智能制造
——“中國制造2025”的主攻方向

周　濟

中國工程院，北京，100088

智能制造
——“中國制造2025”的主攻方向

周濟

中國工程院，北京，100088

實現由制造大國向制造強國的轉變，已經成為新時期我國經濟發展面臨的重大課題。在詳細分析我國制造業現狀的基礎上，闡述了“中國制造2025”的指導思想、戰略部署、基本方針和戰略舉措，認為“互聯網+先進制造業+現代服務業”將成為中國經濟發展的新引擎。指出“制造業數字化網絡化智能化是新一輪工業革命的核心技術，應該作為中國制造2025的制高點、突破口和主攻方向”，重點圍繞“智能制造是新一輪工業革命的核心技術”和“智能制造是中國制造2025的主攻方向”兩個論斷展開了全面深入的剖析解讀。

制造業；中國制造2025；智能制造；主攻方向

1　實施“中國制造2025”的意義和部署

制造業是國民經濟的主要支柱,也是今后我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主戰場。我國已經成為制造大國,但仍然不是制造強國。打造中國制造新優勢,實現由制造大國向制造強國的轉變，對我國新時期的經濟發展最為重要,也最為迫切。

2013年以來，習近平總書記曾先后指出，“國家強大要靠實體經濟，不能泡沫化”，“深入實施創新驅動發展戰略，增強工業核心競爭力”，“推動中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變。”

2015年3月5日，李克強總理在政府工作報告中指出，要實施“中國制造2025”，加快從制造大國轉向制造強國。對此，國內工業界倍感振奮，國際經濟界高度關注。5月8日，國務院印發“中國制造2025”，部署全面推進實施制造強國戰略。這是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領。

1.1制造業是立國之本、興國之器、強國之基

制造業是國民經濟的主體，也是今后我國經濟“創新驅動、轉型升級”的主戰場。18世紀中葉開啟工業文明以來，世界強國的興衰史和中華民族的奮斗史一再證明，沒有強大的制造業，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路。

1.2我國制造業大而不強

1.2.1我國已經成為一個制造大國

2012年，我國制造業增加值為2.08萬億美元,在全球制造業占比約20%，與美國相當，成為世界制造大國。

中國已經具備了建設制造強國的基礎和條件:①我國制造業擁有巨大市場，需求是最強大的發展動力；②我國制造業有著世界上門類最為齊全、獨立完整的體系，具備強大的產業基礎；③我國一直堅持信息化與工業化融合發展,在制造業數字化方面掌握了核心關鍵技術，具有強大的技術基礎；④我國在制造業人才隊伍建設方面已經形成了獨特的人力資源優勢；⑤我國制造業在自主創新方面已經取得了一些輝煌成就，“上天”、“入地”、“下?！?、高鐵、輸電、發電、國防等各個領域都顯示出我國制造業巨大的創新力量。

1960年第一顆導彈升空，1964年第一顆原子彈爆炸，1970年第一顆人造地球衛星上天；2003年神舟五號第一次載人航天，2013年神舟十號飛船與天宮一號對接；蛟龍號載人潛水器、北斗衛星導航系統、“天河”等億億次高性能計算機等一系列核心關鍵技術的掌握，大大提升了我國綜合國力和國際地位。

三峽工程發揮巨大綜合作用，超超臨界發電、水力發電等技術達到世界先進水平，率先掌握特高壓交直流輸變電技術，高速鐵路總體技術水平進入世界先進行列，橋梁工程處于世界領先地位，一大批重大工程建設成功，大幅度提升了中國基礎工業、制造業、新興產業等領域的創新能力和水平，加快了中國現代化進程。

同時，中國的戰略性新興產業蓬勃發展，建立了具有自主知識產權的移動通信產業鏈條和龐大的通信網絡，核電、太陽能發電、風力發電等新能源技術和裝機容量走到世界前列。

1.2.2我國還不是一個制造強國

我國制造業大而不強，存在的突出問題如下：①自主創新能力不強，核心技術對外依存度較高，產業發展需要的高端設備、關鍵零部件和元器件、關鍵材料等大多依賴進口。如，我國所需的芯片80%以上依賴進口，2013年用匯2313億美元，超過石油。②產品質量問題突出，國家監督抽查產品質量不合格率高達10%，制造業每年直接質量損失超過2000億元。③資源利用效率低，單位國內生產總值(GDP)能耗約為世界平均水平的2倍。④產業結構調整刻不容緩，技術密集型產業和生產性服務業弱，產業集聚和集群發展水平低，具有較強國際競爭力的大企業少。

1.2.3我國制造業面臨的重大挑戰和機遇

我國制造業面臨前所未有的挑戰。國際金融危機爆發后，世界制造業分工格局面臨新的調整，我國制造業面臨嚴峻挑戰。

從內部因素看，我國經濟發展已由較長時期的高速增長進入中高速增長階段，前一時期非常成功的經濟發展方式已不可持續，轉變經濟發展方式已刻不容緩，對經濟發展的主導力量——制造業創新驅動、轉型升級提出了緊迫的要求。

從外部因素看，一方面，歐美發達國家推行“再工業化”戰略，謀求在技術、產業方面繼續領先優勢，搶占制造業高端，進一步拉大與我國的距離。美國奧巴馬總統在幾年內專門發表四次講話，強調要重振制造業，德國、英國、法國、日本都宣布了新的計劃，大力推動制造業復興。另一方面，印度、印度尼西亞、越南等發展中國家則以更低的勞動力成本承接勞動密集型產業的轉移，搶占制造業的中低端。

我國制造業正面臨來自歐美發達國家和發展中國家的“前后夾擊”的雙重挑戰。

制造業面臨新一輪工業革命的重大機遇。緊緊抓住世界范圍內新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式歷史性交匯的歷史性機遇，將大大加快我國工業化和建設制造強國的進程。

1.3“中國制造2025”的指導思想及戰略部署

1.3.1指導思想

“中國制造2025”的指導思想是：堅持走中國特色新型工業化道路，以促進制造業創新發展為主題，以提質增效為中心，以加快新一代信息技術與制造業深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向，以滿足經濟社會發展和國防建設對重大技術裝備的需求為目標，強化工業基礎能力，提高綜合集成水平，完善多層次多類型人才培養體系，促進產業轉型升級，培育有中國特色的制造文化，實現制造業由大變強的歷史跨越。

