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中国工程院:智能制造是建设制造强国的主攻方向(上)

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在中共“十九大”报告中,习近平总书记号召加快建设制造强国,加快发展先进制造业。习近平指出,要继续做好信息化和工业化深度融合这篇大文章,推进智能制造,推动制造业加速向数字化、网络化、智能化发展。《中国制造2025》从国家层面确定了中国建设制造强国的总体战略,明确提出要以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向,实现制造业由大变强的历史跨越。

智能制造是建设制造强国的主攻方向

智能制造是中国制造业转型升级的强烈需求

中国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。制造业是实体经济的主体,是供给侧结构性改革的主要领域,必须要加快推动制造业实现质量效益提高、产业结构优化、发展方式转变。《中国制造2025》实施以来,智能制造表现出良好、强劲的发展势头。据抽样调查显示,在全国10个城市1815家企业中,73%的企业有实施智能制造的强烈意愿;又据对智能制造相关项目的调查,2015-2017年的308个项目进行智能化改造后,生产效率平均提高34%,能源利用率平均提高17.2%,运营成本平均降低22%,产品研制周期平均缩短32.4%,产品不良品率平均降低29.4%;另据统计,广东、江苏、浙江等地的智能改造技术升级资金已占当地工业投资的70%以上。实践表明,企业对智能制造具有强烈的需求,具备向更高水平迈进的基础。

智能制造为中国制造业跨越发展提供历史性机遇

习近平指出,新一轮科技革命和产业变革与中国加快转变经济发展方式形成历史性交汇,为我们实施创新驱动发展战略提供了难得的重大机遇。习近平还指出,要推进互联网、大数据、人工智能同实体经济深度融合,做大做强数字经济。要以智能制造为主攻方向推动产业技术变革和优化升级,推动制造业产业模式和企业形态实现根本性转变,以“鼎新”带动“革故”,以增量带动存量,促进中国产业迈向全球价值链中高端。

智能制造是中国制造业创新发展的主要抓手,是中国制造业转型升级的主要路径,要坚持把智能制造作为建设制造强国的主攻方向,推进智能制造,加快建设制造强国。加快制定并实施中国智能制造发展战略。当前,“制造强国”进入全面部署、加快实施、深入推进的新阶段,企业对于实现智能转型愿望迫切。

中国虽然以智能制造为制造业发展的主攻方向,但尚未形成清晰的智能制造发展战略,特别是发展的技术路线。对于为什么发展智能制造、什么是智能制造、怎么发展智能制造,还需要进行深入研究和谋划。广大企业在智能制造的理性认识、发展方向、工作重点、路径选择、实施策略等方面还存在许多困惑和误区。要推动中国智能制造持续、健康、快速发展,必须把握世界技术发展趋势,提出适合中国国情的智能制造发展战略,特别是发展的技术路线,明确智能制造发展的战略目标、方针和优先行动,加快推进中国制造的智能化转型,进而实现中国由制造大国向制造强国的转变。

智能制造基本范式、技术路径与系统

广义而论,智能制造是一个大概念,是一个不断演进的大系统。智能制造是新一代信息技术与先进制造技术的深度融合,贯穿于产品、制造、服务全生命周期的各个环节及相应系统的优化集成,旨在实现制造的数字化、网络化、智能化,不断提升企业的产品质量、效益、服务水平,推动制造业实现创新、绿色、协调、开放、共享式发展。

智能制造的演进发展中可以总结、归纳和提升出智能制造的三种基本范式,即:数字化制造——第一代智能制造,数字化网络化制造——“互联网+ 制造”或第二代智能制造,数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。

新一代智能制造

数字化制造

数字化制造是智能制造的第一个基本范式,也可称为第一代智能制造。20世纪50年代,以数字化为主要特征的信息技术开始应用于制造业,并逐步推动制造业由自动化向数字化转变。数字化制造是在数字化技术和制造技术融合的背景下,通过对产品信息、工艺信息和资源信息进行数字化描述、分析、决策和控制,快速生产出满足用户要求的产品。

数字化制造的主要特征表现为:第一,在产品方面,数字技术在产品中得到广泛应用,形成以数控机床等为代表的“数字一代”产品;第二,在制造方面,大量应用数字化装备、数字化设计、数字化建模与仿真,采用信息化管理;第三,集成和优化运行成为生产过程的突出特点。

20世纪80年代以来,中国企业逐步推广应用数字化制造,推进设计、制造、管理过程的数字化,推广数字化控制系统和制造装备,推动企业信息化,取得了巨大的技术进步,特别是近年来,各地大力推进“机器换人”、“数字化改造”,建立了一大批数字化生产线、数字化车间、数字化工厂,众多企业完成了数字化制造升级,中国数字化制造迈入了新的发展阶段。同时,必须清醒地认识到,中国大多数企业,特别是广大中小企业,还没有完成数字化制造转型。面对这样的现实,中国在推进智能制造过程中必须实事求是,踏踏实实地完成数字化“补课”,进一步夯实智能制造发展的基础。

