第1.3章 制造的前生今世

为什么我们的祖先可以在春秋战国时期就能够制造令人惊艳的越王剑？

为什么第一次工业革命发生在蒸汽动力领域，为什么蒸汽机可以推动第一次工业革命？

为什么第二次工业革命发生在电气动力领域，为什么电气设备可以推动第二次工业革命？

为什么第三次工业革命发生在信息技术领域，为什么计算机与通讯技术可以推动第三次工业命？

石器时代

无论在世界的哪个地方，制造活动始终伴随着人类文明的发展。在上万年前的石器时代，人类就开始了制造工具的历史。这是人类发展的蒙昧阶段，但人类并不甘心沉沦于蒙昧之中。我们的祖先在困境中学会了制造石质工具、骨质工具和木质工具并以此征服了狂野凶残的大自然。正是通过这些制造活动，人类逐渐走向了生物史上的巅峰。人类在制造中认识了自身的能力，也在制造中不断学习和进步。这才使得人类逐渐拥有了建造城市的能力和发明文字的需求，而此二者则标志着文明的起源。因此从这个角度来说，制造成就了人类文明。

石器时代，制造系统的要素和结构非常简单。几个人，几块石头，几根动物的骨骼或几根木头就构成一个原始的制造系统。这种简单的制造系统能制造的产品也相当简陋。产品的结构、数量和质量都微不足道。但在那个时代却是非常了不起的，标志着辉煌的人类时代的开始。在这个简单粗糙的制造系统中，控制系统和能量系统几乎处于空白状态。但制造系统最重要的子系统开始以完整型态出现，即以石器、骨器和木器为代表的产品系统。这其实非常重要，因为整个制造系统的目的是为了满足客户需求。而满足客户需求是通过产品和服务来实现的，因此产品系统的出现说明人类已经开始有了对产品应用的需求。一旦需求出现了，那么制造系统围绕着需求逐渐形成与发展就顺理成章了。

金属时代

随着人类的能力在制造中得到不断地锻炼和提升，人类进入了青铜器时代，很快又进入了铁器时代。在这个时期，人类的制造能力得到极大的提升。我们祖先铸造的青铜大鼎恢宏壮观；他们制造的铁质武器足以装备几十万人的军队，形成一道金戈铁马的洪流，保卫着万里河山。毋庸置疑，长枪铁剑代表着那个时代最尖端的制造品，其工艺水平也让人叹为观止。在这个阶段，产品系统结构的复杂度越来越高，种类和数量也与日俱增。但是更重要的是人类能够制造“尖端的”的产品了，这主要是得益于能量系统的极大改进。此时的制造系统不再是以人力为唯一的能量来源。人类开始用木柴燃烧为炼铁铸剑提供能量之源。原始的炉灶成为第一个为制造系统提供能量的非人力的能量系统。现在看来，炉灶根本不值一提。但对于当时的制造系统来说，火炉的出现确实是一个不小的进步。制造不再只是敲击和打磨这些简单的操作了，而是可以铸铜炼铁了。人类有了生产原材料的能力，人造原材料取代了天然原材。

然而这一切都还只是个开始，制造系统依然处于原始状态。此后制造系统光彩夺目的发展历程将见证人类一路走来的伟大进步。

蒸汽时代

1785年注定是不平凡的一年，因为这一年瓦特改良的蒸汽机第一次投入实用。人类从此进入蒸汽时代，伟大的工业革命也正式拉了开序幕。英国人在这场划时代的变革中走在了世界的前面，推动着工业的进步、引领着时代的发展。至此，人类从落寞低沉的农耕时代开始走进大气磅礴的工业时代。这又一次体现了制造推动人类文明的进步。

第一次工业革命之所以会取得如此伟大的成就，究其根本原因是由于能量系统出现了质的飞跃。澎湃的机器动力取代弱小的人工动力，成为制造系统最重要的能量来源。由于蒸汽机的使用为工业生产提供了源源不断的强劲动力，生产总量急速增加，大规模的生产模式得以实现。因此19世纪是能量系统变革的世纪，也是制造系统第一次质的飞跃。此时，真正意义上的能量系统终于形成了。接下来，我们可以放开手脚，大踏步地向前迈进了。

电气时代

蒸汽机解决了能量系统的体量问题，但没有解决能量的精准度问题。虽然蒸汽机可以输出强大的动力，但却不能直接用于精确的产品制造过程，如直接加工统一标准的零件。大多数情况下，这种无法精确控制的能量只能用于改变产品系统的位置状态（搬运、传递、运输等），而不是结构状态。此外超大的体积和需要不断地增加燃料的操作方式也极大地限制了蒸汽机的应用范围。

1879年，美国著名发明家爱迪生发明了人类第一盏可有广泛实用价值的电灯。1866年，德国人维尔纳·西门子研发出了直流发电机。1888年，天才工程师尼古拉·特斯拉发明了交流电机并大力推广交流电。随着各种电器的发明和应用，以及与之配套的各种电力设施的完善，人类快速地步入了电气化时代。先进的电气动力取代落后的蒸汽动力，逐渐成为能量系统的主体。尤其是交流电动机系统的发明和应用，极大地提升了制造系统对于有序能量的使用水平。

与蒸汽动力系统相比，极小的体积和无需不断增加燃料的方式极大地增加了电气动力系统的应用范围。使得除了轻工业领域之外的其他工业领域获得了长足的发展。此外，电气动力系统最大的优势还不在于此，而在于其极为优秀的可控性。其输出的能量可以直接用于改变产品系统的结构状态，即零件加工和原料生产。这一优势对于制造系统来说非常重要。因为我们可以生产出蒸汽时代无法生产的零件和原料。这直接引发了产品系统爆发式发展，即产品的种类和复杂度迅速增加。电气动力系统的应用使得制造业在规模和质量上都得到了空前发展。人类开始了创造以前无法想象的富丰和复杂的产品系统。20世纪的这场电气化变革引发了制造系统第二次质的飞跃。

信息时代

20世纪后半叶，随着电子计算机和通讯技术的迅猛发展，人类从电气化时代跨入了更高级的信息化时代。计算机控制技术的应用，进一步提升了能量系统的精准度，使得高精度的零件加工和高纯度的原材料生产成为现实。同时它也促进了自动化生产逐渐成熟，人类作为制造系统直接能量输入者的角色被进一步削弱。尤其是通讯技术在工业领域中的应用，使得我们对于制造过程的控制和协调能力取得了极大的进展。制造系统的运行速度、成本和质量都得到了成倍的改进。制造系统对于市场变化的快速响应变得更加敏捷。产品的更新换代节奏前所未有，制造系统已经与用户联系在一起了，为最终实现我们梦寐以求的需求与供给的统一奠定了坚实的基础。

与此同时，福特生产方式和丰田生产方式作为新颖的生产组织与控制方式取得了卓越的成果。控制系统作为独立的实体逐渐形成和完善，它作为制造系统的神经中枢开始发挥作用，为制造系统的高效运行引领方向。

毫无疑问，控制系统的变革已经发生，我们所面对的制造系统已经开始从物理层面向信息层面蜕变。通讯与控制技术的发展和两大生产方式的成熟标志着制造系统的第三次质的飞跃，即控制系统变革。

制造系统的发展历程犹如一副恢弘的画卷，在人类历史的长河中见证了无数的辉煌与寂寥。它伴随着人类的进步与发展，时而沉思低吟，时而高歌猛进；有沉沦败落也有奋勇前进，是国家竞争的战场也是人们幸福的终点站。