第２４卷第１０期计算机集成制造系统
V o l ．２４N o ．１０
２０１８年１０月
C o m p u t e r I n t e g r a t e d M a n u f a c t u r i n g S y
s t e m s O c t ．２０１８
D O I :１０．１３１９６/j
．c i m s ．２０１８．１０．００１收稿日期:２０１７Ｇ０５Ｇ０８；修订日期:２０１７Ｇ０８Ｇ０１.R e c e i v e d ０８M a y ２０１７;a c c e p t e d ０１A u g
．２０１７．基金项目：国家自然科学基金资助项目(５１６７５１８６,５１１７５１８７)；广东省科技计划项目(２０１６B ０９０９１８０３５)
；广州市南沙区科技计划项目(２０１５C X ００５)．F o u n d a t i o n i t e m s :P r o j e c t s u p p o r t e db y t
h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o n ,C h i n a (N o ．５１６７５１８６,５１１７５１８７),t h e S c i e n c e&T e c h n o l o g y P r o g r a mo fG u a n g d o n g P r o v i n c e ,C h i n a (N o ．２０１６B ０９０９１８０３５),a n d t h eS c i e n c e &T e c h n o l o g y P r o g r a m o fN a n s h aD i s t r i c t o fG u a n g
z h o u ,C h i n a (N o ．２０１５C X ００５)．从精敏制造到工业４．０长尾生产的制造业转型升级
男人如衣服
姚锡凡１，张剑铭１，陶㊀韬１，蒋经发２，陈新准２
鱼尾纹除皱方法
(１．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东㊀广州㊀５１０６４０;２．广东隽诺环保科技股份有限公司，广东㊀广州㊀５１１４５３
)摘㊀要：为了应对日益激烈竞争的全球化市场和日益多样的个性化需求，分析了制造业从大规模生产到大规
模定制再到个性化生产的演化过程，提出一种称为精敏制造的推拉式大规模定制生产方式，然后利用信息物理系统将精敏制造转变为智能大规模定制，并与智能个性化生产(尤其３D 打印)
形成所谓的长尾生产方式以满足工业４．０智能生产需求，同时借助经济学中的学习曲线对这种长尾生产方式进行分析.最后基于智能化长尾生产方式探讨了我国制造业转型升级之路.
关键词：制造业；长尾生产；大规模生产；大规模定制；个性化定制；智能制造；工业４．０；精敏制造中图分类号:T P ３９１;T H １６㊀㊀㊀文献标识码:A
F r o ml e a g i l em a n u f a c t u r i n g t o l o n g Ｇt a i l p
r o d u c t i o n i n I n d u s t r y ４．０f o r u p g r a d i n g m a n u f a c t u r i n g
Y A O X i f a n １,Z HA N GJ i a n m i n g １,T A OT a o １,J I A N GJ i n g f
a ２,C H E N X i n z h u n ２
(１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dA u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g ,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y
,G u a n g
z h o u５１０６４０,C h i n a ;２．G e n o xR e c y c l i n g T e c hC o ．,L t d ．,G u a n g
z h o u５１１４５３,C h i n a )A b s t r a c t :I n r e s p o n s e t o f i e r c e c o m p e t i t i o n i n g l o b a lm a r k e t a n dd i v e r s e c u s t o m e r s n e e d s ,t h em a n u f a c t u r i n g e
v o l u Ｇt i o n f r o m m a s s p r o d u c t i o n t om a s s c u s t o m i z a t i o n t om a s s p e r s o n a l i z a t i o nw a s a n a l y z e d ,a n d a k i n d o f p u s h Ｇp u l lm a s s c u s t o m i z a t i o n p r o d u c t i o n c a l l e d l e a g i l em a n u f a c t u r i n g w a s p u t f o r w a r d ．F o rm e e t i n g s m a r t p r o d u c t i o n i n I n d u s t r y ４．
