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智能制造之路：数字化工厂 [:1704014152]
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第1章 智能制造概述
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智能制造之路：数字化工厂 [:1704014153]
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1.1 智能制造国内外发展与应用状况
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1.1.1 美国智能制造的发展与应用
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1.背景
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20世纪80年代以来，随着经济全球化、国际产业转移及虚拟经济不断深化，美国产业结构发生了深刻的变化，制造业日益衰退，“去工业化”趋势明显。因发展中国家占据廉价劳动力，产业资源丰富等优势，所以部分美国企业将工厂外迁，同时美国加大对房地产、金融等方面的投入，也降低了对制造业的投入。制造业的萎缩导致美国出口产品竞争力下降，净进口规模不断增加，贸易逆差由1980年的190亿美元迅速增加至2008年的6983亿美元。不仅美国低端产品在丧失出口竞争力，高端产品的领先优势也开始动摇，美国高新技术产品在全球市场出口份额所占权重由20世纪末的20%下降至2008年的11%。2008年金融危机爆发后，美国经济遭受重创，美国国内生产总值增长停滞。2009年，金融危机进一步蔓延，美国国内生产总值萎缩2.6%，创下1947年以来的新低。失业率方面，2009年失业率高达9.3%，远高于1990~2008年的平均失业率。此后，在美国政府一系列救助政策的强力干预下，经济下滑势头得以缓解，但失业率一直在8.5%~10%徘徊。
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面对由虚拟经济危机爆发导致的增长乏力、失业率居高不下的困境，美国社会各界深刻认识到实体经济的重要性，美国国内主张发展制造业、改变经济过分依赖金融业的呼声不断高涨。2009年年末，美国提出了重振制造业的经济复活战略，提出了一系列的重振制造业措施。美国政府提出重振制造业战略，不仅是为了尽快摆脱所面临的经济困境，更重要的是要通过发展先进制造业，再次领导全球科学技术的发展，继续保持对全球经济和技术的强大领导力，为经济的繁荣和持久增长打下坚实的基础。
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2.发展历程与支持政策
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美国在2008年金融危机之前就已经提出了先进制造技术（Advanced Manufac-turing Technology，AMT）的理念，也意识到了制造业的重要性，因此在经济危机爆发后美国需要重振制造业。
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20世纪90年代，美国开始了制造业信息化。1993年，美国政府开始实施AMT计划。该计划的目标是研究世界领先的先进制造技术，以满足美国对先进制造技术的需求，提升美国制造业的竞争力。美国国家科学技术委员会（NSTC）在1994年制定了AMT发展战略：支持科研院所、大学与工业界三者联合开发先进制造技术；通过工业服务网络帮助企业快速使用先进制造技术；开发有利于环境保护的制造技术；积极实施与工程设计、制造相关的教育培训计划。1995年11月，美国政府开启为期4年的敏捷制造使能技术战略计划，每年投资3000万美元，3000多家私营企业、16所大学以及多个政府机构参加了此项计划。“下一代制造技术计划”（NGMTI）于2004年4月开启，NGMTI将加速实施具有突破意义的制造技术，最终实现推广国家制造技术投资战略，实现美国国防工业基础的转变，实现国防与反恐的经济可承受的系统快速交付。
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2011年6月，美国确定了智能制造的4个优先行动计划。在搭建工业建模与仿真平台方面，为虚拟工厂和企业创建社区平台（包括网络、软件），开发用于生产决策的下一代软件和计算架构工具箱，将人类因素和决定融入工厂优化软件和用户界面中，为多个行业扩展能源决策工具的可用性。在工业数据采集和管理系统方面，为各个行业建立一致的、有效的数据模型，如数据协议和接口、通信标准等。在业务系统、制造工厂和供应商集成方面，通过仪表板报表、度量、常用的数据架构和语言等优化供应链绩效。在智能制造的教育和培训方面，加强建立智能制造的人才队伍，如培训模块、课程、设计标准、学习者接口。2012年，通用电气提出工业互联网（Industrial Internet）概念，工业互联网是开放、全球化的网络，将机器和先进的传感器、控制和软件应用进行连接，提高生产效率、减少资源消耗。2014年4月3日，IBM、思科、通用电气和AT&T组建工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）。该联盟采用成员开放制，建立一个打破科技壁垒的团体，以更好地推动现实物理世界和数字世界间大数据的整合。
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美国在2008年金融危机后也相继提出了一系列的重振制造业政策。美国重振制造业的主要政策如表1-1所示。
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表1-1 美国重振制造业的主要政策
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3.总体情况
