智能制造提升中国工业能力

时杰

世界范围的科学技术是进入平台期还是进入突破期？在学界仍有争论，但新一轮的信息技术革命正引领全球工业进入新的发展阶段却是近在眼前的事实。

本轮全球工业化新变革中最重要市场推动因素是2008年世界范围的金融危机。发达国家为了应对金融危机，解决棘手的就业和财政失衡问题，除了开动印钞机救急“治病”的短期对策以外，更是着眼于长远国家战略，纷纷开出了“再工业化”、“产业回归”、“自由贸易区”的药方寻找后危机时代的解决出路。世界范围的产业格局处于变化的前夜。

中国作为世界规模最大的制造业大国，在加入WTO和金融危机之间的全球化进程中，积累了庞大的工业制造能力和巨额的外汇储备，中国制造的产品遍布世界市场。中国工业的起落兴衰与世界市场紧密相连，已经是全球产业分工的重要组成部分。

当下，《中国制造2025》的出炉更是向前迈出了关键一步。这一轮改革的核心就是智能制造，即基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式。主题是促进制造业创新发展；中心是提质增效；主线是加快新一代信息技术与制造业深度融合；主攻方向是推进智能制造；目标是满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求。

新常态下中国工业的发展战略

新一届政府执政以后，面临世界经济发展的新变化、中国经济呈现出新常态的发展特点：经济增长从高速增长转为中高速增长，经济结构优化升级，从要素驱动、投资驱动转向创新驱动。中国政府从区域、金融和产业三个方面重塑中国工业发展战略，提升工业能力。如图1所示。

新一届政府全方位推进我国工业能力的提升：在市场发展战略方面，对内建设推广“自贸区”，对外推广建设“一带一路”，为中国工业深度开发新市场；在金融战略方面，对内推动深化金融改革，稳步推进利率市场化建设，对外倡议建立金砖银行和亚洲基础设施投资银行，为中国工业走向海外提供金融支持。这些政策之间的关系如图2所示。

从图2中可以看出核心战略是产业发展战略，新常态下中国工业如何抓住发展机遇，实现转型升级，提升工业能力？这是新一届政府工业发展战略的核心问题。

在这样的背景下，2015年3月18日，工信部在其官网上发布了《2015年智能制造试点示范专项行动实施方案》，决定自2015年启动实施智能制造试点示范专项行动，以促进工业转型升级，加快制造强国建设进程。该《方案》提出的目标是在2015年启动30个以上智能制造试点示范项目，2016年边试点示范、边总结经验、边推广应用，2017年进一步扩大试点示范的范围，全面推广有效的经验和模式。随后，5月19日，《中国制造2025》正式公布，提出通过“三步走”实现制造强国的战略目标，进一步将智能制造引向深入。

自2015年起，工信部聚焦制造的关键环节，将在基础条件好和需求迫切的重点地区、行业，优先从符合两化融合管理体系标准要求的企业中选择试点示范项目。重点行动体现在六个方面：以智能工厂为代表的流程制造试点示范，以数字化车间为代表的离散制造试点示范，以信息技术深度嵌入为代表的智能装备和产品试点示范，以个性化定制、网络协同开发、电子商务为代表的智能制造新业态新模式试点示范，以物流信息化、能源管理智慧化为代表的智能化管理试点示范，以在线监测、远程诊断与云服务为代表的智能服务试点示范。试点示范项目将实现运营成本降低20%，产品研制周期缩短20%，生产效率提高20%，产品不良品率降低10%，能源利用率提高4%。从《方案》中可以看出，下一阶段中国工业发展战略的核心重要关键词是“智能制造”。

智能制造可以从多个维度进行诠释，最广泛认同的是技术角度的解释，即一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新、扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

智能制造源于人工智能的研究。大部分传统的制造企业在成本和市场的压力下，需要向“智能制造”转型，用自动化和机械设备代替人工。其中原因是信息成为“智能制造”的核心要素之一。

