智能制造白皮书

前言 当前，借助新型科技手段而兴起的产业革命正在全球蓬勃开展，世界工业技术体系、发展模式和竞争格局迎来重大变革。发达国家纷纷出台以先进制造业为核心的国家战略，我国在 2015年推出的《中国制造 2025》战略中也强调了智能制造的重要性。 之一，通过创新的产品设计，企业可以达到提升用户满意度的目的，进而在市场中立于不败之地。中国制造企业又如何利用智能制造实现转型升级？在这一过程中会遇到哪些困难，又该如何解决？同时，借助两化融合、《中国制造 2025》国家战略，中国制造企业又如何利用智能制造实现转型升级？ 2009-2013 年，通过对全国各重点行业和地区近 15000 家企业两化融合发展水平评估发现，我国大多数企业两化融合以局部的单项应用为主，解决了信息技术应用在企业内的普及问题，但真正有效实现综合集成的企业数量和比例偏少。评估还发现，两化融合发展到综合集成阶段以后，企业的竞争力和综合实力呈现跃升的趋势。两化融合推进的关键就是要着力解决和突破“综合集成”这一难题，实现企业能力全面提升，并进一步带动产业链条上中小企业的发展，以此加速实现我国工业企业竞争力和综合实力的跨越式提升和突破，实现转型升级发展。 为此，在中国两化融合服务联盟的指导下，权威市场咨询机构计世资讯发布了《产品创新平台助力中国智能制造发展》白皮书。白皮书从全球的宏观大背景谈起，从产品创新设计这一核心点出发，解析中国制造业现状、挑战和趋势，并结合对两化融合和《中国制造 2025》等国家政策的分析，以及其他新型技术和用户新需求的变化，指明产品创新驱动是实现智能制造的必由之路；同时探讨了国内制造业企业应该如何借助产品创新平台实现向智能制造的转变，指出了转型的原则，路径及意义，为国内广大制造企业和相关政府部门提供参考和借鉴。 这其中，产品设计创新是最关键的核心内容 目录 前言1 第一章面向未来的智能制造3 第二章智能制造——中国制造的必由之路11 第三章中国制造向智能制造转变的实现路径27 结语42 参考书目42 参考网站42 第一章 面向未来的智能制造 产过程带来根本性变革。工业 4.0 时代的智能工厂，就像一个长了人类大脑的工匠，会自动完成接单、生产、送货等一条龙服务，整个产销过程极少有人的参与。 智能制造的定义及内涵 1．智能制造的定义 对 于 人 类 来 说， 以 1/10 秒 为 单 位 即 接 近实时；而对于制造过程来说，要做到高效精准，机器间的沟通就必须做到百万分之一秒，甚至更低。懂得交流的机器会让整个制造过程更加智能：机器能够用自己的语言交换信息；借助海量数据提供的“经验”，对生产中的复杂状况做出精准判断；甚至还逐步发展出“模仿”、“学习”能力，懂得如何自行组织生产，从而不断提升生产效率。 根据《国家智能制造标准体系建设指南》提出的权威定义， 智能制造是指将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节融合，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称，可有效缩短产品研制周期、提高生产效率、提升产品质量、降低资源能源消耗，对推动制造业转型升级具有重要意义。 “机器学习”只是未来“智”造的场景之一。高度逼真的产品软件设计系统，戴上 3D 眼镜就能直接参观的虚拟工厂，虚拟仿真的智能生产线，可以打印出金属零部件的 3D 打印制造。这些都是智能制造为我们描绘的制造业未来。 因此，我们可以预见，未来的制造业将不再是密集工人和庞大生产规模堆积起来的密集劳动型产业，而应是基于大数据、物联网、云计算、移动互联网等各种信息技术的人脑型产业。数字化，自动化的柔性制造不仅要能满足人们日益增长的个性化需求，无疑还将带来生产力的极大提升，开启全新的智能制造时代。 预测家们如此展望，未来工厂里，在规模化流水线上做到个性化定制和全自动化生产不再是问题，机器与机器将实现对话，给整个生 未来的制造业将会向三个集成方向发展：横向集成、端到端集成、纵向集成。