智能制造研究技术(前沿研究丨推进智能制造的技术升级路线——并行推进、融合发展)

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2018年第4期

作者：周源，臧冀原，苗仲桢，TimMinshall

Engineering,2019,5(4):691-701.

一、引言

智能制造是一个广义的大概念，涉及制造业的数字化网络化智能化技术。近年来，新一代信息技术如工业互联网、人工智能（AI）、大数据的兴起，为制造业技术向智能制造升级带来了重要机遇。智能制造贯穿制造业设计、生产、服务全价值链的每一个环节，以及相应系统的优化与集成。这种转变将引发制造业的新一轮工业革命，这将显著提高企业的产品质量、性能和服务水平，同时减少资源消耗，推动制造业创新、绿色、协调、开放、共享发展。

智能制造是新一轮工业革命的核心技术，美国、德国、日本、中国等主要工业国家都把智能制造作为推动制造业转型升级的主攻方向。西方发达国家正积极参与新一轮的智能制造浪潮，美国启动了“先进制造业伙伴关系”，德国制定了《工业4.0战略倡议》，英国提出了《国家工业2050战略》。许多其他国家也推出了类似的计划，鼓励智能制造发展。这些举措有时会给制造业企业带来困境——它们面临着制度上的同构压力。特别是，当龙头企业致力于推动最先进的智能制造，并在试点项目中取得了成功时，龙头企业推进智能制造的技术、管理优势，使得后发企业难以跟上龙头企业的升级步伐。同时，由于推进智能制造的成效具有高度不确定性，且投资大，广大制造业企业对推进智能制造采取了谨慎的态度。在现实中，西方发达国家许多制造企业在过去几十年里采用了“串联式”的升级战略，顺序推进智能制造的三个基本范式——从数字制造到“互联网+”制造，再到新一代智能制造。对于许多后来者来说，这种顺序路径已经成为常规或惯例，而且大多数人认为有必要串联地采用这些技术。

然而，中国企业面临的情况却大不相同。一方面，它们拥有不同的技术基础，从机械化电气化到先进的数字化网络化技术，因此可能不会遵循相同的升级途径；另一方面，新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，新一代智能制造正在引领和推动新一轮工业革命，引发制造业发展理念、制造模式发生重大而深刻的变革，重塑制造业的技术体系、生产模式、发展要素及价值链，推动中国制造业获得竞争新优势，推动全球制造业发展步入新阶段，实现社会生产力的整体跃升，这为我国企业实现跨越式发展提供了巨大机遇。

本研究将通过多个案例研究，讨论与西方发达国家采用的“串联式”智能制造技术升级路径相比，中国企业能否采用不同的方式推动智能制造发展。本研究的数据均来自中国工程院“面向2035推进制造强国建设战略研究”咨询项目，主要包括半结构化访谈和公开的档案数据，运用主题分析法对访谈记录等文献进行分析，探索中国智能制造的升级路径。

通过对比5家典型企业案例，我们发现中国制造企业在推进智能制造的过程中，根据自身能力和行业特点，充分考虑商业模式、制造基础，技术专用性、技术经济性、管理组织等多种因素，深度融合制造技术和新一代信息技术，制定适合自己的智能制造升级路径。三个基本范式在中国制造企业转型中存在多条升级路径，并不都是“串联式”的。中国作为后发国家，其企业推进智能制造的技术路径，对其他正在追赶的经济体具有重要借鉴意义。本文为关注发展中经济体转型升级的制造企业、决策者和投资者提供了推进智能制造的技术升级路线，在指导企业实践中取得了良好的效果，为智能制造技术升级理论做出贡献，为未来政策制定提供理论依据，有力推动制造企业转型升级。

二、智能制造的三个基本范式

智能制造——制造业的数字化、网络化、智能化，是先进制造技术和先进信息技术深度融合的产物。

（一）数字化网络化智能化技术是制造业的共性赋能技术

智能制造是一种通用的赋能技术，其数字化网络化智能化技术是贯穿制造业这一复杂系统的三个主要赋能技术。数字化、网络化、智能化技术不同于制造业中的制造技术（本体技术），其通过和制造技术结合实现赋能，能够广泛应用于产品设计、生产、物流、服务等价值链的各环节，形成新技术、新模式和新生态，进而形成制造业的新技术范式，显著提高产品质量和生产效率。

智能制造对现有制造业的影响主要体现在3个方面。第一，数字化技术为产品添加了“大脑”，通过对产品信息、工艺信息和资源信息进行数字化描述、集成、分析和决策，进而快速生产出满足用户要求的产品；第二，网络化技术允许设备和产品之间低成本且广泛的连接；第三，智能化技术（AI和大数据）使产品具有“感知和学习”的能力，从而引发产品功能和性能的根本性变化。

