工业4.0 时代电动自行车生产制造模式探讨

文/ 中国科学院计算技术研究所 张玉成

“互联网+”来了，京东来了，牛电来了，传统的制造业该怎么办？面对大数据时代的冲击，电动自行车制造企业要想泰然处之，跟上潮流，从“制造”转变为“智造”，有必要加深对工业4.0的理解。

一、工业4.0的背景与理解

工业4.0的出现不是偶然的。在信息技术领域，这几年的技术概念比较多，但是以物联网、移动互联网、云计算与大数据为代表的一系列新兴的信息技术逐步成熟并得到发展，这是工业4.0产生的技术背景。其次，全世界范围内的劳动力成本都在上升。尤其是在作为世界工厂的中国，80后90后逐步成为产业工人的主力，其流动性越来越大。如果继续依靠传统的产业工人发展传统制造业，那么人力资源肯定难以为继。在类似的背景下，德国、美国和中国都提出了针对制造业的国家级战略发展计划，分别是德国的工业4.0，美国的工业互联网和中国的中国制造2025。

1.工业革命的核心技术和产品

在这几个国家级工业发展战略计划中，笔者最为推崇德国工业4.0。虽然德国人不怎么谈及工业4.0，但是中国要学会研究这个计划的内容，找出技术的发展趋势。在结合前人的研究成果上，笔者按照自己的理解进行归纳总结，来简要分析一下工业1.0、2.0、3.0和4.0分别都做了什么。

工业革命1.0时代的核心标志，为水力和蒸汽机的使用。其实，水力还不是标志，传统的产业为了靠近动力源，往往把工厂建在水边，利用水力。然而，有了蒸汽机以后，就不需要水力了。蒸汽机的使用实现了工业生产的机械化，这是通过机械突破人类肌肉的极限，当然也突破了畜力的肌肉极限。

工业革命2.0时代的核心的标志，为电气化。电驱动电机提供动力的来源，大量电气化的生产组织开始出现。在这个时代，生产组织模式的转变就是社会协作分工，生产的地域性大大弱化，可以实现零部件生产与组装的分离。

工业革命3.0时代典型标志，就是计算机在生产制造中的应用。电子和计算机，在工业生产线上就是可编程逻辑控制器的大量使用，这使得生产实现了自动化。机器一定程度上代替人，替代的不仅仅是体力，还部分替代脑力劳动。

那么工业革命4.0的标志是什么呢？现在的说法比较多，比如有的说是网络化，有的说是智能化，还有说是产品个性化，生产方式是堆积木方式的柔性批量个性化生产。

2.工业4.0的多为视角

到了一个新的概念出现的时候，要理解为什么有那么多不同的理解，那是因为小到每个人，大到每个国家，都是有其背景的，背景不同，思维方式就不同，对同一事物的理解就不同。在工业4.0时代，德国人因为工业基础雄厚，有一大批世界级的制造企业，所以在德国人看来，工业4.0一定是以工业为基础的。与德国人不同的是，美国人在信息技术领域牢牢掌握着话语权，有微软、谷歌、IBM、苹果、高通、思科等世界级的大公司，所以美国看以后的制造业，一定是以信息技术为核心的。中国的制造业大而不强，以劳动密集、能耗高、低端、附加值低为典型特征，工业基础比不上德国。在信息技术方面，近年来中国在信息消费、电商方面依托人口优势，发展迅速，但是信息技术的核心还不掌握在中国人的手中，所以中国的制造业提升计划， 就从“互联网”的角度出发了。这是中国的国家特色。

3.工业4.0时代的特征理解

从工业4.0的内涵和本质上来看，针对这样一个已经被大家解读的让人不知所措的计划，笔者提炼一下工业4.0时代的特征。先来看看同样从德国引进来的马克思主义，到底说的是什么。马克思主义如果全面去了解的话，很可能很快就陷进去了。所以笔者梳理一下，马克思主要说了3件事情，分别是哲学、唯物辩证法、马克思主义政治经济学，探讨的是资本论，科学社会主义，规划未来三大块内容；实现的核心是无产阶级专政。同样对于工业4.0，笔者归纳整理的也是3大块内容中的一个核心，用户产于的产品设计，智慧的生产，智慧的产品服务。工业4.0实现的核心就是信息物理系统（CPS：cyber physical system）

二、工业4.0电动车制造模式

那么如何实现工业4.0的生产制造呢？先形象地描绘一下未来的电动自行车生产制造模式。先幻想一下，工业4.0电动车制造模式－1。

1.概念

2025年，在搬到一个新的城市后，我决定根据我的习惯和喜好订购一辆自行车，因为住的地方依山傍水，所以我订购的车既能满足运动的功能，还要满足代步，动力要强；此外，我需要车身要足够轻，希望简单、智能，能够智能检测环境，能够检测我个人的健康参数，给我健康建议。动力系统来自于我自己以及自然界清洁能源。故这辆车时尚、健康、智能。

