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工业4.0与世界未来:概述(三)

2017-02-16 10:04:42 中国经济文化研究所 阅读

工业4.0与世界未来:概述(三)

生于0715 

 

 

3、 改变和颠覆农业、矿业、制造业和服务业模式

 

工业4.0不仅是技术革命,更是管理流程革命,商业模式革命。旧的酒袋子装新酒,很容易破裂,所以需要新的酒袋子装新酒。新技术虽然是工业4.0的核心驱动力,但是在更广的层面,必须以新的商业模式和管理流程整合。通过商业模式和管理创新,发挥出新技术的力量,大规模改变既有产业系统。

 

A、支持农业效率提高

农业是人类历史上的主导经济模式。到二战之前,世界绝大多数地区仍然以农业经济为主。到21世纪初,中国加入WTO后,已经印度经济增长,随后中国在非洲大肆开发矿产,才意味着世界多数人口依赖工业经济。进入21世纪,虽然农业占据世界经济的比例已经较小,但仍然是经济的基础,所有经济的发展源头。

 

农业是最为综合的经济形态。农业既需要靠天、靠地和靠水吃饭,由社会民众的文明发达程度所决定,并且与人口密度紧密相关。在世界范围内,农业强国主要有美国、日本、欧洲各国和以色列。这些国家依靠自己的知识储备,结合本国的特点,发展出各具特色的农业模式。 目前,有机农业在这些国家成为热点,各种有机农业的发展迅猛。其中,朴门农业(Permaculture ,永续培养)作为新的理念,致力于建立完整繁茂的小型自然生态系统,其理念得到推广,并且出现一些成功案例。

 

发达国家的农业随时应用最先进的技术,农业创新技术不断涌现。在英国工业革命期间,农业革命也在同时发生。因为运用新技术和植物,人工和土地的生产率大幅提高,农业产出获得极大提升,也支持英国人口迅猛增加。当大量的农产品和农村人口涌向城市,支持英国工业革命的进程。从这个角度,农业革命是工业革命的基础,没有农业革命就没有工业革命。在发达国家,农业技术基本与工业技术同步,工业的进步随时应用到农业上。

 

随着技术的不断提升,农业日趋向两个方向发展:一是追求效率/数量,通过提升自动化和智能化水平,农业效率和产出不断提高,单位成本降低,以供应更多的人口消费。 工业4.0时代,能够在降低对环境冲击的同时,继续提升农业产量,二是追求质量,依靠有机/自然化模式,通过保护环境和靠天吃饭,得到更加自然健康美味的农产品,代价是产量难以提升。

 

在工业4.0时代,农业创新将持续,以物联网为架构的智慧型农业发展成为主要方向。 大致上,智慧型农业的创新可以归结为以下几方面:

 

a、不断推进农业市场化的深度。加强农业生产与市场需求的联系,提高市场运营效率,减少反复出现的短缺/滞销问题。例如,美国农民以经营中型农场为主,自主决策,自负盈亏。越来越多的美国农民随时上网,了解和分析各种因素影响,制定自己的经营决策。 而且,有的地区农民建立协作网络,参与农产品期货市场的套期保值,锁定自己的收益。 而在日本,政府和农协将农民组织起来,建立一个完整的农产品销售的农超对接模式,建立发达的信息网络,完善农业科技生产的信息系统,加强对于农民的计算机培训(尤其是对老年农民的培训),帮助农民随时了解农业信息和市场状况。

 

b、生产流程创新和整合。通过这样的方式,极大节约人工成本,增加果蔬等产品的产量。自古以来,农业生产流程都是人按照土地的模式耕作,人跟着土地走。随着自动化技术的发展,农业开始大规模的流程创新,一些果蔬种类的种植不再以土地为主导,而是以农业机械为主导。 德国在果蔬种植上,做出不少创新机械。例如,在种植上,不再是机械适用土地,而是改造土地,以适应机械。经过改造的土地,不论种植和采摘,都可以通过农业机械完成,节约大量的人工成本。

 