这也正是智能制造发展的三大方向。 2．智能制造的内涵 （1）智能制造是创新引领的制造 企业要想推动自身快速发展，创新是关键内容，制造业要转型升级也离不开创新。金融危机后，欧美等发达国家纷纷提出“再工业化”战略，培养发展高端制造业，以抢占新一轮科技制高点。美国为此出台了一系列举措，集合联邦政府、学术界和企业界的资源，构建先进制造业创新网络，以“确保下一轮制造业革命发生在美国”。当前美国正在构建的制造业创新研究所体系，正是这一举措的集中体现。 横向集成——互联网化带来的改变 横向集成是企业之间通过价值链以及信息网络所实现的一种资源整合，是为了实现各企业间的无缝合作，提供实时产品和服务，推动企业间研产供销、经营管理与生产控制、业务与财务全流程的无缝衔接和综合集成，实现产品开发、生产制造、经营管理等在不同的企业间的信息共享和业务协同。 端到端集成——大规模定制生产来临 创新是产业发展的源泉，技术创新是推动制造业发展的主要力量。中国制造业转型升级 ,创新驱动是关键推力。制造业的创新覆盖多个环节，包括产品创新、模式创新、业态创新、组织创新等等，这其中，产品的创新可以说是制造业创新转型的起点，是实现智能制造的核心动力。只有实现了产品设计的创新，才能够保证整个制造业的各个环节顺利实现智能转型。特别是当前我国制造业企业缺乏创新能力的背景下，提升产品设计创新能力就变得愈发重要。把产品创新贯穿制造业发展始终，也就抓住了中国制造发展新引擎。 端到端集成是指贯穿整个价值链的工程化数字集成，是在所有终端数字化的前提下实现的基于价值链与不同公司之间的一种整合，这将最大限度地实现个性化定制。在 C2B 模式下，需要用户参与到产品的设计和生产中来，制造企业需要用户把他们的需求更直接的输入到产品设计的各个阶段，为用户带来更多的最佳体验。在这样的模式下，工厂本身将面对个性化、定制化的订单和新产品的快速导入。这就要求工厂是非常地柔性与灵活的，同时又必须保证运营的高效率。实现柔性、灵活与高效率的统一，实际上最终要去实现的就是大规模定制的模式。 （2）智能制造是高度集成的制造 根据当前业界人士对制造业的普遍看法， 研究表明，工业产品 80% 的资源消耗和环境影响取决于产品设计阶段，这使得生态设计、绿色设计受到了越来越多地青睐。所谓生态设计就是在设计阶段，充分考虑现有技术条件、原材料保障等因素，力求产品在全生命周期中优化解决各个环节产生的资源环境问题。由于打破了传统制造工艺的束缚，产品设计就无需采用原来的设计思路和方法，从而产生了工业品的重新设计和改造，即工业再设计。工业再设计将生态理念深入到工业品研发中，制造过程的早期阶段就对成本、材料和制造技术通过数字化智能化工具手段进行优化，如：轻量化。而不是在后期再进行修改，形成对绿色制造的强有力支持。 垂直集成——打通信息系统 垂直即纵向集成不是一个新话题，企业信息化发展经历了部门需求、单体应用到协同应用的一个历程，伴随着信息技术与工业融合发展的同时也常讲常新，换句话说，企业信息化在各个部门发展阶段的里程碑，就是企业内部信息流、资金流和物流的集成，是在哪一个层次、哪一个环节、哪一个水平上的集成，是生产环节上的集成（如研发设计内部信息集成），还是跨环节的集成（如研发设计与制造环节的集成），还是产品全生命周期的集成（如产品研发、设计、计划、工艺到生产、服务的全生命周期的信息集成）。简单点说，纵向集成就是解决企业内部信息孤岛的集成。在企业内部实现所有环节信息无缝连接，这是所有智能化的基础，更是智能制造的基础和特征。 与传统制造业的去料加工技术相比，以 3D打印为代表的快速成型技术被看作是引发新一轮制造革命的关键要素。工业再设计就是利用工程仿真手段和精密铸造工艺创新对现有传统工业品的设计过程和工艺过程进行优化、完善与升级。