“任何時候中國都不能缺少制造業(yè)。”近日,習近平總書記參加江蘇代表團審議時的這番話,言簡意賅、發(fā)人深省。制造業(yè)是實體經(jīng)濟的基礎,是國家經(jīng)濟命脈所系。可以說,沒有強大的制造業(yè),就沒有強盛的國家和民族。

制造業(yè)為什么如此重要?中國的制造業(yè)在當今世界處于什么水平?又面臨哪些挑戰(zhàn)?山東大學對中國的制造業(yè)有哪些貢獻?今天,讓我們品讀機械工程學院院長萬熠教授為大家?guī)淼摹洞髧沽?制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢》,一同感受國之重器的力量。

管道工程師

一、制造業(yè)簡介及發(fā)展歷史

 什么是制造業(yè)?從寬泛的概念講,一般指實物的制造,并實現(xiàn)規(guī)模化的生產(chǎn)。先進制造業(yè)是指制造業(yè)不斷吸收電子信息、計算機、機械、材料以及現(xiàn)代管理技術等方面的高新技術成果,并將這些先進制造技術綜合應用于制造業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、在線檢測、營銷服務和管理的全過程,實現(xiàn)低耗、清潔、靈活生產(chǎn)。

 制造業(yè)的發(fā)展水平,反映了人類改造自然界的水平。人類的制造活動可以追溯到遠古時期,200萬年前,人類就會制造和使用工具;中國在商周時期,包括冶鑄在內(nèi)的手工業(yè),就已經(jīng)步入了世界前列。與世界其他國家相比,中國古代青銅器制造工藝復雜、制造水平高超、制品精美豐富。在十五世紀以前,中國的制造業(yè)一直執(zhí)世界牛耳,冶鑄、紡織、制瓷等產(chǎn)業(yè)先于世界。歷時千年的絲綢之路和海上絲綢之路,見證了中國制造業(yè)的崛起、繁榮和衰落。

 到了18世紀至20世紀中期,中國制造處于了落后地位。清政府閉關鎖國,未能吸收西方制造業(yè)先進技術。鴉片戰(zhàn)爭以后,中國被迫開放門戶,以手工作坊為主體的制造業(yè)不斷遭受致命的打擊。歐洲工業(yè)革命后的軍事、公共、民用產(chǎn)品紛紛搶占中國市場,中國的經(jīng)濟狀況日趨惡化。

 中華人民共和國成立后,國家集中力量進行重工業(yè)和人防工業(yè)建設,特別是重點發(fā)展電子與核工業(yè)。“一五計劃”時期(1953—1957年)制造業(yè)取得了諸多的成就。1960—1970年間“兩彈一星”的成功,打破了超級大國的核壟斷,使中國成為世界上少數(shù)幾個擁有核武器與衛(wèi)星的國家,不但提高了國際地位,為我國后續(xù)發(fā)展迎來了穩(wěn)定的國際環(huán)境,也為中國制造業(yè)的發(fā)展奠定了物質(zhì)與人才基礎。

 改革開放以來,我國現(xiàn)代工業(yè)體系的建立,并逐步發(fā)展成為制造大國。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,中國是目前全世界擁有聯(lián)合國產(chǎn)業(yè)分類當中全部工業(yè)門類的國家,形成了獨立完整的現(xiàn)代工業(yè)體系。中國制造業(yè)在許多高科技領域也實現(xiàn)了重大突破。

 制造業(yè)發(fā)展歷史啟示我們:制造業(yè)是大國脊梁,它的規(guī)模和水平是衡量一個國家綜合國力重要的標志之一;制造業(yè)是人防安全和人民生命安全的重要保障;制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要支柱,也是我國經(jīng)濟增長的主導;制造業(yè)是解決就業(yè)問題的重要領域;制造業(yè)是知識經(jīng)濟的載體,高技術產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)不可分割。

二、制造業(yè)現(xiàn)狀分析

 中國已經(jīng)連續(xù)13年保持制造業(yè)大國地位,且優(yōu)勢不斷擴大。2020年制造業(yè)增加值占全球近30%,相當于世界第二至第四位的美日德之和。

 中國的優(yōu)勢在哪兒呢?中國制造業(yè)細分產(chǎn)業(yè)的技術效率占有一定優(yōu)勢。例如,16個細分產(chǎn)業(yè)中有9個產(chǎn)業(yè)(紡織服裝業(yè)、木制品業(yè)等)的技術效率在四個經(jīng)濟體中位居第1位。然而,中國制造細分產(chǎn)業(yè)的全要素生產(chǎn)率處于劣勢地位。

