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　　下一代經濟增長引擎：第四次工業革命科技在制造業中的規模化應用

　　國際金屬加工網

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　科技正在塑造制造業的未來

　　盡管近期全球經濟增長呈放緩趨勢,制造業仍是發達國家和發展中國家經濟的核心驅動力。制造業是研究、開發和創新(R&D&I)投資的主要來源。在德國、日本和韓國,私營部門的制造業公司貢獻了 85%以上的研發經費。

　　科技與創新始終是制造業發展與轉型的關鍵所在。在過去的 20 年里,美國各大行業的工人生產率增長了 47%,主要歸功于科技的應用和創新。

當今社會正處于生產和消費日益融合的階段,科技轉型帶來的新商業模式正是其背后的主動力。在第四次工業革命的背景下,生產正處于由三大科技趨勢驅動的范式轉換關鍵時刻。

　　盡管這三大類科技尚未全面落地,對于制造業的益處也尚未充分發揮,但其發展速度和影響廣度已經達到了前所未有的程度(圖 1)。

　　1. 連通性：隨著物聯網的迅速擴張,我們已經跨入到全球互聯互通時代,目前聯網設備約有 84 億臺。雖然截至目前,制造業只有 15%的資產設備達到了聯網標準,但這種情況正在迅速改變。科技行業正在開發的工業應用物聯網平臺多達 700 余個8,主要科技公司也在大規模投資于可擴展的超級物聯網平臺。

2. 智能：人工智能、計算能力的發展和大數據使得機器學習算法變得更加強大。事實上,語音和圖像識別已經達到了人腦級別的準確性。

　　然而,人工智能在制造業的全部潛能尚未充分發揮;目前只有一小部分數據用于決策。比方說,經研究發現,在石油鉆井平臺獲得的全部數據中,只有其中 0.5%的數據被用于決策。

　　3. 靈活自動化：自動化科技如今可以實現 60%制造任務的自動化。然而,當前工業機器人的滲透率仍然處于相對較低水平,即使是在韓國這樣的機器人應用大國中,每 1 萬個生產工人僅對應配備 530 個機器人。

連通性、人工智能和靈活自動化科技領域的共同進步,將極大地改變制造業(制造業的定義是:設計-原料-制造-組裝-分發-消費-服務-使用終端周期中為提供產品和相關服務而進行的一系列端到端活動。)中的價值創造方式,如圖 2 所示。

　　圖 2:第四次工業革命科技推動下的制造業重要轉變

　　我們預計在短到中期內,制造業將出現下述四大顯著變化:

　　1. 新工廠工人階層的誕生(即高度互聯的智能型車間)使得制造業開始邁入自組織階段,自動化水平進一步提升。

　　2. 價值鏈將實現端到端的無縫連接,幫助制造商以更快速度推出創新產品。

　　3. 供應鏈將與更廣闊的供應商生態系統相互連接,作為單一平臺實現企業與企業之間的整合。

　　4. 數據將推動新服務創造與商業模式創新。

　　消費者、企業員工乃至整個社會都將從上述轉變中受益匪淺。客戶將獲得更符合需求的產品;生產者能夠更容易地了解消費者的偏好和行為,并通過這些信息來進行產品定制化設計與生產。

例如,物流公司已經改變了自身的商業模式,將按需提供 3D 打印產品加入服務范圍內,試水制造業領域。例如,SAP 已經與 UPS、 Fast Radius 快遞公司合作建立了一個集成化端到端按需 3D 打印系統。

　　制造工序和產品交付所需時間的減少,不僅要歸功于交通運輸的發展,更在于供應鏈聯通性與透明度的提升,流程自動化也是其中一大助力。

　　制造業工作重心將從重復性任務的執行轉移到創新發明上,工廠車間將因此重塑,工人的職業素養因此得到提升,而且能夠享受到更加安全的工作環境。

科技還能夠降低能源消耗和物質浪費水平,令資源管理效率上升,有利于環境保護。在世界經濟論壇關于“塑造制造業的未來”系統行動倡議框架下,“加速可持續生產(Accelerating Sustainable Production)”項目介紹了新一套以科技為驅動力的公私部門合作干預措施,有利于推動實現聯合國的可持續發展目標。