从设计源头开始基于先进精密铸造工艺、仿真及优化手段，进行工业品再设计，在提高工业品性能、升级产品品质的同时，使其走向集成化、轻量化、智能化，这会有力地推动和建立我国生态设计和绿色制造的工业模式，更是实现智能制造的必由之路。 （3）智能制造是绿色持续的制造 很多传统工业品给人们留下的印象很多是“粗制滥造”，“低效能”也一直是被诟病的问 题。 在 过 去， 节 能 技 术 是 一 种 可 有 可 无 的“附属品”。但今天，环保的重要性已不可忽视，并且成为工业品性能、品质改善过程中必须关注的重要领域。随着工业企业对《中国制造 2025》 的 深 入 践 行， 生 态 设 计、 绿 色 制 造成为大势所趋。 案例 特斯拉：利用智能产品创新打造制造企业典型 从全球视野来看，很多企业都在积极阐释智能制造的理念，打造智能化的企业。这方面的先进典型诸如特拉斯，一直致力于软件和功能更新，打造更好的智能产品来为用户服务，满足用户需求。 面对消费者对纯电动汽车使用过程中的“里程焦虑”问题，特斯拉首席执行官埃隆·马斯克 2015 年 3 月公布了一个软件更新，主要包含了里程保证和行程规划的新功能，旨在缓解车主的这一忧虑。这个问题是电动汽车车主最担心的问题之一，他们害怕自己的汽车电量无法坚持到达下个充电站。 之前，在前往较远目的地时，车主们需要谨慎检查和重新充电，以确保电动汽车电池达到最佳状态，或者车主会简单地选择燃油汽车代替心爱的特斯拉电动汽车。现在，为了应对里程焦虑问题，特斯拉已经在全美投资建造高速充电站网络，并引入试点计划，对比燃油与电池成本。此外，软件升级可以更好地分配 ModelS 现存的电力，或提供更精准的预警系统平息司机的各种担忧。特斯拉 ModelS 轿车充电一次平均可行驶 480 公里，但根据驾驶方式和电池选择可能有所不同。 据称，该软件将可在地图上标出充电站的位置，可让车主与车载电脑进行实时沟通。新功能可以根据风速、上下坡情况以及其他路面情况精确计算出汽车当前电量还能行驶多远，并且能够在导航仪中及时地看到最近的闲时充电桩位置。新功能将和特斯拉汽车实现完美的结合，“基本不可能”有耗尽电量的现象产生，可以使车主不必事先考虑电量问题或进行任何计算。此外，新版软件还包括制动辅助以及新的盲点预警系统，盲点预警系统会在 30-140km/h 之间起作用。 马斯克还表示，特斯拉计划每 3 到 4 个月就发布一次软件更新，未来的软件更新还将引入自动驾驶等功能。通过对 ModelS 汽车的软件进行持续升级，从而使用户保持新鲜感。而用户无需进行任何操作即可获得一些升级。 特斯拉向 ModelS 自动推送软件来帮助汽车学习驾驶者养成习惯，并做出相应调整。此外，导航系统将提供能避开交通拥堵的行车路线，而驾驶者可以在移动应用中对汽车进行命名；ModelS 在车身中配置了防护装置，以避免任何物体刺穿电池组。此前在美国，ModelS 曾发生两起碰撞事故并引发火灾，而配置电池防护装置是为了解决这一问题；今年晚些时候，特斯拉还将提供升级的驾驶座椅，解决当前驾驶座椅不够舒适的问题；特斯拉还在开发自动驾驶功能，这一功能类似飞机的自动巡航功能。 4.0”战略建议》中提出了实现“工业 4.0”的八个优先行动领域，第一个就是开展标准化工作。2013 年 12 月，德国电气电子和信息技术协会与德国电工委员会联合发布《德国“工业 4.0”标准化路线图》，明确了参考架构模型、用例、基础、非功能属性、技术系统和流程的参考模型、仪器和控制功能的参考模型、技术和组织流程的参考模型、人类在工业 4.0 中的功能和角色的参考模型、开发流程和指标、工程、标准库、技术和解决方案等 12 个重点方向，并提出了具体标准化建议。2015 年 4 月，德国在汉诺威工业博览会上宣布启动升级版的“工业 4.0 平台”，也启动了《德国“工业 4.0”标准化路线图》2.0版的研究。 全球智能制造发展经验分享 当前全球各国都把制造业的发展作为国家发展战略的核心，比如德国提出的“工业 4.0”，美国提出的“工业互联网”，英国提