经济导刊
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谈《中国制造2025》与“德国工业4.0”

沈烈初 来源:《经济导刊》2015年9月 2015.10.15 20:14:16
经建国六十多年,我国制造业有了巨大进步,但各行业间发展极不平衡。2015年5月8日,国务院印发了《中国制造2025》通知,“中国制造2025”、“互联网+”、“物联网”、“智能制造”如何衔接好,这是一个庞大的系统工程。为此,首先要弄清如何“以我为主”,“师洋而不崇洋”,从实际国情出发,从企业实际情况出发,把“中国制造2025”的核心之一“智能制造”搞好。

经建国六十多年,特别是改革开放三十多年来飞跃式的发展,中国制造业的总量已居世界第一位,但大而不强的格局尚无根本性改变。纵观世界各工业发达国家,制造业在国民经济中都占有重要地位。近年各国在迎接新一轮技术革命中,仍把制造业作为主攻方向。美国在2012年推出“美国先进制造业国家战略计划”,2013年又推出“美国制造业创新网络计划”;2013年德国颁布“德国工业4.0”战略实施建议;同年法国颁布“新工业法国”战略;2014年日本提出“日本制造业白皮书”;2015年英国提出“英国制造业2050”等。

201558日,国务院印发了《中国制造2025》通知,不久前又公布了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》,加上近十年来推进了包括01020304专项在内的十余项“国家重大科技专项”规划,构成了我国振兴制造业的战略与战术部署。

改革开放以来,我国制造业虽有了巨大进步,但各行业间发展极不平衡。高铁与发电、输变电成套设备已在世界上具有重要影响力,两者都采用“以我为主”,引进技术合作生产,消化吸收再创新的模式取得成功。航空航天、海陆军事装备,随着与信息技术的融合,以自力更生为主,吸收国外先进技术经验,取得了骄人的成绩。一些家电行业在产量、质量与性能上都有较强的市场竞争力。但也要看到,随着经济全球化国内外市场竞争日趋激烈,优胜劣汰加速进行,我国有一些行业已被淘汰出局:如照相机、办公设备行业基本全军覆没;分析仪器、大型科学仪器等处境艰难;高端医疗装备特别是检查用的影像设备大多由国外少数企业垄断。在一些新兴行业领域,装备主要靠工业发达国家进口,如制造大规模及超大规模集成电路芯片用的成套设备、原辅材料甚至清洗剂、超纯气体等,生产光伏电池用的核心设备及原辅材料,还有不少关键零部件、元器件及各种专用材料,很多产品在我们国家还是空白,或达不到这些高新产业的要求。至于乘用车的生产态势,大家一目了然,我国是汽车生产大国,又是最大的市场,虽然它是一个重要的支柱产业,但因采取合资生产方式,其核心技术与市场都控制在跨国公司手中。“中国制造2025”必须面对这些不同产业出现的问题,就技术论技术、就产业论产业,是解决不了中国制造业的“病根”的。

“中国制造2025”、“互联网+”、“物联网”、“智能制造”,各种政策、纲要、规划、计划、专项如何衔接好,这是一个庞大的系统工程。处理不好,就会变成“九龙治水”式的振兴中国制造业,有可能误导企业,重复投资。

为此,首先要弄清如何“以我为主”,“师洋而不崇洋”,从实际国情出发,从企业实际情况出发,把“中国制造2025”的核心之一“智能制造”搞好。在机械制造业的发展历史中,笔者过去是参与者,现在是旁观者、关心者,在这里提出一些看法供各方面参考。

