重磅：如何突破離散工業(yè)的數(shù)字化瓶頸
工業(yè)數(shù)字化的第一步是底層數(shù)據(jù)共享，其核心環(huán)節(jié)在設(shè)計端。離散工業(yè)因為具有協(xié)作痛點，所以，其數(shù)字化最容易輸在起點，深厚積累是唯一的捷徑。
當今世界主要工業(yè)國家都在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型，企業(yè)界普遍相信生產(chǎn)線的智能化改造將帶來經(jīng)濟上的成功。2016年，世界經(jīng)濟論壇的數(shù)字化轉(zhuǎn)型倡議指出：2016-2025年這十年間，各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型有望帶來上百萬億美元的社會與企業(yè)價值，包括汽車、電子產(chǎn)品、航空航天、機床等離散工業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型的潛在累積價值將達到數(shù)十萬億美元。中國工程院李國杰院士甚至認為“新經(jīng)濟本質(zhì)上是工業(yè)經(jīng)濟向數(shù)字經(jīng)濟過渡”，數(shù)字化技術(shù)對工業(yè)經(jīng)濟的驅(qū)動力將加速提升。
目前，中國工業(yè)體系的數(shù)字化進程已經(jīng)進入提速階段。可是，即使是美國、德國等傳統(tǒng)工業(yè)強國，在數(shù)字化技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用中尚且面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，如何使工廠中成千上萬個傳感器與生產(chǎn)過程更好融合？如何創(chuàng)新規(guī)劃工具使數(shù)字化工廠的規(guī)劃周期更短、更自動化？如何保障信息安全，消除工業(yè)企業(yè)對大數(shù)據(jù)、云計算信息安全問題的擔憂疑慮……本文重點探討離散工業(yè)面臨的數(shù)字化瓶頸和突破之道。
離散工業(yè)的協(xié)作痛點
如果由五個畫師分開畫一個杯子，各畫五分之一，能否保證五張圖完美拼接到一起？貌似很難，要有足夠默契才能做到。如果是五百個畫師、五千個畫師甚至五萬個畫師，分工、協(xié)作畫好那么一個杯子，如何做到完美拼接？一定要有“極端標準化的操作工具、工序、流程”+“嚴絲合縫進行銜接”才有可能做到。
諸如飛機、船舶、汽車、武器裝備、電子設(shè)備、機床等都屬于離散工業(yè)，如同數(shù)百、數(shù)千畫師協(xié)作畫好一個杯子，“始終面臨難以駕馭的協(xié)作痛點”。
小小的一部智能手機，由數(shù)百個零部件組裝而成，背后有上百家供應(yīng)商提供支持。像飛機、汽車這樣復(fù)雜的產(chǎn)品，則要有幾十萬個甚至上百萬個零部件進行精密組裝，一個汽車制造商至少需要260家左右的各類配套和外協(xié)企業(yè)，一個民用飛機制造商則需要上千家外協(xié)、外供企業(yè)的配合。一個完整的終端產(chǎn)品要經(jīng)過產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、制造工程、生產(chǎn)執(zhí)行和售后服務(wù)這幾個階段，每一個零部件也要經(jīng)歷這個過程。
例如，一款汽車需要上千人設(shè)計，設(shè)計人員大概要設(shè)計3年、生產(chǎn)模具1年、建設(shè)生產(chǎn)工廠4年，至少需要8年時間。外界很難想象，汽車座椅上的一個金屬零部件，其設(shè)計材料就多達數(shù)千頁。必須做到“極端標準化”，要是任何一個階段、任何一個細節(jié)出了狀況（或者精度不行），最后的產(chǎn)品就可能組裝不起來。這就導(dǎo)致漫長的研發(fā)周期，制造商不敢輕易開動生產(chǎn)線實現(xiàn)量產(chǎn)，擔心生產(chǎn)線一旦運行起來，想換型號就很困難了，“極端標準化”會使得整個制造環(huán)節(jié)喪失柔性。
