0 引言
制造业是国之重器，是国民经济的物质基础。近年来，在中国工程院的领导下，笔者参与了《制造强国战略研究》《工业强基战略研究》等多个项目的研究工作，参与了工业与信息化部领导下的制造强国建设战略咨询研究。2015年及2017年，笔者还专门访问美国，考察了美国制造业创新研究院。现就创新驱动、强化基础、智能制造、建设制造强国等议题发表个人的见解。
1 世界工业发达国家制造业发展战略
近年来，世界各国，特别是工业发达国家，都在大力重振制造业，纷纷出台新的制造业发展战略。
2013年，英国提出《未来制造业》(《The Future of Manufacturing》)发展战略。2017年，英国一份咨询报告中更提出了“让制造更智能(Made Smarter)”的愿景。
2013年，德国出台《工业4.0》战略，聚焦智能制造及互联网。2019年，进一步提出《德国工业2035》规划，聚焦若干先进制造领域。应该指出，在德国，《工业4.0》也是处于发展过程之中。2014年，德国西门子总裁在韩国庆祝韩国国家工程院建院20周年的大会上作主旨报告，他的报告主题的副标题是“走在工业4.0的路上(On the Way to Industry 4.0 )”。
早在2011年，美国政府提出《先进制造伙伴计划》(《Advanced Manufacturing Partnership》)战略，提出“在哪里发明，在哪里制造”的口号，要重新夺回制造业的世界市场。美国总统科技顾问委员会的多份报告都认为，美国制造业的主要问题是：在原创性成果到产业化间存在鸿沟，或称之为“死亡谷(valley of death)”[1-6](见图1)。如按技术成熟度来衡量，他们再三强调要重点解决4～7级关键共性技术，或称之为竞争前技术(precompetitive technology)。为此，美国于2013年组建了国家制造创新网络(National Network for Manufacturing Innovation，NNMI)，其目标是建设一批制造业创新研究院，在原创性成果与产业化间架设桥梁。该计划于2016年更名为《制造业美国》(《Manufacturing USA》)，目前已有14所制造创新研究院并组建成了网络[4-6]，网络中各成员可充分利用联盟单位的已有研发基础及条件，如图2所示。值得注意的是：这些制造创新研究院均由产学研机构组成创新联盟来统一管理运行，而联盟成员的66%是企业，企业中66%又是中小企业。
图1 制造业研发与产业化间的“死亡谷”
Fig.1 “Valley of death” between invention and commercialization
图2 由一批制造创新研究院 组建成的美国国家制造创新网络
Fig.2 National Network for Manufacturing Innovation by a number of manufacturing innovation institutes
美国14所制造创新研究院中，增材制造、数字化制造与设计、清洁能源智能制造及先进机器人4所研究院聚焦智能制造领域，其余研究院则聚焦生物、电子、材料工艺及能源等领域，这些研究院已初步取得成效。在2017年美国国家科学院召开的会议上，洛克希德-马丁公司认为，制造创新研究院为公司提供了竞争前技术，很有价值，他们已参加了多所创新研究院产学研联盟[3]。2019年，美国进一步提出“美国领导先进制造业战略(Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing)”[7]。
总之，他山之石、可以攻玉，国外工业发达国家重振制造业的经验和教训值得我们借鉴。
2 我国制造业现状
我国已是世界制造大国，我国制造业的现状可以归纳为“大而不强”。图3所示是2013年美国公布的数据，可以看出，我国制造业增加值已位居世界第一，美、日、德则分居第2、3、4位[3]。
但是，我国制造业的主要问题是：创新能力弱，缺乏关键核心及共性技术。根据国际权威机构发布的全球创新能力指数(global innovation index)及全球竞争力指数(global competitiveness index)，我国排位仍处在15～20之间。2014年，中国工程院向马凯副总理汇报“制造强国发展战略”时，马凯副总理提出，是不是制造强国，要有几个重要标志，如航空发动机能不能实现自主研发等。应该指出，我国民用航空发动机及重型燃气轮机与国外相比，仍有相当大的差距。又例如，我国正在大力推广工业机器人，已是世界机器人消费第一大国，但是多数仍依赖进口。2019年，笔者随中国工程院赴广州考察时了解到，广东已有上百家制造机器人的企业，但是，广州汽车制造公司的流水线上，几乎全部是进口的高端工业机器人。因此，我国制造业要从中、低端走向中、高端，仍有很长的路要走，切忌急躁情绪，以为指日可待。