我国企业应用数字化信息技术的主要历程

机械工业应用计算机控制始于上世纪五十年代末,当时北京机床研究所已成立数控机床及系统的研究室,主要人员来自从苏联留学的海归学者;清华大学等一批高校也起步研究数控机床及系统。因此可以说在数控方面我国起步较早,与美国相差不到十年(美国在1947年发明计算机,1952年就出现电子计算机控制的机床,即数控机床),但我国因缺乏计算机技术的硬件与软件,当时又处在被封锁状况,进口集成电路模块及其它元器件十分困难,因此无法突破关键技术并实现产业化。上世纪七十年代,当时第一机械工业部(一机部)决定引进三个透平制造成套项目:沈阳鼓风机厂引进意大利新庇隆公司的透平鼓风机、透平压缩机成套技术;杭州汽轮机厂从西门子引进了3系列工业汽轮机;南京汽轮机厂则采用测绘仿制办法试制2.5KW燃气轮机。在引进中,特别购买了CAD设计技术和软件与相应的计算机硬件,并进口了一大批当时的高档数控机床,开始采用CAM技术。笔者在与西门子谈判中,争取到了3系列工业汽轮机设计的源程序,以便该厂能自行扩展与改进。不久后一机部成立了计算机中心,购置了相应的电子计算机及外存设备。上世纪七十年代末,经一机部陶亨咸总工程师介绍,西德阿亨大学的二位教授来到沈阳第一机床厂进行计算机管理的试点工作,当时选择了两个车间:一个是大批量生产的C6140普车(即苏联提供156项成套技术中的1A62车床)车间;另一个是生产C630C650等批量生产普车的车间。这都是属于离散式计算机管理模式,并成立了相应的组织机构。由于当时科学化管理水平尚差,生产过程中的各种工票很难统一,没法采集有用的数据,因而建立数据库就很困难。试点工作进行了一段时间就停止了,这也是一次计算机管理的尝试。

1980年前后,国家决定引进技术与成套设备,新建千万吨级的宝钢。其成套装备由机械部组织力量,采用引进技术、合作生产的方式,即技贸结合模式来带动提高重型冶金设备行业的制造水平。如其中的2050热轧板材轧制成套设备,用三级计算机控制。四个粗轧机架,二个精轧机架,与冶金部领导协商后,有一个精轧机架液压的伺服机构采用了合作生产方式,以逐渐掌握其核心技术,为此,机械工业部从全国调集了一批技术骨干,成立一个包括机械装备和计算机控制系统的双总设计师攻关队伍,进行国产化攻关。这是一条典型的三级计算机控制的机、电、仪一体化的系统,当时属于最先进的热轧线。其它如精轧、连铸连轧线等都按技贸结合的办法进行。可以说,宝钢项目带动了装备采用计算机控制的国产化进程。从技术上讲,这些带有数字化、智能化技术特点的成套冶金设备,使我国重型机械行业采用信息技术的水平大大前进了一步。紧接着机械部从西屋公司、GE公司引进了30万、60KW发电成套设备,锅炉则采用了DCS控制系统,也按照技贸结合方式实行国产化。这样,CADCAMCAE等技术在这几个行业逐渐普及推广,大大提高了电工、重型行业的“两化融合”水平。

上世纪八十年代初,机械工业部引进了约800项先进技术,同时也引进了CAD设计技术。根据合同,派了大批人员到国外相应工厂进行学习培训,大大扩展了企业领导及技术人员的眼界,也了解到CADCAM等技术在国外的推广经验。此后不久,我们提出“甩掉图板与丁字尺”的口号,CAD等在上世纪九十年代开始逐渐向中小企业推广与普及。

为了配合CAD等辅助设计及计算机辅助管理,软件开发是不可或缺的技术,硬件与软件必须互相匹配。为此,1980年前后北京机械工业自动化研究所成立了计算机软件开发研究室。在一些行业排头兵企业,也聚集与培养了一批软件开发人员,大大加快了计算机在企业应用的速度。

另外,中外合资与合作企业逐渐兴起,特别是合资汽车厂的建立,促进了CADCAMCAPPCAECAT等向高档水平发展,不少企业逐渐采用ERPMES等软件系统进行计算机辅助管理。大量的国外先进设计及管理软件进入中国,提高了企业应用电子信息技术的水平。一批专业的软件开发公司及“两化融合”咨询公司纷纷成立,这为本世纪开始全面推进“两化融合”奠定了良好基础,也为“中国制造2025”的实施创造人员与物质上的有利条件。

“中国制造2025”与“德国工业4.0

从战略目标上讲,德国已是制造业强国,很多领域已占领制高点,“引领技术,引领市场”。在新一轮的技术革命中,德国与美、日及西欧工业发达国家进行竞争,力求继续保持制造业的领先地位。

美国未来学家里夫金曾经提出“以新能源、新材料及互联网为标志”的第三次工业革命;美国加州奇点大学的瓦特瓦教授也强调:人工智能、机器人、数字化的结合将引起制造业革命。这是发达国家在已完成工业革命及城镇化背景下提出的新趋势。