1.3.2指標體系

我國作為一個人口大國，要建設制造強國，就要促進制造業實現又大又強的目標。制造強國應具備四個主要特征：一是雄厚的產業規模，表現為產業規模較大、具有成熟健全的現代產業體系、在全球制造業中占有相當比重；二是優化的產業結構，表現為產業結構優化、基礎產業和裝備制造業水平高、戰略性新興產業比重高、擁有眾多實力雄厚的跨國企業及一大批充滿生機活力的中小型創新企業；三是良好的質量效益，表現為生產技術先進、產品質量優良、勞動生產率高、占據價值鏈高端環節；四是持續的發展能力，表現為自主創新能力強、科技引領能力逐步增長，能實現綠色可持續發展，具有良好的信息化水平。

根據制造強國的上述特征，我們構建了由4項一級指標、18項二級指標構成的制造業評價體系，如表1所示。

表1　制造業評價體系

以美國、德國、日本、英國、法國和韓國等主要工業化國家為參考，計算出其歷年來的制造業綜合指數(圖1),以表征一個國家制造業綜合競爭力在世界上的地位。

圖1　歷年來的制造業綜合指數

對綜合指數進行分析得到以下結論:①各國制造業均經歷了一個從弱到強的過程，此過程與其工業化進程相吻合。工業化完成后，各國的制造業發展出現了分化，重視制造業發展的美國、德國、日本保持了強有力的競爭優勢。②2012年，主要工業化國家的制造業綜合指數分布中，美國遙遙領先，處于第一方陣；德國、日本處于第二方陣；中國、英國、法國、韓國處于第三方陣。中國與第一、第二方陣國家的差距主要是全員勞動生產率低、增加值率低、創新能力薄弱、知名品牌缺乏。

1.3.3戰略部署

在國際政治經濟格局不發生重大變化的情況下，綜合考慮工業發達國家工業化進程各階段綜合指數的增長率和我國GDP增長率，構建了如圖2所示的適合我國國情的制造業綜合指數預測模型，對未來30～40年我國制造業綜合指數發展趨勢進行預測，結果表明，我國制造業強國進程可分為三個階段，具體如圖3所示。第一階段，用十年時間，到2025年，中國邁入世界制造強國行列；第二階段，到2035年，我國制造業整體達到世界制造強國陣營中等水平；第三階段，新中國成立一百年時，中國制造業又大又強，綜合實力進入世界制造強國前列。

圖2　中國制造業綜合指數預測模型

圖3　中國制造業強國進程的三個階段

1.4“中國制造2025”的基本方針和戰略舉措

“中國制造2025”是動員全社會力量建設制造強國的總體戰略，是以“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”為基本方針的戰略對策和行動計劃。

1.4.1創新驅動

創新是制造業發展的靈魂，是轉型升級的不竭動力，必須擺在制造業發展全局的核心位置，要堅持走創新驅動的發展道路，實現從要素驅動向創新驅動的根本轉變。

戰略舉措之一:智能制造工程加快推動新一代信息技術與制造技術融合發展，把智能制造作為主攻方向：著力發展智能產品和智能裝備，推進生產過程數字化網絡化智能化，培育新型生產方式和產業模式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平。

戰略舉措之二:制造業創新體系建設工程建立以企業為主體、產學研緊密結合的技術創新體系。圍繞重點行業轉型升級和重點領域創新發展的重大共性需求，形成一批制造業創新中心，重點開展行業基礎和共性關鍵技術研發、成果產業化、人才培訓等工作。

1.4.2質量為先

質量是制造業發展的生命線，是支撐經濟轉型升級的基石。要堅持把質量作為建設制造強國的基礎，走以質取勝的發展道路，實現從依賴低廉的資源價格和人力成本的產品低價競爭優勢向依靠質量升級和品種優化的質量效益競爭優勢的根本轉變。

德國在工業2.0的時候就解決了質量問題，中國要實施制造強國戰略，必須下決心解決質量問題，必須過質量這一關。質量是中國制造的基礎，“基礎不牢，地動山搖”。質量是中國制造的生命，“生命不保，何談發展”？必須把提高質量放在“中國制造2025”的基礎地位、優先地位。

同時，我們必須走中國特色工業化發展道路，更加強調新的技術革命對提高質量的促進作用，用創新的方式、用工業4.0的信息化、智能化的新技術、新方法，更好地解決質量問題。

戰略舉措之三:工業強基工程基礎零部件、基礎工藝、基礎材料和產業技術基礎(統稱“四基”)等工業基礎能力薄弱，是制約我國制造業質量提升和創新發展的癥結所在。要實施“工業強基工程”，統籌推進“四基”發展，加強“四基”創新能力建設，推動整機企業和“四基”企業協同發展。

戰略舉措之四:質量與品牌提升行動計劃全面強化質量意識，提高質量控制技術，完善質量管理機制，強化和推進先進的制造業標準，實現工業產品質量大幅提升；推進品牌建設，形成具有自主知識產權的名牌產品，不斷提升企業品牌價值和中國制造品牌良好形象。

1.4.3綠色發展

堅持把綠色發展作為建設制造強國的重要著力點，走生態文明的發展道路，實現由資源消耗大、污染物排放多的粗放制造向資源節約型、環境友好型的綠色制造的轉變。

2012年，中國單位GDP能耗是世界平均水平的2.14倍，是日本的4.56倍。如果我們通過提高能效，將單位GDP能耗降到世界平均水平，在不增加能源消耗條件下，中國GDP可以再翻一番；如果降到日本目前水平，中國GDP可以再翻兩番。

戰略舉措之五:綠色制造工程加大先進節能環保技術、工藝和裝備的研發和推廣，加快制造業綠色改造升級；積極推行低碳化、循環化和集約化，提高制造業資源利用效率；強化產品全生命周期綠色管理，努力構建高效、清潔、低碳、循環的綠色制造體系。

