制造业数字化智能化

    石家庄9月8日上午，由中国科协与河北省人民政府联合主办的第十四届中国科协年会在石家庄市河北会堂举行开幕式，本届会议主题为“科技创新与经济结构调整”。开幕式结束后为大会特邀报告阶段，中国工程院院长周济院士作了题为《制造业数字化智能化》的报告。全文如下：

    各位嘉宾、同志们，今天报告的题目是：制造业数字化智能化。谈三点体会与大家交流。

    第一点体会，依靠技术创新实现由“制造大国”到“制造强国”的历史性跨越。在全国科技创新大会上，胡锦涛同志指出科学技术日益成为经济社会发展的主要驱动力。必须从国家发展全局的高度，集中力量推进科技创新，必须把创新驱动发展作为面向未来的一项重大战略。我们国家的发展进入了新的历史时期，要实现以科学发展为主题，以加快转变经济发展方式为主线，最根本是要依靠科技力量，最关键是提高自主创新能力，要推动我国经济社会发展尽快走上创新驱动的轨道。

    国际金融危机以来，世界经济竞争格局发生了深刻变化，主要有两个大的发展趋势，一方面实体经济的战略意义，世界主要发达国家重新重视实体经济，纷纷实施“再工业化”战略。美国奥巴马总统在近四年中发布了四个战略计划，提出要重新认识先进制造业在国民经济体系中的地位，保持在先进制造业领域的国际领先和主导地位。德国、英国、日本等国家都推出了一系列重振制造业的重大举措。

    另一方面新一轮的工业革命正在深化，西方发达国家振兴制造业走的是一条新路子，他们依靠科技创新，抢占国际竞争制高点、经济发展核心竞争力，谋求未来发展的主动权。例如苹果公司通过产品模式创新、各种最新技术的集成创新，成功引领了信息产品的发展方向。再如美国页岩气开发技术的突破，引起了一场页岩气革命，对世界的能源格局乃至政治、经济发展都产生了极为深刻的影响。

    近期美国学者们发表了一批文章。一是强调新的工业革命即将到来，其核心技术是制造业数字化。二是美国在信息技术方面具有巨大优势，应该通过大力发展和广泛应用以数字化和智能化为核心的先进制造技术，实现制造业的革命性变化。三是尖锐地指出，新技术的出现，很可能导致中国制造业在未来20年中出现在过去20年所经历的困境，很快就该轮到中国去担忧了。应该感谢这些美国的先生们，感谢他们的提醒，感谢他们的警告，我们确实应该有强烈的忧患意识。

    经过新中国60多年特别是改革开放30多年的奋斗，中国制造业实现了历史性的跨越式发展，制造业生产总值已经成为世界第一，我国国家已经成为制造大国。但我们还不是制造强国，其中最主要的差距是自主创新能力不强，在技术方面一直处在跟踪和追赶状态，特别是许多关键核心技术还远远没有掌握，制造业综合竞争力还很弱。

    正如温家宝总理在全国科技创新大会上指出：我国是制造业大国，已经具备了很强的制造能力，但仍然不是制造业强国，总体上是还处于国际分工和产业链的中低端，如果能够在中国制造前面加上“中国设计、中国创造”，我国的经济和产业格局就会发生根本性变化。必须强调的是我们对中国制造业的未来充满了信心，中国制造业面临前所未有的挑战，同时也面临前所未有的机遇，今后20年是我国制造业实现由大到强，在创新和综合竞争力进入世界前列的绝佳发展机遇期，中国制造业的跨越式发展具备了许多良好条件。

    1.我国制造业拥有巨大市场，需求是最强大的发展动力。2.我国制造业有着世界最为完整的体系，具备强大的产业基础。3.我国一直坚持信息化与工业化融合发展，在制造业数字化方面掌握了核心关键技术，具有强大的技术基础。4.我国在制造业人才队伍建设方面已经形成了独特的人力资源优势。5.我国制造业在自主创新方面已经取得了一些辉煌成就，上天、入地、下海、高铁、输电、发电、国防等等都显示出我国制造业巨大的创新力量。

