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當前，新工業(yè)革命的孕育興起與我國“制造強國夢”形成了歷史性交匯。新一代信息技術與制造業(yè)的融合發(fā)展催生而出的智能制造，引領著新工業(yè)革命的推進，美、德等發(fā)達工業(yè)化國家正圍繞智能制造展開戰(zhàn)略部署，全球制造業(yè)競爭格局面臨結構性變革。在此背景下，如何立足國情與我國制造業(yè)發(fā)展實際，務實推進智能制造發(fā)展，搶占新一輪產業(yè)競爭的制高點，實現(xiàn)由制造業(yè)大國向強國邁進的“制造強國夢”，成為兼具歷史意義和實踐價值的重要課題。

 

新工業(yè)革命正在孕育興起

 

為什么是當下?換句話說，新工業(yè)革命孕育興起的現(xiàn)實條件是什么?它需要兩個方面的條件：一是技術上可行;二是應用上經(jīng)濟。從技術方面看，一是高度集成的處理器和數(shù)據(jù)存儲裝置遵循摩爾定律,計算和存儲能力還在呈現(xiàn)指數(shù)式增長,微型計算機嵌入產品之中成為可能。正如《第二次機器革命》一書中指出的，今天人們普遍采用每18個月綜合計算能力提高一倍的說法?？梢院翢o爭議地說，摩爾定律將會一直持續(xù)大約半個世紀。二是物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術正以前所未有的方式加快與制造技術的融合發(fā)展，存在巨大的應用空間。例如新的IPv6互聯(lián)網(wǎng)地址注冊系統(tǒng)給物聯(lián)網(wǎng)預留了340萬億個新網(wǎng)址，這一新協(xié)議不但提供更高的安全性，讓產品更方便地與網(wǎng)絡連接，更支持產品在沒有IT支持下自動獲取地址。

 

從應用方面看，一是高性能傳感器、微型電池以及網(wǎng)絡接口、無線連接和快速軟件開發(fā)工具等智能軟硬件價格不斷降低。二是信息技術尤其是互聯(lián)網(wǎng)技術正以前所未有的速度從價值鏈的銷售、售后服務、研發(fā)設計等外圍環(huán)節(jié)向產品本身及生產過程等內核滲透。電子商務、網(wǎng)絡新媒體、互聯(lián)網(wǎng)金融等新業(yè)態(tài)發(fā)展迅猛，如我國電子商務交易額從2008年的3萬億元增長到2014年的12萬億元，6年間增長了4倍，技術創(chuàng)新加速與產業(yè)化應用擴展相互促進，不斷融合，使技術可行性和經(jīng)濟可行性均大幅提升，新工業(yè)革命呼之欲出。

 

讓我們回顧一下信息技術是如何一步步與制造業(yè)緊密融合的。美國著名管理學教授邁克爾˙波特在去年11月《哈佛商業(yè)評論》中，將IT技術與制造業(yè)的融合發(fā)展歸結為“三波浪潮”：第一波浪潮被其概括為制造企業(yè)“業(yè)務管理自動化”，發(fā)生在20世紀60年代到70年代之間，價值鏈中的個人生產活動，從訂單處理到賬單支付，從計算機輔助設計到生產資料規(guī)劃都逐漸實現(xiàn)了自動化，這一波浪潮促使生產管理活動的效率大大提高，部分原因是由于生產活動中的數(shù)據(jù)可以被捕捉和分析，這引發(fā)了企業(yè)生產流程的標準化革命;第二波浪潮是“供應鏈管理網(wǎng)絡化”，發(fā)生在20世紀80年代和90年代，企業(yè)生產活動與外部供應商、渠道和客戶之間跨地域的協(xié)調與整合，企業(yè)甚至可以對全球的供應鏈系統(tǒng)進行緊密整合。

 

邁克爾˙波特指出，在前兩次浪潮中，價值鏈發(fā)生了變化，但產品本身并沒有受到深刻的沖擊。他認為21世紀以來，IT技術與制造的融合進入了“第三波浪潮”，理由是“在現(xiàn)今的第三波浪潮中，IT技術正成為產品本身不可分割的一部分”，即“產品智能化”，新一代產品內置傳感器、處理器和軟件，并與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，同時產品數(shù)據(jù)和應用程序在產品云中儲存并運行，海量產品運行數(shù)據(jù)讓產品的功能和效能都大大提升。

