孫 璞 王 鋒 李琳斐

中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院

當(dāng)前，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)日新月異，信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新融合不斷深入，加速推動(dòng)著全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，同時(shí)也驅(qū)動(dòng)著智能制造的發(fā)展和成熟。智能制造作為數(shù)字智能技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，貫穿于設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、管理運(yùn)營、服務(wù)保障等制造活動(dòng)的各要素各環(huán)節(jié)之中，具有動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、智能決策、精準(zhǔn)執(zhí)行等特征，旨在提高制造業(yè)質(zhì)量、效益和核心競爭力。

黨的二十大報(bào)告提出，要推進(jìn)新型工業(yè)化，加快建設(shè)制造強(qiáng)國，推動(dòng)制造業(yè)高端化、智能化、綠色化發(fā)展。如何基于智能制造驅(qū)動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級已成為我國當(dāng)前面臨的重大命題。因此，本文深入分析了國外智能制造發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)動(dòng)態(tài)，以期為我國推進(jìn)智能制造發(fā)展、實(shí)現(xiàn)智能制造技術(shù)的突破和應(yīng)用，助推制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、破解制造業(yè)發(fā)展困境提供參考。

一、國外智能制造發(fā)展戰(zhàn)略分析

美國、德國、日本等制造強(qiáng)國結(jié)合自身國情，紛紛制定了一系列智能制造發(fā)展戰(zhàn)略，以期破解自身發(fā)展困境、搶占未來全球制造業(yè)競爭制高點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)整體復(fù)興，確保制造業(yè)全球領(lǐng)先地位，美國將智能制造作為重要突破口。2018 年10 月，美國發(fā)布《先進(jìn)制造領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》，提出把“抓住智能制造系統(tǒng)的未來”作為各個(gè)戰(zhàn)略目標(biāo)之首，并將智能和數(shù)字制造、先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人、人工智能基礎(chǔ)設(shè)施列為優(yōu)先計(jì)劃事項(xiàng)。此外，美國政府機(jī)構(gòu)及組織還基于行業(yè)、部門或智能制造相關(guān)領(lǐng)域需要，分別推出系列智能制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，如美國政府推出的《國家機(jī)器人計(jì)劃2.0》《美國人工智能領(lǐng)先計(jì)劃》，美國國防部推出的《制造技術(shù)戰(zhàn)略規(guī)劃》《增材制造路線圖》和《國防部數(shù)字工程戰(zhàn)略》等，一系列相關(guān)法案、國家戰(zhàn)略規(guī)劃和分領(lǐng)域、分技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建形成了美國以智能制造為核心的先進(jìn)制造發(fā)展戰(zhàn)略體系。

德國將發(fā)展智能制造作為保持其制造業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢的重要舉措。盡管德國傳統(tǒng)工業(yè)在世界制造業(yè)核心競爭中占有優(yōu)勢，但隨著新一代人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與工業(yè)的深度融合，產(chǎn)品、設(shè)備、工藝和服務(wù)的智能化發(fā)展日新月異，新興經(jīng)濟(jì)體國家制造水平的迅猛提升已對德國工業(yè)構(gòu)成競爭威脅，德國對能否跟上時(shí)代發(fā)展的步伐、保持制造業(yè)競爭優(yōu)勢深感憂慮并產(chǎn)生強(qiáng)烈的危機(jī)意識。在這一背景下，德國推出了以智能工廠、智能制造與智能物流為核心特征的“工業(yè)4.0”，加速推進(jìn)其制造業(yè)智能化發(fā)展。此外，2019年2 月，德國還推出了《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》，宣布將有針對性地扶持國防、航空航天、增材制造等重點(diǎn)領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)當(dāng)今最重要的突破性創(chuàng)新是數(shù)字化，并指出人工智能、機(jī)器與互聯(lián)網(wǎng)的相互連接是極其重要的突破性技術(shù)，只有擁有并掌握這些技術(shù)的國家才能在競爭中保持有利地位。

英國將智能制造作為發(fā)展本國制造業(yè)、重振制造業(yè)競爭力的重要手段。英國是老牌的一流工業(yè)強(qiáng)國，其制造業(yè)曾有著輝煌的歷史，但其實(shí)施的“去工業(yè)化”方針使其在國際金融危機(jī)中遭受沉重打擊。英國隨即意識到制造業(yè)對于國家經(jīng)濟(jì)的重要支撐作用，并于近十年大力推進(jìn)“再工業(yè)化”進(jìn)程，力圖通過智能制造來重振本國制造業(yè)競爭力。英國以“高價(jià)值制造”戰(zhàn)略為重點(diǎn)，支持人工智能、數(shù)字制造、增材制造等重點(diǎn)領(lǐng)域，創(chuàng)建了一系列高價(jià)值制造彈射中心，推動(dòng)本國智能制造發(fā)展。2017 年10 月，英國發(fā)布《國家增材制造戰(zhàn)略（2018—2025）》，擬以增材制造為突破口，解決英國脫歐的經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，推動(dòng)英國以航空航天為代表的高端制造業(yè)的發(fā)展。