 另外,“制造強國發(fā)展指數(shù)”分析結(jié)果表明:美國制造強國發(fā)展指數(shù)依然持續(xù)高于各國,綜合優(yōu)勢突出。德國、日本穩(wěn)居第二陣列,相對優(yōu)勢明顯。中國、韓國、法國、英國處于第三陣列,中國居前。從2012—2019年各國“制造強國發(fā)展指數(shù)”變化情況來看,各國對美國的追趕雖從未停止,但美國制造業(yè)霸主地位持續(xù)穩(wěn)固,中國成為整體提升較快的國家。  

 從我國各分項指數(shù)來看,“規(guī)模發(fā)展”仍是制造強國進程中的主要支撐力,制造業(yè)總體上仍未擺脫規(guī)模拉動的發(fā)展路徑。從制造業(yè)核心競爭力來看,我國仍未邁入“制造強國第二陣列”,高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展之路任重道遠。“十四五”時期要堅定不移建設制造強國,持續(xù)推動實現(xiàn)由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。

 我國制造業(yè)面臨的外部挑戰(zhàn)主要來自后疫情時期進一步強化的逆全球化趨勢,以美國為代表的發(fā)達國家遏制中國發(fā)展,試圖維持其對高新技術的壟斷及其在全球價值鏈中技術主導地位的分工格局等。內(nèi)部挑戰(zhàn)主要包括人口紅利的逐步消失、供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、高質(zhì)量發(fā)展推動的環(huán)境規(guī)制強化,以及新冠肺炎疫情后的經(jīng)濟復蘇等。綜合起來,我國制造業(yè)處在質(zhì)的戰(zhàn)略提升和外部戰(zhàn)略打壓相重疊的歷史時期。在這個時期實現(xiàn)創(chuàng)新、提升和突圍,是我國發(fā)展制造業(yè)的戰(zhàn)略任務。

 先進的設計與制造技術層出不窮、不斷更新。比如說,在設計制造領域,產(chǎn)品的設計通過計算機大大提升了效率和水平。大家知道,我們國家的產(chǎn)品給一些人的印象就是“粗老笨重”,這說明我們在工業(yè)設計方面做得不夠好。除此之外,還有設計自動化技術、精密成形技術、現(xiàn)代特種加工工藝、高精密加工工藝、加工自動化技術、現(xiàn)代生產(chǎn)管理技術和先進制造生產(chǎn)模式等等。

 隨著新一輪產(chǎn)業(yè)變革的出現(xiàn),德國提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略,美國提出“先進制造伙伴計劃”,中國也在2015年提出了“中國制造2025”計劃。我國制造業(yè)現(xiàn)狀的優(yōu)點是制造業(yè)規(guī)模大,種類全,擁有完整的供應鏈條。但也存在問題,比如自主創(chuàng)新能力差、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)品質(zhì)量低等等。在這種現(xiàn)狀下,“中國制造2025”計劃提出了“一個”目標:從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變;“兩化”融合:通過信息化和工業(yè)化兩化深度融合來帶動整個制造業(yè)的發(fā)展。我們還提出了“三步走”戰(zhàn)略、四項基本原則、五大指導方針,要重點建設五大工程和十大領域。

 從“中國制造2025”的內(nèi)容可以看出,我國現(xiàn)階段要做到的事情就是工業(yè)“2.0補課”“3.0普及”“4.0示范”,著力進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級、解決創(chuàng)新能力和產(chǎn)品質(zhì)量等問題,也要緊跟工業(yè)4.0智能化和網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢。我們制造業(yè)還面臨著一系列“卡脖子”問題。比如說目前國內(nèi)先進數(shù)控機床自給率不足10%,國產(chǎn)機床精度和使用壽命遠遠達不到世界同類水平。還有芯片,中國企業(yè)在全球芯片產(chǎn)業(yè)格局中仍處于中低端領域,能自主制造低端芯片,但芯片目前都無法自給。除此之外,在光刻機、操作系統(tǒng)、醫(yī)療器械、航空發(fā)動機等領域都存在著一系列不足。

三、制造業(yè)發(fā)展趨勢

 制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢是什么呢?周濟院士提出,“要堅定不移發(fā)展實體經(jīng)濟,堅定不移堅持制造強國,堅定不移以智能制造作為推進制造強國戰(zhàn)略的主攻方向!”在“十四五”期間,基于互聯(lián)網(wǎng)化智能制造是升級的較好方向,融合軟件、電子、控制、機械四個領域,將徹底改變中國制造。

“中國制造2025”要推動的是智能化和信息化升級,在產(chǎn)品開發(fā)和制造、產(chǎn)品設計和制造、產(chǎn)品質(zhì)量和管理體系三方面形成有效閉環(huán)。依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)應用,人、機、料、環(huán)、法五大要素更加透明化和可預測,實現(xiàn)生產(chǎn)效率大幅提升。有三個領域具成長潛力且將相互融合:一是“云”,工業(yè)大數(shù)據(jù)及云計算;二是“網(wǎng)”,工廠內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)及產(chǎn)業(yè)鏈整體互聯(lián)網(wǎng);三是“端”,智能生產(chǎn)終端是核心,包括智能機床、機器人、傳感器、機器視覺、無人機等智能生產(chǎn)設備、AGV、服務機器人等智能物流設備。