而更加普及的,是大棚种植技术的全自动化发展模式。大棚自动化包括几部分:i、大棚技术自动化,包括自动化控制大棚的光照、温度、湿度等一系列种植条件的自动化。ii、种植作业自动化,在蔬菜园艺的种苗育苗上,应用已经相当广泛。作业设备对模块化种植箱的种苗培育的整个过程,进行自动化操作。自动化育苗的效率,比人工育苗提高起码20倍以上。一些蔬菜的完整成长过程,可以在大棚内完成。在人收割蔬菜时,不需要弯腰低头在地上收割。而是,机械将种植箱通过传送带,送到人的面前,将生产流程变成土地到人面前。人能够以较为舒服的姿势,快速收割蔬菜。 通过这样的方式,显著提高蔬菜收割效率。 

 

在工业4.0时代,农业智能化将进一步深入,不断提升作业效率。随着工业4.0的深入,农业自动化设备的价格将不断降低,而且配备智能化系统的设备,也具有更广泛的适用性,即销售客户端适用性研发的成本显著降低。 在户外,农业机械将进一步智能化,流程设计可以更广泛应用,果蔬的种植和收割能力更强,人工成本可以继续下降。大棚农业的一体化智能系统越来越普遍,通过更强大的计算机智能应用,可以创造更加适宜和精确的温度、湿度、土壤、养分和灌溉,加速种苗和果蔬花卉的生长周期,降低单位种植成本。如果将不同大棚的各项种植数据进行汇总,以机器智能化学习模式进行分析、总结和实验,可以不断提高大棚的种植产出。

 

c、在既有流程上,生产更精确和更灵活。更精确的农业生产,适合大规模粮食种植。目前,在大规模粮食种植上,过度使用转基因、化肥、农药和激素过度使用,耗水量巨大,而且加速土壤消耗。例如,北美的土壤层普遍较薄,在过去100多年的耕作过程中,有的土地已经消耗了一半的土壤。 而且,过度用水,也导致北美的地下水严重下降。在未来,借助物联网功能和自动化生产设备,可以更精确地分析土壤状态,实施更精确的耕作计划,减少各种化学品、土壤和水的消耗。

 

在农作物田间管理方面,智能化应用日益广泛。对于大面积种植的作物,田间管理任务繁重。针对这样的状况,智能管理系统和服务不断发展。 例如,某公司将专业农作物遥感信息处理系统与无人机相结合,提供农作物生长情况调查解决方案。无人机载的遥感系统快速飞过农田,快速拍摄大范围土地实时图像,整体快速处理各种数据,对农作物生长状况进行直观评估,帮助农民发现问题,可以直观针对性解决问题。随着这样的服务普及,农民能够以更低的成本,更好地进行田间管理,提高产出效益。

在畜牧业等领域,各种新的智能化设备可以大量使用,灵活应对不同情况,提高畜牧产品的质量和售价,降低畜牧业的人工成本。 目前,先进的畜牧业国家已经在很大程度上实现机械化和半自动化。随着信息技术的提升,更多自动化和智能化设备的使用,满足畜牧业的多样化需求,进一步提高畜牧业的产量和质量,并且降低人工成本。

 

d、进一步整合农业和食品加工业,尤其是解决两者的衔接部分,能够降低人工成本,并大幅减少浪费,提高加工食品的质量可靠性。 现代农业的一个关键环节,就是将生产农产品转变成销售农产品,并变成加工食品。例如,土豆在收获后,通过机械化手段,将裹着泥的土豆变成非常干净的土豆,既极大节约土壤,又便于销售。 经过机械加工,将土豆变成薯条,供应超市和餐馆,作为炸薯条的原料,也是农业和食品加工业衔接的重要一环。随着自动化和智能化的发展,蔬菜、水果和茶叶等农产品的自动分拣/分级和自动装箱/包装的自动设备,越来越普及。与人工分拣和包装相比,自动化/智能化设备既能够保障分级的精确性,有能够保障农产品的质量水平,同时节约大量的人工。在未来,随着智能化水平提升,自动化分拣包装的种类越来越多,而且能够进一步整合农产品收获、市场化整理、以及食品化初步加工的操作,达到节约资源,提高效率,降低人工成本的目的。

 

B、推动矿业发展

 

矿业是工业的基础,工业反过来支持矿业发展。在过去100多年,矿业从普及机械化,进而发展自动化,将在工业4.0时代升级到智能化。 矿业自动化和智能化发展,主要包括矿产勘探测绘、矿产开发和安全保障。

