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周海晨:工业4.0研究报告

2017/7/13 10:33:20来源:作者:

  “中国制造2025”战略不仅期望推进我国制造业进入工业4.0时代,同时也力图改变我国低端、粗放、资源依赖性的制造局面,并加速我国信息程度较高的新兴产业的发展,提升我国工业自动化程度。

  一、工业4.0走向落地

  1. 回顾主题变迁:围绕工业4.0展开,侧重点不断走向实际应用

  汉诺威工业博览会主题围绕工业4.0展开,侧重点不断向实际应用靠拢。“工业4.0”的概念由德国于2011年汉诺威工博会首次提出,并于2013年汉诺威工博会上发布《实施“工业4.0”战略建议书》。

  2014年以来,汉诺威工博会始终围绕“工业4.0”概念展开。2014年汉诺威工博会的主题为“产业集成,未来趋势”,专注于智能化、自动化工厂和能源系统的改造;

  2015年汉诺威工博会主题为“产业集成化——加入网络大家庭”,格外关注了智能化生产、人机协作、创新型分包解决方案以及智能能源系统等;

  2016年汉诺威工博会主题为“产业集成——发现解决方案”,展会展出的解决方案运用范围从机械改装到完整生产线集成化,而大数据的捕捉和分析也为工业发展注入了新鲜动力,这标志着工业4.0的重大突破,下一步就是商业化阶段。

  2017年汉诺威工博会主题为“产业集成——创造价值”,已经有了很强的应用指导意义。


  2.关注热点更迭:硬件→软件→大数据云平台→ 提供解决方案

  2014年:柔性装配,单一产线生产多种产品。2014年是德国“工业4.0”概念全面推开的第一年,汉诺威工博会展览的参展装备多集中于概念方面,其中又以柔性装配最为抢眼。

  西门子推出“对话”生产线,能够准确识别正在经过生产线的配件;博世旗下的力士乐以视觉系统为基础,融合自身的机器人产品概念,推出能够同时生产两种差异化产品的生产线;菲尼克斯电气公司展出了利用软硬件结合的概念,能够同时装配6种不同断路器的生产线;

  SAP展示了能够在一台装置上生产16种产品的技术概念;柏林工业大学展示了能够实现人工“教学”的工业机器人,可以通过一台标准机器人“学习”这一组机器人在生产线上的动作流程。

  2015年:软硬件企业联合,机器人技术夺目。2015年汉诺威工博会聚焦于让机器加入网络,相互通信相互协作,实现定制化、短流程加工。由16家著名企业和机构共同参与研发的个性化名片盒自动流水线是这个主题的一个缩影,将人、物、机器通过网络链接实现个性化定制加工。

  同时,各大厂商的智能机器人技术取得了显著突破,ABB展示了一系列基于互联网技术工业所需的新产品和解决方案,旨在推进实现“物、服务与人的互联”;ABB还展示了双臂协调高精度仿真机器人YUMI,专门用于精密制造;

  库卡展示了物流机器人Swisslog,能够在仓储物流中实现很高的精确度和灵活性;同时,各大厂商医用机器人、快速拾放机器人、汽车装配机器人、仿生袋鼠机器人等新型机器人等领域的技术实现了突破,发那科甚至推出了能够制造机器人的机器人。

 
  2016年:工业“生态系统”模式发力,互联网融合物联网实现弹性生产。2016年汉诺威工业展上,西门子展出了虚拟与现实融合的“生态系统”,大小企业均可参与其中,在同一平台、统一标准下实现生态系统,大大降低研发过程中制造阶段性新品的费用,可以有选择地满足单个客户的需求。

  GE展示了工业互联网平台Predix,有效融合物联网与互联网云计算进行大数据分析;达索系统展示了类似的虚拟现实平台,能够对产品部件进行有效优化,实现设计与产品的无缝接合;华为展示了物联网解决方案,以车联网为平台,实现车辆的多种附加功能。


  3. 工业4.0新动向:基于不同生产领域的解决方案走向成熟

  工业4.0是指利用物联信息系统(CPS ),将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智能化,最终达到迅速、高效、个性化的产品供应。

  实现完整的工业4.0成果,总共需要三个步骤,即负责智能化、网络化生产系统的“智能工厂”,涉及企业生产物流管理、人机互动、3D打印等最新技术在生产和供应上应用的“智能生产”,以及通过物联网、物流网和互联网整合需求和服务匹配的“智能物流”。

