智能制造發(fā)展浪潮下的國(guó)外國(guó)防工業(yè)

黃愷之

(國(guó)防科工局軍工項(xiàng)目審核中心，北京 100039)

0 引 言

隨著新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的興起，智能制造成為21世紀(jì)先進(jìn)制造業(yè)的重要發(fā)展方向，世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)均將智能制造納入國(guó)家制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，在全球范圍內(nèi)掀起智能制造發(fā)展浪潮。以大型軍工企業(yè)為龍頭，國(guó)外國(guó)防工業(yè)在此次浪潮中扮演重要角色，積極布局以數(shù)字化為基礎(chǔ)的增材制造、工業(yè)機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、基礎(chǔ)保障等技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，并取得實(shí)效，對(duì)智能制造技術(shù)發(fā)展起到顯著帶動(dòng)作用。

1 工業(yè)強(qiáng)國(guó)加強(qiáng)頂層規(guī)劃，引發(fā)智能制造發(fā)展浪潮

智能制造的本質(zhì)，是一種將信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，并貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等制造活動(dòng)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行和自適應(yīng)等功能的高度柔性生產(chǎn)方式，是從獨(dú)立設(shè)備的機(jī)器智能轉(zhuǎn)變到制造全過(guò)程的系統(tǒng)智能，具有狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行和學(xué)習(xí)提升等5個(gè)典型特征。

當(dāng)前，在全球勞務(wù)成本不斷上漲、制造要求日漸提高的背景下，智能制造技術(shù)優(yōu)勢(shì)凸顯，有望重塑全球制造業(yè)格局，因此各工業(yè)強(qiáng)國(guó)紛紛加緊布局、積極推進(jìn)智能制造戰(zhàn)略實(shí)施。

1.1 美國(guó)通過(guò)國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，布局智能制造發(fā)展

為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)整體復(fù)興，重塑高端制造業(yè)，美國(guó)自2011年起，連續(xù)發(fā)布了《確保美國(guó)先進(jìn)制造的領(lǐng)先地位》、《國(guó)家先進(jìn)制造戰(zhàn)略規(guī)劃》、《贏得本國(guó)先進(jìn)制造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)》等多項(xiàng)戰(zhàn)略性文件，均將智能制造作為其中的重要內(nèi)容，認(rèn)為智能制造技術(shù)是在21世紀(jì)保持制造技術(shù)地位領(lǐng)先的基石。

美國(guó)在推進(jìn)智能制造、搶占全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的進(jìn)程中，于2012年實(shí)施“國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃[1]，政府聯(lián)合全國(guó)工業(yè)界、學(xué)術(shù)界優(yōu)勢(shì)資源，組建制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，打造輻射全美的技術(shù)研發(fā)成果轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新體系，以此加速技術(shù)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化，推動(dòng)整個(gè)國(guó)家的制造創(chuàng)新進(jìn)程。這些創(chuàng)新機(jī)構(gòu)吸引了政府相關(guān)機(jī)構(gòu)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界的廣泛參與，其中以智能制造關(guān)鍵技術(shù)為研發(fā)推廣主攻方向的機(jī)構(gòu)有：

“增材制造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（后更名為“美國(guó)制造”，NAMII），目標(biāo)是通過(guò)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新，加速增材制造能力的發(fā)展，將更高生產(chǎn)率和合格率的增材制造工藝廣泛應(yīng)用于軍民用產(chǎn)品中。重點(diǎn)圍繞設(shè)計(jì)、材料、工藝、價(jià)值鏈、增材制造基因組5大領(lǐng)域開(kāi)展研究。

“數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（DMDII），目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證數(shù)字化制造技術(shù)并在關(guān)鍵制造領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。重點(diǎn)涉及先進(jìn)制造企業(yè)、智能機(jī)器、先進(jìn)分析與賽博物理系統(tǒng)安全4大技術(shù)領(lǐng)域。