為什么大量PE（私募股權(quán)投資）、VC（風險投資）資金更愿意進入移動互聯(lián)網(wǎng)、VR/AR（虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實）、Fintech（金融科技）等行業(yè)，很少聽說這些逐利資金進入制造業(yè)？前者是虛擬經(jīng)濟，后者是實體經(jīng)濟。
馬云曾說：“全中國把互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟稱之為虛擬經(jīng)濟，事實上虛擬經(jīng)濟的主體是金融界。”而運行一家工業(yè)企業(yè)，遠比做一家互聯(lián)網(wǎng)公司或者金融公司難得多。因為工業(yè)企業(yè)的協(xié)作體系太大，產(chǎn)業(yè)鏈太長，從上下游信息一直到生產(chǎn)線實際運行，不像金融和互聯(lián)網(wǎng)（金融、互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品已經(jīng)都數(shù)字化了），即使工業(yè)企業(yè)內(nèi)部有一些管理系統(tǒng)，也就像是這一地的玻璃碎片，要想把這個圖拼好、做成一個完整的杯子，實在不容易。
工業(yè)數(shù)字化第一步：底層數(shù)據(jù)共享
聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織 (UNIDO)將現(xiàn)代工業(yè)體系分成39個大類、191個中類、525個小類，而中國工業(yè)體系全球唯一擁有當中全部工業(yè)門類，其中很多工業(yè)的產(chǎn)品類型和生產(chǎn)工藝的組織方式是離散式的。那么，為何普遍相信“工業(yè)數(shù)字化”能使“離散式生產(chǎn)”變得更有效率？工業(yè)數(shù)字化的逐步實現(xiàn)有一個歷史過程：
模擬繪圖階段：最初，工業(yè)界尋求用軟件來模仿和增強人的行為方式，例如，繪圖軟件最早模仿的就是人在紙面上的作畫行為。
人機交互階段：經(jīng)過一段時期發(fā)展，人機交互技術(shù)開始走向成熟，工程師和設(shè)計人員開始用CAD軟件模仿產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與外觀，CAE軟件模仿產(chǎn)品在各種物理場情況下的力學(xué)性能，CAM軟件模仿零部件和夾具在加工過程中的刀軌情況，CAPP軟件模仿工藝過程，CAT軟件模仿產(chǎn)品的測量/測試過程，等等。
數(shù)字孿生階段：近些年來，一些前沿工業(yè)企業(yè)已經(jīng)不滿足于“長得非常像”某些實體事物的三維圖形，希望數(shù)字虛體空間中的虛擬事物與物理實體空間中的實體事物之間具有可以聯(lián)接通道、可以相互傳輸數(shù)據(jù)和指令的交互關(guān)系，即實現(xiàn)“數(shù)字化雙胞胎工廠”，也叫“數(shù)字孿生”。
數(shù)字孿生，是工業(yè)數(shù)字化的高級階段。數(shù)字化工廠的解決方案非常簡單，就是五百個畫師甚至五萬個畫師，都在同一張圖紙上一起作畫。數(shù)字化工廠就是提供了一張底板紙，一個底層數(shù)據(jù)庫，然后把原來的一個個系統(tǒng)，研發(fā)、生產(chǎn)、制造、服務(wù)什么的都插進去，構(gòu)成一幅完整拼圖。
更確切說，何謂“數(shù)字化的離散式生產(chǎn)”？就是要將所有零部件的生產(chǎn)過程都放在同一個系統(tǒng)來進行。傳統(tǒng)的離散式生產(chǎn)，是各畫各的圖紙，然后根據(jù)一個標準拼接起來。“數(shù)字化的離散式生產(chǎn)”是各方共用一張底板紙，大家一起一筆一筆添上去，由“接下來……接下來……”變成“一邊……一邊……”，先形成一個虛擬工廠，然后再將虛擬工廠與真實工廠實現(xiàn)同步。
