工业革命下的四种生产模式的历史演化过程

作者:与子同袍
首发:物联网前沿技术观察

上一期我给大家简单介绍了SmartFactoryKL这个工业4.0研究组织。

在继续介绍SmartFactoryKL的总体架构和设计理念之前,我觉得有必要先给大家说明下下工业4.0到底是啥,因为SmartFactoryKL是实践工业4.0理念的。

只有先弄明白了什么是工业4.0,才能理解SmartFactoryKL的示范生产线为什么会是这样子设计的。

我们要了解工业4.0,就不能不提工业革命和生产模式的变迁历史。

现在许多书和文章和slides,一讲到工业革命和工业4.0,大概率都会人云亦云地祭出下面这张图。搞得好像读者一看这张图,就明白啥是工业4.0 了。

但是实际上大部分人看了这张图,只会嘴上说明白了,其实心里还是糊涂的很。写的人糊涂,看得人就更糊涂了。

我自己也是看了许多资料才像拼图一样,慢慢形成一个自认为逻辑自洽的解释。

其实要理解四次工业革命,就要先定义什么是工业革命。

工业相对好理解,重点是定义什么样的才能算革命。

革命,本义是变革天命,后泛指重大革新,不限于政治。因古代认为天子受天命,故更替朝代,谓之革命。最早见于《周易·革卦·彖传》:“天地革而四时成,汤武革命,顺乎天而应乎人。”

如果我们这里把革命的变革天命的天理解为自然,正如中世纪及近代西方进步哲学家和科学家将“上帝”理解为自然的话,那么工业革命我们就可以理解为利用工业对自然进行了重大革新。天地革而四时成,工业革命,顺乎天(自然)而应乎人(市场需求)。

我们人类利用工业对自然进行改造,主要是在工厂(包括矿场)里进行的。

我们人类的工厂生产,本质就是利用工业对自然加以改造,生产出对人类有用的产品。因此工厂生产模式的重大革新,就相当于工业革命。

因此我们来看人类工厂生产模式经历了哪几次革命。

人类的工厂生产模式,到目前为止有过四次变革:

  • 手工生产(CP,Craft Production,1770年后的手工工人生产)
  • 大批量生产(MP,Mass Production,从1913年福特T型车生产线开始)
  • 大规模定制生产(MCP,Mass Customization Production,1980年代)
  • 大规模个性化生产(MPP,Mass Personalization Production,2000年代)

这四次生产模式的变化与工业革命出现的时间点基本是靠近的,这并不是什么巧合。

从客户参与度和市场大小来看,大批量生产MP客户参与度最低,单价也最低。大规模定制生产和大规模个性化生产则让用户有了一定的选择权,只不过大规模定制的选择权是被动的,而大规模个性化生产则是主动的。

第一次工业革命,也称之为工业1.0,起源于英国,主要代表是蒸汽机、织布机、水力、煤炭。有了煤炭和蒸汽机提供的动力,手工生产不再受到煤矿和水利的限制。从17世纪到18世纪的技术发展史我们可以看到,在发明蒸汽机之前,主要的机械驱动力是水力,矿井抽水、市政排水、磨坊磨面粉、粉碎矿石、驱动织布机啥的都用水力。这样工厂选址就受到很大的限制,许多地方无法发展工业。

有了纽科门和瓦特等人的蒸汽机的发明和改进,就可以用蒸汽动力驱动火车和轮船将煤从煤矿运到全国各地的工厂。然后用煤作为能源驱动蒸汽机工作,然后再用蒸汽机驱动机械化的织布机等机器,从而大大提高生产效率。这样一来,可以在城市里用机械设备在手工工人的操作下进行手工生产。人类历史上第一次找到了一种可以用自然化学能来高效驱动自动化机械装置进行半自动化或全自动化生产的方法,生产效率比之前提高了几十倍几百倍,这是革命性的进步。

第一次工业革命的缺点是无法低成本快速大批量生产复杂产品。复杂产品的生产效率还是很低下,时间长,成本高。这个问题需要第二次工业革命大批量生产来解决。

第二次工业革命(工业2.0),起源于辛辛那提屠宰场的流水线发明和福特T型车流水线生产加上电气化,后辅以泰勒科学管理理论为指导思想,使得大批量生产成为可能。

大批量生产的特点是用固定的生产线大批量生产单一品种的产品,通过规模效益降低原料采购成本和生产成本。大批量生产把复杂产品的生产划分为若干工序,每道工序做一件事情并做到最好,原料和在制品沿着皮带线从前道工序流转到后道工序依次进行加工。

大批量生产的流水线只生产一种产品,每道工序对在制品的加工只有一种可选方式。 比如下图中Station1工序对汽车车身喷漆,只喷一种颜色的漆。消费者要想买其他颜色的汽车——对不起,生产不了。

我们人类能通过大批量生产将自然资源低成本地改造成各种有用的复杂产品,这是非常惊人的成就。将其称之为第二次工业革命,也是应该的。大批量生产解决了复杂产品比如汽车的低成本高质量的大量生产的难题,让价格昂贵的原本需要高级技工手工生产的复杂产品普通老百姓都能买得起,而之前只有贵族资本家地主才买得起。