  通过这些环节完成生产者、销售者和消费者的对接,最大限度地节约成本、提高效率,将信息化科技成果完美运用到工业生产,推动人类社会向着第四次工业革命迈进。


  柔性制造为表,数据互联为里,缩短周期为魂。智能工厂的表观要求,是能够实现柔性制造,即在同一条生产线或数个企业通过数据互联形成的联合生产线上,实现多种产品的同时生产,同时满足个性定制化生产,生产模式为小批量、多批次、个性化、定制化。

  实现柔性制造,要求快速改变生产线上的流程工艺,同一位置的生产设备(机器人等)需要前后面对不同类型的原材料或半成品,这就要求原料、产品与生产设备实现互联;定制信息的输入,需要生产设备实时接入设计网络,不断接受新的生产工艺指示,并将拆分的生产工艺落实到具体的行动指令;

  工厂内物料的智能流动也需要数据互联,AGV等搬运设备需要与物料实现有效精准识别;同时,仓储数据互联是高效选择物料、分类存放产品的基础。

  柔性制造、数据互联的根本目的,是实现短周期生产,对于新产品,不再需要重新建设生产线,而是可以在原有智能生产线上直接生产,从而有效缩短产品周期,实现高效满足用户个性化需求的根本目的。

 
  互联的可编程机器人实现同一生产线高效切换不同产品,我国产品缺口明显。互联的可编程机器人可以实现高效的数据写入,执行多种运动指令,从而完成不同类型的生产工序。

  同时,机器人切换生产模式可以通过批量写入程序实现批量操作,快速完成生产线产品转变,相对于传统流水线,不仅可以避免重新建设专门生产线带来的资本投入,也可以有效节约工人培训时间与财务成本。

  随着智能工厂的建设,机器人使用需求将得到充分释放,充分带动机器人制造领域的需求。目前,我国机器人以能完成简单搬运工作的机器人本体为主,缺少可以执行多种复杂工序的高端机器人。

  2016年,自主品牌机器人约有83%是三轴及以上产品,六轴以上工业机器人占全国新增装机量不足10%;61%的机器人是上下物料搬运型机器人,高精度焊接与装配机器人合计不足23.1%。

 

 

  工业软件:数据互联的接口,我国处于起步期。工业软件可以通过虚拟工厂呈现出企业所有经营活动的映像,可以进行各类计算、仿真、设计、预测、优化、决策等。

  工业软件是实现企业级CPS的重要一环,可以在虚拟制造环境完成从产品设计、数字实验到制造工艺参数和流程设计过程,并以数据不落地的方式进入实体制造环节,实现产品规范、制造计划、物流配套的准确制定和无缝衔接。

  目前我国工业软件多数处于基本解决方案阶段,尚不完全具备良好产品形态,拥有专利及独立知识产权的产品更少,这使得应用实施的效率不高。工业软件市场基本被国际巨头垄断,SAP是工业软件领域的龙头,在ERP、BI、SCM领域均拥有超过20%的市场占有率。

  受国内工业4.0落地的巨大需求驱动,加之多重政策利好、知识产权管理不断规范,我国工业软件企业有望迎来高速发展时期。

 

 

  厂内/ 厂间物流与仓储:我国市场增速快,物流机器人大有可为。智能物流是支撑智能制造的重要环节,自主决策、去中心化、离散控制的厂内物流装备能够实现智能工厂内差异巨大、变化多样的物料运输。

  智能单元化物流技术、智能物流装备、物联网技术以及智能物流信息系统是智能物流的核心。在工业软件的统一调配下,CPS系统中接入物联网、装配机械手且有感知能力的AGV可以实现厂内极高效率与实时变动的物流要求。

  我国AGV市场高速增长,2016年突破11亿元,新增AGV中超过85%为自主产品,AGV在汽车工业、家电制造中应用广泛。

  但是国内高端AGV市场大多数采用的是科尔摩根的NDC系统,另外市场非常不规范,没有统一的行业标准,也没有形成具有较大影响力的产业生态圈,行业内部低价同质化竞争也比较激烈。我们认为,在市场需求的推动下,我国物流机器人产业有望迎来快速发展期。

 

 

  二、国际比较:工业4.0趋势所向,中美德各有千秋

  1. 德国工业4.0:制造业体系提供支撑,产业集聚促进发展

  德国工业4.0:自下而上推动,保持制造业领先。德国工业始终强大,企业自发解决痛点,自下而上推动工业4.0。“工业4.0”的提出是与德国工业界遇到的瓶颈紧密联系在一起的,最大目的是建立一个与互联网融合的智能化先进制造方式,提高效率、降低成本和加快反应速度。

 