互联网+制造”——数字化网络化制

数字化网络化制造是智能制造的第二种基本范式,也可称为“互联网+制造”,或第二代智能制造,可对应于国际上推行的SmartManufacturing。

20世纪90年代末以来,互联网技术逐步成熟,中国“互联网+”推动互联网和制造业深度融合,人、流程、数据和事物等过去相互孤立的节点被网络连接起来,通过企业内、企业间的协同,通过各种社会资源的集成与优化,“互联网+制造”重塑制造业的价值链,推动制造业从数字化制造发展到数字化网络化制造阶段。

“互联网+制造”主要特征为:第一,在产品方面,在数字技术应用的基础上,网络技术得到普遍应用,成为网络连接的产品,设计、研发等环节实现协同与共享。第二,在制造方面,在实现厂内集成基础上,进一步实现制造的供应链、价值链集成和端到端集成,制造系统的数据流、信息流实现连通。第三,在服务方面,设计、制造、物流、销售与维护等产品全生命周期以及用户、企业等主体通过网络平台实现联接和交互,制造模式从以产品为中心走向以用户为中心。

中国工业界紧紧抓住互联网发展的战略机遇,大力推进“互联网+制造”,制造业、互联网龙头企业纷纷布局,将工业互联网、云计算等新技术应用于制造领域。一方面,一批数字化制造基础较好的企业成功实现数字化网络化升级,成为了数字化网络化制造示范;另一方面,大量还未完成数字化制造的企业,则采用并行推进数字化制造和“互联网+制造”的技术路线,通过“以高打低、融合发展”,完成了数字化制造的“补课”,同时跨越到“互联网+制造”阶段,实现了企业的优化升级。

德国“工业4.0”和美国工业互联网完整阐述了数字化网络化的制造范式,提出了实现数字化网络化制造的技术路线。但由于这两个理论提出较早,当时新一代人工智能还没有实现战略突破,因此他们的理论总体上还只适用于数字化网络化制造范式,并没有进入新一代智能制造范式,还不是真正意义上的第四次工业革命,这正是中国制造业“换道超车”的重大历史机遇。

新一代智能制造——数字化网络化智能化制造

数字化网络化智能化制造是智能制造的第三种基本范式,也可称为新一代智能制造,可对应于国际上推行的IntelligentManufacturing。

近年来,在互联网、云计算、大数据和物联网等新一代信息技术快速发展形成群体性突破的推动下,以大数据智能、跨媒体智能、人机混合增强智能、群体智能等为代表的新一代人工智能技术加速发展,实现了战略性突破。新一代人工智能技术与先进制造技术深度融合,形成新一代智能制造——数字化网络化智能化制造。新一代人工智能的本质特征是具备了学习的能力,具备了生成知识和更好地运用知识的能力,实现了质的飞跃。

新一代智能制造将为制造业的设计、制造、服务等各环节及其集成带来根本性变革,新技术、新产品、新业态、新模式将层出不穷,深刻影响和改变社会的产品形态、生产方式、服务模式,乃至人类的生活方式和思维模式,极大地推动社会生产力的发展。新一代智能制造将给制造业带来革命性的变化,将成为制造业未来发展的核心驱动力。

中国智能制造“并行推进、融合发展”的技术路线

智能制造的三个基本范式体现了智能制造发展的阶段性和融合性特点,三个基本范式沿时间脉络逐一展开,既是相关技术发展到一定阶段和产业结合,各有其所在阶段的特点,也都面临着当时阶段所需要重点解决的问题,体现着先进信息技术与制造技术融合发展的阶段性特征。在发展过程中,三个基本范式在技术上并不是割裂的,而是相互交织、迭代升级,通过技术融合相互促进发展,体现着智能制造发展的融合性特征。

中国应发挥后发优势,采取三个基本范式“并行推进、融合发展”的技术路线,走一条数字化、网络化、智能化并行推进的智能制造创新之路,实现中国制造业的智能升级、高质量发展。一方面,中国必须坚持“创新引领”,直接利用互联网、大数据、人工智能等最先进的技术,推进先进信息技术和制造技术的深度融合;瞄准高端方向,加快研究、开发、推广、应用新一代智能制造技术。另一方面,必须实事求是,因企制宜、循序渐进地推进企业的技术改造、智能升级。充分利用中国推进“互联网+制造”的经验,企业根据自身发展的实际需要,“以高打低”——采取先进的技术解决传统制造难以解决的问题,扎扎实实地完成数字化“补课”,同时,向更高的智能制造水平迈进。