1.4.4結構優化

堅持把結構優化作為建設制造強國的主要方向，大力發展戰略性新興產業，推動傳統產業向中高端邁進，推動生產型制造向服務型制造轉變。優化產業空間布局，加強現代企業建設，培育一批具有核心競爭力的產業集群和企業群體。

戰略舉措之六:高端裝備創新工程推動制造業由大到強的關鍵在于高端裝備。要集中優勢力量，推進優勢領域和戰略必爭領域的裝備創新，實現新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農機裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械等十大領域的重點突破。

戰略舉措之七:制造業服務化推進行動計劃加快制造與服務的深度融合，推動產業模式創新和企業形態創新，促進生產型制造向服務型制造轉變，大力發展與制造業緊密相關的生產性服務業。

戰略舉措之八:現代企業建設行動計劃企業強則制造業強,制造業強則國家強。企業是經濟發展的主體，是市場競爭的主體，當然是創新驅動、轉型升級的主體。要全力支持企業、服務企業，為企業發展創造最好的環境，培育具有全球競爭力的企業群體。一方面要大力培育一批在國際競爭中處于前列的大企業；另一方面要著力培養一大批高成長性中小企業，特別是激勵廣大科技創新型制造企業茁壯成長。

1.4.5人才為本

堅持把人才作為建設制造強國的根本，走人才為本的發展道路。加強制造業人才發展的統籌規劃和分類指導，建立健全科學合理的選人、用人、育人機制，改革和完善學校教育體系，建設和強化繼續教育體系，加快培養制造業發展急需的專業技術人才、經營管理人才、技能人才，建設規模宏大、結構合理、素質優良的制造業人才隊伍。

1.5互聯網+先進制造業+現代服務業

李克強總理在2015年的政府工作報告中指出，要制定“互聯網+”行動計劃，推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場。

通過互聯網與先進制造業和現代服務業的深度融合，可以使互聯網最新的信息技術、方法論和商業模式深度融合于制造業和服務業的各個領域之中，極大地促進制造業提質增效、轉型升級，促進服務型制造業和生產性服務業的發展。

李克強總理在政府工作報告中還明確提出，“圍繞服務實體經濟推進金融改革”，“讓更多的金融活水流向實體經濟”。加強制造業與金融業的深度融合，加大資本市場對制造業的支持力度，具有重大現實意義和長遠戰略意義。

可以預見，“互聯網+先進制造業+現代服務業”將成為中國經濟發展的新引擎，推動新技術、新產業、新模式、新業態的不斷產生，引發產業、經濟與社會的變革，為中國乃至世界帶來巨大的商機和歷史性的發展機遇。

2　智能制造是新一輪工業革命的核心技術

2.1新一輪科技革命大潮澎湃，新一輪工業革命蓬勃興起

當今世界,新一輪工業革命方興未艾，其根本動力在于新一輪科技革命。信息技術指數級增長、數字化網絡化普及應用和集成式智能化創新是第三次工業革命的三大驅動力。

2.1.1驅動力之一:信息技術指數級增長

50年前，1965年4月19日，摩爾博士在《電子學》雜志中預言，在不變價格條件下，半導體芯片上集成的晶體管和元器件數量將每18～24個月提升一倍，半導體行業的傳奇定律——摩爾定律就此誕生，并在接下來的半個世紀中推動了整個信息行業的飛躍；不僅僅是芯片，還有計算機、網絡、通信等信息技術，都是按照摩爾定律在長期飛速發展。特別是過去10年，移動互聯、云計算、大數據、物聯網等新的信息技術幾乎同時實現了群體性突破，全都呈現出指數級增長的態勢。信息技術指數級的增長使信息設備變得極快速、極廉價、更小、更輕，使得這些設備的性能提升到我們之前根本就無法想象的高度。這些信息技術、裝備和產業的指數級增長是催生第三次工業革命的三大驅動力之一。

2.1.2驅動力之二：數字化網絡化普及應用

數字化和網絡化使得信息的獲取、使用、控制以及共享變得極其快速和廉價，產生出了真正的大數據，創新的速度大大加快，應用的范圍無所不及。因而，數字化網絡化普及應用是第三次工業革命的第二大驅動力。

2008年，IBM的彭明盛對奧巴馬說：“在人類歷史上第一次出現了幾乎任何東西都可實現數字化、互聯化……還有什么信息不能被挖掘、分析、優化、決策到提供一個整體解決方案”。

大數據、云計算、物聯網、移動互聯網……,新一代信息技術極速普及應用，世上任何物體都可互聯起來，可感知，可度量，可通信,可操控，使人和物更聰明，操控更準確。人類社會—信息世界—物理世界三元融合，使信息服務進入了普惠計算和網絡時代，真正引發了一場革命。

例1數碼相機

數碼相機采用光電轉換器取代傳統膠片將光信息轉換成電信息，再進行數字化處理與存儲，是應用數字化技術對傳統產品進行創新的一個典范。數字化時代已經來臨,如果不能緊跟時代步伐，必將付出慘重的代價。曾經居于膠片行業全球壟斷地位的柯達公司，早在1975年就研發出世界上第一臺數碼相機，但由于戰略性決策失誤，沒能將這一技術創新成果市場化。隨著傳統膠片產業被數字化技術所顛覆，柯達公司于2012年最終宣布破產。產品數字化網絡化的潮流勢不可擋，順之者昌，逆之者亡。聯想的楊元慶指出，“誰跟不上時代步伐，誰就是下一個柯達。” 諾基亞和摩托羅拉的隕落就印證了這個進化的規律。

例2中國互聯網產業

海爾的張瑞敏指出,“誰能把用戶帶進網絡時代，誰就能贏。”中國的互聯網技術和應用創新發展，以阿里、騰訊、百度為代表的互聯網企業橫空出世、異軍突起,其理念、模式、技術等各方面都有很大的創新，開始參與引領世界互聯網和“互聯網+”產業的潮流。

例3小米手機的“互聯網開發”模式

小米手機的“互聯網開發”模式引領了“創客”設計模式的新潮流。小米是當代按銷售額計算成長最快的公司之一，2014年的銷售額達800億人民幣。小米采用“互聯網開發”模式，研發人員根據微博、微信、論壇渠道匯集的網友需求對產品進行改進，手機系統的更新有五分之四是根據網友建議而產生的，有三分之一是由用戶直接研發的。

