1.3 制造模式的变革

制造是一个减熵、增加信息含量的过程。企业是一个复杂、非线性、大动力学系统。在企业内动态地流通着劳务流、资金流、物料流、信息流和能量流等资源。在市场经济环境和企业体制、生产组织和技术系统中，依靠科技、依靠人的决策和技术创造能力、依靠信息的减熵支撑，经营、管理上述各种资源，以获取企业投入的优化增值和利润，是建立企业先进制造模式的目标。

制造模式(manufacturing mode)是一种为响应社会和市场需求变化而产生的革命性集成化生产模式(production mode)[12]，并且由于一种新制造系统的创建使其成为可能，是制造企业在生产经营、管理体制、组织结构和技术系统等方面体现的形态或运作方式。从更广义的角度看，制造模式就是一种有关制造过程和制造系统建立和运行的哲理和指导思想。

1.3.1 制造模式模型

制造企业必须对世界任何地方的消费者和市场做出快速响应，以保持企业在全球的竞争力，这个响应来自三个方面：产品设计、制造系统以及商业模式。

（1）产品设计：根据细分市场，开发创新性的客户可定制的产品和功能（服务）。

（2）制造系统：适应性的制造系统，产品的产量和功能能够快速适应市场需求的变化。

（3）商业模式：应响应变化莫测的市场和客户。

制造系统、商业模式和产品结构（来自产品设计）的集成就产生了一种制造模式，每种新制造模式的驱动力都是市场需求和社会需求（图1-4）。社会需求也许来自于有更多可供选择的产品，以满足个人的品位和喜好，或来自于降低产品价格，或来自于与环境有关的需求。

每种制造模式的目标由市场行情、社会的新需求以及这些需求的变化驱动。新的技术使能器（如计算机、新兴信息技术等）的引入，并在新型制造系统中应用，使得新的制造模式成为可能。对应每种新的制造模式，就有一种新型的制造系统被开发出来，并通过一种基于新的技术使能器的应用使其成为可能。例如，柔性制造系统的发明使大规模定制模式成为可能。产品结构也随着模式的变化而改变。随着产品种类的进一步扩展，产品结构越来越模块化。每种制造模式都有自己的商业模式，来适应制造模式的特性，并满足制造模式的需要——社会需求或市场行情。

每种制造模式都重点涉及3个基本要素：①设计，设计产品及其功能，以满足特定的社会需求；②制造，通过能够快速响应市场需求和基于的工艺及制造系统来制造产品；③销售，向客户销售目标明确、有针对性的产品来使企业获利。每种制造模式的商业模式都是唯一的，这一商业模式决定着设计—生产—销售的顺序。

1．商业模式

商业模式是在提升消费者产品价值的同时，利用企业的竞争优势为企业创造经济价值的一种战略方法，指企业与企业之间、企业的部门之间、企业与顾客之间、企业与渠道之间都存在各种各样的交易关系和连接方式。商业模式也就是企业所有资源和经济关系的有机组合，与企业战略一起称为企业顶层设计的核心内容。一般而言，商业模式包括10个基本要素，而一个好的商业模式至少要包含前7个，也就是说，应该确定消费者是谁，以及怎样通过向消费者提供可以从中获利的产品和服务，以便为企业创造经济价值。

•价值主张(value proposition)：公司通过产品和服务向消费者提供的价值。价值主张确认公司对消费者的实用意义。

•消费者目标群体（target customer segments）：公司瞄准的消费者群体。这些群体具有某些共性，从而使公司能够（针对这些共性）创造价值。定义消费者群体的过程也被称为市场划分(market segmentation)。

•分销渠道(distribution channels)：公司用来接触消费者的各种途径，阐述了公司如何开拓市场。它涉及公司的市场和分销策略。

•客户关系(customer relationships)：公司同消费者群体之间建立的联系，通常说的客户关系管理(customer relationship management)与此相关。

•价值配置(value configurations)：资源和活动的配置。

•核心能力(core capabilities)：公司执行商业模式所需的能力和资格。

•合作伙伴网络(partner network)：同其他公司之间为有效地提供价值并实现其商业化而形成的合作关系网络，也描述了公司商业联盟(business alliances)的范围。

•成本结构(cost Structure)：所使用的工具和方法的货币描述。

•收入模型(revenue model)：通过各种收入流(Revenue Flow)创造财富的途径。

•裂变模式(Business Name Consumer，BNC)：商业模式转变的方式和方向。

在企业运营过程中，与商业模式相关的概念有运营模式、经营模式、盈利模式、生产模式、营销模式等[19]，可从以下角度进行区别。

•从企业战略角度，运营模式泛指企业对内、对外的一切商业活动及组织实施，是从企业内部资源的层面上来整体分析企业是如何运转的、如何经营的、如何销售的等。经营模式是运营模式中的一个很重要的部分，主要指企业创造价值的过程。运营模式是一个大圆，经营模式是大圆中的小圆。

•商业模式与运营模式：商业本身大于运营，商业模式构建的是企业与其他企业、用户、客户、政府、竞争对手等全方位的关系，运营模式构建的是基于企业生产经营销售管理等企业内部经济关系。商业模式的范围要大于运营模式。

•盈利模式是指从成本与收入的角度分析企业是如何赚钱并持续赚钱的。

•生产模式(production mode)和营销模式是分别解释生产制造和营销管理的方式。

根据企业生命周期，企业会有不同的发展阶段。无论是互联网新兴企业，还是传统企业，无论是制造企业，还是专业服务公司，开始必须设计企业的商业模式。小型企业要在创业时期设计好商业模式，中型企业在转型升级时必须重塑商业模式，大型及巨型企业须根据多元业务进行不同业务链企业的商业模式改造。

