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读懂中国制造2025 数字化智能化，推动“中国制造2025”
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周济中国工程院院长
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今后20年，是我国制造业实现由大到强、在创新和综合竞争力方面进入世界前列的绝佳发展机遇期。作为新的工业革命的核心技术，中国要以工程化、产业化为主线，推进中国制造业向数字化智能化方向发展，实现由“制造大国”到“制造强国”的历史性跨越。
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依靠技术创新实现由“制造大国”到“制造强国”的历史性跨越
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在2012年全国科技创新大会上，国家领导人指出，科学技术日益成为经济社会发展的主要驱动力。必须从国家发展全局的高度，集中力量推进科技创新，必须把创新驱动发展作为面向未来的一项重大战略。我们国家的发展进入了新的历史时期，要做到以科学发展为主题，以加快转变经济发展方式为主线，最根本是要依靠科技力量，最关键是提高自主创新能力，要推动我国经济社会发展尽快走上创新驱动的轨道。
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国际金融危机以来，世界经济竞争格局发生了深刻变化，主要有两个大的发展趋势：一方面，实体经济的战略意义被重新评估，世界主要发达国家重新重视实体经济，纷纷实施“再工业化”战略。美国总统奥巴马在近四年中发布了四个战略计划，提出要重新认识先进制造业在国民经济体系中的地位，保持在先进制造业领域的国际领先和主导地位。德国、英国、日本等国家都推出了一系列重振制造业的重大举措。另一方面，新一轮的工业革命正在深化，西方发达国家振兴制造业走的是一条新路子，他们依靠科技创新，抢占国际竞争制高点，提升经济发展核心竞争力，谋求未来发展的主动权。例如，苹果公司通过产品模式创新、各种最新技术的集成创新，成功引领了信息产品的发展方向。再如，美国页岩气开发技术的突破，引起了一场页岩气革命，对世界的能源格局乃至政治、经济发展都产生了极为深刻的影响。
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近期，美国学者们发表了一批文章，一是强调新的工业革命即将到来，其核心技术是制造业数字化；二是美国在信息技术方面具有巨大优势，应该通过大力发展和广泛应用以数字化和智能化为核心的先进制造技术，实现制造业的革命性变化；三是尖锐地指出，新技术的出现，很可能导致中国制造业在未来20年中出现在过去20年中美国所经历的困境，很快就该轮到中国去担忧了。应该感谢这些美国的先生们，感谢他们的提醒，感谢他们的警告，我们确实应该有强烈的忧患意识。
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经过新中国60多年特别是改革开放30多年的奋斗，中国制造业实现了历史性的跨越式发展，制造业生产总值已经成为世界第一，已经成为制造大国。但我们还不是制造强国，其中最主要的差距是自主创新能力不强，在技术方面一直处在跟踪和追赶状态，特别是许多关键核心技术还远远没有掌握，制造业综合竞争力还很弱。
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正如李克强总理在全国科技创新大会上指出的：我国是制造业大国，已经具备了很强的制造能力，但仍然不是制造业强国，总体上是还处于国际分工和产业链的中低端，如果能够在中国制造前面加上“中国设计、中国创造”，我国的经济和产业格局就会发生根本性变化。必须强调的是，我们对中国制造业的未来充满了信心，中国制造业面临前所未有的挑战，同时也面临前所未有的机遇，今后20年是我国制造业实现由大到强、在创新和综合竞争力方面进入世界前列的绝佳发展机遇期，中国制造业的跨越式发展具备了许多良好条件：（1）我国制造业拥有巨大市场，需求是最强大的发展动力；（2）我国制造业有着世界最为完整的体系，具备强大的产业基础；（3）我国一直坚持信息化与工业化融合发展，在制造业数字化方面掌握了核心关键技术，具有强大的技术基础；（4）我国在制造业人才队伍建设方面已经形成了独特的人力资源优势；（5）我国制造业在自主创新方面已经取得了一些辉煌成就，上天、入地、下海、高铁、输电、发电、国防等都显示出我国制造业巨大的创新力量。