2.1.3驅動力之三：集成式智能化創新

伴隨信息技術指數級增長和數字化網絡化廣泛而深入的應用，特別是數字化網絡化智能化技術作為共性使能技術深刻地與制造技術融合，一種全新的創新方法——集成式智能化創新應運而生。可能使用的技術并不是新的創造，但這些技術的組合就是革命性的創新。

當前，具有潛在價值的數字化智能化“積木”在全世界呈爆發態勢，各種組合都在高速增長，形成了全球性的“積木式”重組創新。系統決定成敗，集成者得天下。這種集成式智能化創新極為重要，是成就第三次工業革命的第三大驅動力。

例4蘋果系列產品、特斯拉電動汽車

蘋果系列產品、特斯拉電動汽車就是集成式智能化創新的成功典范，通過采用各種最新信息技術、管理技術與工具，對各個創新要素和創新內容進行選擇、集成和優化，形成了優勢互補的動態創新過程，引領著制造業“創新驅動，轉型升級”的歷史潮流。

例5Google無人駕駛汽車

Google無人駕駛汽車集成了紅外攝像機、雷達傳感器、激光測距儀、慣性導航系統等設備，配合專用軟件系統，可以同時對包括行人、其他車輛在內的數百個目標保持監測，能更迅速、更有效地作出反應。

科學技術越來越成為推動經濟社會發展的主要力量，創新驅動是大勢所趨。每一次產業革命都同技術革命密不可分。

18世紀，蒸汽機引發了第一次產業革命，導致了從手工勞動向動力機器生產轉變的重大飛躍，使人類進入了機械化時代。

19世紀末至20世紀上半葉，電機引發了第二次產業革命，使人類進入了電氣化時代。

20世紀下半葉，信息技術引發了第三次產業革命，使社會生產和消費從工業化向自動化、智能化轉變，社會生產力再次大提高，勞動生產率再次大飛躍。工程科技的每一次重大突破，都會催發社會生產力的深刻變革，都會推動人類文明邁向新的更高的臺階。

進入21世紀以來，新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起，全球科技創新呈現出新的發展態勢和特征。以智能制造為核心，信息技術、生物技術、新材料技術、新能源技術廣泛滲透，帶動幾乎所有領域發生了以智能化、綠色化、服務化為特征的群體性技術革命，這是新一輪的工業革命。

面對科技創新發展的新趨勢，世界主要國家都在尋找科技創新的突破口，搶占未來經濟科技發展的先機。美國提出了先進制造業國家戰略計劃；德國發布了“工業4.0”戰略，形成整個國家政產學研高度共識的發展藍圖。

2014年，AT&T、思科、通用電氣、IBM和英特爾成立工業互聯網聯盟。通過工業互聯網,可將智能設備、人和數據連接起來，形成一個由機器、設備、集群和網絡組成的龐大物理世界，并以智能的方式利用這些交換的數據，能夠在更深的層面與連接能力、大數據、數字分析相結合。這就是美國的工業互聯網革命。

德國的“工業4.0”戰略，是基于工業互聯網的智能制造戰略，將徹底改變制造業的產業鏈、價值鏈和產業模式，在德國乃至于全世界都引起了強烈的反響和深遠的影響。

2.2智能制造的內涵和發展愿景

“中國制造2025”要以創新驅動發展為主題，以信息化與工業化深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向。制造業數字化網絡化智能化是新一輪工業革命的核心技術，應該作為“中國制造2025”的制高點、突破口和主攻方向。

智能制造是一個大系統工程，要從產品、生產、模式、基礎四個維度系統推進(圖4),其中,智能產品是主體，智能生產是主線,以用戶為中心的產業模式變革是主題，以信息-物理系統(cyber-physical system,CPS)和工業互聯網為基礎,如圖5所示。

圖4　智能制造推進的四個維度

圖5　智能制造微笑曲線

2.3智能產品是主體

制造業數字化網絡化智能化是實現機械產品創新的共性使能技術，使機械產品向“數控一代”乃至“智能一代”發展,可從根本上提高產品功能、性能和市場競爭力。

傳統機械產品的構成包括：動力裝置—傳動裝置—工作裝置。機械產品創新的主要途徑有二:一是創新工作原理或者說工作裝置;二是創新運動的驅動和控制系統。

第一種創新:工作原理的創新。這種創新是根本性的，極為重要。千百年來，人們一直在不斷創造各種新的機械，形成了適用于完成各種不同任務的成千上萬的機械產品。

例63D(三維)打印機或稱為快速成形機

3D打印采用分層打印、疊加成形的方式逐層增加材料來生成三維實體。相對于傳統的材料切削成形(cutting),3D打印的材料添加成形(adding)是一種重大創新。

例7頁巖氣革命

水平鉆井設備和測井儀器及壓裂設備的技術突破，催生了美國頁巖氣革命，頁巖氣產量占天然氣總產量的比重從2007年的12%上升到2012年的37%，成功改變了美國能源結構，使得美國能夠以廉價的能源優勢參與國際競爭，引起世界政治經濟格局的重大變化。

第二種創新：應用數控化和智能化技術進行機械產品創新。其核心技術路線是——一方面，用伺服驅動系統取代傳統機械中的動力裝置與傳動裝置；另一方面，也是更為重要的，采用計算機控制系統對機械運動與工作過程進行控制，即增加一個“大腦”，并在此基礎上進一步應用智能化技術對產品功能與性能進行優化，使產品的智能化程度不斷提高。

例8動力機車的數控化與智能化

我國已成為世界上高速機車技術最發達的國家之一。軌道交通機車歷經蒸汽機車、內燃機車、電力機車到數字化電力機車的進化，目前正向智能化電力機車方向發展。

綜觀機械產品創新升級的歷程(圖6),蒸汽機技術這一共性使能技術所帶來的動力革命曾催生出了“蒸汽一代”機械產品；電機技術這一共性使能技術所帶來的另一場動力革命則曾導致了“電氣一代”機械產品的產生；當今，數控化和智能化這一共性使能技術不僅使機械產品從“電氣一代”躍升為“數控一代”,并正在逐步向“智能一代”機械產品進化。