在很多情况下，采用一种新型的商业模式比发明新的产品更容易获得成功。例如，Domino's Pizza发明的送货上门的商业模式、Dell发明的计算机组装模式、阿里的淘宝网络大卖场模式、京东的自有物流送货、小米的互联网手机模式（改变了传统手机制造的供应链）、e保养的O2O维护保养模式（改变了传统汽车后服务市场）等。

2．制造系统

制造系统是人、机器和装备以及物料流和信息流的一个组合体。国际著名制造系统工程专家、日本东京大学的一位教授指出：“制造系统可从3个方面定义。①制造系统的结构方面：制造系统是一个包括人员、生产设施、物料加工设备和其他附属装置等各种硬件的统一整体；②制造系统的转变方面：制造系统可定义为生产要素的转变过程，特别是将原材料以最大生产率变成为产品；③制造系统的过程方面：制造系统可定义为生产的运行过程，包括计划、实施和控制。”

综合而言，制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员组成的一个将制造资源转变为产品或半成品的输入/输出系统，涉及产品全生命周期（包括市场分析、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务及回收处理等）的全过程或部分环节。其中，硬件包括厂房、生产设备、工具、刀具、计算机及网络等；软件包括制造理论、制造技术（制造工艺和制造方法等）、管理方法、制造信息及其有关的软件系统等；制造资源包括狭义制造资源和广义制造资源；狭义制造资源主要指物能资源，包括原材料、坯件、半成品、能源等；广义制造资源还包括硬件、软件、人员等。

制造系统的目标是用远低于生产原型产品的成本来生产高质量的产品，使它们能够以畅销的价格进行销售。在全球化竞争环境中，设计一种具有成本效益的制造系统并有效地运作是具有重要竞争力的跳帧，特别是当竞争对手有大量劳动力优势时。

3．产品结构

产品结构随着模式的变化而改变，随着产品种类的扩展，产品结构越来越模块化和产品功能（服务）越来越多样化。

1.3.2 制造模式的发展阶段

20世纪后半叶，特别是20世纪80年代后期以来，生产需求朝多样化方向发展且竞争加剧。信息技术的进步，特别是互联网的出现，迫使产品生产朝多品种、变批量、短生产周期方向演变，传统的大量生产正在被更先进的生产模式所代替，从而对制造模式的演变起到了巨大的推动作用。从美国学者于20世纪80年代末首次提出了“先进制造”(advanced manufacturing)的概念开始，国内外专家学者先后总结出了一系列颇有成效和价值的制造模式，如精益制造、柔性制造、计算机集成制造、敏捷制造、现代集成制造、虚拟制造、高效快速重组(Lean Agile Flexible，LAF)、分散化网络制造、成组技术、绿色制造、智能制造、大规模定制等，为制造业实现多品种、小批量、个性化定制生产奠定了相关的理论基础。

总的来说，制造模式总是与当时的生产发展水平及市场需求相联系的，至今，消费品制造经历了手工作坊制造、大规模制造、精益制造、柔性制造和计算机集成制造、敏捷制造和现代集成制造、智能制造等不同发展阶段（图1-5改编自文献[16])。

1．手工作坊制造

在手工业生产时代，是手工作坊制造模式，其特点是产品的设计、加工、装配和检验基本上都由个人完成，技术工人使用通用机床基准地制造客户所支付的产品，一次生产一件产品。这种制造模式灵活性好，但效率低，难以完成大批量产品的生产，其有如下特征：

（1）产品品种多，因为每种产品都是根据订单生产的。

（2）每种产品的产量极低。

（3）拉动式商业模式：销售—设计—制造。

（4）高技能的劳动力。

（5）通用机床完成所有的加工操作。

2．20世纪初—20世纪中叶：大规模制造

大规模制造也称量产，是指产品数量很大，大多数工作地点固定，长期按照一定的生产节拍（在流水线生产中，相继完成两件制品之间的时间间隔）进行某一个零件的某一道工序的加工。大量生产品种单一，产量大，生产重复程度高。高质量标准化可互换零件的生产技术是大规模制造成功的主要技术使能器。

从19世纪中叶到20世纪中叶，福特于1913年提出基于可互换零件的大规模制造(Mass Production，MP)模式，以低成本生产高质量(C/Q)的产品，在制造业中占主导地位近百年，这种模式通过劳动分工实现作业专业化，在机械化和电气化技术支持下，大大提高了劳动生产率，降低了产品成本，有力推动了制造业的发展和社会进步。

大规模制造的主要特征如下。

•生产的产品种类非常有限。

•每种产品的产量很大。

•推动式商业模式：设计—制造—销售。

•专用机械和装配流水线。

•相对低技能的劳动力。

大规模制造的实现条件：

•可互换零件。

•流水生产线。

•专用设备与专用制造系统。

3．20世纪60年代—20世纪80年代中后期：精益制造

精益制造的目标是以低成本生产高质量的产品。

精益制造(LP)，有些专家称之为精益生产，是指在需要的时候按需要的量生产所需的产品。其目标是：降低制造成本、提高产品质量。也就是说，即使在产品产量相对较低的情况下，通过消除浪费，从而降低成本、改善品质、提高生产率，也能很经济地生产高品质的产品。有些管理专家也称精益生产方式为JIT生产方式、准时制生产方式、适时生产方式或看板生产方式等。浪费的来源主要包括以下8种情形。