基于这三个共性赋能技术，中国工程院将智能制造归纳总结提升为三个基本范式，包括数字化制造、“互联网+”制造（或称数字化网络化制造）和新一代智能制造（见图1）。数字化制造包含数字化技术，如数控技术、企业资源规划（ERP）、制造执行系统（MES）、供应链管理（SCM）等，属于第三次工业革命范畴。“互联网+”制造在数字化制造基础上，推动制造技术和网络化技术融合，如电子商务、物联网（IoT）、在线协作平台等。新一代智能制造是制造技术和数字化网络化智能化技术的深度融合，产品、生产和服务等具备认知学习能力，如处理复杂性、不确定性的系统模型，具备认知学习能力的预测性维护、远程运维平台，和谐的人机协同制造等。这种制造形式代表了未来智能制造发展的前景。

可以看到：第一次工业革命和第二次工业革命都是由动力革命而引起的工业革命；而第三次工业革命和第四次工业革命则是在数字化制造的基础上，由信息技术革命引起的工业革命。数字化网络化智能化技术如同蒸汽技术和电力技术一样是典型的共性赋能技术，可以普遍应用于广泛的产品、生产和服务创新，引起产品的更新换代，具有大规模推广的可能性，推动制造业的根本性变革。

（二）三个基本范式和三个共性赋能技术之间的关系

三个基本范式各有自身阶段的特点和需要重点解决的问题，体现了基本范式间的阶段性。数字化制造通过计算、通信、控制（3C）和其他数字化技术，使制造方式从模拟模式转为数字模式，准确可靠地提高制造质量、效率；“互联网+”制造实现制造业产品、生产、服务各环节的低成本连通，实现了设备和设备，设备和系统，以致万物互联（IoE），催生了PdM、个性化定制等新模式，德国工业4.0、美国工业互联网主要描述的是这个阶段；新一代智能制造在制造技术和大数据、云计算和AI等众多先进信息技术融合过程中，在感知、数据、计算、连接和IoT技术等很多方面相对于数字化制造和“互联网+”制造都有突破性提高，但根本上新一代智能制造使得制造系统具备“认知学习”的能力，制造业的知识的产生和传承方式都将发生转变，这一革命性的特征在这一基本范式最为突出。

同时，在技术上，数字化、网络化、智能化技术作为共性赋能技术，同时存在于三个基本范式中，体现着智能制造发展的融合性特征。例如在数字化制造阶段，除了层出不穷的数字化技术，各种总线的连接、体现AI的专家系统，在不同的场合始终存在应用；在“互联网+”制造阶段，由于网络便捷推动数据量几何级数增加和获取成本的降低，数字化技术的采集和交互更加普遍，初步的大数据分析等智能技术也在持续发展；而在未来的新一代智能制造范式中，作为一种新的制造范式，新一代智能制造具备“认知学习”和基于AI技术的优化决策能力，将数字化网络化智能化技术和制造技术集成，显著提高制造系统的建模能力，提高处理不确定性问题、复杂性问题的能力，显著提升企业的效率和效益。新一代智能制造范式中，数字化网络化智能化技术共同作用，缺一不可。

为分析企业推进智能制造的技术升级路线，我们在文献和专家讨论的基础上，总结了智能制造三个基本范式中数字化技术、网络化技术和智能化技术的特点，并对这三个共性赋能技术的不同水平进行简要描述，如表1所示，并给出了在接下来的案例分析中用于描述各种智能制造技术水平的相应代码。

表1智能制造中数字化网络化智能化技术的编码

PLC:programmablelogiccontroller;DCS:distributedcontrolsystem;SCADA:supervisorycontrolanddataacquisition;WMS:warehousemanagementsystem;CRM:customerrelationshipmanagement;CAD/E/X:computeraideddesign/engineering/all.

（三）西方工业发达国家的智能制造技术升级路径

从20世纪50年代数字化技术诞生，计算机、数控（CNC）机床等典型数字化装备应用在制造业。到21世纪初，在数字化制造持续发展的基础上，随着新一代信息技术（ICT）的应用，以互联网大规模普及应用为主要特征的数字化网络化制造范式兴起。在推进数字化网络化制造时，美国、德国等工业发达国家的数字化制造经过近半个世纪的充分发展，在已经基本完成了数字化技术和制造技术融合的基础上，开展网络化技术升级。图3为发达国家智能制造升级路径，其中“D”为数字化技术，“N”为网络化技术，“I”为智能化技术。

在这一演进过程中，我们可以识别出代表这三种技术范式的3个主要阶段：第一阶段，数字化制造范式由智能制造的三个共性赋能技术组成，但数字化技术占主导地位；在第二阶段，智能制造的数字化网络化范式特点是数字化和网络化技术深度融合，数字化网络化技术占据主导地位；在第三阶段，新一代智能制造范式的出现，融合了智能制造的三个共性赋能技术，智能化技术的作用显著增强，但这一范式仍处于萌芽状态，即使在西方工业发达国家，该范式的企业升级路径仍不清晰（图3虚线所示）。