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我们深切地认识到，与美国相比，我国在虚拟经济的创新方面差距极大，和微软、英特尔、谷歌、苹果这样的公司相比，在信息技术原始性创新方面差得很远。今后20年，在制造业数字化、智能化的核心技术方面，中国制造业完全可以实现战略性的重点突破、重点跨越，实现与西方最发达国家并行甚至超越。
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总之，我们要推动中国制造业的发展走上创新驱动的轨道，在今后20年，实现我国从制造大国到制造强国的跨越式发展。
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制造业数字化、智能化是新的工业革命的核心
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先进制造技术创新的内涵包含了产品创新、制造技术创新、产业模式创新三个方面。数字化、智能化技术是产品创新和制造技术创新的共性使能技术（enabling technology），并深刻改革制造业的生产模式和产业形态，是新的工业革命的核心技术。
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产品创新。从两个案例来看产品创新的极端重要性。数码相机是应用数字化技术对传统产品进行创新的典范。曾经居于胶片行业全球垄断地位的柯达公司，1975年研发出世界上第一台数码相机，但由于战略性决策失误，并没有将这一技术创新成果市场化。随着传统胶片产业被数字化技术的颠覆，柯达公司最终宣布破产。
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另外一个例子是三维打印机或者快速成型机。2011年中国十大科技进展之一是研制成功世界上最大的三维打印机。三维打印采用分层加工、叠加成形的方式，逐层增加材料来生成三维实体。对于传统的材料器械成形，我们叫作“Cutting”；三维打印材料是叠加成形，英文名是“Adding”，是一种重大的创新。它是一种新型加工装备，既是制造工艺的原理创新，也是应用数字化技术的产品创新，将改变整个制造业的面貌。
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从以上两个案例可以看出，产品创新对企业以及制造业的极端重要性。过去我们认为三分产品七分市场的观念已经过时，或许七分产品三分市场才能适应当前激烈的市场竞争格局。
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数控技术和智能技术实现机械产品创新。传统机械产品构成包括三部分：动力装置、传动装置、工作装置。它的创新可以有多种途径，主要有两种方法：一是创新工作原理或者说工作装置；二是创新运动的驱动和控制系统。第一种创新是工作原理创新，是根本性的，极为重要，刚才提到的三维打印技术就属于这类创新。千百年来，人们一直不断创造各种新的机械，形成了适用于完成不同任务的成千上万的机械产品。而数控化则是对于机械运动的驱动和控制的创新，属于第二种创新，是创新机械产品的有效途径。它的核心技术路线是这样的：一方面，用数控电机驱动系统取代传统机械中的动力装置；另一方面，也是更为重要的，采用计算机控制系统对机械性能和工作过程进行控制，也就是给机械装上一个大脑。数控技术是实现机械产品创新的颠覆性共性使能技术，核心是数字化。数控技术的应用使机械产品的内涵发生了根本性变化，使产品功能极大丰富、性能发生质的变化，从根本上提高产品水平和市场竞争力，并且促使机械产品向智能化方向发展。
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说起数控，人们就想起了数控机床，这是对的，但很不全面。数控机床是应用数控技术创新机械产品的典范，然而数控技术是一种共性使能技术，可应用于各种机械产品的创新升级，比如注塑机的数控化和智能化。注塑成形是最有效的塑料成型方法，中国是全球最大的注塑机生产国，产量占到世界年产能的70%以上，但在高端产品方面，远远落后于世界先进水平。注塑机要完成模具开合、注射、塑化、脱模、调模、注射台移动等6个动作，分别由6个执行机构来完成。注塑机发展历经了传统液压型到伺服节能型再到全电动型的演变。传统液压式注塑机是普通电机提供动力，经过液压传统系统驱动6个执行机构；伺服节能型注塑机巧妙地应用数字化技术，用交流伺服器电机取代了原来的普通电机，而液压传动技术保持不变，这种创新可以实现能量的按需供给，消耗电能可减少40%~80%；全电动的数控注塑机，当前都可以采用伺服电机驱动，采用计算机数控系统进行控制，它的优点是加工精度与稳定性高、质量好、生产效益高、噪音低、没有污染。智能型数控注塑机是进一步引入智能化技术，实现工艺自动优化、参数自动补偿、产品自动分拣、过程自动监控和故障自动诊断等功能，从而实现更高的效率、更高的精度和更好的节能效果。
