iLMS知識社群ePortfolioeeClass學習平台空大首頁登入
位置: 吳俊逸 > 工業4.0
智慧製造在美國、德國、日本
by 吳俊逸 2018-06-21 17:16:52, 回應(0), 人氣(47)
第四次工業革命的到來,為各個國家提供了發展和轉型的機遇,也面臨競爭力格局變化的挑戰,智慧製造成為各國競爭的新戰場。
 
 
Will Blockchain and the Token Economy Happen in 2018?
 
各國圍繞製造業,都提出了相應的策略——美國的「國家製造創新網路」、德國的「工業4.0」,日本的「工業價值鏈」,當然還有「中國製造2025」。那麼,這些策略之間有何差異呢?而形成這些差異的根本原因又是什麼?
 
第一、對知識的理解、累積和傳承方式的差異決定了製造哲學和文化
對製造業而言,簡單地來講即是「發現問題(比如品質缺陷、精度缺失、設備故障、成本較高、效率低下等)、瞭解問題,在此過程中獲取資訊,並將其抽象化為知識,再利用知識去認識、解決和避免問題的過程。」
 
 
瞭解和解決問題的手段和方法,決定了所獲得知識的形式,而將知識抽象化,加以運用的過程和形式,則決定了知識傳承的形式。這個過程可以透過「人來完成」、「數據來完成」或是「系統來完成」,這也是決定一個國家製造哲學的最根本原因。
 
一文读懂“智能制造”在美国、德国、日本有啥不同?
  
日本「透過組織文化和人的訓練不斷改善,在知識的承載和傳承上非常依賴人」
日本獨特的克忍、服從和集體觀念文化,也深深地影響了日本的製造文化,其最主要的特徵,就是通過組織的不斷優化、文化建設和人的訓練,來解決生產系統中的問題。

這一點相信國內許多製造企業都感同身受,因為大家在接受精益訓練的時候,被反覆強調的三個方面就是「公司文化」、「三級組織」和「人才訓練」。
 
最典型的體現,就是日本在20世紀70年代提出的,以「全生產系統維護(TPM)」為核心的生產管理體系。其核心思想可以用「三全」來概括:全效率、全系統和全員參與。

實現方式主要包括在三個方面的改善:提高工作技能、改進團隊精神和改善工作環境,以致在20世紀90年代以後日本選擇「精益製造(LeanManufacturing)」作為其轉型方向,而非「6-sigma品質管理體系」。
 
日本企業在人才的培養方面,也是不遺餘力的,尤其是「僱員終身制」文化,將僱員與企業的命運緊密聯繫在一起,使得人的經驗和知識,能夠在企業內部累積、運用和傳承。
 
日本企業解決問題的方式通常是:發生問題→人員迅速到現場、確認現物、探究現實(三現),並解決問題→分析問題產生的原因,透過改善來避免問題。最終的知識落在了人的身上,人的技能提升之後,解決和避免問題的能力也就上升了。
 
因此對於日本企業而言,員工是最重要的價值,對人的信任通遠勝於對設備、數據和系統的信任,所有的自動化或是資訊化建設,也都是圍繞著幫助人去工作為目的,所以日本企業從來不會談機器換人或是無人工廠。
 
如果想要學習工匠精神,那麼最應該借鑒的是日本孕育工匠的組織文化和制度。但是這樣的文化在近幾年,遇到了一個十分巨大的挑戰,就是日本的老齡化,和製造業年輕一代大量短缺的問題,使得沒有人能夠去傳承這些知識。
 
日本也意識到了自己在數據和資訊系統方面的缺失,開始在這些方面發力。這一點在日本的「工業價值鏈產業聯盟」的構架和目標上能夠清晰地看到。
 
該聯盟提出的19條工作項目中,有七條與大數據直接相關。可以說日本的轉型策略是,應對其人口結構問題和社會矛盾的無奈之舉,核心是要解決替代人的知識獲取和傳承方式。
 
但日本在轉型過程中,同樣面臨著許多挑戰:首先是數據累積的缺失,使得知識和經驗,從人轉移到資訊化體系,和製造系統的過程中,缺少了依據和判斷標準。
 
其次是日本工業企業保守的文化、造成軟體和IT技術人才的缺失,正如日本經產省公佈的《2015年製造白皮書》中所表達的憂慮:「相對於在德國和美國正在加快的製造業變革,現在日本企業表現出重視軟體的姿態。」

 
Will Blockchain and the Token Economy Happen in 2018?
 
