智能制造助力城市结构布局优化

1.需 求

城市结构布局优化的一个重要指标是居民工作地点与住处的距离不能太远。传统企业的发展是要求关联企业尽可能集中在一起，以便降低物流成本和协同成本。其结果是分别形成庞大的工业园区和生活区，两者的距离不可避免地越来越远，给员工带来极大的不方便。远距离上班又造成“钟摆式”交通拥堵、污染加剧等城市病。这是城市工业化进程中的一个主要矛盾。智能制造可以帮助解决这一矛盾。

后工业化时期西方国家城市居民对居住地的选择逐渐倾向于中小城市。

在居住郊区化和逆城市化过程中，生产与居住空间进一步分离，并最终形成工作在城市中心、居住在郊区的长距离通勤模式。这是现代西方城市发展的一个重要特征，也是影响居住区环境的重要因素（王琳，2007）。

重建微循环是生态文明时代下中国城市人居环境发展历程中一个不可缺少的环节。我国已经从城镇化初期进入中后期的特殊阶段，应从前期注重GDP的数量型城镇化转向社会效应、生态效应和经济效应并存的质量型城镇化。在这个转型过程中，要遵循自组织的理念，摒弃初期广为流行的疾风暴雨式的“大开大发”“大拆大建”，推行“微降解、微能源、微冲击、微更生、微交通、微绿地、微调控”等新理念，重建城市的微循环，这将成为城市规划创建和管理的新原则，也是“两型社会”建立的重要基石（仇保兴，2011）。

智能城市的结构是高度优化的，它使居民的工作和生活具有很大的方便性。

城市结构布局优化的目标是：针对城市结构优化目标和需求，以智能制造技术为基础，以人为中心进行工厂布局设计，既要集中关联企业，降低物流成本和协同成本；同时避免工业园区巨人化，形成分布化、微循环的宜居城市格局。

同时，外包服务将非常发达，许多员工可以在家里为不同企业提供服务。“我为人人，人人为我”。人们不需要都集中在大城市中，交通拥挤的现象将消失。

智能制造让城市不再无限地庞大，让边远小镇的人们也能方便地参与到商业大潮中来，让人们有更多的机会与大自然接触，而不是堵车在大街上浪费时间、浪费资源。

图2.9描述了三次工业革命中工业化和城镇化之间的关系，第三次工业革命中的智能制造将促进制造企业回归城镇。图2.10进一步描述了智能制造促进企业绿色化、小型化和分布化的过程，它不仅使市民工作在所住地的附近，也能看得到绿水青山。

工业4.0在德国被认为是第四次工业革命，是德国政府2011年11月公布的《高技术战略2020》中的一项战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，保持德国的国际竞争力。其实质是构建一个高度灵活的个性化和数字化的智能制造系统。工业4.0将带来工作方式和环境的全新变化。全新的协作工作方式使得工作可以脱离工厂，通过虚拟的、移动的方式开展。员工将拥有高度的管理自主权，可以更加积极地投入和调节自己的工作（罗文，2014）。

图2.9　智能制造促进制造企业回归城镇

图2.10　智能制造促进企业绿色化、小型化和分布化

2.对城市结构布局有深远影响的智能制造技术

智能制造通过大批量定制技术、分布自治制造技术、智能加工装备等，使企业小型化、智能化，大家可以就近工作，所需要的商品就近生产。不仅显著减少企业员工上下班时间，而且减少大量物流成本和能耗。

（1）大批量定制（Mass Customization）技术。大批量定制技术是一种以大批量生产的成本和交货速度生产个性化产品的系统技术。智能制造技术可以看作是大批量定制技术中的关键技术。

大批量定制技术可以改变“大规模制造、远距离运输”的传统制造业格局，实现“小规模制造、近距离运输”的新型制造业格局。这里的小规模制造的效率与大规模制造的效率相差无几，而运输成本和能耗却显著降低，同时，也促进了城市结构优化，通过产品和企业的模块化，实现城市的模块化。

大批量定制技术包括产品模块化设计和制造技术、信息技术、系统管理和优化技术、物流技术等（祁国宁等，2003）。

产品模块化可以使个性化的定制产品由许多通用模块组成，实现低成本的快速设计和制造。特别是网络技术与模块化技术相结合的零件库有助于实现大范围的专业化分工和大批量定制。

信息技术可以使产品设计有CAD、CAE等系统辅助，可以提高设计效率；产品制造有数控机床支持，可以实现快速定制生产；产品销售有电子商务平台和网络的支撑，可以实现信息快速交流；资金来往有网络银行的支持，既快捷又有保障。

系统管理和优化技术结合信息技术可以帮助进行资源的优化配置和有效管理，如PDM、ERP、SCM等系统。

物流技术和系统的快速发展可以实现低成本、快速的交货。

案例：江苏省睢宁县沙集镇的农民在淘宝网上开网店，彻底改变了命运。2006年，沙集镇出现了第一家网店，从事简易拼装家具的网络销售及加工。经过短短4年，村里的网店生意从无到有，网店模式被更多的村民成功复制。以东风村为例，全村1 180户，约有一半的农户在网上开店，整个沙集镇网店的年销售额超过3亿元。网络销售及加工同时带动了周边产业的崛起和发展。到2010年年底，沙集镇共有板材加工厂6家、五金配件厂2家、物流快递公司15家、电脑专卖店7家。农民通过开设网店，不仅提高了收入，还解决了就业和创业难题。曾经外出务工的年轻人已基本返乡，而且村里还出现上千人的劳动力缺口。治安问题也大大好转。这一切被总结为沙集模式（阿里研究中心，2011）。