（1）过量生产：生产了多于客户需求数量、下一生产工序所需数量的产品，过早或过快生产出了下一工序要求的产品。

（2）产品缺陷：不仅使产品质量下降，而且在生产系统中增加无价值的活动。

（3）库存：精益生产系统中，库存按照拉动系统原理，保持在最低状态。

（4）运输（搬运）：厂房布局不合理，生产操作之间长距离运输或频繁地搬运物料。

（5）多余的动作：生产中不会为产品增加价值的动作，如移动零件。

（6）等待：零件在待加工区等待机器加工、机器空转或闲置等待零件加工。

（7）员工未被充分利用。

（8）无效加工。

20世纪50年代初，当二次大战刚刚结束，西方国家正在津津乐道于大批量生产方式带来的绩效和优势时，日本人却在迅速恢复被战争破坏的经济，悄悄地和不自觉地开始酝酿了一场制造史上的革命。在此同时，制造技术的发展突飞猛进，数控、机器人、可编程序控制器、自动物料搬运装置、工厂局域网、基于成组技术的柔性制造系统等先进制造技术和系统迅速发展，但它们只是着眼于提高制造的效率，减少生产准备时间，却忽略了可能增加的库存带来的成本增加。当时，日本丰田汽车公司副总裁大野耐一开始注意到制造过程中的浪费是造成生产率低下和增加成本的根源，他从美国的超级市场受到启发，形成了看板系统的构想，于1953年提出了JIT方式（使能器），并于20世纪60年代初形成了日本丰田应用于运营管理的精益生产模式。20世纪80年代后期，精益生产系统的原理在美国、欧洲和中国开始运用，这时大规模定制模式也应运而生。

大规模定制是以大量生产的成本生产类型广泛（多品种、小批量）的定制产品，吸引更多的消费者，增加销售。

4．20世纪80年代—20世纪90年代中后期：柔性制造和计算机集成制造

柔性制造和计算机集成制造的目标是通过计算机数控机床或机器人以低成本生产多品种、小批量的零件和产品。

1）柔性制造

柔性制造系统是由可编程设备（如计算机数控机床和工业机器人）加上柔性物料进给系统（如自动导向小车或一个行车式机器人）组成的系统。柔性制造系统的构件单元是计算机数控机床（常用于加工系统中）或机器人（常用于装配系统和自动焊接线等），它们两者都包含了柔性物料进给系统的精细运行控制器。加工系统中典型的计算机数控机床包括加工中心、钻床、激光切割机和一些自动检测设备等；典型的柔性物料进给系统包括传送带、门架和自动导向小车(AGV)等。柔性制造系统可以通过改变零件程序、刀具和定位方式生产新的产品。柔性制造系统成为大规模定制生产模式的使能器。

1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的柔性制造系统(FMS)基本概念，研制了“威廉森系统24”。其主要设备是6台模块化结构的多工序数控机床，目标是在无人看管条件下实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。同年，美国的怀特•森斯特兰公司建成OmnilineⅠ系统，它由8台加工中心和2台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于在少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本、德国等也都在20世纪60年代末至20世纪70年代初，先后开展了FMS的研制工作。1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元(FMC)，为发展FMS提供了重要的设备形式。FMC一般由1~2台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种、小批量生产应用。20世纪70年代末期，柔性制造系统在技术上和数量上都有较大发展，20世纪80年代初期已进入实用阶段，其中以由3~5台设备组成的柔性制造系统为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。

柔性制造系统的历史如下：

•1967年，英国的莫林斯公司最早推出了“威廉森系统24”，6台模块化结构的多工序数控机床由传输工件（固定在托盘上）的自动物料处理系统连接，实现24小时连续加工。

•1971年，美国Sundstrand公司设计了轨道式托盘传输系统——穿梭车系统。

•1972年，德国机床厂商Auerbach推出了“M250/02CNC”制造系统，配有2个三轴加工中心、3个两臂转换器和1个四臂机器人，完成菱形零件的五面加工。

•20世纪70年代中期，柔性制造系统开始生产小批量、多品种零件。

•20世纪80年代及此后20年，柔性制造系统广泛应用于整个工业界。

柔性制造系统的发展趋势大致有两个方面：一方面是与计算机辅助设计和辅助制造系统相结合，利用原有产品系列的典型工艺资料，组合设计不同模块，构成各种不同形式的具有物料流和信息流的模块化柔性系统。另一方面是实现从产品决策、产品设计、生产到销售的整个企业经营过程的自动化，特别是管理层次自动化的计算机集成制造系统。在计算机集成制造系统中，柔性制造系统只是它的一个组成部分。

2）计算机集成制造

计算机集成制造(Computer Integrated Manufacturing，CIM)是随着计算机技术在制造领域中广泛应用而产生的一种生产模式，于1973年由美国约瑟夫•哈灵顿博士提出。CIM是一种概念、一种哲理，而计算机集成制造系统CIMS是指在CIM思想指导下，逐步实现的企业全过程计算机化的综合系统，其目标是通过企业全流程改善降低浪费、次品和事故，提高产品的质量。计算机集成制造系统是计算机集成制造模式的使能器。

5．20世纪90年代后期—21世纪初：敏捷制造和现代集成制造

敏捷制造和现代集成制造的目标是通过产品全生命周期的数据管理，为用户提供所需要的能力和服务（个性化产品和服务）。

全球化制造革命开始于20世纪的最后10年。全球化使世界各地不同国家生产相似产品的企业加入了竞争行列，大大加剧了全世界的竞争。在这种情况下，消费者的个性化需求刺激了制造市场的个性化生产。20世纪末，全球化的个性化生产开始成熟，消费者可以主动参与到购买产品的设计过程，精准地选择符合自己需求的商品和服务。