日本將智能制造作為其應(yīng)對人口老齡化危機(jī)的有力法寶。隨著新興經(jīng)濟(jì)體國家制造業(yè)的快速崛起和美歐等工業(yè)強(qiáng)國“再工業(yè)化”進(jìn)程的推進(jìn)，日本深切感受到本國制造業(yè)發(fā)展所面臨的壓力。為彌補(bǔ)其在數(shù)據(jù)和信息系統(tǒng)方面的不足，應(yīng)對日益嚴(yán)重的人口老齡化社會問題，日本立足于高度發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)和智能機(jī)器人技術(shù)，發(fā)展智能制造來促進(jìn)本國制造業(yè)的發(fā)展。例如，日本《機(jī)器人新戰(zhàn)略》提出要將機(jī)器人與大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)深度融合，面向制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)機(jī)器人的推廣和使用，賦能日本智能制造水平和能力提升。

總體而言，智能技術(shù)的發(fā)展為世界各國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了技術(shù)動(dòng)力；同時(shí)，“去工業(yè)化”思潮、人口老齡化及新興制造大國的崛起，為傳統(tǒng)制造強(qiáng)國保持制造業(yè)競爭力、維持經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，美歐等國家和地區(qū)希望通過出臺各類戰(zhàn)略措施，推動(dòng)國內(nèi)智能制造發(fā)展、實(shí)現(xiàn)制造復(fù)興和“再工業(yè)化”，以保持其制造領(lǐng)先優(yōu)勢、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長、支撐國家安全發(fā)展。

二、國外智能制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析

當(dāng)前，國外將人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、增材制造、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、工業(yè)機(jī)器人等智能制造技術(shù)貫穿應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、服務(wù)保障等全生命周期，顯著提升了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了研制周期、降低了制造維護(hù)成本。綜合而言，國外智能制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

一是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）向產(chǎn)品全生命周期拓展應(yīng)用。國外企業(yè)構(gòu)建了基于MBSE 的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，并基于單一模型實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的集成，模型正從需求論證拓展應(yīng)用到維修保障的全生命周期。空客公司在A350 飛機(jī)的開發(fā)中全面采用MBSE，逐層細(xì)化需求并進(jìn)行功能分析和設(shè)計(jì)綜合，利用MBSE 實(shí)現(xiàn)交互式、參數(shù)化設(shè)計(jì)空間探索，實(shí)現(xiàn)了頂層系統(tǒng)需求分解與確認(rèn)，以及對供應(yīng)商、分包商的需求分配與管理。波音公司利用MBSE 進(jìn)行777X 的ADRF 項(xiàng)目設(shè)計(jì)，將全部有關(guān)系統(tǒng)信息集中于單個(gè)模型中，模型支持系統(tǒng)從需求文檔到驗(yàn)證再到維護(hù)及培訓(xùn)的全生命周期，保證了信息的一致性。

二是智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)模式變革。國外企業(yè)將智能推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、生成設(shè)計(jì)算法等智能技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真，以更高效的方式探索和驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提升了設(shè)計(jì)優(yōu)化效率。雷神技術(shù)公司將數(shù)字工程技術(shù)應(yīng)用于可選載人戰(zhàn)車的研發(fā)設(shè)計(jì)，利用數(shù)字工程方法構(gòu)建詳細(xì)、準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)模型，逐層細(xì)化需求并進(jìn)行功能分析和設(shè)計(jì)綜合，實(shí)現(xiàn)虛擬建造、測試和分析戰(zhàn)車，士兵能夠在虛擬環(huán)境中從多個(gè)角度觀察戰(zhàn)車原型并提出反饋意見。美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）開發(fā)了集成設(shè)計(jì)空間探索與優(yōu)化模塊、多尺度材料建模與仿真模塊、晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊的超復(fù)雜結(jié)構(gòu)高保真設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，該工具基于自動(dòng)推薦優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法、加速軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的多功能仿真庫，可實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)量的減少和仿真效率的提高。

