導讀： 目前制造技術升級的概念本質仍然離不開四個關鍵詞語：自動化、信息化、數字化和智能化。然而，并非所有制造業都要通過這“四化”實現技術升級；同一個企業的不同發展階段也需要兼顧不同的升級策略；不同類型的制造業也需要考慮適合自身發展規律的升級路線。
       制造業升級的“四化”過程
       目前制造技術升級的概念本質仍然離不開四個關鍵詞語：自動化、信息化、數字化和智能化。然而，并非所有制造業都要通過這“四化”實現技術升級；同一個企業的不同發展階段也需要兼顧不同的升級策略；不同類型的制造業也需要考慮適合自身發展規律的升級路線。
       自動化
       首先需要考慮“自動”與“手動”。與“自動化生產”相對應的是“手工生產”。通常講的自動化升級都是指用自動化設備和裝置替代人工。因此，凡是人做不了或者不愿意做的工作都可以通過自動化進行升級，越是動作簡單、重復、繁重的生產形式，越適合采用自動化升級策略，例如搬運、包裝、噴涂等；而動作越復雜，對人手靈活性依賴越大的生產模式就不適合自動化升級，例如皮具制作、制衣等。
按照工業4.0的定義，1968年出現的莫迪康可編程控制站器Modicon PLC（后來被施耐德收購），被視為自動化的一個劃時代意義的產品。
       信息化管理
       應該說“企業信息化”這個詞是伴隨著ERP的普及而流行的，而ERP的前身是MRP和MRPII，再往前推則是會計電算化軟件、庫存管理軟件等。這類軟件的流行基于數據庫系統的成熟。
       隨著這類軟件的普及，“MIS（管理信息系統）”應運而生，且市場迅速膨脹。也許是出于對會計制度與國際接軌的需要，當時MIS的主力是會計電算化軟件，火爆的市場也成就了金蝶、用友這樣的國產軟件公司。
       上世紀末期是跨國公司全球布局的黃金時期。外企進入中國不僅帶來了先進的管理模式，也帶來了對企業管理信息系統的市場需求。跨國公司要求中國本土供應商的管理系統與之對接，倒逼中國企業大干快上ERP項目。這個時期除了捧紅SAP之外，還造就了不少ERP軟件實施和信息系統咨詢公司，諸如畢博和埃森哲。
       在2000年初，業內對ERP的態度如同當前對工業4.0，說法不一。
       但普遍的共識是企業上ERP不是簡單買個軟件，更需要對管理流程進行梳理，破舊立新。隨之而來就出現了一個流行詞叫“企業流程再造BPR”，很大程度上也算是商家為了配合ERP項目搞的噱頭。到目前為止，ERP通用功能已經非常成熟，而跟業務深水區的結合，正在面臨全新的升級考驗。
       包括ERP在內，這里所提及的軟件都是用MIS把企業管起來，本質上是企業商業和運營的信息化。與此同時，在產品設計、生產設備、質量管理等直接與制造相關的環節也在進行著信息化。
       信息化制造與數字化制造
       這里不得不提CIMS（計算機集成制造系統）。CIMS要集成的對象是一個一個獨立的計算機輔助軟件（CAX），旨在消除信息孤島。這個概念在中國的興起要早于ERP。可以說ERP是面向商業的信息集成，而CIMS是面向制造業的信息集成，當時都是被當作信息化所理解的。CIMS除了要集成CAD（計算機輔助設計）、CAM（計算機輔助制造）、CAT（計算機輔助檢測）、CAPP（計算機輔助工藝等系統模塊）等，還明確提出了邏輯層次結構，并整合了敏捷制造、并行工程、虛擬制造等方法論范疇的理論概念。
       然而，技術為它的早產付出了代價。
       CIMS的失敗就是因為它提出的時代太超前，相關技術和產品都還沒成熟。而在它之后便迎來了工業軟件市場的大整合時代：例如由對CAD產品數據管理發展而來的PDM（產品數據管理），通過對產品BOM的信息化管理實現了產品“數字化”。“數字化”這個概念盡管現在被濫用，但是它應該是脫胎于3D數模的。至少在商業語境里，“數字化”要與3D圖形和動態仿真同時出現。例如“產品數字化”是指用3D數模構建產品模型，“工廠數字化”則需要面向工廠進行3D建模。
       當今工業4.0所處的環境，已遠遠超越CIMS所處的年代。大量設計軟件廣泛使用，大量數字化資源和虛擬化產品，已經進入主流，類似Digital Thread（數字主線）、Digital Twin（數字孿生）被更廣泛地應用。