图3 1999年及2013年世界制造业增加值 分布及比较图
Fig.3 Distribution of world manufacturing value added in 1999 and 2013
3 我国制造强国发展战略及五大工程
中国工程院十分重视我国制造业的发展。在2004年“国家中长期科技发展规划战略研究”报告及2008年“装备制造业自主创新战略研究”报告[8]中，都将“数字化、智能化设计制造及基础装备”作为制造业科技发展的重大专项之一。
2013年，中国工程院正式启动“制造强国战略研究(一期)”咨询项目，有100余位院士和专家积极参加。2014年初，中国工程院正式向国务院汇报，并提出实施“制造强国”发展战略计划。在此基础上由工业和信息化部牵头，会同有关部委，正式起草《中国制造2025》战略文件(以下简称《发展战略》)[9]。该文件于2015年5月由国务院正式颁布，同时分别成立制造强国建设领导小组及由40多位专家组成的制造强国建设战略咨询委员会。中国工程院主持的“制造强国战略研究”二期及三期项目仍在进行之中。
《发展战略》提出了三步走的战略目标：到2025年，我国制造业进入世界制造强国行列；到2035年，我国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平；2045年或建国100周年，制造业科技水平处于国际前列，接近或达到美国水平。
为实施《发展战略》，要聚焦推进“五大工程”，即：创新体系建设工程、工业强基工程、智能制造工程、绿色制造工程及高端装备创新工程。
需要强调的是：我们既要重视将智能制造作为主攻方向，又要关注到“五大工程”是相互联系、相互支持的(图4)。没有传感器等基础元器件，没有基础材料和先进工业，何来智能制造。
总之，《发展战略》的颁布，极大地调动了企业界、学术界等工程科技人员的积极性，将举全国之力，为建设制造强国而努力奋斗。
图4 相互联系、相互支持的“五大工程”
Fig.4 Five important projects interconnected and integrated
4 建设制造业创新体系[9]
我国长期以来关键共性技术(即竞争前技术)缺位的现实严重影响了科研成果的转化[8]。为此，《发展战略》将建设一批国家制造业创新研究中心作为十分重要的战略任务。制造业创新研究中心的目标：一是研发工作,并为大/中/小企业提供关键共性技术(技术成熟度：4～7级)；二是要培训相关技术的工程技术人员及高级技工；三是要在政府的支持下,逐步实现自主经营，进而具备可持续发展能力。
目前，我国制造业创新研究中心的运行模式主要采用“公司+联盟”方式。要求国内相关领域的主要产(包含大/中/小企业)、学、研单位整合起来，组成协同创新联盟，并形成网络。创新中心要充分利用已有的资源和装备，而不是另起炉灶，从零开始。当然，我国制造业创新研究中心的运行模式仍在探索和积累经验阶段，有待进一步完善。
据不完全统计，到2019年6月，我国已建成或通过建设方案论证的已有13所国家制造业创新研究中心，它们是：动力电池、增材制造、印刷与显示、机器人、信息光电子、轻量化材料与装备、数字化设计与制造、智能传感器、集成电路、先进功能纤维、先进轨道交通装备、智能网联汽车、农机装备等[10-11]。其中有4所研究中心聚焦智能制造领域，为智能制造提供创新平台。目前，这些制造业创新研究中心主要集中于我国东部工业发达地区。
5 加强工业基础[9，12]
长期以来，我们受“重产品、重型号，轻基础、轻工艺”，及“重硬轻软”等思想的影响，存在急于求成、“立竿见影”等急躁情绪，结果是投入虽大但碎片化问题突出，效果适得其反。应该指出，当年我国“大院、大所改制”的做法进一步造成了产业关键共性技术研发缺位[8]。
近年来，工业与信息化部领导多次强调“基础不牢、地动山摇”。加强工业基础建设的重要性日益受到重视，大家一致认为要下大功夫、持之以恒，才能真正打好工业基础。因此，总结以往经验教训，《发展战略》专门将“工业强基工程”作为“五大工程”之一。“工业强基工程”聚焦于“4基”：基础元器件、基础材料、基础先进工艺及相应的基础标准。最近，各界人士建议应再增加“1基”，即基础工业软件。
加强工业基础研究，需要政府支持，产、学、研、用四方组成协同创新联盟。加强工业基础，一方面要补短板，解决一批当前国家急需的关键共性技术；另一方面，更要有长远规划，扎扎实实地建设一批工业基础创新平台，解决“大院、大所改制”后长期以来存在的“共性技术”缺位问题。例如，在“创新体系建设工程”中，要建设一批如传感器、轻量化材料、数字化设计与制造等创新平台。
6 数字化是智能制造关键共性技术[13]
智能制造是基于新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型制造模式。智能制造可包括智能生产制造、智能产品、智能装备及智能服务等方面[14]。