０,t h e s o Ｇc a l l e d l o n g Ｇt a i l p r o d u c t i o n c o n s i s t e do fm a s s p e r s o n a l i z a t i o n (e s p e c i a l l y ３D p r i n t i n g )a n dm a s s c u s t o m i z a Ｇt i o n t h a tw a s t r a n s f o r m e d f r o mt h e l e a g i l em a n u f a c t u r i n g b y u s i n g c y b e r Ｇp h y s i c a l s y s t e m s ．M e a n w h i l e ,t h e e c o n o m i c a n a l y s i s o n t h e l o n g t a i l w a sm a d ew i t h t h e h e l p o f l e a r n c u r v e s i n e c o n o m i c s ．T h e l o n g t a i l o f s m a r tm a k i n g p r o d u c t s f o r u p g r a d i n g m a n u f a c t u r i n g
i nC h i n aw a s a d d r e s s e d ．K e y w o r d s :m a n u f a c t u r i n g ;l o n g t a i l o fm a k i n gp r o d u c t s ;m a s s p r o d u c t i o n ;m a s sc u s t o m i z a t i o n ;m a s s p e r s o n a l i z a Ｇt i o n ;s m a r tm a n u f a c t u r i n g ;i n d u s t r y ４．０;l e a g i l em a n u f a c t u r i n g
０㊀引言
制造业是国民经济的支柱产业.工业革命使人类从农业社会进入工业社会，制造业从手工作坊生产进入
到大规模生产(大批量生产).随着人类生活水平的提高和信息通信技术的迅速发展，客户需求的个性化和多样化日益增强，企业面临竞争越来越
激烈的动态多变的全球化市场.
２００８年国际金融危机爆发后,
工业发达国家纷纷提出 再工业化战略 ，试图通过发展先进制造技术抢占新一轮科技和产业竞争的制高点，进而实现
产业空心化 到 再工业化 的回归.特别是进入２１世纪的第二个１０年,
新一轮工业革命又拉开序幕，毫无疑问，正如历史上的工业革命一样，新工业
计算机集成制造系统
第２４卷
革命将对制造业产生变革性的影响[
１]
.而作为制造业大国的中国，国民经济正迈入新常态 从高速增长转为中高速增长，尤其是随着我国人口红利的逐渐消失，传统的依靠大量消耗资源的劳动密集型发展思路难以为继，面临双向压力，即低端制造业向更低成本的国家转移，以及高端制造业回流 再工业化 和引领新工业革命的发达国家.我国制造业转型升级已经到了紧要关头.对此，我国借鉴德国工业４ ０理念,
动物性本能1
先后发布了 互联网＋ 和«中国制造２０２５
»等一系列顶层设计文件来推动新一代信息技术与制造技术的融合发展，并将智能制造作为两化深度融合的主攻方向，培育新型生产方式，以促进我国制造业转型升级.因此，对进入 新常态 的我国制造业而言，面临着产业转型升级带来巨大的机遇.制造业发展历史表明，大规模生产(m a s s p r o d u c Ｇ
有创意的社团名称t i o n
说课流程)已经难以适应多样化和个性化需求，大规模定制(m a s s c u s t o m i z a t i o n )[２
]乃至大规模个性化定制(m a s s
p
e r s o n a l i z a t i o n )[３
]应运而生，而且后两者会变得越来越重要，所占市场份额将越来越大，形成所谓的产品
生产长尾部分.本文探讨制造业如何从大规模生产
走向长尾生产(l o n g t a i l o fm a k i n gp
r o d u c t s )[１
]，为我国制造业转型升级提供理论和技术的支持.
１㊀生产模式的演化
以汽车生产为例生产模式指企业体制㊁经营㊁管理㊁生产组织和
技术系统的形态和运作方式[４]
.K o r e n 以美国汽车
制造业为例，认为制造(生产)模式经历了３次重大转变:①大规模生产替代手工作坊式生产;②大规模
定制生产替代大规模生产;③个性化生产(p
e r s o n a l Ｇi z e d p r o d u c t i o n
)替代大规模定制，如图１所示[５Ｇ６]
.在工业实践上，福特公司于１９１３年创建了世界
上第一条汽车流水生产线，标志着大规模生产方式的出现.大规模生产以泰勒的科学管理方法为基
础，以生产过程的分解㊁流水线组装㊁标准化零部件㊁大批量生产和机械式重复劳动等为主要特征，使美国的汽车生产于１９５５年达到了大批量生产的顶峰，并取代了手工作坊式生产.到２０世纪８０年代，大规模定制在美国占据了主导地位，进入２１世纪，大规模定制又被新兴起的生产模式
个性化生产所替代.