　　逃離第四次工業革命中的試驗困局

　　本研究發現,第四次工業革命科技能夠帶來有利回報和新的增長機會。然而,各個行業與地區的制造業科技應用速度依舊遲緩:只有 29%的工業企業開始在其生產過程中推行新的科技解決方案;41%的公司在個別工作場地或業務部門試行解決方案,剩下的 30%仍處于準備階段(圖 3)。逾 400 位全球數字制造專家已經證實,各個行業和地區的科技應用速度確實相當緩慢。

　　圖 3:科技規模性應用較為滯后

試驗或正在部署物聯網解決方案的公司占受訪者的百分比

　　從試驗階段到科技的大規模應用并取得一定成果的過程中,大部分公司面臨著重重困難,主要原因包括:組織機構與潛在價值和投資回報關聯的困難性,數字科技對組織績效影響的不確定性(特別是在短期內),執行新解決方案所需的較大資源成本及規模化必要投資。圖 4 詳細介紹了企業在實現科技規模性應用過程中面臨的挑戰。

　　圖 5 展示了塑造科技規模化影響力的種種困難。在麥肯錫公司的物聯網調查中, 84%的受訪企業的試點期超過了 1 年,28%持續超過 2 年。過長的試驗時間產生了問題。

創業公司的經驗表明,生產系統的有效改造至少涉及 20 到 30 個應用科技,因此企業必須縮短試驗期,以便在短期內測試大量科技的應用效果。鑒于科技開發周期較短,過長的試驗階段可能會導致企業難以跟上當前科技發展的步伐。

　　企業為挑選最佳平臺而試驗的物聯網平臺數量顯示了試點階段的復雜性和延遲的可能性。在 63%的案例中,企業試驗了 2-3 個物聯網平臺,31%的企業試驗了 3 個以上的平臺。只有 7%的受訪公司成功完成一個平臺的試驗。

　　漫長的試驗期以及制造企業(制造商)缺乏推動科技從試驗階段邁向全公司應用的能力,被稱為“試驗困局”。

　　加速第四次工業革命科技應用進程:

　　對商業領袖的建議

　　加快科技的應用進程對于提升生產率和利潤回報,幫助企業跟上第四次工業革命科技發展的步伐至關重要。

世界經濟論壇與麥肯錫公司共同研發了一套制造業工具組合(圖 6),為那些迫切希望開啟、加速科技應用進程的企業提供了諸多實用建議,有利于幫助企業避開試驗困局。該工具組合由兩大部分(“引擎”)構成:

　　– 價值交付引擎：第四次工業革命的 39 個制造業用例概要。該引擎基于 500 多個科技解決方案供應商及其高度關聯的解決方案執行狀況分析。

　　– 規模擴張引擎：按照科技規模擴張四個主要階段介紹 12 個最佳實踐的詳細框架。該引擎基于大量研究、實地工作和對主要制造公司和制造業科技應用先行者的結構化采訪成果。

　　價值交付引擎——極具影響力的用例

技術供應商日益增多,服務范圍愈加廣泛,包括人工智能、物聯網、機器人技術、 虛擬現實、增強現實、3D 打印、數字孿生等。希望規模化應用這些科技的制造商需要從現有科技選項中找出優先解決方案,這并非一件輕而易舉的事。

　　研究表明,在推動第四次工業革命科技應用時,企業應根據每一項科技具備的特定制造業與商業問題解決能力,采用切實可行的方法。

　　“用例模式”即制造業/商業問題驅動方式的簡稱,其以商業價值為核心,將新技術作為解決問題的驅動力。在第四次工業革命科技初步應用階段,我們非常建議企業采用“用例”方法。