2.设计

在一个秋天的午后，在院子里面，通过智能终端登陆A公司的电动车生产虚拟制造系统，我在该公司提供的虚拟制造系统中和我对话的机器人提出了我的要求，这个时候机器人根据我的要求快速进行设计，提供车身、电机、健康、社交、金融等主要功能和参数。但是有一些功能是机器人还是没有办法给出，于是转入人工模式，由专业设计师帮助我设计，直到我满意为止。

3.虚拟生产

A公司的智能信息控制系统在接到的订单后，马上开始组织一次模拟的虚拟生产，他需要从全球范围内寻找能够符合我要求的电动车生产资源，从他的信息库中搜索所有的资源信息，全球范围组织生产。并且快速确认是否能够满足我的需求，最快的交货时间什么。基于实际生产参数的虚拟制造模拟仿真后，给了我一个确切的答复：一个月后我定制的产品能够交付。

4.生产

为了组织我的这辆车的生产，智能信息控制系统直接对其连接的所有电动车生产线下达指令，所有跟我定制车辆相关的零部件被贴上标签，快速进入生产状态。所有的产品部件指向一个目标，就是我的产品。所有的生产机器人和装配线指向我的产品。机器人接受智能信息控制系统的指令，并且相互之间可以对话。他们每天需要生产成千上万件类似需求的产品。

5.交付

电动车完成制造后，智能信息控制系统通过机器人进行投递，直接把车送到我的楼下，我对各种功能进行检验后，填写确认，支付剩余的购车款，完成电动车的交付。我开始使用我从概念设计直到生产完成的定制化电动自行车。至少，到面为止，我对厂商的产品还是比较满意的，因为这种车辆组合方式全世界只有这一辆。

6.服务

事情还只是开始，在车辆使用过程中，厂商的智能信息控制系统不停的给我提供车辆使用建议，提醒更换保修零部件。并且由于我在使用过程中不断形成新的想法和需求，厂商每次都可以在原有的设计基础上，进行返厂更新配置，升级软硬件系统，并且对于导航、购物、旅游、理财等都提供相应的信息服务。当然，我也在持续的为这些服务支付费用。

三、智能电动车生产制造项目目标

因此，未来的电动车自行车生产制造，都应该遵循一个共同的原则，那就是按照工业4.0描绘的愿景进行产品设计、生产、交付和服务。其实，本报告是不完整的，因为本文只关注如何设计电动自行车，如何借助电商平台销售自行车，缺少对生产制造流程和智慧产品售后服务的相关报告。

总的来说，中国要做的就是在工业4.0这样一个愿景目标的指引下，能够实现用户深度参与的产品设计，研制智能的信息控制服务系统，基于该信息系统对智慧工厂的生产制造装备进行控制，并主动智慧地为所交付的产品提供终生的服务，提升用户的产品使用舒适度，满意度。

四、新型电动车生产制造模式实现路径

那么如何实现这样的一个愿景目标呢？在2015中国无锡‘互联网+’智能电动车高峰论坛上，笔者觉得最大的主角还是传统的电动车生产制造企业，因为其是实体经济，需要做的就是拥抱互联网，而不是被互联网加掉，或者说在互联网的潮流中退居幕后，成为配角。

下面这个架构体现了前面所描述的产品设计、产品生产、产品服务几个主要的环境。从技术的角度来讲，4G技术、云计算技术、大数据技术、智能终端APP应用，都得到很好的融合和体现。但是我们强调的核心还是一个，那就是这个核心的信息控制服务系统，主导了整个模式的实现。

■ 核心环节1-万物互联-工业互联网

现在的技术一般习惯于被划分为“端网云”，在端这个部分，需要针对所有能够提供信息的物体进行数据的采集。这个数据来自于产品，来自于生产制造装备，来自于产品活动的环境和产品生产制造的环境，所有的数据对于产品设计都可能是有帮助的，故需要尽一切可能去采集这些数据。

■ 核心环节2-工业4.0时代的网络通信

关于“网”这个部分，传统的通信网络是设计给人进行信息交互的，传统的计算机网络擅长报文通信，也就是数据通信。移动通信网络擅长语音通信。但是大量的产品、机器、装备上网了以后，会出现什么情况呢？这里面有一系列的核心技术需要攻关解决。大家就做一个简单的设想，如果全国保有的两亿辆电动自行车都要移动上网，运营商的能力是否能够足够支撑？这些海量的数据报文是否会对网络造成足够的冲击。如果这些问题不解决，现在设想的一些场景都不会那么容易实现。所以说技术攻关是非常必要的，这也是产品的市场竞争力的一部分。

