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深入認識工業4.0時代的中國制造

本文為工業4.0研究院院長兼首席經濟學家胡權接受《中國信息年鑒》(2015年版)編輯委員會邀請撰寫,主要對中國制造在第四次工業革命背景下的轉型升級做了較為全面的論述。

  自從250年前英國發生了第一次工業革命,人類社會已經經歷了三次工業革命,目前已經在邁向第四次工業革命的道路上。按照德國工業4.0平臺的定義,這四次工業革命分別為工業1.0、2.0、3.0和4.0,其主要的技術特征是機械化、自動化、信息化和網絡化。

  在工業4.0時代,全球制造業強國紛紛行動起來,相繼推出國家級的制造業戰略,美國提出了AMP 2.0(Advanced Manufacturing Partnership 2.0, 先進制造伙伴計劃),德國則提出了包含戰略、標準及路徑等的工業4.0體系,中國在2015年提出了《中國制造2025》,日本也結合機器人優勢,計劃推出“機器人革命”國家戰略。

  在這樣的背景下,中國制造應該利用新概念帶來的新思路、新方法和新模式,實現新常態下的轉型升級,其中,把握工業4.0時代的發展趨勢和發展規律,是中國企業家應該重點關注的。

  一、認識第四次工業革命

  雖然第四次工業革命的概念并未得到所有專家的認可,但從諸如哈佛商業歷史學家阿爾弗雷德.D.錢德勒在《信息改變美國:驅動國家轉型的力量》一書中提出信息技術的應用是第三次工業革命的論斷來看,德國人把網絡化在工業領域的應用稱為第四次工業革命也沒有什么不妥。

  按照馬克思的論斷,只有生產力的提升,而沒有生產關系的改變,不是工業革命,第四次工業革命是技術創新發展到一定階段,對傳統的生產制造價值創造體系將產生顛覆性的改變,因此,第四次工業革命值得我們關注和學習。

  德國對工業4.0的定義

  德國工業4.0平臺明確指出,發生在英國的第一次工業革命是工業1.0,其主要技術特征是機械化,以電氣化和自動化為特征的第二次工業革命就是工業2.0,接著以PLC(Programmable Logic Controller,可編程邏輯控制器)廣泛應用為特征的第三次工業革命就是工業3.0,當然,未來的以信息物理融合系統(CPS,Cyber-Physical Systems)技術為特征的制造業,可以稱為工業4.0。

德國工業4.0四個階段的定義及特征圖 1德國工業4.0概念的階段性定義

  在2015年4月德國工業4.0平臺發布的《工業4.0實施戰略計劃》報告中,對工業4.0進行了較為嚴格的定義:

  “工業4.0概念表示第四次工業革命,它意味著在產品生命周期內對整個價值創造鏈的組織和控制邁上新臺階,意味著從創意、訂單,到研發、生產、終端客戶產品交付,再到廢物循環利用,包括與之緊密聯系的各服務行業,在各個階段都能更好滿足日益個性化的客戶需求。”

  更進一步,德國工業4.0平臺闡釋了工業4.0概念的價值,它指出:

  “所有參與價值創造的相關實體形成網絡,獲得隨時從數據中創造最大價值流的能力,從而實現所有相關信息的實時共享。以此為基礎,通過人、物和系統的連接,實現企業價值網絡的動態建立、實時優化和自組織,根據不同的標準對成本、效率和能耗進行優化。”

  由此可見,德國對工業4.0的定義是比較清晰的,對工業4.0在工業革命史中的階段有比較明確的劃分,同時也對工業4.0階段的價值創造過程有了較為深入的分析,因此,工業4.0概念是一個較為完備的體系。

  未來制造的網絡化趨勢

  作為新一輪的工業革命,工業4.0時代跟前三次工業革命不同的地方是網絡化,由于在生產制造核心價值創造環節大量采用了網絡化技術,原有的價值創造體系將發生革命性的改變,從而促使整個社會技術體系產生變革,這是第四次工業革命存在的證據和理由。

  大家知道,互聯網技術在人們消費領域的應用,導致了人們的生活發生了翻天覆地的變化,特別是在中國,大量的用戶使用電子商務、即時通信和移動應用等互聯網產品及服務,大大改變了人們的傳統生活形態。可以預想,如果互聯網技術在生產制造領域得到充分利用,將對人們的生活產生巨大的改變。

