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先进制造技术与新工业革命

发布时间:2018-09-24 08:54

  摘要:为更全面地理解先进制造技术与正在全球兴起的新工业革命,在分析先进制造技术的概念、内涵、体系结构和关键技术的基础上,系统总结了现有的制造模式,重点介绍了基于信息物理系统、物联网、云计算、大数据发展起来的新一代先进制造技术,如制造物联、云制造、智慧制造、社会生产等。探讨了先进制造技术与新工业革命之间的内在联系,同时给出新一代先进制造技术的应用案例。根据我国制造业所面临的基本国情,提出实施先进制造技术的战略及把握新工业革命机遇的对策。


  关键词:先进制造技术;新工业革命;制造模式;新一代信息技术


  作者简介:周佳军(1989-),男,湖北黄冈人,博士研究生,研究方向:计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机集成制造系统等


  0引言


  制造业是中国经济增长的主体和支柱,是综合国力的重要体现。当前我国制造业的总体情况依然落后,从资源与环境的角度看,我国制造业对能源和资源消耗巨大,环境污染严重;从技术与创新水平的角度看,我国制造产业的技术创新能力薄弱,科技含量低,技术水平落后,有自主知识产权的产品少,产品的附加值较低[1];从产业内部价值链的角度看,我国传统制造业处在价值链上(研发、制造、营销)价值创造能力最低的环节,在研发和营销领域,科技创新能力弱、品牌建设不足;从市场环境的角度看,知识经济时代的市场竞争日趋激烈,消费更加个性化,传统的以追求生产效率为目的而进行的品种单一、大批量以及标准化的产品制造模式,很难适应现代市场中客户的个性化和多样化需求。


  先进制造技术(AdvancedManufacturingTechnology,AMT)注重经济效益和技术的融合性,通过柔性生产、灵活生产、产品差异化、注重效率和质量等方式增强企业对市场的反应能力、提高自主创新能力,为客户提供更加人性化的服务,具有产品质量精良、技术含量高、资源消耗低、环境污染少、经济效益好等特性,通过发展AMT和战略性新兴产业改造提升传统的资源密集型和劳动密集型工业,以开辟一条科技含量高、资源消耗低和环境污染少的新型工业化道路,已成为提高我国高新技术发展、推动经济发展和满足人民日益增长需求的主要技术支撑。


  2012年以来,新工业革命成为各国讨论的热点,以物联网(Internetofthings)和大数据(bigdata)为代表的信息技术、以绿色能源为代表的新能源技术、以3D打印技术为代表的数字化智能制造等技术系统协同创新,将柔性化、智能化、敏捷化、精益化、全球化和人性化融为一体,将改变制造业的生产模式和全球经济系统,引领人们的生活走向智能化时代。工业西方发达国家纷纷提出“再工业化战略”,试图实现从“产业空心化”到“再工业化”的回归,提出的再工业化战略并不是恢复传统制造业的生产能力,而是通过加快突破和应用AMT抢占新一轮科技和产业竞争的制高点,占领产业链的高端。为了保证我国制造业的持续发展,必须尽快完成制造业的转型升级,实现由制造大国向制造强国的转变。


  1先进制造技术


  AMT自20世纪80年代提出以来,世界各国都十分重视其理论和应用实践研究。AMT既包括先进加工技术(AdvancedProcessingTechnology,APT)(主要指材料加工工艺及方法),又包括对先进装备、人的智慧等有机构成的现代集成制造系统的智能控制和组织管理的先进制造模式(AdvancedManufacturingMode,AMM),主要指制造模式及系统。美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FederalCoordinatingCouncilorScienceEngineeringandTechnology,FCCSET)下属的工业和技术委员会AMT工作组提出其主要包括三个技术群[2]:主体技术群(AMT的关键支撑,如计算机辅助设计、加工工艺规划、增材制造技术、并行工程,以及材料生产工艺、加工工艺、加工和测试技术等)、支撑技术群(如计算机技术、自动化技术、检测与转换技术、标准和框架等)和管理技术群(如质量管理、基础设施、人员培训、全局监督等)。虽然先进制造模式和AMT密不可分,实践中也常将二者混为一谈,但是它们是两个不同的概念。AMT注重制造单元功能效用的发挥(偏重技术),AMM注重组织方式,强调的是人、组织结构和技术三者的协同。两者的关系如图1所示。


  从社会技术系统的观点看,任何制造系统都有两个尺度,即技术系统和伴随技术系统的社会系统,社会技术系统强调系统中技术系统与社会系统两类因素的相互作用,技术影响社会系统投入的种类、转换过程的性质和系统的产出。然而,社会系统决定着技术利用的有效性和效率,如果孤立地试图使其中一个系统最优化,则可能使系统的总效能降低。AMT是各个单项技术在先进制造哲理下的有机集成,从最初关注技术和工程科学等自然科学的集成,慢慢过渡为重视在AMT应用过程中科学技术、组织结构以及人的智慧等的深度融合,尤其注重自然科学与社会科学的集成、系统体系观念和整体全局优化,最终目的是使整个制造系统能对外部市场环境的变化产生及时、高效、敏捷的反应。


  1.1先进制造技术的概念、内涵及主要内容


  制造指对原材料进行加工或再加工,以及对零部件装配过程的总称。AMT的概念起源于美国[3],早期其定义是以计算机和信息技术为基础的制造技术群,主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程、机器人及柔性制造技术、自动控制系统、数控技术及装备等[4-5],从研究的角度看,先进制造技术在不同时代具有不同的含义,当前各种新出现的、先进的机械加工技术(纳米加工、激光切割、增材制造等)、精益生产、并行工程、柔性制造、虚拟制造、敏捷制造和现代集成制造模式等,都属于AMT的研究之列。


  我国学者在对国外学者有关AMT定义的归纳和研究中,更为系统地对AMT进行了定义,认为AMT是一个多学科体系,包括从市场需求、产品设计、工艺规划到制造过程与市场反馈的人—机—物系统工程[6-7]。AMT本质上是自然科学(自动控制技术、工艺规划技术等)和社会科学(组织管理和经济学等)的有机融合体,是通过生产方式的智能化和柔性化来提高企业的核心竞争力和对市场环境的反应能力。