為什么說“數(shù)字化生產(chǎn)就是要實現(xiàn)完全用不到紙張的生產(chǎn)車間”？傳統(tǒng)的制造過程一般是先出一張設(shè)計圖紙，然后交給生產(chǎn)部門做出樣品，圖紙返回研發(fā)部改進后再生產(chǎn)。在數(shù)字化制造下，從研發(fā)到制造基于同一個數(shù)據(jù)平臺，改變了傳統(tǒng)制造節(jié)奏，研發(fā)和生產(chǎn)幾乎同步，完全不需要紙質(zhì)的圖紙。這種節(jié)奏的改變帶來的是產(chǎn)品上市時間的大大壓縮、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的全面提升。
工業(yè)數(shù)字化將從根本上解決“傳統(tǒng)工業(yè)在效率提升方面所面臨的困難”。讓工人加班，以非常標準的方式工作，不能有任何浪費的動作，這種提高生產(chǎn)效率的方式已經(jīng)越來越不適用了。此外，不斷變化的市場需求，對制造業(yè)的靈活性提出了更高要求，特別是定制化生產(chǎn)需求越來越多。而那種原創(chuàng)于福特公司的大規(guī)模流水線裝配作業(yè)，很難兼顧生產(chǎn)效率和靈活性，必將在工業(yè)數(shù)字化的浪潮中，實現(xiàn)脫胎換骨的深刻變革。
中國工業(yè)的數(shù)字化進程并非第一天開始，而是已經(jīng)準備了30年。現(xiàn)在到了一個關(guān)鍵時期，具體做法是最關(guān)鍵的。具體可以分為三個基本步驟：
第一步 建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。
一個離散式的工業(yè)企業(yè)，從研發(fā)開始，到生產(chǎn)規(guī)劃、制造工程、生產(chǎn)執(zhí)行，這是整個生命周期過程。在這個過程中，從產(chǎn)品設(shè)計開始，研發(fā)部門就把設(shè)計產(chǎn)品的元器件清單、組裝圖、測試條件這些信息放進一個數(shù)據(jù)庫里，一個基本的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型就做好了。
第二步 優(yōu)化工藝流程參數(shù)。
到了生產(chǎn)規(guī)劃部門，如果還用剛才那個數(shù)據(jù)模型，內(nèi)容就不夠了，因為那里只有設(shè)計參數(shù)，而沒有生產(chǎn)參數(shù)。所以，要繼續(xù)輸入如何把產(chǎn)品生產(chǎn)出來的數(shù)據(jù)，比如工藝流程、質(zhì)量標準這些東西，這個數(shù)據(jù)庫就自然擴大了。
第三步 完善運營管理數(shù)據(jù)。
到了制造工程部門，要對生產(chǎn)機床進行編程，各種自動化組態(tài)、程序調(diào)試，把制造環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進一步地擴大。這個過程當中可能還需要從ERP（企業(yè)資源計劃）來調(diào)用生產(chǎn)訂單的信息，從PLM（產(chǎn)品生命周期管理）得到產(chǎn)品設(shè)計的信息，然后還要從物流系統(tǒng)得到物料信息，把這些綜合在一起和生產(chǎn)線進行互動，這個環(huán)節(jié)就是運營管理。
數(shù)字化離散式生產(chǎn)的整個過程，從頭到尾都是在一個數(shù)據(jù)庫中不斷擴展起來的。具體到一個數(shù)字化工廠的形態(tài)，就是生產(chǎn)控制的自動化系統(tǒng)、制造執(zhí)行的MES系統(tǒng)、財務(wù)管理的ERP系統(tǒng)、產(chǎn)品生命周期管理的PLM系統(tǒng)，基于同一個底層的數(shù)據(jù)模型，根據(jù)需要缺哪個補哪個，適時優(yōu)化調(diào)整。
