先进制造技术发展趋势与战略部署：智能制造、基础科学研究与国际领先实验室建设

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    在分析先进制造技术的内涵、体系架构、典型特征和主要分类的基础上，总结国内外先进制造的发展趋势和战略部署；总结了处于先进制造技术前沿的美国、德国、日本三大制造强国的布局。 、企业应用及产业发展现状；结合国内外发展趋势，提出推进智能制造、加强基础科学研究、布局国际领先的国家实验室和创新中心、打造自主领先的制造业产业集群等建议。

    在大国竞争背景下，先进制造技术是支撑和发展国民经济的基石和动力，已成为各国科技创新的主战场。近年来，制造领域提出了现代集成制造、增材制造、智能制造等一系列先进制造模式，如满足大规模需求和个性化定制的柔性制造模式、大规模材料加工和制造等。基于生物功能的物质转化。这些先进制造模式在生物医药、新材料、航空航天等核心制造领域的基础研究、技术研发与扩散、产业应用和孵化等方面取得了重大突破和快速发展，对我国制造业高质量发展至关重要行业。起到了巨大的推动作用。 2012年到2021年，制造业增加值从16.98万亿元增长到31.4万亿元，中国制造业占世界的比重从22.5%提高到近30%。连续12年保持全球第一制造大国地位。 2022年上半年，我国装备制造、原材料、电子信息等25个先进制造业集群实现产值6.2万亿元，有效支撑区域经济发展。探索分析建设制造强国背景下先进制造前沿技术的发展现状，并以此为基础，进一步推动制造业高质量发展道路，具有一定的理论和现实意义。未来。这也是当前研究者关注的热点问题。

    先进制造技术概述

    概念内涵

    20世纪80年代末，美国国家竞争力明显削弱，贸易逆差过大，许多优势产业逐渐失去竞争力。为了振兴制造业，改变国内制造业的颓势，美国投入大量资金进行先进制造技术的研究。很早就提出，先进制造技术主要包括计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机辅助工程、机器人与柔性制造技术、自动控制系统、数控技术与装备等信息技术。后来，它得到世界各国的认可和推广，并开展了相关理论和实际应用的研究。纵观四次工业革命的历史进程，从机械化生产、电气化生产、自动化生产到智能化生产，先进制造技术也随着工业革命的进程而发展。因此，先进制造技术是在传统制造技术的基础上，充分吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理技术，并综合运用到产品设计、加工装配、检验检测、企业管理等方面的结果。 、售后服务乃至产品报废回收，实现高效、清洁、柔性生产，提高公司对动态市场的适应能力和竞争力。

    建筑学

    先进制造技术涵盖内容复杂广泛，在各国技术演进过程中具有不同的体系结构，但其本质是自然科学、社会科学、经济学和管理科学的有机融合。美国机械工程师学会（ASME）成立于1880年，较早提出基础制造技术、新型单元制造技术和系统集成技术构成先进制造技术体系架构，得到大多数研究者的认可。

    (1)基础制造技术。是指当今仍广泛使用的传统的、经济的基础技术，如精密铸造、精密加工、精密测量等，以及包括铸造、锻造、焊接、热处理、表面防护、机加工等制造工艺。这些基础技术通过优化工艺形成的优质、高效、低耗、清洁的基础制造技术，是先进制造技术的核心和重要组成部分。

    (2)新型制造单元技术。随着科学技术和市场需求的快速发展，传统制造技术与信息、新材料、医药、新能源等领域相结合，形成增材制造技术、微纳制造技术、和仿生制造技术。这些行业（模型）属于新型制造单元技术层。

    (3)系统集成技术。这个层面强调“聚合”，即先进制造模型/系统。它是先进制造单元技术与组织管理相融合的现代集成制造模式。它涉及机械、电子、信息、生物学等学科的交叉，也融合社会。科学与经济相结合，实现商业应用和产业发展。当前，制造业活动是以智能制造等新一代信息技术为代表的高新技术来组织和支撑的。