德國「透過設備和生產系統的不斷升級,將知識固化在設備上」
德國的先進設備和自動化的生產線,是舉世聞名的,可以說在裝備製造業的實力上,有著傲視群雄的資格。
 
同時德國人嚴謹的風格,以及其獨特的「學徒制」高等教育模式,使得德國製造業的風格非常務實,理論研究與工業應用的結合也最緊密。

然而德國也很早就面臨勞動力短缺的間題,在2015年各國競爭力指數的報告中,勞動力是德國唯一弱於創新驅動型國家平均水平的一項。
 
因此,德國不得不透過研發、更先進的裝備和高度整合自動的生產線,來彌補這個不足。
 
德國的製造業解決問題的邏輯是:發生問題→人(或裝備)解決問題→將解決問題的知識和流程固化到裝備和生產線中→對相似問題自動解決或避免。
 
舉個比較直觀的例子,來比較日本和德國解決問題方式的不同:如果生產線上經常發生物料分揀出錯的現象,那麼日本的解決方式,很有可能是改善物料辨識度(顏色等)、員工訓練,以及設置復查制度。

而德國則很可能會設計一個RFID掃碼自動分揀系統,或是利用圖像辨識+機械手臂自動進行分揀。
 
又比如,德國很早就將誤差補償、刀具壽命預測、多軸同步性算法、主軸震頻補償等解決方式,以功能包的形式固化到了機床中,因此即便是對製造技術和操作並不熟練的工人,也能夠生產出可靠的產品。也正是這個原因成,就了德國世界第一的裝備製造業大國地位。
 
除了在生產現場追求問題的自動解決之外,在企業的管理和經營方面,也能夠看到其盡力減少人為影響因素的努力。比如最好的ERP、MES、APS等軟體供應商都來自德國,大量的資訊錄入和計劃的生成,及追溯透過軟體自動完成,盡量減少人為因素帶來的不確定性。
 
然而,德國同樣對數據的採集缺少累積,因為在德國的製造系統中,對故障和缺陷採用零容忍的態度,出現了問題就透過裝備端的改造,一勞永逸地解決。
 
在德國人的意識中,不允許出現問題,也就自然不會由問題產生數據,最直接的表現就是找遍德國的大專院校和企業,幾乎沒有人在做設備預診,與健康管理(PHM)和虛擬測量等品質預測性分析。
 
另外由於德國生產線的高度自動化和整合化,使得其整體設備效率(OEE)非常穩定,利用數據進行優化的空間也較小。
 
德國依靠裝備和工業產品的出口,獲得了巨大的經濟回報,因為產品優秀的品質和可靠性,使得德國製造擁有非常好的品牌口碑。然而德國近年來也發現了一個問題,那就是大多數工業產品,本身只能夠賣一次,所以賣給一個客戶之後,也就少了一個客戶。
 
同時,隨著一些發展中國家的裝備製造,和工業能力的崛起,德國的市場也在不斷被擠壓。因此,在2008—2012年的5年時間裡,德國工業出口幾乎沒有成長。
 
由此,德國開始意識到,賣裝備不如賣整套的解決方案,甚至同時如果還能夠賣服務就更好了。
 
於是,德國提出的工業4.0計劃,其背後是德國在製造系統中,所累積的知識體系整合後,所產生的系統產品,同時將德國製造的知識以軟體,或是工具包的形式,提供給客戶作為增值服務,從而實現在客戶身上的可持續的盈利能力。
 
這一點從德國的工業4.0設計框架中,能夠十分明顯地看到,整個框架中的核心要素就是「整合」,包括縱向的整合、橫向的整合和端到端的整合等,這簡直太像德國製造體系的風格了,既是德國所擅長的,也為其提供增值服務提供了途徑。
 
所以第四次工業革命中,德國的主要目的是利用知識,進一步提升其工業產品出口的競爭力,並產生直接的經濟回報。

 
American Manufacturing Innovation Network - ppt download
 
美國「從數據和移民中獲得新的知識,並擅長顛覆和重新定義問題」
與日本和德國相比,美國在解決問題的方式中,最注重數據的作用,無論是客戶的需求分析、客戶關係管理、生產過程中的品質管理、設備的健康管理、供應鏈管理、產品的服役期管理和服務等方面,都大量地依靠數據進行。
 