 

筆者非常欣賞邁克爾˙波特先生的歷史洞察力，但從近幾年來IT技術與制造業(yè)融合發(fā)展的勢頭看，現(xiàn)在是時候將第三波浪潮再推進一步了，即IT技術尤其是物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術不僅僅嵌入到產品，成為產品本身不可分割的一部分，而且深入到產品的生產過程，正帶來生產過程的智能化。更進一步，上述三波浪潮不是“后浪推前浪”式的簡單替代，而是彼此融合貫通，最終帶來人類生產方式乃至生活方式、社會組織方式的根本變革，即新工業(yè)革命切切實實地向我們走來了。

 

科學認識智能制造內涵

 

智能制造不僅采用新型制造技術和設備，而且將迅速發(fā)展的信息通信技術(物聯(lián)網(wǎng)和服務互聯(lián)網(wǎng))滲透到工廠，在制造業(yè)領域構建信息物理系統(tǒng)，從而徹底改變制造業(yè)生產組織方式和人機關系，并帶來商業(yè)模式的變革。因此，智能制造不是某個領域的技術突破，也不是簡單地用信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)，而是信息通信技術(ICT)與制造業(yè)的融合發(fā)展和集成創(chuàng)新。

 

智能制造是一個新型制造系統(tǒng)

 

智能制造是將先進自動化技術、傳感技術、控制技術、數(shù)字制造技術以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術相結合，實現(xiàn)工廠和企業(yè)內部、企業(yè)之間和產品全生命周期的實時管理和優(yōu)化的新型制造系統(tǒng)，能最大限度地降低生產成本、減少能源資源消耗、縮短產品開發(fā)周期，有效提高生產效率，推動生產方式向定制化、分散化、服務化轉變。

 

智能制造涵蓋以智能互聯(lián)為特征的智能產品、以智能工廠為載體的智能生產、以信息物理系統(tǒng)為關鍵的智能管理以及以實時在線為特征的智能服務。智能制造系統(tǒng)涵蓋了產品設計、生產規(guī)劃、生產執(zhí)行、售后服務等制造業(yè)的全部環(huán)節(jié)。信息物理系統(tǒng)是智能制造的基礎，智能工廠則是實現(xiàn)智能制造的關鍵。

 

智能制造主要包括三個方面

 

智能產品(裝備)

 

智能產品是發(fā)展智能制造的基礎與前提，由物理部件、智能部件和聯(lián)接部件構成。智能部件由傳感器、微處理器、數(shù)據(jù)存儲裝置、控制裝置和軟件以及內置操作和用戶界面等構成;聯(lián)接部件由接口、有線或無線聯(lián)接協(xié)議等構成;物理部件由機械和電子零件構成。智能部件能加強物理部件的功能和價值，而聯(lián)接部件進一步強化智能部件的功能和價值，使信息可以在產品、運行系統(tǒng)、制造商和用戶之間聯(lián)通，并讓部分價值和功能脫離物理產品本身存在。

 

智能產品具有監(jiān)測、控制、優(yōu)化和自主等四個方面的功能。監(jiān)測是指通過傳感器和外部數(shù)據(jù)源，智能產品能對產品的狀態(tài)、運行和外部環(huán)境進行全面監(jiān)測;在數(shù)據(jù)的幫助下，一旦環(huán)境和運行狀態(tài)發(fā)生變化，產品就會向用戶或相關方發(fā)出警告。控制是指可以通過產品內置或產品云中的命令和算法進行遠程控制。算法可以讓產品對條件和環(huán)境的特定變化作出反應。優(yōu)化是指對實時數(shù)據(jù)或歷史記錄進行分析，植入算法，從而大幅提高產品的產出比、利用率和生產效率。自主是指將檢測，控制和優(yōu)化功能融合到一起，產品就能實現(xiàn)前所未有的自動化程度。

 

智能生產

 

智能生產是指以智能制造系統(tǒng)為核心，以智能工廠為載體，通過在工廠和企業(yè)內部、企業(yè)之間以及產品全生命周期形成以數(shù)據(jù)互聯(lián)互通為特征的制造網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產過程的實時管理和優(yōu)化。智能制造系統(tǒng)可分為五個層次：

