韓龍寶 關(guān)若曦 范容杉 /文

高端裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢

以航空航天、軌道交通、船舶海工、能源裝備等為代表的高端裝備制造業(yè)，具有附加值高、產(chǎn)業(yè)鏈長、輻射面寬的特點(diǎn)，對經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有強(qiáng)勁的拉動作用，代表著制造行業(yè)最領(lǐng)先的科技、最精湛的工藝和最過硬的質(zhì)量，是我國制造業(yè)國際競爭力的重要體現(xiàn)，也是我國實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，只有練好“內(nèi)功”才能永立不敗之地。

要素驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變

隨著勞動力、土地等生產(chǎn)要素成本的上升，能源、資源的制約凸顯，高端裝備制造業(yè)依賴要素驅(qū)動的發(fā)展模式將難以為繼。從要素驅(qū)動轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動，重視設(shè)計(jì)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的首要選擇。例如，我國在高鐵、船舶海工等相關(guān)領(lǐng)域依賴國外裝備技術(shù)轉(zhuǎn)移的局面正在發(fā)生改變，企業(yè)通過引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新過程，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)由技術(shù)跟隨向自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。

生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)裝備制造業(yè)主要以加工、裝配及組裝為主，處于價(jià)值鏈的低谷。而未來的發(fā)展趨勢將是產(chǎn)品制造與增值服務(wù)相融合的產(chǎn)業(yè)形態(tài)，即服務(wù)型制造。具體看來，通過傳感和網(wǎng)絡(luò)獲取產(chǎn)品在運(yùn)行期間的性能參數(shù)，并依托大數(shù)據(jù)分析推動產(chǎn)品性能優(yōu)化和全生命周期健康管理，這是設(shè)計(jì)制造理念的重大突破，也是制造與服務(wù)實(shí)現(xiàn)一體化的基礎(chǔ)，推動企業(yè)由生產(chǎn)型向服務(wù)型的價(jià)值鏈延伸轉(zhuǎn)變。這一轉(zhuǎn)變將有效推動高端裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈由“中間在內(nèi)”的低附加值傳統(tǒng)制造向“兩頭在手”的高端價(jià)值鏈邁進(jìn)。

制造企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和服務(wù)型制造轉(zhuǎn)變的趨勢下，產(chǎn)品復(fù)雜度和定制化程度將越來越高，同時客戶對產(chǎn)品制造周期、質(zhì)量和成本控制的要求越發(fā)嚴(yán)苛。高端裝備制造企業(yè)將面臨制造領(lǐng)域前所未有的矛盾，即“多品種、小批量、高復(fù)雜”的制造特征與“高質(zhì)量、短周期、低成本、綠色化”的產(chǎn)品要求之間的矛盾。其貫穿于高端裝備的全生命周期，對企業(yè)提出了一系列的變革挑戰(zhàn)。

滿足客戶復(fù)雜需求的同時縮短研發(fā)周期

高端裝備制造的重要特點(diǎn)是產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜和定制化程度高，這對產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)提出了高要求，需花費(fèi)大量的研發(fā)時間進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證、工藝試制，這決定了產(chǎn)品交付周期較長（以年計(jì)）。隨著市場競爭日益激烈、產(chǎn)品更新?lián)Q代加快，如何縮短研制周期成為企業(yè)急需解決的迫切問題。

在效率、質(zhì)量、成本優(yōu)化的同時保證系統(tǒng)柔性

傳統(tǒng)裝備制造存在兩種典型生產(chǎn)組織模式，一是采用裝備專線大批量生產(chǎn)單一產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，例如汽車；二是大量依賴人工實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品柔性化制造的生產(chǎn)模式，例如汽輪機(jī)、船舶。這兩種生產(chǎn)組織模式各有優(yōu)劣，前者依靠專用自動化手段在效率、質(zhì)量和成本方面形成顯著優(yōu)勢，后者則利用人工優(yōu)勢靈活應(yīng)對多種變化需求。但面對新形勢要求，企業(yè)需采用先進(jìn)工藝技術(shù)和管理技術(shù)，將兩種生產(chǎn)組織模式融合，形成“剛?cè)岵?jì)”的新模式，應(yīng)對多樣化市場需求和嚴(yán)苛的質(zhì)量、成本要求。