    典型特征及分类

    先进制造业具有制造技术前沿、产品附加值高、管理水平领先、综合竞争优势明显等显着特征。它包括高新技术产业化形成的新业态，以及采用先进制造技术、发展理念、组织形式、管理模式等。转型升级后的传统制造业注重集约化、智能化、绿色化发展模型，突出与服务的深度融合。

    先进制造技术的分类多样，涉及学科多，技术内容广泛。国内外研究者对其应用层次的划分进行了研究和总结。阿德勒较早提出先进制造技术主要应用于设计（）、制造（）和管理（）活动。在此基础上，研究人员对其进行了完善和扩展。加尼等人。指出，由于先进制造技术的集成化特点，要求产品规划和执行高度集成，纵向和横向密切配合，灵活、适应性强、分散决策的有机组织结构更有利于提高先进制造技术。制造技术的性能水平。认为先进制造技术是一系列具有复杂功能的制造技术，并将其分为信息技术、工程技术和生产技术三类。 Obi等人从技术维度出发。认为先进制造技术由于计算机、微电子、信息和管理学科的综合发展而打破了制造技术的孤立界限。王桂莲等认为，先进制造技术是一个多维度的概念，包括从市场需求、产品设计、工艺规划到制造过程和市场反馈的人-机-物理系统工程。

    一般来说，先进制造技术分为三类：（1）设计先进制造技术。利用先进技术降低产品设计成本、缩短设计周期和占领市场时间、提高生产效率的技术，如计算机辅助设计。 (2)制造先进制造技术。是指通过控制制造过程来提高产品质量和生产效率，如数控技术、机器人技术、快速成型技术等。 (3)管理先进制造技术。通过市场研究、产品设计、产品制造、质量控制、物流、销售和用户服务等一系列活动，我们确保企业内部和整个供应链更快、更有效的沟通，包括制造资源规划、精益生产和全面质量管理等

    国内外先进制造业战略部署

    随着全球创新实力格局不断加速重塑，围绕制造业创新的竞争成为新的焦点。中国制造业依靠人口、资源、制度等传统发展模式的优势已成为过去，低端制造业的低成本优势日益消失。特别是国际金融危机后，世界各国纷纷加大力度发展先进制造业，通过技术创新提高制造业竞争力。

    2008年，美国提出“再工业化”战略。 2012年、2013年推出“美国先进制造业国家战略计划”和“国家制造业创新网络计划”，发展以高新技术为基础的高附加值制造业； 2018年10月发布《国家先进制造业引领战略》，提出一系列扩大国内制造业产业供给能力的发展和推广技术措施； 2022年10月7日，白宫国家科学技术委员会发布《先进制造业国家战略》，开发和应用先进制造技术，制定了未来四年美国先进制造业发展的三大战略目标今年，11个战略子目标和37条具体建议旨在增强美国制造业的全球竞争力，确保美国先进制造业在全球的领先地位。英国于2019年5月发布《国际研究与创新战略》，德国于2019年2月推出《国家产业战略2030》，以占据未来产业的领先地位。

   

    先进制造技术承载着技术创新与经济效益融合的重大期望。近年来，新一代信息技术与制造业深度融合，成为产业发展的催化剂和孵化器，推动人工智能、物联网、大数据与制造业融合发展。为寻求新的产业发展业态和利润增长点，抢占发展机遇，许多国家纷纷跟进并制定了本国的新型工业化战略（表1）。

    表1 全球主要工业国家智能制造和生产网络化新产业战略（平台）

    全球典型国家先进制造技术创新路径

    在先进制造技术的具体领域，美国、德国、日本等国家拥有技术领先地位，制造前沿技术是其保持制造优势和国家竞争力的核心要素。总体而言，现有研究主要集中在三个方面：一是先进制造的战略部署和发展实践，二是先进制造技术整体领域的发展趋势，三是先进制造技术的优势比较和发展策略。各国的制造技术。因此，本文围绕这三个方面，回顾美国、日本、德国三个制造强国先进制造技术的前沿布局、企业应用和产业发展。