數(shù)字化技術(shù)在離散工業(yè)中的應(yīng)用，能夠帶來非常驚人的精度和透明度——精度效果：許多零部件的運算，有限的人力根本無法完成。比如一塊規(guī)則的方形零件，人力能夠計算它的效能，而一旦零件是不規(guī)則形狀，邊緣彎彎曲曲，人力就無法計算了。電腦運算時，卻能把這個不規(guī)則零件，分割成為成百上千個規(guī)則的小方塊，再合并出一個運算結(jié)果。
透明度效果：過去，工廠簡直就是一個黑箱，每一個產(chǎn)品生產(chǎn)到哪一步了，每一個產(chǎn)品的每一個零部件來源，每一個工人的工作狀態(tài)，產(chǎn)品的質(zhì)量和可追溯性……除了工程師心里稍微有點數(shù)，連總經(jīng)理都不知道真實情況，因為他面對的永遠是一個由無數(shù)因素構(gòu)建起來的復(fù)雜系統(tǒng)。現(xiàn)在這些都不是問題，只要提前把設(shè)備“數(shù)字化”，電腦就能算出“黑箱”里面究竟會發(fā)生什么。
工業(yè)數(shù)字化核心環(huán)節(jié)在設(shè)計端
工業(yè)數(shù)字化是智能制造或者工業(yè)4.0繞不過去的一個關(guān)鍵支撐。可是，國內(nèi)工業(yè)界很多人誤認為“需要像投資自動化一樣投資數(shù)字化”。難道給車間或設(shè)備裝上芯片和傳感器，通過后臺軟件編個程序，機器就能“數(shù)字化”嗎？這是迷茫中的一種誤解。若是如此簡單，那么每個工業(yè)企業(yè)只需要擴招一批軟件工程師，幫設(shè)備寫代碼就行了。而現(xiàn)實是，工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化進程仍然緩慢。其實，工業(yè)數(shù)字化最關(guān)鍵的部分，不是生產(chǎn)端，而是更前面的設(shè)計端。
離散工業(yè)的研發(fā)成本普遍很高，而其中消耗最大的，是試錯成本。傳統(tǒng)工業(yè)當中，有人制造出一臺新設(shè)備，就必須全部造完，零部件組裝好，隨后試運行，運行的過程中發(fā)現(xiàn)錯誤，修改是很累的，零件拆了改，改了再裝，一次次人工試驗、動手安裝，最終才能完成。
運用數(shù)字化技術(shù)（即實現(xiàn)“數(shù)字孿生”），能夠大幅降低研發(fā)過程中的試錯成本。就是這臺設(shè)備無需真的“造”出來，只需把每一個零部件的材料、物理屬性、形狀大小全部輸入電腦，怎樣運作的工作原理也輸入電腦。隨后由電腦來模擬它運行時是什么狀況，會有哪些效果。工程師如果覺得結(jié)果不過關(guān)，可以直接在電腦里修改設(shè)計。
大概在上世紀90年代，波音公司在研發(fā)民用飛機時，已經(jīng)采取整機“數(shù)字化”，就是把整臺飛機都轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)“塞”進電腦，由電腦運算試飛結(jié)果。這就不用再像傳統(tǒng)的離散工業(yè)那樣，先造出一臺真飛機，讓它去做真實的撞墻試驗。“數(shù)字孿生”在飛機研發(fā)中的實際應(yīng)用，無疑能夠節(jié)省大量的人力和物力成本，而后續(xù)的修改流程也簡單到不可思議。當時電腦運算的精準度已經(jīng)能達到99%以上。
智能手機也是一個典型的離散制造，在傳統(tǒng)的手機制造業(yè)里，怎么做手機外殼呢？首先對外殼進行設(shè)計，之后要設(shè)計一個模具，還要做出一個真實的模具來，再對模具注塑，然后才能生產(chǎn)出塑料外殼。那么，數(shù)字化工廠會怎么做呢？外殼設(shè)計完了，直接生成CNC數(shù)控機床程序，CNC程序直接灌注到加工機床，加工機床直接會做出外殼來，節(jié)省了步驟，提高了靈活性。
“數(shù)字孿生”的工業(yè)應(yīng)用，實質(zhì)上就是把現(xiàn)實中的工廠，從設(shè)備、流水線到車間，一切都轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，由電腦虛擬運作，產(chǎn)生一個個模擬結(jié)果。不滿意的部分，直接在電腦里改。如果等一切都已經(jīng)變成物理設(shè)備，成為真實的生產(chǎn)線，再提什么“數(shù)字化”，就為時已晚了。