现聚焦智能生产制造及智能工厂作进一步论述。应该指出，感知、决策、控制、建模仿真及相关支撑工业软件是智能制造过程及智能工厂的关键共性技术。美国数字化制造与设计创新研究院及智能制造创新研究院也都将感知、控制、高性能计算建模与仿真及软件平台作为关键共性技术。
智能制造不等同于“机器人换人”，也不等同于“黑暗工厂”。总之，智能制造不是自动化，而是应具有自感知、自决策、自控制等功能。其中数字化是关键技术基础，而建模与仿真则是其科学基础。
早在2006年，美国国防先进研究计划署(DARPA)就提出“加快材料研发计划(Accelerated Insertion of Materials)”，要求材料工艺研发周期缩短一半，研发经费减少一半(half the cost, half the time)， 以满足产品研发的需要，而其核心内容就是建模与仿真。美国研发波音787飞机时，采用了“4-D”技术，即数字化设计、数字化制造、数字化研发及数字化全生命周期。同样，英国Rolls-Royes公司研发航空发动机关键零部件时也采用“全流程建模与仿真技术”(图5)。2018年，中国工程院组团访问德国西门子研发机构时，他们提出“数字孪生(digital twin)”是智能工厂(含产品、制造、服务)的心脏(图6)，而建模与仿真则是其核心技术。
图5 Rolls-Royse公司全流程建模技术
Fig.5 Through process modeling technology by Rolls-Royse
图6 德国西门子公司产品-制造-服务 “三维数字孪生”方案
Fig.6 “3D digital twin” including product-manufacturing-service by Siemens
据报道，美国2005年研发波音767飞机时，大飞机需要进行77次风洞试验，研发波音787飞机时，采用建模与仿真技术，仅需进行11次风洞试验，大大缩短了研发周期，并降低了研发成本。2014年，美国通用电气公司采用高性能计算机模拟和优化航空发动机喷嘴设计，大大提高了发动机的效率，降低油耗，减少污染。
应该指出，我国在数字化设计与制造方面，特别是建模与仿真技术方面已取得重要进展，为发展智能制造提供了重要技术支撑。早在2002年，我国“三峡工程”水轮机叶轮不锈钢叶片铸件在中国第二重型机械集团公司首次浇注成功，打破了水轮机叶轮大型铸件受制于人的局面[15]。该铸件研发过程中采用了清华大学自主研发的“铸造之星”模拟软件，新华社专门对此成果进行了报道，并指出：该铸件的研发成功“打破了国外公司垄断该种叶片关键制造技术的格局”。
近年来，我国航空工业及汽车工业在数字化设计工程应用方面取得了较大进展，华中科技大学在数字化装备，浙江大学在高端数控装备数字化设计，上海交通大学、清华大学、西北工业大学等高校在材料成形制造领域的建模与仿真技术均取得显著进展。例如，清华大学联合中国航空发动机材料研究院、黎明航空发动机集团公司，采用产、学、研联合研发方式，完成了“航空发动机单晶叶片模拟仿真及工程应用”项目，该项目于2019年获北京市科技进步一等奖。
7 结束语
我国已是世界制造第一大国，取得了一批举世瞩目的成果。但是，总体而言，我国制造业大而不强，创新能力弱，缺乏关键核心及共性技术。我国制定的制造强国发展战略提出了三步走的发展目标，争取在建国100周年进入世界制造强国前列。为实施《发展战略》，需聚焦“五大工程”。“五大工程”相互联系、相互支持；智能制造是主攻方向，要通过建设一批制造业创新研究中心和大力推进工业强基工程，为智能制造工程提供有力的创新平台和技术支撑；数字化设计与制造是智能制造关键共性技术，而建模与仿真是数字化设计与制造的科学基础。我国在数字化设计与制造领域已经具有较好的技术基础。
我们要充分认识到：全面实施智能制造，建成制造强国，任重而道远。
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[2] President’s Council of Advisors on Science and Technology (U.S.).Report to the President on Capturing the Domestic Competitive Advantages in Advance Manufacturing[R]. Washington D C: Executive Office of the President, President’s Council of Advisors on Science and Technology, 2012.
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