“。”近日,習(xi) 近平總書(shu) 記參加江蘇代表團審議時的這番話,言簡意賅、發人深省。製造業(ye) 是實體(ti) 經濟的基礎,是國家經濟命脈所係。可以說,沒有強大的製造業(ye) ,就沒有強盛的國家和民族。
製造業(ye) 為(wei) 什麽(me) 如此重要?中國的製造業(ye) 在當今世界處於(yu) 什麽(me) 水平?又麵臨(lin) 哪些挑戰?山東(dong) 大學對中國的製造業(ye) 有哪些貢獻?今天,讓我們(men) 品讀機械工程學院院長萬(wan) 熠教授為(wei) 大家帶來的《大國脊梁:製造業(ye) 的發展現狀與(yu) 趨勢》,一同感受國之重器的力量。
管道工程師
一、製造業(ye) 簡介及發展曆史
什麽(me) 是製造業(ye) ?從(cong) 寬泛的概念講,一般指實物的製造,並實現規模化的生產(chan) 。先進製造業(ye) 是指製造業(ye) 不斷吸收電子信息、計算機、機械、材料以及現代管理技術等方麵的高新技術成果,並將這些先進製造技術綜合應用於(yu) 製造業(ye) 產(chan) 品的研發設計、生產(chan) 製造、在線檢測、營銷服務和管理的全過程,實現低耗、清潔、靈活生產(chan) 。
製造業(ye) 的發展水平,反映了人類改造自然界的水平。人類的製造活動可以追溯到遠古時期,200萬(wan) 年前,人類就會(hui) 製造和使用工具;中國在商周時期,包括冶鑄在內(nei) 的手工業(ye) ,就已經步入了世界前列。與(yu) 世界其他國家相比,中國古代青銅器製造工藝複雜、製造水平高超、製品精美豐(feng) 富。在十五世紀以前,中國的製造業(ye) 一直執世界牛耳,冶鑄、紡織、製瓷等產(chan) 業(ye) 先於(yu) 世界。曆時千年的絲(si) 綢之路和海上絲(si) 綢之路,見證了中國製造業(ye) 的崛起、繁榮和衰落。
到了18世紀至20世紀中期,中國製造處於(yu) 了落後地位。清政府閉關(guan) 鎖國,未能吸收西方製造業(ye) 先進技術。鴉片戰爭(zheng) 以後,中國被迫開放門戶,以手工作坊為(wei) 主體(ti) 的製造業(ye) 不斷遭受致命的打擊。歐洲工業(ye) 革命後的軍(jun) 事、公共、民用產(chan) 品紛紛搶占中國市場,中國的經濟狀況日趨惡化。
中華人民共和國成立後,國家集中力量進行重工業(ye) 和人防工業(ye) 建設,特別是重點發展電子與(yu) 核工業(ye) 。“一五計劃”時期(1953—1957年)製造業(ye) 取得了諸多的成就。1960—1970年間“兩(liang) 彈一星”的成功,打破了超級大國的核壟斷,使中國成為(wei) 世界上少數幾個(ge) 擁有核武器與(yu) 衛星的國家,不但提高了國際地位,為(wei) 我國後續發展迎來了穩定的國際環境,也為(wei) 中國製造業(ye) 的發展奠定了物質與(yu) 人才基礎。
改革開放以來,我國現代工業(ye) 體(ti) 係的建立,並逐步發展成為(wei) 製造大國。經過幾十年的發展,中國是目前全世界擁有聯合國產(chan) 業(ye) 分類當中全部工業(ye) 門類的國家,形成了獨立完整的現代工業(ye) 體(ti) 係。中國製造業(ye) 在許多高科技領域也實現了重大突破。
製造業(ye) 發展曆史啟示我們(men) :製造業(ye) 是大國脊梁,它的規模和水平是衡量一個(ge) 國家綜合國力重要的標誌之一;製造業(ye) 是人防安全和人民生命安全的重要保障;製造業(ye) 是我國國民經濟的重要支柱,也是我國經濟增長的主導;製造業(ye) 是解決(jue) 就業(ye) 問題的重要領域;製造業(ye) 是知識經濟的載體(ti) ,高技術產(chan) 業(ye) 與(yu) 製造業(ye) 不可分割。
二、製造業(ye) 現狀分析
中國已經連續13年保持製造業(ye) 大國地位,且優(you) 勢不斷擴大。2020年製造業(ye) 增加值占全球近30%,相當於(yu) 世界第二至第四位的美日德之和。
中國的優(you) 勢在哪兒(er) 呢?中國製造業(ye) 細分產(chan) 業(ye) 的技術效率占有一定優(you) 勢。例如,16個(ge) 細分產(chan) 業(ye) 中有9個(ge) 產(chan) 業(ye) (紡織服裝業(ye) 、木製品業(ye) 等)的技術效率在四個(ge) 經濟體(ti) 中位居第1位。然而,中國製造細分產(chan) 業(ye) 的全要素生產(chan) 率處於(yu) 劣勢地位。
