国内外智能制造国家战略与应用现状分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，“工业4.0”已经上升为德国的国家战略，成为德国面向2020年高科技战略的十大目标之一。德国“工业4.0”将对传统制造业产生深远的影响。2014年10月27日，美国先进制造业联盟指导委员会发布《振兴美国先进制造业》报告2.0版，指出加快创新、保证人才输送管道、改善商业环境是振兴美国制造业的三大支柱。

1.德国工业4.0

德国“工业4.0”是由德国产、学、研各界共同制定，以提高德国工业竞争力为主要目的的战略。在全球信息技术领域中，德国强大的机械和装备制造业占据了显著地位。为了支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新，德国政府在2013年4月举办的汉诺威工业博览会上正式推出《德国工业4.0战略计划实施建议》。该计划对全球工业未来的发展趋势进行了探索性研究和清晰描述，为德国预测未来10～20年的工业生产方式提供了依据，因此引起了全世界科学界、产业界和工程界的关注。目前，“工业4.0”已经上升为德国的国家战略，成为德国面向2020年高科技战略的十大目标之一。

德国“工业4.0”将对传统制造业产生深远的影响。德国“工业4.0”把信息技术与智慧技术进行结合，比传统制造业多了一些新的能力，它可以扩展到配送物流、售后维修等其他领域。在此基础上，德国“工业4.0”会给传统制造业带来更多的发展机会，把更具个性化的服务带入市场。德国“工业4.0”战略，本质就是以机械化、自动化和信息化为基础，建立智能化的新型生产模式与产业结构。

德国“工业4.0”规划，简单可以概括为“一个核心”“两重战略”和“三大集成”。

（1）一个核心。

“工业4.0”的核心是“智能+网络化”，即通过赛博物理系统，构建智能工厂，实现智能制造的目的。赛博物理系统（CPS）建立在信息和通信技术（ICT）高速发展的基础上：①通过大量部署各类传感元件实现信息的大量采集；②将IT控件小型化与自主化，然后将其嵌入各类制造设备中，从而实现设备的智能化；③依托日新月异的通信技术达到数据的高速与无差错传输；④无论后台的控制设备，还是在前端嵌入制造设备的IT控件，都可以通过人工开发的软件系统进行数据处理与指令发送，从而达到生产过程的智能化，以及方便人工实时控制的目的。

（2）两重战略。

基于CPS，“工业4.0”通过采用双重战略来增强德国制造业的竞争力：一是“领先的供应商战略”，关注生产领域，要求德国的装备制造商必须遵循“工业4.0”的理念，将先进的技术、完善的解决方案与传统的生产技术相结合，生产出具备“智能”与乐于“交流”的生产设备；二是“领先的市场战略”，强调整个德国国内制造业市场的有效整合，构建遍布德国不同地区，涉及所有行业，涵盖各类大、中、小企业的高速互联网络是实现这一战略的关键。在此基础上，生产工艺可以重新定义与进一步细化，从而实现更为专业化的生产，提高德国制造业的生产效率。

（3）三大集成。

具体实施中需要三大集成的支撑：①关注产品的生产过程，力求在智能工厂内通过联网建成生产的纵向集成；②关注产品整个生命周期的不同阶段，包括设计与开发、安排生产计划、管控生产过程以及产品的售后维护等，实现各个阶段之间的信息共享，从而达成工程数字化集成；③关注全社会价值网络的实现，从产品的研究、开发与应用拓展至建立标准化策略、提高社会分工合作的有效性、探索新的商业模式以及考虑社会的可持续发展等，从而达成德国制造业的横向集成。

ICT技术的不断发展，为三大集成的可实现性提供了保证。相关的技术包括：

①机器对机器（Machine to Machine，M2M）技术，用于终端设备之间的数据交换。M2M技术的发展，使得制造设备之间能够主动地进行通信，配合预先安装在制造设备内部的嵌入式软/硬件系统实现生产过程的智能化。

②物联网技术的应用范围超越了单纯的机器对机器的互联，将整个社会的人与物连接成一个巨大的网络。按照国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的解释，这是一个无处不在与时刻开启的普适网络社会。知名的信息技术研究和分析公司——高德纳咨询公司预计，至2020年加入物联网的终端设备将达到260亿台，是2009年9亿台的约30倍。