 

——基礎自動化系統(tǒng)層。主要包括生產現(xiàn)場設備及其控制系統(tǒng)。其中生產現(xiàn)場設備主要包括傳感器、智能儀表、PLC、機器人、機床、檢測設備、物流設備等?？刂葡到y(tǒng)主要包括適用于流程制造的過程控制系統(tǒng)，適用于離散制造的單元控制系統(tǒng)和適用于運動控制的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

 

——制造執(zhí)行系統(tǒng)層。制造執(zhí)行系統(tǒng)包括不同的子系統(tǒng)功能模塊(計算機軟件模塊)，典型的子系統(tǒng)有制造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、計劃排程管理系統(tǒng)、生產調度管理系統(tǒng)、庫存管理系統(tǒng)、質量管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、工具工裝管理系統(tǒng)、采購管理系統(tǒng)、成本管理系統(tǒng)、項目看板管理系統(tǒng)、生產過程控制系統(tǒng)、底層數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)、上層數(shù)據(jù)集成分解系統(tǒng)等。

 

——產品全生命周期管理系統(tǒng)層。產品全生命周期管理系統(tǒng)層橫向上可以主要分為研發(fā)設計、生產和服務三個環(huán)節(jié)。研發(fā)設計環(huán)節(jié)功能主要包括產品設計、工藝仿真、生產仿真，仿真和現(xiàn)場應用能夠對產品設計進行反饋，促進設計提升，在研發(fā)設計環(huán)節(jié)產生的數(shù)字化產品原型是生產環(huán)節(jié)的輸入要素之一。生產環(huán)節(jié)涵蓋了上述的生產基礎自動化系統(tǒng)層和制造執(zhí)行系統(tǒng)層包括的內容，產品在生產環(huán)節(jié)完成生產進入到服務環(huán)節(jié)。服務環(huán)節(jié)通過網(wǎng)絡實現(xiàn)的功能主要有實時監(jiān)測、遠程診斷和遠程維護，應用大數(shù)據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，形成和服務有關的決策，指導診斷和維護工作，新的服務記錄將被采集到數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

 

——企業(yè)管控與支撐系統(tǒng)層。企業(yè)管控與支撐系統(tǒng)包括不同的子系統(tǒng)功能模塊，典型的子系統(tǒng)有：戰(zhàn)略管理、投資管理、財務管理、人力資源管理、資產管理、物資管理、銷售管理、健康安全與環(huán)保管理等。

 

——企業(yè)計算與數(shù)據(jù)中心層。主要包括網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心設備、數(shù)據(jù)存儲和管理系統(tǒng)、應用軟件，為企業(yè)實現(xiàn)智能制造提供計算資源、數(shù)據(jù)服務以及具體的應用功能，能夠提供可視化的應用界面。如為識別用戶需求建設的面向用戶的電子商務平臺、為建立產品研發(fā)的設計平臺、制造執(zhí)行系統(tǒng)的運行平臺、服務平臺等都需要以企業(yè)計算與數(shù)據(jù)中心為基礎，可以推動各類型的應用軟件實現(xiàn)交互和有序工作，各子系統(tǒng)實現(xiàn)全系統(tǒng)信息共享。

 

智能服務

 

通過采集設備運行數(shù)據(jù)并上傳至企業(yè)數(shù)據(jù)中心(企業(yè)云)，系統(tǒng)軟件對設備實時在線監(jiān)測、控制，并經(jīng)過數(shù)據(jù)分析提早進行設備維護。例如維斯塔斯通過在風機的機艙、輪轂、葉片、塔筒及地面控制箱內，安裝傳感器、存儲器、處理器以及SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)對風機運行的實時監(jiān)控;還通過在風力發(fā)電渦輪中內置微型控制器，在每一次旋轉中控制扇葉的角度，從而最大限度地捕捉風能，還可以控制每一臺渦輪，在能效最大化的同時，減少對鄰近渦輪的影響。維斯塔斯通過對實時數(shù)據(jù)進行處理預測風機部件可能產生的故障，以減少可能的風機不穩(wěn)定現(xiàn)象，并使用不同的工具優(yōu)化這些數(shù)據(jù)，達到風機性能的最優(yōu)化。

 

智能制造分為三個階段

 