這也造成了20世紀90年代後,美國與日本選擇了兩種不同的製造系統改善方式,美國企業普遍選擇了非常依賴數據的6-sigma體系,而日本選擇了非常依賴人和制度的精益管理體系。
 
台灣和中國的製造企業,在2000年以後的品質和管理改革,大多選擇了精益體系這條道路,一方面因為台灣、中國與日本文化的相似性,更多的還是因為台灣、中國企業普遍缺乏數據的累積,和資訊化基礎,這個問題到現在也依然沒有解決。
除了從生產系統中獲取數據以外,美國還在21世紀初提出了「產品全生命週期管理(PLM)」的概念,核心是對所有與產品相關的數據,在整個生命週期內進行管理,管理的對象即為產品的數據,目的是全生命週期的增值服務,和實現到設計端的數據閉環。
 
數據也是美國獲取知識的最重要途徑,不僅僅是對數據累積的重視,更重要的是對數據分析的重視,以及企業決策從數據所反映出來的事實,出發的管理文化。

從數據中挖掘出的不同因素之間的關聯性、事物之間的因果關係,對一個現象定性和定量的描述,和某一個問題發生的過程等,都可以透過分析數據後,建立的模型來描述,這也是知識形成和傳承的過程。
 
除了利用知識去解決問題以外,美國也非常擅長利用知識進行顛覆式創新,從而對問題進行重新定義。例如美國的航空發動機製造業,降低發動機的油耗,是需要解決的重要問題。
 
大多數企業會從設計、材料、技術、控制優化等角度,去解決這個問題,然而通用電氣公司(GE)發現飛機的油耗與飛行員的駕駛習慣,以及發動機的保養情況非常相關,於是就從製造端跳出來,轉向運維端去解決這個問題,收到的效果比從製造端的改善還要明顯。
 
這也就是GE在推廣工業互聯網時,所提出的「1%的力量(Powerof1%)」的依據和信心來源,其實與製造並沒有太大的關係。所以美國在智慧製造革命中的關鍵詞,依然是「顛覆」,這一點從其新的策略佈局中,可以清楚地看到,利用工業互聯網顛覆製造業的價值體系,利用數位化、新材料和新的生產方式(3D列印等),去顛覆製造業的生產方式。
第二、製造中價值鏈的位量是競爭力的決定性因素
我們從日本、德國和美國三者間文化差異性方面,分析了三個國家對智慧製造革命的理解、側重點和目的的不同。除此以外,這些國家的競爭力差異,也是造成其策略方向差異的關鍵因素,其中各國在製造價值鏈的分布,和未來佈局的不同起了決定性的作用。
 
生產活動中的價值要素分布,從上游到下游依次是:想法創新與需求創造→原材料與基礎使能技術→關鍵裝備與核心零組件→生產過程與生產系統→產品和服務。
 
在整個價值要素的分布中,中國在生產過程與生產系統這個環節具有優勢(主要體現在勞動成本和生產能力方面),但是在其他各個環節中處於劣勢。
 
那麼,如果進行橫向比較,世界各主要國家在生產活動中的價值要素的地位,以及未來改革的佈局是怎樣的?
美國「牢牢佔據生產要素的上游,努力向下游延伸」
美國在生產活動要素的分布中,在想法創新和需求創造、原材料和使能技術,以及產品增值服務端,具有明顯優勢。美國工業系統的核心競爭力主要來源於「6s的生態體系」:
 
(1)航太航空:為美國製造業累積了大量技術紅利,成為美國工業系統中基礎使能技術的最主要來源。
 
(2)半導體:近年來在低耗能半導體材科的研發投入巨大,在未來智慧化技術的核心,低耗能高性能晶片技術上,具有明顯優勢。
 
(3)頁岩氣:佈局未來新能源和清潔能源領域,已成為美國最主要的替代能源。
 
(4)智慧化服務創值經濟:借助美國在電腦和資訊化技術領域的優勢,在利潤最高的製造業服務端進行佈局。
 
(5)矽谷為代表的創新精神:透過不斷創新挖掘用戶的潛在需求,從而不斷獲得新的市場和商業機會的藍海。
 
(6)可持續人才資源:在第四次工業革命的策略佈局方面,美國白宮在2012年3月提出了「國家製造創新網路計劃」,在製造業的四大領域建立九個研究創新中樞(如下圖)。
 
分析美國6S生態系統和製造業發展策略佈局,我們不難發現,美國力圖在生產系統最基礎的原料端(能源和材料)、工業產品的使用服務端(互聯網技術和ICT服務),以及不斷由創新驅動的商業模式端,牢牢掌握住工業價值鏈當中,價值含量最高的幾部分,這樣即便德國的製造設備再先進、中國的製造系統再高效,都可以從源頭和價值的投放端,確保其競爭力的核心優勢。
德國「充分發揮在關鍵裝備與零組件、生產過程與生產系統領域的技術優勢,透過服務增強盈利能力與競爭力」
 
