讓工業4.0“柔”起來

◎ 文 《法人》特約撰稿 李富強 劉愛國

1967 年，英國Molins 公司工程師迪奧·威廉姆遜研制出一種名為Molins System-24 的系統——用6 臺模塊化結構的多工序數控機床，實現無人條件下晝夜24 小時連續加工。這個系統的推出，標志著人類工業史上“柔性制造”系統的正式誕生。盡管這個劃時代的系統最終由于資金和技術上的困難并未全部建成，但卻為未來自動化、無人化工廠指明了方向，成為日后各工業發達國家爭相效仿和完善的技術。

新冠肺炎疫情期間，中國各大工廠快速完成產線切換，轉產口罩和防護服等抗疫物資、支援全球抗疫戰場的新聞屢屢見諸媒體，讓“柔性制造”再次成為行業關注的焦點。

根據海關總署發布的統計數據，3 月1 日—4 月30 日，全國共驗放出口主要防疫物資口罩278 億只，防護服1.3 億件，新冠病毒檢測試劑盒7341 萬人份，紅外測溫儀1257 萬件，呼吸機4.91 萬臺。近期日均出口防疫物資30 億元以上，一個月內持續增長逾3 倍。這一長串亮眼數據的背后，除了原有廠家密集排產之外，通過“柔性”方式實現“跨界轉產”的力量貢獻巨大。

以“柔”補剛的制造業戰略

跨界轉產防疫物資的編外力量中，其中不乏一些超級企業的身影。比如比亞迪，從今年一月底開始調配資源，開發自動化口罩生產設備，半個多月即實現量產。幾乎同時，中石化的業務范圍也向下游延伸，開發了口罩、消毒液等生產線。就連巴菲特，都在社交媒體平臺為比亞迪口罩點贊。

一家生產戰斗機的著名航空工業企業——中航工業也玩起了“跨界”， 集結其旗下分布在6 省市4 家單位的力量，將原來生產飛機所用的數字化設計技術引入口罩生產，僅用3 天時間設計，16 天時間就完成樣機制造，速度堪稱驚人。這些新成立的生產線，普遍具備高度自動化特點，一個操作工人就可以同時維護兩三條生產線的運轉。

疫情帶來的不僅是國民經濟的大考，也正在成為加速中國制造業變革的變量因素。無論是通過“柔性”方式實現對生產線的快速切換，還是用機器“換人”——通過無人技術大量替換人力，都是轉型升級的中國制造行業需要攀越的重重關山。這背后的一個基本邏輯是，“自制”和“外包”過程中越來越多的矛盾，需要靠“柔性制造”來調和解決。

航空工業企業研制的全自動口罩機 資料圖片

批量越大，效率越高，這是工業3.0 時代的普世原理。假如一個工廠只生產一種零件，那無論是從原材料采購、倉儲管理、生產線運轉、操作人員熟練程度等各個維度，均能實現效率最大化。然而，這樣的工廠只能是理想狀態下的“烏托邦”——需求的多元化、個性化是無法抵擋的趨勢。

作為科技進步的受益者，諸多行業也不得不面對由此而來的現實問題：產品復雜程度越來越高，生產流程變得越來越長。為了保障效率，把生產流程碎片化，依靠“外包”來解決多元化需求帶來的效率影響。

但是，隨著外包程度的加深，工廠對供應鏈的依賴程度也日益提高，甚至經常有被“卡脖子”的風險。疫情突起，全球范圍的大隔離至今未完全解除。車間停工、物流滯后、工廠倒閉，大量產業鏈因此受制于人，諸多行業面臨著前所未有的斷供危機。

作為工業4.0 重要命題之一的“柔性制造”，其核心價值在于，既能夠依靠自動化設備保障生產效率，又讓生產線具有一定的延展性，可以根據市場變化和客戶需求對產品進行適時調整。

從更宏觀的視野角度來看，“柔性”概念其實已經在潛移默化地影響我們的日常生活。疫情期間，體育館改建成了方艙醫院，教師當起了網絡主播，無人機被改造成五花八門的“空中機器人”……但是，局部領域的“柔性”和智能化，也并不代表中國制造已經具備全面邁進工業4.0 的能力。

