1.1.2 國外智能制造發展戰略

當前，世界主要經濟體的制造競爭力各有不同，大體上可以分為要素驅動、效率驅動和創新驅動三種模式。印度、越南等國家采取的要素驅動模式是指利用基礎設施建設、人口紅利、勞動力、原材料和基本教育等要素的優勢，降低產品生產制造的成本，提升制造行業競爭力的驅動模式。日本受限于自身的地理位置，本土資源匱乏，國內制造業需要從外國進口廉價原材料，經本土加工后再出口，其發展屬于典型的效率驅動，即通過提升制造業的能源效率、管理效率等，提升制造競爭力。美國、德國等老牌制造業強國，其制造競爭力主要是創新驅動模式，創新驅動是新的技術和新的商業模式創造，其目的是展開全新的領域、把握全新的機會，這也是制造競爭力保持領先的核心模式。面對新一輪工業革命這一戰略性的發展機遇，發達國家為了在新一輪制造業競爭中重塑并保持新優勢，紛紛實施“再工業化”戰略；一些發展中國家在保持自身勞動力密集等優勢的同時，積極拓展國際市場、承接資本轉移、加快技術革新，力圖參與全球產業再分工，世界各國根據自身的制造業基礎相繼提出了各自的智能制造發展戰略。其中三個國家層面的戰略計劃具有廣泛的國際影響力：日本提出“社會5.0”戰略；德國提出“工業4.0”戰略；美國提出“先進制造伙伴”計劃與“工業互聯網”戰略。

美國率先提出先進制造伙伴計劃與工業互聯網戰略，旨在通過對傳統工業進行物聯網式的互聯互通，以及對大數據[3]的智能分析和智能管理，實現占據新工業世界翹楚地位的目的。

先進制造伙伴計劃依靠于三大戰略支柱。第一個支柱是加快創新，美國認為，未來制造業將迎來智能化、網絡化、互聯化，技術創新是實現未來制造的助推器，自己要保持制造業領導者地位，必須依賴創新才可以實現。第二個支柱是確保人才輸送，人才歷來是保障國家具有創新能力的關鍵要素，而美國的國情存在優秀人才不愿意進入制造業的弊端，因此保證人才輸送將是實現工業創新的關鍵。第三個支柱是改善商業環境，美國市場是一個充滿競爭的管理資本主義市場，美國一直為本國的市場化的商業環境而感到驕傲，為保證未來的美國制造，自然會格外重視商業環境的改善。

為構建三大戰略支柱，美國提出了十六項措施。通過制定國家先進制造業戰略、增加優先的跨領域技術的研發投資、建立國家制造創新研究院網絡、促進產業和大學之間的合作研究、促進先進制造技術商業化的環境、建立國家先進制造業門戶這六項措施，實現加快創新的目的。通過改變公眾對制造業的錯誤觀念、利用退伍軍人人才庫、投資社區大學水平的教育、發展伙伴關系提供技術認證、加強先進制造業的大學項目、推出關鍵制造業獎學金和實習計劃，確保人才的輸送。美國還計劃通過頒布稅收改革政策、合理化監管政策、完善貿易政策、更新能源政策等措施，改善國內商業環境。

美國的先進制造戰略集中于三大技術領域，具體如下。

1）制造業中的先進傳感技術、先進控制技術和平臺系統（Advanced Sensors, Control technology and Plat Form system, ASCPM）。美國建立了制造技術測試床來測試新技術的商業案例應用，針對高耗能和數字信息制造，建立聚焦于ASCPM能源優化利用的研究所，制定新的產業標準，包括關鍵系統和供應商所供貨之間的數據交叉標準。

2）虛擬化、信息化和數字制造技術。美國建立制造卓越能力中心（Manufacturing Excellence Center, MCE），聚焦于前沿技術開發層面的基礎研究以及數字設計和能效數字制造工具等方面的數字化，聚焦于制造過程中的安全分析和決策中涉及的量大、綜合的數據集，在現有數字化制造和設計創新研究所之外，又建立了一個大數據制造創新研究所。美國還制定部署“網絡-物理”系統的安全和數據交換的制造政策標準，激勵創造和推行系統提供商、服務機構或系統集成商的輔助制造商業化。

3）先進材料制造技術。美國推廣材料制造卓越能力中心以支持制造創新研究所的研發活動，以及支持國家戰略中的其他制造技術領域，利用供應鏈管理國防資產，促進創新和研發中的關鍵材料再利用。為表征材料設計數字標準以快速利用新材料和制造方法，為生物醫療制造等先進制造材料領域的博士生設立制造業創新獎學金。

