创造更强劲的未来报告: 新兴技术和未来工厂

2015年02月04日 09:00 CEST

作者: 牛津大学女王学院和华威大学华威制造集团的 Peter J Dobson OBE 教授。

全球制造业在过去二十年里发生了突破性的变化,那些嘈杂肮脏、使用过时工具以及仅依赖落后工作方法的工厂已经不复存在。 即使在大规模工程制造业中,显而易见,工作场所也变得更加清洁、更有条理。 这些变化很大程度上得益于高效率、高品质以及低成本方法的进步。

现如今我们要提出的问题是: 新兴技术和传统技术的发展将怎样改变工厂未来的形态和结构? 随着信息和通讯技术 (ICT) 的广泛使用,技术应用逐渐呈现出一个多元化的融合,我们对制造业的态度也在慢慢改变,其中包括未来劳动力的发展以及培养方式。

新兴技术

信息和通讯技术的复杂性及重要性日益增长,已不容忽视。 流程能够被监测和控制。 生产流程中输入和输出的存货是能够被追踪的,同时这些数据能够最大限度地发挥其效能。 在工厂中使用的设备可以被持续监测,这能够并将极大程度地降低维护及停机时间所产生的成本。 这样也可以降低人为失误的可能性 (Dhillon 2014)。

设计流程本身已经发生了改变,设计人员数量得以大量减少,相应基础设施的偏差也大幅降低。 这样一来,那些服务数个制造业单位的在家办公和专业的设计团队或者的公司的数量都有了明显上升。 工程师对“设计”一词的引用更为频繁。 设计将慢慢变成工程学更多分支的一部分,毫无疑问它对各个级别的教育也将产生相当巨大的影响。

在新兴技术之中,生物科技随着系统与合成生物学的新发展而得到加强,纳米技术也随之产生,并运用到材料、医学、能源和其他领域。 现在,我们可以预测这样一种未来需求:一种可以创造以及调整人类细胞的新型工厂。

生物科技已经在工厂内开始占据一席之地,但是它在规模以及范围方面变数还很大。 现在,已经出现大规模的生物农作物转化为非食物产品和能源的业务,同时,也有小规模高科技工厂在制造纯酵素、纯蛋白质以及纯生物分子,用作医学以及其他用途。 尽管目前公众关注的焦点还是转基因,但是这些业务将会慢慢扩大。 影响这些业务的一个普遍因素就是跨学科活动日益增长的重要性,以及对化学和工艺工程师日渐增长的需要。

其中“干细胞工厂发展”很有可能取得新的突破,未来它很有可能“取代器官工厂”。 虽然,这些工厂的商业模式、规划和建造还有待探索。 生物科技世界很容易受到外来微生物、病毒和真菌物种的污染。 因而优质的清洁和保洁工作至关重要,绝大多数的生物科技工厂都已拥有或将会创造无菌的操作环境,以及谨慎的废水排放程序。

和其他许多化学工艺一样,这些工厂将尽一切努力最大限度地利用废水,其中包括将热能以及二氧化碳运用到工厂的其他流程当中去。 这种零污染和最大程度提高热效率的追求正在慢慢地融入流程工程师的理念中。 从废热能、流体流动或振动中获取能量,并为现在工厂里集成的传感器提供电能的做法正在兴起,它有助于淘汰电缆需求而最大程度利用无线遥测,这个做法就是很好的例子。 

纳米技术是一种极具潜力的技术,它可以通过增量方法给材料发展带来相当显著的改进和变化,同时也可以给那些使用节能灯、利用新能源储备和转化以及纳米医学比较发达的地区带来真正意义上的变革。 未来将会有大规模扩张的需求,因为只有这样做纳米粒子以及其他的纳米结构才能够在严格控制的条件下大批量生产,然后再把它们合并到材料和产品当中去。 这个“旅程”才刚刚开始。 我们已经意识到,纳米粒子可能会不经意地被释放到环境或者工作场所当中去,成为潜在危害,因而它们的使用将会被严格控制,同时也会产生一种有效控制未来工厂废水排放的新方法。 此外,即使我们目前正着眼于渐进式改进,但是我们还是不得不先解决引进新纳米复合材料的经济效益问题。 在许多行业中,“成本就是王道”已经成为一个主要的模式,市场将会判断是否值得仅仅因业绩的小幅增长而付出制造业成本增加的代价。 制造业产品生命周期分析将会有更详细的阐述。 这在复合材料领域已经变得越来越显而易见,因为这类材料很难从原材料中复原,然后再循环使用。 随着资源慢慢变得稀缺,这将导致循环利用工厂这类新概念的出现。

将需要运用新工厂概念的行业:

医药行业将有可能很快经历根本性的变革。 许多制新药的传统方法将会被保留,但是为了保证质量和降低成本,这个程序将会变得越来越自动化,并并采用更多的仪器设备。 纳米技术关于合成药物交付和诊断新方法的引进,将尤其会为制造业产品带来重要变化。 这个过程是阶梯式的,首先是为了延长现存配方的寿命,然后再通过纳米粒子或者是纳米胶囊运送药物。 这对于吸入药物来讲尤其真实可信。 所有这样的纳米粒子也将会有一个相对复杂的目标识别表层来确保它们能够准确地到达身体的某一部位。 让工厂程序按这样的方式再生产,并以满足管理者的需求方式运作还是颇具有挑战性的。

