全球制造业发展模式变化研究

一、英国生产技术开发项目的动向调查
(1)采访对象:Rajkmar Roy教授
简介:Rajkmar Roy教授是克兰菲尔德大学决策工程中心主任,哲学博士
在过去的十年间,Roy教授一直在克兰菲尔德大学的决策工程中心引领竞争性设计研究。他在克兰菲尔德大学大学研究的课题是技术集约型产品及其相关服务的全寿命周期研究。其方法是采用有效运用信息架构和知识管理进行优化设计。
Roy教授在质的成本模型、必要的经营管理、优化设计等方面多有建树、出版了20多本期刊和100多篇会议报告。目前,Roy教授担任产品全寿命过程成本与服务知识捕捉领域的三个PSS(产品服务系统)项目(IMRC的项目并获得 EPSRC的资金支持)的研究负责人。同时是IMRC出资的affordability engineering领域秀逸网的主要研究员。
对Roy教授的研究提供赞助的主要赞助商包括BAE系统公司、空中客车公司、劳斯莱斯、MoD、BOC爱德华、日产、福特汽车公司。最近,Roy教授作为克兰菲尔德大学的竞争性创造设计的引领者,在该大学的未来实验室与伦敦艺术大学一同开发创新型PSS。
Roy教授以一项使用软计算优化设计的研究获得了博士学位。在获得博士学位之前,他修完了智能系统和生产工程的相关硕士课程。同时他也是一名注册工程师,还是AcostE(造价工程师协会)的副理事长兼研究员,也是IEEE、IED、印度工程师协会成员,历时3年就成为CIRP的准会员。

(2)克兰菲尔德大学概况
克兰菲尔德大学凭借在全球创新方面作出的杰出贡献而享誉世界,涉及航空航天、汽车、国防・安全健康、环境、经营与制造等各个领域。该大学一直在“与时俱进”,致力于创造、转换知识并造福社会。
小到中小企业,大到大型企业的蓝筹股跨国企业,都与该校有过合作。除了政府以外,该校也与跨国NGO和慈善团体保持合作。正是这种合作才成就了现在的克兰菲尔德大学,真正赋予了它大学的价值。
创新是克兰菲尔德大学的DNA,在该校拥有60多年的传统。 该校提供政策立案的材料,创造新技术、生产有利于全球经济发展的产品。从相关研究和咨询所积累的经验中、为学生提供一个能够与现实世界保持紧密联系的专业性的学术环境。学生再将新的知识运用到实践当中。

(3)克兰菲尔德大学的沿革

全球制造业发展模式变化研究

(4)采访内容
1.科研成果的民间转移
Q:我认为教授您一直以来主张的Cranfieldmodel是将大学的研究成果运用到民间企业的一种机制。并且英国的HighValueManufacturingCatapult 也是这样一种体制。那要说这两者之间的关联您认为是什么呢?
A:克兰菲尔德大学是一所只招收研究生的大学,没有设置本科课程,只开设了硕士课程和博士课程。工程学领域和管理学领域同时兼顾。我校是进行应用研究的大学,主打与企业的合作,其成果会转移到民间企业。
HVM发展机构虽然有同样的机制,但两者实质完全不同。Catapult是由国家主导的机构,将大学、研究所提出的新设想或研发的新技术投入到民间企业。而大部分的大学和研究所主要致力于工程学基础研究,它们的TRL是1~3左右的水平。而企业的TRL达到8~9的水平。存在于在这两者间的TRL4~6阶段没有衔接,有很大的差距。因此Catapult是作为连接两者之间的桥梁应运而生。
Catapult会和其成员学校开展密切合作。一旦成为其中的成员,长期的资金来源就能得到保障。本校已申请加入,但还未通过。非成员的大学可以通过向它提交新领域项目的形式来申请加入,并参与策划。本校也已经提交了申请,与Catapult合作开展项目。项目一旦被采纳就能够获得财政拨款。
本校与产业界保持着密切的联系,在与产业界的合作中找到了具有远见的价值。与其他大学不同,我校是从基础研究的TRL1的阶段开始研究,一直做到产品的试制阶段(样品,TRL6的水平)。从这个意义上来讲算是比较特殊,产学合作的特征愈加明显。