  从制造系统的观点看,AMT是一个三层次的技术群,如图2所示:第一个层次(内层)为基础制造技术,主要指优质、高效、低耗、清洁的通用共性技术,对应AMT中的支撑技术(如图1);第二层(中层)是新型制造单元技术,由制造技术与信息技术、新型材料加工技术、清洁能源、环境科学等结合而成,涉及多学科交叉、集成与融合,对应于先进制造技术中的主体技术和管理技术;第三层(外层)为先进制造模式/系统(集成技术),是由先进制造单元技术和组织管理等融合而成的现代集成制造模式,强调技术系统和社会系统的协同与融合,对应于图1的先进制造模式,是人、技术、组织和管理等要素的集成,也是人机物协同制造系统。


  1.1.1基础制造技术


  优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术,主要指传统的制造工艺技术(如毛坯测量下料、铸造/塑性成形、锻压、焊接、热处理、材料强韧化、表面保护、机械加工、优质高效连接技术、功能性防护涂层及各种与设计制造等)经过优化和改进后形成的基础制造工艺,是先进制造技术的核心组成部分。


  1.1.2新型制造单元技术


  新型制造单元技术由制造技术与互联网信息技术、人工智能、新型材料加工技术、清洁能源、环境科学等结合而成,涉及多学科交叉、集成与融合,主要包括以下内容:


  (1)新型材料、纳米技术和激光加工传统材料的研制过程通过基本材料的组合反复试验配制获得,整个过程非常缓慢。2011年6月,美国先进制造业伙伴关系(AdvancedManufacturingPartnership,AMP)计划之一的“材料基因组计划”[8],从分子结构的角度分析材料,通过原子排列找出相—显微组织—性能—环境参数—使用寿命的关系,建立了原子、分子的结构与材料性能的关系,极大地提高了研发、生产和应用先进材料的速度。纳米技术和激光加工引发了机械技术与电子技术在毫微米水平上的融合。


  (2)增材制造与精密成型技术增材制造(如3D打印[9])是材料技术、粘结技术和打印技术的融合创新,由原材料直接制造成精密工件的材料近净成型技术(Near-netShapeForming,NSF)制作的零件不需要加工或少量加工即可投入使用,极大地改造了传统的毛坯成型技术[10]。


  (3)机器人、自动化及智能化技术工业机器人在生产加工中可以完成某些过程复杂、费时耗力的标准化生产流程[11];自动化促使机器或生产过程从自动控制发展到自学习、自组织、自维护和自修复等;智能化技术综合了信息技术、模糊算法、神经网络控制等智能优化算法,使机器在没有人工干预的情况下进行生产,具有人机一体化、自律能力强、自组织与超柔性、自学习与自我维护等特点。


  (4)先进电子技术装备先进电子装备,如平板电脑、智能手机、穿戴设备等普适人机交互设备和移动终端会越来越普及,使人与物理世界的交互方式更加普适化、虚拟化、智能化和个性化,实现任何地点、任何时间、任何人都能访问任何信息的交互,传感器和嵌入式设备将会感知和采集各种环境和监测对象信息,并对这些信息进行处理,用户能够利用自然普适智能的方式无缝地实现资源共享和服务的获取。


  (5)分子生物学和生物制造通过学习生物系统的结构、功能及其控制机制,解决制造过程中的一系列难题。强调生命科学的应用,方法包括基因算法、进化算法、强化学习和神经网络等。


  (6)供应链管理制造过程是物质流、信息流在控制流的协调下实现从原料到产品的转换,供应链管理以整体效益最优化为目标,以系统化的观点综合考虑对人、技术、管理、设备、物料、信息等系统构成要素的优化组合,实现产品生命全周期经济效益、社会效益和生态效益的协调统一。


  (7)清洁生产技术、绿色可持续制造清洁生产和绿色制造主要表现在以下几个方面:1绿色设计,设计阶段就充分考虑对资源和环境的影响;2绿色选材,将环境因素融入材料的选择过程中;3绿色制造,采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的制造方法;4回收和循环再制造,实现资源―产品―废弃物―再生资源或再生产品的反馈式循环模式[12]。


  (8)物联网、大数据、云计算(cloudcomputing)等新一代信息技术IBM公司基于新一代信息技术提出的智慧地球(smartplanet)掀起了物联网研究的高潮,引起了国内外学者和政府的广泛关注[13]。物联网是利用无线射频识别(RadioFrequencyIDentification,RFID)、嵌入式系统、传感器等技术获取现实世界信息,使物体与物体之间通过网络相互连接并进行信息交互,以实现智能化识别、跟踪、监控和管理的一种网络[14]。物联网技术融入产品的全生命周期及制造过程的各个阶段,将形成新的制造模式———制造物联。随着物联网时代的到来,社交网络、电子商务、信息物理系统、移动终端等迅速发展,数据量尤其是半结构化、非结构化数据呈爆发式增长,据著名咨询公司IDC发布的研究报告,2011年网络大数据总量为1.8ZB,预计到2020年,总量将达到35ZB,大数据时代正在来临[15]。一般意义上,大数据指无法在一定时间内用常规机器和软硬件工具对其进行感知、获取、管理、处理和服务的数据集合[16],具有大量、高速、多样、价值密度低的特点。对于制造业而言,数据积累和数据的广度还不够,数据应用大多针对传统企业内的结构化数据,有效整合大数据,包括微博、论坛、网站等数据源,分析发掘这些数据蕴藏的潜在价值,有助于快速预测市场趋势和客户的个性化需求,细分客户并提供量身定制的合适服务,及时了解整个供应链的供需变化等。此外,制造系统中包括大量的物料、人员、生产设备状态及加工过程等数据,研究制造系统中产生的大量不同来源的数据的动态演变过程,搜索、比较、聚类、分析、处理与融合制造过程的数据,可以支持制造过程的优化决策,优化生产流程和改进产品质量,有效提升制造企业的经营管理效率和市场竞争力。大数据分析需要高效的数据处理平台,目前制造业已经进入大数据时代,而大数据具有数据体量巨大、数据类型繁多、查询分析复杂等特点,超越了现有企业的IT架构和基础设施的承载能力,因此需要高性能的计算机和网络基础设施,必须依托云计算的分布式架构、分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术等。云计算[17]是能够提供动态资源池、虚拟化和高可用性的下一代计算平台,通过按需使用的方式为用户提供可配置的资源(包括网络、服务器、存储、IT基础设施、软件、服务等)。云计算融合物联网、面向服务、高性能计算和智能科学等技术形成云制造[18],将各类制造资源或能力虚拟化、服务化,通过网络和云平台为用户提供可高效便捷、按需使用、优质廉价的制造全生命周期服务。


