自動(dòng)化解決制造業(yè)回流、關(guān)稅和勞動(dòng)力短缺問(wèn)題

供應(yīng)鏈通常是復(fù)雜的物流系統(tǒng)，依賴(lài)于供應(yīng)商、資源、熟練勞動(dòng)力和制造能力的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。中國(guó)在這一領(lǐng)域表現(xiàn)出色，在 5G 通信和電動(dòng)汽車(chē)方面尤為明顯。此外，中國(guó)公司生產(chǎn)了世界上大部分的電動(dòng)汽車(chē)電池，其工廠正在實(shí)施最先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)。這種競(jìng)爭(zhēng)格局被視為對(duì)其他國(guó)家市場(chǎng)的威脅。由此產(chǎn)生的貿(mào)易緊張局勢(shì)正在推動(dòng)制造業(yè)和供應(yīng)鏈回流。

最初，大多數(shù)國(guó)家開(kāi)始認(rèn)真考慮在 COVID-19 大流行期間將制造業(yè)回流和自動(dòng)化的作用，這嚴(yán)重?cái)_亂了國(guó)家之間的國(guó)際供應(yīng)線。然而，由于 COVID-19，許多公司設(shè)法通過(guò)多個(gè)制造點(diǎn)和更短的供應(yīng)線來(lái)實(shí)施彈性，而不是回流到高工資國(guó)家。今天，情況要嚴(yán)重得多，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.2s4d.com/news/listbylabel/label/關(guān)稅">關(guān)稅和地緣政治等保護(hù)主義迫使組織考慮在昂貴的國(guó)家進(jìn)行制造，其中許多國(guó)家的制造資源匱乏，幾十年來(lái)已經(jīng)被掏空。

突然關(guān)稅造成的不確定性導(dǎo)致人們重新評(píng)估在哪里優(yōu)先考慮制造業(yè)回流，以及這是否可能。對(duì)于許多行業(yè)來(lái)說(shuō)，除非價(jià)格大幅上漲，否則它只會(huì)太昂貴，不幸的是，這將再次推動(dòng)通貨膨脹或減緩經(jīng)濟(jì)。離岸生產(chǎn)的最初原因是利用廉價(jià)勞動(dòng)力和監(jiān)管較少的制造業(yè)，例如中國(guó)、印度、墨西哥和東歐。從那時(shí)起，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)在這些國(guó)家發(fā)展起來(lái)，如果不出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)混亂，就無(wú)法迅速逆轉(zhuǎn)。

有幾個(gè)因素決定了生產(chǎn)是否可以回流。自動(dòng)化的成本在決定高工資國(guó)家能否恢復(fù)生產(chǎn)并降低勞動(dòng)力成本時(shí)至關(guān)重要。充足的資源和技能的可用性也是關(guān)鍵。其他重要方面包括本地制造的輸入材料成本、監(jiān)管環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)產(chǎn)品所需的零件和技術(shù)的可用性。具有諷刺意味的是，在美國(guó)，關(guān)稅將增加本地制造的許多輸入材料的成本。

工廠雇用數(shù)千名工人來(lái)生產(chǎn)商品的想法是過(guò)去時(shí)代的遺留物。今天，正在為未來(lái)的工廠制定標(biāo)準(zhǔn)，通常稱(chēng)為工廠 4.0，以確保現(xiàn)代化、全自動(dòng)、交互式和靈活的生產(chǎn)線。 

自動(dòng)化的挑戰(zhàn)

大多數(shù)工廠都有某種形式的自動(dòng)化，尤其是在汽車(chē)行業(yè)。用于電子組裝的拾取和放置機(jī)器和汽車(chē)行業(yè)的焊接機(jī)器人是兩個(gè)顯著的成功例子。然而，電子制造中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是組裝非標(biāo)準(zhǔn)或不規(guī)則的組件，而這正是手工勞動(dòng)經(jīng)常出現(xiàn)的地方。這些元件使插入機(jī)的處理和精確放置具有挑戰(zhàn)性，尤其是在電子設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜且不規(guī)則元件的多樣性增加的情況下。在其他行業(yè)，許多裝配任務(wù)仍然需要體力勞動(dòng)，而目前的自動(dòng)化技術(shù)無(wú)法解決這些任務(wù)。人形機(jī)器人可以在未來(lái)的工廠中發(fā)揮關(guān)鍵作用。其他一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)包括各種中斷，例如勞動(dòng)力短缺、當(dāng)前技術(shù)的局限性以及生產(chǎn)線上代價(jià)高昂的停機(jī)時(shí)間。 

推進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)