 
  解决成本问题和Time to Market是德国提出工业4.0的关键,这两点正是互联网时代中产品生命周期不断缩短的集中表现。德国企业不断主动推动“工业4.0”:西门子的“数字化企业平台”系统为数字制造提供了载体;

  宝马集团的虚拟手势识别系统使得汽车制造再进一步;大众用机器人制造汽车,实现了极高的人力替代效率;ABB强大、精细而全面的机器人产品在世界上有着明显的竞争优势;博世力推用于工厂智能化的射频码系统;SAP推动云平台互联万物,实现大数据支撑决策。

 

  德国工业4.0战略帮助德国保持制造领先优势,提高有效生产。2013年汉诺威工业博览会上德国政府正式宣布“德国工业4.0”战略。金融危机后时代,全球经济发展缓慢,德国外需疲软,同时中美工业科技发展迅速,对德国出口形成进一步竞争。

  工业4.0战略让德国重新抓住工业发展主动权,保持“德国制造”的国际金品牌。德国工业4.0战略的提出背景是全球产能过剩的严峻形势,德国希望通过利用物联网与服务网结合的方法,使产业链管理智能化,市场需求分析有效化,从而提高工作效率。

  德国是机械设备制造业强国。据统计,有近10%的欧洲制造业公司位于德国,德国制造业产品毛利附加值约占欧盟的30%。机械制造业是德国最为活跃的经济部门,整个产业链上约有6419家公司和超过100万的劳动人口,生产效率排在世界前列。

  同时,机械制造业是德国第二大支柱产业,也是德国最具创新的产业部门。2015年,德国机械行业生产总值为2300亿欧元,占GDP总值的7%。该行业主要以出口为导向。

  2015年德国机械制造出口率高达66%,出口额约1510亿欧元。按产品细分,2014年机械设备的产值最高,收入约195亿欧元,电力传输工程与材料处理居二、三位,分别为174亿欧元与147亿欧元。

 

  德国完善的制造业体系是行业不断发展的核心驱动力。在二十世纪初,“德国制造”备受歧视,以低质量、高山寨的形象臭名在外。二十世纪中期,德国政府致力改善制造业发展,重视自主创新,追求工艺技术与技术密度型生产,并自成体系。

  行业参与主体是以家族企业为主的中小型企业,也被称为“隐形冠军”与“工匠精神的延续者”,不追求规模生产,以“精而专”著称;监管上,德国采用“二元结构”,由政府和标准化协会等一系列非政府组织组成,二者分工明确。

  德国政府不插手企业经营,提倡竞争的市场经济,促进科研创新与企业社会责任体系的建立,保证行业可持续发展。各类标准化协会及行业协会负责标准化制度的制定、执行与监管,是德国质量最重要的保障和体系核心;从生产要素看,

  受惠于完善的教育体系,金融系统和政府合理引导,德国老牌公司与中小企业拥有充足的高素质劳动力与科研潜能;高度分散化的产业群使得企业在降低成本、提高效率的同时,不断互相学习、增强产品竞争力。


  德国工业4.0:产业集聚促发展,巴伐利亚高科技产业大步向前。巴伐利亚地区是以Fraunhofer创新研究所为中心高科技产业带。巴伐利亚地区面积7万多平方公里,人口1200万,拥有慕尼黑和纽伦堡两座大城市。

  巴伐利亚地区区位优势明显,是欧洲东-西和南-北贸易通道汇集处,产品便于运输到欧洲各市场。因此,许多外国高科技企业落户于此,业务广泛辐射周围地区。2012年,德国政府发起“Go Cluster”运动。

  经过4年努力,德国已经有100个创业产业园区,政府大力扶持并引导投资以鼓励德国科技创新。该区域的核心研究所Frauhnofer-Gesellschaft为投资者与企业提供了新鲜的思路,是该地区的工业发展科创动力的源泉。


  巴伐利亚产业群的各类新型高科技都处于德国领先地位,机器人巨头库卡位于该区。巴伐利亚州的奥格斯堡市是德国机器人巨头库卡的所在地,库卡是世界机器人“四大家族”之一,近期被中国美的集团收购。

  目前巴伐利亚拥有19个高科技产业集群,包括生物技术、汽车工业、医疗技术、纳米技术、环保技术、航天航空、卫星导航、信息与通信技术、能源技术、新型工业原材料、铁路技术、传感和电子电力技术、机电整合和自动化技术等。