    我们深切的认识到与美国相比，我国在虚拟经济的创新方面差距极大。再如微软、英特尔、谷歌、苹果公司这样的信息技术原始性创新方面差得很远。今后20年在制造业数字化、智能化的核心技术方面，中国制造业完全可以实现战略性的重点突破、重点跨越，实现与西方最发达国家并行甚至超越，这是重大战略抉择，必将取得伟大胜利。

    总之我们要推动中国制造业的发展走上创新驱动的轨道，在今后20年，实现我国从制造大国到制造强国的跨越式发展。

    第二点体会，制造业数字化、智能化是新的工业革命的核心。先进制造技术创新的内涵包含了产品创新、制造技术创新、产业模式创新三个方面。数字化、智能化技术是产品创新和制造技术创新的共性使能技术，并深刻改革制造业的生产模式和产业形态，是新的工业革命的核心技术。

    首先谈谈产品创新。数控一代与智能一代的机械产品。从两个案例来看产品创新的极端重要性。数码相机是应用数字化技术对传统产品进行创新的典范。曾经居于胶片行业全球垄断地位的柯达公司，1975年研发出世界上第一台数码相机，但由于战略性决策失误，并没有将这一技术创新成果市场化。随着传统胶片产业被数字化技术的颠覆，柯达公司今年最终宣布破产。

    另外一个例子，三维打印机或者快速成型机。2011年中国十大科技进展之一是研制成功世界上最大的三维打印机。三维打印采用分层加工、叠加成形的方式，逐层增加材料来生成三维实体。相对于传统的材料器械成形，我们叫做Cutting。三维打印材料是叠加成形，英文名是Adding，是一种重大的创新，三维打印是一种新型加工装备，既是制造工艺的原理创新，也是应用数字化技术的产品创新，将可能改变整个制造业的面貌。

    从以上两个案例可以看出，产品创新对企业以及制造业的终端重要性。过去我们认为三分产品七分市场的观念已经过时，或许七分产品三分市场才能适应当前激烈的市场竞争格局。

    第二，数控技术和智能技术实现机械产品创新。传统机械产品构成包括三部分：动力装置、传动装置、工作装置。它的创新可以有多种途径，主要有两种方法，一是创新工作原理或者说工作装置，二是创新运动的驱动和控制系统。第一种创新是工作原理创新，是根本性的，极为重要，刚才提到的三维打印技术就属于这类创新。千百年来，人们一直不断创造各种新的机械，形成了适用于完成不同任务的成千上万的机械产品。而数控化则是对于机械运动的驱动和控制的创新，是第二种创新，是创新机械产品的有效途径。它的核心技术路线是这样的，一方面用数控电机驱动系统取代传统机械中的动力装置。另一方面也是更为重要的采用计算机控制系统对机械性能和工作过程进行控制，也就是给机械装上一个大脑。数控技术是实现机械产品创新的颠覆性共性使能技术，核心是数字化。数控技术的应用使机械产品的内涵发生了根本性变化，使产品功能极大丰富，性能发生质的变化，从根本上提高产品水平和市场竞争力，并且使机械产品向智能化进行发展。

    说起数控人们就想起了数控机床，这是对的，但很不全面，数控机床是应用数控技术创新机械产品的典范，然而数控技术是一种共性使能技术，可应用于对各种机械产品进行创新升级。比如注塑机的数控化和智能化，注塑成形是最有效的塑料成型方法。我们国家是全球最大的注塑机生产国，产量占到世界年产能70%以上，但在高端产品方面，远远落后于世界先进水平。注塑机要完成模具开合、注射、塑化、脱模、调模、注射台移动等6个动作，分别由6个执行机构来实现。注塑机发展历经了传统液压型到伺服节能型到全电动型的演变，传统液压式注塑机是普通电机提供动力，经过液压传统系统驱动6个执行机构，伺服节能型注塑机巧妙地应用数字化技术，用交流伺服器电机取代了原来普通电机，而液压传动技术保持不变，这种创新可以实现能量的按需供给，消耗电能可减少40%-80%。全电动的数控注塑机，当前都可以采用伺服电机驱动，采用计算机数控系统进行控制，它的优点是加工精度与稳定性高，质量好，生产效益高，噪音低，没有污染。智能型数控注塑机是进一步引入智能化技术，实现工艺自动优化、参数自动补偿、产品自动分拣、过程自动监控和故障自动诊断等功能，从而实现更高的效率、更高的精度和更好的节能效果。

