全球灯塔工厂发展态势研究
2023-10-16 来源：新工业网
随着新一轮科技革命和产业变革的不断推进，人工智能（AI）、大数据、区块链等新一代信息通信技术与实体经济部门的融合发展为社会经济带来了新的发展机遇。自第四次工业革命（工业4.0）概念被推出以来，在数字化转型方面处于领先的企业受益于工业4.0所带来的技术、政策利好，同时也以规模化扩张运营、扩大市场份额、积极参与竞争等方式发挥影响力，促进了其他企业的数字化转型。
在这样的背景下，全球灯塔网络（Lighthouse Network）应运而生。灯塔工厂的产生与工业4.0之间有密切的联系。工业4.0的基本思想是数字世界和物理世界的深度融合，通过建立信息-物理系统（CyberPhysical System，CPS）指导实体空间的具体活动，实现知识的积累、组织、增长与应用，进而促进工业资产的全面智能化。灯塔工厂的具体实践正是体现了工业4.0的基本思想和工业资产的智能化愿景。
1 灯塔工厂的概念与遴选标准
从全球布局来看，各个国家的灯塔工厂依旧是凤毛麟角，它们在使用工业4.0技术改造工厂、价值链和商业模式等方面发挥着领导作用，以获得可观的经济收益。以下介绍灯塔工厂的概念与遴选标准。
1.1 灯塔工厂的概念
灯塔工厂是指规模化应用工业4.0技术的真实生产场所，是数字化制造和全球化工业4.0的示范者，拥有工业4.0的所有必备特征。被称为灯塔工厂的企业通常在某个或某些方面对于应用工业4.0技术和管理模式取得了重要突破。
对灯塔工厂的筛选及评审是在世界经济论坛（World Economic Forum，WEF）与麦肯锡公司（McKinsey& Company）联合创办的全球灯塔网络项目上开展的。自2018年起，WEF与麦肯锡公司在全球发起评选灯塔工厂项目，聚集行业领先企业，寻找制造业中智能化、数字化转型的典范，并形成白皮书，介绍这些典型企业的数字化转型经验，至今已发布7份。本文主要根据这7份白皮书，介绍灯塔工厂的发展态势。
1.2 灯塔工厂的遴选标准
灯塔工厂的遴选标准并非一成不变。 2019年的遴选标准侧重于使用“端到端价值链打通”（“E2E”）的工厂。典型的企业如上汽大通（SAIC Maxus），通过数字方法实现了车辆的大规模生产定制，为消费者带来了优质的服务。
2020年新入选的10家工厂都在制造和供应链领域实现了4个持续的转变：敏捷性&以消费者为中心；供应链弹性；速度&产量；生态效益。
2021年，逆全球化的趋势继续倒逼制造业转型，灯塔工厂在数量、地域分布以及创新技术的使用上皆进一步拓展。该年度遴选标准侧重于“sustainability”（可持续），例如爱立信（美国）、施耐德电气（美国）和汉高（德国）这3家工厂被指定为可持续发展灯塔工厂。
2022年的灯塔工厂遴选标准着重于“responsible”（负责任）。这里的“负责任”是指本地制造有责任维持供应链弹性，努力在国际局势动荡和经济发展停滞条件下吸引员工并维持运营，履行可持续性承诺，加速向可再生能源过渡，解决能源市场中断问题。典型的企业有施耐德电气、西部数据。
2023年入选的灯塔工厂在清晰的、价值驱动的战略方面显著领先于其他工厂。灯塔工厂对扩大生产网络的时间安排更加清醒和现实，扩张速度比非灯塔工厂要快，例如重型设备制造商三一重工（Sany HeavyIndustry）已在43个地点并行部署AI、工业物联网和自动化用例。
2 灯塔工厂的分布与业务制造模式
目前，全球灯塔网络已初步形成一个先进制造商社区，在地域、行业和价值链上分布广泛，在业务制造模式上不断探索。
2.1 灯塔工厂的分布
截至2023年1月，全球灯塔网络已有132个成员，相较2018年发布的首批9家灯塔工厂已增加了约14倍。如表1所示，灯塔工厂在地域和行业上都有广泛分布。从地域分布来看，灯塔工厂遍布美洲、欧洲、亚洲、中东等全球多个国家和地区。这说明工业4.0技术并非发达经济体的专属领域。例如，中国目前共拥有50家灯塔工厂，占比超过全球灯塔工厂的1/3，为世界第一，是目前灯塔工厂网络的领导者之一。