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美国在智能制造技术的理论和应用研究方面长期处于世界领先地位，人工智能、控制论、物联网等智能技术的基础多数起源于美国。美国在智能产品的研发方面也一直走在全球前列，从早期的数控机床、集成电路、PLC，到如今的智能手机、无人驾驶汽车以及各种先进的传感器，均来自于美国高校的实验室和企业的研发中心。在基础元器件领域，不仅有艾默生、霍尼韦尔这样的工业巨头，更有大量专注于某一领域的优秀小企业。在数控机床方面，拥有MAG、哈挺、哈斯、格里森等一批知名企业，工业机器人也拥有American Robot等知名企业。在工业软件方面，全球大多数研发设计软件、管理软件和生产制造软件的实力企业来自于美国。而美国重返制造业的典型特点是利用现有的先进信息、软件技术来改造现有的制造业，使得美国智能制造技术产业保持全方位、高水平发展。
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美国的IBM、思科、通用电气和AT&T等软件公司也是用工业互联网来改造制造业，如特斯拉电动汽车及谷歌自动驾驶汽车都将像手机/计算机一样成为互联网中的移动终端，用信息化带动制造业的发展，加快调整产品业务发展战略，不断加强跨行业的合作，在发挥各行业自身优势的同时推进制造业向智能化、网络化方面发展。
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1.1.2 欧洲智能制造的发展与应用
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1.背景
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制造业在欧洲的经济中所占的比例很大，欧洲地区国民生产总附加值的15%是由制造业产生的。同时，80%的创新以及75%的出口都来自工业领域。考虑其对服务的影响，工业可以看作是欧洲的社会引擎、经济引擎。近年来，欧洲制造业面临的压力越来越大，特别是亚洲国家的制造业越来越多地参与到国际市场中，导致欧洲的制造业竞争力不断降低。到2011年，世界制造业的总增加值增至6.577万亿欧元，新兴经济体占世界制造业增加值的份额也已增至40%，亚洲（除日本外）的制造业份额已从1991年的8%增至31%，而西欧的制造业增加值份额从1991年的36%下降到25%。“去工业化”困扰着欧洲各国政府，欧盟委员会必须立即采取行动刺激工业发展。
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英国是全球最早进行工业革命的国家，曾经被称为“现代工业革命的摇篮”和“世界制造工厂”，它的现代化发展和财务绝大多数来源于制造业。然而，在出现第三产业和金融业后，英国制造业开始低迷，尤其是1980年中后期，英国当局开始实施去工业化的策略，即重新调整和布局产业结构来发展虚拟经济。随着时间的推进，英国已完成了去工业化的历程，20年前英国经济比重中生产制造业占22%，现在这个比例降到10%。现在英国的制造业从业人员数量为300万，而30年前却为500多万人。英国在2008年金融危机中损失惨重，国家当局认识到要想强大和富民必须靠制造业这一理念。因而，英国的官员、机构和学者等都呼吁重回制造业。以此为依托，英国开展“再工业化”。英国部门还发布了新的经济发展策略，其主要内容是增大工业在经济结构中的比重和打造高水平的制造业，在创造、升级上做足准备；减轻服务业、第三产业、金融业在经济中的比重，使国家的经济发展进入常态。
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德国传统工业在世界上举足轻重，在核心竞争中占有优势，随着新一代物联网技术与工业的深度融合，物品、设备、工艺和服务的智能化逐渐发展，德国各界对能否跟上时代发展的步伐深感忧虑并产生深刻的危机意识。网络通信技术在全球新一轮工业变革中占有主导地位，作为世界的制造业强国，在新一轮技术变革中能否找到工业发展的道路并引领全球工业的发展是德国广泛关心的问题。针对世界新一轮网络技术与工业技术的不断融合，德国有巩固和加强技术优势的机会。主要优势表现在工业软件、工业电子和制造技术上。传统制造技术与工业软件、工业电子技术的组合，为德国在智能装备竞争上带来了机会。当全球都提出智能制造、工业互联网、能源互联网等新理念时，德国是传统工业的强者，它需要拥有传统制造业和未来制造业发展的新理念，抢占发展理念的优势，并继续使德国制造业处于世界领先地位。在这一背景下，德国工业4.0的概念出现了。
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20世纪80年代以后，法国首先开始“去工业化”，这使得制造业从业职位从1980年的510万下降到2013年的290万，制造业增长值占GDP比重从20.6%下降到10%。尽管法国工业有着辉煌的历史，但必须指出的是，过去的十年是法国工业“失去的十年”，随着新兴国家的崛起和英美德等国“再工业化”的推进，法国一流工业强国的地位岌岌可危。2008年国际金融危机爆发后，法国制造业延续了下滑走势，2008~2012年，制造业就业率和增长值占比分别降低了1.3%和1.8%。同时，利润率加速下滑，劳动生产率增长持续减缓（2007年以来的增加率仅为0.9%，而2001~2007年的增加率为3.1%），德国、英国等其他欧洲地区的情况也与此相同。2010年9月，法国在“新工业政策”中明确将工业置于全国成长的中心位置，提出了法国一定要执行再工业化。
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2.发展历程与支持政策
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欧洲早在1982年制定的信息技术发展战略计划中就强调了面向未来制造核心技术的开发。由德国、法国和英国发起的主题为“未来的工厂”的尤里卡项目将相关制造方面的研究与开发作为重点。从1984年起，欧盟制定了七个研发框架计划（FP1~FP7）（1984~2013年）及“地平线2020”（2014~2020年）科技发展计划，重点在于先进/智能制造技术及其工业技术成长规划，如表1-2所示。