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几十年来，世界制造业的主要驱动力一直是降本增效所必需的大批量、少品种生产思维。这导致了半个多世纪以来的生产离岸外包，工厂尽可能地向最廉价的地方转移，全世界都在承担着庞大的全球供应链和运输系统的负担。20世纪90年代，日本机械工程师实验室 (MEL) 提出了微型工厂的概念，但这个想法在业界基本上被束之高阁，直到最近才开始引起人们的关注。
在过去的几年里，微型工厂越来越容易建立，对微型工厂的需求也显著增加。现在已经有相应的技术、基础设施和市场需求来建造小型、灵活的微型工厂，以快速响应客户的定制要求，同时保持低成本费用、低占地面积和低环境影响（通过可持续发展措施和近岸外包）。
那么这意味着微型工厂时代的到来吗？ 本文将探讨微型工厂概念的起源，介绍微型工厂的特点，并展望微型工厂的未来。
微型工厂的起源
微型工厂概念的起源相对简单。日本的MEL曾倡导缩小传统制造设备的相对尺寸、重量、占地面积和成本，以实现更高的效率和模块化制造。在此倡议下出现了单元式和模块化的制造设备，现在这种设备在快速成型机和紧凑型制造系统中已相对普遍。单元式制造的一个重要特点是，自动化系统允许工件或组件在各工位之间自由移动，以满足产品的定制和功能要求。这种方法与大多数大规模制造中典型的高线性度生产线方法截然不同。
除了制造设备的物理特性外，微型工厂的概念还秉承了昔日工匠和手艺人的多品种、小批量原则，可以就地生产高度定制化的产品。不过，受许多地区的劳动法规影响，支持众多人力所需的成本、占地面积和基础设施代价很高、难度很大。因此，微型工厂能否盈利并取得成功，取决于对自动化、云基础设施、智能和连接的大量使用。
几十年来，微型工厂主要是作为一种创新方法用来快速制作原型，或者满足客户的关键需求，比如客户需要紧急提供高度专业化的产品，但自己又没有时间或资源来建立整个传统制造系统。
现在，随着全球可持续发展的趋势兴起，企业、业界和消费者都在寻求降低碳排放，并减少与运输和大规模工业活动相关的环境影响。工业5.0是推动可持续发展的主要动力之一，它强调将人类的创造力与自动化的效率相结合，以实现更加环保、对社会更加负责的工业运营。这也是微型工厂的另一个重要原则：从整体角度提高效率，减少浪费。在靠近需求源的地方建立分布式制造能力，可以降低运输成本，更快地向客户交付货物。这种方法的另一种思路是，微型工厂可以设在非常靠近所需的原材料或基础产品的地方，从而进一步减少运输开销。
微型工厂的要素
微型工厂有几个关键要素，使这一概念能在现实中落实，并在商品生产中发挥出价值：
占地面积小、位置便利
顾名思义，微型工厂占地面积小，可以提高效率，降低材料和货物的运输开销。微型工厂的占地面积小意味着，这些工厂可以建在传统制造工厂无法建造的地方。这取决于可用的不动产或限制地区工厂规模的地方法规。
微型工厂占地面积小的一个好处是，它可以设在关键原材料/基础产品的来源地或客户群附近。在选址上有了更大的灵活性，微型工厂优化供应链或交付能力的可能性就远远超过传统工厂。
自动化、机器学习和人工智能
微型工厂概念的关键是单元式制造站，它可以根据各种制造和组装要求快速重新编程或进行模块化配置。工业机器人和自动化历来都很昂贵，这就是为什么大多数制造系统都基于高度专业化的线性和大批量制造设备。现在的市场上有固定式机器人和自主移动机器人 (AMR) 系统，它们可以快速编程或更换，以实现各式各样的操作能力。借助自动化工具更换和模块化工具系统，可以配置许多新型自动化系统完成诸多专用制造系统的任务。随着ML/AI视觉和处理系统越来越容易获得，现在可以使用ML/AI机器人控制器，快速培训机器人按照人类指令执行任务，就像培训新技术人员一样，但所需的时间和成本却要低很多。