德國在關鍵裝備與核心零組件,以及生產過程與生產系統兩個環節上,具有十分明顯的技術優勢,這主要得益於以中小企業為核心的隱形冠軍企業,以及德國務實的學徒制雙元教育,這兩者為德國工業提供了扎實的基礎,是德國製造難以被撼動的地基。
 
德國的隱形冠軍企業,幾乎不被外界所關注,它們規模都不大,但卻在其領域佔領著很高的市場佔有率,在全球位列前三。
 
這些中小企業佔據了德國出口總量的70%,它們的銷售回報率,均超過德國普通企業的兩倍,擁有著高水平的研發能力,與技術創新能力,注重產品價值與客戶的貼合、高品質高效率的製造能力和精益化、柔性化的全球化高效營運體系,它們很大一部分已經傳承了百年。
 
高素質的技術工人,和工程技術專業人才,歷來被看作是德國經濟發展的支注,是「德國製造」產品的品質保障。旨在培養專業技術工人的職業教育,在德國社會發展中承擔著重要的角色,並形成了一套相對完備,而且不斷調整的法規體系,保障了以雙元制為主要特徵的,職業教育長期穩定的發展。
 
學徒不僅要在生產車間裡,跟隨師傅學習實用技術,還要到學校裡學習必要的理論知識。在德國,每年約計60萬年輕人開始接受雙元制職業教育,約佔同齡人數的三分之二。
 
德國是一個工業產品外向型的國家,由於其國內市場較小和自身需求的薄弱,其工業產品幾乎全部用於出口,也因此成就了德國製造業設備出口第一大國的地位。
 
然而,由於以「金磚四國」為代表的新興經濟體,已基本完成了工業化,東南亞和非洲國家的新一輪成長引擎,還沒有完全開啓,導致了德國的工業裝備產品需求停滯不前。
 
從這幾年德國的工業出口總值上來看,幾乎沒有任何的成長,這也從一定程度上影響了德國的經濟發展。由此可見,德國提出工業4.0的核心目的主要有兩方面:
 
一是,強德國製造的競爭力,為德國的工業設備出口開拓新的市場;
 
二是,轉變以往只賣設備,而服務性收入比重較小的狀態,將重心從產品端向服務端轉移,增強德國工業產品的持續盈利能力。
 
日本「雖然在產品這個環節中丟失大量市場,但產業競爭力在向上轉移」
以往日本製造的核心競爭力,主要在於生產過程與生產系統、產品以及服務端。近兩年來,日本兩個最強勢的傳統產業,汽車製造和消費電子產業中的市場佔有率,不斷被韓國、美國和中國佔據,看似在產品端的優勢已經喪失殆盡。
 
然而在《2015年全球創新創業百強》榜單中,日本以40家入圍企業成為全球最具創新力的國家。
 
同時,在2015年的《全球製造力競爭指數》報告中,日本也由前一年的第10位上升至第4位。其實,日本在消費電子領域的衰退背後,是日本創新方向的轉變,日本開始在上游的原材料,及使能技術和關鍵裝備,及關鍵零組件領域,擁有更多的發話權。
 
2015 Global Innovation and Entrepreneurship 100
 
例如松下在失去電氣行業的優勢後,在汽車電子、住宅能源和商務解決方案等領域,找到了新的發展機會,同時也成為世界上最先進的電池生產商,特斯拉電動車使用的就是松下18650電池。
 
 
索尼在喪失消費電子領域老大的地位後,在醫療領域取得突破,已經佔據了醫療內窺鏡全球80%以上的市佔額。夏普也將核心業務轉向智慧醫療、智慧住宅、食品、水、空氣安全,以及教育產業。
 
在日本發佈的《2015年製造業白皮書》中,將人工管能和機器人領域作為重點發展方向,同時也將加強在材料、醫療、能源和關鍵零組件領域的投入。
 
Reference: http://3smarket-info.blogspot.tw/2018/03/blog-post_88.html