统筹协作。从更广阔的层面说,“工业4.0”是体系与体系之间的协同:良好的大众教育系统、供应商和用户之间稳定的发展伙伴关系、工厂和机械工程领域的市场领先地位、强大且富有活力的中小企业、在自动化领域的领先创新者都为“工业4.0”做好了准备。同时,德国面对其国际竞争对手的优势还在于其已经克服了社会领域(对技术的接受度)和基础设施领域(如现代电力、通信网络的扩张)可能对“工业4.0”实施形成的障碍。

2、增加企业与“工业4.0”的亲和度

由于技术、法律、经济和组织水平的挑战,许多潜在用户对终端到终端的自动化、商品和信息流在价值链上的集成持有明显的不确定态度。实践经验表明,企业的经营年限、专业化程度与所属行业门类是决定企业与“工业4.0”亲和度的关键因素:

a.企业经营年限:企业越年轻或流程结构越不完善(“绿地投资”),整体实施工业4.0的可能性就越大。对于年限较长的企业来说,现有结构和流程与实施变革之间可能存在巨大冲突,这是企业面临的挑战之一。解决这一挑战的关键在于兼顾项目自动化流程和经验积累,同时不放弃引入整体解决方案的机会。b.企业的专业化程度:企业的商业模式越专业,越难将其价值链完全自动化。c.企业所属行业门类:不同行业具有差别化的数据保护控制要求以及不同的创新程度需求性。例如,汽车企业产品离散度和定制化程度高,相比于加工行业企业更容易接受“工业4.0”的创新。

3、市场发展仍处于起步阶段

“工业4.0”市场的发展在很大程度上仍然是一种愿景,并可能在未来十年的下半段甚至是再下一个十年才能成为现实。在现实中有太多的企业或个人甚至专家都对其概念、内涵不甚了解。根据Techconsult公司在德国的咨询调查,在全规模和全行业分类情况下,只有很少的企业真正熟悉“工业4.0”。根据统计,仅有35%的大型制造商(500-999名员工)、21%的小型制造商(20至99名员工)、47%的高科技产业企业、22%的加工厂商能够为“工业4.0”这一术语做具体定义。在德国以外的工业发达国家,即使是美国或日本,熟悉“工业4.0”的企业也少之又少。

这一现状表明“工业4.0”的普及远不及预期,在实际操作中也出现了来自各方的反对声音与结构性障碍。

(1)供应商的反对

“工业4.0”逼迫一些供应商重新审视自己的传统商业模式,在许多领域,迄今为止通常采取的现场提供服务、软件和硬件的方式将被替换。随着新产品生产价值链和销售渠道的改变,利润率也将显著改变,由此可能引起组织内部的反对,至少在重新定位的早期阶段会遭致反对。

(2)来自外包企业内部的反对

在重组措施实施之前,用户企业必须说服各部门在执行这些变化的过程中进行合作,说服的目的是避免各部门因为无端的恐惧而抵制使用新技术和整合流程。对未来以及未知的恐惧包括失去工作、限制权利等,公开解决所有顾虑是“工业4.0”的一项重要任务。

(3)缺少普遍适用的标准

公认的技术标准能够加快“工业4.0”全自动化的普遍应用,提高整体市场渗透率,消除潜在用户的不确定性,以防止投资了大量资源的产品可能达不到制定的标准。然而,普遍适用的标准可能很难达成一致。一方面,机械工程、电气工程、电子、IT行业企业存在多学科交叉,尤其在关于标准化路径的问题上具有明显的思维差异。例如,电气工程、电子、机械工程领域的标准化依赖重复、费时的协商委员会,而IT行业则不是。另一方面,供应商拥有作出战略决策、制定特有产品的自由权,导致客户选择困难。

(4)提高网络可用性和速度

通信网络必须能够处理不断增长的数据量并满足通信质量的要求,如果通信网络容量不足(特别是影响到系统的可用性和速度),“工业4.0”的全自动化进程将受到操作过程中断的干扰,高停机时间成本也将由此产生。因此,新的自动化产品成功的前景直接依赖于通信网络的性能,此外,商业基础问题与宏观经济问题也高度依赖通信网络。

4、广泛的应用前景

经验表明,“工业4.0”并不能提供现成的解决方案,需要根据企业情况进行适时和适度调整。因此,“工业4.0”常被赋予不同的执行意义。

从表面上看,“工业4.0”似乎主要是大公司面临的问题。然而,对于参与国际竞争的中小型企业来说,横向和纵向集成也变得越来越重要,自动化的实现需要科技企业(尤其是中小企业)作为推动者、倡导者和实施者。爱科(农业设备专家)、华纳(推进技术)、博世力士乐(推进技术)、布鲁克(测量技术)、戴姆勒(汽车)、约翰迪尔(农业设备)、费斯托(过程自动化)、浩亭(网络技术)、豪迈(木工机械)、惠普(IT)、Introbest(电子设备)、卡巴(安全技术)、SAP(IT)、塞卡(测量技术)、西克(传感技术)、西门子(电器和电子设备)、Trebing+Himstedt (过程自动化)、通快(制造技术)、大众(汽车)和威腾斯坦(推进技术)等中小企业企业均通过“工业4.0”获得了许多利益。

三、相关启示  

实际上,到目前为止“工业4.0”都仍然是一个概念符号,在很多国家被寄予过度期望却并没有明确的定义。有些国家对“工业4.0”进行了炒作,但实践随之带来幻灭,“工业4.0”这一术语也有可能在几年内被淡忘。但是对于中国这样的发展中工业大国而言,“工业4.0”战略仍然具有示范与指导意义。

中国当前还处在工业2.0的时代,包括北京、上海在内的国内绝大部分一线创新城市都尚未做好迎接工业4.0的准备。从德国的经验看,工业4.0不是简单地将数字化应用于工业生产,而是强调对接,需要克服互操作性和数据复杂性障碍、以用户为中心、确保数据安全,从而变制造业的链式生产为网络式生产。


参考文献

乌尔里希·森德勒:《工业4.0:即将来袭的第四次工业革命》,机械工业出版社,2014年版。

李杰:《工业大数据:工业4.0时代的工业转型与价值创造》,机械工业出版社, 2015年版。

罗兰·贝格:《弯道超车:从德国工业4.0到中国制造2025》,上海世纪出版股份有限公司,2015年。


作者简介

林兰,上海社会科学院城市与人口发展研究所研究员。


提供城市世纪的前沿解读,探寻都市发展的国际坐标——上海社会科学院“全球城市发展战略研究”创新型智库官方微信公众号。本智库成果包括中国社科院创新工程学术出版项目《国际城市蓝皮书》,以及《国际城市发展动态简报》和《国际城市发展动态手机报》。

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