縱向集成：工廠和企業(yè)范圍的集成

 

智能制造將生產過程的各個階段互連，并更好地協(xié)調來提高工廠效率。一個典型的制造廠使用越來越多的不同信息技術(IT)，在幾乎所有的傳感器和電機或驅動器中植入微處理器芯片，實現(xiàn)電腦控制，擁有生產管理軟件。制造過程的特定階段或制造工藝得以管理。智能制造在各個制造環(huán)節(jié)的“信息孤島”間架起橋梁，并加以集成，從而使數(shù)據(jù)在整個工廠中得以共享。機器收集的數(shù)據(jù)和人類智能的結合將推進工廠優(yōu)化，改進企業(yè)管理績效，大幅增加經(jīng)濟效益，提高工人操作安全性，并促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

 

橫向集成：從工廠和企業(yè)內部到企業(yè)之間

 

通過高性能計算平臺將不同工廠和企業(yè)的數(shù)據(jù)源進行聯(lián)接，將工廠的特定信息和供應鏈聯(lián)接起來，從原材料供應、客戶需求到產品發(fā)貨。通過利用智能電網(wǎng)，企業(yè)可以規(guī)劃用電，在用電高峰期放緩生產，在用電低谷期加快生產。它將使更多的產品實現(xiàn)定制，新產品和工藝過程實現(xiàn)模擬。它將支持更安全、精確定義的產品的生產，實現(xiàn)更快的產品跟蹤。

 

端對端集成：實現(xiàn)生產組織方式和商業(yè)模式的變革

 

通過貫穿整個價值鏈的工程化數(shù)字集成，實現(xiàn)基于價值鏈與不同企業(yè)之間的整合，從而最大限度地實現(xiàn)個性化定制，根本改變傳統(tǒng)的商業(yè)模式和消費者的購物行為。如亞馬遜公司15年前只是一個網(wǎng)上書店，通過捕捉消費者的圖書購買習慣的大量數(shù)據(jù)，亞馬遜知悉了消費者生活方式，使其商業(yè)模式實現(xiàn)顛覆性轉變。10年內，亞馬遜擴大了產品銷售領域，涉足許多新的類別。它現(xiàn)在是美國最大的在線零售商，書籍和其他傳媒產品只占其240億美元銷售額的52%。任何從亞馬遜下過訂單的人都知道，網(wǎng)站會建議你可能喜歡的產品，告訴你什么是消費者購買產品時需要考慮的。

 

智能制造帶來三大轉變

 

定制化。企業(yè)以用戶為中心，就產品設計、制造與用戶進行實時互動，為大量用戶定制產品和服務。在智能制造系統(tǒng)中，有獨特需求的顧客可以參與到產品的設計、生產、運作、回收等環(huán)節(jié)，甚至在生產過程中隨時根據(jù)需求改變設計及生產。消費者由單純的產品接受者轉變?yōu)樯a消費者。

 

分散化。在全球范圍內迅速發(fā)現(xiàn)和動態(tài)調整合作對象，整合企業(yè)間的優(yōu)勢資源，在研發(fā)、制造、物流等產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)實現(xiàn)全球分散化生產。波音公司實現(xiàn)在全球30多個國家、135個地方、180個供應商之間的協(xié)同研發(fā)和制造，在400多萬個零部件中，本身只負責生產大約10%。

 

融合化?；ヂ?lián)網(wǎng)企業(yè)與制造企業(yè)的邊界正在打破，生產企業(yè)與服務企業(yè)的邊界日益模糊。2014年1月，谷歌宣布與通用、本田、奧迪和現(xiàn)代等四家整車制造企業(yè)以及一家芯片制造企業(yè)(NVIDIA)共同成立“開放汽車聯(lián)盟”。自2012年，谷歌公司已經(jīng)先后收購了9家智能機器人相關企業(yè)。

 

務實推進中國特色智能制造發(fā)展

 

客觀評價發(fā)達國家發(fā)展智能制造對我國影響

 

自2011年，我國就成為中國全球制造業(yè)第一大國，但與發(fā)達國家相比，仍有很大差距，面臨的要素成本壓力不斷加大、資源環(huán)境約束條件不斷增多。

 