③各类应用软件包括实现企业系统化管理的企业资源计划（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、供应链管理（SCM）、系统生命周期管理（SysLM）等。这些系统将在“工业4.0”中进一步发挥协同作用，成为企业进行智能化生产和管理的利器。

2.美国国家先进制造战略规划

2012年2月22日，美国国家科学研究委员会发布《国家先进制造战略规划》，该战略规划基于总统科学技术顾问委员会在2011年6月发布的《确保美国先进制造领导地位》白皮书，响应了《美国竞争再授权法案》的相关精神，用于指导联邦政府支持先进制造研究开发的各项计划和行动。在该战略规划中，先进制造是指运用和调度信息、自动装置、计算、软件、传感、网络，以及运用基于物理、化学和生物学等众多学科而实现的新材料和新功能，如纳米技术、化学和生物学的一系列活动，包括制造现有产品的新方法和制造由新型先进技术催生的新产品两个方面。先进制造能够提供高质量的就业岗位，是出口的重要来源和技术创新的关键源泉，也为军方、情报界和国土安全机构提供必需品和装备。

该规划分析了美国先进制造业的生产模式和趋势，揭示了联邦政府制定加快先进制造业发展所面临的机遇及维护其健康发展所面临的挑战。通过规划一个强大的创新政策，缩小研发与先进制造业创新应用间的差距，解决技术全生命周期中的问题。

2014年10月27日，美国先进制造业联盟指导委员会发布《振兴美国先进制造业》报告2.0版，指出加快创新、保证人才输送管道、改善商业环境是振兴美国制造业的三大支柱。特别是在促进创新方面，将在增加美国竞争力的新型制造技术领域增加大量投资。国防部、能源部、农业部及航空航天总局等政府部门将向报告所建议的复合材料、生物材料等先进材料、制造业所需先进传感器及数字制造业方面加大投资，总额超过3亿美元。以政府提供先进设备、部门与科研机构、高校联动、设立联合技术测试平台等方式促进创新发展。

从2011年6月至今，在美国政府一系列措施下逐渐振兴了美国的先进制造业，已经建成了4个先进制造业的研究所，还有4个在筹建中。政府向社区大学投资近10亿美元，为先进制造业培养合格的工人；同时也扩大对于新兴、交叉性学科应用性研究的投入。政府还采取新的措施对退伍军人进行更合理的分配，包括向先进制造业分配合格的人才。最近五年，美国制造业已经增加了70万个就业岗位。

3.日本物联网升级制造模式

伴随德国工业4.0时代的到来，传统制造业强国——日本也开始发力。日本选择了机器人作为突破口。日本机器人的实力因在工业领域的普及而受到全球的认可。目前，日本仍然保持工业机器人产量、安装数量世界第一的地位。2012年，日本机器人产值约为3 400亿日元，占全球市场份额的50%，安装数量（存量）约30万台，占全球市场份额的23%。而且，机器人的主要零部件，包括机器人精密减速机、伺服电动机、重力传感器等，占据90%以上的全球市场份额。

日本政府于2015年1月23日公布了《机器人新战略》，首先列举了欧美与中国的技术赶超，互联网企业向传统机器人产业的涉足，给机器人产业环境带来了剧变。这些变化，将使机器人开始应用大数据实现自律化，使机器人之间实现网络化，物联网时代也将随之真正到来。

2015年5月，日本机器人革命促进会正式成立，标志着“日本机器人新战略”迈出了第一步。最初，“日本机器人新战略”主要有两大目的，即“扩大机器人应用领域”与“加快新一代机器人技术研发”。而近年来，德国的工业4.0、美国的工业互联网等相继涌现，加速了以新一代信息技术为主线的制造创新趋势。日本政府也积极跟进，决定在日本机器人革命促进会下设“物联网升级制造模式工作组”。2015年7月中旬“物联网升级制造模式工作组”召开了第一次大会。除了三菱电机、日立制作所等工业控制设备厂商之外，富士通、NEC等IT企业，三菱重工、川崎重工、IHI、日立造船、丰田汽车、日产汽车、本田汽车等工业企业、贸易集团以及智库等制造业相关的77家代表企业参会。此外，还有15个商协会等社会组织参与了大会。

