破解李约瑟难题:制造业数字化战略

◎沈家文

为什么资本主义和现代科学起源于西欧而不是中国或其他文明？英国学者李约瑟在1954年发表的《中国科学技术史》（第一卷）中提出，在1～15世纪，中国的科学发明和发现遥遥领先于同时代的欧洲；欧洲在16世纪以后诞生了近代科学，而中国文明却未能产生相似的近代科学。14世纪的中国已经具备了产生18世纪英国工业革命的所有主要条件，但为什么工业革命没有爆发在中国？当前，随着先进制造技术与信息科学、材料科学、管理科学等学科不断交叉融合，全球制造业数字化趋势日渐显现，新一代信息技术、高端装备制造、新能源、新材料等领域的融合发展面临技术突破，我国制造业转型升级面临重要战略机遇，亟待加快数字化进程。

制造业数字化的战略意义

全球制造业的竞争从20世纪初期的规模化及降低产品成本、20世纪中后期的提高企业效率及产品质量，至20世纪后期的交货期、质量、价格和服务等方面的竞争，进入21世纪以来，已经发展至创新能力的竞争，竞争焦点逐渐集中在产品研发速度和创新能力上。数字化战略已成为全球先进制造业创新发展的首选，制造业数字化已成为催生新一轮工业革命的关键。

（一）制造业数字化的内涵

制造业数字化是以数据的生成、加工、传输、使用、修改和储存为基础，以数据源管理为纽带，在设计、制造和管理过程中，用数字量取代模拟量，用数字技术取代传统技术，用数字化制造方式取代传统制造方式。制造业数字化战略主要包括三大领域：一是设计数字化，在虚拟环境中实现装配过程仿真，数字预装配，CAM，以及结构分析、管路分析、强度分析等。二是制造数字化，实现数字化制造、数字化工艺、数字化控制和数字化检测。三是管理数字化，利用计算机、通信、网络等技术，通过数据技术量化管理对象与管理行为，传统制造模式和商业模式将改变，制造业传统的科层式供应链或将转变为基于互联网的开放式网络供应链。

制造业数字化是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用的结果，是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。制造业数字化将革新传统制造业的科学基础，使设计、制造、管理从部分定量、部分经验、定性化逐步转向全面数字定量化，产生一系列基础理论和关键技术问题，如产品信息的数字化表示、制造过程的建模与仿真、数字样机技术、开放式数字控制技术等，带动产品设计方法和工具的创新、管理模式的创新、企业间协作关系的创新，推动制造技术由经验制造向科学制造和可预测制造的转变，形成数字化产品、数字化制造装备、数字化制造技术等研究领域。

（二）数字化生产方式是先进制造业的重要发展方向

制造业数字化已成为信息技术改造传统产业、实现信息化带动产业升级的突破口，推动产品设计、工艺、制造、检测等全过程数字化，缩短产品开发周期、提高产品质量、增强企业竞争力。美国波音公司B787和洛克希德马丁公司F35的研究过程中，采用数字化制造的方式，与传统方式相比，研制周期缩短至三分之一，降低研制成本一半，开创了航空制造业数字化的先河。

数字化生产方式是先进制造业的重要发展方向。根据美国波音和欧洲空客的技术竞争案例，制造业的竞争已经发展为数字化创新能力的竞争。2012年，《经济学人》杂志提出，制造业数字化将引领第三次工业革命。智能软件、新材料、机器人、网络制造服务、增材制造技术等形成的合力，有可能引发一场深刻的技术革命，开创全新的数字化生产方式，产生足以改变人类社会发展进程的巨大力量。

