先進制造與智能制造助力高質量發展

◎中國工程院院士 單忠德

一、先進制造與智能制造發展狀況

從過去的傳統手工制造到后來的大工業、規模化生產，都是為了滿足人們的生活需求。特別是今天，既要滿足人民美好生活向往的需求，又要保證環境是友好的，真正實現“綠水青山就是金山銀山”，這就需要更多的先進制造和智能制造技術與裝備。

中國工程院和機械科學研究總院等單位近年來聯合開展制造強國發展指數相關研究課題，對制造強國的指標體系進行了統計分析，旨在構建一個體系，更好地分析我國制造強國的發展路徑，提出更好的發展措施和發展步驟。結合眾多專家的意見建議，最后構建的制造強國指標體系如表1 所示，共有規模發展、質量效益、結構優化、持續發展4 個一級指標，細分為18 個二級指標。

中國工程院院士單忠德在第二十期錢學森論壇深度會議上作主題報告

通過統計計算分析，得到了2018年9 個國家制造強國發展指數，如表2 所示。可以看出，在這些指標體系里面，我國處于第三陣列的第一名，美國領先處于第一陣列，德國和日本位于第二陣列。從2012 年到2018年，美國排名第一，指標分數達到了166.06，我國是105.94。對2018 指標具體分析來看：規模發展方面，我國是遙遙領先，穩居第一；質量效益方面，美國絕對優勢依舊明顯，中國排序上升一位，需要持續強化高質量發展；結構優化方面，美國排在前面，我國排在第四名；持續發展方面，我國跟美國、日本還有差距，我國需要進一步強化綠色發展，加強研發投入，實現好科技創新驅動發展。總體來看，美國在質量效益、結構優化、持續發展方面具有全面優勢，德國和日本在質量效益、結構優化方面具有相對優勢。我國目標是到2035 年能夠達到世界制造強國的中等水平，在持續鞏固規模優勢的基礎上，更好地推進可持續制造與高質量發展。

表1 制造強國指標體系

表2 2018年9個國家制造強國發展指數

由此看出，我們要實現高質量發展，需要用數字化、智能化制造技術來產生新的動能，來改造提升傳統產業，推進傳統制造業優化升級。數字化、智能化制造不僅為了制造高品質的產品，也希望制造過程是綠色的，手段能夠變成智能的，真正能夠實現高效、優質、低耗、安全地高品質制造。

目前，國外發達國家正在積極發展先進制造技術，如數字化制造、可持續制造等。美國發展的先進制造前沿技術如表3 所示，美國能源部還成立了國家清潔能源智能制造技術與創新中心，目標是希望未來5 年首批驗證項目實現工廠或主要制造工藝能源效率提高15%，現有的工藝中引入智能制造技術，實現成本和時間均減少50%，用數字化、智能化技術進一步優化提升。日本發布的《日本制造業白皮書（2018）》中明確提出，通過制造業自動化與數字化融合提高產品附加值，人工智能、物聯網和互聯工業等是日本制造業未來的發展重點。為推進“互聯工業”，日本經濟產業省確定未來五大產業領域方向，其中智能制造和機器人、智能生活是發展的重中之重。眾所周知，德國發布了工業4.0，通過分析發現德國制造市場競爭力主要來源于三個方面：一是開發和制造過程的高度自動化，確保產品的高質量；二是高新技術含量，尤其是數字化技術應用，賦予產品新功能；三是產品數字化控制、智能化、綠色化制造，發展服務型制造，最終還是通過軟硬件的結合，真正實現互聯互通，實現服務能力提升，提高資源生產效率，減少污染排放，實現柔性個性化生產。近年來，各國陸續發布了制造戰略，德國出臺了“高科技戰略2025”，英國發布了“英國工業2050 戰略”。可以看出，世界各國都在加大科研創新，增強核心競爭力，保證可持續發展，以能夠實現未來制造的個性化生產。著眼未來，世界先進制造技術與裝備的發展趨勢是數字化、精密化、綠色化，然后是成線化，最終向生物制造即生物化的趨勢發展。