表1 全球132家灯塔工厂地域和行业分布
从行业分布来看，灯塔工厂广泛分布于汽车、电子电气、半导体、工业设备、钢铁制品、制药、医疗设备、家用电器、消费品等多个领域。灯塔工厂所在行业的多样性说明有效的工业4.0创新和战略转变在传统制造业和新兴行业都很重要，而且这些创新策略并不仅仅属于某几个特定行业。
此外，灯塔工厂覆盖了几乎所有规模的制造工厂和价值链，从超过10 000名员工的工厂到员工人数少于100名的工厂，都可以通过采用工业4.0技术实现突破，即工业4.0技术对于不同规模的制造商来说都是至关重要的和可实现的。
2.2 灯塔工厂的业务制造模式
灯塔工厂的发展经历了业务制造模式的不断创新。虽然灯塔工厂的转型方法各不相同，但在同一行业内呈现出相近的规律。根据行业分类的不同，灯塔工厂可分为4种业务制造模式（图1）。
图1 灯塔工厂的4种业务制造模式
具体来说，以服装、日用品、食品饮料为代表的消费品行业，注重产品快速开发、个性化定制、快捷交付、库存管理；以钢铁、石化为代表的流程工业，灯塔工厂更关注精益生产，提高能源使用效率，实现可持续发展；电子行业灯塔工厂关注设备自动化水平、柔性生产模式和绿色发展；医药行业倾向于通过数字化、智能化技术降低成本，提高生产效率，打通端到端价值链促进快捷交付，使用突破性技术降低质量波动（表2）。
表2 不同行业灯塔工厂转型特征
3 灯塔工厂的发展现状
从2018年至今，灯塔工厂在各个行业中的覆盖面逐年扩大，在企业内的技术部署进一步深化，其技术创新水平也在不断提高。
3.1 灯塔工厂在各个行业中的覆盖面逐年扩大
随着灯塔网络的壮大，其覆盖的企业总数越来越多，产业类别越来越广泛，灯塔工厂的理念逐步在更多的制造行业得到认可。灯塔工厂从2019年的16家11个行业，至2023年1月，已发展到132家32个行业，广泛分布于汽车、电子电气、半导体、工业设备、钢铁制品、制药、医疗设备、家用电器、消费品等多个行业领域（图2）。
图2 2019—2023年灯塔工厂覆盖企业数量
灯塔工厂涉及产业种类的逐年递增，说明全球灯塔网络不以任何一种制造类型为中心。相反地，知识和经验的共享能够服务于各类产品的加工制造，有效的工业4.0创新决策和战略转变对于传统制造业和新兴行业都越来越重要。
3.2 灯塔工厂的数字化用例持续增加
随着灯塔工厂不断发展成熟，工业4.0转型所涉及的生产环节越来越多，这说明灯塔工厂在企业内的技术部署进一步深化。灯塔工厂的数字化用例从2019年的92个，延续到2023年1月，已在10个生产环节部署139种数字化用例（图3）。
图3 2019—2023年灯塔工厂的数字化用例
灯塔工厂部署的数字化用例持续增加，说明灯塔工厂的数字化转型发生在生产和运营全周期，产生价值驱动因素的全方位改进可以催生新的经济价值。企业首先在某一个价值链上探索创新和转型，可以将其经验和技术逐步延伸至其他部门。
3.3 灯塔工厂的技术创新水平不断提高
作为从上千家工厂中严格筛选出来的前沿企业，全球灯塔网络在采用和整合工业4.0的尖端技术方面处于世界领先地位。灯塔工厂大量采用自动化、工业互联网、云计算、大数据、5G等新技术实现全方位变革，促进效率提升、节能减排和经营优化。工业4.0专家小组遴选灯塔工厂参照的技术创新能力主要有5种，灯塔工厂根据每种能力采取相应的措施（表3）。
表3 灯塔工厂具备的技术创新能力
4 灯塔工厂的发展趋势
从2019年至今，世界格局发生了前所未有的变化，全球灯塔工厂顺势而为。2020年新冠病毒全球大流行，倒逼制造企业进行数字化转型；2021年，气候危机席卷全球，领先企业纷纷着眼绿色可持续发展；2022年，人本主义兴起，具有前瞻性的领导者开始加强劳动力关怀与培训。在2023年最新的白皮书中，灯塔工厂“预测趋势”的决策能力被提升到新的战略高度。从这个意义来说，灯塔工厂富有一定的先锋性，它们善于洞察和应变，不断转换自己的发展重心（表4）。