    美国

    美国制造业主要集中在生物医药、新能源、新材料等价值链高端先进制造业。将国家级研发能力与关键技术突破紧密结合，在计算机辅助设计技术、仿生制造技术、工业机器人、增材制造技术等方面保持世界领先地位。这与美国为支持先进前沿技术战略而设立的多个先进制造技术创新中心和国家实验室的研究贡献密切相关。

    1）创建国家先进制造技术中心。为推动先进制造技术成果转化，重塑美国制造业领导地位，2012年，美国政府宣布启动“国家制造业创新网络计划”，振兴美国制造业。美国先进制造国家计划办公室与美国国防部、能源部、航空航天局等联邦政府部门合作，共建45个“制造创新机构”，推动技术孵化和快速推广，形成全方位从基础研究、技术研发到应用推广和规模化。用于大规模生产的制造创新网络。 2012年8月，国家增材制造创新中心成立，成为美国国家制造创新网络计划下的第一个研究机构。这是奥巴马政府推动美国再工业化的重要举措。 2014年至2017年，数字化制造与设计创新中心（DMDII）、轻量化现代金属制造中心（IACMI）、基于宽禁带半导体技术的新一代电子电力制造中心（Next Power）和另外七个国家先进制造技术中心已成为美国国家制造业创新网络的一部分。

    2）创建国家重点实验室。 20世纪30年代至80年代，为了满足军方对先进技术的需求，美国联邦政府在美国能源部、国防部、国家航空航天局等联邦部委下建立了庞大的国家实验室系统，业务遍及100多个国家。实验室。其中，美国能源部拥有70多年国家实验室建设和管理经验。美国共有17个国家实验室，其中10个由能源部科学办公室管理，3个由能源部下属的美国国家核安全管理局管理。国家核安全局（NNSA），其余四个由能源部直接管理。它们分布在多个地区，开展长期、富有挑战性的科研任务，开展跨领域科学研究，形成了完整的国家实验室体系。在基础科学领域，有费米国家加速器实验室、SLAC国家加速器实验室（前身为斯坦福直线加速器中心）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los LANL）、布鲁克海文国家实验室、橡树岭国家实验领域先进计算领域有阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室。在环境能源领域，有太平洋西北国家实验室和SLAC国家加速器实验室，均具有较强的科研实力和研发实力。贡献。例如，国家能源技术实验室（NETL）主要致力于科学、技术和能源方面的研究。它也是美国唯一的化石燃料技术国家实验室。艾姆斯实验室（Ames）主要致力于新材料的设计、合成与制备、材料表征、计算化学、凝聚态物理理论等方面的研究。特别是在稀土研究方面一直处于世界领先地位。其最近的研究开发的框架建立在当前最先进的化合物实验和了解化学不稳定性的方法之上。美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室是美国负责核武器设计的两个国家实验室之一。它最初负责原子弹的制造、基础科学研究和粒子加速器的开发。这些国家实验室有的由私营公司管理，有的由研究型大学运营。在一定程度上可以很好地将研究方向与工业应用结合起来。他们通过政府的力量，把工业界、大学、科研机构聚集在一起，成为美国。科研体系中最重要的部分。

    德国

    德国是世界重要工业国家之一，在工业领域特别是制造业具有领先地位和优势。德国机械制造业31个行业中，有17个行业处于世界领先地位。 2021年，德国工业增加值已占国民经济收入的23%。不仅是欧盟体系国家中最高的，而且在全球处于领先地位。目前，德国工业始终处于领先地位的重点领域包括机械设备、汽车、光学、医疗器械、绿色科技、国防、航空航天、增材制造等领域。这与德国推出并实施的制造计划密切相关。