    说起数控人们就想起了数控机床，这是对的，但很不全面，数控机床是应用数控技术创新机械产品的典范，然而数控技术是一种共性使能技术，可应用于对各种机械产品进行创新升级。比如注塑机的数控化和智能化，注塑成形是最有效的塑料成型方法。我们国家是全球最大的注塑机生产国，产量占到世界年产能70%以上，但在高端产品方面，远远落后于世界先进水平。注塑机要完成模具开合、注射、塑化、脱模、调模、注射台移动等6个动作，分别由6个执行机构来实现。注塑机发展历经了传统液压型到伺服节能型到全电动型的演变，传统液压式注塑机是普通电机提供动力，经过液压传统系统驱动6个执行机构，伺服节能型注塑机巧妙地应用数字化技术，用交流伺服器电机取代了原来普通电机，而液压传动技术保持不变，这种创新可以实现能量的按需供给，消耗电能可减少40%-80%。全电动的数控注塑机，当前都可以采用伺服电机驱动，采用计算机数控系统进行控制，它的优点是加工精度与稳定性高，质量好，生产效益高，噪音低，没有污染。智能型数控注塑机是进一步引入智能化技术，实现工艺自动优化、参数自动补偿、产品自动分拣、过程自动监控和故障自动诊断等功能，从而实现更高的效率、更高的精度和更好的节能效果。

    再举个例子，动力汽车的数字化和智能化。我国已经是世界上高速机车技术最发达的国家之一，轨道交通历经了蒸汽机车、内燃机车、电力机车到动车组的变化，目前正在向智能化发展。蒸汽汽车是以煤为能源，蒸汽机提供动力，经过连杆、摇杆这样一些机械传动装置驱动机车的动轮旋转。内燃机车，由柴油机驱动发动机发电，经处理后供电动机驱动机车。电力机车是以电为能源，从接触网接受电能并且经过处理后供变电机驱动机车。动车组是数字化的电力机车。从接触网接受电能以后，经处理后供电机驱动车轮，电机分布在多个动车的电动上，驱动数字化、结构小型化，采用标准的TCN网络实现数字化控制。电力机车实现的智能化将提供更加安全、更加舒适的服务。

    纵观全球实现产业结构调整和机械产品升级的历程。蒸汽机技术使机械工业由人力制作时代进入机械化时代。电气技术使机械工业由机械化时代进入了电气化时代。数控技术正在使机械工业由电气化时代跃升为数字化时代，在可以预见的将来，智能化技术将使机械工业由数字化时代进入智能化时代。

    蒸汽一代机械产品的核心推动力是由于蒸汽机技术这一共性使能技术带来的一场动力革命。电气一代机械产品的核心推动力则是由于电机技术这一共性使能技术带来的另外一场动力革命。数控技术这一共性使能技术对机械产品带来的革命则更加深刻，因为数控化机械增加了“大脑”，可使机械产品功能和性能发生质的飞跃，并为人工智能先进信息技术的进一步应用奠定了基础，从而最终实现智能化。因此数控一代和智能一代是信息化和工业化深度融合的产物，可以看到机械产品的数控化和智能化创新具有鲜明的特征、本质的规律，可以普遍运用于各种机械产品创新，可以引起机械产品的升级换代，引起机械工业的深刻变革。这也是我们提出“数控一代”和“智能一代”概念的缘由和根据。