表4 2019—2023年灯塔工厂的发展重心
4.1 从单独生产场所到打通端到端价值链
从2019年开始，越来越多的企业开始力图使用数字化手段，打通从采购到交付的整条价值链，涌现出大量的“端到端灯塔工厂”。与单体工厂相比，这些工厂在数字化运营方面有更多的探索。除了传统的降本增效、可持续发展之外，端到端灯塔工厂还致力于提升供应网络连接性和客户连接性，开展端到端产品研发、规划、交付，其最终目的是利用数字化手段打通价值链全程，获取企业在产业链层面上的全面成功。
4.2 从单一环节到全生产链的技术扩张
自2020年新冠病毒全球大流行以后，全球化的中断继续倒逼制造业转型，灯塔工厂在数量上、地域分布上以及创新技术的应用上进一步拓展。2021年，93%的灯塔工厂提高了产量并找到了新的营收来源，实现规模化发展。除可持续性和生产效率外，灯塔工厂的敏捷度、上市速度、批量减少、按时交付和定制化等关键绩效指标都大幅提高。
4.3 从提高企业利润到可持续发展
在经历了全球气候危机之后，2021年，爱立信（美国）、施耐德电气（美国）和汉高（德国）这3家工厂被指定为可持续发展灯塔工厂。它们使用先进的分析和数字孪生技术，减少了用水量，提高污水净化率；在整个价值链中进行端到端的CO2跟踪报告；采用物联网实时传感器的数据聚合进行能源、排放、废物和用水的管理，实现可持续性优化，展示了工业4.0技术在提高企业利润的同时，对保护环境发挥积极的作用。
4.4 从注重生产效益到支持劳动力发展
2022—2023年，计算机、传感器、移动连接、AI、机器人、3D打印和先进材料领域的突破性发展改变了制造系统和价值链。灯塔工厂侧重用工业4.0技术提升人员的专业技能，而非简单取代。目前，50%的灯塔工厂在扩展数字化转型中重视劳动力参与，而在非灯塔工厂中，这个数字只有20%；另外，人工决策在数字化转型中也起到了关键作用，有31%的灯塔工厂设置了转型办公室，在非灯塔工厂中只有10%。
5 案例分析
以下通过分析法国达能集团（Danone）以人为本寻求解决方案，印度药商西普拉（Cipla）通过7个关键举措扩展工业4.0技术的应用，以及中国美的公司建立转型办公室进行数字化治理的3个案例，探索灯塔工厂的最新技术扩展方式。
5.1 法国达能集团（Danone）：以人为本寻求解决方案
乳制品制造商法国达能集团在转型之初面临着扩展工业4.0技术的挑战。这家企业有40多个生产站点，每个站点都有不同的数字化技术和IT/运营技术（OT）架构，一些最小可行产品（Minimum Viable Product，MVP）已经在本地部署，但没有一致性。这就需要在成功的MVP基础上快速实现跨站点扩展，为数字化制造制定可供全公司采用的解决方案。
如图4所示，达能集团首先自上而下地确定每个站点的风险价值，然后根据当地情况确定如何释放风险。标准解决方案的起点是一个工业4.0解决方案标准目录，可以在所有站点快速扩展。在需要定制需求的地方，通过MVP和试验性方案来跟进，选择的解决方案将编入目录。通过这种方案，达能集团在2年内实现网络的指数级扩展。
图4 达能构建和扩展解决方案流程
利用员工实践不断丰富标准解决方案目录，使达能集团避免在个别无法在全网络范围内有效扩展的站点解决方案上浪费时间。劳动力参与的核心在于，它是价值驱动的，而不是技术驱动的；即先考虑存在的问题，再定位合适的技术解决方案。通过这种方法，达能集团优先考虑员工的声音，使他们能够在站点层面自行探索。这是一种真正以人为本的网络方法，提高了员工的技能，让他们参与到转型中来。
5.2 印度药商西普拉（Cipla）：7个关键举措扩展工业4.0
Cipla是一家总部位于印度的全球药品制造商，该公司通过7个关键举措，在短短两年内成功地在20多个站点实现业务转型。
如表5所示，Cipla通过7个关键举措制定40多个数字和分析用例，如应用过程模拟提高产量和人力配置的动态规划，其中18个用例扩展到了全印度的站点，28个用例扩展到5个以上的站点。