  人口僅為8500萬,面積僅為兩個廣東一樣大的德國,缺乏中國這樣的一體化大規模市場,難以推動互聯網技術在德國人生活中深度應用,但由于德國的制造業非常發達,具有很好的應用新技術的環境,因此,德國工業4.0概念提出之后,得到了德國制造業的大量響應,紛紛加入德國工業4.0平臺,共同推動德國的工業4.0的應用。

  從未來制造業發展的趨勢來講,利用CPS技術,把物理世界虛擬化,是降低創新成本的最佳途徑。例如,傳統汽車的制造過程需要先設計出圖紙,制作出模型汽車,然后用模型汽車進行碰撞等試驗,檢驗設計的效果,這樣的流程花費的成本比較高,但利用CPS技術,新設計的汽車可以在模擬的測試環境中進行多次試驗,而不用擔心汽車碰撞實驗中的損壞,這樣可以大大降低成本。

  理解未來制造業,需要考慮網絡化技術給原有的制造過程帶來的變革,高度網絡化在多個層面發生作用,它可以在產業鏈環節、車間之間、生產線之間、流水線各環節以及任何物體之間發生,而達到物與物的連接,則是CPS技術發展的最高境界,那就是物聯網。

  總而言之,工業4.0時代就是第四次工業革命,它的核心技術CPS帶來的大量連接,形成了各種層級的網絡化,這將大大改變現有的生產制造流程,從而影響制造業的價值創造體系,這就是第四次工業革命最大的趨勢和特征。

  二、解構中國制造的困境

  經工業4.0研究院考證,中國在1850年左右喪失了全球制造業大國的地位,經過160年的時間,在2010年,我國經過三十年左右的工業化努力,再次奪回世界制造業大國的地位。雖然從制造業產值上講,中國現在是全球排名第一,但從制造業的國家競爭力來講,我們遠遠落后于全球制造業強國。

  正是基于這樣的背景,《中國制造2025》提出,“實施制造強國戰略,加強統籌規劃和前瞻部署,力爭通過三個十年的努力,到新中國成立一百年時,把我國建設成為引領世界制造業發展的制造強國,為實現中華民族偉大復興的中國夢打下堅實基礎。”

  中國制造低端產能過剩

  在中國制造過去三十年的發展期,中國人口紅利帶來的低成本,一直是中國制造走向全球的法寶,據美國知名媒體記者查訪,幾乎沒有哪個美國人可以離開中國制造的產品而正常生活,可見中國制造在全球人類的生活中扮演了多么重要的角色。

BCG對全球前25位經濟體的對比圖 2 BCG對全球前25位經濟體的對比

注:該指數只反映四類直接生產生產成本。原材料投入和機器工具折舊等其他成本不另作區分。成本結構在根據所有產業加權平均計算。已根據生產率作相應調整。

  但是,隨著中國的發展,人口紅利已經逐步喪失,制造業的平均成本增長非常迅速,相比之下,東南亞更低的人工成本更具有吸引力。美國波士頓咨詢公司(BCG,Boston Consulting Group)曾經做了一項對比研究(該報告中文版全文可在工業4.0研究院官方網站下載),提出中國制造的成本指數為96,而美國制造的成本指數為100,如果以這樣的對比方式來看,中國制造幾乎跟美國制造的成本相當。雖然這樣的對比模型包含了一些諸如環境成本以及其他估算成本,并不具有很強的對比性,但中國制造成本上升的結論是肯定的。

  這還不是最糟糕的,雖然傳統制造產品的需求已經大幅下降,但各地政府依然考慮就業等因素,繼續通過財政支持等手段維持原有的生產能力,或者繼續上馬原有規劃的工廠,這導致全國不少地方的制造能力過剩。

  過剩的產能不能退出市場,影響了整個行業的盈利能力,同時也導致擁有豐富制造業經驗的人才不能流動,這使得中國制造的各種資源不能實現高效配置,反而阻礙了中國制造的轉型升級過程的推進。更為可惜的是,過剩產能不退出,企業也難以轉向技術創新要出路,長期以往會影響中國跟進第四次工業革命的發展機會。

  核心技術缺乏問題嚴重

  由于中國工業化進程不過三十多年,大部分中國制造企業缺乏核心技術,它們主要通過引進來自美國、德國和日本等制造強國的裝備,加工好產品銷售給消費者,由于中國還缺乏成熟的高端裝備產業,在相當長一段時間內無法改變繼續引進制造強國裝備的現狀。