如圖1-2所示，2014年4月，美國工業互聯網聯盟（Industrial Internet Consortium, IIC）正式成立，該聯盟定位為一個產業推廣組織，由通用電器（GE）、IBM、Intel、AT&T、思科這五家行業頂尖的公司發起，由對象管理組織（Object Management Group, OMG）進行管理。IIC的主要工作范疇包括工業物聯網（Industrial Internet of Things, IIoT）應用案例分析、參考架構和關鍵技術方向總體設計、提煉標準需求、推動安全框架設計、搭建測試床、提供系統解決展示平臺和設計支撐、加速全球產業發展。

截至2017年，美國工業互聯網聯盟已經發布了包括工業互聯網術語、工業互聯網參考架構、工業互聯網網絡連接參考架構技術、商業戰略白皮書等八項成果，通過的應用案例達22個，驗證通過了20個制造技術測試床，待驗證測試床4個，值得注意的是，其中2個為中國牽頭的測試床，分別為城市智慧供水和生產質量管理。

繼美國之后，德國也在2013年4月的漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0”戰略。作為老牌制造業強國，德國擁有強大的設備和車間制造工業，在信息技術領域處于很高水平，且在機械設備制造以及嵌入式控制系統制造方面處于全球領先地位。德國計劃通過實施工業4.0戰略，使德國成為新一代工業生產技術的供應國和主導市場，在繼續保持國內制造業發展前提下，再次提升全球競爭力，實現重新引領全球制造業潮流的目的。

面對亞洲和美國對德國工業構成的競爭威脅，德國提出了包含“1”個網絡、“4”大主題、“3”項集成、“8”項計劃的戰略框架（“1438模型”），如圖1-3所示。

“1”個網絡，即信息物理系統（Cyber-Physical System, CPS）網絡，該網絡將信息物理系統技術一體化應用于制造業和物流行業，以及在工業生產過程中使用物聯網和服務技術，實現虛擬網絡世界與實體物理系統的融合，完成制造業在數據分析基礎上的轉型。信息物理系統具有6C特征：連接（Connection）、云儲存（Cloud）、虛擬網絡（Cyber）、內容（Content）、社群（Community）、定制化（Customization），它將資源、信息、物體以及人員緊密聯系在一起，從而創造物聯網及相關服務，并將生產工廠轉變為智能環境。

“4”大主題，即智能工廠、智能生產、智能物流和智能服務。智能工廠通過分散的、智能化生產設備間的數據交互，形成高度智能化的有機體，實現網絡化、分布式生產。智能生產則是將人機互動、智能物流管理、3D打印與增材制造等先進技術應用于整個工業生產過程。在智能工廠和智能生產過程中，人、機器和資源如同在一個社交網絡里一般自然地相互溝通協作，智能產品也能理解它們被制造的細節以及將被如何使用，從而協助生產過程。智能工廠與智能移動、智能物流和智能系統網絡相對接，構成了工業4.0中未來智能基礎設施中的一個關鍵組成部分。

“3”項集成指的是橫向集成、端到端集成和縱向集成。通過價值網絡實現橫向集成，將各種使用不同制造階段和商業計劃的信息技術（Information Technology, IT）系統集成在一起，既包括一個公司內部的材料、能源和信息，也包括不同公司間的配置。貫穿整個價值鏈的端到端工程數字化集成，針對覆蓋產品及其相聯系的制造系統完整價值鏈，實現數字化端到端工程，并在所有終端實現數字化的前提下，實現基于價值鏈與不同公司的整合，在最大限度上實現個性定制化。縱向集成指的是垂直集成網絡化制造系統，它將集成處于不同層級（例如，執行器和傳感器、控制、生產管理、制造和企業規劃執行等不同層面）的IT系統，即在企業內部開發、實施和縱向集成靈活而又可重構的制造系統。

“8”項計劃，即優先執行的八個重點關鍵領域，分別是建立標準化和參考架構、管理復雜系統、為工業提供全面帶寬的基礎設施、建立安全和保障措施、實現數字化工業時代工作的組織和設計、實現培訓和再教育、建立監督框架、提高資源利用效率。

除此之外，德國工業4.0的構建還依賴于九大技術支柱，如圖1-4所示。

其中，工業互聯網、云計算、工業大數據是基于分布式和連接的三大基礎，3D打印和工業機器人是兩大硬件工具，工業網絡安全和知識工作自動化是兩大軟件支持，虛擬現實和人工智能是面向未來的兩大牽引技術。

德國工業4.0的核心是連接，要把設備、生產線、工廠、供應商、產品、客戶緊密地連在一起，將無處不在的傳感器、嵌入式終端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器以及服務與服務之間能夠互聯，實現橫向、縱向和端對端的高度集成，通過讓物聯網和服務互聯網滲透到工業的各個環節，形成高度靈活、個性化、智能化的生產模式，推動生產方式向大規模、服務型制造、創新驅動轉變。