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【深度】工業4.0與世界經濟未來:概述(三)(圖)

2017-02-18 10:00 作者:生於0715 桌面版 简体 0
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【看中國2017年2月18日訊】(接前文)

3、 改變和顛覆農業、礦業、製造業和服務業模式

工業4.0不僅是技術革命,更是管理流程革命,商業模式革命。舊的酒袋子裝新酒,很容易破裂,所以需要新的酒袋子裝新酒。新技術雖然是工業4.0的核心驅動力,但是在更廣的層面,必須以新的商業模式和管理流程整合。通過商業模式和管理創新,發揮出新技術的力量,大規模改變既有產業系統。

A、支持農業效率提高

農業是人類歷史上的主導經濟模式。到二戰之前,世界絕大多數地區仍然以農業經濟為主。到21世紀初,中國加入WTO後,已經印度經濟增長,隨後中國在非洲大肆開發礦產,才意味著世界多數人口依賴工業經濟。進入21世紀,雖然農業佔據世界經濟的比例已經較小,但仍然是經濟的基礎,所有經濟的發展源頭。

農業是最為綜合的經濟形態。農業既需要靠天、靠地和靠水吃飯,由社會民眾的文明發達程度所決定,並且與人口密度緊密相關。在世界範圍內,農業強國主要有美國、日本、歐洲各國和以色列。這些國家依靠自己的知識儲備,結合本國的特點,發展出各具特色的農業模式。 目前,有機農業在這些國家成為熱點,各種有機農業的發展迅猛。其中,樸門農業(Permaculture ,永續培養)作為新的理念,致力於建立完整繁茂的小型自然生態系統,其理念得到推廣,並且出現一些成功案例。

發達國家的農業隨時應用最先進的技術,農業創新技術不斷湧現。在英國工業革命期間,農業革命也在同時發生。因為運用新技術和植物,人工和土地的生產率大幅提高,農業產出獲得極大提升,也支持英國人口迅猛增加。當大量的農產品和農村人口湧向城市,支持英國工業革命的進程。從這個角度,農業革命是工業革命的基礎,沒有農業革命就沒有工業革命。在發達國家,農業技術基本與工業技術同步,工業的進步隨時應用到農業上。

隨著技術的不斷提升,農業日趨向兩個方向發展:一是追求效率/數量,通過提升自動化和智能化水平,農業效率和產出不斷提高,單位成本降低,以供應更多的人口消費。 工業4.0時代,能夠在降低對環境衝擊的同時,繼續提升農業產量,二是追求質量,依靠有機/自然化模式,通過保護環境和靠天吃飯,得到更加自然健康美味的農產品,代價是產量難以提升。

在工業4.0時代,農業創新將持續,以物聯網為架構的智慧型農業發展成為主要方向。 大致上,智慧型農業的創新可以歸結為以下幾方面:

a、不斷推進農業市場化的深度。加強農業生產與市場需求的聯繫,提高市場運營效率,減少反覆出現的短缺/滯銷問題。例如,美國農民以經營中型農場為主,自主決策,自負盈虧。越來越多的美國農民隨時上網,瞭解和分析各種因素影響,制定自己的經營決策。 而且,有的地區農民建立協作網路,參與農產品期貨市場的套期保值,鎖定自己的收益。 而在日本,政府和農協將農民組織起來,建立一個完整的農產品銷售的農超對接模式,建立發達的信息網路,完善農業科技生產的信息系統,加強對於農民的計算機培訓(尤其是對老年農民的培訓),幫助農民隨時瞭解農業信息和市場狀況。

b、生產流程創新和整合。通過這樣的方式,極大節約人工成本,增加果蔬等產品的產量。自古以來,農業生產流程都是人按照土地的模式耕作,人跟著土地走。隨著自動化技術的發展,農業開始大規模的流程創新,一些果蔬種類的種植不再以土地為主導,而是以農業機械為主導。 德國在果蔬種植上,做出不少創新機械。例如,在種植上,不再是機械適用土地,而是改造土地,以適應機械。經過改造的土地,不論種植和採摘,都可以通過農業機械完成,節約大量的人工成本。