  1.1.3先进制造模式/系统


  制造模式是制造业为了提高产品质量、市场竞争力、生产规模和生产速度,以完成特定的生产任务而采取的一种有效的生产方式和一定的生产组织形式。先进制造模式是以计算机信息技术和智能技术为代表的高新技术为支撑技术,在先进制造思想的指导下,用扁平化、网络化组织结构方式组织制造活动,追求社会整体效益、顾客体验和企业盈利,是最优化的柔性、智能化生产系统。按照历史唯物主义的观点,社会存在决定社会意识,从制造业的发展进程来看,不同社会发展时期决定了不同的制造思想、生产组织方式和管理理念,它们相互作用、共同决定了特定时期的制造模式。如图3所示,按照制造技术的发展水平、生产组织方式和管理理念,将制造模式的发展历程归纳为手工作坊式生产、机器生产、批量生产、低成本大批量生产、高质量生产、网络化制造、面向服务的制造、智能制造8个阶段。


  工业革命以前,产品主要以手工作坊式和单件小批量模式生产为主,产品质量主要依赖手工匠的技艺,其成本较高、生产批量小,零部件的质量可控性和兼容性比较差,供不应求成为制造业进一步发展必须解决的问题。产业革命后,新的生产技术和管理思想大量涌现,这一阶段的早期,制造技术的改进重点是规模化大批量生产和提高生产效率,流水线式生产方式使得专业分工和标准化规模生产从技术方法上成为可能,科学组织管理理念等又从组织、结构和方式上保障了流水线式生产的实现,使得大规模制造成为可能。然而,大规模、批量化生产方式的精细化分工和高度标准化形成了一种刚性的资源配置系统,在买方市场下,市场环境瞬息万变,这种生产模式会给企业带来巨大损失,20世纪90年代,随着先进制造理念、先进生产技术以及先进管理方式的不断成熟与发展,各种新的制造理念、先进制造新模式得到了迅猛发展,理论界相继出现了高质量生产、网络化制造、面向服务的制造、智能制造等一系列新概念,各种先进制造模式之间的关系如图4所示。


  (1)高质量生产


  并行工程、柔性制造、精益生产[19-20]这三类制造模式是基础的生产管理方法,是虚拟制造、敏捷制造、现代集成制造的基础技术;虚拟制造[21]是实现敏捷制造[22-23]的重要手段;生物制造[24]和绿色制造[25-26]是考虑环境影响和资源利用率的制造模式,相关文献已有介绍,不再赘述。


  (2)网络化制造


  网络化制造是指在产品全生命周期制造活动中,以信息技术和网络技术等为基础,实现快速响应市场需求和提高企业竞争力的制造技术/系统的总称。比较典型的应用模式有制造网格(MGrid)[27]、应用服务提供商(ApplicationServiceProvider,ASP)[28]。制造网格是运用网格技术对制造资源进行服务化封装和集成,屏蔽资源的异构性和地理上的分布性,以透明的方式为用户提供服务,从而实现面向产品全生命周期的资源共享、集成和协同工作;ASP是企业将其部分或全部流程业务委托给服务提供商进行管理的一种外包式服务,以优化资源配置、提高生产和管理效率。企业用户可以直接租用ASP平台提供的各类软件进行自己的业务管理,如产品生命周期管理(ProductLifecycleManagement,PLM)、企业资源规划(EnterpriseResourcePlanning,ERP)等,不必购买整个软件和在本地机器上安装该软件,从而节省了IT产品技术的购买和运行费用,降低了客户企业的应用成本,特别适用于中小型企业。


  (3)面向服务的制造


  制造的价值链正不断延伸和拓展,制造和服务逐渐融合,制造企业更加倾向于为顾客提供产品服务及其应用解决方案。面向服务的制造是为实现制造价值链的增值,通过产品和服务融合、客户全程参与、提供生产型服务或服务型生产,实现分散的制造资源整合和各自核心竞争力的高效协同,达到高效创新的一种制造模式[29]。面向服务的制造的典型应用有众包生产(CrowdSourcing,C-Sourcing)、工业产品服务系统(IndustrialProductServiceSystem,IPSS)等。众包生产源于众包,众包一词最早出现在2006年,由美国《连线》杂志一位名叫杰夫·豪的记者首次提出[30]。众包是一种分布式的问题解决和生产模式,它将工作任务通过互联网以公开、自由自愿的方式分发给非特定的大众。众包生产就是网络化社会生产,让更多产品和服务用户参与到产品的创新活动中来,打破企业创新来源的界限,聚集大众智慧,增加公众的参与度,并通过“用户创造内容”的形式生产出符合消费者需求的个性化产品[31]。众包生产对构建创新型制造企业非常重要,它具有开放式生产、组织构成的动态性、物理范围的分布性、参与者的主动性等特点,能够突破传统生产模式,通过外部资源的整合实现产品开发任务;另外,它还可以通过激励机制代替合约机制,以极低的成本聚集外部的零散个体用户和群体资源,为客户提供产品及其应用解决方案。面对多样化的个性需求和不断变化的市场环境,众包生产能够灵活、高效、低成本地进行资源的重新分配和整合,有效降低产品制造成本,减少企业风险,提高适应个性化需求的灵活性,它的出现给企业的研发、生产、销售、管理和售后服务带来了巨大影响。产品服务系统(ProductServiceSystem,PSS)通过系统地集成产品和服务,为用户提供产品功能而不是产品本身来满足用户需求,从而实现产品全生命周期内的价值增值和生产与消费的可持续性[32]。IPSS[33]是在PSS的基础上提出的。IPSS是工业产品及其相关服务的集成,它将产品与服务作为一个集成化的整体提供给用户,这里的产品既可以是用户所有,也可以是IPSS的提供者所有,不但关注产品本身质量而且考虑顾客体验,通过用户的参与来提高产品服务创新能力;服务则是覆盖整个产品全生命周期内的所有活动(设计、制造、运输、销售、使用、维护、售后服务等),通过专业的服务共享降低用户的成本投入,从而集中更多的精力关注其核心竞争力。IPSS的核心是提供工业产品的工作能力,这依赖于提供者的知识水平和经验丰富程度,因此它具有知识服务和生产型服务的特点。