       數據采集
       在過去30年中國企業現代化進程中，除信息化項目大干快上之外，還有一條自動化升級的主線：在流程制造行業（如石化、水泥、食品等），一大批分散控制系統DCS和儀表自動化項目迅速崛起，而國產的DCS如浙大中控、和利時，甚至被GE收購之前的新華控制系統，都得到了長足的發展；而離散制造行業的企業則采購了大量數控和自動化物流設備。隨之而來出現的問題就是如何獲得這些現場數據，并把這些實時數據用起來。
       當下火熱的“云數據”，前身可以說是“遠程抄表”。最早是油田、礦井等野外設備需要監控運行狀態——早期用的是電報，后來是短信。在智能手機尚未普及的時代，還用過手機網頁客戶端，而現在基本就是成熟的3G/4G網絡，外加APP客戶端。
       說到數據采集就不得不提組態軟件。這類產品最早是DCS或PLC廠家為方便客戶開發界面而配備的開發套件，后來出現了許多獨立的組態軟件廠商，可以通過圖形界面直觀地看到數據的變化。由此產生了“人機界面（HMI）”，所以“圖形化”往往指的是人機交互相關的產品或項目，比如工作站的面板和電子看板等。
       現場數據采集SCADA，正是自動化與信息化的鏈接節點，是自動化設備和信息化管理軟件的承上啟下的層級，也是自動化與信息化相融合的過渡區域。
       而這些早年軟件留下的數據，正是當下的工業大數據“黑金”。它們深埋在設備、模塊和系統之中不見天日。工業大數據從業者，需要有非常的智慧來挖掘這些黑金。
       智能化
       嚴格意義上的智能化，必須要借助大量的建模和算法，以及一些必要的人工智能技術，包括啟發式算法和機器學習。如果按照這個標準，目前不少先進的控制系統的控制算法已經可以算是智能化，但真正智能化的管理信息系統市面上還不存在。信息系統的智能化趨勢應該說是很明確的，特別是人工智能AI項目開始受到大量資金關注后，那些原本只在學術期刊上出現的、服務于制造調度算法的復雜公式才開始有了一些用武之地。
       轉型升級四大象限
       工業4.0體系中，個性化定制被反復提及。這就特別需要考慮生產“柔性”與“剛性”。所謂剛性生產是指大批大量生產單一或若干種產品，這種生產模式特別適合自動化，例如緊固件等工業標準件的生產就是通過自動化專機實現的；所謂柔性生產是指多品種小批量，甚至單件定制化生產，這種生產模式對自動化系統的智能化程度要求較高（從某種意義上接近或等同于智能制造），比較典型的行業是汽車的混線生產和非標零件的機械加工。
       另外，由于目前技術限制，機器設備的靈活性仍然無法與人手相比，特別是在空間有限的裝配環節。很多人認為3D打印可以解決裝配問題，可以說不同材料的增材制造可以在一定程度上減少對手工裝配的依賴。但是從現實出發，徹底解放人力是個系統工程，需要從產品設計（DFM/DFA）源頭進行重新梳理，并對現有工藝、工序以及生產設備進行重新整合，并不是一個單一技術可以解決的。總之，能否實現自動化在很大程度上受制于制造工序對人手靈活程度的依賴。
       圖1將目前國內制造業轉型升級的方向進行了劃分：X向表示產品種類的復雜程度；Y向表示生產工序要求動作的靈活程度。
       象限I：手工柔性生產
       該象限的特點是：產品種類復雜且動作靈巧度高。典型行業如飛機、航天器等復雜機電產品裝配，成衣、皮具定制，家電、數碼產品組裝，以及產品維修或返修等。
       這類生產對動作靈活性要求高，因此無法通過自動化手段替代人工或者替代人工的自動化設備研發投入過高。
       適合這類制造企業的生產模式，筆者認為可以稱之為：手工柔性生產，即生產管理組織復雜且無法實現自動化。實際上這類企業非常適合走“智能化”管理信息系統升級路線，既通過專家決策系統或相關的軟件產品管理生產并指導工人操作。所以這個象限的企業轉型升級應著眼于通過“智能化”信息系統指導生產，避免人為失誤；而不是開發“自動化”設備替代人工（自動化物流和搬運設備除外）。
       關于智能化升級的路線選擇，簡而言之：生產管理越復雜，對信息化軟件的智能程度要求越高的企業越適合智能化升級。或者說適合選擇智能化程度高的信息系統的企業通常具備這些特征：產品系列多，工序變化多，零部件品種多，供應鏈管理復雜；多以組裝工序為主，多為勞動密集型企業；典型行業如：家電、服裝、數碼產品等。