个性化生产商业模式：以接近大量生产的成本，从给定模块中选取组件，及时地按订单生产定制产品，通过完全符合消费者对产品的需求来增加销售。

在全球化制造中，制造系统不仅必须具有柔性，而且能够对产品需求的波动做出响应。这种响应性可以通过开发可重构制造系统实现。可重构制造系统[13]能够快速调整其生产能力，使之与市场需求相匹配；能够迅速装备响应的工具生产新产品；能够及时更新功能，生产不同的产品系列。可重构制造系统通过“按时、按需提供产能和功能”，从而拥有对市场需求高度适应的生产能力。个性化生产和可重构制造系统融合诞生了敏捷制造和现代集成制造。

1）敏捷制造

敏捷制造是指制造企业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人），以有效和协调的方式响应用户需求，实现制造的敏捷性。敏捷性是核心，是企业在不断变化、不可预测的经营环境中善于应变的能力，是企业在市场中生存和领先能力的综合表现，具体表现在产品的需求、设计和制造上具有敏捷性，也可以说是可重构制造。

20世纪90年代，信息技术突飞猛进，信息化的浪潮汹涌而来，许多国家制订了旨在提高自己国家在未来世界中的竞争地位、培养竞争优势的先进的制造计划。为重新夺回美国制造业的世界领先地位，美国政府把制造业发展战略目标瞄向21世纪。美国通用汽车(GM)公司和里海(Leigh)大学的雅柯卡(Iacocca)研究所在国防部的资助下组织了百余家公司，由通用汽车、波音、IBM、德州仪器、AT&T、摩托罗拉等15家著名大公司和国防部代表共20人组成了核心研究队伍。此项研究历时3年，于1994年年底提出了“21世纪制造企业战略”。这份报告中提出既能体现国防部与工业界各自的特殊利益，又能获取他们共同利益的一种新的生产方式，即敏捷制造(AM)。

敏捷制造是在具有创新精神的组织和管理结构、先进制造技术（以信息技术和柔性智能技术为主导）有技术和知识的管理人员三大类资源支柱支撑下得以实施的，也就是将柔性生产技术、有技术和知识的劳动力与能够促进企业内部和企业之间合作的灵活管理集中在一起，通过建立的共同基础结构对迅速改变的市场需求和市场进度做出快速响应。敏捷制造比其他制造方式具有更灵敏、更快捷的反应能力。

2）现代集成制造

现代集成制造(Contemporary Integrated Manufacturing，CIM)在继承计算机集成制造优秀成果的基础上不断吸收先进制造技术中相关思想的精华，适应集成过程从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，于1999年由中国学者李伯虎、吴澄等提出。

6．2012年至今：智能制造

智能制造的目标是以低成本快速实现智能化的客户定制需求。

随着2012年美国工业互联网、2013年德国工业4.0、2015年“中国制造2025”等国家制造战略的提出，社会进入智能制造模式。智能制造突出了知识在制造活动中的价值地位，而知识经济又是继工业经济后的主体经济形式。智能制造成为未来经济发展过程中制造业重要的生产模式。

制造系统中问题的发生和解决的过程会产生大量数据，通过对这些数据的分析和挖掘可以了解问题产生的过程、造成的影响和解决的方式（图1-6(a)），这些信息被抽象化建模后转化成知识，再利用知识去认识、解决和避免问题，核心是从以往依靠人的经验，转向依靠挖掘数据中隐形的线索，使得制造知识能够被更加高效和自发地产生、利用和传承。

基于大数据的预测性分析技术可以加速产品创新、生产系统质量的预测性管理、产品健康管理及预测性维护、能源管理、环保与安全、供应链优化、产品精准营销、智能装备和生产系统的自省性和重构能力，其实现方式可以从以下3个方面体现（图1-6(b)）。

•建模：把问题变成数据，通过数据建模把经验变成可持续的价值。

•预测：把数据（如时域信号的统计特征、波形信号的频域特征、能量谱特征以及特定工况下的信号读数等）变成知识，分析可见问题，预测不可见问题。

•决策：把知识变成数据，驱动产品、工艺、生产、运营、决策创新。

总体来说，每种制造模式都具有一组不同的需求集合，既有来自社会的需求，也有来自市场的需求，见表1.4。

1.3.3 各工业强国制造模式的变革过程

在过去近200年的工业积累中，美国、日本、德国等工业强国都形成了非常鲜明的制造哲学，其根源是对知识的理解、积累和传承方式的差异[6]。日本的载体是人，德国的载体是装备，美国积累的主要载体是数据，形成了各自特色。

1．日本：通过组织文化和人的训练不断改善，在知识的承载和传承上非常依赖人

日本独特的克忍、服从和集体观念文化也深深地影响了日本的制造文化，其最主要的特征就是通过组织的不断优化、文化建设和人的训练解决生产系统中的问题。日本在1970年提出以“全生产系统维护(Total Production Maintenance，TPM)”为核心的生产管理体系，其核心思想为：全效率、全系统和全员参与。1990年以后，日本选择了“精益制造”(JIT&LP)作为其转型方向，而非6-sigma质量管理体系。日本企业在人才的培养方面也是不遗余力的，尤其是雇员终身制文化，将雇员与企业的命运紧密联系在一起，使得人的经验和知识能够在企业内部积累、运用和传承。