我国尚处在工业化的中后期,城镇化还正在进行中,工业及制造业大而不强,产品大都处在产业链的中下端,劳动技术与技术劳动密集型产业及产品有比较优势,劳动、资源、能源、污染密集型产业已逐渐丧失优势,高技术与资金密集型产业与产品的竞争力与制造业发达国家尚有不少差距。国内建立的合资或独资的外资高新技术企业,仅仅是把制造高新技术产品过程中的劳动、能源、污染工序转移到中国,其核心技术与配套的关键零部件还是从所在国进口,利润也随之外流。因此,“中国制造2025”只是“三步走”(三个十年计划)的第一步,目标是缩短与发达国家的差距,使部分行业的排头兵企业进入强国之列。

我国制造业的专业化社会化比较薄弱。中国企业家的思维还没有完全摆脱“大而全”、“小而全”的发展模式。特别“三基”(基础零部件与元器件、基础工艺、基础材料)或四基(“三基”加基础技术)不强,很多还受制于工业强国。

德国制造业的特点是一个金字塔形的企业组织结构,有强大的塔基,按细分市场进行专业化、社会化生产,具有创新能力极强的中小企业,生产“三基”或“总成”。其中不少虽是家族式股份制企业,但经过长期优胜劣汰的考验,留下来的企业都有其特点,生命力很强。有的企业已传承了若干代,积累了丰富的技术与管理经验,具有自己独特的工艺诀窍(Know How)。德国拥有1200家这样的“隐形冠军”,一些零部件产品在世界上几乎处于垄断地位。另外,欧共体有众多像这样的中小型企业,在德国主机及成套设备的生产过程中,它们是配套产业链中的上下游企业实现协同创新,这已有很长的历史传统。因此产品研发周期短,产业化速度快,得以长期占领制高点。我国只有长三角、珠三角地区的制造业社会化专业化的程度较高。“德国工业4.0”中提出的“端”到“端”,靠互联网快速传递各种信息,方便纵向到横向集成,进行定制化生产,满足个性化需求,比较容易实现。比如德国有一家Horn刀具公司,在中国已建立生产销售企业,为用户提供专用复杂刀具。据称该公司从与用户咨询、协商到签订合同、生产、交货、试用一般仅需两个星期,有的甚至几天就可以了,大大提高了机加工特别是数控机床的加工效率。

从信息化与工业化深度融合方面看,德国比我国更早、更广、更深。笔者在上世纪七、八十年代到美、日、德、英、法等发达国家考察,它们都已出现无纸化车间及工厂,日本Fanuc的主板生产已是无人化,最长可达一个星期实现无人化操作,当然还需要人管理,根据产品输入程序,更换工序,更换工装和加工工具,设备维修。

随着大规模和超大规模集成电路技术(LSI/VLSI)的进步,芯片的集成度越来越高,性价比按“摩尔定律”发展,加上专用电路多样性,电力电子进入第三代,“两化融合”越来越向高端发展。

从人员素质来讲,我国与德国差距更大,这些“软件”是用钱买不来的。德国的管理经验、技术传承、各种生产中的Know How都深藏于技术人员、管理人员、生产人员的头脑中,特别是掌握诀窍、身怀绝技的操作人员、技师、工匠的数量大大多于我国目前的一线工人。过去“八级工”是受人尊敬的,因为机械工业与一般行业不一样,不管什么装备都是由工人双手生产调试而成,没有十年、二十年不可能培养出一个身怀绝技的工匠。无论“工业4.0”还是“中国制造2025”都必须由人来实行,没有合格的人才,没有勤劳、敬业、智慧的人,就完成不了这一历史任务。

从制定方法上讲,“德国工业4.0”是由西门子、博世等跨国大企业集团,集合一些智囊团、专家研究、讨论提出的,得到了德国政府的首肯。这种“自下而上”的方式比较符合实际情况,它首先考虑企业的自身利益及其在世界制造业竞争格局中的地位。“中国制造2025”是中国工程院组织数以百计的专家教授经过两年研究后提出的,根据实际情况进行调整后成为国家的发展战略,这似乎是“自上而下”的。现在很多省市纷纷制订本地区的制造业发展规划。从过去的经验教训来看,应切忌同质化、重复生产、重复投资,避免造成社会资源的浪费。太阳能及风能发展的教训要汲取,现在工业机器人遍地开花,。切忌用群众性运动方式,无序发展来实施“中国制造2025”,在这方面政府要进行协调,有所作为,目前情况似乎不容乐观。

智能制造概念初探

笔者在1985年曾提出“机电仪一体化是机械工业迎接新技术革命的战略重点”。[1]文中提出:

新技术革命……对机械工业产生巨大影响的是微电子及计算机技术的应用,它有两大方面:一方面用于机械工业自身技术进步与技术改造,包括从设计、制造、测试、检验等生产全过程,也包括采用计算机进行信息处理、生产、物资、财务等企业现代化管理。当前,一些经济发达国家把机械技术、电子技术和仪器仪表技术从系统工程出发,对它们进行有机的组织和综合,实现机械装备的整体最佳化。也就是机、电、仪一体化,提供各种高效率、高精度的、自动化的、高经济效益的新型机械装备。如汽车自动化、发电机组自动化、轧钢设备自动化等等,都离不开机、电、仪一体化的广泛应用。仪器仪表(传感器)是一个技术密集、知识密集、产品更新期短,质量要求高的行业。新技术革命是以信息技术为中心的。信息技术包括三大部分,一是测量控制技术,二是通讯技术,三是计算机技术。仪器仪表(传感器)是获取信息并实现局部控制功能的技术工具,它不但在机、电、仪一体化中是不可缺少的组成部分,也是各种信息技术、包括军事情报、经营管理、科技信息、商业信息、气象信息、资源信息等等不可缺少的工具。

30年中信息技术发展极为迅猛,集成度及运算速度有很大提高,价格大大下降,可靠性也大大提高,互联网的发展与应用普及尤为迅猛。因此今天提出的“智能制造”又增加了新的特点。对机械工业来说,为各行各业提供的装备必须是数字化、网络化、智能化的、节能减排的,这样用户才能实现智能制造及绿色制造。作为装备工业制造的智能化、绿色化,必须要求其工作母机,即机床工具产品,铸、锻、焊装备产品及在线测量仪器必须是数字化、网络化、智能化及节能减排的。

智能制造是一个不断向深度与广度发展的过程,是基于新一代数字与网络信息技术,贯穿用户、设计、工艺、生产、检测、管理、服务,及上下游企业等制造活动各个环节,具有信息深度自感知、智慧优化自决策(多参数人工智能)、精准控制自执行等功能的可控并可远程控制的具有反馈功能的先进制造过程、系统与模式的总称。要不断优化与精准化制造流程、建立数据库,从而可具有以智能生产单元、生产线、生产车间、工厂为载体,以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以网络互连为支撑等特征,具有虚拟制造与实体制造相结合,以优化实体制造的虚拟实体系统(Cyber-Physical System,简称CPS,可有效缩短产品研制周期、最佳生产排序计划、最佳多种库存量、降低运营成本、提高生产效率、缩短交货时间、提高产品质量并可追溯、降低资源能源消耗,加速资金流、物流、信息流流转。进一步发展电商、线上线下销售服务,逐步向用户定制化发展,满足用户个性化需求,增加附加价值。[2]

“德国工业4.0”带来的启示

根据德国“工业4.0”的分类标准:1.0时代是机械化;2.0时代是采用生产线或达到半自动化水平或单机自动化;3.0时代是高度自动化,少人化及部分网络化;4.0时代的特点则是“基于信息物理融合的系统”(笔者建议采用虚拟实体系统的译法)。这种分类是否正确,还需要实践检验。工业4.0的内涵还在不断完善充实,德国国内也有一些争议。最先提出工业4.0概念的亨林·卡格曼说:“这个概念是简单的,但是它的方案是极其复杂。不是所有人知晓它所能产生的全部影响。”就德国而言,工业4.0也有不同的解释版本,中国更是如此,这是正常的学术讨论。根据我国实际情况,制造行业各企业发展极不平衡,东、中、西地区的制造业水平发展更不相同。从机械工业来讲,我国企业大都处在工业1.0与工业2.0的阶段,少数行业的排头兵企业正在进入工业3.0时代。尽管这些企业采用计算机信息化技术已有二三十年的历史,但人的素质、观念、技术水平、敬业精神等与德国的差距很大。工信部部长苗圩指出:中国制造尚处于工业2.03.0并行发展阶段,必须走工业2.0补课、工业3.0普及、工业4.0示范的并联式发展道路。 [3]并明确智能制造是推进两化融合的核心目标和主攻方向,也是与德国工业4.0异曲同工之妙的所在。中提到:从单个企业来讲,从工业1.0到工业2.0,再到工业3.0发展到工业4.0,必须走串联式发展之路以缩短代际追赶的时间。机械制造行业是一个实践性行业,需要经验、资料、技术、管理及各种数据的长期积累与传承,特别是人掌握的技术管理经验或生产中的突发事件尚无法完全用虚拟的信息化技术来替代。只有800万人口的小国瑞士,其精密机械制造业特别发达,精密机械、精密仪表、钟表、甚至只有数十人的传感器企业都领先于世界,其重要原因之一,就是瑞士拥有一大批掌握绝技的技师、工匠和专家。这就是“工匠精神”,它与国之大小无关。最精密的机械设备最后还是靠高超技艺的人来完成的, “人工智能”目前是代替不了它的。再如瑞典,人口不到1000万,却出了像SKF轴承、山特维奇的硬质合金刀具、阿特拉斯的挖掘机械、Volvo的汽车、工程机械、军事装备等世界有名的跨国公司,很多产品处在垄断地位,还有一批世界级堪称“隐形冠军”的中小企业。所谓“以小干大”、“以粗干精”靠的是人的绝技。即便将来实现所谓的“无人化工厂”、“少人化工厂”,人还是要起决定作用的,即要求人掌握更高技术、更丰富知识、具有更高的智慧。