為了通過(guò)自動(dòng)化流程提高裝配線的效率并提供快速重新配置生產(chǎn)線的能力，F(xiàn)actory 4.0 將制造和工業(yè)流程數(shù)字化，創(chuàng)造了一個(gè)系統(tǒng)可以交換信息、觸發(fā)作并自主相互控制的制造環(huán)境。在此類(lèi)智能工廠中，機(jī)器、設(shè)備和系統(tǒng)相互連接，從而能夠收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、高級(jí)分析、預(yù)測(cè)性維護(hù)、數(shù)字孿生和自主決策。

解決勞動(dòng)力短缺問(wèn)題或在高勞動(dòng)力成本經(jīng)濟(jì)體實(shí)現(xiàn)回流是自動(dòng)化投資的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。還需要考慮培訓(xùn)和技能提升計(jì)劃，不僅要為所需角色提供熟練勞動(dòng)力，還要確保工人擁有必要的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。在這里，生成式 AI 的使用被視為一種潛在的促進(jìn)因素，不僅可以降低成本，還可以防止事故和機(jī)器損壞。

為了說(shuō)明這一點(diǎn)，佐治亞大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為 VR Co-Lab 的新虛擬現(xiàn)實(shí) （VR） 空間，以幫助使用機(jī)器人的人類(lèi)更高效地進(jìn)行訓(xùn)練。在最近的一項(xiàng)研究中，VR Co-Lab 對(duì)員工進(jìn)行數(shù)字化培訓(xùn)，以練習(xí)在不損壞材料的情況下拆卸可回收物，并學(xué)習(xí)如何避免受傷和與機(jī)器人碰撞 [1]。

為了幫助公司降低自動(dòng)化的初始成本，機(jī)器人即服務(wù) （RaaS） 是一種類(lèi)似于軟件即服務(wù) （SaaS） 的商業(yè)模式。RaaS 使組織能夠通過(guò)訂閱或租賃計(jì)劃訪問(wèn)機(jī)器人技術(shù)，從而使他們能夠更靈活、更經(jīng)濟(jì)高效地部署、管理和擴(kuò)展其機(jī)器人作。RaaS 用于自動(dòng)化重復(fù)性任務(wù)，包括倉(cāng)庫(kù)管理、客戶(hù)服務(wù)和復(fù)雜手術(shù)等。

制造運(yùn)營(yíng)管理 （MOM） 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 正在改變制造業(yè)，IIoT 支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和分析，以?xún)?yōu)化 MOM 流程。MOM 涵蓋廣泛的活動(dòng)，包括規(guī)劃、調(diào)度和質(zhì)量管理。同時(shí)，IIoT 專(zhuān)注于連接設(shè)備和系統(tǒng)，以收集來(lái)自車(chē)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并采取行動(dòng)。IIoT 與 MOM 系統(tǒng)的集成提供了更高的效率、預(yù)測(cè)性維護(hù)、改進(jìn)的質(zhì)量控制和更有效的供應(yīng)鏈管理。

AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)可以識(shí)別可能導(dǎo)致故障的細(xì)微異常，使制造商能夠在故障導(dǎo)致代價(jià)高昂的停機(jī)或損壞之前進(jìn)行維修。此作過(guò)程稱(chēng)為預(yù)測(cè)性維護(hù)，需要來(lái)自機(jī)器上安裝的傳感器的連續(xù)作數(shù)據(jù)流，以及數(shù)據(jù)持久性和其他信息源，例如維護(hù)記錄、故障事件、檢查記錄和工程圖表，以實(shí)現(xiàn)整體監(jiān)控。預(yù)測(cè)性維護(hù)中的 AI 可以識(shí)別傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)監(jiān)控?zé)o法輕松檢測(cè)到的模式和異常。此外，它可以采用反饋循環(huán)來(lái)隨著時(shí)間的推移而改進(jìn)。

例如，Senseye Predictive Maintenance 是一個(gè)基于云的軟件平臺(tái)，它將 AI 與人類(lèi)洞察力相結(jié)合，自動(dòng)生成機(jī)器行為模型，以分析機(jī)器數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)潛在故障。它與機(jī)器無(wú)關(guān)，并使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)或新安裝的傳感器與任何資產(chǎn)、系統(tǒng)或數(shù)據(jù)源集成。Senseye 用于各種行業(yè)，包括紙漿和造紙、金屬和采礦以及制造，以提供主動(dòng)維護(hù)，最大限度地減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間及其相關(guān)成本。Siemens 還提供生成式 AI 功能，使預(yù)測(cè)性維護(hù)更具對(duì)話性和直觀性 [2]。 