  (4)智能制造


  基于新一代信息技术和IBM智慧地球的研究框架,制造系统的集成协同越来越关注人的发展和周围环境的融合,研究的关注点从之前侧重信息技术和工程科学的集成,逐步转变为技术体系、组织结构、人及环境的深度融合与无缝集成,实现优势互补与可持续制造。此类制造包括云制造、制造物联、基于信息物理系统(Cyber-PhysicalSystem,CPS)的智能制造乃至智慧制造。德国政府于2013年4月举办的汉诺威工业博览会上正式推出了工业4.0战略,在该战略下提出的智能制造是面向产品全生命周期,实现泛在感知条件下的信息化制造。智能制造技术是在新一代信息技术、云计算、大数据、物联网技术、纳米技术、传感技术和人工智能等基础上,通过感知、人机交互、决策、执行和反馈,实现产品设计、制造、物流、管理、维护和服务的智能化,是信息技术与制造技术的集成协同与深度融合。在产品加工过程中,智能制造将传感器及智能诊断和决策软件集成到装备,由程序控制的装备上升到智能控制,能自适应反馈被加工工件在过程中的状况[34]。例如,基于CPS的智能制造生产过程与传统的数控加工技术相比,能感知温度、环境、加工材料的属性变化,并作出相应调整,不会死板地执行预定程序,能够保证加工出的产品精度。基于云计算、物联网、面向服务和智能科学等技术的云制造也是一种智能化的制造模式[35],它利用网络和云制造服务平台,按需组织网上制造资源(制造云),为用户提供可随时获取的、动态的、敏捷的制造全生命周期服务[36-38]。云制造能促进制造资源/能力的物联化、虚拟化、服务化、协同化和智能化。与传统的网络化制造相比,云制造具有更好的资源动态性、敏捷性以及产品和服务解决方案的灵活性,同时能更好地解决ASP模式的客户端智能性和数据安全性的不足问题,以实现更大范围的推广和应用;与制造网格相比,云制造在“分散资源集中使用”思想的基础上,还体现了“集中资源分散服务”的思想。制造物联[39]是基于互联网、嵌入式系统、RFID、传感网、智能技术等构建的现代制造物联网络,是以中间件、海量信息融合和系统集成技术为基础,基于物联网系统开发服务平台和应用系统,解决产品设计、制造、维护、管理、服务等过程中的信息感知、可靠传输与智能处理,增加制造的服务化与智能化水平的制造新模式。制造物联在制造系统中的应用能够有效地管理制造资源、监控制造过程、匹配制造需求等,将传统的产品制造从市场调研、研发设计、供应链、生产过程、销售、物流运输与售后服务融为一体,协同制造过程中物料流、能量流、信息流、价值流的优化运行,以支持产品智能化、生产过程自动化、供应链与物流的准时化和精益化、企业经营管理辅助决策等应用,极大地提高了制造企业的核心竞争力。


  基于语义Web、务联网(InternetofService,IoS)、社会性网络服务(SocialNetworkService,SNS)等,智能制造/云制造的进一步发展将会诞生智慧制造(WisdomManufacturing,WM)[40-41]。WM将机器智能、普适智能和人的经验、知识与智慧结合在一起,形成以客户需求为中心、以人为本、面向服务、基于知识运用、人机物协同的制造模式。


  综上所述,先进制造模式是以所追求的目标和生产开展方式的转变为基础而产生及发展的,体现的是消费者的个性化需求、科学技术发展水平和市场竞争形势,是由先进制造哲理、先进组织管理方式、先进制造技术及人的相互融合发展、相互协同作用的产物。这是一个系统灵活性不断增大、组织结构和过程不断优化的进程,将形成人机物协同制造系统,使制造资源得到最佳利用、生产效率得到极大提高,能够对市场变化和内部变化作出迅速响应。


  1.2先进制造技术对产品生产活动的影响


  从生产流程来看,AMT与传统制造技术对制造过程的影响如图5所示。传统制造是利用制造资源将原材料转换为产品的过程,仅为生产过程的一部分,一般包括产品的加工和装配两大内容,制造商自行生产或者从供应商购买零件,将其组装成产品并检验以符合要求。制造过程中输入的是原材料、能量、信息、人力资源等,输出的是符合要求的产品。传统的制造系统设计、制造与销售各部分之间信息的传递与反馈不畅,各部门按功能分解任务,容易只考虑本部门的利益,对系统的优化考虑较少,造成设计与制造部门间难以协调、矛盾突出。


  AMT主要从材料设计、制造流程改造、产品服务融合的集成解决方案和循环利用四个方面拓展传统制造技术的内容:


  (1)材料设计新型材料的成型和加工技术愈发重要,对材料分子层或原子层的定向改造极大地提高了产品性能,超硬材料、功能梯度复合材料的某些新的成形、加工技术将不断涌现,如超导材料成形加工等。


