“工業4.0”時代下企業級實驗室體系建設的構想

中國長城科技集團股份有限公司電源檢測中心 石謹寧 王傳瑞

“工業4.0”時代下企業級實驗室體系建設的構想

中國長城科技集團股份有限公司電源檢測中心 石謹寧 王傳瑞

“工業4.0”給制造業企業既帶來了挑戰同時也帶來了機遇，本文論述了在“工業4.0”時代發展的影響下如何通過調整發展戰略優化和重建新的實驗室體系，提出了一種將信息化建設融入標準化體系以提高企業級實驗室機構產品品質保障能力的構想。

工業4.0；信息化建設；實驗室體系；共識機制

“工業4.0”描繪了制造業的未來愿景，提出了以信息物理融合系統（CPS）為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命[1]。對于企業級實驗室機構來說，產品領域的信息化發展。“工業4.0”迫使幾乎所有從事制造業的企業面臨同一個任務：反思自己的戰略，可能還要做根本調整。從某種層面來說，標準化實驗室機構（取得某一地域或公認機構的體系認證）的發展同樣面臨著這一考驗。如何構建實驗室新的發展體系順應“工業4.0”時代發展的要求，成了每個企業值得思考的問題。

1 時代背景

1.1 “工業4.0”帶來的挑戰

近幾年的統計數據表明，產品開發流程在不斷的變革。市場環境變化和客戶對新產品的認知程度和新要求不斷影響著產品的開發過程。產品復雜性的增加，一方面是為了適應“多元化市場”而產生的產品及衍生產品的多樣化；另一方面由于電子元件以及嵌入式軟件的穩步增長，即“機電一體化”。

工業領域的數字化和信息化所面臨的挑戰可謂像是一個開放式心臟手術，困難重重。但為使數字化企業中巨大的生產潛力得以最大限度的發揮，我們需要掃除在企業發展和生產中的重重困難。

首先，德國工業提出的“信息孤島”概念是企業最大的障礙。這一問題可以存在不同領域、不同企業以及企業研發、生產及運營的各個環節。這一點當前大多數在改革浪潮中得以生存下來的企業通過積極改革業務領域，更深層次以產品為核心的跨企業合作和海外業務等途徑得到一線生機，例如積極發展OEM/ODM業務甚至定制化方案針對行業標桿及海外巨頭企業取得合作關系，以通過這些行業高端企業甚至行業外企業對產品要求的特殊性，更新和優化目前企業所執行的研發、生產和運營管理。

其次，考慮到行業差異性和針對不同行業由數字化企業搭建的軟件平臺的特殊性，例如執行更便于產品生產周期管理的IPD流程，引進面向制造企業車間執行層生產信息化的MES系統等。

然后，數字化企業的標準和開放性是實現其經濟效益的關鍵前提。

最后，必須確保應具備數字化企業和真實企業相集成的工具和通信結構，也就是使二者之間的融合。這其中，西門子工業自動化集團以及美國國家儀器有限公司就是這種融合的貢獻者和受益者。

1.2 企業級實驗室構建的意義

對于研發生產類的制造業服務部門來說，實驗室機構擔任了產品最大的生命力支撐。目前國內的企業級實驗室體系很少能夠達到較高的信息化水平。其原因主要基于兩點，第一：制造企業中的實驗室機構不同于專業的第三方實驗室服務機構，主要目的不為盈利而建立，其作用一般為產品在設計階段的品質保障和驗證服務以及產品失效故障的有效分析提供支持，因此大多數企業級實驗室都不能形成明顯可觀的經濟效益；第二：企業級實驗室機構的信息化程度不被重視，引入數字化企業的信息技術平臺，需要耗費巨大的成本以及人力。大多數制造型企業將重點放在研發和生產兩個階段，而實驗室機構介于其間并不能得到很高的發展認可。然而實驗室機構的服務對保障產品生命周期擔任著非常重要的角色，它就像是一把掌握產品質量的手術刀，如何能夠讓一臺手術最終能夠完美成功并且不遺留后遺癥，關鍵在于操控手術刀的技術水平如何。

產品生命周期是一個很重要的概念，它和企業制定產品策略以及營銷策略有著直接的聯系。企業管理者要想使產品有一個較長的銷售周期，以便賺到足夠的利潤來補償在推出該產品時所投入的一切成本以及經受的一切風險，就必須研究和運用產品的生命周期理論。產品生命周期主要是營銷人員用來描述產品和市場運作方法的有力工具。但是，在開發市場營銷戰略的過程中，產品生命周期卻顯得有點力不從心，因為戰略既是產品生命周期的原因又是其結果，產品現狀可以使人想到最好的營銷戰略，在預測產品性能時產品生命周期的運用也受到限制[2]。那么如何使產品具有在當前行業及市場中具有較好的現狀情況，除了對市場需求超前的預估和相匹配的研發實力以外，產品的質量可靠性和產品鏈的完整性起到至關重要的作用。