而更加普及的,是大棚種植技術的全自動化發展模式。大棚自動化包括幾部分:i、大棚技術自動化,包括自動化控制大棚的光照、溫度、濕度等一系列種植條件的自動化。ii、種植作業自動化,在蔬菜園藝的種苗育苗上,應用已經相當廣泛。作業設備對模塊化種植箱的種苗培育的整個過程,進行自動化操作。自動化育苗的效率,比人工育苗提高起碼20倍以上。一些蔬菜的完整成長過程,可以在大棚內完成。在人收割蔬菜時,不需要彎腰低頭在地上收割。而是,機械將種植箱通過傳送帶,送到人的面前,將生產流程變成土地到人面前。人能夠以較為舒服的姿勢,快速收割蔬菜。 通過這樣的方式,顯著提高蔬菜收割效率。 

在工業4.0時代,農業智能化將進一步深入,不斷提升作業效率。隨著工業4.0的深入,農業自動化設備的價格將不斷降低,而且配備智能化系統的設備,也具有更廣泛的適用性,即銷售客戶端適用性研發的成本顯著降低。 在戶外,農業機械將進一步智能化,流程設計可以更廣泛應用,果蔬的種植和收割能力更強,人工成本可以繼續下降。大棚農業的一體化智能系統越來越普遍,通過更強大的計算機智能應用,可以創造更加適宜和精確的溫度、濕度、土壤、養分和灌溉,加速種苗和果蔬花卉的生長週期,降低單位種植成本。如果將不同大棚的各項種植數據進行匯總,以機器智能化學習模式進行分析、總結和實驗,可以不斷提高大棚的種植產出。

c、在既有流程上,生產更精確和更靈活。更精確的農業生產,適合大規模糧食種植。目前,在大規模糧食種植上,過度使用轉基因、化肥、農藥和激素過度使用,耗水量巨大,而且加速土壤消耗。例如,北美的土壤層普遍較薄,在過去100多年的耕作過程中,有的土地已經消耗了一半的土壤。 而且,過度用水,也導致北美的地下水嚴重下降。在未來,藉助物聯網功能和自動化生產設備,可以更精確地分析土壤狀態,實施更精確的耕作計畫,減少各種化學品、土壤和水的消耗。

在農作物田間管理方面,智能化應用日益廣泛。對於大面積種植的作物,田間管理任務繁重。針對這樣的狀況,智能管理系統和服務不斷發展。 例如,某公司將專業農作物遙感信息處理系統與無人機相結合,提供農作物生長情況調查解決方案。無人機載的遙感系統快速飛過農田,快速拍攝大範圍土地實時圖像,整體快速處理各種數據,對農作物生長狀況進行直觀評估,幫助農民發現問題,可以直觀針對性解決問題。隨著這樣的服務普及,農民能夠以更低的成本,更好地進行田間管理,提高產出效益。

在畜牧業等領域,各種新的智能化設備可以大量使用,靈活應對不同情況,提高畜牧產品的質量和售價,降低畜牧業的人工成本。 目前,先進的畜牧業國家已經在很大程度上實現機械化和半自動化。隨著信息技術的提升,更多自動化和智能化設備的使用,滿足畜牧業的多樣化需求,進一步提高畜牧業的產量和質量,並且降低人工成本。

d、進一步整合農業和食品加工業,尤其是解決兩者的銜接部分,能夠降低人工成本,並大幅減少浪費,提高加工食品的質量可靠性。 現代農業的一個關鍵環節,就是將生產農產品轉變成銷售農產品,並變成加工食品。例如,土豆在收穫後,通過機械化手段,將裹著泥的土豆變成非常乾淨的土豆,既極大節約土壤,又便於銷售。 經過機械加工,將土豆變成薯條,供應超市和餐館,作為炸薯條的原料,也是農業和食品加工業銜接的重要一環。隨著自動化和智能化的發展,蔬菜、水果和茶葉等農產品的自動分揀/分級和自動裝箱/包裝的自動設備,越來越普及。與人工分揀和包裝相比,自動化/智能化設備既能夠保障分級的精確性,有能夠保障農產品的質量水平,同時節約大量的人工。在未來,隨著智能化水平提升,自動化分揀包裝的種類越來越多,而且能夠進一步整合農產品收穫、市場化整理、以及食品化初步加工的操作,達到節約資源,提高效率,降低人工成本的目的。