圖6　機械產品創新升級歷程

一說起數控，人們就想起了數控機床，這是對的，但很不全面。

一方面，數控機床是應用數控技術創新機械產品的最初的推動力和最成功的典范。美國帕森斯公司與麻省理工學院合作，于1952年研制成功世界上第一臺三坐標立式數控銑床，標志著機械產品數控化時代的開始；而且，經過隨后幾十年的發展，各種數控機床得到了非常廣泛而高水平的應用。

例9X52K普通立式銑床→XHK714/3-5五坐標加工中心

為實現不同的刀具切削速度，X52K普通立式銑床設計了復雜的主傳動和進給傳動變速系統。XK714數控立式銑床是X52K產品的升級。其創新點是：①進給運動、主軸運動均采用交流伺服電機驅動，機械傳動系統大大簡化，而且可實現精確的無級變速；②計算機數控系統對機床運動與工作過程進行控制，可三軸聯動加工復雜形狀零件；③加工精度高、質量穩定；④生產效率與自動化程度高；⑤柔性好、操作方便；⑥有利于實行現代化生產管理。XHK714/3-5五坐標加工中心是XK714產品的升級。其創新點是：①再增加兩轉動坐標;②五坐標聯動可使刀具相對工件呈任意姿態，加工自由度顯著增大,如一次裝夾實現裝夾部分外其余表面的完全加工,五坐標聯動可有效避免三坐標聯動時的刀具干涉，可采用最有效的刀具及姿態進行加工,顯著提高加工效率和質量。

在數控化的基礎上，各種機床向高速高精高性能方向快速發展，形成了嶄新一代數控機床。

例10高速高精鉆攻中心

蘋果手機采用創新的制造工藝，以高速銑削金屬殼體框架代替注塑成形的塑料外殼，引領了智能手機外殼金屬化的潮流。自2013年始，三星、HTC、華為、聯想、小米、OPPO、魅族等均推出金屬外殼手機。

制造金屬手機外殼的加工要求非常高，為了批量生產高質量的手機外殼產品，需要穩定性強、加工性能好、效率非常高的高速鉆攻中心,要求：①快移速度60 m/min;②單軸的加速度1g；③主軸從0加速到20 000 r/min的時間不超過1.9 s；④能實現5000 r/min的高速剛性攻絲;⑤能高速通過拐角且不產生振動；⑥能連續運轉，可靠性要求極高；⑦加工表面粗糙度和精度符合要求。

目前，國產高速高精鉆攻中心及其核心部件數控系統已經取得重大突破，與日本FANUC、三菱、西門子等國際巨頭同臺競技毫不遜色。

在數控化基礎上，通過進一步引入各種智能化技術，可使機床性能和智能化程度不斷提高；如實現智能編程、自適應控制、機械幾何誤差補償、熱變形誤差補償、三維刀具補償、運動參數動態補償、故障監控與診斷等。

數控化智能化使機械產品裝備了“大腦”，開辟了高端機械產品創新的廣闊空間，光刻機精密工作臺的研制即為一典型案例。

例11光刻機精密工作臺

光刻機是IC制造中最關鍵、最復雜和最昂貴的設備。 精密工作臺是光刻機核心關鍵裝置，其精度要求極高： 加速度高至2g、速度1 m/s以上、運動精度為納米級的六自由度運動； 對于100 nm線寬的掃描曝光，要求定位精度<10 nm,硅片臺和掩模臺間的同步平均誤差<5 nm。上述要求幾乎接近物理極限，常規機械制造工藝無法實現。要實現光刻機的高速、大行程、六自由度納米級精度運動，除合理的運動結構與精密檢測技術外，其關鍵在于數字化智能化控制，其核心在于對引起誤差的各種因素的補償修正。通過補償控制，我國研制的100 nm光刻機工作臺實現了高速高精的技術要求。

另一方面，人們應用數控技術和智能技術來改變原有的機械驅動方式，催生了一系列新的數字化智能化裝備，形成數字化智能化革命。電動汽車使用車載電源為動力，通過電機驅動車輪行駛，其實質就是電驅動、電控制的數字化裝備。此外，近年來美國軍方不斷加強研制的“全電坦克”、“全電飛機”、“全電艦船”等先進武器，以及我國的“海洋石油981”平臺、大疆無人機等也都是典型的全電數字化裝備。

例12全電艦船

全電艦船利用原動機(如內燃機)集中發電，同時采用新型儲能技術，通過電力網絡實現艦船的電力推進，并為高能武器、探測、通信與導航等系統進行供電，實現了全艦能源的綜合利用，進而大大加快了艦船裝備的智能化進程，被譽為艦船發展的第三次革命。其突出優勢體現在：①是高能武器上艦的唯一途徑；②可有效提高艦船聲隱身性能；③可有效提高艦船戰技性能；④節能降耗；⑤可有效降低艦船全壽命周期費用。

例13“海洋石油981”平臺

“海洋石油981”平臺利用柴油機集中發電，然后對整個平臺進行電力驅動和數字化控制。這么一個龐然大物,在3000 m深海鉆井，能在大風大浪中巍然不動,靠的是平臺底部的8個電推進器。在計算機系統的優化調度控制下，這8個推進器可以在各個方向上進行角度和推力調整，從而保證平臺的穩定和順利作業。

綜上所述，作為一種共性使能技術，數字化網絡化智能化技術可以廣泛應用于國民經濟各行業和國防軍工中各種重要裝備的升級換代，極大提升各種產品性能與市場競爭力，提高整個制造業的生產效率和質量水平。其應用對象包括：①各種金屬加工設備特別是金屬切削機床；②各種非金屬加工專用設備；③食品、飲料、農副產品、日用化工、制藥等專用設備；④汽車、火車、飛機、輪船等交通運輸設備；⑤火炮、雷達、坦克等武器裝備；⑥工程、農業、建筑、港口、印刷、醫療機械等。