沙集模式是大批量定制的典型案例，其特点是：①依托淘宝网这一电子商务平台；②借助当前越来越发达的物流系统；③所从事的拼装家具是高度模块化的产品，设计和制造相对简单。

（2）分布自治制造技术。智能制造系统建立在自组织、分布自治和社会生态学机理上，目的是通过设备柔性和计算机人工智能控制，自动地完成设计、加工、控制和管理过程，旨在解决适应高度变化环境的制造的有效性。

分布自治制造技术是智能制造中的关键技术。(www.xing528.com)

日本在1991年1月发起了智能制造系统的国际合作研究开发计划。其目的是使制造业在接受订货、产品开发和设计、生产、物流直至经营管理的全过程中，做到装备和生产线的自律化，并实现自律化的装备和生产线在系统整体上的协调和集成，由此来适应制造活动全球化的发展趋势，减少过于庞大的重复投资，并通过先进、灵活的制造过程来解决制造系统中的人因问题。其中的项目有^[1]：

1）下一代制造系统（Next Generation Manufacturing Systems，NGMS）。NGMS 将开发支持下一代的制造系统所需的技术和方法。NGMS将各种关于先进制造系统的最好思想集成并发展为下一代制造系统。NGMS集成了欧洲的分形企业（Fractal Factory）、日本的自治和分布式制造系统及仿生制造系统、美国的敏捷制造等，其基本框架如图2.11所示。

图2.11　IMS中的下一代制造系统（NGMS）的基本框架（Kurihara，1997）

2）全能制造系统（Holonic Manufacturing Systems，HMS）。全能制造系统是基于全能组织的制造系统，其要点是建立一个高度分布的制造系统体系。它由一系列标准的和半标准的、独立的、协作的和智能的模块组成。全能体（Holon）是一定程度独立自主的单元，执行任务时无须向上级请示。同时，全能体又是上一级的控制对象以及全能群体的一部分。一个制造全能体可以是运输、加工、存贮等单元。人也是全能体的一部分。全能制造系统由全能体以自组织的方式组成，其结构是不固定的，是动态的和暂时的。

全能组织的优点在于它能够构建非常复杂的系统，能够高效利用资源，对来自内部和外部的干扰保持高度的灵活性，对环境变化有很强的适应能力。全能组织并不是完全独立的组织。它们有一定的自主性，能够在没有上一层组织的协助下，在其所处的特定层次上掌握环境和处理问题。整体也能接受来自上层的指导，在某种意义上受上层整体的控制。自主的特性保证了整体是稳定的，能够在干扰下生存。而对上层整体的服从又确保了更大整体的有效运转。

全能制造系统的主要特点是：全能体之间具有暂时的递阶层次关系；自动化规模可大可小，可以扩展；能够迅速自组织以适应市场对产品、产量和交货期的改变；全能制造系统的目标不是取代人的技能，而是支持人的技能得到更充分的发挥；组织结构从传统的、固定不变的“机械型”向更适合市场竞争的“生物型”转变；全能制造系统的精髓是加强基本单元的独立自主性和相互协调机制。实现全能制造系统的前提是：精简一切不必要的环节、过程和结构；将企业的各种活动进行要素化和标准化；全面实行模块化。

3）分形企业（Fractal Enterprise）。德国工程师学会（VDI）主席瓦纳克（Warnecke）教授在1993年提出了分形企业的概念和理论。他将分形企业作为欧洲对日本精益生产方式的响应。瓦纳克教授领导的研究所还将分形企业的理论应用于实践，取得了比较显著的效果（Warnecke，1995）。

分形企业是借用分形理论中的基本概念描述的一种新的生产方式。分形指的是一类貌似无规、复杂混乱，但又具有自相似性的体系。分形理论认为，真实世界中的复杂系统是由许多稳定的、具有很好协同性的子系统组成的，这些子系统具有自相似和自组织的特点。分形企业的自相似性包括：

·企业组织结构的自相似，即以过程为中心建立企业的组织；

·目标自相似，即单元的目标与企业的目标相一致。

分形企业的优化目标是：时间、柔性、质量、成本、生态和社会性。组织结构的自相似性强调自主，目标的自相似性强调自律。分形企业通过自律和自主的统一实现了效率和柔性的统一。分形企业在自相似的基础上具有自组织性的特点，具体表现为（Warnecke，1993）：

·自监控。产品质量、数量、效率和性能等方面的自监控。

·自调控。企业能力利用、资源配置和评价的自调控。

·自确定。工作时间、生产方式等的自确定。

·自治性。生产安排和控制的自主自治。

·自优化。在分形企业中，各个子系统在企业的总体目标下，自主寻求局部最优解，相互通过消息进行磋商和协调，得到企业的满意解。自优化不是个人行为的协调和控制，而是分形的面向结果的整体优化。

智能制造的分布自治制造技术降低了制造系统的复杂性，使得分布自治制造单元能够完成复杂制造功能，帮助实现就近制造的目的。

（3）智能加工装备。其特点是：

1）功能复合化和集中化。工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度。由于产品开发周期愈来愈短，对制造速度的要求也相应提高，机床也朝高效能发展。机床已逐渐发展成为系统化产品。其优化目标是一台机器就是一个工厂，几乎所有的功能都能在一台机器上加工完成。例如，德国Index公司推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。

2）自适应性。能快速适应各种不同的零件的加工需要。

3）智能性。具有主动振动控制、智能热屏障、智能防撞屏障、智能故障自诊断与自修复、智能故障回放和故障仿真、加工过程自适应控制、加工参数的智能优化与选择、智能化交流伺服驱动、

4）一体化。将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。

图2.12描述了智能制造是如何支持智能城市结构布局优化的。

图2.12　智能制造技术有助于城市结构布局优化