表3 美國發展的11項先進制造前沿技術

二、先進制造與智能制造應用案例

傳統產業依然是我國重要的基礎制造產業，中央提出用數字化、智能化提升改造傳統產業，推動傳統產業優化升級，其實就是用數字化制造技術與裝備促進傳統制造業轉型升級，包括用數字化制造技術改造提升傳統產業，以及不斷創新出新的數字化、智能化的制造方法、工藝和裝備。這實際上是兩條路徑：一個是改造提升，一個是創新發展。下面是兩個應用案例。

第一個例子是我們開發的數字化無模鑄造復合成形技術與裝備。鑄造是重要的基礎制造工藝，廣泛應用于航空航天、動力機械等裝備制造業，我國鑄件產量世界排名第一。但是與發達國家相比，我國鑄造精度較低，排放較高，迫切需要綠色高質量發展。針對這些需求，提出了數字化無模鑄造復合成形方法，不用傳統的金屬模、木模去鑄造，直接通過數字化擠壓+切削/打印的方式，實現復雜鑄件的高性能、高精度、高質量制造，用數字化的技術去提升傳統鑄造行業。研制出了系列化數字化無模鑄造技術裝備，如砂型/砂芯數字化柔性擠壓成形機、無模鑄造精密成形機等，變革了傳統的砂型鑄造的制造模式，解決了大型、復雜鑄件的高精度制造問題，使成本降低30% 以上，精度得到提高。例如，利用該技術研制的濰柴動力某直列六缸柴油機缸體，制造周期從原來六個月減少到了25 天，精度達到CT8 級。應用于廣西玉柴大型船用發動機，做出來的鑄件重3.5 噸，采用無模鑄造的方式，精度提高了3 個等級，周期縮短了83%，成本降低了75%，同時零件還減重15.4%，實現了高精度、高效率的制造。為此，機械科學研究總院在濰坊高新區建設了高端裝備復雜零件個性化制造服務平臺，實現了遠程設計和個性化制造，在濰坊坊子區建設了山東省綠色制造技術與裝備創新服務平臺，針對鑄造行業，推動綠色化的改造和新技術的應用，實現鑄造行業的高技術化和綠色發展。

另一個例子是我們與山東康平納集團公司等聯合開發的筒子紗自動染色數字化綠色制造技術與裝備，是針對傳統紡織行業的數字化染色技術。我國是世界上最大的紡織品生產國和出口國，紡織工業是我國重要民生支柱產業。筒子紗染色是生產眾多紡織品的重要工藝，但是筒子紗染色存在三大問題：一是用工密集、生產效率低；二是質量穩定性差；三是印染過程大量的用水，印染行業廢水排放占到了紡織行業70%以上，成為紡織印染綠色發展的瓶頸，制約高質量發展。為此，采用數字化制造技術與裝備推動傳統印染行業轉型升級，研發出筒子紗自動染色數字化柔性制造技術，研制出了紗卷無損自動裝卸、節水染色機等數字化染色成套裝備及控制系統，建成了100 多臺設備全流程實時控制的立式節水自動染色生產線，實現了噸紗生產最大節水70%，平均生產成本降低17.7%，能耗降低40%以上，從而推動紡織印染行業的數字化綠色生產。