必須強調，中國裝備走向高端的主要技術路線就是數字化網絡化智能化。特別是“中國制造2025”的重中之重——高端裝備工程，一定要把裝備的數字化網絡化智能化作為主攻方向，創新驅動，跨越發展。

2.4智能生產是主線

制造業數字化網絡化智能化也是生產技術創新的共性使能技術，使制造業向智能化集成制造系統發展，構建智能企業，全面提升產品設計、制造和管理水平。

2.4.1設計技術創新——設計的數字化網絡化智能化

采用面向產品全生命周期、具有豐富設計知識庫和模擬仿真技術支持的數字化智能化設計系統，在虛擬現實、計算機網絡、數據庫等技術支持下，可在虛擬的數字環境里并行、協同地實現產品的全數字化設計，結構、性能、功能的模擬與仿真優化，極大提高產品設計質量和一次研發成功率。

例14飛機的全數字化設計

波音777、787飛機采用了全數字化設計、測試和裝配；并行工程方法協同工作；虛擬現實技術進行模擬試飛。實現了機身和機翼一次對接成功和飛機上天一次成功，縮短研發周期40%、減少返工量50%。我國的ARJ21飛機研制也同樣全面采用了三維數字化設計技術和并行工程方法，最終實現了大部段對接一次成功,飛機上天一次成功。

2.4.2生產技術創新——生產的數字化網絡化智能化

制造裝備的數字化網絡化智能化、生產過程的計算機輔助規劃與優化，可大幅度提升生產系統的功能、性能與自動化程度，使制造系統向柔性制造系統、數字化智能化車間、數字化智能化工廠、以至智能制造系統方向發展。

我國制造業目前正在普遍推進“機器換人”，“機器換人”的根本目的在于提高產品質量和企業生產效率，大大節省勞動力。“機器換人”有兩種途徑：①通過對原有生產設備進行數字化、網絡化、智能化改造，大幅提高生產效率；②廣泛采用工業機器人，實現“減員、增效、提質、保安全”的目標。

工業4.0的核心是單機智能設備的互聯，不同類型和功能的智能單機設備的互聯組成智能生產線，不同的智能生產線間的互聯組成智能車間，智能車間的互聯組成智能工廠，不同地域、行業、企業的智能工廠的互聯組成一個制造能力無所不在的智能制造系統，這些單機智能設備、智能生產線、智能車間及智能工廠可以自由動態地組合，以滿足不斷變化的制造需求，這是工業4.0區別于工業3.0的重要特征。

2.4.3管理技術創新——管理的數字化網絡化智能化

數字化網絡化智能化技術的應用將使制造企業向數字化網絡化智能化企業管控模式發展，可實現產品全生命周期各環節各業務各要素的協同規劃與決策優化管理，不僅可有效提高企業的市場反應速度，同時可大幅度提高制造效益、降低產品成本和資源消耗，有效提高企業競爭力。

例15波音公司：全方位、全周期生產管控

通過采用數字化工廠，波音公司在制造環節取得了顯著的效益:①顯著提高了生產效率;②減少了質量缺陷率;③減少了因供應商原因導致的生產延期;④波音787飛機研制周期縮短至原來的1/3,研制成本降低50%;⑤新一代戰神航天運載工具的研制和C130的航空電子升級中,縮短裝配工期57%。

2.4.4智能化集成制造系統(IIMS)

智能生產是智能制造工程的主線?！爸悄苌a”實質上就是智能化集成制造系統。CPS系統和工業互聯網將企業的產品設計、制造過程和優化管理集成起來，實現技術流程和業務流程的融合，具有靈活性、自適應和學習功能、容錯和風險管理等特點，提供了產品制造質量、時間、成本等方面巨大的競爭優勢。智能化集成制造系統(IIMS)功能組成見圖8。

圖8　智能化集成制造系統(IIMS)功能組成

2.5產業模式轉變是主題

制造業數字化網絡化智能化還是產業模式創新的共性使能技術,將大大促進規模定制生產方式的發展,延伸發展生產性服務業，深刻地改革制造業的生產模式和產業形態。

縱觀歷史，不同領域的學者們對于三次工業革命有不同角度的看法，具體如表2所示。

表2　不同領域的學者對三次工業革命的看法

數字化、網絡化、智能化技術的應用，催生了產業模式轉變或創新;一是從大規模流水線生產轉向定制化規模生產;二是產業形態從生產型制造向服務型制造的轉變。

2.5.1大規模流水線生產轉向定制化規模生產

以前，經濟學家一直認為規模制造與柔性制造是相斥的，規模制造的成本優勢無法在柔性制造中實現。但是制造業數字化網絡化智能化技術正在使產業模式從大規模標準化生產向個性化定制化柔性化規模生產轉變。

例16慕尼黑寶馬定制總部

在寶馬定制總部，客戶可以看到不同車型的個性選裝配置菜單，并可根據自己的個人需求從外觀到內飾，從駕駛動態到舒適功能，定制自己的愛車。寶馬工廠根據客戶的個人訂單進行生產，客戶即可以擁有一款純正的、體現個人風格的專屬BMW座駕。寶馬慕尼黑總部周邊，已形成了完善的服務鏈。除了汽車外，不但為喜愛寶馬的車迷們準備了紀念品，還配備了住宿、購物等服務，極大地帶動了服務業消費。

例17毛衣的定制生產

定制生產模式在國內也已經有成功的應用。東莞大朗鎮的毛衣數控編織機，在與毛衣設計CAD/CAM系統集成之后，可通過電子商務平臺直接承接訂單，按照來自客戶的定制要求進行生產。這樣的生產模式一方面因為可實現零庫存而大大降低了運營成本，同時因為能夠快速適應市場需求變化而提高了競爭力。

例18西服的定制生產

紅領集團建立的個性化服裝數據系統能滿足超過百萬萬億種設計組合，個性化設計需求覆蓋率達到了99.9%。顧客只需按紅領量體法采集身體18個部位的22個數據，形成專屬于該顧客的版型，客戶自主決定工藝、價格、服務方式。成衣數據自動分解到各工序，跟隨電子標簽流 轉到車間每個工位?？稍谄邆€工作日交付成品。用工業化的流程生產個性化產品，成本只比批量制造高10%，但回報至少是兩倍以上。年均銷售收入、利潤增長均超150%。目前平均一分鐘已達到定制服裝幾十單，僅紐約市場每天定制產品已達400套件。