質量檢驗部門需要在較短的時間內對產品進行完備的評估和測試，以驗證產品確實滿足設計要求甚至優于要求。質量檢驗部門所參與的時間在這一過程中決定了產品進入生命周期的開始節點，同時對產品成長期的延長和成熟期的穩定發展有積極的作用，一款產品能否順利進入市場獲得認可并且逐漸得到暢銷，極大限度的獲取市場價值和經濟效益，其質量可靠性從始至終都擔任著保駕護航的作用。產品現狀決定了其生命周期的延續性，而質量檢驗服務能夠驗證產品的現狀情況和預測產品的未來成長。對一般制造型企業來說，實驗室機構擔負著質量檢驗的重要責任，如何構建一個具有高時效性和高質量把控力的實驗室，在企業經濟效益體系中就顯得尤為重要了。企業級實驗室的信息化構建能夠給制造型企業帶來的經濟利益，并不具有實際效體現，但卻可以有效延長產品的生命周期，由產品增加的成長期經濟收益和減少的衰退期維護費用來表現。

2 實驗室發展戰略構想

企業構建實驗室機構的初始目的即檢測服務，為產品的質量做評估和預測。實驗室機構隨著技術實力的不斷提升和產品檢測服務的效力不斷增大，在發展的過程中會努力取得標準化認可，以獲得產品開發階段及生命周期中更多的話語權。但在步入標準化的過程中，由于檢驗設備、運營管理、人員技能和場地限制等因素的影響，檢測評估的效力在一段時間內將會達到瓶頸，甚至倒退。如何實現突破，這就需要從根本上進行戰略調整，將信息化建設提上議程，構建一個以標準化執行，信息化控制相融合的實驗室體系。

2.1 標準化執行體系

首先，從根本上如何來實現標準化執行？主要有以下幾點構想。（1）檢測條目必須具有完備的實施準則

以保證任何參與檢測活動的人員不論技術水平如何均可符合最終檢測要求。需要制定標準化執行條例，細化各個環節的要求細則，所有參與人員需要通過參加培訓最終獲得管理者以及投票認可才可以執行檢測活動。

（2）檢測設備必須依照標準滿足要求

該條件主要是為了滿足標準化檢測的硬件需求，對于部分檢測設備，如果不滿足標準化要求，則不應列入標準化檢測活動范圍內，而由專門人員單獨進行，區別對待。

（3）建立一個具有較高技術水平的精英團隊

由于標準化的執行，該團隊不需要評估檢測活動的有效性和結果，其技術水平主要提現在提供產品開發階段的原理分析能力、檢測指導能力以及檢測行為可優化性的分析能力，同時也需要具備信息化發展所需要的某一類技能。

（4）指派專門人員執行檢測活動的監督工作。

該人員必須從具有較高技術水平的團隊中挑選而來，即是標桿也是代表。檢測人員需要一致認可該人員的技術水平，同時需要具備公平、公正、公開的人格。

（5）檢測活動進行分工。

依據工作類型不同，確定每個崗位的檢測活動范圍。每個崗位具有標準化工作量，依據所涉及的檢測活動類型不同，建立不同的工作小組，每個小組中細化各人員的職責完備性，原則上不應跨類型活動，目的是為了保證檢測能力的一致性以及技術能力的深入性。

（6）執行可操作的后補機制

針對檢測活動的流動性，將人員的發展列入標準化細則，確定由于檢測活動的流動性和人為因素造成的人員缺失所需要的后補人員的來源。

整個實驗室架構如圖1所示。上述工作確保了標準化實驗室的順利執行，同時也是保證實驗室完成日常工作任務的必備環節。信息化建設基于以上環節的完備性，可以更加有效的發揮效力。

2.2 信息化控制體系

“工業4.0”概念提出了信息物理融合[3]，最具代表性的產品就是智能手機，簡單來說也就是硬件和軟件結合，注入人為思想，以使硬件產品具有一定的思考和活動能力。分析實驗室體系，從宏觀來看，各類電子設備可以看做硬件設施，而檢測人員和檢測手段則是軟件設施，如何將管理者和客戶的思想注入軟件設施中，保證硬件產品智能地依照戰略發展方向共識性地運轉，同時具備較高的運轉效率，這是一個很大的難題。