（三）我国制造业数字化的发展进程亟待加快

全球金融危机爆发以来，美国政府强调“再工业化”以及推动“制造业回归”，正在改写全球工业格局。从战略上看，美国再工业化的本质是制造业升级，制造业数字化是其战略核心，高端制造业是其重点，美国已经启动高端制造计划，以期保持在高端制造领域的研发领先、技术领先和制造领先的优势。美国学者撰文提出，“人工智能、机器人和数字制造技术相结合，将会引起一场制造业的革命。美国企业家即使在本土建厂，也能生产出价廉物美的各种各样产品。这样，中国还如何能与我们竞争？美国注定要重新获得制造业的领导权，很快就该轮到中国去担忧了。”2010年欧盟委员会在《欧洲2020战略》中提出“欧洲数字化议程”旗舰计划，推进高速互联网的全面普及，从建设面向企业和家庭的数字化单一市场中受益。

当前，随着美国“制造业回归”强力推动以及国内劳动力土地成本上升，我国制造业依赖传统比较优势参与国际竞争的局面难以持续。在全球经济缓慢复苏、国际制造业竞争加剧、传统比较优势难以持续、新工业革命正在孕育的复杂背景下，中国制造业面临着严峻挑战和重大机遇，亟待加快我国制造业数字化的发展进程，在新一轮国际产业竞争中赢取主动。

我国制造业数字化的现状

改革开放30多年来，中国制造业生产总值2009年以来连续保持世界第一，未来数十年我国将实现从工业大国向工业强国的转变，提高技术创新能力和产品质量水平成为我国制造业发展的迫切需要。

（一）数字化制造技术在我国已经取得大量应用

我国政府组织实施了制造业信息化工程专项，推动设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化，数字化制造技术在我国取得大量应用。目前，数字化制造技术正在深入发展，呈现以下趋势：一是由2D向3D转变，形成以基于模型的定义/基于模型的作业指导书为核心的设计与制造。二是并行和协同，通过产品、工艺过程和生产资源的建模仿真及集成优化技术，提高多学科的设计与制造的协同性和并行性。三是数字化装配与维修，向综合精度、物性、过程、环境等多因素的虚拟装配技术发展。四是数字化工厂，集成应用数字化制造技术的全新生产模式。五是工业互联网，由机器、设备组、设施和系统网络组成，在更深的层面将大数据、数字分析、3D打印等结合。

（二）我国制造业数字化初见成效

数字化制造具有柔性化和敏捷化的特征，能快速响应市场需求的变化，随着制造业从以生产为中心向以市场需求为中心转变，我国制造业数字化发展初见成效。

第一，我国制造业设计数字化方面的投入不断加大，主要行业大中型企业数字化设计工具普及率超过六成。根据《2011中国工业软件产业发展年度报告》，2011年中国工业软件市场规模已达到616.34亿元，预计到2014年市场规模将达到1037.46亿元。

第二，我国数字化制造快速发展，仪器仪表、数控机床、机器人等行业自主创新成效初现，3D打印等新兴产业发展迅速。一是，我国仪器仪表产业近年来增长迅速。2012年我国仪器仪表行业总产值7112亿元，同比增长20.16%。二是，我国机器人研发投入持续加大，工业机器人大量应用。2012年在中国销售的工业机器人达26902台，同比增长19.2%。三是，我国数控机床制造业迅速发展，进口依存度下降至45%。四是，大数据、增材制造、物联网等新兴数字化行业发展迅猛，市场规模高速增长。

第三，我国制造业管理数字化成效显现，信息化技术在制造企业得到大量应用。根据e-works的调查数据，2011年中国制造业有36.7%的企业已经全面应用了信息化；9.9%的企业已经进入到深化应用阶段；40.1%的企业在核心业务部门进行了应用。

（三）我国数字化制造在制造业中的比重有待提高

高技术制造业是制造业数字化发展的主导力量，宏观上可作为制造业数字化发展状况的重要参考。尽管我国制造业生产总值2009年已成为世界第一，但近年来高技术产业在我国制造业增加值所占的比重呈下降趋势，制造业产业结构有待优化。根据中国科技统计年鉴数据，自2003年以来，我国高技术产业总产值占制造业总产值的比重持续下降，尤其是金融危机以来，高技术产业占比的下降幅度进一步加大，2011年降至12.0%，成为近年的最低点。目前，我国制造业与发达国家相比，创新能力不强，高新技术方面仍然处在追赶状态，许多关键的核心技术还没有掌握，制造业综合竞争力较弱，总体上处于国际分工和产业链的中低端。我国高技术产业占制造业的比重大约是美国的三分之一，我国数字化制造在制造业中的比重亟待提高。