IIoT 和 5G 將這一切聯(lián)系在一起

工廠的自動(dòng)化需要機(jī)器、傳感器和計(jì)算平臺(tái)之間的通信，通常稱(chēng)為 IIoT。傳統(tǒng)上，通信由基于以太網(wǎng)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，例如 PROFINET、POWERLINK、EtherCAT、EtherNet/IP、SERCOS III、CC-Link IE 和 Modbus TCP。然而，Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、WirelessHART 和 LoRaWAN 等無(wú)線協(xié)議正越來(lái)越多地在現(xiàn)代工廠中實(shí)施，以降低安裝和維護(hù)成本，使設(shè)備在工廠車(chē)間能夠快速移動(dòng)，并促進(jìn)機(jī)器和流程的遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。這可以改進(jìn)資產(chǎn)管理，是實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)的關(guān)鍵。此外，無(wú)線技術(shù)也非常適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和控制。然而，在無(wú)線系統(tǒng)中，安全性和干擾是關(guān)鍵問(wèn)題，但可以通過(guò)仔細(xì)規(guī)劃來(lái)解決。

為了進(jìn)一步推進(jìn)工廠自動(dòng)化，人們?cè)絹?lái)越多地考慮 5G，因?yàn)樗鼮闄C(jī)器人和自動(dòng)化帶來(lái)了好處，包括實(shí)時(shí)通信和提高運(yùn)營(yíng)效率。高帶寬、低延遲和可靠性等特性使其成為要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。通過(guò)使用 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)，IIoT 使用大量數(shù)據(jù)，使 5G 的速度和容量成為關(guān)鍵要求。

5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低延遲支持更先進(jìn)、更準(zhǔn)確的自動(dòng)化任務(wù)，包括使用機(jī)器人和無(wú)人機(jī)，以及遠(yuǎn)程控制機(jī)器、流程和自動(dòng)化系統(tǒng)。遠(yuǎn)程作還減少了在危險(xiǎn)環(huán)境中對(duì)人工作業(yè)的需求。5G 還支持快速的機(jī)器間通信，提高效率，并通過(guò)以最小的延遲在產(chǎn)品批次或類(lèi)型之間切換來(lái)快速響應(yīng)不斷變化的生產(chǎn)需求。5G 還可以輕松覆蓋廣泛的領(lǐng)域，并將智能工廠與其供應(yīng)鏈和物流連接起來(lái)。

由于 Private 5G 提供了更高的可靠性、控制力和安全性，因此它越來(lái)越多地部署在工廠和工廠中。5G 還可以輕松覆蓋大面積，并將智能工廠與其供應(yīng)鏈和物流連接起來(lái)。專(zhuān)用 5G 網(wǎng)絡(luò)提供專(zhuān)用連接，確保高性能和可靠性，同時(shí)讓制造商能夠更好地控制網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以?xún)?yōu)化性能。然而，對(duì)于許多組織來(lái)說(shuō)，推動(dòng) 5G 專(zhuān)網(wǎng)的關(guān)鍵特征是這些網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)隔離，從而提高了安全性并最大限度地降低了網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，隨著威脅級(jí)別不斷上升和國(guó)家支持的網(wǎng)絡(luò)攻擊成為常態(tài)，這是一個(gè)越來(lái)越重要的考慮因素。 

增材制造

增材制造也正在成為制造業(yè)中一種有用的技術(shù)。它擅長(zhǎng)原型制作和制造過(guò)時(shí)的零件，但隨著技術(shù)的成熟，它正在進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用中更主流的流程。在電子產(chǎn)品中，它可以創(chuàng)建使用傳統(tǒng)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的 3D 部件，例如天線。

為了說(shuō)明這一點(diǎn)，意大利自動(dòng)化公司 Comau 正在與幾家參與數(shù)字增材制造的國(guó)際公司合作，將其技術(shù)引入需要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且易于使用的先進(jìn)自動(dòng)化的新細(xì)分市場(chǎng)。例如，CEAD 利用集成到其 Flexbot 系統(tǒng)中的柯馬機(jī)械臂技術(shù)，通過(guò)提供大幅面熱塑性復(fù)合材料 3D 打印，幫助全球公司徹底改變其制造流程?？埋R還與冷噴涂技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者 Titomic 合作，利用新型高性能材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模增材制造、涂層和維修 [3]。在另一個(gè)例子中，柯馬和 Prima Additive 聯(lián)手提供雙層激光熔覆創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了一種高速、全自動(dòng)的制動(dòng)盤(pán)涂層系統(tǒng) [4]。Coma 客戶(hù)將能夠按需打印具有一致、可重復(fù)結(jié)果的部件，從而優(yōu)化材料使用、減少浪費(fèi)并提高整體生產(chǎn)效率。

