“任何時(shí)候中國(guó)都不能缺少制造業(yè)。”近日,習(xí)近平總書(shū)記參加江蘇代表團(tuán)審議時(shí)的這番話(huà),言簡(jiǎn)意賅、發(fā)人深省。制造業(yè)是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),是國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈所系?？梢哉f(shuō),沒(méi)有強(qiáng)大的制造業(yè),就沒(méi)有強(qiáng)盛的國(guó)家和民族。

制造業(yè)為什么如此重要?中國(guó)的制造業(yè)在當(dāng)今世界處于什么水平?又面臨哪些挑戰(zhàn)?山東大學(xué)對(duì)中國(guó)的制造業(yè)有哪些貢獻(xiàn)?今天,讓我們品讀機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)萬(wàn)熠教授為大家?guī)?lái)的《大國(guó)脊梁:制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)》,一同感受?chē)?guó)之重器的力量。

管道工程師

一、制造業(yè)簡(jiǎn)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(shí)物的制造,并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)。先進(jìn)制造業(yè)是指制造業(yè)不斷吸收電子信息、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、材料以及現(xiàn)代管理技術(shù)等方面的高新技術(shù)成果,并將這些先進(jìn)制造技術(shù)綜合應(yīng)用于制造業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、在線(xiàn)檢測(cè)、營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)和管理的全過(guò)程,實(shí)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(lèi)改造自然界的水平。人類(lèi)的制造活動(dòng)可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)期,200萬(wàn)年前,人類(lèi)就會(huì)制造和使用工具;中國(guó)在商周時(shí)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(guó)家相比,中國(guó)古代青銅器制造工藝復(fù)雜、制造水平高超、制品精美豐富。在十五世紀(jì)以前,中國(guó)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(shí)千年的絲綢之路和海上絲綢之路,見(jiàn)證了中國(guó)制造業(yè)的崛起、繁榮和衰落。

 到了18世紀(jì)至20世紀(jì)中期,中國(guó)制造處于了落后地位。清政府閉關(guān)鎖國(guó),未能吸收西方制造業(yè)先進(jìn)技術(shù)。鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)以后,中國(guó)被迫開(kāi)放門(mén)戶(hù),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(guó)市場(chǎng),中國(guó)的經(jīng)濟(jì)狀況日趨惡化。

 中華人民共和國(guó)成立后,國(guó)家集中力量進(jìn)行重工業(yè)和人防工業(yè)建設(shè),特別是重點(diǎn)發(fā)展電子與核工業(yè)。“一五計(jì)劃”時(shí)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(jí)大國(guó)的核壟斷,使中國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)擁有核武器與衛(wèi)星的國(guó)家,不但提高了國(guó)際地位,為我國(guó)后續(xù)發(fā)展迎來(lái)了穩(wěn)定的國(guó)際環(huán)境,也為中國(guó)制造業(yè)的發(fā)展奠定了物質(zhì)與人才基礎(chǔ)。

 改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)體系的建立,并逐步發(fā)展成為制造大國(guó)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,中國(guó)是目前全世界擁有聯(lián)合國(guó)產(chǎn)業(yè)分類(lèi)當(dāng)中全部工業(yè)門(mén)類(lèi)的國(guó)家,形成了獨(dú)立完整的現(xiàn)代工業(yè)體系。中國(guó)制造業(yè)在許多高科技領(lǐng)域也實(shí)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(guó)脊梁,它的規(guī)模和水平是衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力重要的標(biāo)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(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱,也是我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主導(dǎo);制造業(yè)是解決就業(yè)問(wèn)題的重要領(lǐng)域;制造業(yè)是知識(shí)經(jīng)濟(jì)的載體,高技術(shù)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(guó)已經(jīng)連續(xù)13年保持制造業(yè)大國(guó)地位,且優(yōu)勢(shì)不斷擴(kuò)大。2020年制造業(yè)增加值占全球近30%,相當(dāng)于世界第二至第四位的美日德之和。

 中國(guó)的優(yōu)勢(shì)在哪兒呢?中國(guó)制造業(yè)細(xì)分產(chǎn)業(yè)的技術(shù)效率占有一定優(yōu)勢(shì)。例如,16個(gè)細(xì)分產(chǎn)業(yè)中有9個(gè)產(chǎn)業(yè)(紡織服裝業(yè)、木制品業(yè)等)的技術(shù)效率在四個(gè)經(jīng)濟(jì)體中位居第1位。然而,中國(guó)制造細(xì)分產(chǎn)業(yè)的全要素生產(chǎn)率處于劣勢(shì)地位。