三是增材制造技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星等產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。國外企業(yè)將增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)車、潛艇、航天發(fā)動(dòng)機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、宇宙飛船發(fā)動(dòng)機(jī)、衛(wèi)星平臺等產(chǎn)品，在獲得良好性能的基礎(chǔ)上降低了產(chǎn)品研制成本和周期。洛克希德·馬丁公司（以下簡稱洛馬）建成世界上首臺“多機(jī)器人增減材混合設(shè)備”，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人的串行工作，具備增減材制造、工藝過程監(jiān)測、尺寸檢查等功能，設(shè)備性能已經(jīng)過衛(wèi)星零部件制造的驗(yàn)證。太空探索技術(shù)公司（SpaceX）采用增材制造技術(shù)制成“龍”2 號飛船發(fā)動(dòng)機(jī)，顯著縮短了交貨周期、降低了制造成本，且獲得了優(yōu)良的強(qiáng)度、延展性、抗斷裂性及材料性質(zhì)的一致性。泰雷茲·阿萊尼亞宇航公司將增材制造用于衛(wèi)星平臺的電信衛(wèi)星組件高度定制化批生產(chǎn)，使衛(wèi)星重量減輕了30%，制造成本減少約10%，生產(chǎn)周期縮短了1 ～2 個(gè)月。

四是智能技術(shù)應(yīng)用于工藝設(shè)計(jì)與仿真，大幅提升工藝效率和質(zhì)量。國外企業(yè)將知識工程、幾何推理、機(jī)器學(xué)習(xí)等智能技術(shù)應(yīng)用于工藝設(shè)計(jì)與仿真，大幅提升了工藝設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證的效率和質(zhì)量?？湛凸緸閮?yōu)化由碳纖維增強(qiáng)塑料制成的機(jī)翼設(shè)計(jì)，開發(fā)了知識源平臺。該平臺通過將專家知識與人工智能提供的知識相結(jié)合，創(chuàng)建、捕獲和重用工程知識，大幅提升設(shè)計(jì)人員工作效率。洛馬公司通過對復(fù)合材料蒙皮裝配進(jìn)行虛擬仿真，驗(yàn)證工裝夾具是否合適，優(yōu)化蒙皮安裝順序，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料蒙皮結(jié)構(gòu)與金屬部件的并行裝配，有效改善了蒙皮安裝質(zhì)量與效率，總生產(chǎn)周期縮短20%～40%。

五是機(jī)器人得到廣泛應(yīng)用，大幅降低產(chǎn)品制造周期和成本。國外企業(yè)將機(jī)器人廣泛應(yīng)用于機(jī)加、裝配、焊接、噴涂、復(fù)合材料等多種制造場景，大幅提升了產(chǎn)品制造效率和質(zhì)量，縮短了制造周期和成本。空客公司采用雙臂仿人機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同裝配。通過及早識別、診斷在傳統(tǒng)飛機(jī)裝配線中存在的錯(cuò)誤、問題或缺陷，顯著縮短飛機(jī)裝配時(shí)間。美國愛迪生焊接研究所開發(fā)出遠(yuǎn)程操控焊接系統(tǒng)，允許工人在遠(yuǎn)程位置操控焊接設(shè)備，可為工人在嚴(yán)苛環(huán)境中的高效工作提供支持。美國國家航空航天局（NASA）開發(fā)出全美最大的機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)制造直徑超過8m 的復(fù)合材料火箭部件的精確鋪絲，大幅降低成本，提高性能。

六是面向不同業(yè)務(wù)場景，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的落地應(yīng)用。射頻識別、邊緣計(jì)算等技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中得到成熟應(yīng)用，并面向不同業(yè)務(wù)場景，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的落地應(yīng)用。國外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正不斷成熟，綜合性跨行業(yè)的開放工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺已經(jīng)出現(xiàn)。西門子依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及分析平臺MindSphere，在其安倍格工廠全面連接物流、產(chǎn)線、環(huán)境等要素和環(huán)節(jié)，大幅提升了產(chǎn)線自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)了人力、倉儲、物流等成本的大幅縮減。洛馬開發(fā)邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平臺“智能工廠框架”（IFF），作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)安全、可擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備連接。目前，IFF 已被部署到7個(gè)制造業(yè)務(wù)現(xiàn)場，并啟用了185 個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

七是智能生產(chǎn)線/車間/工廠取得實(shí)踐成果。國內(nèi)外具備“實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)分析、智能決策、自主執(zhí)行、虛實(shí)融合”特征的智能生產(chǎn)線/車間/工廠取得實(shí)踐成果，大幅提升生產(chǎn)線/車間/工廠的柔性和產(chǎn)品生產(chǎn)效率。雷神公司打造了基于物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)彈與微小衛(wèi)星制造智能工廠，工廠完美融合了精益生產(chǎn)、柔性制造等先進(jìn)技術(shù)理念。洛馬公司“門廊中心”智能工廠建設(shè)了快速可重構(gòu)數(shù)字化生產(chǎn)線，形成了多尺度衛(wèi)星柔性制造能力，具備同時(shí)生產(chǎn)5 顆A2100 衛(wèi)星平臺或多顆中小衛(wèi)星的能力，可實(shí)現(xiàn)測試過程的完全自動(dòng)化。