    1）出台并实施各项产业规划。为了应对其他国家劳动力成本低廉的挑战，德国在20世纪90年代开始实施制造技术发展计划。 1995年颁布的《制造技术2000年纲要规划》明确了机床结构技术和关键零部件设计制造技术的研究。 1999年颁布的《德国21世纪信息社会行动计划》大力发展信息通信技术和互联网基础设施。 2010年7月，德国政府发布《德国2020高科技战略》报告，重点关注气候/能源、健康/营养、交通、安全和通信五个领域，支持制造业革命性新技术的研究和创新场地。 2013年4月，德国政府在汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0战略”，推动实体生产与虚拟数字化连接，重点支持原材料、化工、装备及机械制造、汽车及零部件制造、光学、医药仪器仪表行业、环保科技行业、国防工业、航空航天工业以及采用3D打印等新型制造技术的公司。

    2）建设智能工厂，实现智能制造。德国提出工业4.0概念后，经历了小批量柔性定制生产阶段、工业互联网阶段和基于数字孪生技术的发展阶段。当前，采用面向服务架构的智能网络，建立人、机器、产品互联互通的智能先进制造方式，提高效率、降低成本、加快响应。实现从产品研发、试制、原材料采购、库存、量产、质检、售后全产品生命周期的智能化管理，从技术源头输出智能制造的世界标准，建立和拓展智能制造的世界标准。德国智能制造技术的扩散效应和领先优势。西门子PLC通信网络为先进制造生产线提供了丰富的网络解决方案。其Mind工业互联网平台可以大规模采集工业数据并进行数据建模、模型部署和模型分析。

    日本

    日本在机械设备制造、半导体制造设备、机器人等尖端制造技术方面处于领先地位。特别是日本在材料强制成形技术和数控机床的长期发展方面继续保持技术领先地位。近年来，聚焦工业互联网、人工智能等领域，通过制定标准化发展战略、加大政府投入等方式，重点大力发展智能制造系统。

    1）制定年度制造业发展战略。 1999年，日本第2号法《制造业基础技术振兴基本法》第8条规定，政府机关每年必须向国会提交关于振兴基础制造技术的实施政策的报告，即《制造白皮书》，日本经济产业省、厚生劳动省、文部科学省等3部委每年联合发布一份“日本制造”白皮书，详细介绍了日本政府为促进制造业发展所采取的措施。作为日本制造业从业者及相关人员的方向指南，确定了制造业的基础战略地位，明确了产业基础技术的发展必须持续推进。 2016年提出重点关注物联网、机器人和产业价值链等领域，旨在构建完整的日本智能制造体系； 2017年提出“互联工业”，加速工业数字化进程，重点发展“无人驾驶+移动服务、生产制造+机器人、工厂+基础设施安全”等。2018年，应对工业焦虑制造业发展中的人才恐慌、数字化人才培养和人工智能应用普及将加强。 2022年5月，日本政府在内阁会议上发布2022年版《制造业白皮书》，指出日本制造业受到全球半导体短缺的严重影响，强调加强半导体竞争力的重要性行业，需要大量的数据通信。 5G移动通信系统和量子计算机等能够快速提高计算机处理速度的数字技术将增强日本的竞争力。

    2）政府大量增加科技直接投资。 20世纪50年代，日本成立了日本开发银行等多家金融机构，积极推动产学研合作与创新，为中小微企业提供融资支持。在保护企业的立法方面也走在世界前列。 1995年以来，日本科技投入占GDP的比重与美国、英国、德国、法国相比一直位居第一。 1960年以来，日本政府对科技的投入翻了一番。当企业遇到技术瓶颈时，日本政府大力利用财政措施鼓励民间研发活动，特别是在机械制造领域，让日本从引进技术转变为自主研发技术，并在特定领域成为世界领先者。字段。

    中国

   

    中国高度重视先进制造，近年来启动了一系列顶层设计和重要部署。提出通过自主创新实现重点行业前沿技术重大突破，打造一系列具有重大全球影响力的知名品牌，打造世界级先进制造业集群。