  三分之一计入德国成分股指(DAX)的大型上市公司将总部设在巴州。此外,巴州的慕尼黑已经能够成为仅次于法兰克福的德国第二大金融中心,是巴州科技创新的坚强金融后盾。

  德国工业4.0平台是德国工业4.0战略的实施主体。整个平台的参与者可以分成三类:政府,公司以及教育科研机构组成的有机体。教育科研机构责为工业4.0的推进举措和方向提供理论基础;政府负责提供搭建政策框架与促进政府间合作;企业则是工业4.0的技术的具体实践者。

  政府:政策推动工业4.0实现智能制造。2006年和2010年德国政府提出《高科技战略2006-2009》和《高科技战略2020》两个全国性的高科技政策,旨在提高高科技领域的竞争力。

  工业4.0其核心为信息物理系统Cyber-Physical System(CPS),指的是一个通过机械、电子零件、软件、基础网络,运用信息化技术的整合控制网络与工业物理世界,实现企业、工作人员、生产机器、产品、客户等多方联动、交互、组合式创新,达到智能制造、智慧运营的全新业态。

  德国希望通过工业4.0建立起智能工厂系统,实现智能制造,从而降低成本,提高产品利润,预期德国企业带来每年6-8%的制造效率提升。

  德国工业增加值占GDP比重维持在30%左右,英美仅为20%。经历了20世纪后期的数次产业转以后,世界主要发达国家“去工业化”特征明显,美国工业增加值占GDP的比重从1970年的35.24%下降到2014年的20.69%,英国从1970年的42.10%下降到2015年的19.42%。

  相比而言,德国1970年工业增加值占GDP的比重为48.09%,2015年为30.49%,是世界主要发达国家中唯一工业增加值占比超过 30%的国家。

 
  德国人均工资显著高于发展中国家。德国是典型“高工资、高福利”的“欧洲国家”,2016年人均工资高达326183元人民币/年,约为我国的5倍、泰国的10倍。

  德国人均工资显著高于发展中国家,这给德国制造业带来了严重的成本问题,如果继续高密度地使用人工劳动力,德国制造业价格竞争力将远低于发展中国家。

  德国工业机器人使用密度高,缓解人力成本压力,对我国具有指导意义。面对高企的人力成本,德国制造业“选择”了使用工业机器人替代人类劳动力。德国工业机器人使用密度远超欧洲平均水平,2015年汽车工业工业机器人使用密度达到1143台/万人,与美日两个汽车工业大国相近。

  相对于人类劳动力,特别是高福利下工作积极性偏低的欧洲工人,工业机器人加工效率高、可靠性好、生产持续能力强,一方面可以有效节约制造业企业人力成本,一方面能够更好地实现产品质量控制。

  随着机器人产品技术升级与控制系统的发展,机器人能够适应越来越复杂的制造工艺与流程,能够在更多的制造业领域替代人类劳动力。

 

 

  工业机器人单价高,工作复杂程度相对较高。德国工业机器人进口均价与出口均价均处于主要发达国家主流水平,进出口均价均高于中国。德国使用的工业机器人定位相对高端,相对于仍具有一定劳动力成本优势的中国而言,机器人的附加值更高,工业机器人替代的工作复杂度更高。

  阿迪达斯:机器人成本压缩优势明显,传统劳动力密集型制造业回归。阿迪达斯正在德国建一个4600平方米的“机器人工厂”,起名“速度工厂”(Speed factory),预计2017年投产。这家工厂只有160名工人,却可以实现100万双鞋的年产能。

  阿迪达斯同时计划在美国建第二家机器人工厂,之后在欧洲各地还会陆续建成类似工厂。阿迪达斯是传统劳动密集型制造业的典型代表,其在劳动力价格相对较低亚洲雇佣高达100万名工人。而阿迪达斯以机器人工厂的形式使生产线高调“回归”发达国家,是机器人压缩人工劳动力成本的重要标志。

  2. 美国重振制造业:提升制造业效率,推动工业复兴

  美国制造业空心化,政府主导复兴制造业业,自上而下推动工业4.0。2002年起,为了享受发展中国家的人口红利,发达国家的制造业纷纷外移。2002年至2010年,美国制造业就业人数连年下降。

  08年金融危机后,美国政府呼吁重新振兴制造业,以实体强国。奥巴马政府实行积极的产业政策,创造就业机会和鼓励制造业回归美国。2011年,奥巴马总体推出了先进制造伙伴计划(AMP)与先进制造业国家战略计划;

  2012年,AMP针对制造业振兴提出16调建议,包括成立网络建设研究所与3D打印研究所。13年,美国在先进制造业方面了增加19%的预算,并成立数字制造和设计创新研究所。