我国制造业数字化发展的制约因素

在当前复杂的国际国内环境下，为提升我国制造业在全球产业价值链中的地位，解决制造业大而不强的问题，必须加快从传统生产方式向数字化生产方式转变，跨越难度大，面临严峻困难。

（一）制造业数字化是长期的再造过程，推广周期漫长

从传统制造方式转向数字化制造方式，从基于2D的传统制造模式向基于3D的新型数字化制造模式转换是一场长期的改革，将是动摇现有制造流程的“再造”过程。目前看，我国制造业数字化任重道远，主要原因是核心能力不强，具体表现为：一是技术创新能力不足，具有自主知识产权和高附加值的产品少；二是产品质量不高，产品的质量水平和可靠性有待提高；三是制造水平不够，环境和成本的问题日益突出。

（二）数字化制造的核心软件和关键设备的自主品牌不足，推广成本巨大

我国缺乏自主品牌的数字化制造软件和关键设备，核心软件和关键设备仍然主要依赖国外。数字制造软件系统和关键设备的定价受制于国外公司，先进的数字化制造技术在中国制造业推广难。虽然数字化制造技术是先进制造业的发展方向，但由于数字化制造核心软件和关键设备的价格昂贵，目前只能先在一些高附加值的行业得到应用，普通低附加值行业难以承受，难以得到广泛应用。亟待发展自主品牌的数字化制造软件和设备、提高国内产品的质量水平和可靠性，发展能够大规模推广的数字化制造软件和装备。

（三）缺乏基础数据资源和共享管理机制，专业化标准化艰巨

缺乏足够的基础数据资源和共享管理机制，是中国制造业推广数字化制造技术的难点。根据有关研究，我国数字化的数据资源总量远低于发达国家，每年新增数据量仅为美国的7%，欧洲的12%。我国制造业数字化在专业化、标准化等方面仍存在以下难点：第一，多数复杂制造企业没有数据标准，数据的专业化和标准化成为关键因素。第二，现有数据资源的可利用率不高，降低了数字化的实用价值。第三，各行业系统数据之间缺乏统一标准，数据开放度低。第四，推动公共基础数据建设、知识产权保护和隐私保护方面的法规仍需健全，数据资源开放和共享仍存在种种障碍。第五，数控设备利用率不高，数据配套技术及管理机制没有同步发展。总之，数据资源的标准化、开放化和通用化征途艰巨，难以短期内突破阻碍。

（四）数字化生产方式将改变权力的本质关系，面临改革阻力

制造业数字化不仅是技术变革，还会导致现有的企业管理模式和政府管理机制改变。第一，制造业数字化将导致企业的主体结构从“分层”转向“结网”，产业组织模式将转型为合作式、分散化的扁平结构，将改变企业管理模式，对商业模式也将产生影响。第二，伴随制造业数字化而来的是海量数据，大数据将成为制造业发展的重要资源，信息、知识进一步开放与流动。第三，制造业数字化将促进生产与消费的智能化。多品种、小批量、定制式的新型生产模式将与大批量生产模式并存发展，通过数据挖掘更加精准地锁定消费群体，提供更加个性化的消费产品，提高企业生产及销售效率。第四，制造业数字化将导致政府管理机制变革，企业将充分发挥其在市场配置资源中的作用，政府通过开放、透明、法治、精细化的公共平台为企业提供政策保障与公共服务。数字化生产方式将改变人类社会权力的本质关系，可以预见，发展数字化生产方式将面临重重改革阻力。