除了企业内部以外，日本还有独特的“企业金字塔梯队”文化，即以一个巨型企业为核心，如丰田、三菱等，形成一个完整产业链上的企业集群，企业之间保持长期的合作，互相帮助对方进行改善和提升，这样能够保证知识在一个更大的体系中不断地积累、流通和传承。

对于日本企业而言，员工是最重要的价值，对人的信任远胜于对设备、数据和系统的信任，所有的自动化或是信息化建设也都是以帮助人去工作为目的，所以日本企业从来不会谈机器换人或是无人工厂。如果中国想要学习工匠精神，那么最应该借鉴的是日本孕育工匠的组织文化和制度。但是，这样的文化在近几年遇到了一个十分巨大的挑战，就是日本的老龄化和制造业年轻一代大量短缺的问题，使得没有人能够去传承这些知识。日本也意识到了自己在数据和信息系统方面的缺失，开始在这些方面发力。这一点在日本的工业价值链(Industrial Value chain Initiative，IVI)产业联盟的构架和目标上能够清晰地看到。

该联盟提出的19条工作项目：①远程工厂的操作监控和管理；②设备生命周期管理；③生产线实时数据的动态管理；④设备集成的实时维护；⑤实时数据分析和预测维护；⑥云共享和维护数据的策划—实施—检查—改进（Plan-Do-Check Action cyc1e，PDCA）；⑦通过制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）将自动化生产线、运输和人工检测进行集成；⑧自主的制造执行系统在公司外工作；⑨能处理意外情况的制造执行系统；⑩达到从实时数据获取制造知识； ⑪以智能数据作为质量保证（故障的早期发现和阻止）； ⑫中小型企业制造系统使用机器人； ⑬制造技术与管理的无缝集成； ⑭设计和制造的物料清单与可追溯管理的集成； ⑮人与机器合作的工作方式的工厂的标准化； ⑯连接中小企业； ⑰信息物理生产和物理一体化； ⑱远程站点的B2B收货服务； ⑲面向用户的大规模定制。其中有7条与大数据直接相关。

可以说，日本的转型战略是应对其人口结构问题和社会矛盾的无奈之举，核心是要解决替代人的知识获取和传承方式。日本在转型过程中同样面临着许多挑战，首先是数据积累的缺失，使得知识和经验从人转移到信息化体系和制造系统的过程中，缺少了依据和判断标准。其次是日本工业企业保守的文化造成软件和IT技术人才的缺失，正如日本经产省公布的《2015年制造白皮书》中表达的忧虑“相对于在德国和美国正在加快的制造业变革，现在还没有（日本）企业表现出重视软件的姿态”。

2．德国的制造哲学及“工业4.0”：通过设备和生产系统的不断升级，将知识固化在设备上

德国的先进设备和自动化的生产线是举世闻名的，可以说在装备制造业的实力上有着傲视群雄的资格。德国人严谨的风格以及独特的“学徒制”高等教育模式(co-operative education，co-op)使得德国制造业的风格非常务实，理论研究与工业应用的结合也最紧密。

日本和德国解决问题的方式是不同的。例如，如果生产线上经常发生物料分拣出错的现象，日本的解决方式很有可能是改善物料辨识度（如颜色等）、员工训练以及设置复查制度；而德国则很可能会设计一个射频识别(Radio Frequency IDentification，RFID)扫码自动分拣系统或是利用“图像识别＋机械手臂”自动进行分拣。

除了在生产现场追求问题的自动解决之外，在企业的管理和经营方面也能够看到其尽力减少人为影响因素的努力。例如，世界上最好的企业资源计划(ERP)管理系统、制造执行系统(MES)、先进规划与排程系统(Advanced Planning and Scheduling，APS)等软件供应商都来自德国，通过软件自动完成尽量减少人为因素带来的不确定性。

然而，德国同样对数据的采集缺少积累。在德国的制造系统中，对故障和缺陷采用零容忍的态度，一旦出现问题，就通过装备端的改进一劳永逸地解决，在德国人的意识中不允许出现问题，也就自然不会由问题产生数据，最直接的表现就是找遍德国的高校和企业几乎没有人在做设备预诊与健康管理(Prognostics Health Management，PHM)和虚拟测量等质量预测性分析。另外，德国生产线的高度自动化和集成化，使得其整体设备效率(Overall Equipment Effectiveness，OEE)非常稳定，利用数据进行优化的空间也较小。

产品优秀的质量和可靠性，使得德国制造拥有非常好的品牌口碑。然而，德国近年来也发现了一个问题，那就是大多数工业产品本身只能够卖一次，卖给一个客户之后也就少了一个客户。同时，随着一些发展中国家的装备制造和工业能力的崛起，德国的市场也在不断被挤压，在2008—2012年的5年时间里，德国工业出口几乎没有增长。因此，德国开始意识到卖装备不如卖整套的解决方案，甚至如果同时还能够卖服务就更好了。

2013年4月，德国在汉诺威工业博览会上正式推出了“工业4.0”战略计划，其背后是德国将制造系统中积累的知识体系集成后产生的系统产品，同时将制造知识以软件或是工具包的形式提供给客户作为增值服务，从而在客户身上实现可持续的盈利能力。“工业4.0”的思想是通过信息物理系统(CPS)实现人、设备与产品的实时连通、相互识别和有效交流，构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造模式。在这种模式下，生产由集中向分散转变，规模效应不再是工业生产的关键因素；产品由趋同向个性转变，未来产品都将完全按照个人意愿进行生产，极端情况下将成为自动化、个性化的单件制造；用户由部分参与向全程参与转变，不仅出现在生产流程的两端，而且广泛、实时参与生产和价值创造的全过程。