2.产学官合作的课题选择
Q:我听说克兰菲尔德大学原本是与航天航空产业有着很密切的联系。那么关于“克兰菲尔德模式”(Cranfield model)研究课题的选择可否看作是主要将军事主导的研究成果投向民间的一种模式呢?由美国的NASA带来的 R&D成果惠及民间的机制与 “克兰菲尔德模式”的机制又有何不同呢?
A:克兰菲尔德大学在创立之初原本就是一所航天学院。目前主要的领域包括航天航空在内一共有八个。其他的分别是国防军事、制造业、运输、环境、能源、农业•食品、经营与管理。
48个团队在各自的领域发挥着作用。同时与国防学院也有直接的关系,负责对该学院的教育。其主要内容是以国防军事相关的技术和国防相关制造业为对象。来自于国防军事的制造任务也是对象之一。
此外,能支持产品全寿命周期过程的设计手法也是其研究对象之一。与此同时,还致力于双重利用(军民两用),即意味着把这类国防的相关技术运用到民生类的制造业当中。比如类似赛车运动或农业之类的产业,就成为了双重利用的对象。
在农业方面,从播种到土地管理,都可以通过人造卫星发射基地的远程监视技术来进行监控,推进农业的机械化进程。反过来也是同样的道理,与土壤相关的信息对于军事来说也有可能是重要的信息。有了土壤信息才能更好的战斗。因此,土壤技术被用于军事目的。可以说和NASA相仿,英国同样重视创新性的重要技术。

全球制造业发展模式变化研究

出处:来源于EPSRC的HP“Visualizing our Portfolio”
http://www.epsrc.ac.uk/research/ourportfolio/vop/
除了国防军事领域之外, 农业能给其他行业带来良好效应的正是需要取得重大性突破的技术。扶持这类事业的政府机关有两个。
一个是EPSRC,另一个是Innovate UK。EPSRC79的研究委员会向大学从事的研发突破性技术的项目提供资金支持,而Catpult则在将大学的研究成果引入到产业界之间发挥着纽带的作用。Innovate UK也属于政府机构。它是将英国的技术战略和其产业投入作为使命。对Catpult  network新投资高达8900万英镑,其中6100万英镑是HVM(高端制造High Value Manufacturing)对Catpult center的投资。其余2800万英镑则投入到医药品和化学等领域当中。

3.HVM的典型案例
Q:关于HVM方面有劳斯莱斯、葛兰素史克这样的案例。那我们想了解一下和教授您相关的一些具体的典型案例。
A:要说典型案例应当要数航空航天产业方面的空中客车公司。在国防产业方面波音公司亦是如此。二者都从事军用飞机和海陆军事系统方面的制造,还参与过电子产业的零缺陷管理。另外,在铁路方面则以庞巴迪为范例。在制造铁路机车的案例方面,我们研究了贯穿产品全寿命周期过程的工程学服务问题和有关劣化的评定,这也是我个人的一个研究课题。像这样与企业合作时,会出现由企业主动提出合作的情况,但大多数都是我们(大学)主动提出申请。在Roy教授知名的研究领域中,有时候企业会主动提出合作。
与企业合作有3点非常重要。第一是产业界所寻求的新思路和前沿性研究。第二点是学术界能够将这个新思路传达给产业界,并对分工合作加以说明,解释其中的联系。第三点则是产业界与知识产权之间的关系以及良好的工作环境。

4.Through-life engineering service knowledge
Q:我是头一次听说这个概念。HMV在推行的过程中发挥着什么样的作用呢。我想这个想法是依赖于ICT技术的发展的,它和德国的工业4.0的想法其实是相通的。教授您是怎么看待的呢?
A:“Through-life engineering service knowledge”的简称是TES。这也是HVM的一部分,追踪产品和其生产出来之后整个产品全寿命周期过程中会产生的故障、维修和保养等服务,从而保证产品功能和品质,TES是为了满足这种需求而进行的一种尝试。为了保证机械设备的全寿命周期能得以利用,为此我们有必要选取与其相关的技术课题,进行所需的技术开发。
如此一来,制造业就能掌握产品的全寿命周期中存在的使用者成本。制造业可以通过向用户提议削减能掌握的产品全寿命周期成本的方式,将发展从“只顾生产的商业”到将维修保养都作为服务纳入持续收益来源的新商业模式的转变。
其原因是对于制造业而言,机械设备的劣化无疑是种“威胁”,保养所花的费用也不可小觑。因此需要构建一个模式来掌握TES,为了研究必须开发软件、数据通信、硬件架构(数据采集单元和控制系统)。例如,DMG森精机在生产这一类带有全寿命周期服务和远程监视功能的机床。为了安全的操作带有通信功能的机械设备,必须要保证服务器的维护・安全。在这方面,如何去防止网络恐怖主义的威胁显得尤为重要。而这方面也已经在同英国电信公司(British telecom)开展合作研究。
然而,在企业当中也有排斥这种远程维护的。他们担心自家企业重要的数据被窃取,因此很难参与进来。
关于其他的领域,以下的案例是我们可以考虑到的。诊断和预后、自主维护、自我修复、自我修缮等降低维护费用、进行维护的机器人应用程序等。
另外,在维护方面还要求具备考虑到撞击、元件劣化的相关工艺参数等的设计和制造技术。
在虚拟・服务・工程上,如何在三维仿真中去规划产品的维护,并将其可视化,又如何去管理影响机械设备寿命最重要的因素——磨损问题等,这些都是现在面临的课题。
对于机械制造商而言,要计算如何削减维护成本,服务成本建模是不可或缺的。从这一意义上来讲,我们将其称作“服务工程”。这就需要开发出一种可以适用于产品全寿命周期的工程学服务训练并用于维护的AR(增强现实,Augmented Reality)技术。AR技术专业化的研究中心正在进行该项开发。如今,航空航天设备销售的收入中50%以上都来源于产品全寿命周期服务。