■ 核心环节3-柔性生产制造

核心环节是生产。其实最辛苦的就是生产制造，利润最薄的也是生产制造。因为物料成本、人员成本、物流成本、销售成本等等的提升，导致生产企业的利润低下。其实，这个环节下，需要企业做大量的技术升级和改造。大家都知道美国的特斯拉是非常好的电动汽车产品，都知道是电力驱动的，绿色无污染。第二个特征是其信息技术做的好，车里面安装了一个交互大屏。但是大家想过没有，特斯拉的100多台机器人完成了大部分的生产制造工作。虽然特斯拉现在还不具备柔性的生产制造能力，但是未来，积木堆叠式的生产一定是必须的。这样才能根据用户的需求，实时组织生产，生产流程也可以和所生产的产品实时动态调整。

■ 核心环节4 -“云计算+大数据分析”

云计算是硬件基础设施，大数据是信息处理的一种模式。无论是虚拟的设计还是生产制造，都需要这样一个平台提供支撑。“云计算+大数据”的主要工作是构建信息空间，支撑智能化的计算。企业的现状是大部分没有这样的平台，即使有企业ERP，但是企业不知道更多的生产制造信息，以及销售出去的产品信息。所以，云计算大数据这2个技术一定会用到。这2个技术在互联网领域已经得到了充分的应用，这也是为什么“互联网企业”现在比较有强大生命力的原因之一。

■ 核心环节5-智能产品及服务

笔者拿出iwatch和福特的电动车做一个说明。一个产品从设计到生产有的要不了一个月，但是产品和用户相处的时间可能是三年，五年甚至更长的时间。所以传统生产制造企业要转变模式，要从生产制造型企业向服务型企业转变，在产品全生命周期为用户提供服务。产商不做一锤子买卖，为消费者提供终生服务，要能够支持产品的软硬件升级与改装；支持健康、交互、社交、金融、旅游等主动智能服务。

无论多么眼花缭乱的技术，最终都是要落地去实现的。在未来电动车制造模式中，笔者将目前的一些热点技术进行归纳总结，如下图所示，它们最终都要服务于生产制造，服务于产品，服务于客户。电动自行车制造核心系统是一个智能信息控制系统。

电动自行车在工业4.0时代的生产制造同时满足下面的这个结构，核心的CPS系统控制着整个生产制造流程，产品和机械装备都是神经末梢，能源系统是心脏。用户和企业的眼、鼻、口、舌、耳都是信息获取的器官，去感知生产制造的环境。如果真的彻底把人解放出来了，工业4.0就真正实现了。

五、工业4.0三个技术问题的阐述

最后，笔者想对工业4.0的几个问题做一下阐述，分别是社会问题，智能问题和绿色问题。

1：社会问题

前面说了，现在其实中国还是处在第一次机器革命的边缘，劳动者解放了肌肉力量后，现在处于考虑如何真正解决放脑力？把劳动者的脑力劳动彻底解放出来，其就可以去做更有意义的事情了。但是，肌肉解放了，肌肉得不到锻炼就会萎缩，脑力劳动降低了，大脑就要萎缩，以后聪明的更聪明，强壮的更强壮。当然，蜕化也是一种趋势。技术发展带来的问题，人类需要考虑。

2：智能问题

物质基础决定了计算机无法实现真正的智能，1%的生物智能，99%的机器拓展智能。即使这样，也使得人类的智力和知识极大地得到解放。真正的没有人参与的智能是很难实现的，至少现在还没有在理论上获得最终的突破。现在的智能都是人设定好的思考模式在思考，机器可以无限的探索这样的边缘，但是它们无法提出问题，主动思考。这个是根本的问题。

3：绿色问题

绿色是现代制造的第二个问题，要减少对环境的污染和破坏，如何保证获得更多的动力的同时，减少对环境的破坏？绿色的电动自行车是一个趋势，但是如何实现我们的在设计、生产、服务等环节的彻底绿色，最大限度的减少对能源的消耗，从根本上解决绿色的问题？这一点也可以考虑考虑。

六、总结

工业4.0是一个愿景，“整体规划，逐步实施”是基本原则。科研院所与高校的研究者应当做理想主义者，开展超前的研究，探索核心技术，解决我们产业核心技术不强，总是靠打价格战的现状；同时，工业4.0又是一个现实，“立足当前，立刻实施”是基本原则。企业应当做现实主义者，针对当前问题，开始谋划，相关的科技项目不要等着政府去引导，也不要等着被同行逼迫再进行，应当提前部署。

另外，对于一个问题，大家看问题的角度是不一样的，苏轼的诗中提到“横看成岭侧成峰，远近高低各不同，不识庐山真面目，只缘身在此山中”，对于工业4.0时代的制造，不同的人有不同的角度，站在任何一个角度都可能是对的，但是人们应该互相尊重各自观点，但是不能走偏门，工业是基础，信息技术工具互联网是牵引，缺一不可。

电动车自行车是关系到老百姓生活的一个必不可少的产品，是一个非常有用户粘度的产品，改变了人们的出行方式，笔者希望电动自行车制造企业及互联网企业，能够实现工业与信息的深度融合，提供技术支撑，基于“解决用户问题，让用户感到愉悦”的原则开发更多的新产品。