    一是做好顶层设计和重要部署。 2015年，工信部正式发布的《中国制造2025重点领域技术路线图》明确提出，先进制造业重点发展领域包括11个新一代信息技术产业、高端数控机床等。以及机器人和航空航天设备。重点领域，此后，在各有关部门的大力推动下，一系列制造强国建设的政策措施、行动计划和技术路线相继出台。 2021年12月28日，工业和信息化部等八部门联合印发《智能制造发展“十四五”规划》。以智能制造为代表的新一代信息技术与先进制造技术深度融合的产物现代制造将构建智能制造公共服务体系，赋能制造业高质量发展。在500种主要工业产品中，中国40%以上的产量居世界第一。目前，中国在航空航天、高铁、核电、通信设备、多轴精密重型机床等领域建成了全球规模最大、技术最先进的网络基础设施，产品已具备全球竞争力。

    2）建设先进制造园区。先进制造园区是先进制造业发展的重要载体。例如，中国北部沿海综合经济区（北京、天津、河北、山东）是全国最具实力的高新技术研发和制造中心，是东北地区的能源原材料制造基地，南部沿海地区是全国最具实力的高新技术研发和制造中心。汇集国外先进技术，打造高新技术产品制造中心和高端耐用消费品、非耐用消费品生产基地。目前，中关村科技园区、深圳高新技术产业园区、上海张江高新技术产业开发区在先进制造业园区百强名单中位列前三。 2021年先进制造业园区百强分布在24个省（区、自治区、直辖市），其中江苏数量最多，有22个；广东省排名第二，有10个；浙江省有9个，排名第三。

    三是大力发展国家创新中心。 2016年4月，工业和信息化部、国家发展改革委、科学技术部、财政部联合印发《制造业创新中心建设实施指南（2016-2020年）》 ，确定国家制造业创新中心是国家创新平台的一种形式。作为“中国制造2025”五个重点工程之一，制造业创新中心建设担负着关键共性技术的研究和产业化应用。 2016年以来，我国在信息光电子、高性能医疗装备等重点领域建立了24个国家制造业创新中心，分布在北京、西安、武汉、上海、内蒙古等省、自治区、直辖市中央政府。 2018年，国家集成电路创新中心、国家轻量化材料成形技术装备创新中心、国家数字化设计制造创新中心等6个国家制造中心在上海、北京、武汉等地成立，瞄准领域集成电路和智能传感器。建立产业创新中心（平台），通过共建联合实验室、成立创新联盟等方式打造高水平创新合作模式，推动制造强国建设。

    从美国，德国，日本和其他国家的高级制造业的发展历史，高级制造技术，高增值产品，高科技行业以及独立的创新和技术转型能力都是关键要素高级制造的开发。中国在一些先进的制造领域中有技术限制，尤其是在新一代信息技术，高端设备，生物医学和新材料的领域中，而且仍然很少有重大的技术突破。与建立强大的制造国和发达国家的发展水平的要求相比，中国先进的制造业的发展仍然遭受不完善的创新系统，低市场集中度，迫切需要优化先进制造的发展环境以及高级制造领域的国际竞争不足。等待着突出缺点和问题。

    目前，高级制造的创新模式和技术应用将显示多极特征。从技术应用领域的角度来看，已经形成了三种主要的技术应用模式：信息技术，生物技术和能源技术。在信息技术，云计算，大数据，物联网，人工智能，移动互联网，数字双胞胎，区块链等方面，已经形成了一个以技术为主导的尖端技术社区，促进了先进的制造业，新一代信息技术，现代服务行业等。该领域的综合发展趋势。中国在新一代信息技术与制造业的整合方面取得了长足的进步。它已经大力实施了智能制造项目。目前，已经建立了700多个数字研讨会和智能工厂。中国已经培养了6,000多个智能制造系统解决方案提供商，包括精炼，化学，印刷和染色。家庭用具和家用电器等领域的智能制造水平是世界领先的。

