让工业4.0“柔”起来

◎ 文 《法人》特约撰稿 李富强 刘爱国

1967 年，英国Molins 公司工程师迪奥·威廉姆逊研制出一种名为Molins System-24 的系统——用6 台模块化结构的多工序数控机床，实现无人条件下昼夜24 小时连续加工。这个系统的推出，标志着人类工业史上“柔性制造”系统的正式诞生。尽管这个划时代的系统最终由于资金和技术上的困难并未全部建成，但却为未来自动化、无人化工厂指明了方向，成为日后各工业发达国家争相效仿和完善的技术。

新冠肺炎疫情期间，中国各大工厂快速完成产线切换，转产口罩和防护服等抗疫物资、支援全球抗疫战场的新闻屡屡见诸媒体，让“柔性制造”再次成为行业关注的焦点。

根据海关总署发布的统计数据，3 月1 日—4 月30 日，全国共验放出口主要防疫物资口罩278 亿只，防护服1.3 亿件，新冠病毒检测试剂盒7341 万人份，红外测温仪1257 万件，呼吸机4.91 万台。近期日均出口防疫物资30 亿元以上，一个月内持续增长逾3 倍。这一长串亮眼数据的背后，除了原有厂家密集排产之外，通过“柔性”方式实现“跨界转产”的力量贡献巨大。

以“柔”补刚的制造业战略

跨界转产防疫物资的编外力量中，其中不乏一些超级企业的身影。比如比亚迪，从今年一月底开始调配资源，开发自动化口罩生产设备，半个多月即实现量产。几乎同时，中石化的业务范围也向下游延伸，开发了口罩、消毒液等生产线。就连巴菲特，都在社交媒体平台为比亚迪口罩点赞。

一家生产战斗机的著名航空工业企业——中航工业也玩起了“跨界”， 集结其旗下分布在6 省市4 家单位的力量，将原来生产飞机所用的数字化设计技术引入口罩生产，仅用3 天时间设计，16 天时间就完成样机制造，速度堪称惊人。这些新成立的生产线，普遍具备高度自动化特点，一个操作工人就可以同时维护两三条生产线的运转。

疫情带来的不仅是国民经济的大考，也正在成为加速中国制造业变革的变量因素。无论是通过“柔性”方式实现对生产线的快速切换，还是用机器“换人”——通过无人技术大量替换人力，都是转型升级的中国制造行业需要攀越的重重关山。这背后的一个基本逻辑是，“自制”和“外包”过程中越来越多的矛盾，需要靠“柔性制造”来调和解决。

航空工业企业研制的全自动口罩机 资料图片

批量越大，效率越高，这是工业3.0 时代的普世原理。假如一个工厂只生产一种零件，那无论是从原材料采购、仓储管理、生产线运转、操作人员熟练程度等各个维度，均能实现效率最大化。然而，这样的工厂只能是理想状态下的“乌托邦”——需求的多元化、个性化是无法抵挡的趋势。

作为科技进步的受益者，诸多行业也不得不面对由此而来的现实问题：产品复杂程度越来越高，生产流程变得越来越长。为了保障效率，把生产流程碎片化，依靠“外包”来解决多元化需求带来的效率影响。

但是，随着外包程度的加深，工厂对供应链的依赖程度也日益提高，甚至经常有被“卡脖子”的风险。疫情突起，全球范围的大隔离至今未完全解除。车间停工、物流滞后、工厂倒闭，大量产业链因此受制于人，诸多行业面临着前所未有的断供危机。

作为工业4.0 重要命题之一的“柔性制造”，其核心价值在于，既能够依靠自动化设备保障生产效率，又让生产线具有一定的延展性，可以根据市场变化和客户需求对产品进行适时调整。

从更宏观的视野角度来看，“柔性”概念其实已经在潜移默化地影响我们的日常生活。疫情期间，体育馆改建成了方舱医院，教师当起了网络主播，无人机被改造成五花八门的“空中机器人”……但是，局部领域的“柔性”和智能化，也并不代表中国制造已经具备全面迈进工业4.0 的能力。