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再举个例子，动力汽车的数字化和智能化。我国已经是世界上高速机车技术最发达的国家之一，轨道交通历经了蒸汽机车、内燃机车、电力机车到动车组的变化，目前正在向智能化方向发展。蒸汽汽车是以煤为能源，蒸汽机提供动力，经过连杆、摇杆这样一些机械传动装置驱动机车的动轮旋转；内燃机车是由柴油机驱动发动机发电，经处理后供电动机驱动机车；电力机车是以电为能源，从接触网接受电能并且经过处理后供变电机驱动机车；动车组是数字化的电力机车，从接触网接受电能，经处理后供电机驱动车轮，电机分布在多个动车的电动上，驱动数字化、结构小型化，采用标准的TCN网络实现数字化控制。电力机车实现的智能化将提供更加安全、更加舒适的服务。
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纵观全球实现产业结构调整和机械产品升级的历程，蒸汽机技术使机械工业由人力制作时代进入机械化时代，电气技术使机械工业由机械化时代进入了电气化时代，数控技术正在使机械工业由电气化时代跃升为数字化时代，在可以预见的将来，智能化技术将使机械工业由数字化时代进入智能化时代。
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蒸汽一代机械产品的核心推动力是由于蒸汽机技术这一共性使能技术带来的一场动力革命。电气一代机械产品的核心推动力则是由于电机技术这一共性使能技术带来的另外一场动力革命。数控技术这一共性使能技术对机械产品带来的革命则更加深刻，因为数控化机械增加了“大脑”，可使机械产品功能和性能发生质的飞跃，并为人工智能先进信息技术的进一步应用奠定了基础，从而最终实现智能化。因此数控一代和智能一代是信息化和工业化深度融合的产物，可以看到机械产品的数控化和智能化创新具有鲜明的特征、本质的规律，可以普遍运用于各种机械产品创新，可以引起机械产品的升级换代，引起机械工业的深刻变革。这也是我们提出“数控一代”和“智能一代”概念的缘由和根据。
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从数控一代和智能一代产品创新工程的发展来看，数控产品可以适用于各行各业机械产品的全面创新，比如各种非金属加工专用设备，包括塑料加工机械，比如食品、饮料、农副产品、日用化工、制药等专用设备，再比如火车、汽车、轮船、飞机等交通运输设备，火炮、雷达、坦克等武器装备，以及工程、农业、建筑、港口、医药机械等等。数控技术可以广泛应用于中低档机械产品的升级换代，提升各种产品性能和市场竞争力。数控编织机就是一个典型案例。我国是毛纺毛衣编织大国，仅东莞大朗镇每年生产毛衣就超过3亿件。目前国内毛衣生产主要依靠手动编织机完成，它的效益低下，操作工人劳动强度大，大朗镇曾有多达50万的农民工在从事毛衣的编织工作。数控编织机的编织速度比手工的编织机提高了5~8倍，每个工人可同时操作5台设备，大大提高了生产效率。更重要的是，这种装备和产品设计的CAD/CAM（计算机辅助设计和制造）系统集成，大大提高了毛衣的花色品种、质量和市场竞争力。大朗镇只用3万~5万农民工，就可以编织更多、质量更高的毛衣。
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另外，电动汽车是一个典型的数控机械产品。近年来美国军方不断加强研制的“全电坦克、全电飞机、全电舰船”先进武器，实质就是电推动、电控制的数字化装备。我国的海洋石油981平台是一个典型的全电推动平台，利用柴油机集中发电，然后对整个平台进行电力驱动和数字化控制。这样一个庞然大物，在3 000米深海钻井，钻入地下1.2万米钻油，它能够在大风大浪中岿然不动，靠的是平台底部有8个电推进器，在计算机系统控制下，它可以在各个方向上进行角度的调整，来保证海洋石油平台的顺利作业。
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数控化使机械产品装备“大脑”，开辟了高端机械产品创新的广阔空间。光刻机精密工作台的研制是一个典型案例。光刻机是信息装备制造当中最关键、最复杂、最昂贵的设备。超精密的工作台是光刻机的核心关键装置，其精度要求极高，几乎接近物理极限。要实现光刻机高速、大行程、6自由度纳米级精度运动，除合理的运动结构和精密检测技术外，关键在于数字化控制，核心在于数字化补偿。经过补偿控制，我国研制的100纳米光刻机的工作台，实现了高速、高清的技术要求。
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制造技术创新——数字化和智能化集成制造技术。数字化、智能化也是制造技术创新的共性技术，可全面提升产品设计加工和管理。
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