離散工業(yè)數(shù)字化最容易輸在起點
當今世界上最先進的數(shù)字化工廠——德國安貝格工廠，其核心產(chǎn)品是PLC（可編程邏輯控制器）。最近幾年，西門子全數(shù)字化的成都工廠已經(jīng)建成運行，正是復(fù)制德國安貝格工廠而來的，主要產(chǎn)品也是PLC。
國內(nèi)媒體大多將此視為“西門子助力中國制造業(yè)的數(shù)字化進程”，其實，這當中存在一個不被外界理解的誤區(qū)。如果一個工業(yè)企業(yè)不掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，如何“用數(shù)字化方式精確描述產(chǎn)品，精確描述產(chǎn)品制造過程”？
據(jù)工信部2016年統(tǒng)計，國內(nèi)22個行業(yè)900套大型工業(yè)控制系統(tǒng)大部分由國外廠商提供產(chǎn)品，特別是可編程邏輯控制器（PLC），外商占據(jù)了94%以上的份額。由于工控領(lǐng)域國內(nèi)企業(yè)仿制國外產(chǎn)品都難以做到，國外企業(yè)不需要在中國申請專利保護其產(chǎn)品銷售，國外企業(yè)在華申請專利數(shù)長期維持在該領(lǐng)域中國專利總量的10%左右（通信和計算機領(lǐng)域國外企業(yè)的專利占到43%）。
這里面透露出兩個信息：一、很多核心工業(yè)技術(shù)因為過于高端和精密，是長年累月深度積累的結(jié)果，根本不擔心被輕易偷走；二、中國離散工業(yè)的數(shù)字化進程，最容易輸在核心技術(shù)的起點。
韓國三星公司在2007年就開始啟動數(shù)字化進程，主要是針對兩大痛點而來：第一，如何以更快的速度把創(chuàng)新產(chǎn)品投向市場，同時確保高質(zhì)量并控制成本；第二，如何確保與全球業(yè)務(wù)合作伙伴，及其自身在地域上分散的工廠一起高效工作。
于是，三星開始尋求“數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)架構(gòu)(包括設(shè)計、驗證和制造等)和數(shù)字化協(xié)同”。三星經(jīng)過多年的數(shù)字化改造，大部分的模型設(shè)計和制造過程實現(xiàn)了自動化，這個內(nèi)部開發(fā)的自動化系統(tǒng)建立在規(guī)章制度和持續(xù)更新的企業(yè)知識的基礎(chǔ)之上。自動化數(shù)字產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)據(jù)和物料清單(BOM)管理、數(shù)字樣機、知識管理和并行工程使其獲益匪淺，現(xiàn)在三星只需要10天時間就能開發(fā)出新的手機模型。
不過很少有人看到，三星數(shù)字化改造的全面推進，與產(chǎn)品核心技術(shù)的深度挖掘是并行的。電子產(chǎn)品帶有顯著的“離散制造”特征，在復(fù)雜的材料、零部件體系中，三星力求抓住其中技術(shù)門檻最高、利潤最高的核心部分。
三星電子在成功掌握存儲、非存儲芯片技術(shù)后，又陸續(xù)掌握了TFT-LCD、PDP、有機發(fā)光顯示（OLED）、移動芯片、閃存芯片等核心技術(shù)。這里面可以看到一個規(guī)律：這些技術(shù)其實從根上都是半導(dǎo)體技術(shù)，這些半導(dǎo)體芯片技術(shù)很大程度上得益于前面對存儲芯片技術(shù)的深度掌握，再拓展到其他芯片技術(shù)就容易多了。