今后一个阶段,中国推进智能制造的重点是推广和大规模应用“互联网+制造”——数字化网络化制造。到2025年以后,随着“互联网+制造”的普及和新一代智能制造技术的成熟,中国推进智能制造的重点将转入到大规模推广和应用新一代智能制造。

新一代智能制造系统

新一代智能制造系统主要由智能产品、智能生产及智能服务三大功能系统以及工业智联网和智能制造云两大支撑系统集成而成(见图2)。

新一代智能制造系统

智能产品和装备是新一代智能制造系统的主体。智能产品是智能制造和服务的价值载体,智能制造装备是智能制造的技术前提和物质基础。新一代智能制造将给产品与制造装备带来无限的创新空间,使产品与制造装备产生革命性变化。

智能手机和智能汽车是两个典型的例证。有些产品,例如iPhoneX和华为mate 10已经搭载了人工智能芯片,开始具有了学习功能。不久的将来,新一代人工智能全面应用到手机上,将为智能手机带来新的革命性变化。汽车正在经历燃油汽车—电动汽车(数字化)—网联汽车(网络化)的发展历程,将朝着无人驾驶汽车(智能化)的方向极速前进。

新一代智能制造技术将为产品和装备的创新插上腾飞的翅膀、开辟更广阔的天地。

到2035年,中国各种产品与制造装备都将从“数字一代”整体跃升成“智能一代”,升级为智能产品和装备。一方面,将涌现出一大批先进的智能产品,如智能终端、智能家电、智能服务机器人、智能玩具等,为人民更美好的生活服务;另一方面,着重推进重点领域重大装备的智能升级,如信息制造装备、航天航空装备、船舶和海洋装备、汽车和轨道交通装备、农业装备、医疗装备、能源装备等,特别是要大力发展智能制造装备,如智能机器人、智能机床等,我们的“大国重器”也将装备“工业大脑”。近期的突破重点是研制十大重点智能产品:智能工业机器人、智能加工中心、无人机、智能舰船、智能汽车、智能列车、智能挖掘机、智能医疗器械、智能手机、智能家电。

智能生产是新一代智能制造系统的主线。智能工厂是智能生产的主要载体。智能工厂根据行业的不同可分为离散型智能工厂和流程型智能工厂,追求的目标都是生产过程的优化,大幅度提升生产系统的性能、功能、质量和效益,重点发展方向都是智能生产线、智能车间、智能工厂。

新一代人工智能技术与先进制造技术的融合将使生产线、车间、工厂发生革命性的大变革,企业将会向自学习、自适应、自控制的新一代智能工厂进军。“机器换人”有助于企业生产能力的技术改造、智能升级,不仅能解决一线劳动力短缺和人力成本升高的问题,更能从根本上提高制造业的质量、效率和企业竞争力。在今后相当长一段时间内,企业的生产能力升级——生产线、车间、工厂的智能升级将成为推进智能制造发展的一个主要战场。

流程工业在中国国民经济中占有基础性的战略地位,产能高度集中,且数字化网络化基础较好,最有可能在新一代智能制造领域率先实现突破。如石化行业智能工厂建立数字化、网络化、智能化的生产运营管理新模式,可极大地优化生产,提高安全环保水平。

离散型智能工厂将应用新一代人工智能技术实现加工质量的升级、加工工艺的优化、加工装备的健康保障、生产的智能调度和管理,建成真正意义上的智能工厂。近期突破重点是建设十家智能工厂原型:钢铁、电解铝、石油化工、煤化工、酒醋酱油酿造、3C加工、薄膜晶体管(TFT)制造、汽车覆盖件冲压、基于3D打印的铸造、家电制造互联工厂。

以智能服务为核心的产业模式和业态变革是新一代智能制造系统的主题。新一代人工智能技术的应用,将催生制造业实现从以产品为中心向以用户为中心的根本性转变,产业模式从大规模流水线生产转向规模定制化生产,产业形态从生产型制造向生产服务型制造转变,完成深刻的供给侧结构性改革。近期突破重点是在十个行业推行两种智能制造新模式:规模化定制在家电、家具、服装行业推广应用;远程运维服务在航空发动机、高铁装备、通用旋转机械、发电装备、工程机械、电梯、水/电/气表监控管理行业的推广应用。

智能制造云和工业智联网是新一代智能制造系统的重要支撑。“网”和“云”带动制造业从数字化向网络化、智能化发展,重点是“智联网”“云平台”和“网络安全”三个方面。系统集成将智能制造各功能系统和支撑系统集成为新一代智能制造系统。系统集成是新一代智能制造最基本的特征和优势,新一代智能制造内部和外部均呈现系统“大集成”,具有集中与分布、统筹与精准、包容与共享的特性

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