 而智能制造系統(tǒng)的定義是把機器智能融入到包括人和資源形成的系統(tǒng)中,使制造活動能動態(tài)地適應需求和制造環(huán)境的變化,從而滿足系統(tǒng)的優(yōu)化目標。智能制造系統(tǒng)并非要求機器智能完全取代人,即使未來高度智能化的制造系統(tǒng)也需要人機共生。其本質(zhì)和真諦是利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術認識制造系統(tǒng)的整體聯(lián)系并控制和駕馭系統(tǒng)中的不確定性、非結(jié)構(gòu)化和非固定模式問題以達到更高的目標。包括以下關鍵技術:數(shù)據(jù)處理、數(shù)字智能、智能控制、智能機器人等等。

 常用的數(shù)據(jù)**技術以傳感器為主,結(jié)合RFID、條碼掃描器、生產(chǎn)和監(jiān)測設備、PDA、人機交互、智能終端等手段實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的信息取得,并通過互聯(lián)網(wǎng)或現(xiàn)場總線等技術實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實時準確傳輸。目前比較熱的就是數(shù)字孿生,它相當于一對雙胞胎,一個是物理的,一個是虛擬的。數(shù)字孿生構(gòu)筑了物理空間和信息空間的數(shù)據(jù)交互閉環(huán)通道,所有數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通,實現(xiàn)CPS的信息物理交互融合。也就是說,這個實體是什么樣的,這個數(shù)字體就是什么樣的。

 而智能機器人至少要具備以下三個要素:一是感知要素,用來認識周圍環(huán)境狀態(tài);二是運動要素,對外界做出反應性動作;三是思考要素,根據(jù)感知要素所得到的信息,然后決定采用什么樣的動作。比如焊接機器人、搬運機器人、智能控制和智能調(diào)度。

 企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級目標包括信息化、網(wǎng)絡化、智能化三方面。企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級三步走包括“數(shù)字化制造”“數(shù)字化網(wǎng)絡化制造”“數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造”,要確保上層管理和下層工藝的緊密聯(lián)系,并且根據(jù)企業(yè)實際業(yè)務需求開展智能轉(zhuǎn)型制造。

四、制造業(yè)中的山大力量

 一是面向航空航天、汽車等領域進行的精密加工技術研究。重點研究航空發(fā)動機關鍵零部件、航空整體結(jié)構(gòu)件(鈦合金、高溫合金、不銹鋼等難加工材料)的高質(zhì)高智能制造技術;研究汽車缸體、缸蓋等關鍵零部件(鑄鐵、鑄鋁、粉末成型材料)的潔凈制造技術。

 二是研究了數(shù)控裝備智能決策與控制。先開發(fā)了基于總線的開放式運動控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)包括工具軟件、運動控制庫、實時操作系統(tǒng)、實時工業(yè)以太網(wǎng)和網(wǎng)絡接口硬件五部分,這個平臺能夠為機械裝備配備聰明的大腦,已經(jīng)在紡織機械、工業(yè)機器人、建材機械、3C制造等行業(yè)得到廣泛應用,出口至巴西、美國、歐盟等國家和地區(qū)。研究了基于數(shù)字孿生的智能運維決策系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)模型-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的故障診斷與預測,以及進行多目標運行決策與優(yōu)化。

 三是微納操控系統(tǒng)。研制出了高性能智能微機電MEMS和NEMS系統(tǒng),研究精密機電設備標定、檢測與特性分析儀器,并且在上海光源、深圳光源等大科學裝置上得到應用。

 四是新型激光加工技術。基于我們自主開發(fā)的運動控制系統(tǒng),可以將激光器振鏡的運動、機器人關節(jié)運動等多個運動聯(lián)合控制起來,實現(xiàn)運動的聯(lián)動控制,以及與激光器功率控制的協(xié)同。能夠智能化進行復雜零件的激光焊接、激光熔覆、激光切割等工藝,已經(jīng)在航空航天和汽車領域得到應用。

 制造業(yè)是一個大國和強國的根本支柱,是國家的脊梁。從世界范圍看,新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命正在由導入期轉(zhuǎn)向拓展期。顛覆性技術不斷涌現(xiàn),催生大量新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式,經(jīng)濟增長的新動能正在逐步孕育發(fā)展。新一輪科技革命以信息化和工業(yè)化融合為基本特征,智能制造產(chǎn)業(yè)作為新產(chǎn)業(yè)革命的先導迅速發(fā)展。制造業(yè)未來的發(fā)展靠創(chuàng)新型、復合型人才支撐,靠科技支撐,所以我們要一起努力,推動中國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國邁進。

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