  在2015年8月的工信部人才交流中心舉辦的“德國工業4.0戰略解讀”會議上,來自德國電氣電子制造協會(ZVEI,Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V.)的Klaus Mittelbach明確指出,德國就是要利用“工業4.0”去制造“中國制造”(”Made in China 2025” made by “Industrie 4.0”),可見德國意圖繼續做中國制造的裝備設備提供商的目的很明確。

  從《中國制造2025》提及的十個領域來看,大部分是中國企業不具有核心技術的,國內大部分產業企業是通過集成等方式提供相關產品及服務。值得我們警惕的是,這些產業涉及到大量的核心技術研發,國內高校和研究機構相關基礎研究也不到位,在相當長一段時間,國內是缺乏相關技術獲取可能的。

  目前國內一些制造大省在大張旗鼓進行機器換人,但涉及到機器換人的一些自動化設備,中國是沒有能力提供關鍵部件的,幾乎所有的關鍵部件都是采購國外企業的,在這樣的格局下,中國制造缺乏核心技術的困境是無法通過機器換人獲得緩解的,相反,大量采用國外的自動化設備,反而讓中國制造業在相當長一段時間難以投入資源去解決核心技術缺乏的問題。

  除此之外,中國高校和研究機構對工業4.0相關的基礎科學和技術缺乏深入研究,《中國制造2025》要實現十年的計劃周期獲得技術的提升,可能會比較困難。例如,機器人所需要的基礎學科涉及到計算機視覺,國內大部分就是采用英特爾提供的開源平臺OpenCV;對于大家熱衷的3D打印,其操作系統也是歐洲提供的開源平臺Arduino。

  因此,對于中國制造目前的現狀,低端產能過剩和核心技術缺乏是兩個突出的問題,而中國制造企業經營理念陳舊,缺乏對未來制造業制高點的深刻認識,將阻礙中國制造的轉型升級順利進行,而要改變這樣的困境,中國制造企業必須認識到創新的重要意義,并切實通過創新來形成新的發展動力。

  三、創新驅動中國制造業

  實事求是的講,中國制造業是一個缺乏創新的領域,由于中國改革開放初期落后西方工業化進程幾百年,直接模仿西方工業化是一個較為經濟的選擇。經過三十年的高速發展之后,中國進入了簡單模仿成效不佳的狀況,這迫使中國制造選擇創新的道路。

  按照創新的通常定義,可以把創新分為技術創新、模式創新和管理創新。中國制造企業可以根據實際情況,通過多方位的創新努力,實現中國制造轉型升級的宏偉目標。

  從產業鏈考慮技術創新

  技術創新主要以核心技術創造發明或者工程技術應用來體現,這是人類工業革命以來的最基本約束條件,也是人類社會生產力的直接體現。在過去三十多年期間,中國制造成為了全球的工廠,可是,美國、德國和日本等裝備制造強國卻成為了工廠的工廠(Factory of Factories),也就是中國制造企業的工廠使用的裝備設備,大都是國外企業提供的。雖然中國一直不遺余力的發展裝備制造業,甚至于工信部裝備司多年前就提出了“智能制造”的概念,并成為《中國制造2025》文件中的關鍵詞之一,但中國裝備制造業不強是不爭的事實。

  中國裝備制造業不強,與以產業鏈創新布局的方式不足有很大關系。因為目前全球的工業產業大都以復雜的產業鏈形式存在,如果不從完整的產業鏈角度去考慮,是無法避免掌握的技術競爭優勢不強的困境,也就不能持續的進行技術革新。中國高鐵之所以可以稱為中國制造的名片,當初引入國外技術的時候,從整個產業鏈考慮創新,是當時最為正確的決策;而與之相反的是中國汽車業,由于各地政府忙于引進汽車企業提升GDP,而忽略了全產業鏈的技術創新布局,即便中國汽車業增長迅速,但中國自主的汽車業幾乎沒有發展起來。

  在工業4.0時代,由于高度網絡化在生產制造核心價值鏈上的實現,那么相關核心技術的創新將更少由簡單的單個技術創新來實現,這也許是為什么德國工業4.0平臺把領先的市場納入到其雙領先戰略中的根本原因,因為如果沒有完整的技術供應鏈,是不太可能實現面向解決方案級別的技術創新的。

  在數控機床領域,PLC是一個常用的核心器件,但超過95%以上的市場份額都是由國外企業占有,例如西門子、三菱、歐姆龍、施耐德等,它們利用自身工業自動化整體解決方案能力,各自在細分的PLC市場占據壟斷地位,而國內企業要打破這個格局,需要從產業鏈的技術創新入手,這樣的難度是比較高的。如果不是從產業鏈的技術創新介入,單一的技術點很容易被領先的國外企業通過各種方式扼殺。