“工业4.0”设计框架的核心要素就是集成：一是价值网络的横向集成，即通过应用CPS，加强企业之间在研究、开发与应用的协同推进，以及在可持续发展、商业保密、标准化、员工培训等方面的合作；二是全价值链的纵向集成，即在企业内部通过采用CPS，实现从产品设计、研发、计划、工艺到生产、服务的全价值链的数字化；三是端对端系统工程，即在工厂生产层面，通过应用CPS，根据个性化需求定制特殊的IT结构模块，确保传感器、控制器采集的数据与ERP管理系统进行有机集成，打造智能工厂。因此，德国在第四次工业革命中的主要目的是利用知识进一步提升其工业产品出口的竞争力，并产生直接的经济回报。

2013年12月，德国电气电子和信息技术协会发布了“德国‘工业4.0’标准化路线图”，其目标是制定出一套单一的共同标准，形成一个标准化的、具有开放性特点的标准参考体系，最终达到通过价值网络实现不同公司间的网络连接和集成。德国“工业4.0”提出的标准参考体系是一个通用模型，适用于所有合作伙伴公司的产品和服务，提供了“工业4.0”相关的技术系统的构建、开发、集成和运行的框架，意图是将不同业务模型的企业采用的不同作业方法统一为共同的作业方法。

3．美国的制造哲学及工业互联网：从数据和移民中获得新的知识，并擅长颠覆和重新定义问题

与日本和德国相比，美国在解决问题的方式中最注重数据的作用，在客户的需求分析、客户关系管理、生产过程中的质量管理、设备的健康管理、供应链管理、产品的服役期管理和服务等方面都大量地依靠数据进行。这也造成了1990年后美国与日本和中国选择了两种不同的制造系统改善方式：美国企业普遍选择了非常依赖数据的6-sigma体系，而日本选择了非常依赖人和制度的精益管理体系。由于中国与日本文化的相似性以及中国企业普遍缺乏数据的积累和信息化基础，所以中国的制造企业在2000年以后的质量和管理改革也大多选择精益管理体系。除了从生产系统中获取数据以外，美国还在21世纪初提出了“产品全生命周期管理(PLM)”的概念，核心是对所有与产品相关的数据在整个生命周期内进行管理，管理的对象为产品的数据，目的是全生命周期的增值服务和实现到设计端的数据闭环(closed-loop design)。

数据也是美国获取知识的最重要途径，不仅是对数据积累的重视，更重要的是对数据分析的重视，以及企业决策从数据反映出来的事实出发的管理文化。除了利用知识解决问题外，美国也非常擅长利用知识进行颠覆式创新，从而对问题进行重新定义。例如，美国的航空发动机制造业，降低发动机的油耗是需要解决的重要问题。大多数企业会从设计、材料、工艺、控制优化等角度去解决这个问题，然而GE公司发现飞机的油耗与飞行员的驾驶习惯以及发动机的保养情况非常相关，于是就从制造端跳出来转向运维端去解决这个问题，收到的效果比从制造端的改善还要明显。这也就是GE公司在推广工业互联网时提出的“1%的力量”(Power of 1%)的依据和信心来源，其实与制造并没有太大的关系。

所以，美国在智能制造革命中的关键词依然是“颠覆”，这一点从其新的战略布局中可以清楚地看到，利用工业互联网颠覆制造业的价值体系，利用数字化、新材料和新的生产方式（3D打印等）去颠覆制造业的生产方式。

1）工业互联网

工业互联网的概念最早由通用电气于2012年提出，与“工业4.0”的基本理念相似，倡导将人、数据和机器连接起来，形成开放而全球化的工业网络，其内涵已经超越制造过程以及制造业本身，跨越产品生命周期的整个价值链。工业互联网和“工业4.0”相比，更加注重软件、网络和大数据，目标是促进物理系统和数字系统的融合，实现通信、控制和计算的融合，营造一个信息物理系统的环境。

工业互联网系统由智能设备、智能系统和智能决策三大核心要素构成，是数据流、硬件、软件和智能的交互。由智能设备和网络收集的数据存储之后，利用大数据分析工具进行数据分析和可视化。由此产生的“智能信息”可以由决策者必要时进行实时判断处理，成为大范围工业系统中工业资产优化战略决策过程的一部分。

（1）智能设备。

将信息技术嵌入装备中，使装备成为可智能互联产品。为工业机器提供数字化仪表是工业互联网革命的第一步，使机器和机器交互更加智能化，这得益于以下3个要素：①部署成本：仪器仪表的成本已大幅下降，从而有可能以一个比过去更经济的方式装备和监测工业机器；②微处理器芯片的计算能力：微处理器芯片持续发展已经达到一个转折点，即使得机器拥有数字智能成为可能；③高级分析：“大数据”软件工具和分析技术的进展为了解由智能设备产生的大规模数据提供了手段。

（2）智能系统。

智能系统是将设备互联形成的一个系统。智能系统包括各种传统的网络系统，但广义的定义包括了部署在机组和网络中并广泛结合的机器仪表和软件。随着越来越多的机器和设备加入工业互联网，可以实现跨越整个机组和网络的机器仪表的协同效应。智能系统的构建整合了广泛部署智能设备的优点。当越来越多的机器连接在一个系统中，久而久之，结果将是系统不断扩大并能自主学习，而且越来越智能化。