物联网升级制造模式工作组的目标主要是，跟踪全球制造业发展趋势的科技情报，通过政府与民营企业的合作，实现物联网技术对日本制造业的变革。具体而言，主要有如下4点：①梳理物联网升级新制造模式的示范案例；②探讨标准化模式，提供参考信息；③调研物联网和赛博物理系统在智能工厂中的应用潜力；④在政府与德国、美国等有关国际机构协商合作之际，提供参考决策。该工作组以后将每月开展一次活动，形成物联网升级制造模式的通用架构，为未来制造业的国际合作做好准备。

4.中国制造2025

为了实现由制造大国向制造强国转变，国务院于2015年5月8日公布了强化高端制造业的国家战略规划“中国制造2025”。“中国制造2025”要求坚持走中国特色新型工业化道路，以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，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，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，完善多层次多类型人才培养体系，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越。简而言之，“中国制造2025”的核心是智能制造。

“中国制造2025”的战略目标是立足国情，立足现实，力争通过“三步走”实现制造强国的战略目标。第一步：力争用十年时间，迈入制造强国行列。第二步：到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平。第三步：中华人民共和国成立一百年时，制造业大国地位更加巩固，综合实力进入世界制造强国前列。制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系。

“中国制造2025”将分类开展流程制造、离散制造、智能装备和产品、智能制造新业态新模式、智能化管理、智能服务六大重点行动。

第一，针对生产过程（包括流程制造、离散制造）的智能化，特别是生产方式的现代化、智能化。在以智能工厂为代表的流程制造、以数字化车间为代表的离散制造方面分别进行试点示范项目。其中，在流程制造领域，重点推进石化、化工、冶金、建材、纺织、食品等行业，示范推广智能工厂或数字矿山运用；在离散制造领域，重点推进机械、汽车、航空、船舶、轻工、家用电器及电子信息等行业。

第二，针对产品的智能化，体现在以信息技术深度嵌入为代表的智能装备和产品试点示范。把芯片、传感器、仪表、软件系统等智能化产品嵌入到智能装备中去，使得产品具备动态存储、感知和通信能力，实现产品的可追溯、可识别、可定位。在包括高端芯片、新型传感器、机器人等在内的行业中，进行智能装备和产品的集成应用项目。

第三，针对制造业中的新业态新模式予以智能化，即工业互联网方向。在以个性化定制、网络协同开发、电子商务为代表的智能制造新业态新模式推行试点示范。例如，在家用电器、汽车等与消费相关的行业，开展个性化定制试点；在钢铁、食品、稀土等行业开展电子商务及产品信息追溯试点示范。

第四，针对管理的智能化。在物流信息化、能源管理智慧化上推进智能化管理试点，从而将信息技术与现代管理理念融入企业管理。

第五，针对服务的智能化。以在线监测、远程诊断、云服务为代表的智能服务试点示范。服务的智能化，既体现为企业如何高效、准确、及时挖掘客户的潜在需求并实时响应，也体现为产品交付后对产品实现线上线下服务，实现产品的全生命周期管理。

上述五个方面，纵向来看，贯穿于制造业生产的全周期；横向来看，基本囊括了中国制造业中的传统和优势项目；综合来看，重大智能装备及与新业态新模式相关的偏服务化制造业将是重点。

5.智能制造国内外发展的差异和给我们的启示

对比中德美日四国可以看出，德国基于其强大的工业基础，自下而上积极推动工业4.0战略，希望通过新一代信息技术在制造业中的应用，保卫其制造业的优势地位；而美国则基于其领先的互联网创新能力，强调软件、网络和数据，注重互联互通和互操作，自上而下打造工业互联网，期望重新夺回制造业霸主地位。日本则基于其机器人及其主要零部件在全球的实力，依托互联网企业使机器人应用大数据、物联网，使机器人之间实现网络化。

而我国工业正处于由大变强、转型升级的关键时期，不同规模、行业和区域的企业水平差异巨大，应基于我国工业的实际情况，借鉴别国经验，制定出适合我国国情的标准化战略。他们对我们的启示可以归纳为：

（1）各国均瞄准广泛互联的工业网络、贯穿产品全生命周期的信息数据链和具备感知、控制与联网功能的智能装备等重点技术领域。

（2）各国均注重结合本国优势，战略重点略有差异又相互学习借鉴。美国近期的行动更加注重对“硬制造”的部署，德国也更加关注互联网所带来的产业生态系统和新模式。

（3）各国均强调建立创新基础设施，推动统一标准的制定，为智能制造的发展提供保障。

国内外智能制造国家战略与应用现状分析

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