高端裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)

導(dǎo)讀：隨著新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，智能制造成為新時(shí)代高端裝備制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑。通過(guò)分析在數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮下，高端裝備行業(yè)的趨勢(shì)和企業(yè)發(fā)展過(guò)程中面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，提出了通過(guò)智能制造實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展道路的思考，并就企業(yè)如何推進(jìn)智能制造規(guī)劃和建設(shè)提出了具體的建議。

0 引言

當(dāng)前國(guó)際產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和發(fā)展趨勢(shì)正發(fā)生重要變化，作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)三駕馬車之一的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，特別是制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化成為全球焦點(diǎn)。美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開(kāi)展以新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力的先進(jìn)制造計(jì)劃，并加快實(shí)施速度。我國(guó)需利用信息科技領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，加速制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，構(gòu)建以數(shù)字化為驅(qū)動(dòng)力的、全新的生產(chǎn)制造和工業(yè)服務(wù)體系，打造新的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，搶占新一輪國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。

1 頂層設(shè)計(jì)保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展

新冠疫情全球大爆發(fā)給人類實(shí)體經(jīng)濟(jì)帶來(lái)前所未有的巨大沖擊，也為加速發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)提出迫切而現(xiàn)實(shí)的需求。2020年3月，黨中央提出加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度的要求。未來(lái)幾年，我國(guó)會(huì)持續(xù)投入大量資金扶持新基建示范項(xiàng)目和工程。國(guó)家層面已出臺(tái)的各項(xiàng)指導(dǎo)意見(jiàn)及各省市區(qū)為落實(shí)中央精神即將出臺(tái)的各項(xiàng)行動(dòng)方案，必將為我國(guó)下一階段高質(zhì)量發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供強(qiáng)有力的政策保障。

產(chǎn)業(yè)數(shù)字化作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的主要組成部分，制造業(yè)特別是以航空、航天、軌道交通裝備等為代表的高端裝備業(yè)，是高質(zhì)量發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。高端裝備行業(yè)產(chǎn)值高、供應(yīng)鏈廣，對(duì)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的引領(lǐng)作用，也代表著我國(guó)工業(yè)最高的科學(xué)技術(shù)、工藝水平、質(zhì)量要求。高端裝備制造業(yè)是我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、管理提升和數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要領(lǐng)域。

21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與德國(guó)“工業(yè)4.0”引起了全球制造業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)模式和制造價(jià)值實(shí)現(xiàn)方式的轉(zhuǎn)變[1-3]。德國(guó)工業(yè)4.0和美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅是把握未來(lái)信息技術(shù)與工業(yè)、信息化與工業(yè)化融合發(fā)展的“多棱鏡”，而且是信息技術(shù)發(fā)展到深層次階段的一種嶄新的工業(yè)發(fā)展模式，核心在于不斷增強(qiáng)企業(yè)、行業(yè)甚至國(guó)家的整體競(jìng)爭(zhēng)力[5]。隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、智能傳感網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正從最初的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制與運(yùn)維向更深度的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、開(kāi)放化和服務(wù)化方向發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對(duì)高端裝備制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型產(chǎn)生了巨大的引領(lǐng)和支撐作用。

2 高端裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)

2.1 數(shù)字化發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)的高端裝備制造企業(yè)往往通過(guò)增加資源投入來(lái)實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)的外延式發(fā)展，這種粗放模式使其綜合能力提升不大，面臨著效益不高的困境。在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中，制造業(yè)想獲得可持續(xù)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，必須依靠信息物理融合系統(tǒng)（CPS）實(shí)現(xiàn)協(xié)同的設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈、生產(chǎn)與產(chǎn)品服務(wù)，置身于全球供應(yīng)鏈的生態(tài)系統(tǒng)之中，應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+智能工廠[4]。從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)角度看，隨著智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的成熟應(yīng)用，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新增長(zhǎng)與服務(wù)價(jià)值鏈延伸的發(fā)展模式是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的新動(dòng)能，也是其轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向。