德国发布《工业4.0》《制造业2030计划》引导企业转型升级，采用的智能制造的技术升级路线是“制造业+互联网”，本质上属于数字化网络化制造，充分应用德国强大的制造技术能力和制造业基础，在数字化制造的基础上增加了网络化技术。

美国提出工业互联网则体现的是“互联网+制造业”的技术升级路线，本质上也属于数字化网络化制造。美国依托其强大的互联网技术水平和信息产业基础，实现以互联网技术为主，通过网络化平台等提升改进制造业模式。

中国企业面临的情况则大不相同，中国企业希望以智能制造为主攻方向，推动企业智能升级跨越发展，尽快实现对领先者的追赶。因此，中国企业采用何种技术升级路线推动智能制造的发展，就成为迫切需要深入研究的重要问题。

三、案例研究——中国智能制造升级路径

经过新中国70年特别是改革开放40年的飞速发展，我国少数制造企业已经达到世界先进企业水平，同时，绝大多数企业还处于从第二次工业革命向数字化制造转型阶段，数字化制造水平差距很大。

智能制造的升级路径实际是三个基本范式的转变路径。数字化制造始于20世纪50年代，而新一代智能制造才刚刚起步，从数字化制造到新一代智能制造经历了长达几十年的技术演进，中国企业要在更短的周期内迎头赶上行业领先企业，在一些制造业领域逐渐从“跟跑”向“并跑”甚至“领跑”转变，必须尽快跨越这些范式。因此，中国企业不太可能按照发达经济体企业已经采用的技术升级路线推动升级智能制造——像历史上一样一个技术范式完成，再推动下一个技术范式升级，就会错过和西方发达国家缩小差距的机会，无法实现跨越发展。

新世纪以来，我国工业界紧紧抓住互联网发展的机遇，大力推进“互联网+制造”，制造业、互联网龙头企业纷纷布局，将工业互联网、云计算等新技术应用于制造领域。部分企业快速把握住了“互联网+制造”这一技术变革的机遇，充分应用网络化技术赋能制造业，利用网络化技术和制造业的融合给企业的产品、生产、服务各环节解决了很多过去解决不了的质量、效率、响应和模式问题，显著提高了企业的制造水平，部分企业甚至从机械化水平（几乎无数字化）跨越到了先进制造企业的行列。需求是我国企业技术改造的原动力，中国企业在“互联网+制造”的实践里形成了推进智能制造的几种技术升级路线。

（一）少数先进企业实现串联式升级过程

一批数字化制造基础较好的企业成功实现数字化、网络化转型，成为了“互联网+制造”的示范，三一重工股份有限公司（以下简称三一重工）就是其中之一。

案例1：三一重工创建于1994年，产品包括混凝土机械、挖掘机械、起重机械等工程机械，其泵车产量居世界首位。三一重工是我国工程机械领域最早进行数字化转型的企业，当前，其自主部署基于设备全球互联的IoT、大数据平台，为用户提供包括PdM、IoT金融等新业务，显著提高了三一重工产品的质量、效益，推动三一重工发展成位居世界前列的工程机械制造企业。

从建立伊始，三一重工就始终把数字化的建设作为公司行动战略和经营主线，坚持“总体规划、分步实施、重点突破、全面推进”的方针。1994—2004年，三一重工初步实现关键设计、管理业务数字化，将数据化管理逐步贯彻到公司的日常经营中。

有了较好的数字化基础，三一重工不再满足于单个模块单个系统的建设，在数字化网络化提升过程中，坚持问题导向、价值导向，解决多个系统造成的数字孤岛问题，打通企业各项业务，并不断修正、完善。2004—2014年，三一重工在设计、管理上实现数据共享与业务协同，有效促进通用化与标准化；建成全球统一架构的运营管理系统，实现各项系统优化和效益指标，开始了车联网（IoV）的应用，将数据化管理进一步向客户端延伸，建立起亚洲最大的数字化工厂，开启“制造物联”的全面应用探索，实现了生产人员的网络化。

2015年制造强国目标实施以来，智能制造作为主攻方向在企业获得了更大的重视。三一重工实现了价值网络的横向集成，在一个平台上管理集团国内、国际的业务单元、营销、后市场服务，通过营销、服务和客户平台的对接，建立市场洞察体系；实现了从客户订单到智能设备、工艺、制造过程的纵向打通。三一重工利用互联网的特性融合虚拟现实（VR）、仿真等技术，实现全球协同开发、验证，打通了设计、虚拟验证和生产。随着新一代人工智能技术的突破，2018年，三一重工开始了智能化的探索，无人挖掘机、无人起重机等智能产品可以实现远程精准操控；基于IoV技术，通过自主研发的智能终端，实时进行远程监控与故障诊断，并利用大数据开展PdM和IoT金融服务，开启产品交付从以产品为中心向以客户为中心转变。

表2三一重工应用智能制造技术的时间表

Source:adaptedbasedonpublicdocuments.SAP:system