由“灯塔工厂”透视工业革命4.0的技术实现路径

谭 鹏，李志明，陈 曦,李佳芸瑞

(云南省科学技术情报研究院，云南 昆明 650051)

2018年，世界经济论坛(WEF)携手麦肯锡公司共同倡议并正式启动了全球“灯塔工厂网络项目”(Lighthouse Network)，共同遴选率先应用工业革命4.0技术实现企业盈利和持续发展的创新者与示范者。“灯塔工厂”在应用新技术实现增效降本、节能减排等方面为全球企业提供了值得借鉴的成功案例。

1 “灯塔工厂”概况及发展情况分析

在全球制造业转型升级如火如荼的今天，“灯塔工厂”展示了如何从数字化中挖掘新的价值，包括提升资源利用率和生产率、加强敏捷度和响应能力、提高定制化和柔性化水平、获得更好的投资回报率等，并为全球可持续发展做出了贡献。

1.1 “灯塔工厂”的评选标准

“灯塔工厂”评选基于企业提供的切实可见的成果和用例，但没有绝对的量化标准，入围企业的行业和规模弹性也很大，现有“灯塔工厂”涵盖了不足100名到超过1万名员工的各类企业。“灯塔工厂”评选关注的是企业利用工业革命4.0技术实践所取得的可持续发展成效或商业模式创新，从现有“灯塔工厂”的用例来看，入围考量重点主要有三个方面：效率的提升、成本的下降以及对环境的友好性[1-2]。

1.2 “灯塔工厂”的两种创新模式

“灯塔工厂”所提供的工业革命4.0技术应用案例，根据创新模式的不同可分为两大方向：一是着眼于生产制造本身，二是侧重打通端到端的价值链。生产制造用例主要是利用数字化技术提高生产制造过程的效率、质量和节能环保；端到端用例更注重供应网络连接性、端到端产品开发、端到端规划、端到端交付、客户连接性等方面的价值链打造，也就是利用数字化工具优化采购、研发、供应链、物流、营销和售后等环节，以创造更多价值[3]。随着新一代信息技术的发展和生产端到消费端供需关系的变革，端到端价值链的打造越来越受到重视。2020年生产制造用例与端到端用例占比分别为65%和35%，2021年这一比率已变化为53%和47%[4]。

1.3 “灯塔工厂”的数量和行业快速增加

自2019年1月第一批16 家“灯塔工厂”入选，至2021年9月最新加入全球灯塔网络的21个新成员，目前“灯塔工厂网络项目”已评选出90家“灯塔工厂”，开辟了2种创新发展模式，部署了124个成功应用案例，覆盖4大类22个细分行业领域[5-6]。

现有90家“灯塔工厂”主要集中在先进工业行业(57.8%)，其次为流程工业(15.6%)、日用消费品(13.3%)、医药及医疗产品行业(13.3%)。2018年第一批“灯塔工厂”涉及的细分行业领域有11个，2021年9月已延伸至22个。这充分表明，大规模推广第四次工业革命的技术创新成果、决策战略及商业模式转变，不仅限于传统制造业，各行业制造企业都有实现“灯塔工厂”目标的潜力和机会。

1.4 中、美、德三国在全球范围内表现突出

全球各国中，拥有“灯塔工厂”企业数和境内“灯塔工厂”数综合排名前三位的是中国、美国和德国。从上述三国“灯塔工厂”的行业分布来看，中国境内“灯塔工厂”数量最多，达31家(见图1)，行业领域覆盖面广，优势领域主要集中在先进工业，而在医药及医疗产品行业还没有中国企业工厂入选；美国企业的“灯塔工厂”数量最多，虽然美国本土只有9家“灯塔工厂”(其中7家为美国企业)，但属于美国企业的全球“灯塔工厂”数达到了26家，行业布局也最为全面，特别是在医药及医疗产品行业中具有明显优势；德国入选的海外工厂数量较多，其中医药及医疗产品行业入选的全为海外工厂，但德国无论企业还是境内工厂都未涉及流程工业行业。