表5 Cipla扩展工业4.0的7个关键举措
Cipla的成功在很大程度上要归功于敏捷方法的运用。该公司的敏捷团队被授权并建立相应的制度，以推动快速、大规模的用例部署。此外，公司还通过物联网学院招聘新人才和升级现有人才，提升其数字化能力。通过部署30多个智能应用环节，Cipla在从人员生产率到机器效率、质量偏差等方面取得20%～80%的改善。
5.3 中国美的公司：建立转型办公室进行数字化治理
WEF认为，有效的数字化治理对于实现快速转型和扩展至关重要。中国电器制造商美的对此有清晰的认识。该公司在实现全网络转型时，坚持投资于人和领导力导向的数字化战略部署，最终实现公司利润翻了两番，并扩张至5个全球灯塔网络站点。
如表6所示，美的公司的转型方案包括3个基本要素。①智能制造研究所负责设计和开发新的解决方案。该研究所聘请了140多名专家，每年的预算为2200万美元。②使用大量资源来实施规模化影响。采取由1000多名“虚拟工程师”和“改革专员”组成的中心团队，汇编最佳实践，并在各个业务部门和工厂中推广。③用数字成熟度指数监测9个业务单位下34个工厂的变革有效性。
表6 美的公司建立治理机制扩展灯塔网络
从美的公司的经验可以得出，制造企业的成功转型，远不止于对新兴技术的使用，还必须对工业4.0的内涵有深刻的认识。建立有效的治理模式、支持最佳实践的交流、优先考虑产生影响的解决方案，而非仅仅关注技术，将是工业4.0下一篇章的开端。
6 结语
从以上企业的实践来看，灯塔工厂的兴起丰富了工业4.0的内涵。总结灯塔工厂的主要特征有以下几点。
（1）灯塔工厂采用工业4.0技术增强人员的能力，而不是简单取代。这体现在灯塔工厂的员工工作重复性较以往大幅减少，效率大幅提升。所有在职员工都将执行新的任务和责任，这些任务和责任要求员工具备在不断变化的环境中进行动态决策的技能。
（2）灯塔工厂是重置行业基准的领导者。这体现在灯塔工厂正在刷新现有运营和财务关键绩效指标（KPI）的行业基准，一些灯塔工厂实际绩效甚至比其内部预期高出2倍。
（3）灯塔工厂是开放的创新者和合作者。灯塔工厂认识到，透明度和增长机会带来的益处远远超过竞争的威胁。通过制定良好的知识产权、网络安全政策和协议，灯塔工厂可以在实现协作的同时降低风险。
（4）工业4.0创新不仅适用于大型企业，也适用于中小企业。中小企业提供了大部分工作岗位，也是供应链的重要组成部分，数字化对于优化各种规模供应链至关重要。中小企业可以通过不需要大量投资的实用解决方案来实现变革。
（5）工业4.0技术并非发达经济体的专属领域。例如，中国是目前灯塔工厂网络的领导者之一，拥有大量灯塔工厂（特别是跨国企业在中国设立的工厂）。这表明在工业4.0背景下，企业在追求经济效益时，低成本劳动力并非工厂选址的重要依据。
（6）灯塔工厂可以在设备更换很少的情况下实现转型升级。大多数灯塔工厂可通过优化现有设备和设施并使用工业4.0技术及设备来实现盈利。与第一次和第三次工业革命相比，工业4.0只需更换相对较少的设备，带来更大的影响。
总结灯塔工厂的转型经验和启示。首先，灯塔工厂通过在运营中融入数字化技术，不仅成功提升了生产力，还为可持续增长奠定了基础。其次，由于世界局势的改变，灯塔工厂的发展重心不断变化，从单个生产场所到端到端价值链打通，从单一环节到全生产链的技术扩张，从提高企业利润到可持续发展，从注重生产效益到支持劳动力发展。最后，随着工业4.0技术行业覆盖面的扩展以及对生产环节的影响进一步加强，灯塔工厂的应用场景也趋于丰富，在各个行业中的覆盖面逐年扩大，数字化用例持续增加，业务与制造模式不断创新。
在能源紧张、通货膨胀、人才短缺、供应链中断以及气候变化影响日益加剧等全球重大干扰因素持续存在的背景下，制造企业亟须效仿灯塔工厂的经验，将先进技术扩展到整个生产网络。
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