另外,“製造強國發展指數”分析結果表明:美國製造強國發展指數依然持續高於(yu) 各國,綜合優(you) 勢突出。德國、日本穩居第二陣列,相對優(you) 勢明顯。中國、韓國、法國、英國處於(yu) 第三陣列,中國居前。從(cong) 2012—2019年各國“製造強國發展指數”變化情況來看,各國對美國的追趕雖從(cong) 未停止,但美國製造業(ye) 霸主地位持續穩固,中國成為(wei) 整體(ti) 提升較快的國家。
從(cong) 我國各分項指數來看,“規模發展”仍是製造強國進程中的主要支撐力,製造業(ye) 總體(ti) 上仍未擺脫規模拉動的發展路徑。從(cong) 製造業(ye) 核心競爭(zheng) 力來看,我國仍未邁入“製造強國第二陣列”,高質量轉型發展之路任重道遠。“十四五”時期要堅定不移建設製造強國,持續推動實現由製造大國向製造強國轉變。
我國製造業(ye) 麵臨(lin) 的外部挑戰主要來自後疫情時期進一步強化的逆全球化趨勢,以美國為(wei) 代表的發達國家遏製中國發展,試圖維持其對高新技術的壟斷及其在全球價(jia) 值鏈中技術主導地位的分工格局等。內(nei) 部挑戰主要包括人口紅利的逐步消失、供給側(ce) 結構性改革、高質量發展推動的環境規製強化,以及新冠肺炎疫情後的經濟複蘇等。綜合起來,我國製造業(ye) 處在質的戰略提升和外部戰略打壓相重疊的曆史時期。在這個(ge) 時期實現創新、提升和突圍,是我國發展製造業(ye) 的戰略任務。
先進的設計與(yu) 製造技術層出不窮、不斷更新。比如說,在設計製造領域,產(chan) 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(men) 國家的產(chan) 品給一些人的印象就是“粗老笨重”,這說明我們(men) 在工業(ye) 設計方麵做得不夠好。除此之外,還有設計自動化技術、精密成形技術、現代特種加工工藝、高精密加工工藝、加工自動化技術、現代生產(chan) 管理技術和先進製造生產(chan) 模式等等。
隨著新一輪產(chan) 業(ye) 變革的出現,德國提出“工業(ye) 4.0”戰略,美國提出“先進製造夥(huo) 伴計劃”,中國也在2015年提出了“中國製造2025”計劃。我國製造業(ye) 現狀的優(you) 點是製造業(ye) 規模大,種類全,擁有完整的供應鏈條。但也存在問題,比如自主創新能力差、產(chan) 業(ye) 結構不合理、產(chan) 品質量低等等。在這種現狀下,“中國製造2025”計劃提出了“一個(ge) ”目標:從(cong) 製造業(ye) 大國向製造業(ye) 強國轉變;“兩(liang) 化”融合:通過信息化和工業(ye) 化兩(liang) 化深度融合來帶動整個(ge) 製造業(ye) 的發展。我們(men) 還提出了“三步走”戰略、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(cong) “中國製造2025”的內(nei) 容可以看出,我國現階段要做到的事情就是工業(ye) “2.0補課”“3.0普及”“4.0示範”,著力進行產(chan) 業(ye) 結構轉型升級、解決(jue) 創新能力和產(chan) 品質量等問題,也要緊跟工業(ye) 4.0智能化和網絡化的發展趨勢。我們(men) 製造業(ye) 還麵臨(lin) 著一係列“卡脖子”問題。比如說目前國內(nei) 先進數控機床自給率不足10%,國產(chan) 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(ye) 在全球芯片產(chan) 業(ye) 格局中仍處於(yu) 中低端領域,能自主製造低端芯片,但芯片目前都無法自給。除此之外,在光刻機、操作係統、醫療器械、航空發動機等領域都存在著一係列不足。
三、製造業(ye) 發展趨勢
製造業(ye) 未來的發展趨勢是什麽(me) 呢?周濟院士提出,“要堅定不移發展實體(ti) 經濟,堅定不移堅持製造強國,堅定不移以智能製造作為(wei) 推進製造強國戰略的主攻方向!”在“十四五”期間,基於(yu) 互聯網化智能製造是升級的較好方向,融合軟件、電子、控製、機械四個(ge) 領域,將徹底改變中國製造。
“中國製造2025”要推動的是智能化和信息化升級,在產(chan) 品開發和製造、產(chan) 品設計和製造、產(chan) 品質量和管理體(ti) 係三方麵形成有效閉環。依靠工業(ye) 互聯網和大數據應用,人、機、料、環、法五大要素更加透明化和可預測,實現生產(chan) 效率大幅提升。有三個(ge) 領域具成長潛力且將相互融合:一是“雲(yun) ”,工業(ye) 大數據及雲(yun) 計算;二是“網”,工廠內(nei) 物聯網及產(chan) 業(ye) 鏈整體(ti) 互聯網;三是“端”,智能生產(chan) 終端是核心,包括智能機床、機器人、傳(chuan) 感器、機器視覺、無人機等智能生產(chan) 設備、AGV、服務機器人等智能物流設備。