在汽车全球化生产视野下，虽然福特汽车公司创立的大规模生产流水线获得广泛应用，并成为现代工业生产的主要特征，但是随着市场需求向多样化发展，单品种㊁大批量流水生产方式的弱点日渐突显，而源于日本丰田汽车公司创立的精益生产在２０世纪６０~８０年代更受业界推崇.２０世纪９０年代，美国政府为重新夺回制造业的世界领先地位，由通用汽车公司(G M )和里海(L e i g
h )大学牵头制订了旨在提高美国在未来世界中的竞争地位㊁培养竞争优势的先进制造计划，形成了一种新的生产方式 敏捷制造，以便更快响应定制化的产品需求.
在学术界研究上,１９７０年T o f f l e r [７]
最早提出大
规模定制设想恋爱成本
以类似于标准化和大规模生产的成本和时间，提供客户特定需求的产品和服务;１９８７
年D a v i s [８]首次将这种生产方式称为M a s s c u s t o m i Ｇ
z a t i o n (大规模定制);１９９３年P i n e [２]
对大规模定制的内容进行了完整的描述，标志大规模定制理论成型.然而大规模定制并不意味着所有生产环节都按
客户的定制化需求生产，通常是由客户订单分离点
(C u s t o m e rO r d e rD e c o u p l i n g P o i n t ,C O D P )[９
]位置确定，在C O D P 之前的生产是推式(p
u s h )的大规模生产，而在C O D P 之后的生产是拉式(p u l l )的定制生产.
根据C O D P [１
０]
，可将大规模定制分为按订单销售(S a l e ＧT o ＧO r d e r ,S T O )㊁按订单装配(A s s e m b l e Ｇ
t o ＧO r d e r ,A T O )㊁按订单制造(M a k e Ｇt o ＧO r d e r
,MT O )和按订单设计(E n g i n e e r Ｇt o ＧO r d e r ,E T O )四种类型.为了降低成本和快速响应客户的需求，企业将C O D P 尽量向下游移动[１
１]
，但会降低定制化程度.为了平衡这种需求，可在C O D P 之前精益
(l e a n )生产，以尽可能地消除浪费和非增加值的活动，而在C O D P 之后采用敏捷(A g
i l e )制造，从而形８
７３２
第１０期姚锡凡等：从精敏制造到工业４．０长尾生产的制造业转型升级
成如图２所示的精敏(l e a g
i l e )制造[１２]
的大规模定制生产方式
.
从图２可见，大规模生产和个性化生产是大规
模定制的两种极端情形：一是大规模生产，由企业负责所有产品生产销售活动，客户只能购买既定的商品；一是个性化生产，客户可全程参与到生产设计活动中，以客户为主导，按需制造产品.S T O 本质上是大规模生产，只有从销售活动开始才由客户订单驱动，然而因为可结合客户订单包装或加工出库，所以有利于制造业向服务化方面转型；而E T O 是纯粹的拉式定制生产,
也是客户参与到设计中的个性化生产方式[１３]，包括产品的开发设
计㊁制作㊁装配㊁运输都由客户订单驱动;A T O 和
MT O 介于这两种极端情形之间，也是大规模定制的典型情形.因此，大规模定制本质上是由推式的大规模生产和拉式的定制化生产相结合而形成的一种推拉式(p u s h Ｇp
u l l )混合生产模式，即在C O D P 上游采用大批量生产通用㊁模块化的零部件，在C O D P 下游根据客户订单形成定制化的最终产品，精敏制造则是这种推拉式混合生产模式
的一种典型代表.
由此可见，以A T O 和MT O 为代表的典型大规
模定制成为连接大规模生产和个性化生产的桥梁.综合和总结文献[１４Ｇ１６]得到如表１所示的３种生产模式的对比分析.从市场细分角度来看，大规模个性化定制(或个性化生产)强调单人市场(m a r k e t s o f o n e )[１５
]，也是大规模定制的一种极端 E T O ,
事前故意为单个客户提供个性化需求的产品和服务；大规模定制的另一个极端 S T O 或大规模生产，强调大众市场(m a r k e t s o fm a n y )，为公众提供低成本的产品和服务.