近年來，“柔性制造”被行業提及的頻率大幅度降低，其重要原因之一是具備較高自動化水平的“柔性”生產線，對于絕大多數的中國工廠，尤其是高端制造工廠來說仍然是奢侈品。中國機械工業聯合會專家名譽委主任、工信部智能制造專家咨詢委員會主任朱森第認為，相當一部分中國工廠還處于“工業2.0”階段，中國制造業需要采取并行戰略，即2.0補課、3.0 普及、4.0 示范。

實現“柔性制造”有多難？

“柔性制造”在中國的推廣普及，與中國制造業的進化過程密不可分，其中始終繞不開的兩個關鍵詞是“需求”和“技術”。

從需求上來說，長期以來依靠廉價勞動力紅利的中國企業，對自動化生產的需求并不迫切。雖然勞動力成本整體快速上漲，但是中國工人的普遍收入水平仍然無法和西方發達國家相比。

對于大量中小制造企業甚至作坊式工廠來說，能通過人工解決的問題，就盡量不用昂貴設備。人走了可以再招，但是前置投入巨大，且“落地打八折”機器設備，經過若干年折舊之后，可能只是一堆累贅資產。只有當人工無法解決一些生產問題，或者效率明顯跟不上機器的時候，自動化替代才會成為企業剛需。

目前，國內“柔性制造”和“無人工廠”普及率較高的行業，除了汽車、家電、3C 數碼等生產批量大、頭部企業集中的行業，以及一些從事簡單加工的行業等，其他制造企業與西方發達國家相比，更多的仍然是依靠“人海戰術”。甚至在我們的產業結構中，一些越尖端的行業，越難以擺脫“手工作坊式”生產的影子。許多關鍵工序的實現還是要依賴操作者的熟練程度。

我國科技政策與管理研究泰斗、聯合國大學新技術研究所高級研究員顧淑林女士認為，中國在尖端技術領域并不落后于世界強國，我們很早就能搞出世界領先的尖端武器和重大裝備，但是卻長期依賴于人。這些人一旦離開崗位，很多先進技術甚至面臨“失傳”風險。“中國有一幫經驗豐富的老工匠，但是目前最缺乏的，是把這些老工匠腦袋里的經驗翻譯成數字化公式、進行復制推廣的新一代產業人。”顧淑林說。

高端裝備制造，是“柔性制造”要攻克的最終堡壘，也是對“柔性”需求最強烈的領域。這類行業的零部件批量小、品種多、結構復雜、加工難度大、裝配工序繁瑣，是最迫切希望保持速率優勢，又期待生產彈性的領域，但恰恰是這些高端裝備制造行業，加工工序過于復雜，工藝要求太高——沒有長期工程技術經驗的量化積累，就相當于地基不穩，智能化的“柔性制造”只能是空中樓閣。

壓在企業頭上的還有經濟賬——即使能全面實現“柔性”改造，購置生產線的額外成本也需要相當長的時間才能收回。也就是說，要想徹底改造這些“硬核直男”工廠，還有相當長的路要走。

國內大量機械加工，還處于高度依賴人的階段 資料圖片

軟肋和硬骨頭

2015 年，某重大裝備制造央企曾經投入數千萬元打造“柔性制造”樣板車間，但是歷時4 年卻進展緩慢。原因之一是軟件問題。由于機器設備多為進口，在國外操作系統基礎上再來編寫國產流程控制軟件，造成諸多運行邏輯出現沖突。而軟件的研發，一直是中國制造業的軟肋。

擅長于逆向開發的中國人，積累了大量響應需求的經驗，能夠高質高效地解決HOW（怎么做）的問題，但也容易形成思維局限——降低對WHAT （做什么） 的敏感。這就相當于“坐在副駕駛的位置上，其實永遠學不會開車”。

原因之二是硬件短板。例如，數控機床上一個工裝夾具的加工精度無法滿足要求，缺陷也會通過長鏈生產線逐層放大，導致整個環節效率和產品質量的嚴重受制。同時，生產設備對不同軟件系統的適應性差，也讓總體效率大受掣肘。硬件的能力，也是難啃的硬骨頭。