B、推動礦業發展

礦業是工業的基礎,工業反過來支持礦業發展。在過去100多年,礦業從普及機械化,進而發展自動化,將在工業4.0時代升級到智能化。 礦業自動化和智能化發展,主要包括礦產勘探測繪、礦產開發和安全保障。

a、勘測是智能化應用最多的領域,目前主要依靠智能化手段推動行業發展。

勘測和探礦技術是礦業的靈魂。勘探理論和技術水平的高低,直接決定勘測準確性、勘探效率、礦產開發效率和效益。在傳統上,勘探技術落後,找礦主要分為兩種方式,依靠經驗和依靠理論。經驗是根據已經找到的礦床,分析和推測礦床特點和儲量;理論則是根據礦床的理論成因,推測某些礦產的存在,以及大致儲量。

二戰後,勘探技術水平快速提高,成為找礦的主導方式。發達國家不斷利用信息化勘測新技術,以及先進的探礦手段,進行系統找礦的工作。到1995年,新礦70%以上,主要依靠新的勘探技術實現。隨著信息技術進步,找礦技術越來越起到主導作用。勘探技術不僅用於找到礦床,更精確定位整個礦區,支持礦區的精確規劃和開發。在老舊礦區中,可以通過先進勘探技術,找到新礦,或者更精細進行礦區作業,最大化實現採礦效益。

信息化勘測技術主要指地理信息技術,更高效和更準確地尋找礦產。地理信息技術主要包括三大部分(3S 系統):地理信息系統(Geographic Information System,GIS),GPS定位,以及遙感(RS)技術。

GIS 是礦業智能化的代表,本身超越礦業。結合地理學與地圖學以及遙感和計算機科學,已經廣泛的應用在不同的領域,是用於輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統,近年, "地理信息服務"(Geographic Information service,GIS)出現,對空間信息進行分析和處理,就是將地球上存在的現象和發生的事件進行成圖和分析。 當地圖的視覺化效果、地理分析功能、以及大數據系統集成在一起,形成強大的工具。

1967年,羅傑·湯姆林森博士開發加拿大地理信息系統(CGIS ),成為世界上第一個真正投入應用的地理信息系統。CGIS用於存儲,分析和利用加拿大土地統計局蒐集的信息,利用關於土壤、農業、休閑,野生動物、水禽、林業和土地利用的地理信息,並增設了等級分類因素來進行分析,以確定加拿大農村的土地能力。

大致上,GIS有不同的產品,包括自然資源系統、城市信息系統、發展規劃系統、土地管理系統等,供不同的需求者的查詢需求。而實現這些產品功能,需要幾個主要步驟,包括資料庫和數據建模,數據輸入,數據處理和整合,系統轉換與整合,空間分析。目前,這些步驟中,操作工具和模式都較為原始,有很大的提升空間。尤其在數據輸入和編輯勘誤部分,大量工作仍然是人工完成,佔用GIS操作者的大量時間。 隨著智能化工具的不斷更新,各個步驟將得到顯著的效率提升,而且功能更強大。另外,隨著數據雲發展和手持智能終端的普及,新的軟體也在開發,供民眾也可以方便下載使用GIS的產品。

GPS 在礦產勘測和規劃中,已經能夠達到厘米級的精確定位。目前,礦業積極採用動態差分法進行實時衛星定位,即GPS RTK(Real-Time Kinematic)。  GPS RTK依靠衛星定位,以非常簡單的智能化設備,包括一個基站和若干移動站。RTK操作簡單,需要的人員數量少,克服各種地形問題,也不存在多次距離測量後出現的累積性偏差。在勘測中,少數測量人員進行精確定位,可以繪製精確的礦區地形,根據礦區的整體規劃,建立平面和高程測量控制網,並且提供準確的三維坐標。RTK 進而對礦區規劃中的具體功能部分,進行精確的定位,支持具體的工程實施。

遙感技術是大範圍找尋淺層礦床的重要手段。遙感找礦的主要方式是,通過地質地貌的特徵,推斷礦產特點。 遙感的找礦模式,主要依靠形狀和顏色。形狀主要指地貌中的線條紋理等與其它地形不同之處,包括不同的斷裂帶、岩體構成、火山盆地等形狀特點,支持不同的探礦理論。顏色則是不同性質的礦床,通過地表和植物的顏色反映出來。 遙感的問題在於,由於遙感模式和技術問題,導致影像模糊,對於地形地貌表現不明顯的礦床,難以進行較為準確的辨認。在工業4.0時代,遙感的硬體技術將獲得進一步發展,影像表現更清晰。另外,遙感系統的模糊現象無法消除,而探礦者經常無法分辨是模糊作用導致的線條紋理,還是真的線條紋理被模糊了。 在這種情況下,需要強大的資料庫和信息軟體系統,一是將對圖片進行清晰化處理,儘可能清除遙感本身造成的干擾,明確是真的還是假的線條紋理;二是結合資料庫的其它信息數據,進行多方面數據信息對比,與遙感結果進行配合驗證。