（3）智能决策。

当从智能设备和系统收集到足够的信息来促进数据驱动型学习的时候，智能决策就发生了，从而使一个小机组网络层的操作功能从运营商传输到数字安全系统。

2014年3月，美国通用电气、IBM、思科、英特尔和AT&T 5家行业龙头企业联手组建了工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium，IIC)，其目的是通过制定通用标准，打破技术壁垒，使各个厂商设备之间可以实现数据共享，利用互联网激活传统工业过程，更好地促进物理世界和数字世界的融合。工业互联网联盟已经开始起草工业互联网通用参考架构，该参考架构将定义工业物联网的功能区域、技术及标准，用于指导相关标准的制定，帮助硬件和软件开发商创建与物联网完全兼容的产品，最终目的是使传感器、网络、计算机、云计算系统、大型企业、车辆和数以百计其他类型的实体得以全面整合，推动整个工业产业链的效率全面提高。

2）智能制造

2011年6月24日，美国智能制造领导联盟(Smart Manufacturing Leadership Coalition，SMLC)发表了“实施21世纪智能制造”报告。该报告认为智能制造是先进智能系统强化应用、新产品制造快速、产品需求动态响应，以及工业生产和供应链网络实时优化的制造。智能制造的核心技术是网络化传感器、数据互操作性、多尺度动态建模与仿真、智能自动化，以及可扩展的多层次的网络安全。该报告给出了美国智能制造企业框架（图1-7）。智能制造企业将融合所有方面的制造，从工厂运营到供应链，并且使得对固定资产、过程和资源的虚拟追踪横跨整个产品的生命周期。最终结果将是在一个柔性的、敏捷的、创新的制造环境中优化性能和效率，并且使业务与制造过程有效串联在一起。

总的来说，对知识的理解、积累和传承方式的差异决定了日本、德国和美国制造业的创新制造哲学和文化，而制造哲学和文化又影响了国家在工业道路选择的路径和侧重点。

1.3.4 中国智能制造的部分内容

经过几十年的快速发展，我国制造业规模跃居世界前列，建立起门类齐全、独立完整的制造体系，成为支撑我国经济社会发展的重要基石和促进世界经济发展的重要力量。持续的技术创新，大大提高了我国制造业的综合竞争力。载人航天、载人深潜、大型飞机、北斗卫星导航、超级计算机、高铁装备、百万千瓦级发电装备、万米深海石油钻探设备等一批重大技术装备取得突破，形成了若干具有国际竞争力的优势产业和骨干企业，我国已具备建设工业强国的基础和条件。

但我国仍处于工业化进程中，与先进国家相比还有较大差距。制造业大而不强，自主创新能力弱，关键核心技术与高端装备对外依存度高，以企业为主体的制造业创新体系不完善；产品档次不高，缺乏世界知名品牌；资源能源利用效率低，环境污染问题较为突出；产业结构不合理，高端装备制造业和生产性服务业发展滞后；信息化水平不高，与工业化融合深度不够；产业国际化程度不高，企业全球化经营能力不足。推进制造强国建设，必须着力解决以上问题。

建设制造强国，必须紧紧抓住当前难得的战略机遇，积极应对挑战，加强统筹规划，突出创新驱动，制定特殊政策，发挥制度优势，动员全社会力量奋力拼搏，更多依靠中国装备、依托中国品牌，实现中国制造向中国创造的转变，中国速度向中国质量的转变，中国产品向中国品牌的转变，完成中国制造由大变强的战略任务。

1．指导思想

全面贯彻党的十九大精神，加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越。基本方针是：

（1）创新驱动。坚持把创新摆在制造业发展全局的核心位置，完善有利于创新的制度环境，推动跨领域、跨行业协同创新，突破一批重点领域关键共性技术，促进制造业数字化、网络化、智能化，走创新驱动的发展道路。

（2）质量为先。坚持把质量作为建设制造强国的生命线，强化企业质量主体责任，加强质量技术攻关、自主品牌培育。建设法规标准体系、质量监管体系、先进质量文化，营造诚信经营的市场环境，走以质取胜的发展道路。

（3）绿色发展。坚持把可持续发展作为建设制造强国的重要着力点，加强节能环保技术、工艺、装备推广应用，全面推行清洁生产。发展循环经济，提高资源回收利用效率，构建绿色制造体系，走生态文明的发展道路。

（4）结构优化。坚持把结构调整作为建设制造强国的关键环节，大力发展先进制造业，改造提升传统产业，推动生产型制造向服务型制造转变。优化产业空间布局，培育一批具有核心竞争力的产业集群和企业群体，走提质增效的发展道路。

（5）人才为本。坚持把人才作为建设制造强国的根本，建立健全科学合理的选人、用人、育人机制，加快培养制造业发展急需的专业技术人才、经营管理人才、技能人才。营造大众创业、万众创新的氛围，建设一支素质优良、结构合理的制造业人才队伍，走人才引领的发展道路。

2．战略目标

立足国情，立足现实，力争通过“三步走”实现制造强国的战略目标。

第一步，力争用10年时间，迈入制造强国行列。

到2020年，基本实现工业化，制造业大国地位进一步巩固，制造业信息化水平大幅提升。掌握一批重点领域关键核心技术，优势领域竞争力进一步增强，产品质量有较大提高。制造业数字化、网络化、智能化取得明显进展。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放明显下降。

到2025年，制造业整体素质大幅提升，创新能力显著增强，全员劳动生产率明显提高，两化（工业化和信息化）融合迈上新台阶。重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放达到世界先进水平。形成一批具有较强国际竞争力的跨国公司和产业集群，在全球产业分工和价值链中的地位明显提升。

第二步，到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。创新能力大幅提升，重点领域发展取得重大突破，整体竞争力明显增强，优势行业形成全球创新引领能力，全面实现工业化。