三、先進制造與智能制造未來發展

為了更好發展先進制造業，建設世界制造強國，實現中國創造、中國質量和中國品牌，數字技術、信息技術和制造技術融合發展是必然趨勢。未來技術將聚焦人工智能、機器人、先進制造、傳感器、信息存儲與通信、云計算、大數據、物聯網、區塊鏈等，進一步推進能實現萬物互聯的世界，帶來系列技術創新、產業創新和經濟發展。新一代人工智能將提升制造競爭力，根據國家發布的發展規劃：到2030 年，人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創新中心，智能經濟、智能社會取得明顯成效，為躋身創新型國家前列和經濟強國奠定重要基礎。我國正在培育高端、高效的智能經濟，大力發展人工智能新興產業，加快推進產業智能化升級，大力發展智能企業，包括智能設備研發及產業化，起到了很好的作用。綠色智能制造技術能夠引發新的產業變革。材料技術、零部件技術發展趨向于結構功能一體化、設計制造一體化、零部件智能化、制造過程綠色化。人機共融的智能制造模式、智能材料與3D 打印技術，將推動批量生產轉向高靈活、個性化、數字化生產模式。智能機器人、智能制造裝備研發應用成為熱點，基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等引領制造方式的變革。

例如，先進成形制造技術與裝備的未來發展路線如圖所示。以傳統的鑄造、鍛壓、焊接、熱處理等領域為例，著眼未來發展，首先要解決造得出的問題，再一個就是“造得精”的問題，最終要實現“造得好”。面向2035 年，一定是從“造得出”“造得精”，最后到“造得好”，融合綠色制造與智能制造技術，真正能夠實現精準成形制造。

對于濰坊市來說，要建設現代化高品質濰坊，人是創新發展的主體與靈魂，持續致力于培育、引進人才與團隊建設，實現人與企業、人與城市、人與自然的和諧發展。另外，要強化科技創新，引領高質量發展，不斷進行實踐，建設一大批創新型企業，使濰坊成為科技創新的領跑者、重大工程的支撐者、科技產業的主力軍。同時，要營造氛圍，讓創新成為我們的自覺行動，發揮出濰坊市的綜合優勢，充分把創新第一動力的巨大潛能激發出來，建設創新型高品質的濰坊。要籌劃建設山東省智能制造裝備與先進制造濰坊實驗室，以創新機構基地建設為統領，統籌資源，創新產學研合作的體制機制。同時，要建設創新創業的合作共同體，結合新時代的發展需求，以共同愿景、使命與目標，由創新聯合體向創新共同體邁進，協力突破關鍵、短板技術。另外，濰坊市要堅持傳統產業優化升級和培育壯大新興產業并重，建立共性技術平臺，再造產業技術基礎，打造戰略全局性產業鏈。

先進成形制造技術與裝備發展路線圖

現代化城市建設要關注數字化、網絡化、智能化技術的應用。數字化智能化網絡化設計與生產制造一體化發展，不斷優化制造工藝與裝備，可以使其更加人性化和綠色化，包括高端裝備的數字化互聯互通、發展智能制造園區、綠色制造園區，使整個制造更加優化與節能高效。同時，還要關注制造業服務定制化、平臺化的發展，特別催生高端裝備及其零部件個性化定制生產及云制造等新模式、新業態，使整個的制造生產過程和流通環節更加綠色。智能制造是我國制造強國建設的主攻方向，濰坊已經實施了一大批智能制造項目，還要持續發展智能制造產業，實現智能技術、人工智能和制造業的深度融合，要堅持用數字化、智能化技術改造提升傳統產業，促進傳統產業的優化升級，建設更多的數字化車間和智能制造工廠。另外，強化科技創新支撐，大力培育創新優勢企業，塑造更多依靠創新驅動引領發展，推進制造業向智能綠色轉型，真正把人成為決策和優化的執行者，創新發展智能產品和智能裝備，使未來制造更加智能化、綠色化和人性化。

習近平總書記多次強調，要加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，在中高端消費、創新引領、綠色低碳等領域培育新增長點、形成新動能。支持傳統產業優化升級，加快發展現代服務業，瞄準國際標準提高水平。促進我國產業邁向全球價值鏈中高端，培育若干世界級先進制造業集群。按照總書記的要求，我認為濰坊具有很好的先進制造基礎，應加快成為發展先進制造業與高端裝備，打造先進制造業產業集群與創新型企業集群的排頭兵、主力軍，為建設現代化高品質的濰坊，加快建設制造強國，構建人類命運共同體作出更大的貢獻。