　　極具影響力的用例往往需要與第四次工業革命科技相結合,以達成所需的系統性變革效果。由于用例可以在小范圍內施行且其回報立竿見影,因此可以作為未來制造業體系建設事業的探路石。

雖然某些商業領袖仍然希望掌握一種殺手锏式的終極性用例,但要實現特定企業生產系統的成功改造,有必要將 20-30 個用例與 60-80%的第四次工業革命科技結合起來。

　　制造業未來項目的科技和創新小組根據麥肯錫公司對于 500 多家科技解決方案供應商的專有研究成果,對 39 個涉及眾多公司、行業和地區的用例進行了概要歸納。

　　這些用例分布于制造業各個部門:工廠車間(裝配和加工、維護、質量和性能管理)以及供應鏈和產品價值鏈(包括設計、原型設計和采購)。在用例中,我們可以得到一個關鍵結論:不少投入使用且高度成熟的科技已經對規模化推廣做好了準備。

每個用例都配有詳細介紹,包括該用例計劃實現何種商業目標,旨在解決何種生產問題,如何將科技應用到實處,如何發揮科技的影響力。

　　在食品和飲料制造商例子中(圖 7),其目標在于減少手動流程的生產力損失,提高效率。制造商采用數字解決方案,將手動標準操作程序轉換為支持遠程設備訪問且與生產部門關聯的數字化平臺,有效提高了設備的利用率,大幅減少了手動文書工作量。

　　在航空航天業用例中(圖 8),制造商試圖通過削減手動工作量,避免相關問題的方法來增強生產調度的靈活性。制造商的解決方案兼具連通性與智能性,具有自動化生產序列功能,可以追溯和處理裝配過程中所有組件的數字化質量信息。這有助于提高工廠的產量,減少因調度問題而產生的廢材。

　　圖 8:用例——庫存管理中的材料選擇自動化與優化

　　什么是用例?

用例指的是應用第四次工業革命科技(通常是多種科技的組合),解決特定的生產問題來重塑生產流程,創造商業價值。用例可能遍及加工、裝配、維護、質檢、 供應鏈、設計、原型和工程多個領域。

　　用例有利于哪些商業價值驅動因素?

　　– 進入市場的速度

　　– 敏捷性和反應力

　　– 資源生產力與效率

　　– 客戶需求定制

　　– 增值服務和商業模式創新

　　用例解決了哪些生產問題?

　　用例解決了生產部門眾多領域乃至其他行業的問題。示例包括:

　　– 大型高度定制產品的檢查時間易變問題

　　– 組件可追溯性以及生產調度和序列之外的質量數據問題

　　– 成型周期時間過長,代價過高問題

在整個研究過程中,我們發現企業往往是科技應用先驅。這表明科技不僅僅能夠提高生產力,還會對質量、員工安全和可持續性產生影響,有助于創造其他形式的商業價值,使公司能夠更好地專注于創新發明。

　　從這個角度來看,用例可以按照價值驅動因素進行分類(上市速度、敏捷性和反應能力、資源生產力和效率和客戶需求定制,如圖 9 所示)。出于對實用性和適用性的重視,概要中 70%的用例可以用于強化多個價值驅動因素。

　　用例庫涵蓋多個生產部門的示例,具體分布狀況如圖 10 所示。超過 80%的用例除了示例中所提及的特定行業,還適用于其他行業。這表明用例交換和開發過程存在著跨行業協作機會。

　　規模擴張引擎——具有可行性的最佳實踐

在嘗試跨越試驗困局階段時,規模化是生產組織面臨的最大挑戰之一。科技規模化歷程鮮有人知,因為只有少數企業成功將第四次工業革命科技應用于自身的工廠、供應商和客戶網絡中。