 另外,“制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展指數(shù)”分析結(jié)果表明:美國(guó)制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展指數(shù)依然持續(xù)高于各國(guó),綜合優(yōu)勢(shì)突出。德國(guó)、日本穩(wěn)居第二陣列,相對(duì)優(yōu)勢(shì)明顯。中國(guó)、韓國(guó)、法國(guó)、英國(guó)處于第三陣列,中國(guó)居前。從2012—2019年各國(guó)“制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展指數(shù)”變化情況來(lái)看,各國(guó)對(duì)美國(guó)的追趕雖從未停止,但美國(guó)制造業(yè)霸主地位持續(xù)穩(wěn)固,中國(guó)成為整體提升較快的國(guó)家。  

 從我國(guó)各分項(xiàng)指數(shù)來(lái)看,“規(guī)模發(fā)展”仍是制造強(qiáng)國(guó)進(jìn)程中的主要支撐力,制造業(yè)總體上仍未擺脫規(guī)模拉動(dòng)的發(fā)展路徑。從制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力來(lái)看,我國(guó)仍未邁入“制造強(qiáng)國(guó)第二陣列”,高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展之路任重道遠(yuǎn)?！笆奈濉睍r(shí)期要堅(jiān)定不移建設(shè)制造強(qiáng)國(guó),持續(xù)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

 我國(guó)制造業(yè)面臨的外部挑戰(zhàn)主要來(lái)自后疫情時(shí)期進(jìn)一步強(qiáng)化的逆全球化趨勢(shì),以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家遏制中國(guó)發(fā)展,試圖維持其對(duì)高新技術(shù)的壟斷及其在全球價(jià)值鏈中技術(shù)主導(dǎo)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(dòng)的環(huán)境規(guī)制強(qiáng)化,以及新冠肺炎疫情后的經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇等。綜合起來(lái),我國(guó)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(shí)期。在這個(gè)時(shí)期實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新、提升和突圍,是我國(guó)發(fā)展制造業(yè)的戰(zhàn)略任務(wù)。

 先進(jìn)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)層出不窮、不斷更新。比如說(shuō),在設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過(guò)計(jì)算機(jī)大大提升了效率和水平。大家知道,我們國(guó)家的產(chǎn)品給一些人的印象就是“粗老笨重”,這說(shuō)明我們?cè)诠I(yè)設(shè)計(jì)方面做得不夠好。除此之外,還有設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)、精密成形技術(shù)、現(xiàn)代特種加工工藝、高精密加工工藝、加工自動(dòng)化技術(shù)、現(xiàn)代生產(chǎn)管理技術(shù)和先進(jìn)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(guó)提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略,美國(guó)提出“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”,中國(guó)也在2015年提出了“中國(guó)制造2025”計(jì)劃。我國(guó)制造業(yè)現(xiàn)狀的優(yōu)點(diǎn)是制造業(yè)規(guī)模大,種類(lèi)全,擁有完整的供應(yīng)鏈條。但也存在問(wèn)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(guó)制造2025”計(jì)劃提出了“一個(gè)”目標(biāo):從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變;“兩化”融合:通過(guò)信息化和工業(yè)化兩化深度融合來(lái)帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展。我們還提出了“三步走”戰(zhàn)略、四項(xiàng)基本原則、五大指導(dǎo)方針,要重點(diǎn)建設(shè)五大工程和十大領(lǐng)域。

 從“中國(guó)制造2025”的內(nèi)容可以看出,我國(guó)現(xiàn)階段要做到的事情就是工業(yè)“2.0補(bǔ)課”“3.0普及”“4.0示范”,著力進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)、解決創(chuàng)新能力和產(chǎn)品質(zhì)量等問(wèn)題,也要緊跟工業(yè)4.0智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。我們制造業(yè)還面臨著一系列“卡脖子”問(wèn)題。比如說(shuō)目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床自給率不足10%,國(guó)產(chǎn)機(jī)床精度和使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到世界同類(lèi)水平。還有芯片,中國(guó)企業(yè)在全球芯片產(chǎn)業(yè)格局中仍處于中低端領(lǐng)域,能自主制造低端芯片,但芯片目前都無(wú)法自給。除此之外,在光刻機(jī)、操作系統(tǒng)、醫(yī)療器械、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域都存在著一系列不足。

三、制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

 制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是什么呢?周濟(jì)院士提出,“要堅(jiān)定不移發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì),堅(jiān)定不移堅(jiān)持制造強(qiáng)國(guó),堅(jiān)定不移以智能制造作為推進(jìn)制造強(qiáng)國(guó)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(jí)的較好方向,融合軟件、電子、控制、機(jī)械四個(gè)領(lǐng)域,將徹底改變中國(guó)制造。