在有限資源情況下快速響應(yīng)客戶多變的需求

在實(shí)際生產(chǎn)組織中，高端裝備需求存在易變的特點(diǎn)，生產(chǎn)批量、計(jì)劃節(jié)點(diǎn)臨時變更的情況多發(fā)，對生產(chǎn)系統(tǒng)造成復(fù)雜的產(chǎn)能沖擊。此外，高端裝備的定制化特征，導(dǎo)致了技術(shù)狀態(tài)不穩(wěn)定、工藝技術(shù)不成熟等問題，研發(fā)制造過程中必須應(yīng)對大量工程變更，消耗大量生產(chǎn)資源。為應(yīng)對客戶與技術(shù)兩方面變化，傳統(tǒng)企業(yè)只能配置充裕的生產(chǎn)資源，這導(dǎo)致了企業(yè)全要素生產(chǎn)率不高。如何高效利用資源并且快速響應(yīng)需求變更，也是高端裝備制造業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

智能制造推動企業(yè)內(nèi)涵式發(fā)展

通過智能技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用，提高產(chǎn)品研制智能化水平，延展基于數(shù)據(jù)的服務(wù)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)、功能、性能的模擬與仿真優(yōu)化，促進(jìn)制造過程的決策優(yōu)化、柔性制造、數(shù)字化控制、綠色節(jié)能等數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，可有效實(shí)現(xiàn)定制化快速交付、效率提升、質(zhì)量提高和成本降低，提升企業(yè)的綜合競爭能力。

智能創(chuàng)成技術(shù)和知識工程

將需求轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍罘桨甘窃O(shè)計(jì)智能的具體體現(xiàn)，人工智能和系統(tǒng)工程方法使得這一過程更具智能化和科學(xué)性。大量基于知識工程的理論方法著眼于將經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)化顯性表達(dá)和智能獲取，例如基于規(guī)則的方法、基于案例的方法、基于模型的方法、知識流分析方法、基于語義網(wǎng)絡(luò)的方法等。具體看來，通過將知識工程與概念方案設(shè)計(jì)過程相結(jié)合，利用效應(yīng)庫、專業(yè)庫、專利庫等外部知識庫，借助自然語言識別、語義檢索、人工檢索技術(shù)，對技術(shù)趨勢進(jìn)行分析，輔助研究者發(fā)現(xiàn)問題、快速生成創(chuàng)新方案破解問題，可有效推動設(shè)計(jì)概念的智能創(chuàng)造生成。

基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)與虛擬驗(yàn)證

采用面向產(chǎn)品全生命周期、具有豐富設(shè)計(jì)知識庫和模擬仿真技術(shù)支持的數(shù)字化、智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)支持下，在虛擬的數(shù)字環(huán)境里并行、協(xié)同地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全數(shù)字化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)、性能、功能的模擬與仿真優(yōu)化，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和一次研發(fā)成功率。使用高性能仿真來替代昂貴的物理試驗(yàn)，在節(jié)約成本的同時大幅縮短研制周期。隨著產(chǎn)品性能要求的不斷提升，基于高精度模擬仿真數(shù)據(jù)、虛擬試驗(yàn)和智能尋優(yōu)為一體的優(yōu)化技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能提升的主要手段。

人工智能解決生產(chǎn)控制問題

智能機(jī)器的計(jì)算智能高于人類，例如高級計(jì)劃排產(chǎn)、圖像識別、過程質(zhì)量控制等。與人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷相比，機(jī)器能快速給出更優(yōu)的方案。智能制造技術(shù)通過工廠物聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時獲取生產(chǎn)過程中的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，并通過分析和訓(xùn)練建立相應(yīng)的預(yù)測模型，以實(shí)現(xiàn)對未來狀態(tài)的預(yù)測。對設(shè)備停機(jī)、質(zhì)量失控、設(shè)備性能衰退、制造過程失控等進(jìn)行預(yù)測分析，并在問題暴露前，采取糾正措施，保障生產(chǎn)計(jì)劃有條不紊地進(jìn)行。

根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的柔性制造

智能工廠通過快速的結(jié)構(gòu)調(diào)整和資源重組，以及柔性工藝、混流生產(chǎn)規(guī)劃與控制、動態(tài)計(jì)劃與調(diào)度等途徑來主動適應(yīng)環(huán)境和需求的快速變化。通過智能柔性生產(chǎn)線、機(jī)器人、3D打印設(shè)備等智能制造裝備應(yīng)用，提高生產(chǎn)的柔性，適應(yīng)單件小批生產(chǎn)模式。企業(yè)在一次性生產(chǎn)且產(chǎn)量很低的情況下也能高效率、高質(zhì)量完成任務(wù)。