       最適合搞智能制造的比較極端的例子是產品維修：每一個維修項目都各不相同，因此生產模式屬于單件定制；每一個維修項目的工序復雜，沒有既定模式，幾乎無章可循；維修（生產）數據難以定義，更難以度量，難以采集；而且每一個維修項目的周期無法量化，產品復雜程度越高，維修周期不確定性越大；因此只有通過“智能化”才能解決問題。
       實操方案之一是自動配料系統。例如保時捷發動機在裝配過程中大量工序無法實現自動化，而產品多品種小批量的特點又難以避免工人在裝配過程中犯錯誤。為調和這個矛盾，該生產系統采用集中備料的方案，發動機上的小型零部件隨托盤運動到各個裝配工位，裝配工直接在托盤上取用配套的部件并按照電子操作終端的指示進行裝配和自檢即可。
       此外，有類似成熟系統的汽車企業還有寶馬，配料車上的終端面板會指示工人物料的取料位置、型號、數量等信息。并要求操作人員在將物料放入托盤前先對物料進行掃碼，以確保配料準確。整個配料過程的信息指導系統智能化程度很高，但配料的操作過程仍需要工人根據物料車的指示在指定的倉庫托盤中拾取，沒有實現自動化，也沒有必要自動化。
       實際上比較成熟的軟件應用是在服裝行業，包括紅領在內的許多國內企業，成衣定制的服裝集團都已經采用自動下料、配料系統，一件成衣所需要的全部布料和配件等，會通過該系統配送給某個工位或制作單元，而工人只需要按照設計要求縫制即可。
       實操方案之二是操作輔助終端（電子作業指導書+生產數據采集系統）。如克萊斯勒變速箱組裝線，每個工位上都有操作輔助終端，工人在裝配過程中嚴格按照電子作業指導書的每個步驟進行，同時輔助終端也記錄相應的生產組裝數據并發送給上位機。
       以上兩個方案都屬于數據采集層的子模塊，是智能制造的基礎，也是智能制造的雛形。自動配料方案實現柔性和單件定制化生產，向上集成智能排產、動態調度、專家決策等系統；操作輔助終端實現人與生產系統的數據交互，相當于增強版SCADA/HMI或電子作業指導書。
       象限II：手工剛性生產
       該象限的制造特點是：產品種類單一且動作靈巧度高。
       鑒于在相當長時期內，這個象限的手工靈活性無法被機器所取代，因此自動化升級的路線基本被堵死；而產品的單一性又不需要智能化管理信息系統。因此這個區域內的制造企業面臨著巨大的挑戰。典型行業如傳統的服裝、鞋帽業等，這類行業產品產量大，但生產過程基本上只能通過手工實現。這種靠薄利多銷生存的行業除非在產品設計和工藝上做文章，否則在自動化或智能化層面幾乎沒有改良的余地。轉型升級路線：一是增加產品種類和對生產柔性的需求，即向第I象限靠攏；二是提高產品藝術性，向奢侈品和藝術品方向靠攏；三是轉移到人工更便宜的地區。
       象限III：自動化剛性生產
       該象限的特點是產品種類單一且動作靈巧度低。
       典型行業就是工業標準件生產如緊固件、軸承、齒輪、五金件、連接端子、微電子等行業，以及相對簡單日用品如食品、飲料行業，紡織、印刷和制筆業等。
       這類產品通常是通過專用設備和自動化設備實現的，而且技術非常成熟。中國大量低端制造業企業都屬于這一類型，都可以通過自動化專機實現低成本量產。
       而且，這種行業一旦開發出全自動高效量產的專用設備，那么就極有可能實現對該行業的壟斷，為其他競爭對手設置投資門檻。
中國的中小制造企業里，有非常多是從事單一產品的批量化生產的，如USB線、鼠標、攝像頭、拉鏈、打火機等。相信在未來的5年內必定會出現生產這些通用產品的全自動化生產線，也一定會在中國出現世界級的行業寡頭。
       象限IV：自動化柔性生產
       該象限的特點是產品種類復雜且動作靈巧度低。
       最典型的行業就是汽車，目前國際上主流車型均采用混線生產模式，即自動化柔性線。這種生產系統對設備的自動化程度和軟件的智能化程度要求極高。是目前復雜程度最高的生產系統。與汽車類似的還有電子行業，如電路板的生產。事實上木工是最容易實現自動化柔性生產的行業。理由是木工制造的工序簡單，零件結構標準化程度較高，產品的多樣性要求較高。說得更通俗些，就是木工行業與樂高積木的相似性最大。