第三步，新中国成立100年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系。

3．战略任务和重点

实现制造强国的战略目标，必须坚持问题导向、统筹谋划、突出重点；必须凝聚全社会共识，加快制造业转型升级，全面提高发展质量和核心竞争力。

1）推进信息化与工业化深度融合

加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。

研究制定智能制造发展战略。编制智能制造发展规划，明确发展目标、重点任务和重大布局。加快制定智能制造技术标准，建立完善智能制造和两化融合管理标准体系。强化应用牵引，建立智能制造产业联盟，协同推动智能装备和产品研发、系统集成创新与产业化。促进工业互联网、云计算、大数据在企业研发设计、生产制造、经营管理、销售服务等全流程和全产业链的综合集成应用。加强智能制造工业控制系统网络安全保障能力建设，健全综合保障体系。

智能产品研发：加快发展智能制造装备和产品。组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线，突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电动机及驱动器和减速器等智能核心装置，推进工程化和产业化。加快机械、航空、船舶、汽车、轻工、纺织、食品、电子等行业生产设备的智能化改造，提高精准制造、敏捷制造能力。统筹布局和推动智能交通工具、智能工程机械、服务机器人、智能家电、智能照明电器、可穿戴设备等产品研发和产业化。

智能工厂（智能生产）：推进制造过程智能化。在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间，加快人机智能交互、工业机器人、智能物流管理、增材制造等技术和装备在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制。

产品全生命周期的智能管控：加快产品全生命周期管理、客户关系管理、供应链管理系统的推广应用，促进集团管控、设计与制造、产供销一体、业务和财务衔接等关键环节集成，实现智能管控。加快民用爆炸物品、危险化学品、食品、印染、稀土、农药等重点行业智能检测监管体系建设，提高智能化水平。

价值链的智能服务：深化互联网在制造领域的应用。制定互联网与制造业融合发展的路线图，明确发展方向、目标和路径。发展基于互联网的个性化定制、众包设计、云制造等新型制造模式，推动形成基于消费需求动态感知的研发、制造和产业组织方式。建立优势互补、合作共赢的开放型产业生态体系。加快开展物联网技术研发和应用示范，培育智能监测、远程诊断管理、全产业链追溯等工业互联网新应用。实施工业云及工业大数据创新应用试点，建设一批高质量的工业云服务和工业大数据平台，推动软件与服务、设计与制造资源、关键技术与标准的开放共享。

基础设施建设：加强互联网基础设施建设。加强工业互联网基础设施建设规划与布局，建设低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网。加快制造业集聚区光纤网、移动通信网和无线局域网的部署和建设，实现信息网络宽带升级，提高企业宽带接入能力。针对信息物理系统网络研发及应用需求，组织开发智能控制系统、工业应用软件、故障诊断软件和相关工具、传感和通信系统协议，实现人、设备与产品的实时联通、精确识别、有效交互与智能控制。

紧密围绕重点制造领域关键环节，开展新一代信息技术与制造装备融合的集成创新和工程应用。支持政产学研用联合攻关，开发智能产品和自主可控的智能装置并实现产业化。依托优势企业，紧扣关键工序智能化、关键岗位机器人替代、生产过程智能优化控制、供应链优化，建设重点领域智能工厂/数字化车间。在基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中，分类实施流程制造、离散制造、智能装备和产品、新业态新模式、智能化管理、智能化服务等试点示范及应用推广。建立智能制造标准体系和信息安全保障系统，搭建智能制造网络系统平台。

2）积极发展服务型制造和生产性服务业

加快制造与服务的协同发展，推动商业模式创新和业态创新，促进生产型制造向服务型制造转变。大力发展与制造业紧密相关的生产性服务业，推动服务功能区和服务平台建设。

推动发展服务型制造。研究制定促进服务型制造发展的指导意见，实施服务型制造行动计划。开展试点示范，引导和支持制造业企业延伸服务链条，从主要提供产品制造向提供产品和服务转变。鼓励制造业企业增加服务环节投入，发展个性化定制服务、全生命周期管理、网络精准营销和在线支持服务等。支持有条件的企业由提供设备向提供系统集成总承包服务转变，由提供产品向提供整体解决方案转变。鼓励优势制造业企业“裂变”专业优势，通过业务流程再造，面向行业提供社会化、专业化服务。支持符合条件的制造业企业建立企业财务公司、金融租赁公司等金融机构，推广大型制造设备、生产线等融资租赁服务。

加快生产性服务业发展。大力发展面向制造业的信息技术服务，提高重点行业信息应用系统的方案设计、开发、综合集成能力。鼓励互联网等企业发展移动电子商务、在线定制、线上到线下等创新模式，积极发展对产品、市场的动态监控和预测预警等业务，实现与制造业企业的无缝对接，创新业务协作流程和价值创造模式。加快发展研发设计、技术转移、创业孵化、知识产权、科技咨询等科技服务业，发展壮大第三方物流、节能环保、检验检测认证、电子商务、服务外包、融资租赁、人力资源服务、售后服务、品牌建设等生产性服务业，提高对制造业转型升级的支撑能力。

强化服务功能区和公共服务平台建设。建设和提升生产性服务业功能区，重点发展研发设计、信息、物流、商务、金融等现代服务业，增强辐射能力。依托制造业集聚区，建设一批生产性服务业公共服务平台。鼓励东部地区企业加快制造业服务化转型，建立生产服务基地。支持中西部地区发展具有特色和竞争力的生产性服务业，加快产业转移承接地服务配套设施和能力建设，实现制造业和服务业协同发展。