隨著國(guó)內(nèi)制造成本的不斷上升，中國(guó)高端裝備制造業(yè)過(guò)去依賴人力、資源和能源的要素驅(qū)動(dòng)式的發(fā)展方式已經(jīng)到達(dá)瓶頸，急需向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方式轉(zhuǎn)變。重視產(chǎn)品、技術(shù)和管理等方面的創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)高端裝備制造業(yè)升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)由對(duì)標(biāo)跟隨向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

高端裝備制造企業(yè)過(guò)去往往處于價(jià)值鏈的底端，設(shè)備場(chǎng)地投資重，投資經(jīng)濟(jì)效益不高。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，高端裝備制造業(yè)的未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)將是綜合保障增值服務(wù)模式，形成服務(wù)型制造。通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集智能裝備產(chǎn)品的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，應(yīng)用工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)，提升產(chǎn)品性能，并對(duì)產(chǎn)品全生命周期的健康狀態(tài)進(jìn)行管控。通過(guò)制造、服務(wù)一體化，實(shí)現(xiàn)由生產(chǎn)型企業(yè)向服務(wù)型企業(yè)的價(jià)值鏈延伸轉(zhuǎn)變。

2.2 企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

隨著客戶對(duì)產(chǎn)品功能、性能和質(zhì)量的需求越來(lái)越高，研制和生產(chǎn)周期要求越來(lái)越短，產(chǎn)品價(jià)格要求越來(lái)越低，高端裝備產(chǎn)品的復(fù)雜度、制造工藝的難度和高定制化的程度成為企業(yè)的巨大挑戰(zhàn)。面對(duì)隨之而來(lái)的“多品種、小批量、高復(fù)雜”的制造特征與“高質(zhì)量、短周期、低成本”的矛盾，高端裝備制造企業(yè)面臨著貫穿于高端裝備的全生命周期的最為復(fù)雜的制造問(wèn)題——如何實(shí)現(xiàn)全生命周期的高效率和充分柔性。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與管理模式創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵式發(fā)展

近年來(lái)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統(tǒng)行業(yè)中的快速滲透，傳統(tǒng)行業(yè)在多方面能力得以提升的同時(shí)也對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提出了更高的要求，跨界合作、融合創(chuàng)新已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的共識(shí)。智能傳感技術(shù)、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)在此過(guò)程中也得以與傳統(tǒng)行業(yè)快速融合發(fā)展[6]。

在產(chǎn)品的全生命周期中，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與管理創(chuàng)新相融合，以提升產(chǎn)品智能化水平，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)延展產(chǎn)品增值服務(wù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化。典型應(yīng)用涵蓋了產(chǎn)品的銷售、研發(fā)、運(yùn)營(yíng)和產(chǎn)品服務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)，包括利用嵌入物聯(lián)技術(shù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新、通過(guò)“端—管—云”形式實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維、基于知識(shí)工程的智慧創(chuàng)成技術(shù)、基于MBD（模型定義）的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜的人工智能決策、自適應(yīng)的柔性制造系統(tǒng)等。

3.1 基于嵌入式物聯(lián)技術(shù)與工業(yè)大數(shù)據(jù)的產(chǎn)品創(chuàng)新

把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)自身狀態(tài)及周邊環(huán)境的自感知，可實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)警、診斷等功能。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口，能夠?qū)Ξa(chǎn)品在運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與挖掘，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性應(yīng)用等。各種數(shù)據(jù)挖掘的智能方法可以用于發(fā)現(xiàn)這些信息中所隱含的設(shè)計(jì)提升需求，使設(shè)計(jì)概念的創(chuàng)新提升到一個(gè)新的層次。

3.2 通過(guò)“端—管—云”形式，實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品遠(yuǎn)程運(yùn)維

遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中往往以“端—管—云”形式出現(xiàn)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)也正在向更多的領(lǐng)域滲透。遠(yuǎn)程安全讀取工業(yè)機(jī)器人數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，提供了一個(gè)非常安全的網(wǎng)絡(luò)通道，使人可以在任何地方讀取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，為運(yùn)維和性能優(yōu)化工作提供支撐。

