【深度】工业4.0与世界经济未来：概述（三）(图)
【看中国2017年2月18日讯】（接前文）
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 System，GIS），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。结合地理学与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 service，GIS）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 RTK（Real-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、3D和4D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
在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2016年3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。
（待续， 中国经济文化研究所供稿）
(文章仅代表作者个人立场和观点)