5.关于制造业回归的动向
Q:针对高工资国家新的制造业回归的活动,我们成为新工业革命。在这场革命不断发展的过程中,德国的工业4.0在IoT、虚拟现实系统(CPS)、智能工厂等的网络连接标准化等方面取得了进展。那么英国对于德国的动态(工业4.0)持一种什么样的态度呢?
A:德国的工业4.0虽然在英国也引起了高度的关注,但在英国却不叫做工业4.0。IoT、CPS倒是被接受和使用。德国的工业4.0与政府的关系很密切,比英国更有组织性。德国的目的在于将工业4.0打造成一个品牌,并通过它来增强德国未来制造业的竞争力。
英国关注的则是世界的联系。根据2013年10月31日英国政府出台的Foresight projects,在以《将来的制造业是引领英国走向新时代的机遇与挑战》为题的研究报告中,记述着制造业的未来就是“相互连接”的。IoT是一种服务技术,全寿命周期过程中实行的维护也是一种服务。
开发出可以追踪产品全寿命周期的技术,并贯穿好设计、制造、维护的全过程,这将是未来制造业的景象。

二、美国生产技术开发项目的动向调查
以下是对来自美国的Scott Smith教授的采访记录。
(1) Scott  Smith教授简介
北卡罗来纳大学夏洛特分校机械工程・工程科学部教授兼部长、佛罗里达大学机械工程、PhD
(2)北卡罗来纳大学夏洛特分校
在机械工程・工程科学部门,该校的是精密工程学、赛车工程、生物工程、度量衡学、计算机理论、机械工程、材料工程学方面的权威。

(3)采访内容
1.对流程创新的未来展望
Q:在美国被认为的流程创新有着怎么样的未来展望呢?是像CPS的加工组合工程的自动化•网络化吗?
A:现在有很多评论家开始注意到制造业对经济的重要性。在前不久,经济学家都还主张说美国的发展已经不是“工业社会”的阶段,而是已经步入了“后工业社会”。但是,这个主张其实是错误的。这种主张其实是一种不仅包含高技术,还包含了轻度技术的议论。
(美国的产业政策)
而政府此前也没有明确地给出具体的产业政策。现在是已经明确提出了产业政策。即使是像美国这样的高工资国家也是采取通过高度的自动化来实现制造业发展的战略。虽然这种战略被称为先进制造,但其实它的意义非常广泛。总而言之,在将来会制造出不同于现在的新事物。
为了推进此项战略,美国欲建立一个像德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会这样的机构。从以前开始就有NSF这样的机构对美国的专科学校和大学的基础研究提供帮助。除此以外,近年来的NNMI也被寄予厚望。NNMI由奥巴马总统提议建立,采用先进制造技术,生产出具有国际竞争力的产品,从而带动制造业的创新。由产学官合作带来的溢出效应备受期待。
(美国在创新方面的产学分担)
在美国一般来说TRL(Technology Readiness Level)的1~3阶段是由大学来负责的,企业承担8-9的水平,但是4~7的阶段却无人负责。填补这个空缺,完善创新的基础设计是建立NNMI的目的。德国填补这个空位的是DFG和马克斯普朗克学会。为了获得竞争力,提高自动化和网络化的水平,实现更高的生产力,给劳动者提供更高水平的培训是最为重要的。
2.金属铸造・锻造・热处理等材料领域的机械化和节能化
A:劳动集约型工作集中于低劳动成本国家。作为竞争条件,机械化是非常重要的。薪金上有差距也就意味着生产力上也存在差距。而这种差距只能通过自动化来弥补。因此在中国一台机器设备分配一个人,但在高工资国家,自动化的发展使一个人可以同时负责多台机器。通过富士康生产产品的苹果公司创始人史蒂夫乔布斯曾说,工厂“不会搬回美国”。这是因为富士康生产量巨大,可以控制成本。
(机械化的目的)
重要的是,例如引进高度自动化流程和生产出独有的产品。这就需要更精密的创新。必须更靠近市场。底特律汽车产业的衰落就是一个例子。而在美国东南部却并非如此,在那里汽车生产主要被德国企业主导,发展稳健。
(节能的目的)
节能的目的与其说在于环保不如说是为了有效利用资源,提高竞争力。我们一直在探讨较之于风力发电,哪里才是使用化石燃料发电更好的地方。但我们没必要针对必须有效利用资源的这一事实进行争论。
(技术目标)
对于是否只做“先进制造战略计划”(Advanced Manufacturing)上记载的技术的问题,美国的回应是技术领域是由政府决定,并出资进行研究的。就好比做衣服,有从手工缝制的制作方式到如今靠自动化生产的方式。这并不是要缩减产业、而是思维要像做衣服时那样必须适时而变。因此美国政府考虑的是如何提高竞争力,而不是选定哪个产业的问题。