智能制造产品结构的复杂化、精细化，以及功能的多样化，使产品所包含的设计信息和工艺信息量猛增，对于工业经济而言，首先从广告传媒业、零售批发业开始，然后逐步向上下游渗透，包括制造业、能源业、物流业、金融业、保险业、信息传递、医疗、教育，最后整个经济活动都会迁移至互联网，并完成流程再造，最终形成全社会范围的协同价值网络。继土地、资本、劳动力之后，数据成为第一生产要素。随之生产线和生产设备内部的信息流量增加，制造过程和管理工作的信息量也必然剧增，因而促使制造技术发展的热点与前沿，转向了提高制造系统对于爆炸性增长的制造信息处理的能力、效率及规模上。先进的制造设备离开了信息的输入就无法运转，柔性制造系统一旦被切断信息来源就会立刻停止工作。有人甚至认为，制造系统正在由原先的能量驱动型转变为信息驱动型，这就要求制造系统不但要具备柔性，而且还要表现出智能，否则是难以处理如此大量而复杂的信息工作量的。

智能制造能否引领第四次工业革命？

此次《中国制造2025》公布三步走实施路径，新增量化指标。第一个十年两大目标：打造优势产业从3.0向4.0升级，提升弱势产业从2.0向3.0过渡。工业1.0是机械制造时代，工业2.0是电气化与自动化时代，工业3.0是电子信息化时代。工业4.0也就是人们预测的以智能制造为主导的第四次工业革命。

纵观人类的工业发展史，科技进步与产业发展，不仅仅是简单的线性关系，科技进步往往只是为产业升级提供了可能性。科技进步与产业的融合更需要软环境的配合：对外改变国际产业分工的格局，对内实行财政金融产业政策配合，内外结合，往往是一种创造性破坏进程，在此基础上推动全球工业发展进入新阶段。

以人类历史上已经发生过的三次工业革命为例，这三个工业革命表面特征如图3所示。

除了图3所罗列的工业革命的技术和经济指标外，促使工业革命发生还有深层次的四个因素：主导国家、全球贸易规则、全球国际金融规则和相应的理论基础。这四个因素更为重要，如图4所示。

从过往经验来看，工业革命的爆发不仅仅需要科学技术等硬实力，也需要贸易规则、金融秩序等软实力的配合。工业革命的产生的“创造性破坏”的进程，不仅仅有创新生产方式、促进全球产业扩散的一面，也有伴随领先国家的衰落、贸易规则的改变、金融体系的动荡和全球共识的重塑方面的挑战。核心特点是全球产业升级的同时，伴随着产业分工（制造能力）的重组和价值链（资源流向）的重置。以这些条件看，断言现在全球进入第四次工业革命或许为时尚早。

德国工业4.0的借鉴意义

为工业发展精准定位需要吸取历史经验。当今世界，作为一种工业能力的贮备，智能制造受到高度的重视。但是每个发达国家对于智能制造的态度也是有所区别，其原因是每个国家在国际产业分工中地位，和在国家产业价值链所处位置是不同的。

一战之后，美国在国际产业分工价值链处于上游地位，美国通过制定工业标准、贸易规则，控制金融资源等方式维护本国在国际产业分工的领导地位。但作为工业能力储备，美国1992年执行新技术政策，智能制造技术自在其中，美国政府希望借助此举改造传统工业并启动新产业。配合以建立北美自由贸易区、TPP和跨大西洋自由贸易区的区域发展战略，以及强大的金融实力重点控制未来全球工业标准和全球产业价值链的上游。从下图苹果iPad的价格构成看出，一个智能制造不能解决美国目前的失业问题，反而可能加剧失业。

欧盟，尤其是德国，处于国际产业价值链的中游，主要通过技术进步与工业发展融合、主导区域性的贸易规则（欧盟）、控制区域性金融资源（欧元）保持工业竞争力，国内外工业发展软环境处于比较优势的地位，德国工业的比较优势建立在生产效率上，比较重视智能制造。欧洲联盟的信息技术相关研究有一项ESPRIT项目，该项目大力资助有市场潜力的信息技术。1994年又启动了新的R&D项目，选择了39项核心技术，其中三项（信息技术、分子生物学和先进制造技术）中均突出了智能制造的位置。最有代表性的如德国的工业4.0，如图5所示。