图1 以企业所属国计算和以工厂所在国计算的各国“灯塔工厂”数量

在拥抱新一轮工业革命的探索中，中国表现出了很强的行动力，自2018年“灯塔工厂”评选启动以来，无论是中国境内的“灯塔工厂”数还是中国企业“灯塔工厂”数都持续快速增长。与欧美国家相比较，中国企业“灯塔工厂”全在本土范围内，这一方面显示出中国企业“出海”的步伐比较谨慎，海外工厂在先进技术应用上与国内工厂还有差距；另一方面中国全产业链的工业模式在应对全球经济和政治危机、保持供应链稳定等方面具有独特优势。

2 全球“灯塔工厂”用例体现的工业革命4.0关键技术

通过对全球90家“灯塔工厂”124个用例的分析，发现通过新一代信息技术赋能制造业，从而实现企业数字化、自动化能力的提升，是“灯塔工厂”变革与创新的主要途径。2021年以来，人工智能、物联网、增材制造、数字孪生、大数据等成了技术应用的主要趋势。

2.1 人工智能技术提升生产管控能力，创新运营模式

人工智能技术用例在引导机器性能优化、驱动生产过程自动管控、协助产品设计和测试、赋予产品智能化提升等方面发挥了有效作用。在生产管控环节，基于人工智能的质量检验方法，如机器视觉检测和光学检测，可以使产品或零部件瑕疵率和缺陷率下降至近乎为零，检测成本下降一半以上，劳动效率大幅提升。通过人工智能赋能产品设计、销售、运营、合同审查等环节，能够缩短产品开发时间，提升研发效率，并使新技术在企业各部门和子系统间的扩展速度呈倍数提升。

2.2 物联网技术打通全生命周期管理

物联网连接了应用于产品全生命周期各核心环节的新一代信息技术，使远程监控和预测性维护、远程故障诊断、物流过程监控、污染物监控等成为可能。基于物联网技术能够实现工业流程优化和自动化，大幅降低成本；使用工业物联网进行数据汇总和高级分析，用于能源、水、废气废水排放等方面的管理，能够使能源效率显著提升、能源消耗降低。物联网甚至还可用于增强员工之间的操作配合，进而提升设备综合效率。

2.3 增材制造技术颠覆传统制造方式

增材制造对传统产品设计、工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合等都产生了颠覆性影响，可满足高精度、复杂形状、小批量的生产需求，能实现更轻量化的设计、更低的成本、更短的开发与制造周期，已成为最受关注的制造技术。“灯塔工厂”的实践表明，通过应用增材制造技术，可以降低企业销货成本，缩短生产制造周期，减少交付时间，甚至使产品上市时间减短近90%。

2.4 数字孪生技术成为推进数字化转型的核心战略之一

数字孪生可应用于产品的运行监控和智能运维、工厂运行状态实时模拟和远程监控、生产线虚拟调试、复杂产品研发、数字营销等多个环节。应用数字孪生技术进行生产规划、柔性生产和预测性维护，可提高产能和能效，使停机时间减少一半以上。数字孪生技术用于开发测试、模拟客户系统等，能够实现新产品开发时间缩短，大幅提升检验效率，使生产周期缩减30%以上。

2.5 大数据技术帮助发掘潜在价值，以更好地为用户提供产品和服务

工业大数据应用的本质是通过数据挖掘和分析优化，帮助企业发掘潜在价值，优化控制生产环境，更有针对性地为用户提供产品和服务，并提升企业产品的服务附加值。目前工业大数据的应用主要集中在两个方向，一是通过对自身产品或设备运行状态的监测，为客户提供运维管理、运营优化等服务；二是通过监测生产过程中机器设备的运转情况，对设备进行健康评估、性能预测和故障诊断，最大限度地降低非计划停机率。已有成功用例表明，运用大数据进行智能分析和预见性维护，能够使机器人故障率下降近10%，产品出厂质量提升最高至70%，设备意外停机时间明显减少，并延长工具使用寿命。

3 工业革命4.0时代企业应具备的重要能力

通过对90家“灯塔工厂”的优势与特点的梳理分析，发现虽然其行业、规模、创新模式与优势不尽相同，但都有一些共性，这也是企业打造“灯塔工厂”、迈向工业革命4.0所应具备的重要能力。

3.1 构建智能制造体系的战略能力

“灯塔工厂”在数字化、智能化转型中均体现出了前瞻性的战略规划和实施能力，由上而下地推动企业实现全面转型。“灯塔工厂”不局限于简单地在生产制造过程中应用数字化技术，其有完整的、适用于本行业和企业特点的数字化、智能化战略规划和实施路径，从企业管理和决策层面开始，数字化转型囊括了资源需求和规划管理、柔性生产、物流运输、客户服务等全价值链，以保证新技术的应用是持续、有效的，并能够被复制和推广[7]。