2.5.2產業形態從生產型制造向服務型制造的轉變

由硬件制造商向服務型制造商轉變的最典型的例子莫過于IBM。2005年筆者參觀IBM時獲悉:IBM公司服務收入所占比例已超過50%，利潤連年增長率高達10%以上。

例19通用電氣(GE)的生產服務模式

GE通過產品服務化實現向生產服務型制造的轉型。其具體做法是：將傳感器安裝在飛機發動機葉片上，實時將發動機運行參數發回監測中心，通過對發動機狀態的實時監控，提供及時的檢查、維護和維修服務。以此為基礎，發展了“健康保障系統”。同時，大數據的獲取，將極大改進設計、仿真、控制等過程。從1991年到2009年，GE開展“按小時支付”等商業服務模式,飛機發動機業務從年收入69億美元增長到 187 億美元，服務業的收入占比則從1994年的不足40%到2000年的60%以上。

GE的例子告訴我們，在工業互聯網、云計算、大數據技術迅猛發展的大態勢下，工業互聯網將包括機器、設備和設施群在內的工業網絡與先進的傳感器、控制裝置和應用軟件相連，將服務整合在內延展到了產品的全生命周期，延展產業鏈的同時，服務帶來了新的產業價值，智能制造時代的產品其核心價值已不是產品本身，而是服務用戶。

例20陜鼓動力的服務模式

陜鼓動力創新管理模式和商務模式，2005年就提出了從出售單一產品向出售解決方案和系統服務轉變、從產品經營向品牌經營轉變。2013年陜鼓動力服務和運營業務訂貨占總量的49.28%；人均運營利潤達到28.8萬元，分別是MAN透平集團和西門子油氣集團的1.41倍和1.23倍。

綜上所述，制造業將實現從以產品為中心向以用戶為中心的根本性轉變，這種產業模式和企業形態的根本性變革是智能制造工程的主題。

2.6智能制造的基礎建設

智能制造的基礎建設工作主要包括：

(1)構建CPS。CPS是一個綜合計算、通信、網絡、控制和物理環境的多維復雜系統，可以將信息世界和現實世界聯系在一起，創建一個真正的CPS世界，這個CPS世界中，智能目標之間可以互動和互相交流。信息物理系統代表現有嵌入式系統的下一種演進形態。將互聯網、網上可利用的數據和服務、嵌入式系統結合在一起，就形成了信息物理系統。信息物理系統為構建物聯網提供了基礎，將其和務(服務)聯網結合一起，產生多個創新應用，以處理實際問題。它們將徹底改變物理世界的交互方式，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。

(2)積極推進工業互聯網基礎設施建設。工業互聯網是智能制造的基礎設施，“云計算、大數據、物聯網、務聯網”通過嵌入式系統連接裝備以實現工業互聯網。制訂工業互聯網整體網絡架構建設規劃與布局，建設低時延、高可靠、廣覆蓋的工業互聯網。

(3)強化智能制造網絡信息平臺、標準體系和信息安全保障系統的建設。①建設智能制造網絡信息平臺，推動軟件與服務、設計與制造資源、關鍵技術標準的開放與共享；②建立智能制造標準體系，加快制定以智能化為特征的重大成套裝備、自動化生產線系統級標準；③建立信息安全保障系統，全面提高信息安全保障能力。

3　智能制造是“中國制造2025”的主攻方向

3.1中國特色智能制造發展路徑

習近平總書記指出,新一輪科技革命和產業變革與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，為我們實施創新驅動發展戰略提供了難得的重大機遇。這是一個極為深刻的論斷，也指出了中國制造業創新驅動、轉型升級的發展方向。新一輪工業革命對中國是極大的挑戰，同時也是極大的機遇。

一方面，中國面臨著極大的挑戰。當前，世界主要國家都在尋找科技創新的突破口，搶占未來經濟科技發展的先機。新科技革命和產業變革將重塑全球經濟結構，就像體育比賽換到了一個新場地，如果我們還留在原來的場地，那就跟不上趟了。

歷史上，我國曾長期位居世界經濟大國之列，經濟總量一度占到世界的三分之一左右，但由于技術落后和工業化水平低，近代以來屢屢被經濟總量遠不如我們的國家打敗。為什么會這樣？我們不是輸在經濟規模上，而是輸在科技落后上。由于技術創新和工業制造落后于人，西方列強才得以用堅船利炮轟開我們的國門。中國近代史上落后挨打的根子就是技術落后。

在200余年的全球工業化進程中，中國與前兩次工業革命失之交臂。在“康乾盛世”，1800年中國GDP約占世界GDP的40%。也正是在這一時期，西方發生了工業革命，科學技術和生產力快速發展。但是，“康乾盛世”只是落日的輝煌，由于當時的清朝政治制度落后，統治者閉關自守，錯失工業革命的機遇。在短短一百多年的時間里，中國急劇地墜入落后挨打的境地，1900年GDP下降到世界GDP的4%。這個歷史的教訓刻骨銘心！

中國的現代化同西方發達國家有很大不同。西方發達國家是一個“串聯式”的發展過程，工業化、城鎮化、農業現代化、信息化順序發展。德國已經實現了工業1.0、2.0、3.0，正在向工業4.0邁進。

作為新興工業國家的中國，如果我們抓不住這次機會，在別人進行工業4.0的時候，我們還在進行工業2.0,那就要在科技創新的大賽場上落伍，就算實現了工業化，還是有可能進一步拉大與發達國家的差距，被遠遠甩在后頭。

另一方面，中國面臨著極大的機遇。我們要后來居上，這就決定了我國發展必然是一個“并聯式”的發展過程，工業化、信息化、城鎮化、農業現代化是疊加發展的，也就是要工業2.0、3.0、4.0同步發展。更為寬廣的技術選擇，日新月異的科學技術，特別是信息技術的廣泛應用，將使得我國工業化進程在時間上被大大壓縮。