“先進(jìn)機(jī)器人制造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（ARM），目標(biāo)是協(xié)同多方力量，利用智能、協(xié)同機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)發(fā)展協(xié)作機(jī)器人、機(jī)器人控制、靈巧操作、自主導(dǎo)航與機(jī)動(dòng)、自主感知、測(cè)試驗(yàn)證和確認(rèn)6大技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究。

“智能制造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)（SMII），旨在創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的流程平臺(tái)，從實(shí)時(shí)能源管理、能源生產(chǎn)率、過(guò)程能源效率等方面降低制造成本。重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域包括：物聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)傳感器、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析與控制、先進(jìn)建模與仿真等。

上述4個(gè)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)組建過(guò)程中，除“智能制造”創(chuàng)新機(jī)構(gòu)由能源部牽頭外，其余均由美國(guó)國(guó)防部牽頭。同時(shí)波音、洛·馬、通用電氣、羅·羅等軍工企業(yè)作為創(chuàng)始成員和高級(jí)會(huì)員，全程參與機(jī)構(gòu)管理、戰(zhàn)略投資制定、項(xiàng)目招標(biāo)和評(píng)審過(guò)程，并主持或參與部分競(jìng)爭(zhēng)性項(xiàng)目研究。這些由國(guó)防工業(yè)主導(dǎo)的智能制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)既服務(wù)武器裝備建設(shè)需求，又引領(lǐng)全國(guó)智能制造發(fā)展，國(guó)防工業(yè)成為美國(guó)國(guó)家智能制造發(fā)展的主導(dǎo)。

1.2 德國(guó)大力推動(dòng)“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略

制造業(yè)是德國(guó)在世界上最具競(jìng)爭(zhēng)力的行業(yè)之一，德國(guó)目前在全球制造裝備領(lǐng)域居于引領(lǐng)的地位。為在新一輪工業(yè)革命中保持全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)地位，德國(guó)工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)、西門(mén)子公司等學(xué)術(shù)界和工業(yè)界組織于2011年聯(lián)合提出“工業(yè)4.0”概念，并將其上升為國(guó)家戰(zhàn)略，旨在通過(guò)信息通信技術(shù)和賽博物理信息系統(tǒng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型，2013年成立了“工業(yè)4.0平臺(tái)”負(fù)責(zé)戰(zhàn)略的具體實(shí)施，同年正式發(fā)布了《實(shí)施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書(shū)》[2]，明確了建設(shè)一個(gè)賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)，研究智能工廠和智能生產(chǎn)兩大主題，實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、端對(duì)端3項(xiàng)集成的戰(zhàn)略目標(biāo)。2015年發(fā)布“工業(yè)4.0平臺(tái)地圖”，旨在借助實(shí)踐案例、具體操作建議和試點(diǎn)，推動(dòng)德國(guó)企業(yè)早日進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代。

目前德國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)了信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)、信息通信技術(shù)2020、工業(yè)4.0自動(dòng)化等數(shù)十個(gè)研究項(xiàng)目。并根據(jù) “工業(yè)4.0平臺(tái)地圖”，在德國(guó)各地形成200多個(gè)工業(yè)4.0應(yīng)用實(shí)例和試點(diǎn)。

1.3 日本實(shí)施“機(jī)器人新戰(zhàn)略”

日本作為“機(jī)器人大國(guó)”，機(jī)器人產(chǎn)值和使用率均居世界第一，面對(duì)德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，結(jié)合本國(guó)制造硬件及嵌入式軟件技術(shù)方面優(yōu)勢(shì)及產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，日本政府將機(jī)器人發(fā)展作為向智能制造邁進(jìn)的主要抓手。