3.3 基于知識(shí)工程的智慧創(chuàng)成技術(shù)

產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程的智能化實(shí)現(xiàn)，主要體現(xiàn)在客戶需求經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為概念方案的階段，這一階段在融入人工智能技術(shù)和系統(tǒng)工程方法后將更加智能化、科學(xué)化?；谥R(shí)工程的大部分研究都集中在知識(shí)的智能化獲取與結(jié)構(gòu)化表達(dá)兩方面，其中包括基于規(guī)則的方法、知識(shí)流分析方法、基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)的方法等。將這些基于知識(shí)工程的方法應(yīng)用到設(shè)計(jì)需求轉(zhuǎn)化為概念方案的過(guò)程，再借助自然語(yǔ)言識(shí)別、語(yǔ)義檢索和人工檢索等技術(shù)，利用效應(yīng)庫(kù)、專業(yè)庫(kù)及專利庫(kù)等外部知識(shí)，分析當(dāng)前技術(shù)趨勢(shì)，可幫助設(shè)計(jì)員識(shí)別問(wèn)題、快速找到最優(yōu)解決方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)的智能化。

3.4 基于MBD（模型定義）的設(shè)計(jì)研發(fā)

隨著VR、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的不斷成熟，采用面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可在數(shù)字孿生的CPS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化設(shè)計(jì)。近年來(lái)花費(fèi)較高的物理性能試驗(yàn)被高性能仿真取代，這不但可以縮短研發(fā)周期，同時(shí)也有效降低了成本。企業(yè)在面對(duì)越來(lái)越高的產(chǎn)品性能要求的客戶時(shí)，仿真數(shù)據(jù)優(yōu)化、高效試驗(yàn)設(shè)計(jì)、智能優(yōu)化等技術(shù)將被越來(lái)越多地用于提高產(chǎn)品性能上。

3.5 生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜問(wèn)題的人工智能決策

在先進(jìn)的計(jì)劃與調(diào)度、圖像識(shí)別、過(guò)程質(zhì)量控制等領(lǐng)域，智能設(shè)備的計(jì)算能力要比人類更高，與人類主要依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷相比，其可更快地給出更準(zhǔn)確的解決方案。智能設(shè)備通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集生產(chǎn)過(guò)程中的人員、設(shè)備、物料等數(shù)據(jù)，再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析形成預(yù)測(cè)模型和決策支持。例如，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)的預(yù)測(cè)分析，可提前預(yù)警設(shè)備停工、質(zhì)量事故、設(shè)備效率下降等狀況，提醒相關(guān)人員及時(shí)糾正，避免問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃的影響。

3.6 自適應(yīng)的柔性制造系統(tǒng)

單件小批量生產(chǎn)是當(dāng)今制造業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)，其需要在一次性且產(chǎn)量較小的生產(chǎn)中仍能保持高生產(chǎn)效率、高產(chǎn)品質(zhì)量及優(yōu)化的制造周期。因此，在成本可控的前提下，通過(guò)柔性線、機(jī)器人、AGV等智能制造裝備的應(yīng)用提高生產(chǎn)的柔性，可滿足越來(lái)越復(fù)雜的市場(chǎng)環(huán)境；通過(guò)快速的產(chǎn)線調(diào)整、資源重組搭建自適應(yīng)的柔性制造系統(tǒng)可應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。

智能工具是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中的基本組成單元，也是形態(tài)最豐富、技術(shù)集成度最高的產(chǎn)品之一。在生產(chǎn)過(guò)程中，智能工具可通過(guò)內(nèi)部集成的軟硬件系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，并可隨時(shí)與操作者進(jìn)行人機(jī)交互，以促進(jìn)生產(chǎn)全過(guò)程的提質(zhì)增效。

4 開(kāi)展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的建議

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在高端裝備制造企業(yè)落地是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為實(shí)現(xiàn)高端裝備制造企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，建議從以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作。