而智能製造係統的定義(yi) 是把機器智能融入到包括人和資源形成的係統中,使製造活動能動態地適應需求和製造環境的變化,從(cong) 而滿足係統的優(you) 化目標。智能製造係統並非要求機器智能完全取代人,即使未來高度智能化的製造係統也需要人機共生。其本質和真諦是利用物聯網、大數據、人工智能等先進技術認識製造係統的整體(ti) 聯係並控製和駕馭係統中的不確定性、非結構化和非固定模式問題以達到更高的目標。包括以下關(guan) 鍵技術:數據處理、數字智能、智能控製、智能機器人等等。
常用的數據**技術以傳(chuan) 感器為(wei) 主,結合RFID、條碼掃描器、生產(chan) 和監測設備、PDA、人機交互、智能終端等手段實現生產(chan) 過程中的信息取得,並通過互聯網或現場總線等技術實現原始數據的實時準確傳(chuan) 輸。目前比較熱的就是數字孿生,它相當於(yu) 一對雙胞胎,一個(ge) 是物理的,一個(ge) 是虛擬的。數字孿生構築了物理空間和信息空間的數據交互閉環通道,所有數據模型都能夠雙向溝通,實現CPS的信息物理交互融合。也就是說,這個(ge) 實體(ti) 是什麽(me) 樣的,這個(ge) 數字體(ti) 就是什麽(me) 樣的。
而智能機器人至少要具備以下三個(ge) 要素:一是感知要素,用來認識周圍環境狀態;二是運動要素,對外界做出反應性動作;三是思考要素,根據感知要素所得到的信息,然後決(jue) 定采用什麽(me) 樣的動作。比如焊接機器人、搬運機器人、智能控製和智能調度。
企業(ye) 智能製造轉型升級目標包括信息化、網絡化、智能化三方麵。企業(ye) 智能製造轉型升級三步走包括“數字化製造”“數字化網絡化製造”“數字化網絡化智能化製造”,要確保上層管理和下層工藝的緊密聯係,並且根據企業(ye) 實際業(ye) 務需求開展智能轉型製造。
四、製造業(ye) 中的山大力量
一是麵向航空航天、汽車等領域進行的精密加工技術研究。重點研究航空發動機關(guan) 鍵零部件、航空整體(ti) 結構件(鈦合金、高溫合金、不鏽鋼等難加工材料)的高質高智能製造技術;研究汽車缸體(ti) 、缸蓋等關(guan) 鍵零部件(鑄鐵、鑄鋁、粉末成型材料)的潔淨製造技術。
二是研究了數控裝備智能決(jue) 策與(yu) 控製。先開發了基於(yu) 總線的開放式運動控製係統。這個(ge) 係統包括工具軟件、運動控製庫、實時操作係統、實時工業(ye) 以太網和網絡接口硬件五部分,這個(ge) 平台能夠為(wei) 機械裝備配備聰明的大腦,已經在紡織機械、工業(ye) 機器人、建材機械、3C製造等行業(ye) 得到廣泛應用,出口至巴西、美國、歐盟等國家和地區。研究了基於(yu) 數字孿生的智能運維決(jue) 策係統,能夠實現模型-數據融合驅動的故障診斷與(yu) 預測,以及進行多目標運行決(jue) 策與(yu) 優(you) 化。
三是微納操控係統。研製出了高性能智能微機電MEMS和NEMS係統,研究精密機電設備標定、檢測與(yu) 特性分析儀(yi) 器,並且在上海光源、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。基於(yu) 我們(men) 自主開發的運動控製係統,可以將激光器振鏡的運動、機器人關(guan) 節運動等多個(ge) 運動聯合控製起來,實現運動的聯動控製,以及與(yu) 激光器功率控製的協同。能夠智能化進行複雜零件的激光焊接、激光熔覆、激光切割等工藝,已經在航空航天和汽車領域得到應用。
製造業(ye) 是一個(ge) 大國和強國的根本支柱,是國家的脊梁。從(cong) 世界範圍看,新一輪科技和產(chan) 業(ye) 革命正在由導入期轉向拓展期。顛覆性技術不斷湧現,催生大量新技術、新產(chan) 業(ye) 、新業(ye) 態和新模式,經濟增長的新動能正在逐步孕育發展。新一輪科技革命以信息化和工業(ye) 化融合為(wei) 基本特征,智能製造產(chan) 業(ye) 作為(wei) 新產(chan) 業(ye) 革命的先導迅速發展。製造業(ye) 未來的發展靠創新型、複合型人才支撐,靠科技支撐,所以我們(men) 要一起努力,推動中國從(cong) 製造業(ye) 大國向製造業(ye) 強國邁進。
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