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现代制造与智能化工厂

2013年08月11日

     作者:张曙   同济大学现代制造技术研究所名誉副所长

     2013年伊始,展望未来,现代制造将走向何处?智能制造和智能化工厂的实质是什么?新的桃花源在哪里?作者就现代制造与智能化工厂为题略述己见,尚希广大读者不吝赐教。
     创客运动:微小企业协同社区
     近日读Chris Anderson的《创客:新工业革命(Makers: The New Industrial Revolution)》,深受启发。何为“创客”?客者,来访友人也;剑客以武力相见,黑客暗中袭击,创客是友还是敌?所谓“创客(Makers)”是在互联网的社区环境下,每一个进行或参与将创意转变为产品的人。创客在线与他人分享灵感,呼朋唤友,谋求合作。众人志同道合就成群,众多群体的形成就是一种运动。如果全国、全球的创客以互联网的方式连结在一起,成千上万微小企业和热爱DIY制作产品的人携手共同创造,产品设计和制造的普及化、大众化,就形成一种“创客运动”,其力量将如星星之火,可以燎原,孕育一场制造业的革命。创客时代的关键变革不在于如何改变制造过程,而是由谁设计和制造。互联网协同创业的魅力或将远远大于大企业和商业巨头,成为年青人发挥创业精神、成家立业的首选,何况历史上众多改变世界的发明原型和创业是在车库和宿舍里发生的。年青人,赶快象乔布斯一样抓住这个历史机遇吧!
    创客运动的重大机遇还在于它同时具有小型化和全球化并存的优势:创客的活动空间既有灵活的原始作坊形态,同时又掌握实现创新的高技术,可以从小处开始,大处成长。另一个最重要的特点是,它能创造出现实世界需要但尚未了解的新产品,而并非着眼于取代现有的产品。大规模生产的优势在于重复制造和标准化;创客所凭借的诸如3D打印等廉价桌面设备的制造模式有利于个性化和定制化,当今数字时代允许生产者和使用者在两者之间做出选择。何况分布世界各地的工厂正在顺应这一潮流,纷纷向拥有数字设计能力和信用卡的普通人提供基于互联网的按需制造服务,从而使创客阶层得以进入生产制造领域而无需在创业阶段自己建立工厂或公司。例如,美国Shapeway 3D打印服务公司为客户制作和销售创意产品,已有150000人参与。
    在明天的制造领域,天平绝对是偏向于最佳创新模式而非廉价劳动力。欧美国家已经将“创客运动“作为抑制以廉价劳动力为基础的中国制造业的武器,各种媒体大力宣传报道。我们的专家、企业家和政府官员千万不可视而不见、掉以轻心,甚至误解为他们是在炒作3D打印。事实上,3D打印仅仅是创客运动一种可用的工具,而并非创客运动的实质所在。
    2012年美国在1200所学校建立了创客空间,旨在通过创客运动,在不同领域找到并充分利用最佳人才和主动性更强的人,保证美国未来的制造业能够立于不败之地。美国国防先进研究项目局在自适应战车制造的项目中采取开源社区模式,使下一代工程师能够像集成电路和软件项目一样把自己的创新“编译”到新的创造中去,以期将国防系统的产品开发周期从10年缩短到2年。
    中国制造业的先行者,已经自觉或不自觉地认识到这种大趋势。大连光洋科技工程有限公司陈虎董事长曾谈到他的设想:提升光洋数控系统的开放性,使所有用户都能够参与应用的开发,像苹果手机一样汇集用户的智慧提升产品的性能和应用范围。这就为数控系统建立一个创客社区。上海美唐科技有限公司多年来从事3D打印和快速铸造的服务,为客户制作原型,将新产品的3D设计转化为3D实体模型或零件,也是创客运动支持者之一。
    第四次工业革命
    工业革命是现代文明的起点,是人类生产方式的根本性变革。18世纪末的第一次工业革命创造了机器工厂的“蒸汽时代”,20世纪初的第二次工业革命将人类带入大量生产的“电气时代”,这两个时代的划分已经是大家公认的。20世纪中期计算机的发明、可编程控制器的应用使机器不仅延伸人的体力,而且延伸了人的脑力,开创了数字控制机器的新时代,使人、机在空间和时间上可以分离,人不再是机器的附属品,而真正成为机器的主人。从制造业的角度,这是凭借电子和信息技术实现自动化的第三次工业革命。进入21世纪,互联网、新能源、新材料和生物技术正在以极快的速度形成巨大产业能力和市场,将整个工业生产体系提升到一个新的水平,正在推动一场新的工业革命,美国《经济学人》杂志认为是第三次工业革命,德国技术科学院(ACDTECH)称之为第四次工业革命,在很多情况下又称为新工业革命。
    信息物理融合系统
    处于互联网和人人可拥有多终端的时代,任何由原子构成的实体产品都离不开比特,至少有条形码,或借助计算机来进行设计,或能够显示工作状态,或可进入物联网。市场竞争已经充分表明,没有软件或软件含量低的实体产品,就是低附加值的产品,缺乏竞争力。软件可以是“免费”的,但硬件身价翻番。例如,在美国加州设计、中国装配的iPhone售价里,1/3是原子,2/3是比特,比特的增值力使苹果成为最富有的公司。这一事实证明,产品的突破性创新和盈利能力都是原子和比特联姻的产物,是具有“人-机”、“机-机”相互通信能力的信息物理融合系统(CPS),智能化的数控机床、机器人和物流就构成未来的CPS模式的工厂,分散的智能发电装置(如风电)就构成CPS模式的智能电网等,众多行业和领域的CPS就成为未来的数字化智能城市。
    不同信息物理融合系统之间能够协同运作的决定性因素如下:不同应用程序的信息必须在语义上是兼容的,才有可能进行相互通信;具有实时传感器和致动器嵌入式系统的物理环境;通过网络嵌入不同的“系统的系统(OS)”;所有的系统具有自适应性和局部的自主权以及合作与分布式控制系统;广泛的人机合作和协同。
    智能化工厂
    未来的智能化工厂是由若干信息物理融合系统组成的,但建立智能化工厂需要关注以下5个要素:智能生产和产品真实的企业环境;宏观和微观经济环境;人的因素;技术因素。
    最后应该指出,互联网和移动通信的广泛应用,必将导致工业结构、经济结构和社会结构从垂直向扁平转变,从集中向分散转变。对制造业而言,越来越多的微小企业通过互联网组成可与大企业对抗的社区或联盟,他们可能是智能化工厂的先锋队。

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