微型工廠的興起工業(yè)5.0注定是一場微型工廠革命嗎？

幾十年來，世界制造業(yè)的主要驅(qū)動力一直是降本增效所必需的大批量、少品種生產(chǎn)思維。這導致了半個多世紀以來的生產(chǎn)離岸外包，工廠盡可能地向最廉價的地方轉(zhuǎn)移，全世界都在承擔著龐大的全球供應(yīng)鏈和運輸系統(tǒng)的負擔。20世紀90年代，日本機械工程師實驗室 (MEL) 提出了微型工廠的概念，但這個想法在業(yè)界基本上被束之高閣，直到最近才開始引起人們的關(guān)注。

在過去的幾年里，微型工廠越來越容易建立，對微型工廠的需求也顯著增加?，F(xiàn)在已經(jīng)有相應(yīng)的技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和市場需求來建造小型、靈活的微型工廠，以快速響應(yīng)客戶的定制要求，同時保持低成本費用、低占地面積和低環(huán)境影響（通過可持續(xù)發(fā)展措施和近岸外包）。

那么這意味著微型工廠時代的到來嗎？ 本文將探討微型工廠概念的起源，介紹微型工廠的特點，并展望微型工廠的未來。

微型工廠的起源

微型工廠概念的起源相對簡單。日本的MEL曾倡導縮小傳統(tǒng)制造設(shè)備的相對尺寸、重量、占地面積和成本，以實現(xiàn)更高的效率和模塊化制造。在此倡議下出現(xiàn)了單元式和模塊化的制造設(shè)備，現(xiàn)在這種設(shè)備在快速成型機和緊湊型制造系統(tǒng)中已相對普遍。單元式制造的一個重要特點是，自動化系統(tǒng)允許工件或組件在各工位之間自由移動，以滿足產(chǎn)品的定制和功能要求。這種方法與大多數(shù)大規(guī)模制造中典型的高線性度生產(chǎn)線方法截然不同。

除了制造設(shè)備的物理特性外，微型工廠的概念還秉承了昔日工匠和手藝人的多品種、小批量原則，可以就地生產(chǎn)高度定制化的產(chǎn)品。不過，受許多地區(qū)的勞動法規(guī)影響，支持眾多人力所需的成本、占地面積和基礎(chǔ)設(shè)施代價很高、難度很大。因此，微型工廠能否盈利并取得成功，取決于對自動化、云基礎(chǔ)設(shè)施、智能和連接的大量使用。

幾十年來，微型工廠主要是作為一種創(chuàng)新方法用來快速制作原型，或者滿足客戶的關(guān)鍵需求，比如客戶需要緊急提供高度專業(yè)化的產(chǎn)品，但自己又沒有時間或資源來建立整個傳統(tǒng)制造系統(tǒng)。

現(xiàn)在，隨著全球可持續(xù)發(fā)展的趨勢興起，企業(yè)、業(yè)界和消費者都在尋求降低碳排放，并減少與運輸和大規(guī)模工業(yè)活動相關(guān)的環(huán)境影響。工業(yè)5.0是推動可持續(xù)發(fā)展的主要動力之一，它強調(diào)將人類的創(chuàng)造力與自動化的效率相結(jié)合，以實現(xiàn)更加環(huán)保、對社會更加負責的工業(yè)運營。這也是微型工廠的另一個重要原則：從整體角度提高效率，減少浪費。在靠近需求源的地方建立分布式制造能力，可以降低運輸成本，更快地向客戶交付貨物。這種方法的另一種思路是，微型工廠可以設(shè)在非常靠近所需的原材料或基礎(chǔ)產(chǎn)品的地方，從而進一步減少運輸開銷。

微型工廠的要素

微型工廠有幾個關(guān)鍵要素，使這一概念能在現(xiàn)實中落實，并在商品生產(chǎn)中發(fā)揮出價值：

• 占地面積小、位置便利
• 自動化、機器學習 (ML) 和人工智能 (AI)
• 連接和通信基礎(chǔ)設(shè)施
• 智能和數(shù)據(jù)
• 響應(yīng)快速
• 成本支出低
• 監(jiān)管輕松和稅收優(yōu)惠

占地面積小、位置便利

顧名思義，微型工廠占地面積小，可以提高效率，降低材料和貨物的運輸開銷。微型工廠的占地面積小意味著，這些工廠可以建在傳統(tǒng)制造工廠無法建造的地方。這取決于可用的不動產(chǎn)或限制地區(qū)工廠規(guī)模的地方法規(guī)。

微型工廠占地面積小的一個好處是，它可以設(shè)在關(guān)鍵原材料/基礎(chǔ)產(chǎn)品的來源地或客戶群附近。在選址上有了更大的靈活性，微型工廠優(yōu)化供應(yīng)鏈或交付能力的可能性就遠遠超過傳統(tǒng)工廠。

自動化、機器學習和人工智能

微型工廠概念的關(guān)鍵是單元式制造站，它可以根據(jù)各種制造和組裝要求快速重新編程或進行模塊化配置。工業(yè)機器人和自動化歷來都很昂貴，這就是為什么大多數(shù)制造系統(tǒng)都基于高度專業(yè)化的線性和大批量制造設(shè)備?，F(xiàn)在的市場上有固定式機器人和自主移動機器人 (AMR) 系統(tǒng)，它們可以快速編程或更換，以實現(xiàn)各式各樣的操作能力。借助自動化工具更換和模塊化工具系統(tǒng)，可以配置許多新型自動化系統(tǒng)完成諸多專用制造系統(tǒng)的任務(wù)。隨著ML/AI視覺和處理系統(tǒng)越來越容易獲得，現(xiàn)在可以使用ML/AI機器人控制器，快速培訓機器人按照人類指令執(zhí)行任務(wù)，就像培訓新技術(shù)人員一樣，但所需的時間和成本卻要低很多。