當前，中國和發達國家掌握新一輪工業革命的核心技術的機會是均等的，這為我國發揮后發優勢、實現跨越發展提供了可能?！白儭?，就是機遇，我們可以通過掌握新工業革命的核心技術，成為新的競賽規則的重要制定者、新的競賽場地的重要主導者，可以不再跟在西方發達國家后面一步一步地順序發展，而是依靠工程科技創新和“并聯式”發展，在比較短的時間內追趕發達國家的先進水平，這將大大加快中國工業現代化的進程。

例21中國家電產業的發展

改革開放以來，我國家電產業適應市場需求，依靠技術進步，不斷調整產品和產業結構，家電產業整體實力不斷增強壯大：20世紀80年代全面引進；20世紀90年代跟蹤模仿；21世紀前十年并駕齊驅；近年來，互聯網技術更是迅速嫁接傳統家電企業,并誕生出了“智能家電”，引領了世界家電產業“互聯網+制造+服務”的浪潮。 我們深切地認識到：與美國相比，我們在創新和人才方面差距極大，與蘋果、谷歌、微軟、英特爾這樣的公司相比,我們在信息技術原始性創新方面差得很遠。然而，今后30年，在“制造業數字化網絡化智能化”——“互聯網+制造”這樣一個核心技術方面，中國制造業有自己的特色和優勢，完全可以實現戰略性的重點突破、重點跨越，實現與西方最發達國家并行甚至超越。我們應該有這樣的道路自信，應該集中全國優勢兵力打一場戰略決戰，實現中國制造業的彎道超車、跨越發展。這是一個重大的戰略抉擇，必將取得偉大的勝利。

3.210年規劃，兩個階段

我們既要解放思想，更要實事求是。要保持清醒頭腦，尊重客觀實際，遵循發展規律。

“中國制造2025”和“德國工業4.0”盡管都是為應對新一輪全球競爭而采取的國家戰略，都把推進信息技術與制造技術的深度融合放在第一位，但二者在發展基礎、戰略任務、產業階段上有很大的不同。

在發展基礎方面，德國是世界制造強國，中國是制造大國但還不是制造強國。與德國相比，無論是研發投入還是技術水平，無論是產品質量還是品牌形象，無論是效率效益還是產業競爭力，我們都還存在很大差距。

在戰略任務方面，德國工業4.0是瞄準新一輪科技革命制定的措施，主要聚焦制造業的高端產業和高端環節。中國制造2025則是對制造業轉型升級的整體謀劃，不僅要提出培育發展新興產業的路徑和措施，還要加大對量大面廣的傳統產業的改造升級力度，同時還要解決制造業創新能力、產品質量、工業基礎等一系列階段性的突出矛盾和問題。

在產業發展所處階段方面，德國工業4.0是在成功完成“工業1.0”、“工業2.0”，基本完成“工業3.0”之后，提出的發展戰略，是自然的“串聯式”發展。中國制造業尚處于“工業2.0”后期的發展階段。

在“十三五”時期，中國制造業必須走“工業2.0”補課、“工業3.0”普及、“工業4.0”示范的“并聯式”發展道路，所以我們的任務就比德國實現工業4.0更加復雜、更加艱巨。

“中國制造2025”采取“總體規劃、分步實施、重點突破、全面推進”的發展策略。

第一階段(2015-2020年)，全面推廣數字化網絡化技術的應用，部分行業和企業開展智能化技術應用的試點和示范。如，大力推進“數控一代”機械產品創新工程。

第二階段(2020-2025年)，大力推進網絡化智能化技術的應用。如，著力推動“智能一代”機械產品創新工程。

3.3萬眾創新、開放創新與有組織創新

3.3.1萬眾創新

“中國制造2025”是中央向全社會發出的建設制造強國的動員令，凝聚著中國制造業界全體同志的決心和意志，全行業動員起來、全社會動員起來，打一場“創新驅動、轉型升級”的“人民戰爭”。

“轉型升級”是廣大企業發展的內在需求，“互聯網+”為創新驅動發展開辟了無限廣闊的空間，人民群眾中蘊含著巨大的“創新驅動”的積極性和發展潛力，天時、地利、人和。必須充分發揮市場在資源配置中的決定性作用并發揮政府的重要作用，統籌利用好各方面優勢資源，形成全民創業、萬眾創新的生動局面，共同推動“中國制造2025”勝利前進。3.3.2開放創新

一是推進協同創新，形成以市場為導向、企業為主體、用產學研金政密切合作的創新體系，形成聯盟型開放創新；二是堅持對外開放，推進國際合作；三是構建有利于萬眾創新的“眾創”平臺——智能制造創新平臺，推行更加積極的平臺型開放創新。3.3.3有組織的創新

充分發揮我國制度優越性，實行有組織的創新：一是總體規劃、頂層設計；二是重點突破、典型示范；三是技術攻關、推廣應用；四是企業培育；五是人才培養。

4　結語

中國制造業界的同志們有一個共同的奮斗目標：實施“中國制造2025”，到2025年，我們國家進入制造強國行列；再經過20年的努力，到2045年，中國成為全球領先的制造強國，以制造業的繁榮和強大，支撐國家的繁榮和強大，托起中華民族偉大復興的中國夢。

(編輯盧湘帆)

Intelligent Manufacturing——Main Direction of “Made in China 2025”

Zhou Ji

Chinese Academy Engineering,Beijing,100088

How to transform from a big nation in manufacturing to a powerful one is a great subject of China’s economic development in the new era.This paper discussed the guiding ideology,strategic deployment,basic policy and strategic measure of “made in China 2025” based on detailed analyses of current manufacturing situations of China,and indicated that “Internet+advanced manufacturing+modern service industry” will become a new engine of China’s economic development.It is pointed out that digitization,networking and intellectualization of manufacturing industries are the core technologies of a new round industrial revolution, and should be used as commanding point,breakthrough and main direction of “made in China 2025”.An overall thorough interpretation of above points was put forward.

manufacturing industry;made in China 2025;intelligent manufacturing;main direction

2015-07-14

TG659;TP27DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.17.001

周濟，男，19h16年生。中國工程院院長、院士。主要研究方向為機械設計與數控技術。