但欧盟（德国）工业能力的短板主要是市场不够大，需整合欧盟区域内市场，重整财政秩序，积极开拓欧亚大陆市场和跨太平洋区域市场；另一个制约欧盟工业能力的因素是金融，欧元危机仍旧处于动荡之中，如果缺乏实体经济相应且有力的投资与增长支撑，欧洲经济再次陷入衰退的可能则很难完全排除。因此，欧盟（德国）最迫切需要联手合作伙伴，稳定欧盟经济、在国际产业分工方面有所突破，能够在下一轮国家产业价值链上取得高端地位。

中国大陆制造业总量巨大，技术水平相对落后，表面上看，工业发展的软硬实力都不足。如果仔细分析就不难发现，正是由于正好赶上了二战后全球贸易增长最为迅速的时期，我国工业能力得到了极大提升，成为本轮全球化和自由贸易的受益国，影响国际贸易规则制定的实力逐步增强，金融资源经过十多年积累比较充沛。目前制约我国未来工业发展的主要因素还是继续完成工业化进程，充实工业发展实力，核心问题可以概括为：如何通过“四个全面”的改革，让“改革红利”成为中国工业发展的助翼，利用“互联网+”推动中国工业能力在制造能力（全球价值链）、技术水平（智能制造）、市场结构（化解产能过剩）和金融支持（优化投融资体系）方面更上层楼。

有了上述的分析，就不难理解在这样的背景下中德两国缘何首先提出了加强工业合作、共同推进工业4.0的行动方案。

德国工业4.0研究项目是由德国联邦教研部与联邦经济技术部资助，在德国工程院、弗劳恩霍夫协会、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下形成，并已上升为国家级战略。德国政府已投资两亿欧元进行前期研究。

德国工业4.0的出发点是个性化的需要，一个由智慧产品主导的自治生产网络，满足极端单个体生产需要；主题是智能工厂和智能制造，智能工厂重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现（如图6所示）。

智能制造主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动、3D打印以及增材制造等技术在工业生产过程中的应用等。和传统的制造相比，智能制造系统具有以下特征：

自律能力：即搜集与理解环境和自身的信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。又称“智能机器”，在一定程度上表现出独立性、自主性和个性，甚至相互间还能协调运作与竞争。

人机一体化：IMS不单纯是“人工智能”系统，而是人机一体化智能系统。人工智能机器只能进行机械式的推理、预测、判断，只具有逻辑思维，最多做到形象思维，完全做不到灵感思维，只有人类专家才同时具备以上三种思维能力。人机一体化突出人在制造系统中的核心地位，同时在智能机器的配合下更好地发挥出人的潜能，使人机之间表现出一种平等共事、相互“理解”、相互协作的关系。

虚拟现实技术：以计算机为基础，融信号处理、动画技术、智能推理、预测、仿真和多媒体技术为一体，借助各种音像和传感装置，虚拟展示现实生活中的各种过程、物件等，因而也能拟实制造过程和未来的产品。特点是可以按照人们的意愿任意变化，这种人机结合的新一代智能界面是一个显著特征。

自组织与超柔性：智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称为超柔性。

学习能力与自我维护能力：智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能。同时，在运行过程中能够自行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力。

从核心要点看，德国工业4.0的核心要点是构建智能工厂。智能工厂的架构是基于物联网和服务互联网（具体如图7所示）。

实现智能生产需要实现三大集成：通过价值链实现横向集成、跨整个价值链的工程、垂直集成与网络化制造。智能工厂的关键词是价值和信息：即通过信息技术提高生产效率，提升价值。从工业发展的市场条件看：金融危机后欧美市场面临萎缩困局，德国工业制造产品必须在个性化需要上做文章，对内受制于高福利、劳工保护和老龄化的供给因素制约，推动智能产品主导的自治生产网络势在必行。

智能制造，中国何去何从？

面临扑面而来的德国工业4.0，我国工业转型升级需要做些什么？动力在哪里？从历史和逻辑统一的角度看，一个国家的制造能力提升受制于现有技术、国内外市场、财政金融政策、金融系统多因素影响，必须同时精准发力，才能实现工业的转型升级。