增材制造遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電子制造的范圍，幾乎涵蓋了所有行業(yè)，并且是一個(gè)隨著材料和工藝的改進(jìn)而快速發(fā)展的領(lǐng)域。該技術(shù)可以打印微小部件以及大幅面部件，例如船體、汽車(chē)部件或表面涂層。 

融入集成供應(yīng)鏈

集成供應(yīng)鏈不僅包括工廠，還包括原材料和貨物的庫(kù)存管理和倉(cāng)儲(chǔ)，以及成品的調(diào)度。自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)于監(jiān)督進(jìn)出智能工廠的庫(kù)存移動(dòng)至關(guān)重要。這些倉(cāng)庫(kù)嚴(yán)重依賴(lài)機(jī)器人技術(shù)，尤其是自主移動(dòng)機(jī)器人 （AMR），它們可以在整個(gè)設(shè)施中運(yùn)輸零件和貨物。AMR 還可以與自動(dòng)化系統(tǒng)連接，以最少或無(wú)需人工輸入來(lái)選擇必要的零件。5G、Wi-Fi Halow、藍(lán)牙和 LoRaWAN 等無(wú)線通信對(duì)于啟用 AMR 至關(guān)重要。這些機(jī)器人需要低延遲、準(zhǔn)確定位、障礙物檢測(cè)、碰撞避免和快速重新路由。小型模塊化工廠和區(qū)域倉(cāng)庫(kù)可以為關(guān)稅趨勢(shì)、地緣政治動(dòng)蕩、流行病或自然災(zāi)害帶來(lái)的挑戰(zhàn)提供解決方案。

 展望不久的將來(lái)

智能工廠已準(zhǔn)備好利用機(jī)器人和自動(dòng)化軟件及系統(tǒng)，以最低的勞動(dòng)力需求提供可重新配置的全自動(dòng)工廠和供應(yīng)鏈。盡管自動(dòng)化解決了當(dāng)前制造業(yè)和物流業(yè)的勞動(dòng)力短缺問(wèn)題，但它很可能幾乎不會(huì)導(dǎo)致就業(yè)增長(zhǎng)。

由關(guān)稅和主權(quán)擔(dān)憂驅(qū)動(dòng)的回流要求將自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的成本降低到具有經(jīng)濟(jì)意義的水平。國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì) （IFR） 預(yù)測(cè)，物理、分析和生成式 AI 的使用將擴(kuò)大，使機(jī)器人能夠更有效地執(zhí)行各種任務(wù)。例如，分析人工智能允許機(jī)器人處理和分析大量傳感器數(shù)據(jù)，以管理多品種和小批量生產(chǎn)以及公共環(huán)境中的可變性和不可預(yù)測(cè)性。物理 AI 使機(jī)器人能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行自我訓(xùn)練，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而不是編程進(jìn)行作。生成式 AI 將允許機(jī)器人無(wú)縫集成到人類(lèi)環(huán)境中，并查詢(xún)維護(hù)、維修和作程序的信息。盡管 IFR 發(fā)現(xiàn)人形機(jī)器人目前僅限于在工業(yè)制造中執(zhí)行單一用途的任務(wù)，但他們看到了人形機(jī)器人在物流和倉(cāng)儲(chǔ)方面的潛力，尤其是在可以解決與成本和復(fù)雜性相關(guān)的問(wèn)題的情況下 [5]。其他報(bào)告預(yù)測(cè)，人形機(jī)器人的數(shù)量將在十年或二十年內(nèi)達(dá)到數(shù)億。 

自動(dòng)化是前進(jìn)的方向

關(guān)稅和數(shù)字主權(quán)推動(dòng)了制造和供應(yīng)鏈物流對(duì)自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的需求，這反過(guò)來(lái)又促使各國(guó)推動(dòng)回流。然而，由于發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的材料和制造成本高昂，如果不顯著提高價(jià)格，這通常是不可行的。智能可重構(gòu)工廠中的自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)被視為推動(dòng)回流、解決主權(quán)和關(guān)稅問(wèn)題以及消除勞動(dòng)力成本和短缺的關(guān)鍵推動(dòng)因素。

為了說(shuō)明自動(dòng)化技術(shù)可能造成的潛在破壞，Space Forge 剛剛確認(rèn)其第一顆完全在威爾士開(kāi)發(fā)的太空制造衛(wèi)星成功發(fā)射。這種史無(wú)前例的在軌制造演示旨在證明在獨(dú)特的太空環(huán)境中生產(chǎn)先進(jìn)材料的可行性 [6]。