圖1 檢測活動的標準化執行

M2M（機器對機器通信）也是一個很早就提出的概念，并在德國成立聯盟組織，但隨著“工業4.0”的蓬勃發展，這一技術才取得了重大突破，目前已經發展成為一個企業自動化和信息化的重要解決方案。M2M指的是終端設備之間的數據交換，類似機器人流水線和計算機控制的制造中心等。目前廣泛被企業級實驗室機構以及自動化工業運用的PXI技術，是M2M概念的杰出成果，它為物物相聯提供了軟件平臺和硬件接口，使得各類檢測儀器相互通信提供了可能，也使得信息傳輸智能而有效。除此之外，相對簡單的設備與計算機之間互聯通信，類似嵌入式控制系統、上下位機以及PLC控制系統等[3]，這些也都屬于M2M范疇。機器無法代替人類思考，但是機器可以依據人類的思維更便捷地傳遞信息和更快速地工作，利用M2M概念實現信息化發展的建設，是一個較為有效的途徑，具體實施措施如下。

（1）建立專門針對信息化建設開展工作的團隊

這一團隊中的所有人員，必須具備軟硬件技能，為信息化改良服務。人員主要來自精英團隊，也可以由檢測小組中表現突出人員。其主要工作為檢測活動或檢測服務支持等本職工作，而信息化建設屬于其本職工作以外的任務。

（2）以項目合作為形式開展信息化改善

為了同樣實現標準化管理，每個信息化項目需要下發正式任務書，說明項目分析、流程計劃和時間節點。參與人員可以來自任何一個小組，不論是技術人員還是服務人員，只要符合信息化技能要求均可任職，一旦簽署任務書，則整個項目生命周期自始至終必須履行相應職責，監督人員起到一定的監督和督促作用。

（3）項目必須符合M2M概念

為了保證信息化建設具有可拓展性和信息更新能力，需要考量每個項目是否具備M2M的發展趨勢，如果暫時沒有，是否可以通過更新版本加入可通信化的接口或軟件協議來優化，滿足上述兩點才可列入信息化建設的項目。

（4）有完備的考核獎懲制度

每個項目節點需要貢獻結果，該結果的達成由項目參與人員經分工共同完成，由項目組織者整理提出。例如概念期公示概念設計、設計期展示產品樣板等，都必須經過公開評定獲得相應的獎懲參考，例如以計分的方式來實現公平。必須有獎懲制度并且公開得到大眾接受，以此促成所有人員能夠達成任務上的一致性，同時又形成相互競爭關系。

（5）共識機制的建立

項目的建立、開展和成果評估，需要有統一的管理條例，如何讓執行人員能夠愿意貢獻本職工作外的時間參與，這就需要一個共識系統的建立。在電子程序中實現共識性比較容易，因為程序可以依照程序員的設計目的統一執行指令，然而人是思想主導的事物，具有一定的可變性，因此這是一個難點，下面將會談到。

3 共識機制與工作量證明的體系核心

2017年5月12日，比特幣勒索網絡病毒在全球范圍內迅速蔓延，這使得數字貨幣再次得到了大部分人的關注。隨著互聯網經濟的蓬勃發展，數字貨幣所運用的區塊鏈技術也在近幾年得到了大量應用，然而這一技術的原理卻鮮為人知。區塊鏈所提出的一些思想理論可以被用來建立模型，在企業管理和運營中作為核心思想加以應用。

3.1 體系模型建立

3.1.1 模型1：共識機制

如何達成共識---只有去中心化的結構體系下才能成為問題。去中心化在區塊鏈系統中指的是不需要一個第三方的擔保機構來證明系統的可靠性，而由各個節點相互影響達成共識現象，不存在強制性的中心控制功能。系統的共識由中心決定，參與方只需要服從這個中心即可，在去中心化結構體系中，當出現分歧的時候，如何達成共識就成了問題。建設信息化戰略發展的過程中，共識如果能夠建立起來，其作用是極為高效的[4]。