“互联网+”与“+互联网”对智能制造的影响

智能制造本来就包含着网络技术的内涵,一个企业内信息的传递靠“专网”或“局网”,与外界联系则依靠互联网。而信息安全需要提到国家安全和经济安全的层面来考虑,因此“专网”与“互联网”之间要建立防止信息泄露的“物理防火墙”。各种重要的软件运行都要加密,而且要设计不同的密级,不同级别的人员可接触到不同密级的内容。一些重要的大企业一定要有自己和软件开发人员,一来开发适合自己企业情况的软件,特别是应用软件;二来为了保障信息安全及加密。

国务院颁布的《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》指出:互联网+”协同制造和“互联网+”人工智能将大大促进智能制造及智能化装备的快速发展,包括远程监控。在这项工作中,各主管部门要注意协调同步发展的问题,要形成合力而不是分力,否则将重蹈过去重复投资的覆辙,事倍功半。

网络就像高速公路,是一种载体与工具而已。互联网的出现与发展,使人与人、物与物、人与物之间的交流缩短了时空间距离,这会影响一个国家的经济、技术、社会生活,甚至政治与军事业态的变化。信息的互联互通,首先靠的是传感器,即把物理量、化学量、生物量等通过传感器变为数字化的信息,这样才能通过信息高速公路——互联网,实现人与人、物与物、人与物之间的互联互通而交流信息,从而使虚拟空间与实体空间相互紧密结合。传感器的重要性不言而喻,但是到现在为止这个行业还没有被政府及业界人士重视,我们的传感器市场大大受制于人,特别受制于发达国家,往往引起很多商业麻烦。对于“两化融合”、智能制造、“中国制造2025”等振兴制造业的国策而言,传感器的发展还极不理想。无论是“物联网”、“智能制造”,还是现在的“互联网+”都应当把传感器作为核心技术来攻关,要改变“九龙治水”的管理模式。虚拟制造与实体制造,或信息与物理系统的桥梁就是传感器,没有传感器就没有智能制造,没有装备的数字化、网络化、智能化,也就没有物联网,也就发挥不了互联网的作用。

目前制造业,特别是机械工业面临强大的下行压力,很多排头兵企业订单不足,生产能力放空,企业领导忙着解困或解决“吃饭”问题。这些问题是国内外经济形势造成的,很难在短期内有根本改变。因此,企业领导要根据自身实际情况,善于把“吃饭”与“发展”,即实现智能制造技术的应用结合起来,变“危”为“机”,使后者成为解困的助力而不是阻力。这是一次对企业领导班子、特别是一把手智慧与决策能力的考验。我们既要用良好贴心的服务与质量开拓国内外的细分市场,也要提防国内外市场带来的各种风险,特别是防止资金链的断裂。

(编辑  王生升)


* 沈烈初,原机械工业部副部长。本文经机械工业仪器仪表综合技术经济研究所欧阳劲松所长、石镇山副所长、宋彦彦教授级高工精心修改。

[1]参见《科学学研究》1985年第三卷第四期文章“新技术革命与机械工业发展战略”。

[2]智能制造一般分为流程式与离散式两种,笔者认为还需加一种模式,即半离散半流程式,如汽车工业四大工艺自动线(冲压、焊接、涂装、总装及检测),冶金自动化中炼铁、炼钢、连铸连轧、冷轧、涂装等,自动线中间必须设立合理的“缓冲库存”,不因为个别设备发生故障而停产影响整个车间或工厂的效率。

[3] 详见513日苗圩在2015智能制造国际会议的主题讲话。

 

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