在探礦工程中,越來越多的新技術被應用在實踐中。 傳統的勘探技術包括鑽探工程和坑探工程。在早期,設備質量低導致事故率高,大量的輔助工作耗費大多數時間和精力,缺乏對複雜地質結構的全面解析,導致採礦施工中的嚴重事故。隨著新技術新材料的使用,電、磁、射線、震等各種勘探技術應用在探礦工程中。而且,物探儀器不斷推陳出新,向高科技智能化發展,即更高靈敏度、高解析度、高精確度、3D和4D化,多方法同時實施,多參數彙集測繪,而且計算機對數據流進行動態實時監控處理和輸出。通過智能化手段,與鑽探和坑探工程相結合,能夠更準確和精精確探明複雜的地質條件。而且,勘探技術越來越直觀,成本不斷降低,精度不斷提高。

例如,從1970年代開始,槽波地震技術開始出現,成為探礦工程中的一項重要技術。隨著信息技術發展,地震技術從數字化向3D顯示,虛擬現實和網際網路協作等方向發展。這些技術應用意味著,勘探人員能夠直觀看到地質勘探結果,並且可以研究和預測可能遇到的問題,而且得到的結果更精確。在工業4.0時代,大數據和人工智慧將相關勘探工程技術帶入新的階段,支持技術的發展升級。

地質勘測行業的從業人員正在經歷革命性變革。礦業勘探是地質勘探測量行業的代表,其變化也代表地質勘探行業的變化。隨著工業發展和全球化經濟繁榮,地質勘探行業成為一個較為龐大的行業,包括各類測繪和勘探人員。隨著工業4.0的發展,勘測人員的數量將大幅減少。大量實地工作可以通過自動化和智能化的手段,進行減少和簡化。當然,勘測人員仍然需要做大量的實地工作。但是,這些實地勘測工作不再需要幾十個人的大測量隊,而是幾個人攜帶先進設備即可以完成。在未來,少數專業人員不僅具有勘測專業知識,而且熟練高效率使用最新技術設備,實現更優的勘測結果。

b、採礦業將不斷應用最新技術和設備,提升作業效率,確保作業安全

在20世紀,發達國家採礦業走過普及機械化,應用自動化,測試智能化的過程。在21世紀,隨著4.0進程的深入,自動化設備將大規模普及,智能化設備應用越來越多。

從作業流程的角度,採礦業必須依靠特定的地質條件,根據不同的地質條件,進行相應的開採設計規劃和實施。由於不同國家的經濟技術水平不同,採礦的專業化和設備水平不同。另外,由於地質條件複雜,不同礦產存在極大的差異,採礦設備也因此具有顯著不同。越是難開採的礦床,應用機械化的難度往往也越大。兩個不同交錯起來,形成顯著的採礦設備、流程和人工差異。

進入工業4.0時代,採礦業將更進一步,大規模向自動化和智能化轉型。在1980年代,先進國家已經開始實現無人的自動化採礦作業,未來將更加普及。自動化的標誌是成套設備系統操作,設備無軌化,操作計算機化,而且輔助設備的多功能化和普遍化。在設備出故障時,可以通過計算機診斷,迅速鎖定故障。在自動化操作下,實現作業連續化,包括連續掘進設備、硬岩連續採礦機/長短壁連續採煤機,跟隨硬岩採礦機的連續移動式破碎機、連續作業的自行礦車等。在整個作業過程中,實現開鑿、破碎、裝卸、運輸、提升、排水、通風、供電等全過程的自動化系統控制,實現無人現場看守,井上遙控作業的操作。隨著深層開採的增加,自動化和智能化系統操作日益增加。