　　對公司和專家的采訪以及案頭研究有助于我們識別關鍵的成功因素,更好地了解規模化歷程。由此產生的規模擴張引擎(圖 11)是一個涉及組織動員、策略制定、創新和規模擴張四階段的框架。其中還包含了 12 項關鍵活動的最佳實踐和可行建議,旨在促進科技與創新在制造業中的規模化應用。

　　這 12 項關鍵活動按一定次序執行,旨在提升意識和科技應用兩方面的成熟度(從第一階段的初步意識與信念建設階段,再到戰略和創新階段自上而下和自下而上的拓展性驅動因素構建)。

　　規模擴張引擎介紹了一種適用于各個生產領域和國家的通用性路徑。然而,關鍵活動的順序需要根據每個機構組織的文化和數字化科技成熟度進行調整。

例如,一些公司應當同時制定戰略(自上而下),開展創新工作(自下而上),而另一些公司則需要由執行層授權,通過自上而下的方式實現流程重塑。

　　動員:組織集會

　　如需啟動一項生產科技與創新應用計劃,大多數生產組織必須動員起來。該階段一般持續 9 到 12 個月,視企業具體情況而定。首先執行以下兩項活動:在小規模范圍內進行概念證明,組建項目領導團隊。

　　要充分發揮第四次工業革命科技的潛能,就需要重塑當下的生產流程。這樣的變化為企業突破工廠的局限性、實現各個生產職能部門(從工程到供應鏈)的聯結提供了機會。因此,企業可以通過跨職能團隊的早期參與,利用創新手段促進生產系統轉型,打破組織各部門之間的壁壘。

本階段的成功關鍵在于:執行簡短而詳實的概念驗證試驗。概念驗證試驗不僅應當成為學習平臺,而且作為成功經歷來強化組織信念,這一點眾所周知。根據研究的成功經驗,我們建議企業對那些可以在幾周內解決的生產問題進行概念驗證, 并實現三個核心目標:

　　– 在小規模范圍內造成一定影響(產品級別)

　　– 確定下一階段工作內容

　　– 宣傳工作成果與成功經驗,在組織內形成良好勢頭

　　戰略:樹立愿景與價值追求目標

　　考慮到科技和用例的復雜性、必要的流程和文化變遷以及戰略規模化所需的投資, 企業需要一個清晰的動態路線圖來明確未來發展方向。在這個關鍵階段以及隨后的工作過程中,高管層的支持以及前瞻性愿景將成為其中的關鍵成功因素。

第四次工業革命科技應用戰略立足于由高管層提出的生產用例。這不僅涉及到業務案例(將企業戰略與業務驅動因素及特定業務目標聯系起來),而且還與企業的發展愿景相關。

　　在這個階段,高管應當明確未來型發展模式的價值,幫助企業找到自己在第四次工業革命中的定位。為了實現發展愿景,企業必須精心選擇能夠產生預期價值的一系列科技用例。

　　例如,寶馬公司正致力于將第四個工業革命中六大關鍵科技應用到自己的生產系統中:環境感知輔助系統、創新機器人系統、 模擬和工廠數字化、規劃和控制系統、智能物流與高級分析。

　　此外,我們建議企業建立一個覆蓋全組織的執行驅動框架,確保各個生產單位和站點執行性的統一性,即便這些生產單位和站點在性能和成熟度方面可能有所差異。

戰略階段的最終任務是:與業務單位合作制定企業級路線圖。路線圖通常按照層次構建,需要考慮用例的復雜性和每個業務單元的起始點。

　　創新:識別處于風險中的商業價值,激發創新能力

　　在爭取高管認可和資金支持的同時,業務單位必須通過第一批用例部署與可擴展動因素構建來證明第四次工業革命科技的價值。

　　在這個階段,由業務單位主導的試點工作至關重要。試點工作不僅有助于企業取得商業成功,還有助于建設科技包容性創新公司文化。

　　第一層次的用例將不再僅僅停留在概念證明階段,而是具有一定程度影響力的試驗,展示真正的商業價值與流程再造過程。在實現科技的生產系統全面應用之前, 有必要提供兩大可擴展因素支持:

– 現代化的科技基礎設施：操作和信息科技應當相互配合,加強科技骨干工程建設。具體工作包括:整合來自信息科技和操作科技系統(IT/ OT 聚合)的有效數據;創建價值交付引擎以開發用例,滿足業務需求。

　　企業必須借助現有未來生產系統細致分析等手段,積極解決網絡安全問題。在此階段,理解以往系統及其與即將到來平臺的適應性同樣具有重要意義。

　　– 建設能力和伙伴關系網絡:第四次工業革命科技要求一系列新能力與之相匹配。公司需要增強技能,招攬新的人才,將能力建設模式作為企業發展轉型的工作中心。探索與科技解決方案供應商、學術界和研究人員展開合作的新方法也至關重要。

例如,阿迪達斯和西門子在 2017 年開始合作開展研發項目,推動阿迪達斯未來工廠——高速工廠(Speedfactory)的數字化進程17。此外,ABB 公司和微軟在 2016 年建立了戰略合作伙伴關系,共同開發工業數字解決方案。

　　規模擴張：獲取全部價值

　　在完成規模擴張驅動因素及全公司路線圖建設之后,企業應當將用例推廣至整個生產系統。這需要企業通過以下方法動員整個組織：

　　– 數字績效管理：是必須經由專家和科技應用領導者確認的用例,不可缺少。它不僅可以通過直接或間接與其他用例配合的方式為價值提供保障,還能將整個生產過程中的操作數據集成到全公司平臺上;這些數據可以用于工廠之間的比較、 模擬和決策優化。

– 卓越中心：主要負責變更過程梳理工作,包括管理項目,建立新的生產系統, 以標準化方式引導轉型過程。

　　– 將用例推廣至合作伙伴的價值鏈生態系統(各級供應商和客戶),有助于企業更好地獲取價值。例如,增強操作數據之間的連通性,有助于建設統一的生產生態系統。雖然數據集成為競爭和創新帶來了新的可能性,但必須小心行事,避免創建過多的數據平臺以致于供應商無所適從。

　　推廣策略：對國家領導人的建議

　　第四次工業革命將掀起國家內部以及國與國之間的新一輪競爭,制造業國家將面臨更多的不確定性。不過,最新科技發展趨勢同時也為各國提供了制造業未來發展與轉型的機會。

　　在 2017 年期間受訪的大多數制造業企業都認可政府在建設有利于科技進步、推廣和應用的環境和制造業生態系統方面的關鍵作用。

雖然工業政策和戰略已經存在了幾十年,由于近年來政府積極擁抱第四次工業革命的機遇與挑戰,科技與創新躍升為當下的工作重點。

　　國家政策制定者將繼續致力于管理宏觀經濟杠桿,力求創造有利于制造業企業發展的市場條件,加強重要基礎設施(特別是電信和信息科技連通性)建設,制定合適的貿易政策為工業品市場提供支持。

　　此外,國家綜合性計劃下開展的科技推廣與應用具體工作正在不斷增多。在過去的 6 年里,前十大制造業國家中有 8 個國家啟動了國家級發展計劃,積極提高生產率,鞏固自己在全球競爭中的領先地位,其中最有名的莫過于工業 4.0 戰略。各國之所以對于以科技為主要支持的制造業重視度不斷增加,原因如下:

– 加速新科技應用進程有助于各國實現工業跨越式發展,走向現代化之路。

　　– 為了促進制造業科技的規模化應用,有必要建設一個具備基礎設施、信息科技連通性與適當知識產權法的有利環境。

　　– 經濟體的成功依賴于對研發與創新工作的進步。研發與創新工作使得科技能夠以更低的成本在各種規模企業中應用與推廣。

　　( 文章來源：互聯網 )

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