近年来，“柔性制造”被行业提及的频率大幅度降低，其重要原因之一是具备较高自动化水平的“柔性”生产线，对于绝大多数的中国工厂，尤其是高端制造工厂来说仍然是奢侈品。中国机械工业联合会专家名誉委主任、工信部智能制造专家咨询委员会主任朱森第认为，相当一部分中国工厂还处于“工业2.0”阶段，中国制造业需要采取并行战略，即2.0补课、3.0 普及、4.0 示范。

实现“柔性制造”有多难？

“柔性制造”在中国的推广普及，与中国制造业的进化过程密不可分，其中始终绕不开的两个关键词是“需求”和“技术”。

从需求上来说，长期以来依靠廉价劳动力红利的中国企业，对自动化生产的需求并不迫切。虽然劳动力成本整体快速上涨，但是中国工人的普遍收入水平仍然无法和西方发达国家相比。

对于大量中小制造企业甚至作坊式工厂来说，能通过人工解决的问题，就尽量不用昂贵设备。人走了可以再招，但是前置投入巨大，且“落地打八折”机器设备，经过若干年折旧之后，可能只是一堆累赘资产。只有当人工无法解决一些生产问题，或者效率明显跟不上机器的时候，自动化替代才会成为企业刚需。

目前，国内“柔性制造”和“无人工厂”普及率较高的行业，除了汽车、家电、3C 数码等生产批量大、头部企业集中的行业，以及一些从事简单加工的行业等，其他制造企业与西方发达国家相比，更多的仍然是依靠“人海战术”。甚至在我们的产业结构中，一些越尖端的行业，越难以摆脱“手工作坊式”生产的影子。许多关键工序的实现还是要依赖操作者的熟练程度。

我国科技政策与管理研究泰斗、联合国大学新技术研究所高级研究员顾淑林女士认为，中国在尖端技术领域并不落后于世界强国，我们很早就能搞出世界领先的尖端武器和重大装备，但是却长期依赖于人。这些人一旦离开岗位，很多先进技术甚至面临“失传”风险。“中国有一帮经验丰富的老工匠，但是目前最缺乏的，是把这些老工匠脑袋里的经验翻译成数字化公式、进行复制推广的新一代产业人。”顾淑林说。

高端装备制造，是“柔性制造”要攻克的最终堡垒，也是对“柔性”需求最强烈的领域。这类行业的零部件批量小、品种多、结构复杂、加工难度大、装配工序繁琐，是最迫切希望保持速率优势，又期待生产弹性的领域，但恰恰是这些高端装备制造行业，加工工序过于复杂，工艺要求太高——没有长期工程技术经验的量化积累，就相当于地基不稳，智能化的“柔性制造”只能是空中楼阁。

压在企业头上的还有经济账——即使能全面实现“柔性”改造，购置生产线的额外成本也需要相当长的时间才能收回。也就是说，要想彻底改造这些“硬核直男”工厂，还有相当长的路要走。

国内大量机械加工，还处于高度依赖人的阶段 资料图片

软肋和硬骨头

2015 年，某重大装备制造央企曾经投入数千万元打造“柔性制造”样板车间，但是历时4 年却进展缓慢。原因之一是软件问题。由于机器设备多为进口，在国外操作系统基础上再来编写国产流程控制软件，造成诸多运行逻辑出现冲突。而软件的研发，一直是中国制造业的软肋。

擅长于逆向开发的中国人，积累了大量响应需求的经验，能够高质高效地解决HOW（怎么做）的问题，但也容易形成思维局限——降低对WHAT （做什么） 的敏感。这就相当于“坐在副驾驶的位置上，其实永远学不会开车”。

原因之二是硬件短板。例如，数控机床上一个工装夹具的加工精度无法满足要求，缺陷也会通过长链生产线逐层放大，导致整个环节效率和产品质量的严重受制。同时，生产设备对不同软件系统的适应性差，也让总体效率大受掣肘。硬件的能力，也是难啃的硬骨头。