八是設(shè)計(jì)軟件融合了人工智能、AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，極大提高概念設(shè)計(jì)草圖繪制的靈活性，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造及后續(xù)階段的無縫過渡。西門子二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)草圖繪制軟件工具NX Sketch，可利用歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)迭代，極大提高了概念設(shè)計(jì)草圖繪制的靈活性，打破了設(shè)計(jì)方面的前期限制。PTC公司的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Creo 8.0 融合了人工智能、AR/VR、并行計(jì)算、增材制造和物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，幫助設(shè)計(jì)者更快迭代設(shè)計(jì)，可用性和效率大幅提升，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造及后續(xù)階段的無縫過渡。

九是數(shù)字孿生在部分場景實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用。數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測、生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行狀況監(jiān)測等場景實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用成效。美國通用電氣公司基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可用于持續(xù)監(jiān)控軸承的健康狀況，提前15 ～30 天預(yù)測軸承故障，降低裝備維修費(fèi)用，縮短停機(jī)時(shí)間，提高裝備的可靠性、可用性和安全性，避免出現(xiàn)重大故障。洛馬創(chuàng)建了生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生，通過在對應(yīng)位置添加標(biāo)簽采集相關(guān)數(shù)據(jù)，通過三維模型的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)線運(yùn)行，此外，還可提供高級別的控制，以確保在制定工作區(qū)中不會使用不受控制或不正確的工具，大幅提升制造效率。

三、啟示與建議

借鑒國外智能制造發(fā)展的有益經(jīng)驗(yàn)和最佳實(shí)踐，并結(jié)合我國發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，對我國智能制造發(fā)展提出以下幾點(diǎn)啟示與建議。

一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。發(fā)展智能制造，必須從頂層設(shè)計(jì)的角度予以統(tǒng)一規(guī)劃布局，從國家層面加強(qiáng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，規(guī)范有序地引領(lǐng)我國智能制造發(fā)展。國家有關(guān)部門應(yīng)結(jié)合我國國情和制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，研究制定我國智能制造發(fā)展戰(zhàn)略、規(guī)劃計(jì)劃，引導(dǎo)相關(guān)行業(yè)和部門提升智能制造能力和水平，實(shí)現(xiàn)我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和提質(zhì)增效。

二是保障核心軟硬件自主可控和安全可靠。當(dāng)前，我國在高精度基礎(chǔ)零部件、高端制造裝備、工業(yè)軟件等領(lǐng)域嚴(yán)重依賴國外產(chǎn)品，存在著極大的“卡脖子”和信息安全風(fēng)險(xiǎn)，亟需梳理和盤點(diǎn)存在風(fēng)險(xiǎn)的核心軟硬件清單，劃分好風(fēng)險(xiǎn)等級，分級分類做好自主可控應(yīng)對方案，加快推進(jìn)國產(chǎn)化替代工作，加大自主研發(fā)力度，盡快實(shí)現(xiàn)核心軟硬件的安全可靠和自主可控，為我國智能制造的發(fā)展提供基礎(chǔ)安全保障。

三是加強(qiáng)智能制造人才隊(duì)伍建設(shè)。當(dāng)前，我國在推進(jìn)智能制造過程中面臨著研發(fā)人才不足、車間技術(shù)人才短缺等現(xiàn)狀，難以滿足我國智能制造發(fā)展需求。我國可依托高等院校、研究機(jī)構(gòu)、技術(shù)學(xué)校，打造包含高端研發(fā)人才、工程技術(shù)人才及技術(shù)工人在內(nèi)的全鏈條人才培養(yǎng)體系，也可依托有競爭力的薪資福利待遇，面向全球引進(jìn)一批精通工業(yè)基礎(chǔ)知識和新一代信息技術(shù)知識的跨學(xué)科、復(fù)合型的智能制造領(lǐng)軍人才，多渠道開展智能制造人才隊(duì)伍建設(shè)，為我國智能制造發(fā)展提供有力支撐。

四是加快構(gòu)建智能制造技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)。我國智能制造水平和能力要提升，必須要依靠創(chuàng)新突破。我國應(yīng)動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G 等智能制造技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)、前沿和趨勢，提前布局智能制造領(lǐng)域新技術(shù)預(yù)先研究，為未來發(fā)展儲備技術(shù)。圍繞工作母機(jī)、工業(yè)軟件等亟需突破的重難點(diǎn)技術(shù)，可充分發(fā)揮我國舉國體制優(yōu)勢，依托“小核心、大協(xié)作”的聯(lián)合創(chuàng)新模式，打造協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)，聚力攻堅(jiān)關(guān)鍵技術(shù)突破。