3.2 打造具有影响力的工业互联网平台

“灯塔工厂”均着力于打造面向数字化、网络化、智能化需求，基于海量数据采集、汇聚和分析的工业互联网平台服务体系，以实现各类资源的广泛连接、弹性供给和高效配置，从而推动传统制造系统各个环节和要素的整合与重构，提升企业敏捷性，帮助企业发掘新的价值增长点。借助工业互联网平台，可对企业的全球资源进行聚集整合，并通过工业技术软件化、云化等，实现工业应用的快速开发、部署、运行、集成，进而跨行业推广，赋能中小企业提质增效和转型升级[8]。

3.3 开发运营以用户为导向的“端到端”模式

“灯塔工厂”普遍能够熟练开发运营“端到端”的新型商业模式和创新发展模式，即将用户需求与整个智能制造系统连接起来，让用户可以全程参与产品设计研发、生产制造、物流配送、迭代升级等环节，以“用户驱动”作为企业不断创新、提供产品解决方案的原动力，把以往“企业和用户之间只是生产和消费关系”的传统思维转化为“创造用户终身价值”，并以空前的速度推出高质量的定制化产品。借助数字化工具，在整个价值链上下游部署智能数字化技术，一方面，更容易实现产品个性化定制，大幅降低小批量产品的最低起订量，缩短新产品开发和交付的时间；另一方面，通过人工智能算法打造高度个性化的用户体验，不仅实现了端到端的有效对接，还便于获取用户偏好数据，提升用户体验，进而提高新客户转化率。

3.4 改变传统增长模式实现产能释放

传统企业要想实现规模化增长，就必须大力扩建实体工厂和基础设施，但“灯塔工厂”带来了另一种可能性，即通过将先进的数字化工具与柔性生产系统相结合，企业在无须大量资本投入的情况下，也能降低生产成本，提高生产效率，通过产量和销量的双重增长实现产能释放。例如，数字化换班绩效管理系统、自动送料系统、机器视觉驱动的生产周期和换线优化系统、数字孪生结合智能分析等流程优化新方法、新技术的应用，使企业在基本不改变现有基础设施的情况下，就能够明显降低制造成本，节约人力资源，提升产品质量，加快产品上市速度。

3.5 重视可持续发展的社会责任

节能、低碳、环保的可持续发展能力是评选“灯塔工厂”的一个重要方面。随着全球资源短缺及气候与环境变化的加剧，转变发展方式已迫在眉睫，2021年WEF更是增加了“可持续发展灯塔”评选，各行业“灯塔工厂”在可持续发展能力方面的用例也大幅提升，做出了很好的表率。企业从基础设施规划设计开始就应充分考虑环境友好性，如合理运用环保建筑材料、雨水回收利用装置、清洁能源储能发电系统等。在生产制造环节，数字化、智能化的能源管控系统可提供比人为控制更精确的实时能耗优化方案，甚至能够实时调整设备运行参数，提高生态效率。“灯塔工厂”的成功案例表明，通过厂区规划设计和厂内能源管理平台或系统的应用，已经能够实现100%的电力来自可再生能源，碳排放减少甚至可达97%。

3.6 以工业革命4.0知识技能需求为导向培养人才

“工业革命4.0”时代，人的作用并非被弱化，而是成了充分释放数字化转型潜力的关键因素。员工培训和技能提升是“灯塔工厂”发展中必不可少的内容，很多企业已将数字化能力培训纳入员工培训中，并鼓励员工围绕顾客价值主动创新。校企合作、内部培训和针对性培训这三个层面的教育培训互为补充，可促进人才梯队结构的优化。校企合作为员工提供了高级项目学习机会和学位支持；借助内部培训和讨论平台能够普遍提升员工能力；利用针对性培训可培养一支数字化赋能的员工队伍。部分有能力的头部企业还面向社会公众开展教育培训，分享数字化技术发展经验。企业需积极利用好各方资源，重点加强员工在数字化、工业软件、数控系统、工业网络、行业标准等方面的培训教育，为新一轮的工业革命浪潮做好人才储备。