1958 年，在中国诞生了亚洲第一台数控机床。但是此后由于历史原因，中国机床行业陷入长达20 多年的沉寂。与此同时，邻国日本却在工业化的道路上突飞猛进，在机床精度、转速和产品稳定性上精益求精，并建立了完备的产业体系。时至今日，国产数控机床仍然在大量依靠价廉来换取市场占有率。

此外，“软硬融合”是“柔性制造”的最终钥匙。再高端的硬件，如果过于“矫情”，与软件的兼容性差，只能越用越“死”，最终被更先进的设备淘汰。硬件的延展度和灵活度，在很大程度上决定了一套“柔性”系统的寿命值和生产能力。

北京第一机床厂与清华大学合作试制的亚洲第一台数控机床 资料图片

软件功能需要硬件平台得以实现，硬件设备又依赖软件系统进行串联。而当下摆在中国制造业面前的现实困局是，软件开发尚未厘清头绪，硬件水平跟不上步伐，这个看似无解的莫比乌斯环，需要一点一点地撕开重组。

刚柔并济的解决方案

用软件手段解决硬件问题，对非标设备进行调试和系统优化，是一种思路。

疫情期间，哈工大机器人集团（HRG）共派出5 名骨干，用6 天时间，对黑龙江省两家抗疫转型的生产企业临时采购的21 台口罩生产设备进行调试，这些设备型号、规格各有不同，甚至有部分是“二手”。经过调试，共7 条生产线释放了两倍的产能，并将合格率从80%提高到了95%。

反之，对标准化设备的系统进行个性化编辑，从而实现不同的功能，是另外一种“柔性”思路。这类操作方式一般是：用规范化、模块化的硬件平台去承载不断迭代的软件系统，实现多重排列组合，适应不同的产品生产。这也是目前最经济的解决方案之一。

有经济实力和丰富经验的企业，可能会一次性投入巨资打造“刚柔并济”的未来车间，但这毕竟是极少数。一个典型案例是三一重工位于长沙的18 号工厂，这个号称亚洲最大的智能化制造车间里，实现了生产中人、设备、物料、工艺等各要素的“柔性”融合；8 条装配线，可以实现69 种产品的混装“柔性”生产；在10 万平方米的车间里，每一条生产线可以同时混装30 多种机械设备，马力全开可支撑300 亿产值。

18 号工厂的“柔性制造”生产系统包含了大量数据信息：用户需求、产品信息、设备信息、生产计划等。依托工业互联网将这些大数据连接起来并通过三一的MES 系统处理，能制定最合适的生产方案，最优的资源分配。

软件和硬件，是如今“柔性制造”需要齐头并进，同步破解的两大难题。软件的开发不能止步于IT 部门，需要由企业最高决策者来部署和推动，贯穿整个组织和各大职能，并在运营环节落地。每一个生产环节通过信息化建立连接，并实现可视化。硬件的标准化管理也非一日之功。不同的设备规范，一定程度上需要相互融合借鉴——这意味着工厂、企业，甚至大量行业都要逐步走出舒适圈，适应新的游戏规则。全球化的经济网络，也要求我们与国际接轨，充分考虑到国产设备与进口设备、零部件以及软件的可替代性和兼容性，形成整个上下游产业链的疏通和规范化管理。

“多个庙就多个鬼”，自动化生产是减法思维。越简单越稳定；而“柔性制造”既要做减法，也要做加法。一条生产线上，用尽量少的设备和工具，实现生产更多产品的可能。

实现工业4.0 版本的“柔性制造”，考验的绝不单是企业的技术能力，还有管理等各方面的软实力。而机制体制的问题，不是依靠引入一两项先进设备就能解决的——就像“用一只昂贵的金鞍去配一匹老马，只会让老马更加不堪重负”。

中国制造要真正实现从“刚”到“柔”的升级，也不能仅仅局限于对生产层面的关注，更需要全面开发上下游产业的“柔性”。以企业的制造能力和“柔性”程度为基础，结合供应链和市场，把产品的各个功能部件独立成单个模块，实现其任意组合和输出，而不同模块的生产流程和生产成本都“柔性”可控。这一系列复杂纷繁的排列组合，都只能依靠中国人自己的智慧，从漫长的实践过程中去寻找答案。