  (2)制造流程改造传统制造是面向批处理、时间上和空间上分离的分布式加工,先进制造超效能加工和自动化技术能够促使连续流制造,减少零件库存。


  (3)产品服务融合先进制造强调涵盖从产品研发直至客户应用的全过程,提供产品、软件和服务于一体的产品解决方案和端对端的服务。知识资本、人力资本和技术资本的高度聚合,使制造活动摆脱了传统制造低技术含量、低附加值的模式,通过产品设计、管理咨询等活动,技术和知识在生产过程中被实际运用,将技术进步转化为生产能力和竞争力,为企业产生更高的附加价值。


  (4)循环利用[42]先进制造注重材料的回收利用,不但对环境友好而且节约原材料成本。传统的产品制造模式是一个开环系统,即原料→工业生产→产品使用→报废→弃入环境,是以大量消耗资源和破坏环境为代价的制造方式;而循环生产是一个闭环系统,整个生命周期考虑生态环境和资源效率,从单纯的产品功能设计扩展到生命周期设计,强调所有资源应该实现在经济体系内的循环利用。


  基础制造技术、新型制造单元技术和现代先进集成制造技术对制造业的发展产生了重要影响。基础制造技术通过改进、整合形成新型制造单元技术,进而影响整个制造过程。诸如网络化制造、面向服务制造和智能制造等先进集成制造技术已在前文说明,这里着重探讨新型制造单元技术对制造过程的影响。具体来讲,新型制造单元技术(图2中第二层)对传统制造流程的改造如图6所示,增材/精准制造用于对加工阶段的改造;机器人/自动化技术用于组装和生产流程的自动化;先进电子技术用于产品和服务的融合以及加工过程的控制;供应链设计以整体效益最优化为目标,以系统化的观点综合考虑人、技术、管理、设备、物料、信息等系统构成要素的优化组合,在满足产品或服务供给要求的同时,达到成本最低;清洁生产技术主要用于材料的循环利用、回收等环节;分子生物学和生物制造用于材料设计及制造流程的改进;纳米材料技术用于合成与加工功能梯度材料、复合材料等;物联网、云计算和大数据用于对产品全生命周期制造过程进行全方位跟踪、分析、优化和控制,实现多维度、透明化的泛在感知,确保制造过程的高效、敏捷、可持续和智能化。


  需要指出的是,AMT对传统制造流程的改造,不但使原有制造和装配工艺等制造中期阶段产生了质的变化,而且涵盖了市场信息分析、产品决策、产品设计、生产准备等生产前阶段,以及质量监测、销售使用、售前售后服务、产品报废的处理和回收再生产等后阶段,覆盖了产品生命周期的制造全过程,可提供集产品、软件和服务于一体的整体解决方案,实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产。


  1.3各国先进制造技术发展情况和研究进展


  近年来,美国、日本、德国等发达国家先后针对AMT的研发提出了国家层面的发展战略计划。美国在2009年12月颁布了《AFrameworkforRevitalizingAmericanManufacturing》(重振美国制造业框架)[43];2011年6月宣布了《TheAdvancedManufacturingPartnership》(先进制造伙伴计划)[44];2012年2月发布了《ANationalStrategicPlanForAdvancedManufacturing》(先进制造业国家战略)[45],提出通过加强研究和试验税收减免、扩大和优化政府投资、建设智能制造技术平台,以加快智能制造的技术创新。


  日本在1989年就发起“智能制造系统”计划,推动本国AMT的研究和发展;2010年5月公布了《产业结构蓝图》,同年6月通过《新增长战略》法案,规划了日本经济2011年~2020年的十年发展战略,其中包括对先进制造业的支持策略,通过大力调整制造业结构,加快发展机器人、无人化工厂、3D打印技术等尖端领域,提升制造业的国际竞争力[46]。


  德国作为工业强国,为保持其制造业的竞争优势,采取积极有效的行动,将大量人力和物力投入到AMT中,推动AMT的发展,并制订了相关的计划[47],特别是2010年7月制订了《高技术战略2020》,以支持制造领域新型革命性技术的研究与创新。其中“工业4.0”项目[48]是《高技术战略2020》确定的十大未来技术项目之一,用以支持工业技术领域新一代关键技术的研发和创新,该项目成为2013年汉诺威自动化展最热门的话题。工业4.0旨在通过互联网、物联网、CPS、IoS等技术提升制造系统的智能化水平,它包括两大主题:1智能工厂,重点研究智能化生产系统和过程,以及网络化分布式生产设施的实现;2智能生产,主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。欧盟于1998年~2007年相继公布了第五框架计划(1998~2002)、第六框架计划(2002~2006)和第七框架计划(2007~2013),于2009年颁布了《欧盟共同关键使能技术发展战略》,次年3月颁布了《欧洲2020战略》[49]。发达国家希望以高新技术为依托大力发展节能环保产品、清洁能源、新材料等新兴产业,构筑新的优势,消除不利因素,创造有利环境及符合自身优势的新兴市场,规避在传统制造领域与中国等发展中国家相比的竞争劣势,以树立其AMT的持续竞争优势,提高其先进制造业的竞争力。


  我国也十分重视AMT的发展,国家863计划在清华大学建立了CIMS工程研究中心。先进制造技术作为一个主题在国家科技部领导下取得重大进展,如数字化制造与工业工程[50]、网络协同设计[51]、网络制造、仿生制造[52]、绿色制造与区域网络制造[53]、供应链、网络化制造、大批量定制和仿生制造[54-55]等。特别是国家“十二五”制造业信息化科技工程规划中,明确提出了大力发展新一代集成协同技术、制造服务技术和制造物联技术,该规划的实施将促进互联网、云计算、物联网等新一代信息技术与制造技术相融合,为加速制造业结构调整和转型升级、发展高端制造业等战略性新兴产业发挥极其重要的作用。制造业信息化工程的实施使我国在AMT领域取得了大批具有先进水平的研究成果,促进了制造业向精益化、全球化、协同化、服务化、绿色化、智能化的方向发展,为传统产业的升级改造和高技术产业的发展做出了贡献。