    数控一代和智能一代产品创新工程。数控产品可以适用于各行各业机械产品的全面创新，比如各种非金属加工专用设备，包括塑料加工机械，比如食品、饮料、农副产品、日用化工、制药等专用设备，再比如火车、汽车、轮船、飞机等交通运输设备，火炮、雷达、坦克等武器装备，工程、农业、建筑、港口、医药机械等等。一方面数控技术可以广泛应用于中低档机械产品的升级换代，提升各种产品性能和市场竞争力。数控编织机是典型案例，我国是毛纺毛衣编织大国，仅东莞大朗镇每年生产毛衣超过3亿件，目前国内毛衣生产主要依靠手动编织机完成，它的效益低下，操作工人劳动强渡大，大朗镇曾有多达50万的农民工在从事毛衣的编织工作，数控编织机的编织速度比手工的编织机提高了5倍到8倍，每个工人可同时操作5台设备，大大提高了生产效率，更重要的是这种装备和毛衣设计的CAD/CAM系统集成，大大提高了毛衣的花色品种、质量和市场竞争力。大朗镇只用3-5万的农民工，可以编织更多的毛衣，生产更高质量的毛衣是怎样的结果。

    另外电动汽车是一个典型的数控机械产品。近年来美国军方不断加强研制的“全电坦克、全电飞机、全电舰船”的先进武器，实质就是电推动、电控制的数字化装备。我国的海洋石油981平台是一个典型的全电推动平台，利用柴油机集中发电，然后对整个平台进行电力驱动和数字化控制。这样一个庞然大物，在三千米深海钻井，钻入地下1.2万米钻油，它能够在大风大浪中巍然不动，靠的是平台底部有8个电推进器，在计算机系统控制下，它可以在各个方向上进行角度的调整，来保证海洋石油平台的顺利作业。

    数控化使机械产品装备“大脑”，开辟了高端机械产品创新的广阔空间，光刻机精密工作台的研制是一个典型案例。光刻机是信息装备制造当中最关键、最复杂、最昂贵的设备。超精密的工作台是光刻机的核心关键装置，其精度要求极高，几乎接近物理极限。要实现光刻机高速、大行程、6自由度纳米级精度运动，除合理的运动结构和精密检测技术外，关键在于数字化控制，核心在于数字化补偿。经过补偿控制，我国研制的100纳米光刻机的工作台，实现了高速、高清的技术要求。

    二、制造技术创新，数字化和智能化集成制造技术。数字化智能化也是制造技术创新的共性技术，可全面提升产品设计加工和管理。

    数字技术创新。这里举了高铁列车的例子，采用面向产品全生命周期，具有丰富设计知识库和模拟仿真技术支持的数字化智能化设计系统，在虚拟现实、计算机网络、数据库等技术支持下，可在虚拟环境下并行地、协同地实现产品的全数字化设计，结构、性能、功能模拟的仿真优化，极大提高了产品设计的成功率。波音777、787和ARJ21的数字化设计，波音777、787采用了全数字化设计测试和装配，所有开发测试都采用并行工程方法协同工作，虚拟现实技术进行模拟试飞，实现了机身和机翼一次对接成功，所发研发周期40%，减少反工量50%。我国ARJ21飞机研制同样采用了三维数字化设计技术和并行工程方法，最终实现了大部段对接一次成功，飞机上空一次成功。

    一方面是制造工艺创新，数字化技术不仅将催生新的加工原理，同时，将极大提高各种制造工艺的精度和效率，大幅度提升整个制造业的工艺水平。大家都知道，航空发动机是飞机的心脏，航空发动机热部件的高温合金材料与制造技术是其关键，发动机叶片已经发展到定向单晶叶片，它采用真空熔炼、真空浇铸、定向凝固的制造技术。我们对叶片定向凝固过程微观组织进行仿真优化的基础上，采用数控对凝固过程进行精确控制，可大大提高单晶叶片的质量和成品率。我们采用最先进的数控技术对他进行了改造，质量是非常好的，效率是非常高的。