4.1 建立國(guó)家級(jí)智能制造聯(lián)合應(yīng)用開(kāi)發(fā)創(chuàng)新中心

依托中立的第三方科研機(jī)構(gòu)建立跨行業(yè)的國(guó)家級(jí)智能制造聯(lián)合應(yīng)用開(kāi)發(fā)創(chuàng)新中心，集中解決智能制造過(guò)程中的共性問(wèn)題，提供公益性質(zhì)的公共開(kāi)發(fā)、測(cè)試與驗(yàn)證環(huán)境。制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試驗(yàn)證方法，為政府相關(guān)部門提供決策支撐，為企業(yè)提供各類服務(wù)，起到產(chǎn)業(yè)孵化器的推動(dòng)作用。

4.2 企業(yè)全面開(kāi)展精益管控體系搭建與系統(tǒng)的智能制造規(guī)劃

智能制造的建設(shè)不能一蹴而就，需要在建設(shè)前開(kāi)展大量前置工作。前置工作主要有：一是擁有一套完整的目標(biāo)導(dǎo)向的精益管控體系，使用精益方法以實(shí)現(xiàn)制造體系的全面協(xié)同；二是對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)制造裝備改造升級(jí)，使制造裝備具有智能化特點(diǎn)，使大部分生產(chǎn)過(guò)程不再依賴人工，保證生產(chǎn)效率與質(zhì)量的一致性，以適應(yīng)產(chǎn)品定制化、制造服務(wù)化的發(fā)展方向。

工廠規(guī)劃有完整的、基于系統(tǒng)工程理論并以精益思想為原則的方法論。整個(gè)規(guī)劃以企業(yè)業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，配備適度的自動(dòng)化，并使用專業(yè)的工廠仿真軟件對(duì)建設(shè)效果進(jìn)行驗(yàn)證，以保證規(guī)劃效果。系統(tǒng)的工廠規(guī)劃方法是業(yè)務(wù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)靈活高效、柔性化、智能化生產(chǎn)模式的基本條件?？茖W(xué)的規(guī)劃不但能夠滿足發(fā)展需求，也能優(yōu)化資源配置、提高投資效果、優(yōu)化發(fā)展方式。

4.3 開(kāi)展高端裝備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范實(shí)踐

高端裝備企業(yè)想要切實(shí)有效地智能制造投資建設(shè)、推動(dòng)內(nèi)涵式發(fā)展轉(zhuǎn)變,需要通過(guò)建設(shè)精益體系、規(guī)劃智能制造體系、工藝改善和智能車間示范實(shí)踐幾個(gè)階段。以產(chǎn)品制造全生命周期為對(duì)象，以產(chǎn)品制造過(guò)程與生產(chǎn)環(huán)境融合為目標(biāo)，開(kāi)展基于數(shù)字孿生技術(shù)的車間規(guī)劃、基于數(shù)據(jù)的分析與決策、基于IT驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量管理、基于動(dòng)態(tài)混流精準(zhǔn)管控的制造執(zhí)行、基于先進(jìn)的項(xiàng)目管理和計(jì)劃排程功能的企業(yè)資源計(jì)劃、基于統(tǒng)一和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品生命周期管理、基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)化工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同的精準(zhǔn)管控。通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中各生產(chǎn)要素間的互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集，并與信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程工藝參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化、誤差自動(dòng)補(bǔ)償、智能監(jiān)控等應(yīng)用，最終形成虛擬世界與物理世界融合的智能車間系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以智能傳感技術(shù)、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等新興技術(shù)為代表的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與管理模式創(chuàng)新相結(jié)合，利用信息技術(shù)、智能技術(shù)、先進(jìn)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)能力升級(jí)、管理水平提高、生產(chǎn)模式改進(jìn)，通過(guò)在定制化交付速度、生產(chǎn)效率、質(zhì)量一致性、生產(chǎn)成本等幾個(gè)方面的優(yōu)化來(lái)提升企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力，是當(dāng)前高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)內(nèi)涵式發(fā)展的可行之路。

責(zé)任編輯：lq