       實際上，歐洲國家的木工行業的自動化和智能化程度已經達到了極高的水準，在瑞士、德國、英國、法國等地已經出現了大量的木工無人工廠。可見，家具行業絕不是夕陽產業。而第IV象限的所有行業都適合進行工業4.0或智能制造升級，都有著極大的潛力。
       制造企業轉型升級的通用策略與路徑選擇
       總的說來，由于自動化和信息化程度的不斷加深，對于從業人員來說，生產制造過程的管理變得越來越容易。從歷史經驗看，制造升級與人力解放是同一過程。
       機器（機械）設備的出現解放了重體力勞動，如鐵匠、礦工等；自動化技術的出現，解決了繁瑣體力勞動，如流水線裝配工和搬運工；信息化管理系統則解放了從事繁瑣腦力工作的勞動者，如會計、倉庫管理員等；數字化軟件使得產品設計和工藝人員不必趴在圖板上畫圖并反復修改，同時給現場管理者更直觀的圖形化調度決策支持；下一步的智能化升級或將解放決策層的腦力勞動。
       可見，人類的制造系統在不斷地更新換代，每次升級都會解放體力和腦力，使人的創造力可以有更大限度地發揮。未來制造業的從業人員將僅進行創造性的工作，可以模式化的體力和腦力工作將完全交給智能制造系統完成。也許到那時，我們理想中的社會制度——共產主義才開始真正具備實踐基礎。
       值得注意的是，當我們談轉型升級的時候，我們已經不知不覺地似乎把焦點都集中在“智能制造”和“工業4.0”等自動化和信息化項目上。實際上制造企業的轉型升級有太多的途徑了，最根本的也是普適的策略是：產品設計和生產工藝升級。
       深刻認識制造業本質
       Manufacturing和Production都可以翻譯為制造。Manu-fact-turing拆分后是說“用手做”，因此翻譯成‘手工業’或‘制作’比較貼切；Pro-duct-tion有向前引導的意思，感覺上是生孩子的過程，把嬰兒從母體中拉出來，因此日本人將其翻譯成生產，產生是非常貼切的。可見“生產”制造（production）是有創造的過程的，這樣就把產品設計涵蓋到制造研究的范疇了；而“手工”制造Manufacturing則僅僅指代加工。以后中國的制造企業應該力爭成為Producer，而不要做Manufacturer。
       狹義的制造就是Manufacturing，即制作產品的過程；而廣義的制造是Production， 即產生（實物）產品的活動。中國的制造業做的是狹義的Manufacturing，只是外包了手工作業的部分；而發達國家的制造業是廣義的Production，涵蓋了產品和工藝設計的高附加值環節。
可以說，產品設計和生產工藝是制造的基礎，設計和工藝環節永遠具備升級空間；由于產品是制造業創造價值的最終載體，而制造業的產品永遠是實物，所以產品被設計成什么樣子（產品設計）和如何把實體產品做出來（生產工藝）是制造業永恒的話題。
       在任何階段投入精力研究產品設計和生產工藝幾乎都是正確的戰略選擇。
       值得中國制造企業注意的是：設計和工藝是不可分的，生產設備和工藝現狀可能制約著設計，而設計的好壞又直接影響到工藝/工序路線的選擇，影響到產品的功能、質量、可靠性、生產成本等。所以將資源投入在生產的前段（設計和工藝）要比投入在中段（設備及自動化）和后段（管理信息系統）會產生更大的效益。
       圖3反映了對生產技術不同階段的資金投入產生的成本和成效的對比。該圖適用于通常的工業領域，即需要進行產品設計、需要專門的生產設備、也需要人工裝配同時產品具有一定的多樣性的領域。
       技術升級五階段
       一般來講，制造業的技術升級可分為五個階段：物理理論突破、產品設計創新、生產工藝/工序創新、專用設備開發及生產工具創新和生產系統優化。其中生產系統優化包括管理信息化軟件的應用、質量體系、生產現場改善等等。
       前段的技術革新周期通常較長，價值也就更高。因此越是在靠近產品設計和制造工藝的理論階段（例如超導材料、石墨烯等）進行投入，其產出越大，投資效能越高；投資周期越長，投資風險越大；越是在靠近優化已定型生產系統階段（包括諸如自動化/信息化改造、質量及管理體系優化、現場IE改進、工業4.0改進等環節）進行投入，其產出越小，投資效能越低，投資周期越短，投資風險越小。