表１㊀３种生产模式对比
比较项目制造模式
大规模生产
大规模定制个性化生产
驱动方式推式推拉式拉式社会需求低成本产品多样化产品个性化产品聚焦产品本身市场细分个性需求市场特点面向大众的稳定需求面向小众的不稳定需求面向个人的动荡需求使能技术可互换零部件计算机技术信息与互联网技术
目标规模经济范围经济价值体验设计方案标准化模块化，产品族开放产品结构生产系统
专用制造系统
柔性制造系统可重构制造系统按需制造系统客户参与度
购买
购买㊁选择
购买㊁选择㊁设计
从用户角度来看，大批量生产只能是在既定的产品之间进行选购；定制化生产是在可选的目录上进行选择性定制；个性化生产是按客户要求进行设
计生产[１７
]，在设计上进一步考虑用户的个人品味㊁使用习惯㊁相关经历等[
１８Ｇ１９]
.
从制造的角度来看，大规模制造通过少品种大批量避免了多样化的负担.大规模定制和个性化生产的差别在于：典型的大规模定制在生产上采用大规模制造，将多样化的
负担转移到装配上，通过装配最终形成不同的产品；而个性化生产不仅实现多样化的装配，还可以实现多样化的设计制造.
由图１可见，生产模式从拉式的手工作坊开始,
经历了大规模生产和大规模定制之后又回到起点 拉式的(大规模)个性化生产，似乎经历了一
个轮回.其实不然，这不是一个简单轮回，而是螺旋式的上升演化.从生产制作来说，传统大规模定制和大规模个性化定制的产品成本相对高昂，传统手工作坊是封闭式的，由专职人员全面负责生产，而当前兴起的个性化定制生产是开放式的，由消费者与消费者㊁消费者与专业人员之间多领域共同合作完成.从产品设计来说，传统的个性化是由某一设计者向多个用户提供个性化的产品与服务，而大规模个性化定制是基于网络的开放结构，由多个设计者
(包括外形设计㊁结构设计㊁生产制造商㊁用户等)共
同为特定用户提供个性化定制的产品与服务[
２０]
学前教育论文
.汽车生产已从大规模生产逐渐过渡到如图２
所示的精敏生产方式，具体例证如表２所示.１９世纪末，第一辆汽车以手工生产的方式诞生，但因
９
７３２
计算机集成制造系统第２４卷
生产效率低㊁成本高而无法得到普及.２０世纪２０年代，得益于福特提出的流水线生产模式，汽车得到大量生产和推广.然而，正如福特本人所说，每个用户只能买到黑色的车，此时汽车的大规模生产以 大而全 的生产厂商为中心，强调于满足制造和设计过程，最终实现的是少数车型的低成本生产.６０年代，丰田公司提出精益生产的理念，实现了以需求拉动的生产，并为客户提供定制化的空间.上世纪８０年代，大众率先提出汽车平台的概念，一个平台可为几个车型提供共用的零部件，通过零部件共享降低生产成本，汽车可以在一个平台内进行拓展，形成一个车系，进一步丰富了产品的型号.近年来，在平台化的基础上，汽车制造商通过扩张㊁兼并和共享扩大可使用平台的数量，而后对多个平台进行整合及精益化，进一步对零部件进行模块化，建立模块化汽车平台，从而使汽车设计不受单一汽车平台的限制，实现更多样化和个性化的设计.模块化一方面通过零件共享降低成本，另一方面通过按需组合进行产品的客户化/个性化生产，缓解零件共享化与产品客户化/个性化之间的冲突.
表２㊀汽车生产模式转变
时间厂家模式应用
１８９６年奔驰手工生产第一辆汽车
２０世纪２０年代F o r d流水线生产M o d e lT
２０世纪６０年代丰田精益生产丰田汽车
２０世纪８０年代大众汽车平台P Q３４
２０１０年至今大众等模块化汽车平台MQ B,C M F,T N G A 实际上，以模块化为基础，汽车不同零部件可以采用不同的方式生产，如图３所示，汽车的通用零部件，可通过大规模生产模式实现高效低成本生产；对于可选零部件，可通过定制化生产形成产品系列或产品族，以供用户选择；对于个性化的部分，可通过个性化生产进行量身定制.