    另一方面生产过程数字化创新。数字化智能化技术一方面使CAD、CAM、CAPP、数字化制造装备等得到快速发展，大幅度提升生产系统的功能、性能和自动化程度。另一方面这些技术集成可形成柔性制造单元、数字化车间乃至数字化工厂，使生产系统的柔性自动化不断提高，并想着具有感知、决策、执行能功能特征的智能化系统发展。目前以智能机器人为典型代表的智能制造装备已经开始在某些领域得到应用。例如《纽约日报》近日头版刊登了《不需要工人的技术性工作》，报道了在飞利浦电子公司设的荷兰一个工厂里，128部具有高超柔韧性的工业机器人在永不停息的工作，可以完成工人无法完成的精细工作，这种生产模式代表一种新潮流，它的广泛应用将改变全球工业格局。

    管理技术创新。管理目标是追求产品全生命周期的优化，数字化智能化技术的集成应用可以形成计算机集成制造系统、集成智能制造系统数字化企业使企业对产品整个生命周期全部数据进行统一管理，对企业所有资源进行整合集成管理，建立从供应决策到企业内部各个部门再到用户之间的信息集成，从而有效地提高企业的市场反应速度和产品开发速度。

    这里要强调的是，今天谈到的制造业，不仅是刚才讲的机械制造业，离散型的制造业，也包括了钢铁、化工、建材等连续性的制造业、流程类的制造业。同时未来的先进制造业的范畴进一步扩大，包含了材料制造，新材料的数字化设计与制造，生物制造，生物体的数字化设计与制造等等。

    产业模式创新。以数字化技术为基础，在互联网、物联网、云计算、大数据等技术的强力支持下，制造业的产业模式将发生根本性的变化。生产型服务业将得到全面快速发展，大中型企业正在走向“产品+服务”的模式，正在从产品制造商向系统集成和服务商的转变。制造业数字化智能化带来的产品技术制造技术与管理技术的进步使企业具备了快速相应市场需求的能力，特别是形成了适应全球市场上丰富多样客户群，实现远程定制、异地设计、就地生产的协同化新型生产模式，使产品制造模式、生产组织模式、以及企业的商业模式等众多方面发生了根本性变化。

    实际上西方某些经济学家提出的第三次工业革命更多是从产业模式的角度考虑，他们认为第一次工业革命是18世纪开始的，第二次工业革命是20世纪初形成的大批量大规模机器生产，而第三次工业革命则会形成多品种、小批量、定制式的新型生产模式。要特别重视的是，无论从哪个角度考虑，“制造业数字化智能化”都是新的工业革命的核心技术。

    第三点体会，以工程化产业化为主线推动中国制造业数字化智能化。胡锦涛同志指出实现创新驱动发展关键是促进科技与经济紧密结合，实现中国制造业数字化智能化最关键是要推进工程化、产业化。创新就是创造新事物，这个概念赋予了深刻而重要的内涵。在英语当中的三个词汇discovery、invnetion、innovation。这三个词既有联系又有区别，discovery是科学发现，invnetion是技术发明，innovation是科技创新。科学发现和技术发明一定要完成工程化并面向市场向实现产业化，真正转化为现实生产力，才能叫做innovation，才能叫做科技创新。[10:59]

    工程化产业化将科技创新与产业发展紧紧地融合在一起，是科技创新的重要组成部分，是促进产业结构调整、全面提升核心竞争力的决定性因素，我们要牢牢树立创新服务发展的意识，进一步解放思想，进行有组织创新，集成创新和协同创新，最大限度解放和发展科学技术第一生产力，特别是推进科学技术成果的工程化产业化。

    一是充分发挥我国制度优越性，政府主导、总体规划、分步实施、重点突破、全面推进，动员千军万马，集中精兵强将实行有组织的创新。二是加快推进信息化与工业化深度融合，通过以数字化智能化为核心的信息技术改造提升传统制造业，进行集成创新。三是构建以企业为主体市场为导向，产学研紧密结合的创新体系，形成制造业数字化智能化创新联盟。

    中国制造业的同志们有一个共同的奋斗目标，到2020年中国机械产品全面应用数控技术，总体升级为数控一代，中国制造业基本普及数字化技术，并在若干年实现一定程度的智能化。到2030年中国机械产品总体升级为智能一代，中国制造业主要领域全面推行智能制造模式，整体上走在世界前列。我们的目标一定要实现，我们的目标一定能够实现。