2015年1月，日本政府發(fā)布《機(jī)器人新戰(zhàn)略》[3]，旨在將機(jī)器人技術(shù)與信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)等深度融合，使日本引領(lǐng)世界機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在此戰(zhàn)略框架下，成立官產(chǎn)學(xué)一體化的“機(jī)器人革命倡議協(xié)會(huì)”，并吸納各級(jí)會(huì)員近500個(gè)。協(xié)會(huì)還成立“物聯(lián)網(wǎng)升級(jí)制造模式工作組”跟蹤全球制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，希望通過(guò)政府與工業(yè)企業(yè)的通力合作，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)日本制造業(yè)的變革。

2017年7月，為推進(jìn)無(wú)線通信等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在制造工廠中的應(yīng)用，協(xié)會(huì)中歐姆龍公司、電氣（NEC）公司、富士通公司等成員組成“柔性工廠合作伙伴聯(lián)盟”[4]，旨在促進(jìn)無(wú)線通信協(xié)調(diào)控制技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制、穩(wěn)定通信。

2 國(guó)防工業(yè)順應(yīng)智能制造發(fā)展浪潮，取得顯著成效

武器裝備系統(tǒng)復(fù)雜、性能要求苛刻，對(duì)制造質(zhì)量要求極高，同時(shí)承研單位眾多、地域分布廣泛，且具有多品種、變批量、個(gè)性化的生產(chǎn)特征。智能制造高度契合國(guó)防工業(yè)需求，是軍工企業(yè)實(shí)現(xiàn)跨廠所、跨地域協(xié)同合作，提高武器裝備研制生產(chǎn)質(zhì)量和快速柔性研制能力的有效途徑。因此在全球智能制造發(fā)展浪潮下，國(guó)外大型軍工企業(yè)積極響應(yīng)，在數(shù)字化、增材制造、機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，以及基礎(chǔ)保障等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破，智能工廠建設(shè)成效顯著。

2.1 以數(shù)字化技術(shù)深入應(yīng)用牽引智能制造的實(shí)施

數(shù)字化的深入應(yīng)用是智能制造的基本條件。隨著制造企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化水平逐步提高，及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的快速普及和應(yīng)用，制造數(shù)據(jù)來(lái)源和數(shù)量劇增，數(shù)字孿生、數(shù)字線等新的數(shù)字化技術(shù)概念被提出并快速發(fā)展。

美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)通過(guò)采用數(shù)字孿生和數(shù)字線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了前所未有的工程設(shè)計(jì)與制造的連接。設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的3D精確實(shí)體模型可以用于加工模擬、數(shù)控編程、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)、模具/工裝的設(shè)計(jì)與制造等。另外，所采用3D模型也是單一數(shù)據(jù)源，通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)，不僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的無(wú)縫連接、降低現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)工程變更的次數(shù)、提高研制效率、高效組織與集成管理數(shù)據(jù)，也實(shí)現(xiàn)了上下游企業(yè)的協(xié)同仿真分析，從而提高效率、減少返工。

2.2 增材制造裝備成為大型軍工企業(yè)重要生產(chǎn)設(shè)施

增材制造作為一種革命性的“數(shù)字化制造”技術(shù)，能夠根據(jù)產(chǎn)品模型，在計(jì)算機(jī)控制下通過(guò)材料逐層添加堆積而對(duì)零件快速成形，并可成形傳統(tǒng)鑄造、鍛造等方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新穎材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，大幅減少制造周期和材料浪費(fèi)。根據(jù)2012年最新版美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）增材制造技術(shù)子委員會(huì)F42制定的標(biāo)準(zhǔn)，將增材制造技術(shù)中的多種加工工藝劃分為粉末床融合、直接能量沉積、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、材料擠制、光聚合和層片疊加7類(lèi)。