頁岩氣革命基本與工業4.0的概念提出同步,可以看作工業4.0在礦產開採上的廣泛應用。指在特定美國開始頁岩油氣開採,屬於特別技術的專業開採,在近年不斷利用先進的自動化和智能化技術,引發了號稱的頁岩油氣革命。一個重要領域頁岩氣的大量低價開採和銷售,抑制了國際高油價,大幅抑制美國的貿易赤字。 而頁岩油氣的開採以水壓裂解法,主要依賴自動化和智能化設備。不論在鑽井技術、測井技術、現場測試技術、固井技術、完井技術、儲層改造技術、生產與管理系統等綜合技術和管理上,不斷創新操作技術,提高自動化、系統化和智能化的水平。通過智能化水平提升,頁岩油氣的開採成本不斷下降,節約開採時間,增加重複壓裂,提高採集率,提高可開採儲量,並且控制對環境可能造成的損害性影響。

市場應變能力,也是智能化的一個重要里程碑。隨著綜合技術和管理的完善,頁岩油氣技術應對市場變化的能力也顯著提高。根據估計,美國頁岩油氣的生產成本在30-60美元。在2014-2015年,OPEC大規模增產原油,試圖將油價推到極低的價位,期貨市場兩度跌穿30美元,以打垮美國頁岩油氣生產。在石油價格暴跌後,美國頁岩油氣鑽井數量減少三分之二,但是生產總量減少有限。原因在於,美國擁有新的技術,隨時對高成本油井進行封井,將生產集中在低成本高產出的油井上,並且與設備供應商商談更低的租賃價格,以經濟管理手段應對市場變化。而且,鑽井公司利用新技術,以同步壓裂的方法,大幅提升第一年的產出,產出的提升明顯降低單位成本,以技術手段應對市場驟變。雖然第二年後的產出驟減,但是由於縮短油井壽命,提高工作效率,減少鑽井設備的佔用,實現綜合的成本降低。2016年,OPEC看到價格戰效果不明顯,只能宣布共同減產,以提升油價。美國生產商在生存下來後,鑽井也相應增加生產,出產更多的原油和天然氣,獲得收入和利潤。

在深層礦井和深海礦產開採中,智能化變得日益重要。隨著淺層礦產逐漸枯竭,深層開採越來越多。南非有的礦井深度達到數千米,中國也出現一些千米深度的礦井。在深層礦井中,由於岩體變軟,容易出現岩爆和礦井事故。在深層礦井中,全套自動化設備成為必需,智能化程度不斷提升,有的國家甚至朝著無人礦井的方向努力。 當涉及到深海礦產,智能化已經全面應用,屬於典型的工業4.0領域。美國和日本是深海探測的領先國家,目前已經實現機器人的智能探測。 機器人可以通過遙控操作,也可以實現自主操作,蒐集海床的數據和樣品。

機械化、自動化和智能化的主要作用是,減少人工成本,並提高生產安全性。而安全性本身,也意味著人工成本。在21世紀初,美國煤礦的機械化率差不多達到100%;中國的大型國企機械化率接近75%,機械化綜採率接近50%;中國整體的煤炭生產非機械化率為65%,即將近三分之二為非機械化。中國660多萬從業人員,採煤10億多噸,而美國10萬人採煤近10億噸。 在美國礦井作業中,大型重工設備、連續採煤機、遙控採煤、無人值守液壓支架電液系統等機械化和自動化設備的應用,顯著提升井下作業的安全度。2009年以後,中國官方以提高效率和安全的口號,實施煤礦的大型國企整合小型煤礦企業,號稱提高機械化率。但是,根據彭博信息公司2016年3月的研究報告,中國的大型煤炭集團人均年產量約1730噸,只相當於美國的5.6%、印尼的20.6%。而中國煤炭行業整體的人均年產量更低,僅為630噸。美國綜採礦井的20萬工時的工傷率為5人,世界最低。而中國的工傷數字則是秘密,實際估計達到幾十倍以上。

人工成本佔礦業的大部分。 雖然從表面上,礦業機械化、自動化和智能化的初始投資巨大,運行中的設備折舊金額巨大;但是與人工相比,高技術設備讓採礦擁有更強的競爭力。2012年以後,中國煤炭進口數量激增,價格持續下跌,基本壓垮了中國各大中小煤礦。而人工極高的美國煤礦,將煤炭用火車運到港口,再船運到中國主要港口,都能夠獲利,反映出美國煤礦的競爭力。同理,美國頁岩油氣生產商,雖然因為地質條件複雜,開採成本達到中東石油的5倍,但是運用自動化和智能化設備,生產成本不斷降低,而且靈活應對市場競爭。

(待續, 中國經濟文化研究所供稿)

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