  2新工业革命


  工业革命是生产技术的变革,同时也是一场深刻的社会关系变革。新科技群的协同效应和深度融合将导致生产组织方式和制造模式发生重大变化,从而引发新的工业革命。目前正在出现一种新工业革命,但仍是一个十分模糊的概念,不同研究者对新工业革命的概念有各自的理解,主要有5种不同的观点:


  (1)杰里米·里夫金[56]认为,历史上重要的工业革命都是在新通讯方式和新能源结合之际产生的,当前正由互联网和新能源结合引发新的经济和社会变革,即包括五大支柱的新工业革命,如图7所示,其中:1能源转型,向可再生能源转型,利用风和阳光等,不再消耗石化产品;2分散式生产,互联网信息技术等基础设施的建设大大减小了时间、空间对人们的经济活动交流的制约,基于知识的共享、创新和发展的扁平式、分散化、合作性的生产组织结构更加符合现代商业的需求;3存储,充分利用社会基础设施存储间歇式可再生能源;4构建能源互联网,利用互联网技术将电网转变为能源共享网,通过一种网格式的智能分布式电力系统和他人共享;5交通工具转变,将汽车、卡车、火车等运输工具转向插电式或者燃料电池等以可再生能源为动力的交通工具,电动车需要的电可在充电站购买。这五大支柱协同发展实现了1+1+1+1+1>5的整合效应,树立起一个新经济发展范例,带领世界进入新纪元。


  (2)克里斯·安德森[57]认为,新型材料的应用和增材制造技术等数字化制造方式将引发新工业革命,采用新型材料、3D打印技术和基于网络的协同制造服务等智能化与数字化制造方法,能够迅速和精准地将计算机中的虚拟设计模型转化为真实物体,甚至直接打印出零件或模具,基于网络的新型数字化设计及制造的创新提供给网络用户以创造真实物体的能力,将制造延伸至范围更广的生产人群中,这些制造过程蕴藏着由普通人完成的无限可能,众多个人制造联合推动全面创造,将直接加快向新型工业化趋势发展的步伐,从而引领新工业革命。


  (3)英国彼得·马什[58]在《新工业革命:消费者、全球化以及大规模生产的终结》一书中,将工业革命划分为五次,如表1所示,而将始于2005年的第五次工业革命称为新工业革命。


  (4)保罗·麦基利的三次革命说[49,59]认为,以制造业数字化为核心的第三次工业革命(新工业革命)即将到来,互联网、智能软件、新能源、新材料、机器人、新的制造方法和以网络为基础的商业服务模式将使技术要素和市场配置要素发生革命性变革,产生改变社会发展历程的巨大能量。而制造业的数字化进程正从智能计算机软件、新材料、更灵巧的机器人、基于网络的制造业服务化、新的制造方法5个方面向前推进。


  (5)德国政府于2013年4月举办的汉诺威工业博览会上,正式推出了工业4.0第四次工业革命[48]项目,目的是支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。工业4.0强调在工业生产过程中,以信息物理融合系统为核心,将众多智能体聚集在信息平台上,形成一种高度协同的互联互通关系,从而构建智能化的新型生产模式与产业结构。工业4.0正引领新一轮的工业革命,传统的行业界限将消失,并会产生各种新的活动领域、商业模式和合作形式,将导致工业结构、经济结构和社会结构从垂直向扁平转变,从集中向分散转变。


  这些研究预言了新的工业革命即将来临,勾勒出了先进制造业的影响,描绘了未来制造业的走向。从上述观点可以看出,工业革命的实质是制造方式与模式的革命:保罗·麦基利认为生产工具发生很大变化将导致新工业革命;杰里米·里夫金认为生产动力的变革将引发新工业革命;彼得·马什认为新工业革命主要集中在材料、动力、加工工艺、制造模式等方面的变革;克里斯·安德森的新工业革命观点主要体现在生产方式的革新;德国工业4.0体现在在工业生产过程中,基于CPS建立了一种高度协同的产品与服务的生产模式。其实,任何一项单一的技术都不足以引发新一轮工业革命,判断工业革命的依据关键为是否有新科技群协同效应以及是否带来人类生产、生活方式的重大变革。因此,新工业革命是基于新能源、智能制造、数字化制造、机器人技术、新一代信息网络技术等先进技术综合系统协同创新及突破性的发展,融合信息、计算机、数字化、互联网技术创新变革,使工业生产方式与制造模式发生巨大变化,从而使交易方式与人们的生活方式发生重大变化。传统的自上而下、集中规模化的生产模式将逐步被新工业革命的分散、扁平和协作的模式取代,定制化、个性化、智能化、分散化和合作化是新工业革命的主要特征。


  3先进制造技术与新工业革命之间关系


  从主导技术和新兴产业的角度来看,以生产方式变革为主线的AMT的群体涌现、协同融合将导致新的工业革命,各种技术之间产生的耦合效应推动了工业革命的进程。新工业革命不是依赖单一学科或某几类技术,而应该是全方位的多学科、多技术层次、宽领域的协同效应和深度融合。人类制造模式的演变从原始手工生产模式到现代先进制造模式的演变过程中,经历了3次大的革命性变革。图8所示为由市场变化与技术发展推动的先进制造模式的变革。