与传统制造系统相比，自动化制造站更加紧凑，因为它们不需要为人工操作员和安全裕度留出专用空间。自动化设备还可以使用远程操作员，进一步减少特定工厂所需的空间和人员。有了基于网络和云的基础设施以及足够的自动化程度，一名远程操作员就可以同时对多个制造站进行编程和监控，甚至可以同时支持多个微型工厂；也就是说，一名技术娴熟的操作员可以帮助远程支持多个微型工厂。相比之下，传统制造业需要在每个位置都配备一名经验丰富的操作员。
连接和通信基础设施
要实现任何远程操作，甚至是机器和操作员之间的自动协调，都必须具备功能强大的通信基础设施。该基础设施必须同时处理每个传感器、执行器、控制器、机器人系统、自动化站、安保、消防和安全系统以及本地或远程人类操作员之间的数据交换。这绝非易事，而是需要大量的通信和网络设施。不过，与前几年相比，现在这种技术更容易获得，而且现在有专门为制造业设计的有线和无线通信系统。许多著名的无线标准现已纳入与网状网络兼容的机器对机器 (M2M) 通信协议，以更好地支持工业物联网 (IIoT) 和一般物联网应用。
有了新的卫星连接选项和互联网服务，现在甚至可以在多年前无法连接互联网的偏远地区建立具有合理数据吞吐量要求的微型工厂。现在，具有相对较高数据传输速率的卫星和蜂窝模块已经足够小巧，价格也足够低廉，可以包含在AMR和机器人系统中，进一步支持蜂窝规模的微型工厂连接。
智能和数据
面向微型工厂的更高自动化水平的基础设施意味着微型工厂可能会产生大量数据。这些数据必须妥善处理和存储，以保证质量和进行跟踪。不过这些数据也可以提供宝贵信息，用于进一步提高各种制造流程的效率。这些数据的某些部分甚至可以包装成智能产品出售。
响应快速
有了更多的模块化制造和加工系统、单元式制造流程和自动化，微型工厂系统就可以根据客户或顾客的需求快速重新配置。例如，工厂可以连续生产各种畅销的商品和产品系列，也可以快速按需生产客户直接订购的商品；工厂可以根据市场机会完全重新配置以生产新产品；也可以生产各种批量的产品，从一个订单一件到数千件。这种针对客户需求的敏捷性和灵活性，再加上便利的位置带来的快速交付和材料供应，意味着微型工厂只需传统工厂的很小比例就能满足市场需求或客户订单。
成本支出低
对自动化和效率的看重意味着微型工厂加工和制造站可能是单个成本相对较高的项目。不过，这些系统应该能满足多个传统制造系统的要求。而且，微型工厂的整个概念侧重于小巧、灵活的装置，其成本支出自然要比传统工厂低得多。利用微型工厂的概念，小型企业或初创企业可以在其客户群或材料供应地附近建立微型工厂，随着业务的发展，以有限的成本支出自然地发展和扩大规模，而不必承担经常伴随着高利率贷款和借款的高额初始投资。大型工厂往往需要借贷大笔资金来购买必要的不动产，甚至在建造厂房、购买设备和建立生产线之前，还需要遵守选址规定。基于微型工厂的企业可以利用现有资金，在扩大规模时建立微型工厂，从而避免上述情况。这种方法还可以最大限度地降低将资金投入到专用生产设施的风险，因为该设施可以随着市场风向的变化而迅速调整。
监管轻松和税收优惠
与传统工厂相比，微型工厂对占地面积、机器数量、电力和基础设施的要求较低，因此在特定地区可以免去一些昂贵的规定性支出和税收。工业区和地方上的许多法律法规都是针对特定规模的生产设施而制定的，规模很小的微型工厂可能不受这些法律法规的约束，甚至还能免税。
微型工厂的未来
有证据表明，制造业和全球贸易的许多趋势都支持在制造业中增加微型工厂的观点。在短期内，微型工厂不太可能取代传统的大型工厂，因为规模经济仍远远无法提高微型工厂自动化的效率。不过，微型工厂可能会在制造某些高混合型产品时发挥关键作用，或填补特定地区急需的制造能力缺口。
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