国外智能制造发展态势分析与启示.pdf

军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products322023 年 6 月 总第 476 期产业观察国外智能制造发展态势分析与启示孙 璞 王 锋 李琳斐中国航天系统科学与工程研究院当前，大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术日新月异，信息技术与传统制造业的创新融合不断深入，加速推动着全球新一轮科技革命和产业变革，同时也驱动着智能制造的发展和成熟。智能制造作为数字智能技术与传统制造技术深度融合的产物，贯穿于设计研发、生产制造、管理运营、服务保障等制造活动的各要素各环节之中，具有动态感知、实时分析、智能决策、精准执行等特征，旨在提高制造业质量、效益和核心竞争力。党的二十大报告提出，要推进新型工业化，加快建设制造强国，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。如何基于智能制造驱动制造业转型升级已成为我国当前面临的重大命题。因此，本文深入分析了国外智能制造发展战略和技术动态，以期为我国推进智能制造发展、实现智能制造技术的突破和应用，助推制造业转型升级、破解制造业发展困境提供参考。一、国外智能制造发展战略分析美国、德国、日本等制造强国结合自身国情，纷纷制定了一系列智能制造发展战略，以期破解自身发展困境、抢占未来全球制造业竞争制高点。为实现制造业整体复兴，确保制造业全球领先地位，美国将智能制造作为重要突破口。2018 年 10 月，美国发布先进制造领导力战略，提出把“抓住智能制造系统的未来”作为各个战略目标之首，并将智能和数字制造、先进的工业机器人、人工智能基础设施列为优先计划事项。此外，美国政府机构及组织还基于行业、部门或智能制造相关领域需要，分别推出系列智能制造技术发展战略规划，如美国政府推出的国家机器人计划 2.0 美国人工智能领先计划，美国国防部推出的制造技术战略规划 增材制造路线图和国防部数字工程战略等，一系列相关法案、国家战略规划和分领域、分技术发展战略，构建形成了美国以智能制造为核心的先进制造发展战略体系。德国将发展智能制造作为保持其制造业领先优势的重要举措。尽管德国传统工业在世界制造业核心竞争中占有优势，但随着新一代人工智能、大数据、物联网等技术与工业的深度融合，产品、设备、工艺和服务的智能化发展日新月异，新兴经济体国家制造水平的迅猛提升已对德国工业构成竞争威胁，德国对能否跟上时代发展的步伐、保持制造业竞争优势深感忧虑并产生强烈的危机意识。在这一背景下，德国推出了以智能工厂、智能制造与智能物流为核心特征的“工军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products332023 年 6 月 总第 476 期产业观察业 4.0”，加速推进其制造业智能化发展。此外，2019年 2 月，德国还推出了国家工业战略 2030，宣布将有针对性地扶持国防、航空航天、增材制造等重点领域，强调当今最重要的突破性创新是数字化，并指出人工智能、机器与互联网的相互连接是极其重要的突破性技术，只有拥有并掌握这些技术的国家才能在竞争中保持有利地位。英国将智能制造作为发展本国制造业、重振制造业竞争力的重要手段。英国是老牌的一流工业强国，其制造业曾有着辉煌的历史，但其实施的“去工业化”方针使其在国际金融危机中遭受沉重打击。英国随即意识到制造业对于国家经济的重要支撑作用，并于近十年大力推进“再工业化”进程，力图通过智能制造来重振本国制造业竞争力。英国以“高价值制造”战略为重点，支持人工智能、数字制造、增材制造等重点领域，创建了一系列高价值制造弹射中心，推动本国智能制造发展。2017 年 10 月，英国发布国家增材制造战略（20182025），拟以增材制造为突破口，解决英国脱欧的经济挑战，推动英国以航空航天为代表的高端制造业的发展。日本将智能制造作为其应对人口老龄化危机的有力法宝。随着新兴经济体国家制造业的快速崛起和美欧等工业强国“再工业化”进程的推进，日本深切感受到本国制造业发展所面临的压力。为弥补其在数据和信息系统方面的不足，应对日益严重的人口老龄化社会问题，日本立足于高度发展的物联网和智能机器人技术，发展智能制造来促进本国制造业的发展。例如，日本机器人新战略提出要将机器人与大数据、人工智能等新一代信息技术深度融合，面向制造业等应用领域，促进机器人的推广和使用，赋能日本智能制造水平和能力提升。