２㊀工业４ ０下的长尾生产方式
如上所述，在市场环境和客户需求变化驱动的下，生产模式不断发生变化，并通过新的科学技术实现
模式转变[２１].新工业革命[２２]，尤其是德国提出的工业４ ０[２３]，标志着工业生产继蒸汽机驱动的机械化㊁电机驱动的规模流水线生产和电子信息技术引领的自动化之后，人类又迎来了以
信息物理系统(C y b e rP h y s i c a l S y s t e m,C P S)为基础的智能化生产革命，基于C P S的智能制造也应运而生[２４].图４所示为工业革命与制造模式演化过程.
与前三次工业革命不同，工业４ ０除了技术维度外，还包括新增的社会维度[１].其中，技术维度以C P S形式延伸了前期的工业革命生产模式，将前述精敏制造(工业３ ０下的代表性大规模制造模式)转变为基于C P S的智能定制化制造，同时３D打印在某种程度上可以看作为以C P S方式复兴和拓展了的手工作坊生产模式；而社会维度与基于C P S的生产系统形成智慧制造 社会信息物理生产系统.从图４中可以看出，工业４ ０将更加关注定制化/个性化产品的智能化生产，像３D 打印这样的新型制造技术因在单件小批量生产中具有优势而获得了广泛应用.然而，即使是个性化产品，也包含通用模块㊁定制模块以及个性化模块[１４]，在现实生产中，大规模定制㊁大规模生产和个性化生产３种生产模式在当前和今后一段时间长期并存，并不是简单的替代关系，而是形成了如图５所示的长尾生产方式[１].其中，大规模生产主要关注 头部 的大批量标准化生产；大规模定制和个性化生产组成所谓 长尾生产方式 ㊁关注 尾部 的小批量或单件产品生产.
产品长尾生产理论借鉴长尾理论[２５]而被提出来，它强调由大规模定制与个性化定制组成的 长尾分布 的产品生产，可以生产任意数量(尤其是单件小批量)的产品来满足多层次的客户需求，而这些单件小批量产品所占的市场份额，甚至比大规模生产的产品市场份额更大[１].
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第１０期姚锡凡等：从精敏制造到工业４．０
长尾生产的制造业转型升级
长尾生产方式是一种新型大规模定制(包括个性化定制)的生产方式，是应全球化市场激烈竞争和多样化的客户需求而生.以物联网㊁云计算㊁大数据等为代表的新一代信息技术的发展为长尾生产的实施提供使能技术.借助这些新兴技术，特别是随新一轮工业革命兴起的新一代智能制造，生产资源按需自组织㊁自维护成为可能，长尾个性化产品生产才得以真正实现，尤其是３D 打印(增材制造)解决了大规模生产和个性化需求的矛盾，最终形成以３D
打印为代表的个性化定制，以智能制造为基础的大规模定制，以及不断升级的大规模生产共同组成的长尾生产系统，如图５所示.
３D 打印以数字化㊁自动化形式 复活 了手工作坊生产，而生产的产品成本却比手工生产低得多.另外,３D 打印依靠数字模型直接成型，避免了传统加工中复杂的工艺规划和工艺局限(如铸造注口㊁退刀槽等)，提高了设计的灵活性，缩短了产品的开发
周期，扩大了加工范围[２６
]，在既有的数字模型下，可
制造结构复杂的零件，其加工成本取决于产品的质量和体积，且对结构的复杂程度不敏感，同时基于数
字模型的制造使得加工成本不受加工零件之间差异
化的影响[２７
].此外，以数字模型作为产品的存储和
传输对象，进一步促进长尾生产方式实现.由于上述优势,３D 打印已应用于航天航空㊁机械制造㊁生物㊁医疗㊁个人制造等领域，可以生产传统制造难以
克服的形状㊁结构㊁工艺以及生产批量小等特点的产品(图６
).３㊀长尾生产的经济学分析
下面从经济学的角度对大规模生产㊁大规模定制和个性化生产进行分析和对比.产品的生产成本
１
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