2.因网络化而增加的风险
Q:你认为会不会像NIC警告的那样,“IoT带来的网络化”会使抗风险能力变得不堪一击呢?
A:答案是肯定的。信息越传递,其所能利用性的可信度就会下降,风险也会随之增加。信用卡的结算也同样存在风险。我们必须随时关注风险。所有传递的过程,所有信息的接收方都会被暴露在信息泄露的威胁当中。IoT战略是制造的数字化,是设计的革新,在制造业的所有方面都会被使用,因此一切信息都必须得到保护。信息没有被保存下来也会成为一种风险。更进一步而言,信息没有以网络形式连接起来也会存在风险。
(没有连接起来而造成的风险)
例如,进行喷气式发动机的维修服务时没有访问网络的手段,那系统出问题时就会造成很大的风险。机床也有可能出现类似的问题。机床自身的零部件出现破损时,可以通过网络发现附近用于维修的零件,并判断使用这些零件是否能够修复好。从这一点来讲,意义非常重大。这才是值得去投入时间和金钱。没有网络化,机床会停止作业,从而带来难以承担的损失。
(恶意攻击带来的风险)
哪怕没有网络连接并不是什么大事,但是我们不知道会有谁想要数据,他们又会如何使用这些数据来进行攻击,这才是最危险的。例如在西门子的控制设备上安装入侵伊朗核武器制造流程的软件。通过恶意软件窃取个人信息的事件不论在生产现场还是设计领域都有可能发生。
3.美国对于德国工业4.0的态度
Q:关于德国的工业4.0,美国是如何看待的呢?
A:说不准,我就说一下普遍的态度。德国的产业政策比起美国更有组织性,投入的预算也更多。
(产业政策对象的选择之美德对比)
弗劳恩霍夫应用研究促进协会拥有超过60家研究所。尽管美国的经济总量比德国大,但也只有4家研究所。美国的制造业比德国要落后一些。在过去,美国的机床原本有更多的生产商,但现在却并不多。然而德国还是一如既往的强大。德国喜欢提出一些吸引人的话题,但是基础还有所欠缺。就这一风险而言美国也同样存在。想在“聪明”的人中间,经过讨论来缩小并得出正确的战略领域的做法是不可靠的。之所以这么说是因为首先“聪明”人之间的看法可能是有出入的,再者“聪明”人各有各的专业领域,他们会明确提出跟自己领域有关的课题。美国最初的计划是由研究所自己选择对象领域,因此并没有作出规定。因为研究所会和产业界成为合作伙伴,而研究课题自然会随着市场的选择而得以明确。
但是结果却并没有按照预想的发展。说到底是因为没有从政府那里筹集新的资金,而是使用现有的资金。因此研究所没有选择研究课题。结果联邦政府的各个部门(商务部、国防部、能源部、NASA、NSF等)只得从各自的领域当中选择课题。
(关于产业政策对象选择的一些想法)
弗劳恩霍夫研究所在成立初期、也像成形技术研究所一样选择有吸引力的领域。在美国也成立了4家研究所。有吸引力的领域包括叠层制造技术(Additive manufacturing)、宽频带•电子工程等。
既然要投入大量资金,只根据是否具有吸引力来判断无疑是非常危险的。因为比起吸引力而言,如果那项技术在研究所成立后5年之内无法给经济带来重大影响的话,那么大额的资金也就相当于浪费了。给经济带来冲击的领域有轻量的原材料。这种材料被广泛运用于产业的各个领域。比起吸引力,给经济带来的影响大小才是问题的关键。
(叠层制造技术)
关于叠层技术将来的发展,现在还无法给出很高的评价。不能指望靠它来进行大量生产。这个技术适合于像极度复杂的牙科移植那样的独特性生产。但是,国家要的是大量生产,像发动机、活塞一样能够反复使用的机械。而这样的生产,我们不能抱太大希望,因此也无法做出评价。
现在都认为在将来,通用电气(GE)60%发动机的生产将依靠3D打印(3Dprinting、 叠层制造技术)来进行。但其实这一看法是有偏颇的。因为用金属“打印”时,很多情况下会出现问题,产量也极其有限。即使金属成形了,但是其形状、表面的质量也绝非能达到理想状态。并且,从金属粉末的性状来讲,很容易引起爆炸。










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