與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，自動化制造站更加緊湊，因為它們不需要為人工操作員和安全裕度留出專用空間。自動化設(shè)備還可以使用遠程操作員，進一步減少特定工廠所需的空間和人員。有了基于網(wǎng)絡(luò)和云的基礎(chǔ)設(shè)施以及足夠的自動化程度，一名遠程操作員就可以同時對多個制造站進行編程和監(jiān)控，甚至可以同時支持多個微型工廠；也就是說，一名技術(shù)嫻熟的操作員可以幫助遠程支持多個微型工廠。相比之下，傳統(tǒng)制造業(yè)需要在每個位置都配備一名經(jīng)驗豐富的操作員。

連接和通信基礎(chǔ)設(shè)施

要實現(xiàn)任何遠程操作，甚至是機器和操作員之間的自動協(xié)調(diào)，都必須具備功能強大的通信基礎(chǔ)設(shè)施。該基礎(chǔ)設(shè)施必須同時處理每個傳感器、執(zhí)行器、控制器、機器人系統(tǒng)、自動化站、安保、消防和安全系統(tǒng)以及本地或遠程人類操作員之間的數(shù)據(jù)交換。這絕非易事，而是需要大量的通信和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。不過，與前幾年相比，現(xiàn)在這種技術(shù)更容易獲得，而且現(xiàn)在有專門為制造業(yè)設(shè)計的有線和無線通信系統(tǒng)。許多著名的無線標準現(xiàn)已納入與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)兼容的機器對機器 (M2M) 通信協(xié)議，以更好地支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和一般物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

有了新的衛(wèi)星連接選項和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，現(xiàn)在甚至可以在多年前無法連接互聯(lián)網(wǎng)的偏遠地區(qū)建立具有合理數(shù)據(jù)吞吐量要求的微型工廠?，F(xiàn)在，具有相對較高數(shù)據(jù)傳輸速率的衛(wèi)星和蜂窩模塊已經(jīng)足夠小巧，價格也足夠低廉，可以包含在AMR和機器人系統(tǒng)中，進一步支持蜂窩規(guī)模的微型工廠連接。

智能和數(shù)據(jù)

面向微型工廠的更高自動化水平的基礎(chǔ)設(shè)施意味著微型工廠可能會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)必須妥善處理和存儲，以保證質(zhì)量和進行跟蹤。不過這些數(shù)據(jù)也可以提供寶貴信息，用于進一步提高各種制造流程的效率。這些數(shù)據(jù)的某些部分甚至可以包裝成智能產(chǎn)品出售。

響應(yīng)快速

有了更多的模塊化制造和加工系統(tǒng)、單元式制造流程和自動化，微型工廠系統(tǒng)就可以根據(jù)客戶或顧客的需求快速重新配置。例如，工廠可以連續(xù)生產(chǎn)各種暢銷的商品和產(chǎn)品系列，也可以快速按需生產(chǎn)客戶直接訂購的商品；工廠可以根據(jù)市場機會完全重新配置以生產(chǎn)新產(chǎn)品；也可以生產(chǎn)各種批量的產(chǎn)品，從一個訂單一件到數(shù)千件。這種針對客戶需求的敏捷性和靈活性，再加上便利的位置帶來的快速交付和材料供應(yīng)，意味著微型工廠只需傳統(tǒng)工廠的很小比例就能滿足市場需求或客戶訂單。

成本支出低

對自動化和效率的看重意味著微型工廠加工和制造站可能是單個成本相對較高的項目。不過，這些系統(tǒng)應(yīng)該能滿足多個傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的要求。而且，微型工廠的整個概念側(cè)重于小巧、靈活的裝置，其成本支出自然要比傳統(tǒng)工廠低得多。利用微型工廠的概念，小型企業(yè)或初創(chuàng)企業(yè)可以在其客戶群或材料供應(yīng)地附近建立微型工廠，隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展，以有限的成本支出自然地發(fā)展和擴大規(guī)模，而不必承擔經(jīng)常伴隨著高利率貸款和借款的高額初始投資。大型工廠往往需要借貸大筆資金來購買必要的不動產(chǎn)，甚至在建造廠房、購買設(shè)備和建立生產(chǎn)線之前，還需要遵守選址規(guī)定?；谖⑿凸S的企業(yè)可以利用現(xiàn)有資金，在擴大規(guī)模時建立微型工廠，從而避免上述情況。這種方法還可以最大限度地降低將資金投入到專用生產(chǎn)設(shè)施的風險，因為該設(shè)施可以隨著市場風向的變化而迅速調(diào)整。

監(jiān)管輕松和稅收優(yōu)惠

與傳統(tǒng)工廠相比，微型工廠對占地面積、機器數(shù)量、電力和基礎(chǔ)設(shè)施的要求較低，因此在特定地區(qū)可以免去一些昂貴的規(guī)定性支出和稅收。工業(yè)區(qū)和地方上的許多法律法規(guī)都是針對特定規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)施而制定的，規(guī)模很小的微型工廠可能不受這些法律法規(guī)的約束，甚至還能免稅。

微型工廠的未來

有證據(jù)表明，制造業(yè)和全球貿(mào)易的許多趨勢都支持在制造業(yè)中增加微型工廠的觀點。在短期內(nèi)，微型工廠不太可能取代傳統(tǒng)的大型工廠，因為規(guī)模經(jīng)濟仍遠遠無法提高微型工廠自動化的效率。不過，微型工廠可能會在制造某些高混合型產(chǎn)品時發(fā)揮關(guān)鍵作用，或填補特定地區(qū)急需的制造能力缺口。