市場經濟的影響下，共識機制的建立簡單來說就是利益原則的體現。正如經濟學的主要創立者亞當·斯密所說：“我們的晚餐并非來自屠宰商、釀酒師和面包師的恩惠，而是來自他們對自身利益的關切。”也就是說，參與市場經濟的每個主體都在遵守商業規則的基礎上，按照實現自己最大利益化的原則行事，同時客觀上推動了整個市場的繁榮。這在企業中，同樣也適用。如何能夠使所有參與人員都能夠達成共識，乃至企業管理者和領導人員也無法依照個人意愿修改事件的結果，這需要一個廣泛同意并且行之有效的行為準則來控制，這一控制體系類似于區塊鏈中的加密函數，所有的加密地址都能達成某種共識自覺依序地執行。同時還必須具有切身利益的管理體現，量化這一指標使得參與者有明確的心理期望值，這是絕大多數參與者廣泛關注的問題，個人利益上的達成趨勢使參與者一直自愿地遵循管理制度，除非該參與者選擇放棄。一旦發生分歧，少數意見必須遵從多數意見，以達到利益的統一，這樣始終能夠達成最具有大眾民意并且廣泛被接受的結果。

3.1.2 模型2：工作量證明（POW）

工作量證明顧名思義，即工作量的證明。比特幣的算法采取工作量證明機制，基于一系列算法相結合，必須通過相當多次的計算最終得到前導為N個零的字節符，這個結果能夠證明該區塊符合要求。在這一工作過程中，如果監測計算方法是否合理或者計算速度是否滿足要求，那是相當繁瑣和低效的[5]。

其實社會中工作量證明的應用非常廣泛。例如畢業證、某職業技能證書等等，這些就是工作量證明的體現，擁有證書說明在過去投入了學習和工作。企業中各個機構和部門的工作大多也都執行著工作量證明的機制，但是這一概念并不很明確。其主要原因也很明顯，雇主希望員工能夠更加賣力地工作，以使企業最大限度獲得利潤。但這其實已經慢慢演變成了權益證明機制（POS），也就是說隨著工作量證明機制的實施不完全，領導者因掌握更高權力和利益分配，因此在潛意識里希望變成共識中心，從而獲得大眾話語權和引導權。

當參與者的個人利益稍低于或稍高于工作量標準時，參與者會非常積極地證明自己的工作以獲得更高的權益和價值體現；而個人利益達遠低于或者遠高于工作量標準時，參與者就會對工作產生分歧、懈怠甚至反面情緒。明確工作量證明機制并且執行利益標準化條例，這也是企業保證共識機制可持續運行的基本。

3.2 核心思想融合

共識機制和工作量證明的方法可以作為指導性的體系核心。共識機制可以保證信息化建設能夠按標準執行，在實現更高效率的同時減少建設和管理成本。管理者的工作將會由管理變為服務，這將使工作變得輕松，管理者獲得更多的時間更專注地進行執行戰略方針或調整戰略方向。

工作量證明可以保證實驗室標準化執行的結果更有效和更具有說法力，參與者期間所作的任何工作不作考核，只看結果。為了確保工作量證明機制得到共識，結果必須執行獎勵機制，讓參與人員自愿付出努力。

最終需要達成的目標應該是這樣的：所有信息化項目的實施過程不需要管理者和領導者參與指導和評定，這對于管理者來說，節約的時間就是成本。由參與者提出概念設計，由平行項目的參與者進行監督和評估。建立一個獎金池，由于平行項目之間存在利益的競爭關系，他們會爭相地努力在規定時間內完成任務，以獲得最大利益。監督人員依據結果來評定該項目的完成度和參與人員的工作價值，期間所有的時間、成本、資源均由各自負責，達成結果決定權益的大小，達成時間決定了權益的長短。由于工作量證明機制，參與者會自愿的提高工作效率縮短標準化工作所花費的時間，額外地投入到信息化控制項目的日程中。

4 總結

信息化項目的完成改進了標準化執行工作的效率和設備使用資源的優化率，而標準化的共識融入促進了信息化控制體系的建設進程，兩者相互影響，互利互贏，持續有效地保證管理者、檢測人員以及項目參與者形成一個創新高效的信息化價值網絡。

[1]劉俊卿.數字工廠是工業4.0愿景的基礎[J].中國經濟和信息化,2014(15).

[2]烏爾里希·森德勒.《工業4.0》[Z]. 北京:機械工業出版社,2014(7).

[3]李云志.“工業4.0”時代的管理架構研究[J].管理觀察,2014(24).

[4]張健.區塊鏈:定義未來金融與經濟新格局[Z].北京:機械工業出版社,2016(7).

[5]洪蜀寧. 比特幣:一種新型貨幣對金融體系的挑戰[J].中國信用卡,2011(10):61-63.

[6]張曙.“工業4.0”和智能制造[J].機械設計與制造工程,2014(8):1-5.

[7]郭朝暉.“工業4.0”與智能制造的概念本質及其在行業的落地[J].中國工業評論,2016(8):105-106.