总体而言，智能技术的发展为世界各国制造业转型升级提供了技术动力；同时，“去工业化”思潮、人口老龄化及新兴制造大国的崛起，为传统制造强国保持制造业竞争力、维持经济持续发展带来了严峻挑战，美欧等国家和地区希望通过出台各类战略措施，推动国内智能制造发展、实现制造复兴和“再工业化”，以保持其制造领先优势、实现经济持续增长、支撑国家安全发展。二、国外智能制造技术发展现状与趋势分析当前，国外将人工智能、工业互联网、增材制造、增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、工业机器人等智能制造技术贯穿应用于产品研发设计、生产制造、服务保障等全生命周期，显著提升了产品质量、缩短了研制周期、降低了制造维护成本。综合而言，国外智能制造技术发展现状与趋势呈现出以下特点。一是基于模型的系统工程（MBSE）向产品全生命周期拓展应用。国外企业构建了基于 MBSE 的产品开发环境，并基于单一模型实现了产品数据的集成，模型正从需求论证拓展应用到维修保障的全生命周期。空客公司在 A350 飞机的开发中全面采用 MBSE，逐层细化需求并进行功能分析和设计综合，利用 MBSE 实现交互式、参数化设计空间探索，实现了顶层系统需求分解与确认，以及对供应商、分包商的需求分配与管理。波音公司利用 MBSE 进行 777X 的 ADRF 项目设计，将全部有关系统信息集中于单个模型中，模型支持系统从需求文档到验证再到维护及培训的全生命周期，保证了信息的一致性。二是智能技术驱动设计模式变革。国外企业将智能推理、机器学习、生成设计算法等智能技术应用于产品设计仿真，以更高效的方式探索和验证产品设计空间，降低了设计风险，提升了设计优化效率。雷神技术公司将数字工程技术应用于可选载人战车的研发设计，利用数字工程方法构建详细、准确的计算机模型，逐层细化需求并进行功能分析和设计综合，实现虚拟建造、测试和分析战车，士兵能够在虚拟环境中从多个角度观察战车原型并提出反馈意见。美国国防高级研究计划局（DARPA）开发了集成设计空间探索与优化模块、多尺度材料建模与仿真模块、晶格结构军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products342023 年 6 月 总第 476 期产业观察设计模块的超复杂结构高保真设计计算机辅助设计工具，该工具基于自动推荐优化设计参数的机器学习算法、加速软体机器人设计的多功能仿真库，可实现仿真数量的减少和仿真效率的提高。三是增材制造技术在发动机、卫星等产品中得到广泛应用。国外企业将增材制造技术广泛应用于战车、潜艇、航天发动机、喷气发动机、宇宙飞船发动机、卫星平台等产品，在获得良好性能的基础上降低了产品研制成本和周期。洛克希德 马丁公司（以下简称洛马）建成世界上首台“多机器人增减材混合设备”，可实现两个机器人的串行工作，具备增减材制造、工艺过程监测、尺寸检查等功能，设备性能已经过卫星零部件制造的验证。太空探索技术公司（SpaceX）采用增材制造技术制成“龙”2 号飞船发动机，显著缩短了交货周期、降低了制造成本，且获得了优良的强度、延展性、抗断裂性及材料性质的一致性。泰雷兹 阿莱尼亚宇航公司将增材制造用于卫星平台的电信卫星组件高度定制化批生产，使卫星重量减轻了 30%，制造成本减少约 10%，生产周期缩短了 1 2 个月。四是智能技术应用于工艺设计与仿真，大幅提升工艺效率和质量。国外企业将知识工程、几何推理、机器学习等智能技术应用于工艺设计与仿真，大幅提升了工艺设计与仿真验证的效率和质量。空客公司为优化由碳纤维增强塑料制成的机翼设计，开发了知识源平台。该平台通过将专家知识与人工智能提供的知识相结合，创建、捕获和重用工程知识，大幅提升设计人员工作效率。洛马公司通过对复合材料蒙皮装配进行虚拟仿真，验证工装夹具是否合适，优化蒙皮安装顺序，实现复合材料蒙皮结构与金属部件的并行装配，有效改善了蒙皮安装质量与效率，总生产周期缩短 20%40%。五是机器人得到广泛应用，大幅降低产品制造周期和成本。国外企业将机器人广泛应用于机加、装配、焊接、喷涂、复合材料等多种制造场景，大幅提升了产品制造效率和质量，缩短了制造周期和成本。空客公司采用双臂仿人机器人，实现了人机协同装配。通过及早识别、诊断在传统飞机装配线中存在的错误、问题或缺陷，显著缩短飞机装配时间。美国爱迪生焊接研究所开发出远程操控焊接系统，允许工人在远程位置操控焊接设备，可为工人在严苛环境中的高效工作提供支持。美国国家航空航天局（NASA）开发出全美最大的机械臂，可实现制造直径超过 8m 的复合材料火箭部件的精确铺丝，大幅降低成本，提高性能。六是面向不同业务场景，实现工业互联网的落地应用。