產(chǎn)品物聯(lián)技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用

嵌入物聯(lián)技術(shù)的智能產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)對自身狀態(tài)、環(huán)境的自感知，具備故障診斷、健康監(jiān)測功能；同時，可借助基于標(biāo)準(zhǔn)開放數(shù)據(jù)接口的網(wǎng)絡(luò)通信功能，對運(yùn)行數(shù)據(jù)或用戶使用數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與挖掘，支撐產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新、產(chǎn)品故障診斷與預(yù)測、企業(yè)供需鏈優(yōu)化等創(chuàng)新性應(yīng)用。

大力開展智能制造轉(zhuǎn)型升級

高端裝備企業(yè)通過智能制造體系的規(guī)劃、精益體系的建立、制造工藝流程的優(yōu)化和智能制造示范的實(shí)踐，完成切實(shí)有效的智能制造改造建設(shè)，推動由外延式發(fā)展向內(nèi)涵式發(fā)展轉(zhuǎn)變，將以體系效能支撐制造能力的大幅躍升。

開展系統(tǒng)的智能制造規(guī)劃

系統(tǒng)的工廠規(guī)劃是支撐高效靈活、定制化、智能化生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)的前提條件，也是最終達(dá)成業(yè)務(wù)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。規(guī)劃過程要按照系統(tǒng)工程的方法論，以需求起點(diǎn)的正向分析為規(guī)劃方法，以精益生產(chǎn)為工廠規(guī)劃原則，以信息化自動化為實(shí)現(xiàn)手段，規(guī)劃高效的智能工廠，并在建設(shè)實(shí)施前通過工廠仿真進(jìn)行效果驗(yàn)證?；诳茖W(xué)合理的總體規(guī)劃，可以在滿足發(fā)展需求的前提下，通過科學(xué)精確分析，優(yōu)化配置資源，提高規(guī)劃準(zhǔn)確性和效率，從而最大限度地提高投資效果，實(shí)現(xiàn)增量帶動存量的內(nèi)涵式發(fā)展。

建立精益管控體系，優(yōu)化制造工藝流程

工廠在推進(jìn)智能制造建設(shè)工作前，需要以精益思想為方法，以目標(biāo)為導(dǎo)向，建立一套項(xiàng)目、計(jì)劃、調(diào)度、制造相互協(xié)同、快速反應(yīng)的精益管控體系。為適應(yīng)產(chǎn)品定制化、制造服務(wù)化的發(fā)展需要，應(yīng)對原有制造流程進(jìn)行簡化、合并、重組等一系列優(yōu)化，并對制造設(shè)備進(jìn)行自動化、智能化改造，最大限度擺脫制造過程對人工的依賴，提高生產(chǎn)效率及質(zhì)量一致性，實(shí)現(xiàn)制造過程向自動化、智能化轉(zhuǎn)變。

開展智能制造示范實(shí)踐

以裝備產(chǎn)品制造全過程為對象，以制造過程與數(shù)字化、智能化制造環(huán)境的深度融合建設(shè)為核心，建成基于數(shù)字化建模與虛擬仿真的車間規(guī)劃、知識驅(qū)動的智能工藝設(shè)計(jì)、基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和單一數(shù)據(jù)源的PLM、融合先進(jìn)項(xiàng)目管理和計(jì)劃排程的ERP、動態(tài)混流精準(zhǔn)管控的MES、全過程質(zhì)量管理、基于大數(shù)據(jù)的智能分析決策等為核心的智能研發(fā)、制造和管理平臺，實(shí)現(xiàn)一體化的精準(zhǔn)管控。建立生產(chǎn)過程中人、機(jī)、料、環(huán)、測的物聯(lián)與信息實(shí)時采集，并與車間虛擬模型、MES等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和融合，開展基于實(shí)時加工狀態(tài)的工藝參數(shù)優(yōu)化、加工誤差自適應(yīng)補(bǔ)償、虛實(shí)結(jié)合的智能監(jiān)控等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于虛擬信息和實(shí)時物理信息融合的智能車間CPS系統(tǒng)。