 

a、勘测是智能化应用最多的领域,目前主要依靠智能化手段推动行业发展。

勘测和探矿技术是矿业的灵魂。勘探理论和技术水平的高低,直接决定勘测准确性、勘探效率、矿产开发效率和效益。在传统上,勘探技术落后,找矿主要分为两种方式,依靠经验和依靠理论。经验是根据已经找到的矿床,分析和推测矿床特点和储量;理论则是根据矿床的理论成因,推测某些矿产的存在,以及大致储量。

 

二战后,勘探技术水平快速提高,成为找矿的主导方式。发达国家不断利用信息化勘测新技术,以及先进的探矿手段,进行系统找矿的工作。到1995年,新矿70%以上,主要依靠新的勘探技术实现。随着信息技术进步,找矿技术越来越起到主导作用。勘探技术不仅用于找到矿床,更精确定位整个矿区,支持矿区的精确规划和开发。在老旧矿区中,可以通过先进勘探技术,找到新矿,或者更精细进行矿区作业,最大化实现采矿效益。

 

信息化勘测技术主要指地理信息技术,更高效和更准确地寻找矿产。地理信息技术主要包括三大部分(3S 系统):地理信息系统(Geographic Information SystemGIS),GPS定位,以及遥感(RS)技术。

 

GIS 是矿业智能化的代表,本身超越矿业。结合地理学地图学以及遥感和计算机科学,已经广泛的应用在不同的领域,是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统,近年, "地理信息服务"Geographic Information serviceGIS)出现,对空间信息进行分析和处理,就是将地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析。 当地图的视觉化效果、地理分析功能、以及大数据系统集成在一起,形成强大的工具。

 

1967年,罗杰·汤姆林森博士开发加拿大地理信息系统(CGIS ),成为世界上第一个真正投入应用的地理信息系统。CGIS用于存储,分析和利用加拿大土地统计局搜集的信息,利用关于土壤、农业、休闲,野生动物、水禽、林业和土地利用的地理信息,并增设了等级分类因素来进行分析,以确定加拿大农村的土地能力。

 

大致上,GIS有不同的产品,包括自然资源系统、城市信息系统、发展规划系统、土地管理系统等,供不同的需求者的查询需求。而实现这些产品功能,需要几个主要步骤,包括数据库和数据建模,数据输入,数据处理和整合,系统转换与整合,空间分析。目前,这些步骤中,操作工具和模式都较为原始,有很大的提升空间。尤其在数据输入和编辑勘误部分,大量工作仍然是人工完成,占用GIS操作者的大量时间。 随着智能化工具的不断更新,各个步骤将得到显著的效率提升,而且功能更强大。另外,随着数据云发展和手持智能终端的普及,新的软件也在开发,供民众也可以方便下载使用GIS的产品。

 

GPS 在矿产勘测和规划中,已经能够达到厘米级的精确定位。目前,矿业积极采用动态差分法进行实时卫星定位,即GPS RTKReal-Time Kinematic)。  GPS RTK依靠卫星定位,以非常简单的智能化设备,包括一个基站和若干移动站。RTK操作简单,需要的人员数量少,克服各种地形问题,也不存在多次距离测量后出现的累积性偏差。在勘测中,少数测量人员进行精确定位,可以绘制精确的矿区地形,根据矿区的整体规划,建立平面和高程测量控制网,并且提供准确的三维坐标。RTK 进而对矿区规划中的具体功能部分,进行精确的定位,支持具体的工程实施。

 

遥感技术是大范围找寻浅层矿床的重要手段。遥感找矿的主要方式是,通过地质地貌的特征,推断矿产特点。 遥感的找矿模式,主要依靠形状和颜色。形状主要指地貌中的线条纹理等与其它地形不同之处,包括不同的断裂带、岩体构成、火山盆地等形状特点,支持不同的探矿理论。颜色则是不同性质的矿床,通过地表和植物的颜色反映出来。 遥感的问题在于,由于遥感模式和技术问题,导致影像模糊,对于地形地貌表现不明显的矿床,难以进行较为准确的辨认。在工业4.0时代,遥感的硬件技术将获得进一步发展,影像表现更清晰。另外,遥感系统的模糊现象无法消除,而探矿者经常无法分辨是模糊作用导致的线条纹理,还是真的线条纹理被模糊了。 在这种情况下,需要强大的数据库和信息软件系统,一是将对图片进行清晰化处理,尽可能清除遥感本身造成的干扰,明确是真的还是假的线条纹理;二是结合数据库的其它信息数据,进行多方面数据信息对比,与遥感结果进行配合验证。