射频识别、边缘计算等技术在工业互联网中得到成熟应用，并面向不同业务场景，实现工业互联网的落地应用。国外工业互联网正不断成熟，综合性跨行业的开放工业互联网平台已经出现。西门子依托工业互联网及分析平台 MindSphere，在其安倍格工厂全面连接物流、产线、环境等要素和环节，大幅提升了产线自动化程度，实现了人力、仓储、物流等成本的大幅缩减。洛马开发边缘计算网络平台“智能工厂框架”（IFF），作为工业物联网解决方案的基础，实现安全、可扩展、标准化的设备连接。目前，IFF 已被部署到 7个制造业务现场，并启用了 185 个工业物联网设备。七是智能生产线/车间/工厂取得实践成果。国内外具备“实时感知、动态分析、智能决策、自主执行、虚实融合”特征的智能生产线/车间/工厂取得实践成果，大幅提升生产线/车间/工厂的柔性和产品生产效率。雷神公司打造了基于物联网的导弹与微小卫星制造智能工厂，工厂完美融合了精益生产、柔性制造等先进技术理念。洛马公司“门廊中心”智能工厂建设了快速可重构数字化生产线，形成了多尺度卫星柔性制造能力，具备同时生产 5 颗 A2100 卫星平台或多颗中小卫星的能力，可实现测试过程的完全自动化。八是设计软件融合了人工智能、AR/VR、物联网等新技术，极大提高概念设计草图绘制的灵活性，实现从产品设计到制造及后续阶段的无缝过渡。西门子二维计算机辅助设计草图绘制软件工具 NX Sketch，可利用历史数据实现快速设计迭代，极大提高了概念设计草图绘制的灵活性，打破了设计方面的前期限制。PTC公司的三维计算机辅助设计软件 Creo 8.0 融合了人工军民两用技术与产品Dual Use Technologies&Products352023 年 6 月 总第 476 期产业观察智能、AR/VR、并行计算、增材制造和物联网等新技术，帮助设计者更快迭代设计，可用性和效率大幅提升，实现从产品设计到制造及后续阶段的无缝过渡。九是数字孪生在部分场景实现落地应用。数字孪生在航空发动机健康监测、生产设备实时监控、生产现场运行状况监测等场景实现落地应用，取得了良好的应用成效。美国通用电气公司基于数字孪生技术实现了对发动机的实时监测，可用于持续监控轴承的健康状况，提前 15 30 天预测轴承故障，降低装备维修费用，缩短停机时间，提高装备的可靠性、可用性和安全性，避免出现重大故障。洛马创建了生产环境的实时数字孪生，通过在对应位置添加标签采集相关数据，通过三维模型的变化实时监测生产线运行，此外，还可提供高级别的控制，以确保在制定工作区中不会使用不受控制或不正确的工具，大幅提升制造效率。三、启示与建议借鉴国外智能制造发展的有益经验和最佳实践，并结合我国发展现状和特点，对我国智能制造发展提出以下几点启示与建议。一是加强顶层设计。发展智能制造，必须从顶层设计的角度予以统一规划布局，从国家层面加强统筹协调，规范有序地引领我国智能制造发展。国家有关部门应结合我国国情和制造业发展现状，研究制定我国智能制造发展战略、规划计划，引导相关行业和部门提升智能制造能力和水平，实现我国制造业的转型升级和提质增效。二是保障核心软硬件自主可控和安全可靠。当前，我国在高精度基础零部件、高端制造装备、工业软件等领域严重依赖国外产品，存在着极大的“卡脖子”和信息安全风险，亟需梳理和盘点存在风险的核心软硬件清单，划分好风险等级，分级分类做好自主可控应对方案，加快推进国产化替代工作，加大自主研发力度，尽快实现核心软硬件的安全可靠和自主可控，为我国智能制造的发展提供基础安全保障。三是加强智能制造人才队伍建设。当前，我国在推进智能制造过程中面临着研发人才不足、车间技术人才短缺等现状，难以满足我国智能制造发展需求。我国可依托高等院校、研究机构、技术学校，打造包含高端研发人才、工程技术人才及技术工人在内的全链条人才培养体系，也可依托有竞争力的薪资福利待遇，面向全球引进一批精通工业基础知识和新一代信息技术知识的跨学科、复合型的智能制造领军人才，多渠道开展智能制造人才队伍建设，为我国智能制造发展提供有力支撑。四是加快构建智能制造技术创新生态。我国智能制造水平和能力要提升，必须要依靠创新突破。我国应动态跟踪数字孪生、工业互联网、人工智能、5G 等智能制造技术发展热点、前沿和趋势，提前布局智能制造领域新技术预先研究，为未来发展储备技术。围绕工作母机、工业软件等亟需突破的重难点技术，可充分发挥我国举国体制优势，依托“小核心、大协作”的联合创新模式，打造协同创新生态，聚力攻坚关键技术突破。参考文献1 赵亚楠.智能制造 装备先行 J.自动化博览.2021,38(5)：4.2 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