  图中:第一次工业革命中,由于蒸汽机、电气技术、内燃机的发明与改进,机器取代手工成为主导生产方式,制造业进入机械化制造时代,成为近代工业化大生产时代的开端。第二次工业革命中,大规模制造成为主导生产方式,20世纪20年代,随着电子技术、信息技术的发展,以流水线为典型代表的大规模制造模式在组织结构上追求纵向一体化与大规模,内部分工仔细,专业化程度高,简单熟练的操作提高了生产效率,使制造成本随规模递减,同时质量的稳定性也得到提高,制造模式进入批量大规模制造阶段。新工业革命是现代先进制造模式集成协同创新的结果,进入20世纪90年代后期,随着网络信息技术、智能控制技术研究的深入和以知识为基础的经济时代的到来,制造业的市场环境与技术变革发生了根本性的改变。大规模制造系统的刚性与市场的个性化需求以及环境快速变化所要求的响应速度之间的矛盾日益尖锐,正是在此背景下,各种新制造模式研究探索与试验如雨后春笋般迅速兴起,现代AMT融合自然科学和社会科学的最新进展,以绿色、低碳、可持续为发展理念,带来了产业组织模式的转变,对转变经济增长方式、政府管理模式和社会组织形态都有巨大的推动作用,使全球技术要素和市场要素配置方式发生了革命性变化。


  AMT的发展将在新工业革命中发挥重要作用。如前所述,工业革命的实质是制造业生产方式与制造模式发生重大变化,它必然也是始于制造技术突破性的发展。AMT是制造业产生变革的根本力量,新一代信息技术(云计算、大数据、物联网、务联网、云平台等)、新能源(再生能源、清洁能源等)、新材料(复合材料、纳米材料等)技术等将为新工业革命创造强大的新基础设施;分散式制造(网络化制造、制造物联、云制造、智能制造)、众包生产、集群效应、利基思维等使生产方式产生变革,将整个工业生产体系提升到一个新的水平,工业生产、经济体系和社会结构将从垂直转向扁平、从集中转向分散;以智能制造为代表的新一代先进制造模式,必将使商业模式、管理模式、服务模式、企业组织结构和人才资源需求发生巨大变化,给工业领域、生产价值链、业务模式乃至生活方式带来根本性变革,进而推进和实现新的工业革命。


  制造模式的演进与新工业革命的出现由市场发展、社会变革、技术突破、管理创新多种动因的综合作用决定。对新工业革命的内涵的理解必须通过与社会科学(如经济学和管理学)等跨学科的对话和交流,适当突破自然科学和工程技术学科的理论范畴。工业发展历程表明,新的生产模式的出现均为与特定的社会制度、组织结构和经济因素等相互作用的产物,而新的制造模式又会对既有社会制度和管理方式提出新的要求,从而推进企业管理模式、社会制度环境的变革[60]。综上所述,在市场、技术、社会经济环境变化与全球一体化趋势的推动下,制造业正在经历着一场革命,一场以实施先进制造技术和经营方式彻底变革为主要内容的先进制造模式的革命,涉及制造理念、制造战略、制造技术、制造组织与管理各个领域的全面变革。


  4新一代先进制造技术的应用案例


  产品制造的智能化变革绝不仅是优化现有的制造业,而是将制造延伸至范围更广的生产人群中———既有现存的制造商又有正成为创业者的普通民众。随着社会化网络的发展,通过充分开发大众的智慧、力量和资源,以用户创造内容(Usergeneratedcontent)为代表的社会化生产模式更能形成突破性创新,彰显出巨大的能量和商业价值。以思科(Cisco)为例[31],2007年秋,思科借助Brightidea公司的创意网络平台,为其一个十亿美元的新业务寻找创意,通过征集创意—进行筛选—提炼创意三个阶段,最后从104个国家的2500多名参与者提交的约1200个创意中,成功筛选出最佳创意;再如美国越野赛车LocalMotors公司通过社会化生产方式,将越野赛车的个性化设计与制造分包给不同的社区,在社区内的微型工厂实现了快速小批量设计与生产;波音公司联合全球40多个国家和地区企业,通过网络协同和制造服务外包的形式协同研发制造了波音787,将研发周期缩短至原来的30%,成本也减少了50%[18]。如此一来,创意新阶层得以进入生产领域,将自己的设计产品模型转变成产品,却无需自行建立工厂或公司,制造变成了另外一种可由网络浏览器获取的云服务,实现了低成本的高技术,保持了小型化与全球化并存的能力。借助物联网、云服务、大数据等技术,用户参与不再局限于创意征集阶段,而向设计研发、制造、实验、检测、营销等纵深发展,向产品全生命周期拓展,这些生产方式将为开发出成功的产品、降低生产成本、提高效率作出巨大贡献。


  以大数据、物联网/CPS、云计算等新一代信息技术为基础的先进制造技术将促进制造系统向服务化、智慧化、个性化、社会化的方向发展,智慧制造应运而生[40-41]。智慧制造将制造系统分为社会系统、信息系统和物理系统三个子系统,其中社会系统强调群体智慧和人的主观能动性,尤其是人及其隐性知识的集成,是基于人际网(Internetofpeople)所形成的社会化网络,注重客户参与的互动性、个性化和创新性;物理系统通过物联网实现物理实体的互联互通,利用RFID、嵌入在资源或产品内的感知器等获得资源状态和环境的数据信息;信息系统通过大数据技术对业务对象的属性、位置和状态等信息进行整合,从海量数据中抽取出所需的信息、知识和智慧,为需求分析、设计、生产、营销和回收等制造全生命周期过程提供知识支持。物联网获取的数据与知识的价值是通过服务的形式来体现的,通过云计算和“一切皆为服务”的理念,为用户提供按需即取的服务方式,将服务资源延伸到物理世界,最终得以在物理系统中实现产品生产。