能源行业将需要新的制造方法。 纳米粒子以及许多生物科技将会成为储存和产生能源新方法的关键所在。 大多数新电池的进步和发展在很大程度上是因为有着储存以及释放带电离子性能的新材料的发展。 这要求这种新型碳基复合材料能具有很巨大的内表面,且安装到电池中。 这类材料的推动因素不只来自混合动力和电力汽车行业,也来自能源储存领域尤其是间歇可再生能源,如风能和太阳能中日益广泛的运用。 日渐复杂的结构形式越来越需要具有催化作用的纳米粒子。 在利用催化剂和反应堆来帮助“多余电能”转换为天然气,或者通过电解法或水的光电解法制取氢气以及从二氧化碳和水中制取甲烷方面都有巨大潜力。 气液转化将需要催化剂和新型专门反应器,因为,无论人们是否喜欢,碳氢燃料是输入能量的一种非常有效的方法。



运输和汽车行业将对新材料提出非常挑战性的要求,新材料在减轻重量的同时必须能保持强度和完整性。 目前,在不少车辆上,钢铁已被换为铝以实现轻量化,这一综合性变化可能会持续。 使用复合材料来代替钢的作用是是特别具有挑战性的,原因在于先前提到的回收问题。 从目前汽车和建筑行业的废热中回收能量将引发新型热泵等能源转换器的发明。

培训:

很显然,为员工开展适应未来工厂需求的培训非常切实和迫切。 在欧洲,如“Manufuture”等诸多项目已被提出,同时,Mavrikios 等人 (2013) 很好地总结了欧洲与美国和日本的对比情况。 Secundo 等人 (2013) 在一篇论文中整理并分析了这方面的全球趋势。 很明确地指出了保护稀缺资源的社会需求,也考虑到了气候变化和扶贫。 他们还确定了由欧洲、日本、韩国、美国和瑞士开展的“Manufuture”和 IMS2020 项目,旨在解决了所有这些问题以及标准化问题、创新,以及能力发展和教育的所有重要方面。

举例来说,英国就正在多个层次设立培训机制。 英国正在通过实习方式为早期技能培训增加其培训能力,同时他们正在建立新型特殊的大学科技学院,与继续教育学院互为补充。 在更高的大学毕业生层次,设立了几个专门的博士生培养中心。 目前在英国和其他地方的差距可能在岗位经验阶段和提供继续职业发展课程方面。 坦率地说,这个问题也需要加以解决。

EPSRC 最近推出了非常有针对性的项目,以加速培训和制造领域的知识转移,并创建了 16 个新的创新制造中心。 这一对初级技术准备度(1-3 级)研究和开发的准备措施进一步完善了英国创新机构 InnovateUK 的 Catapult 项目,Catapult 项目主要涉及更高的 TRL 级别。 目前,按照上述目的设立的中心在英国共有 7 个,获得了超过 6 年期的 1 亿 4 千万英镑的投资。

目前为止尚未涉及的另一方面是保持我们未来工厂运营的问题。 多年来,某种形式的状态监测或预防性维护措施已经被采纳,特别是在航空和汽车行业。 随着制造流程变得更加多样化和自动化,消除工厂故障,特别是人为错误将变得很有必要。 Dhillon (2014)最新的一篇论文中很好地描述了该问题。

有哪些旨在帮助发展未来工厂的区域和国家政策正在萌芽?

人们已经对这个问题形成了广泛的共识,并似乎有一个共同的目标:发展。

欧盟委员会已经发行了由欧洲未来工厂研究会委托撰写的文档: “未来的工厂”,列出了其 2020 展望计划的详细发展蓝图。 本文涉及面非常广泛,包括技术、社会和组织方面。

英国政府已发布一份政府委托撰写的文档,作为其制造业之未来远见计划的一部分: 《未来的工厂》(Ridgeway 等人(2013))。 本文推荐以下内容:
  • 更强的供应链整合
  • 工业和英国大学之间更紧密地合作
  • 着眼于组织和技术创新
  • 系统整合式观点
  • 可重新配置的工厂和业务的设计
  • 对新工厂有利的监管框架,尤其是在生命科学领域
  • 英国促进创新和鼓励人才发展的愿景
  • 改变文化的意识。

有确凿证据显示,为创造未来工厂的区域政策正开始得以推行。 例如,模块化的“即插即用”概念在德国的拜耳技术服务站应用于化工生产,由欧盟提供资金支持。 在路德维希港的大型 BASF 化工生产基地就是一个完全的集成制造例子,他们的废料排放量或能源消耗量都很小

显然,建造这些未来工厂的使命现已就绪,我们将在这个激动人心和充满挑战的时代里实现这个使命。

参考资料:
Mavrikios D、Papakostas N、Mourtzis D 和 Chryssolouris G. (2013)。 论未来工厂的工业学习与培训: 概念、认知和技术性框架。 J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014)。 维护中的认为错误: 未来工厂调查研究。 《材料科学与工程》。 65, 012031.

Ridgway K、 Clegg CW、Williams DJ. (2013)。 《未来的工厂》。 ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G、Passiante G、 Romano A 和 Moliterni P (2013) 为智能和可持续生产培养新一代工程师: 案例研究。 《国际工程教育杂志》 29, 248。

【末】

Peter Dobson 个人简介

Peter 是制造、先进材料和纳米技术方面的权威专家。 目前,他是华威大学旗下华威制造集团的首席研究员,负责多个 EPSRC 小组和委员会,并为多个行业提供咨询服务。 从 2002 年到 2013 年,他主管在牛津大学的柏格布洛克科技园,同时,他已经成立了多家衍生公司。 Peter 因他在服务科学与工程领域的杰出贡献于 2013 年被授予 OBE 勋章,他在同一年从牛津大学退休,在那里他曾经担任英国科研委员会纳米技术部门的战略顾问(2009 - 2013 年)。

P J Dobson,理学士,硕士(牛津大学),博士,C Phys,F Inst P,ACS 成员,学院院士。

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