1958 年，在中國誕生了亞洲第一臺數控機床。但是此后由于歷史原因，中國機床行業陷入長達20 多年的沉寂。與此同時，鄰國日本卻在工業化的道路上突飛猛進，在機床精度、轉速和產品穩定性上精益求精，并建立了完備的產業體系。時至今日，國產數控機床仍然在大量依靠價廉來換取市場占有率。

此外，“軟硬融合”是“柔性制造”的最終鑰匙。再高端的硬件，如果過于“矯情”，與軟件的兼容性差，只能越用越“死”，最終被更先進的設備淘汰。硬件的延展度和靈活度，在很大程度上決定了一套“柔性”系統的壽命值和生產能力。

北京第一機床廠與清華大學合作試制的亞洲第一臺數控機床 資料圖片

軟件功能需要硬件平臺得以實現，硬件設備又依賴軟件系統進行串聯。而當下擺在中國制造業面前的現實困局是，軟件開發尚未厘清頭緒，硬件水平跟不上步伐，這個看似無解的莫比烏斯環，需要一點一點地撕開重組。

剛柔并濟的解決方案

用軟件手段解決硬件問題，對非標設備進行調試和系統優化，是一種思路。

疫情期間，哈工大機器人集團（HRG）共派出5 名骨干，用6 天時間，對黑龍江省兩家抗疫轉型的生產企業臨時采購的21 臺口罩生產設備進行調試，這些設備型號、規格各有不同，甚至有部分是“二手”。經過調試，共7 條生產線釋放了兩倍的產能，并將合格率從80%提高到了95%。

反之，對標準化設備的系統進行個性化編輯，從而實現不同的功能，是另外一種“柔性”思路。這類操作方式一般是：用規范化、模塊化的硬件平臺去承載不斷迭代的軟件系統，實現多重排列組合，適應不同的產品生產。這也是目前最經濟的解決方案之一。

有經濟實力和豐富經驗的企業，可能會一次性投入巨資打造“剛柔并濟”的未來車間，但這畢竟是極少數。一個典型案例是三一重工位于長沙的18 號工廠，這個號稱亞洲最大的智能化制造車間里，實現了生產中人、設備、物料、工藝等各要素的“柔性”融合；8 條裝配線，可以實現69 種產品的混裝“柔性”生產；在10 萬平方米的車間里，每一條生產線可以同時混裝30 多種機械設備，馬力全開可支撐300 億產值。

18 號工廠的“柔性制造”生產系統包含了大量數據信息：用戶需求、產品信息、設備信息、生產計劃等。依托工業互聯網將這些大數據連接起來并通過三一的MES 系統處理，能制定最合適的生產方案，最優的資源分配。

軟件和硬件，是如今“柔性制造”需要齊頭并進，同步破解的兩大難題。軟件的開發不能止步于IT 部門，需要由企業最高決策者來部署和推動，貫穿整個組織和各大職能，并在運營環節落地。每一個生產環節通過信息化建立連接，并實現可視化。硬件的標準化管理也非一日之功。不同的設備規范，一定程度上需要相互融合借鑒——這意味著工廠、企業，甚至大量行業都要逐步走出舒適圈，適應新的游戲規則。全球化的經濟網絡，也要求我們與國際接軌，充分考慮到國產設備與進口設備、零部件以及軟件的可替代性和兼容性，形成整個上下游產業鏈的疏通和規范化管理。

“多個廟就多個鬼”，自動化生產是減法思維。越簡單越穩定；而“柔性制造”既要做減法，也要做加法。一條生產線上，用盡量少的設備和工具，實現生產更多產品的可能。

實現工業4.0 版本的“柔性制造”，考驗的絕不單是企業的技術能力，還有管理等各方面的軟實力。而機制體制的問題，不是依靠引入一兩項先進設備就能解決的——就像“用一只昂貴的金鞍去配一匹老馬，只會讓老馬更加不堪重負”。

中國制造要真正實現從“剛”到“柔”的升級，也不能僅僅局限于對生產層面的關注，更需要全面開發上下游產業的“柔性”。以企業的制造能力和“柔性”程度為基礎，結合供應鏈和市場，把產品的各個功能部件獨立成單個模塊，實現其任意組合和輸出，而不同模塊的生產流程和生產成本都“柔性”可控。這一系列復雜紛繁的排列組合，都只能依靠中國人自己的智慧，從漫長的實踐過程中去尋找答案。