 

在探矿工程中,越来越多的新技术被应用在实践中。 传统的勘探技术包括钻探工程和坑探工程。在早期,设备质量低导致事故率高,大量的辅助工作耗费大多数时间和精力,缺乏对复杂地质结构的全面解析,导致采矿施工中的严重事故。随着新技术新材料的使用,电、磁、射线、震等各种勘探技术应用在探矿工程中。而且,物探仪器不断推陈出新,向高科技智能化发展,即更高灵敏度、高分辨率、高精确度、3D4D化,多方法同时实施,多参数汇集测绘,而且计算机对数据流进行动态实时监控处理和输出。通过智能化手段,与钻探和坑探工程相结合,能够更准确和精精确探明复杂的地质条件。而且,勘探技术越来越直观,成本不断降低,精度不断提高。

 

例如,从1970年代开始,槽波地震技术开始出现,成为探矿工程中的一项重要技术。随着信息技术发展,地震技术从数字化向3D显示,虚拟现实和互联网协作等方向发展。这些技术应用意味着,勘探人员能够直观看到地质勘探结果,并且可以研究和预测可能遇到的问题,而且得到的结果更精确。在工业4.0时代,大数据和人工智能将相关勘探工程技术带入新的阶段,支持技术的发展升级。

 

地质勘测行业的从业人员正在经历革命性变革。矿业勘探是地质勘探测量行业的代表,其变化也代表地质勘探行业的变化。随着工业发展和全球化经济繁荣,地质勘探行业成为一个较为庞大的行业,包括各类测绘和勘探人员。随着工业4.0的发展,勘测人员的数量将大幅减少。大量实地工作可以通过自动化和智能化的手段,进行减少和简化。当然,勘测人员仍然需要做大量的实地工作。但是,这些实地勘测工作不再需要几十个人的大测量队,而是几个人携带先进设备即可以完成。在未来,少数专业人员不仅具有勘测专业知识,而且熟练高效率使用最新技术设备,实现更优的勘测结果。

 

b、采矿业将不断应用最新技术和设备,提升作业效率,确保作业安全

20世纪,发达国家采矿业走过普及机械化,应用自动化,测试智能化的过程。在21世纪,随着4.0进程的深入,自动化设备将大规模普及,智能化设备应用越来越多。

 

从作业流程的角度,采矿业必须依靠特定的地质条件,根据不同的地质条件,进行相应的开采设计规划和实施。由于不同国家的经济技术水平不同,采矿的专业化和设备水平不同。另外,由于地质条件复杂,不同矿产存在极大的差异,采矿设备也因此具有显著不同。越是难开采的矿床,应用机械化的难度往往也越大。两个不同交错起来,形成显著的采矿设备、流程和人工差异。

 

进入工业4.0时代,采矿业将更进一步,大规模向自动化和智能化转型。在1980年代,先进国家已经开始实现无人的自动化采矿作业,未来将更加普及。自动化的标志是成套设备系统操作,设备无轨化,操作计算机化,而且辅助设备的多功能化和普遍化。在设备出故障时,可以通过计算机诊断,迅速锁定故障。在自动化操作下,实现作业连续化,包括连续掘进设备、硬岩连续采矿机/长短壁连续采煤机,跟随硬岩采矿机的连续移动式破碎机、连续作业的自行矿车等。在整个作业过程中,实现开凿、破碎、装卸、运输、提升、排水、通风、供电等全过程的自动化系统控制,实现无人现场看守,井上遥控作业的操作。随着深层开采的增加,自动化和智能化系统操作日益增加。

 