當前，智能制造時代就要來臨，各國正在部署新的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，將重構全球制造業(yè)生態(tài)。美、德等發(fā)達工業(yè)化國家推行各自版本的智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，目的不只是要搶占新一輪制造業(yè)競爭的制高點，還要通過發(fā)展智能制造，實現(xiàn)生產成本的大幅下降、生產效率的快速提升，為其謀求中低端制造業(yè)回歸創(chuàng)造條件。

 

我國雖然有較為完整的制造業(yè)體系，具備龐大的市場優(yōu)勢，但必須清醒地認識到:在智能制造時代，傳統(tǒng)的低成本競爭優(yōu)勢不再那么重要，整個制造業(yè)生態(tài)都將發(fā)生根本變化，如果不及時抓住智能制造發(fā)展機遇，我國傳統(tǒng)的制造企業(yè)會陷入困境，面臨被淘汰的風險，我國制造業(yè)在全球的競爭優(yōu)勢將不斷削弱。

 

深刻認識我國發(fā)展智能制造條件與基礎

 

我國已具備發(fā)展智能制造的基礎與條件。一是取得了一大批相關的基礎研究成果，掌握了長期制約我國產業(yè)發(fā)展的部分智能制造技術，如機器人技術、感知技術、復雜制造系統(tǒng)、智能信息處理技術等。以新型傳感器、智能控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、自動化成套生產線為代表的智能制造裝備產業(yè)體系初步形成。二是我國制造業(yè)數(shù)字化具備一定的基礎。目前規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)在研發(fā)設計方面應用數(shù)字化工具普及率已經(jīng)達到54%，生產線上數(shù)控裝備比重已經(jīng)達到30%。

 

然而，與發(fā)達國家相比我國還有較大差距，體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

一是智能制造基礎理論和技術體系建設滯后。目前，我國主要側重智能制造技術追蹤和技術引進，而基礎研究能力相對不足，對引進技術的消化吸收力度不夠，原始創(chuàng)新匱乏;控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件等關鍵技術環(huán)節(jié)薄弱，技術體系不夠完整。

 

二是我國發(fā)展智能制造的數(shù)字化基礎較為薄弱，制造業(yè)發(fā)展整體上還處于機械自動化向數(shù)字自動化過渡階段，如果以德國工業(yè)4.0作為參照系，比較一致的看法是我國總體上還處于2.0時代，部分企業(yè)在向3.0時代邁進。

 

三是關鍵技術和核心部件受制于人。高端傳感器、智能儀器儀表、高檔數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)應用軟件等市場份額不到5%，大型工程機械所需30Mpa以上液壓件全部進口，大型轉載機進口部件占整機價值量的50%-60%。

 

四是高端軟件產品缺乏。我國制造業(yè)的“兩化”融合程度相對較低，低端CAD軟件和企業(yè)管理軟件得到很好普及，但應用于各類復雜產品設計和企業(yè)管理的智能化高端軟件產品缺失，在計算機輔助設計、資源計劃軟件、電子商務等關鍵技術領域與發(fā)達國家差距依然較大。

 

五是企業(yè)系統(tǒng)集成能力較為薄弱，缺乏像西門子、GE一樣的國際級大型企業(yè)。 質量和水平不高。

 

加強頂層設計與統(tǒng)籌規(guī)劃

 

將發(fā)展智能制造與貫徹落實《中國制造2025》結合，制定推進我國智能制造發(fā)展的中長期規(guī)劃。加快研究論證國家智能制造重大工程，明確所要突破的共性關鍵技術、所要建立共性技術平臺、在廣泛調研和專家論證基礎上，建立完善智能制造體系架構，明確推進智能制造的重點內容、重點領域、關鍵步驟和具體路徑。

 

優(yōu)先啟動五方面重點行動

 

一是攻克一批關鍵核心技術，包括數(shù)字設計與虛擬仿真系統(tǒng)，新型傳感、工業(yè)控制等智能制造技術與系統(tǒng)，智能管理技術與系統(tǒng)，建立智能制造系統(tǒng)集成平臺。

 

二是大力發(fā)展自主可控的智能部件、智能裝備及成套系統(tǒng)。加快新型傳感器、智能儀器儀表、工業(yè)機器人、工業(yè)軟件等關鍵智能部件的研發(fā)與產業(yè)化，重點發(fā)展高端數(shù)控機床、工業(yè)機器人、增材制造