    关于加速中国先进制造业高质量发展的建议

    针对先进制造的技术前沿，并大力促进智能制造业

    为了建立一个强大的制造国，重要的是要在重要行业的关键技术或尖端技术方面取得突破。美国专注于智能和数字制造，高级材料和加工技术，医疗产品，领先的集成电路设计和制造以及食品和农业制造；德国专注于建立和实现智能工厂，专注于促进相关信息技术。应用;日本专注于在关键技术（例如无人驾驶驾驶和机器人）中部署突破性，并加强了物联网应用程序的实施。中国是制造业和互联网的大国。情报已成为指导中国先进制造业发展的主要方向和关键领域。凭借其庞大的国内市场和相对完整的工业系统，它正在进一步促进工业互联网，智能制造和其他行动，以增强制造业。数字化，网络和情报的发展有很少的历史机会。信息技术的快速发展及其与现实经济的深入融合继续诞生新的组织，新的业务格式和新行业。我们遵守智能制造，加速核心技术研究的主要方向，并继续改善综合发展政策系统。

    布置具有国际领先水平的国家实验室，为技术和工业创新创造高地

    无论是中国的“第14五年计划”，将国家实验室视为国家战略科学和技术力量，还是世界主要工业国家的历史经验，通过建设国家实验室来获得高级制造技术的领先优势，包括表明国家实验室的建设包括高级技术创新的重要性，包括制造业。因此，中国应在增长阶段的次技术领域中构建全球先进制造技术优势的分布，例如超精确处理技术，材料强制形成技术，仿生制造技术，CNC机床，计算机辅助设计技术和工业机器人。中国已经阐述了国家实验室的建设，并实施了许多具有前瞻性的国家和战略性的主要科学技术项目，加速了关键核心技术的研究，并在医学成像探测器中建立了开放的前沿，高端轴承钢，航空航天发动机，独立开发的操作系统，芯片，顶级光刻计算机和其他技术领域。技术研发平台为高级制造行业的发展提供了强大的技术支持。

    全面发挥区域资源优势，并培养具有全球竞争性的制造集群

    先进的制造业是国家科学，技术和工业水平的主要领域，也是国家之间竞争的重点。目前，中国在其他人控制的价值链中较高的关键技术，材料和关键联系等问题，工业链的自主权很差。例如，高端芯片，基本材料，工业主板等仍然主要取决于进口。但是，庞大的经济规模和强大的工业支持设施是中国制造业的重要优势。近年来，根据各个地方的不同优势条件进行了指导区域差异化的发展，并且许多具有区域特征的制造业集群是由地区和城市作为主要单位的。 ，使用先进的数字和信息技术来整合强大的制造设备和流程，以实现许多传统行业的转型和升级。有必要集中地区卓越资源，培养许多世界一流的先进制造集群，逐渐解决工业结构矛盾，例如区域重复和低级竞争，建立一个通过劳动与协作部门建立全球网络组织，并增强该组织制造品牌的国际影响力。逐渐巩固了制造业的工业基础，促进高级开放，提高工业链的韧性，并将中国制造业的发展发展到全球价值链的中部和高端。同时，我们将增强供应链的本地化并提高供应效率。

    为科学和技术才能建立区域战略协调机制，以促进主要国家地区战略合作的发展

    基于东方，中部和西部的三个主要部门，促进了地区之间科学和技术才能的相互融合和补充，建立了一种协调科学和技术才能的协作发展的新模式，有效地控制了“大城市疾病”，并优化区域科学和技术人才结构。此外，在经济全球化的背景下，中国的制造业参与了全球劳动分工，并且越来越多地整合和渗透。一方面，美国以各种方式抑制了中国产品的出口，并经常造成贸易摩擦，以阻碍中国的制造业（尤其是高端制造）开发领域，尤其是高端制造产品。同时，美国正在利用其内部和外部优势来扩大其全球市场。一方面，随着市场风险的增加，国际合并和收购变得越来越困难，内部和外部挤压效应也阻碍了中国在海外市场扩张的能力。因此，在新环境中，中国不仅必须吸收外国投资，而且还要引入先进的外国技术来开发具有独立知识产权的技术，可以消除高端产品对国外的依赖。这是技术创新驱动驱动的转型和制造业升级的重点。

    （“科学技术先驱”第5期，2023年）