从现有技术角度看，中国工业技术装备落后反而具有后发优势。今年政府工作报告的关键词之一是“互联网+”。如图8所示。

“互联网+”应用于工业发展上，就是要认识信息世界的客观规律，实现虚实结合，借助互联网个性化需要，按需重组工业逻辑。具体包括以下几个方面：基于工业大数据和网络的制造服务，促进工业走向深层次全方位的服务化；3D打印带动个性化制造变革传统研发、制造服务模式；借鉴德国工业4.0，建设智能制造系统；创新企业管理模式，打造智能生产体系；大数据成为工业转型升级过程中必要要素。

从内外市场环境看，我国工业发展也到了从追求数量型到追求质量型的转型升级的阶段，即集约发展阶段。发展的核心要点是：将逐步由过去的促进经济增长和扩大就业向通过促进新技术的创新和扩散提高国民经济可持续增长能力和提升全球竞争力转变。主导模式将逐步由过去粗放的大规模标准化生产和模仿创新向精益化生产和自主创新转变。这个能力的提升如图9所示。

中国仍旧是全球经济增长较快的地区，工业投资仍旧有效益。从工业出口结构看，2013年机电产品和高技术产品出口值分别比2012年同期增长7.3%和9.8%，远远高于全部工业品出口值5%的增长率。其中集成电路出口尤为乐观，2013年累计出口交货值同比增长达64.1%；进入21世纪加工贸易出口占比逐步下降，2013年已降至38.9%。中国工业的竞争力为产业转型升级、发展智能制造留出了广阔空间。

当然中国工业也面临一些挑战，首先是资源环境压力比较大，其次是国际市场，包括生产要素市场和产品市场，在金融危机之后大幅波动，需求萎缩，贸易保护主义盛行，导致工业品出口势头衰减，产能过剩问题突出，企业效益下降明显。我国向全球价值链高端攀升过程中也面临着发达国家的高端挤压和新兴经济体低端挤出的“双端挤压”的风险。一方面，国际金融危机以后，发达国家推进“再工业化”战略，同时，美、欧等国家加速构建新一轮全球贸易、投资秩序新格局，例如积极推进TPP（跨太平洋伙伴关系协议）、TTIP（跨大西洋贸易与投资伙伴协议）。另一方面，新兴经济体快速崛起，发展中经济体如东盟、印度等将以更加低廉的成本优势实现对中国制造的替代。未来我国在攀升全球价值链过程中必须突破高端被发达经济体封杀、低端被新兴国家阻击的“夹击”格局。

我国政府“一带一路”战略的提出，就是打破后危机时代国际贸易保护主义抬头的趋势，主动出击，为我国工业的转型升级提供新的市场和发展机遇，尤其是亚投行的创立，为我国企业走向海外，进行大规模投资创造了良好的金融支撑。对内市场建设而言，自贸区的建设与发展，自贸区负面清单制度是为我国工业转型构建全国统一的市场打下基础。

从工业发展的金融环境来看，智能制造形成的信息经济基础建设已经与传统的工业不同，如图10所示。

我国工业发展、产业转型的资本比较充足，智能制造需要大量资本投入，甚至要重新进行工业能力的基础建设。在欧盟政府债务危机尚未走出困境，美国财政赤字居高不下的背景下，欧美各国投资乏力。例如在中国高铁从无到有里程已经超过一万公里的时候，已经进入执政末期的奥巴马，雄心勃勃曾经要启动上世纪50年代艾森豪威尔开始的州际高速公路工程以来最为宏大的基础设施投资计划。在2011年的国情咨文演说中，奥巴马曾高唱美国的“高铁梦”：“在未来25年里，我们要让80%的美国人坐上高铁。”在他看来，能否重建美国的交通系统，建立新的产业，也决定着美国能否“赢得未来”。奥巴马政府曾规划在全国建设13条高铁线路，但迄今为止，没有一条修成，这和中国形成了鲜明对比。同样，欧美推广智能制造除了面临机器替代人工导致的就业问题之外，比较严峻的问题是工业投资不足，尤其是智能制造前期的大数据系统、云计算等智能制造的基础设施建设环节捉襟见肘。而我国从政府、公司到个人都拥有极高的储蓄率，金融市场对于智能制造的支撑活力还没有充分释放出来，只要制度环境逐步完善，工业发展软硬实力的提升，“大众创业、万众创新”局面的出现，中国工业的转型升级将会是个加速过程。全面跟进，重点突破将是提升我国工业能力的优化路径。