  随着美国经济不断回暖,出口与内需增加,制造业再迎春风。2010年起,美国制造业就业人数开始小幅攀升。特朗普新政对召回海外制造商态度强硬,预计美国制造将迎来新拐点。

 
  美国通用提出“工业互联网” 计划,倡导产业链效率提升。2012年,美国通用率先提出“工业互联网”概念,与美国政府的“再工业化”战略举措相呼应,随后美国制造业与IT巨头纷纷抱团成立了工业互联网联盟(IIC),将这一概念大力推广开来。

   “工业互联网”主要含义是,通过高性能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合,大幅提高现有产业的效率并创造新产业,其侧重点主要在于借助互联网的优势,使制造业的数据流、硬件、软件实现智能交互,通过大数据实现智能决策,提升美国制造业生产效率。

  经过美国通用测算,若生产效率提升1%,美国关键产业,包括航空、电力、医疗、铁路和石油天然气等,在未来15年内将节省2760亿美元的生产成本。美国的“工业互联网”与“德国工业4.0”本质含义基本相同,但侧重有所不同。

 
  3. 中国制造2025:政府推动+企业参与,智能制造空间大

  人口红利丧失,我国同样面临着成本控制问题。随着我国人口红利的逐渐丧失,人工工资不断上升对制造企业的成本端构成较大压力。

  社科院发布的《蓝皮书》指出,在2020年之前,我国劳动年龄人口减幅相对放缓,年均减少155万人;之后一个时期减幅将加快,2020-2030 年将年均减少790万人,2030-2050年将年均减少835万人。

  制造行业作为典型的劳动密集型行业,人工成本的大幅上升与劳动力人口的快速下降对企业的生存产生严重威胁,倒逼企业降低生产成本,提高生产效率。

 

 


  生产成本的飙升正在蚕食着中国制造业在世界上的竞争力。美国咨询公司BCG通过对全球前25名出口经济体在2004-2014年的数据分析,得出结论:

  一些过去制造业成本较低的经济体由于制造业工资、劳动力生产率、能源成本和汇率等因素,正慢慢在国际市场上丧失优势,这其中就包含了中国。

  据数据显示,中国在2004年到2014年之间,中国在成本竞争力下降了5%-9%,中国相对美国的工厂制造业成本优势已经减弱到5%以下。


  国内“机器换人”不断推进,进一步利好机器人、工业软件行业。人口红利的消退,用工成本的上升,发达国家制造业回流以及东南亚低成本竞争的双面夹击,都不断压缩着我国传统制造业的生存空间。

  为了降本增效,由政府力推、企业力行的“机器换人”潮正加快部署中,广东、浙江、福建等制造业大省不断从省级层面推动“机器换人”,完全由机器人来代替人工进行生产的“黑灯工厂”不断涌现。

  “机器换人”的不断推进,进一步加速我国工业机器人、工业软件行业成长,对我国机器人、工业软件企业形成利好。

 


  中国工业机器人进口依赖性强,中国制造2025推动国产替代。中国持续多年大规模进口工业机器人,2011-2015年,中国工业机器人进口量连续5年世界第一,工业机器人进口额连续5年世界第一,是名副其实的工业机器人进口大国。

  2015年,我国工业机器人进口量达4.68万台,金额合计8.05亿美元。根据国际机器人联合会统计,2015年我国工业机器人使用密度为49台/万名工人,而全球平均水平为69台/万名工人,韩国则高达531台/万名工人。较低的机器人使用密度说明我国制造业自动化水平仍然较低。

 

 

  基于国情提出中国制造2025,解决制造业现实困难。“中国制造2025”战略在2015年两会提出,与德国工业4.0战略出台时间较近,因此被看作中国工业4.0计划。但两个战略差异巨大。

  从信息化水平看,我国信息化与工业的融合度较低,整体企业尚处于工业2.0到工业3.0过渡的时期。各个行业的信息发展水平不够均衡,信息化程度存在较高差距。部分行业已经进入工业3.0自动化时代,而少数企业,如华为,甚至已经进入工业4.0时代。

  “中国制造2025”战略不仅期望推进我国制造业进入工业4.0时代,同时也力图改变我国低端、粗放、资源依赖性的制造局面,并加速我国信息程度较高的新兴产业的发展,提升我国工业自动化程度。

  我国在2015年这个时间点提出该战略,一方面是因为随着发达国家对制造业提出更高要求,我国必须紧跟步伐;另一方面希望借助世界制造业复苏的春风,不断发展制造技术,吸收国外先进经验,实现从制造大国转身制造强国的夙愿。

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