有了大批量生产,老百姓就能买得起冰箱、洗衣机、电视机、空调、机械手表、微波炉、热水器、汽车。不然要是没有大批量生产,只靠高级技工手工生产的话,普通老百姓结婚都买不起其中的一件。买不起冰箱,夏天要喝个冰汽水吃个冰棍都是件很幸福的事。凑不齐自行车手表缝纫机这三大件,几十年前的我们的父辈结婚都会觉得不光彩。

大批量生产啥都好,生生产时间短,成本又低,唯一的缺点是能生产的产品种类少。“人们可以订购任何颜色的汽车,只要它是黑色的。”汽车大王亨利·福特1926年说的这句自相矛盾底气十足,原因是当时消费者能买上汽车就很开心了。至于能买自己喜欢颜色汽车,还要等到第三次工业革命大规模定制生产才能实现。


第三次工业革命(工业3.0),微电子技术、机电一体化技术和和计算机技术的发展带动了工业上的PLC、数控、运动控制器、变频器、伺服驱动、机器人的发明,就有了柔性生产系统;同时信息化技术的发展出ERP、PLM、MES等高级的生产管理信息化系统。柔性生产系统加上ERP/PLM/MES信息化系统,让大规模定制生产成为可能。

那为什么需要大规模定制生产呢?

因为大批量生产已经让大家都能买得起各种复杂产品了,老百姓的小日子就过得红红火火的了。但是老百姓过上小康,还想过上更好的生活。家里有了单门冰箱,结果过年的时候别人送了半口猪,冰箱里塞不进。老百姓就想着买个大容量的双门冰箱,甚至三门冰箱,四门冰箱。有的人家里厨房小,想买立式冰箱,有的人家里宽敞,想买卧式冰箱放很多冰棍。还有就是冰箱要卖到全世界,不同地区气候环境不同,冰箱适宜使用温度范围也不同。

冰箱厂就犯愁了,这么多冰箱的子型号产品怎么个生产法子。产品设计可以用模块化零件来降低零件的生产成本。但是不同子型号冰箱组装的时候,每生产一种型号的冰箱就要投产一条大批量生产线,固定资产投入太大,生产周期太长。这个问题就要靠大规模定制生产来解决。

比如要生产一种车型,这种车型有多种定制选项,比如车身颜色、车门、底盘、保险杠、车胎。既然不能投产多条子型号汽车的生产线,那就把生产线改造下,就可以生产不同子型号的汽车。

生产线怎么改造呢?就是在大批量生产线的每个加工工位上多了一些if/else判断,根据在制品的加工指令,进行生产。这样就可以在一条生产线上生产同一车型的不同定制版本的汽车了。比如工位1喷漆可以选4种颜色,工位2装车门可选2种门,工位3底盘2种,工位4保险杠和车灯2种,工位5车轮和轮胎2种选择。这样下来,消费者就有了4*2*2*2*2=64种选择了。

大规模定制更复杂的情况是多种不同车型在同一条生产线上同时生产:

大规模定制生产的定制是有限的定制,消费者不能主动参与产品的设计过程,只能被动选择制造商定制的产品定制选项中的产品种类。但是这已经比工业2.0时期的只能买黑色福特好多了。至少消费者能够选择不同颜色的汽车。


第四次工业革命(工业4.0),许多生产厂商为了能够在激烈的市场竞争中取胜,需要根据客户需求进行大规模个性化生产MPP。多品种、小批量、个性化定制生产,是工业4.0下的主要生产模式。客户主动参与到产品设计过程中,制造商则根据消费者的需求去生产个性化的产品。大规模个性化生产相当于升级版的大规模定制生产。

下面是一些产品可以根据客户要求个性化定制的例子:

  • 阿迪达斯和耐克的运动鞋,可以让消费者在线个性化设计,然后下单购买。
  • Levi牛仔裤,从1997年开始,按用户的体形和需求制作牛仔裤。
  • Nutella巧克力酱,可以在网上个性化定制罐头的包装。
  • 汽车行业如宝马、保时捷给客户提供了广泛的装饰选项和配置可能性。
  • Zara服装定制化生产。
  • 宜家家居定制化生产。
  • 空客,可根据定制需求生产飞机零部件。

汽车大规模个性化生产

耐克可以让消费者在网上选择运动鞋的颜色样式后下单。

Nutella巧克力酱的美味全球知名。然而偷吃室友、伴侣、父母巧克力酱的问题也随之而来。在网上预览并设计自己想要的外观,获得自定义的巧克力酱罐头包装。包装将维持原有的设计,客户可以将本来印有“Name”字样的位置替换成自己想要的文字。

客户需求是这次工业革命的主要商业驱动力。主要技术驱动力则是物联网、人工智能、云计算、边缘计算、大数据分析、虚拟现实增强现实、增材制造、Cobot协作机器人、网络安全。


对于大规模定制生产和大规模个性化生产,应该如何才能让工厂做到尽量接近大批量生产的成本和生产时间的同时,实现定制和个性化生产呢?

这个问题,我将在下一期回答。

主要参考资料:

  1. Yi Wang Hai-Shu Ma Jing-Hui Yang Ke-Sheng Wang, Industry 4.0: a way from mass customization to mass personalization production,
  2. Miroslav Mindas Slavomir BEDNAR, Mass Customization in the Context of Industry 4.0: Implications of Varietyinduced Complexity
  3. Vladimir Modrak, Mass Customized Manufacturing Theoretical Concepts and Practical Approaches,

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