对策建议

正如数字电视将取代模拟电视，制造业数字化是中国工业转型升级的新阶段，将推动一场深刻的生产方式变革。把握新工业革命的发展机遇，推动我国制造业从传统生产方式向数字化生产方式的转变，我国经济发展方式将发生根本性变化。

（一）以全球视野顶层设计和推动制造业数字化战略

数字化为制造业开创了一种新型的生产方式，将是一场深刻的生产方式变革。数字化生产方式将动摇传统制造方式的基础，催生新一轮制造业革命。数字化制造成为新一轮工业革命的重点技术方向，在以高档数控机床等为代表的数控切削制造、以3D打印等为代表的增材制造、以工业机器人等为代表的智能制造等领域，产生了一系列的科技创新成果。法国总理2013年2月提出法国数字化路线图，通过推进数字化建设为年轻人提供更多的就业机会；利用数字化提高企业的竞争力；在社会建设和数字经济领域推动法国价值的实现。当前，人工智能技术、机器人技术和数字化制造技术等相结合的智能制造技术开始贯穿于设计、生产、管理和服务等各个环节，催生新一轮制造业变革，我国需要加快以全球视野谋划和推动制造业数字化战略。

（二）积极培育制造业数字化催生的新兴业态

在物联网、云计算、大数据等信息技术快速发展的支持下，数字化制造技术不断提升，加速新兴业态的诞生，比如云制造、工业互联网、机器人、堆积制造等。制造业的内涵不断变化,数字化技术使企业具备快速响应市场需求的能力,催生远程定制、异地设计、协同生产的云制造模式，产品制造模式、生产组织模式、商业模式等发生变化。当前，我国需要加大制造业数字化的政策支持力度，加速我国制造业数字化进程，一是加快重大科技成果产业化；二是鼓励商业模式创新；三是促进生产服务外包；四是引导制造业与服务业融合发展；五是积极培育数字化制造服务产业的新兴业态；六是加大高技术产业在产业结构中的比重；七是积极开展国际交流和合作，推动我国制造业数字化的跨越式发展。

（三）加大传统制造业的数字化技术改造

根据发达国家数字化发展经验，政府的推动和扶持发挥了关键作用。我国需要准确判断和把握新兴产业发展趋势，将数字化技术全面引入制造业：第一，制定产业政策、财税政策、金融政策、商贸政策等，积极推动制造业数字化的发展。应用数字化智能化等先进技术，促进制造业和服务业融合发展，加快新型工业化进程，打造面向未来的新型生产方式。第二，加大传统产业数字化技术改造，注重产业关联发展，提升产业技术水平和产品质量，推进产业技术互动和价值链接，重构传统制造业的产业链，实现新兴产业和传统产业融合发展。第三，市场主导和政策扶持并举，推动资本与产业的有效融合，自主创新与国际合作并行，加快构建产学研协同机制，构建以龙头企业为核心的开放式协同创新体系。第四，调整制造业结构,促进产业链协同创新，加大数字化制造关联产业在产业结构中的比重。第五，积极培育创新型产业人才队伍，培育具有社会合作性、独特个性的新型人才。第六，全面推进与重点突破相结合，发挥我国制度优越性，实行有组织的产业创新，实施制造业数字化重大示范项目，重点突破关键核心技术。

（四）加快建设制造业数字化标准体系

把握制造业数字化趋势，加强对标准化体系的总体规划、开展顶层标准的预研，加快标准的立项与编制。第一，形成产业数据资源共享机制，促进数字化改造从面向单个企业向面向整个行业转变。第二，加强数据标准化工作，建立具有技术先进性与预见性的顶层数据标准，规范和引导数据标准化工作。第三，完善配套标准，规范信息分类与编码标准的衔接与技术协调。第四，加快制造业数字化相关标准的推广和普及，将数字化技术注入传统产品，开展传统产业的数字化制造技术的应用开发。第五，打造产业共性技术的创新平台，加强数字装备和数字制造的基础研究，与数字地球、数字城市等数字技术相适应，发展适合我国国情的数字制造技术和重大数字装备。