页岩气革命基本与工业4.0的概念提出同步,可以看作工业4.0在矿产开采上的广泛应用。指在特定美国开始页岩油气开采,属于特别技术的专业开采,在近年不断利用先进的自动化和智能化技术,引发了号称的页岩油气革命。一个重要领域页岩气的大量低价开采和销售,抑制了国际高油价,大幅抑制美国的贸易赤字。 而页岩油气的开采以水压裂解法,主要依赖自动化和智能化设备。不论在钻井技术、测井技术、现场测试技术、固井技术、完井技术、储层改造技术、生产与管理系统等综合技术和管理上,不断创新操作技术,提高自动化、系统化和智能化的水平。通过智能化水平提升,页岩油气的开采成本不断下降,节约开采时间,增加重复压裂,提高采集率,提高可开采储量,并且控制对环境可能造成的损害性影响。

 

市场应变能力,也是智能化的一个重要里程碑。随着综合技术和管理的完善,页岩油气技术应对市场变化的能力也显著提高。根据估计,美国页岩油气的生产成本在30-60美元。在2014-2015年,OPEC大规模增产原油,试图将油价推到极低的价位,期货市场两度跌穿30美元,以打垮美国页岩油气生产。在石油价格暴跌后,美国页岩油气钻井数量减少三分之二,但是生产总量减少有限。原因在于,美国拥有新的技术,随时对高成本油井进行封井,将生产集中在低成本高产出的油井上,并且与设备供应商商谈更低的租赁价格,以经济管理手段应对市场变化。而且,钻井公司利用新技术,以同步压裂的方法,大幅提升第一年的产出,产出的提升明显降低单位成本,以技术手段应对市场骤变。虽然第二年后的产出骤减,但是由于缩短油井寿命,提高工作效率,减少钻井设备的占用,实现综合的成本降低。2016年,OPEC看到价格战效果不明显,只能宣布共同减产,以提升油价。美国生产商在生存下来后,钻井也相应增加生产,出产更多的原油和天然气,获得收入和利润。

 

在深层矿井和深海矿产开采中,智能化变得日益重要。随着浅层矿产逐渐枯竭,深层开采越来越多。南非有的矿井深度达到数千米,中国也出现一些千米深度的矿井。在深层矿井中,由于岩体变软,容易出现岩爆和矿井事故。在深层矿井中,全套自动化设备成为必需,智能化程度不断提升,有的国家甚至朝着无人矿井的方向努力。 当涉及到深海矿产,智能化已经全面应用,属于典型的工业4.0领域。美国和日本是深海探测的领先国家,目前已经实现机器人的智能探测。 机器人可以通过遥控操作,也可以实现自主操作,搜集海床的数据和样品。

 

机械化、自动化和智能化的主要作用是,减少人工成本,并提高生产安全性。而安全性本身,也意味着人工成本。在21世纪初,美国煤矿的机械化率差不多达到100%;中国的大型国企机械化率接近75%,机械化综采率接近50%;中国整体的煤炭生产非机械化率为65%,即将近三分之二为非机械化。中国660多万从业人员,采煤10亿多吨,而美国10万人采煤近10亿吨。 在美国矿井作业中,大型重工设备、连续采煤机、遥控采煤、无人值守液压支架电液系统等机械化和自动化设备的应用,显著提升井下作业的安全度。2009年以后,中国官方以提高效率和安全的口号,实施煤矿的大型国企整合小型煤矿企业,号称提高机械化率。但是,根据彭博信息公司20163月的研究报告,中国的大型煤炭集团人均年产量约1730吨,只相当于美国的5.6%、印尼的20.6%。而中国煤炭行业整体的人均年产量更低,仅为630吨。美国综采矿井的20万工时的工伤率为5人,世界最低。而中国的工伤数字则是秘密,实际估计达到几十倍以上。

 

人工成本占矿业的大部分。 虽然从表面上,矿业机械化、自动化和智能化的初始投资巨大,运行中的设备折旧金额巨大;但是与人工相比,高技术设备让采矿拥有更强的竞争力。2012年以后,中国煤炭进口数量激增,价格持续下跌,基本压垮了中国各大中小煤矿。而人工极高的美国煤矿,将煤炭用火车运到港口,再船运到中国主要港口,都能够获利,反映出美国煤矿的竞争力。同理,美国页岩油气生产商,虽然因为地质条件复杂,开采成本达到中东石油的5倍,但是运用自动化和智能化设备,生产成本不断降低,而且灵活应对市场竞争。 

 

 

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