“中國(guó)制造2025”要推動(dòng)的是智能化和信息化升級(jí),在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yīng)用,人、機(jī)、料、環(huán)、法五大要素更加透明化和可預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率大幅提升。有三個(gè)領(lǐng)域具成長(zhǎng)潛力且將相互融合:一是“云”,工業(yè)大數(shù)據(jù)及云計(jì)算;二是“網(wǎng)”,工廠(chǎng)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(jī)床、機(jī)器人、傳感器、機(jī)器視覺(jué)、無(wú)人機(jī)等智能生產(chǎn)設(shè)備、AGV、服務(wù)機(jī)器人等智能物流設(shè)備。

 而智能制造系統(tǒng)的定義是把機(jī)器智能融入到包括人和資源形成的系統(tǒng)中,使制造活動(dòng)能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)需求和制造環(huán)境的變化,從而滿(mǎn)足系統(tǒng)的優(yōu)化目標(biāo)。智能制造系統(tǒng)并非要求機(jī)器智能完全取代人,即使未來(lái)高度智能化的制造系統(tǒng)也需要人機(jī)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(jìn)技術(shù)認(rèn)識(shí)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(wèn)題以達(dá)到更高的目標(biāo)。包括以下關(guān)鍵技術(shù):數(shù)據(jù)處理、數(shù)字智能、智能控制、智能機(jī)器人等等。

 常用的數(shù)據(jù)**技術(shù)以傳感器為主,結(jié)合RFID、條碼掃描器、生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)設(shè)備、PDA、人機(jī)交互、智能終端等手段實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的信息取得,并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確傳輸。目前比較熱的就是數(shù)字孿生,它相當(dāng)于一對(duì)雙胞胎,一個(gè)是物理的,一個(gè)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(shí)現(xiàn)CPS的信息物理交互融合。也就是說(shuō),這個(gè)實(shí)體是什么樣的,這個(gè)數(shù)字體就是什么樣的。

 而智能機(jī)器人至少要具備以下三個(gè)要素:一是感知要素,用來(lái)認(rèn)識(shí)周?chē)h(huán)境狀態(tài);二是運(yùn)動(dòng)要素,對(duì)外界做出反應(yīng)性動(dòng)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(dòng)作。比如焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、智能控制和智能調(diào)度。

 企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)目標(biāo)包括信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化三方面。企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)三步走包括“數(shù)字化制造”“數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造”“數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)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(shí)際業(yè)務(wù)需求開(kāi)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(chē)等領(lǐng)域進(jìn)行的精密加工技術(shù)研究。重點(diǎn)研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)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(shù);研究汽車(chē)缸體、缸蓋等關(guān)鍵零部件(鑄鐵、鑄鋁、粉末成型材料)的潔凈制造技術(shù)。

 二是研究了數(shù)控裝備智能決策與控制。先開(kāi)發(fā)了基于總線(xiàn)的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)包括工具軟件、運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)接口硬件五部分,這個(gè)平臺(tái)能夠?yàn)闄C(jī)械裝備配備聰明的大腦,已經(jīng)在紡織機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人、建材機(jī)械、3C制造等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,出口至巴西、美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)。研究了基于數(shù)字孿生的智能運(yùn)維決策系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)模型-數(shù)據(jù)融合驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè),以及進(jìn)行多目標(biāo)運(yùn)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(jī)電MEMS和NEMS系統(tǒng),研究精密機(jī)電設(shè)備標(biāo)定、檢測(cè)與特性分析儀器,并且在上海光源、深圳光源等大科學(xué)裝置上得到應(yīng)用。

 四是新型激光加工技術(shù)?；谖覀冏灾鏖_(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),可以將激光器振鏡的運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等多個(gè)運(yùn)動(dòng)聯(lián)合控制起來(lái),實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)控制,以及與激光器功率控制的協(xié)同。能夠智能化進(jìn)行復(fù)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(chē)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

 制造業(yè)是一個(gè)大國(guó)和強(qiáng)國(guó)的根本支柱,是國(guó)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(dǎo)入期轉(zhuǎn)向拓展期。顛覆性技術(shù)不斷涌現(xiàn),催生大量新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新動(dòng)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(dǎo)迅速發(fā)展。制造業(yè)未來(lái)的發(fā)展靠創(chuàng)新型、復(fù)合型人才支撐,靠科技支撐,所以我們要一起努力,推動(dòng)中國(guó)從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。

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