       產品生產的物理理論突破往往可以改變整個人類社會，例如相對論的提出從根本上改變了人類的宇宙觀，也催生了核武器與核工業的發展，也使人類有可能徹底解決能源問題。這個階段投入大、周期長、風險高，通常是政府行為。
       產品設計創新，最經典的案例莫過于汽車的發明。而發明人和最早參與其中的企業也都獲得了巨大的商業利益。除了革命性的發明以外，更多的是指新一代改進型產品的研發，即所謂的“微創新”。目前制約中國制造企業向前發展的最重要因素并不是自動化程度低，而是欠缺產品研發能力。只有具備了研發能力，企業才能夠主動應對市場變化，通過不斷的推陳出新來對沖由過度競爭而引發的產品利潤率的不斷下滑。否則，一味地模仿只能成為市場的追隨者，只能通過降低成本保持盈利能力。
       制造工藝的改進是指在生產方法上實現突破，比如通過特殊的熱處理方法使金屬獲得特殊的物理性能。生產工藝的制定要以產品設計要求為基礎，在產品設計時要充分考慮到制造工藝及DFM（Design for Manufacturing），而生產工藝通常離不開自動化設備的支持。可以說設備開發要以生產工藝為指導。產品、工藝和設備三者是相輔相成的，是生產系統中最基本的三大環節。目前中國企業普遍已經認識到設備的重要性，但是對于工藝和設計的重視程度遠遠不夠。
       系統優化的范圍比較廣，可以說是指傳統工業工程（IE）涉及到的領域。例如現場改進、產線平衡、動作優化、組織優化、質量體系、管理信息系統等等（這里說的系統優化主要指對生產管理體系的優化，管理軟件是管理系統的優化工具）。其特點是對現有制造體系進行完善和升級，使系統的運行效率更高，而不是創造性地發現新的增長點。
       系統優化最適合兩種情況，一是管理極差的生產體系，比如張瑞敏剛接手海爾時，海爾是沒有管理體系的，但是經過短短幾年的強化管理，就可以明顯地看到績效； 二是管理復雜的系統，典型案例是物流配送，好的優化算法可以大幅降低運營成本。
       應該說中國制造業升級起步于全球化產業分工，改革開放以后中國制造業承接了大量來自發達國家的產業轉移，其中絕大多數是勞動密集型產業。因此通過系統升級可以短平快地提升生產效率，提高質量，降低成本。中國的家電行業的快速崛起就是最明顯的例子。
       但是系統優化的局限性也十分明顯。例如通過質量管理體系可以使不良率控制在1%以下，但是如果要進一步降低不良率，使之低于萬分之一，那么僅靠管理體系就不夠了，必須通過檢驗設備，甚至自動化檢驗設備。如果要使不良率低于百萬分之一，那么就需要對產品進行可靠性設計了，同時還需要對檢測方法和檢測體系進行可靠性設計。所以說靠系統優化提升績效是存在瓶頸的，若要突破瓶頸就必須加大對設備、工藝和設計層面的投入。
       實際上，在過去的30年里，中國制造企業就已經通過系統優化實現了轉型升級，當時的系統優化主要體現在質量體系建立、團隊培訓、生產現場改進、管理軟件的應用等。時至今日，大多數制造企業已不再是作坊式粗放式管理了，已經初步具備了一定的管理能力。所以，與投入產品設計、工藝和設備相比，通過系統優化提升企業競爭力就顯得不是那么的經濟和有效。把代工做到極致的富士康擁有全球最完備的生產管理體系，憑借這個體系富士康可以調動起上百萬人的勞動協作，富士康的現場IE工程師也幾乎將改善進行到極致。將系統優化做到最好以后，富士康開始投入大量精力在生產工藝上，并不遺余力地進行設備改造和自動化升級。
       總之，系統優化可以短平快地提升制造系統的效能，但是提升幅度是有限的，遠不及產品設計和工藝水平的提升對企業升級的貢獻。所以跨國公司一定是將重金砸向研發及工藝部門，而生產部門用于技改的投資密度通常要低于研發部門。
       因此，對于大多數制造企業來說，在產品和工藝設計階段投入最大精力是效率成效最高的升級方式。對于中國制造業來說，現階段正是通過產品設計和工藝改進實現轉型升級的大好時機。
       生產制造企業的轉型升級是一個系統工程問題，絕不是單靠幾個項目、幾套軟件、幾套自動化生產線就可以解決的。這是一次戰略革命，或者至少是對當下戰略思路的一次清洗和重生。需要從市場定位、產品設計、工藝規劃、供應體系規劃、作業方式規劃、產線平衡等課題入手。在前期決策時投入的研究精力越大，實施起來就越容易，轉型升級成功的可能性也就越大。