  新工业革命将促进社会制造/智慧制造理念的实现。社会制造将使传统的企业转变为能够主动感知并响应客户大规模个性化定制需求的智慧型企业,其核心就是主动、实时地将社会需求与社会制造能力有机地结合起来,从而高效、实时动态地满足客户需求。Shapeways公司就是一个典型的例子[61],该公司于2007年创立于荷兰,后将总部移至美国曼哈顿,是一家利用3D打印技术为客户定制各种产品和服务的公司,至今已获数千万美元的风险投资支持,截止2012年6月20日,其生产产品已经超过100万款,产量超过60亿件。2012年10月19日,该公司位于纽约皇后区的“未来工厂”正式投入运营。该工厂占地2.5×104m2,可以容纳50台工业打印机,每年可按照消费者的需求生产上千万件产品。Shapeways的市场运营模式如下:通过Facebook和Twitter等社会媒体接受客户关于各种产品的3D设计方案,将顾客的需求发送给Shapeways工厂,由工作人员确定是否可行,评估并制定方案,并在数天内完成产品的打印生产,然后寄送给客户。同时,该公司还为商家和设计者设立平台,使他们可以利用公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品,用户提交他们的产品创意,如果有足够多的人喜欢(如通过Twitter,Facebook等独特社区),则产品开发团队将制作产品原型,用户可在线对其进行投票、评分、提意见或建议,参与产品的设计开发、改进、预售和营销等,即通过聚集大众智慧的方式,让社区参与产品开发的整个过程。如果产品获得预期成功,则发明者和其他协作者可分享一定的产品销售收入。在过去的2014年,其月均订单已超过18.1万件,成为目前全球第一的在线3D打印社区。该案例成功地利用社会性网络、群体智慧和3D打印等技术实现了个性化产品的生产,涉及社会系统、信息系统及物理系统的各个层次,大批3D打印机形成制造网络,并与互联网、物联网、务联网和人际网(社会性网络)无缝连接,形成复杂的社会制造网络系统,从而将社会需求、虚拟设计与实物制造有机地衔接起来,在一定程度上为智慧制造/社会制造提供了例证。


  5我国制造业发展的思考


  新工业革命将对全球产业结构、生产资料、劳动者素质等生产力要素和人类生产生活方式、思想观念产生巨大影响,企业组织结构、管理方式、社会制度政策环境等因素决定了先进制造技术在制造业领域应用的广度和深度。我国应基于国情把握好新工业革命的发展机遇,高度重视AMT的发展动态,大力发展战略新兴产业,为新工业革命创造良好的环境条件,从而促进我国经济社会快速发展[62]。自2009年以来,我国密集部署未来新兴产业的重点发展方向和主要任务,提出积极发展新能源、新一代信息技术、新材料等七大战略性新兴产业,努力抓住“新工业革命”这一难得的发展机遇,发展知识技术密集、资源消耗小、成长潜力巨大、综合效益好的产业,增强自主发展能力。我国先进制造业目前主要由两大部分构成(如图9):1由融合先进制造技术的传统制造业改造而成的先进制造业,如数控机床、海洋工程设备、航空航天装备等;2科技重大突破创新的成果落地应用后形成的新产业,如增量制造(3D打印)、生物制造、微纳制造等。


  (1)信息化和工业化深度融合


  新工业革命的兴起为我国探索资源消耗低、环境污染少的工业新类型和生产新方法带来了契机,新一代智能化技术、新能源、新材料等新科技正快速形成产业规模市场,该市场有利于发展循环生产和循环经济,实现经济效益与环境效益、社会效益的均衡发展。新工业革命以智能化微制造科技为关键科技支撑体系、以深层次循环式生产为主导,促使生产力和生产方式向更深层次和更广范围拓展。我国未来的现代产业体系应该更多地建立在新的工业生产方式、新的生产组织方式和新的生产制造模式基础上。


  (2)发展战略新兴产业


  战略性新兴产业[63]以重大科学技术突破性发展为基础,对社会发展具有重大引导带动作用,而且知识密集、资源消耗小、发展潜力巨大并且综合效益好,能增强我国的自主创新和可持续发展能力,更深入地参与国际竞争。发展战略新兴产业目前面临知识科技创新、组织管理创新、体制政策创新三大重要创新任务。我国十分重视战略新兴产业,2010年10月18日颁布了《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,准备用20年左右时间,使节能环保能源产业、新一代电子信息技术、高端装备制造业等七大战略性新兴产业的创新能力和发展水平达到世界领先;在《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出了七大战略性新兴产业的发展方向和任务,以重大技术突破和重大发展需求为基础,将知识技术密集型、引领作用强、发展潜力好和综合效益大的新兴产业作为发展重点,建立战略性新兴产业重点领域产业联盟,大力发展可再生新能源、生物技术、智慧物联网、云计算、普适人机交互等新技术,并且注重智力资源的开发、新能源和互联网的应用,将创新放在关键的位置。


  (3)为新工业革命创造环境条件


  新工业革命创造环境条件包括至关重要的制度改革、政策环境和商业模式等,新工业革命带来的不是个别政策的微量调整,而是系统化大规模变革问题。首先建立创新激励机制和知识产权保护,集聚大量的高端创新人才,将技术和管理、软科学和硬科学结合在一起协同创新,增强市场化导向和创新激励机制;其次加强政策引导企业技术创新及技术改造,鼓励企业和科研院所建立各种模式的创新联盟,促进产业集聚和资源整合;最后通过法律强制、财政资金支持、税收优惠等措施引导和支持企业突破核心关键技术,支持新技术新产品的推广应用。与新的制造技术相适应的企业管理方式和社会制度基础决定了其在制造业领域应用的广度和深度,同时也在一定程度上决定了AMT能在多大程度上转化为制造业的产业竞争力。


  (4)培育知识创新能力与人力资本


  新工业革命需要智力、技术、创新和高素质的人才,对劳动者素质的要求明显高于一般劳动密集型产业,特别是要求劳动者具有创新能力,善于协作,具有基本科技思维素养和动手能力,要求人才战略不仅重视创新型复合型人才,还要关注高技能的技术型人才。合理利用创造型人才资源,做好产学研密切合作,倡导科技产业化和生产科研化,将有效增强制造业的核心竞争力。


  将AMT转化为具有国际竞争力的产业体系,是制造装备与人才结构、企业组织管理和国家制度政策框架相互适应、协同发展的复杂过程,只有充分利用我国制造基础的优势,调动企业技术突破和应用的积极性,在传统制造技术与先进制造技术融合过程中不断完善生产设备及人员知识结构和生产组织管理方法,才有望成为真正的制造业强国。

学术参考网:http://www.lw881.com/qt/jx/224047.html

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