  因此,中國制造在進行技術創新的時候,需要從整個產業鏈或產業生態去考慮,這樣才可能發揮技術創新帶來的優勢。

  工業4.0模式創新變革

  在工業4.0時代,由于技術約束條件發生了改變,企業經營的商業模式也有機會發生變化。通常來講,商業模式是利益相關者的交易結構,也就是需要考慮與價值創造體系有關的主要利益相關者,這樣才可能真正創造并獲取價值。

  工業4.0研究院根據德國工業4.0體系,梳理了三種基本的商業模式,它們分別是企業邊界內的縱向集成、產業鏈范圍的端到端集成和跨產業鏈的橫向集成,這三種基本的工業4.0模式,可以給企業具體經營管理提供創新方向。

  從工業革命發展史來看,企業大部分的創新發生在車間,例如汽車的大發展,是福特在車間完成的,這是流水線作業的最經典應用案例,也促使了汽車真正走向大眾市場。在工業4.0時代,制造企業仍然難以避免在車間進行創新,縱向集成就是車間創新的工業4.0版本,通過對車間現場流水線的改造,可以向智能工廠演進,從而為諸如大規模個性化定制奠定基礎。

  除了企業邊界內的縱向集成,還有產業鏈范圍的端到端集成,通常是后向整合供應鏈,前向推出電子商務平臺,通過這樣的方式,企業可以提供個性化的產品及服務給客戶,同時,企業還可以獲得較強的競爭優勢。

  海爾就是按照端到端集成的思路來改造其商業模式的,它首先做完了工廠內部的縱向集成改造,形成了“互聯工廠”,初步具有較強的柔性生產能力,同時,海爾還整合了大量的供應鏈企業,以保證來自前端的消費者個性化定制需求。雖然目前還看不出海爾的端到端集成的效率和效果,但如果可以持續改進,將來可能形成有別于競爭對手的差異化優勢。

  當然,真正具有工業4.0特征的應該是橫向集成的商業模式,由于跨產業鏈的企業實現了高度網絡化,它們之間可以進行統一的數據交互,相互之間的協同創新能力將大大提升,這樣會產生大量的創新商業模式。例如,新型的車聯網就是利用了跨產業鏈的信息共享,實現了橫向集成,可以向客戶提供創新的解決產品和解決方案。

  管理理念及方法創新

  從第一次工業革命以來,管理理念和方法都在進行變化。在第一次工業革命時期,由于機械化的使用,要求工人擁有較熟練的使用機器,出現了公司的實體,這導致了公司的概念出現;在第二次工業革命階段,由于電氣化的應用,生產制造的自動化程度大大提升,導致了專業化分工的出現,流水線開始成為標準配置,這個時候專業管理層也出現了;在第三次工業革命發生的時候,技術創新和模式變革要求大量的資本投入,因此風險投資開始發展起來。

  工業4.0研究院認為,在工業4.0時代,將出現新的企業家、新的管理者和新的工作者,這需要我們更新管理理念和方法,真正把創新放到價值創造過程的核心位置。

  在工業4.0時代,激發工作者的創新能力,是一個關鍵的問題。傳統的流水線和科層制管理方法,是不能滿足高度網絡化條件下的創新需要的,這需要突破傳統的管理方法和理念,才可能實現管理跟新價值創造方式的匹配。

  海爾等傳統制造企業也在探索諸如谷歌的新型管理模式,不再通過制度約束工人來實現價值創造,而是把時間交給工人,讓工人自行決定如何安排工作,從而激發工人的創造力。對于德國企業來講,它們也在探索新型的管理模式,例如,它們借助新興技術,提供機器與人共同協作完成產品生產及服務交付,通過人機協作,可以大大提高生產效率,并達到較高的生產靈活性。

  從目前研究及實踐的情況來看,適合工業4.0時代的管理理念和方法還有待進一步發現,但這些理念和方法滿足一定的條件倒是比較明確的,例如,更加符合人性需要,設備跟人的交互更加智能化,管理工作的可視化實現等等。

  總結

  總而言之,工業4.0時代是以網絡化滲透為特征的第四次工業革命,傳統的生產制造價值創造體系將發生革命性的改變。中國制造面臨低端產能過剩和核心技術缺乏等挑戰,但如果中國企業家深刻理解創新的意義,通過技術創新、模式創新和管理創新,實現自身的轉型升級,成為工業4.0時代的領先者和贏家。

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