在工業(yè)數(shù)字化時代，為何還要特別強調(diào)“產(chǎn)品核心技術(shù)”？不是應(yīng)該更關(guān)注“互聯(lián)網(wǎng)+”或者“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”嗎？注意，掌握核心技術(shù)的意義不僅僅是將產(chǎn)業(yè)鏈向前延伸，降低成本。更重要是深入了解技術(shù)之后，才談得上技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)品創(chuàng)新。離散工業(yè)并不只是“組合裝配”，那只是表層皮毛，如果不深度挖掘核心技術(shù)，對技術(shù)的理解就永遠是含糊的，沒把握的。而工業(yè)數(shù)字化要求的，恰恰是精確、精確，再精確。
深厚積累是唯一捷徑
真正推動工業(yè)前沿發(fā)展的，是不斷涌現(xiàn)出來的新知識、新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品。由知識向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化一般要經(jīng)過四個環(huán)節(jié)：一、通過基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)新知識；二、通過發(fā)明將知識轉(zhuǎn)化為滿足應(yīng)用需求的新技術(shù)；三、通過前沿創(chuàng)新將技術(shù)變成新產(chǎn)品和服務(wù)，開始投入市場；四、在商業(yè)應(yīng)用中不斷改進、提高產(chǎn)品和服務(wù)的市場競爭力。從知識到技術(shù)，從技術(shù)到產(chǎn)品，從產(chǎn)品到市場，每一步都可能經(jīng)過“死亡之谷”。而數(shù)字化技術(shù)能在其中起到關(guān)鍵性的輔助作用，制造過程固然重要，但產(chǎn)品本身才是根本。
其實，數(shù)字化工廠所有的技術(shù)都是現(xiàn)成的，哪怕是最先進的安貝格工廠，也只是西門子把一些現(xiàn)有技術(shù)重新組合到一起而已。工業(yè)4.0時代頻繁提及的技術(shù)，其實3.0時代就已存在，只是今天電腦更快、科技更便宜、溝通成本更低、環(huán)境更成熟。
目前看來，離散工業(yè)的數(shù)字化是由實際的訂單來驅(qū)動的，這跟互聯(lián)網(wǎng)高度依賴投融資的增長模式不同。放眼全球，工業(yè)機器人市場已經(jīng)連續(xù)多年實現(xiàn)20%以上的增長，3D打印年均增速超過30%，兩者都很可能成為千億美元的市場規(guī)模。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更是增速顯著，市場規(guī)模快速接近萬億美元量級。
智能制造的實現(xiàn)需要有大量數(shù)據(jù)支持，包括機械、傳感器等，這些數(shù)據(jù)需要通過數(shù)字化來實現(xiàn)。譬如大型燃氣輪機有1500個傳感器，每一個傳感器都可以形成獨有的數(shù)據(jù)體系。不過，數(shù)據(jù)不是最終目標，如何對數(shù)據(jù)進行評估、篩選和分析，然后從中真正獲得對業(yè)務(wù)的理解才是重點。
有一個工業(yè)創(chuàng)業(yè)家表示：“工業(yè)數(shù)字化不僅僅是一項技術(shù)變革，跟互聯(lián)網(wǎng)興起的過程類似，它更多是帶來商業(yè)模式的變革，未來10年，它將滲透到工業(yè)制造體系的每一個毛細血管中，改變現(xiàn)代經(jīng)濟學(xué)和管理學(xué)的底層規(guī)律，重塑整個人類的商業(yè)社會。”
不過，中國工業(yè)界更需要的，是技術(shù)積累和沉淀的過程。數(shù)字化工廠的軟件系統(tǒng)再先進，也只是個工具。沒有產(chǎn)品核心技術(shù)上的深厚積累和深度挖掘，很難有效發(fā)揮數(shù)字化技術(shù)的關(guān)鍵性輔助作用。
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