增材制造技術(shù)已經(jīng)成為軍工企業(yè)向智能制造邁進(jìn)的重要使能技術(shù)。近年來(lái)，洛·馬、空客、通用電氣等軍工企業(yè)均在產(chǎn)品研制生產(chǎn)中部署增材制造設(shè)備，將其作為企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要技術(shù)途徑之一。洛馬公司將增材制造作為其正實(shí)施的“數(shù)字織錦”制造方案的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]，大力發(fā)展增材制造技術(shù)在產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用，目前旗下工廠中所使用的增材制造設(shè)備已經(jīng)超過(guò)100臺(tái)，擁有5個(gè)增材制造創(chuàng)新中心，還研發(fā)了世界上首臺(tái)“多機(jī)器人增材減材混合設(shè)備”（見(jiàn)圖1）?？湛凸静粌H在多個(gè)在役產(chǎn)品上應(yīng)用增材制造技術(shù)，而且還積極探索增材制造技術(shù)在飛機(jī)制造領(lǐng)域的未來(lái)應(yīng)用，正在建造增材制造車(chē)間，以便能夠在24 h內(nèi)制造出所需的定制零件。

2.3 工業(yè)機(jī)器人顯著提升軍工制造業(yè)智能化水平

隨著機(jī)器人技術(shù)水平的不斷提升，為滿足武器裝備高效研制生產(chǎn)需求，工業(yè)機(jī)器人在國(guó)防制造領(lǐng)域的應(yīng)用范圍已經(jīng)從武器裝備焊接、表面噴涂等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域向裝配、復(fù)合材料成型與檢測(cè)、增材制造、彈藥制造等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，并顯著提升這些領(lǐng)域的智能化水平：

1）工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于艦船、導(dǎo)彈等武器裝備的自動(dòng)化裝配，與工人協(xié)同作業(yè)，提升裝配精度與裝配效率。日本在20世紀(jì)70年代就提出“無(wú)人化船廠”概念，并積極推進(jìn)智能化艦船建造設(shè)備在船廠的應(yīng)用，先后開(kāi)發(fā)了數(shù)控切割機(jī)器人、裝配焊接機(jī)器人、線加熱機(jī)器人等智能化制造裝備，并開(kāi)始涂裝機(jī)器人的研制[7]。2016年，美國(guó)雷聲公司采用發(fā)那科六軸自動(dòng)裝配機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)彈導(dǎo)引頭自動(dòng)化裝配，提高生產(chǎn)效率。

2）工業(yè)機(jī)器人在復(fù)合材料構(gòu)件成型過(guò)程在線檢測(cè)的應(yīng)用，顯著提升復(fù)合材料構(gòu)件鋪放效率和質(zhì)量。2015年，軌道ATK公司研發(fā)出自動(dòng)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)[8]（見(jiàn)圖2），可對(duì)通過(guò)自動(dòng)鋪帶技術(shù)加工的平面或復(fù)雜曲面飛機(jī)零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線檢測(cè)，缺陷檢出率超過(guò)99.7%，可滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

3）工業(yè)機(jī)器人與增材制造集成研究活躍，開(kāi)始用于飛機(jī)、航天器、衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)件的制造。2016年，美國(guó)Arevo Labs公司建成世界上首臺(tái)機(jī)器人增材制造裝備，能夠快速制造支架、支撐結(jié)構(gòu)、無(wú)人機(jī)機(jī)身和機(jī)翼等飛機(jī)復(fù)合材料零部件。

圖 1 多機(jī)器人增材減材混合設(shè)備Fig. 1 The Multi-Robotic machine performing additive and subtractive machining simultaneously

圖 2 自動(dòng)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)系統(tǒng)Fig. 2 Automated composite structure inspection system

另外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)用于彈藥制造等危險(xiǎn)研制生產(chǎn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人，提高安全性。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司將工業(yè)機(jī)器人用于105 mm和155 mm口徑炮彈的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程自動(dòng)化，無(wú)需人員介入，提高了生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，工人生命安全得以保障。

2.4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)向研制生產(chǎn)全過(guò)程擴(kuò)展

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將數(shù)字信息、三維虛擬模型精確地疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，使虛擬對(duì)象與真實(shí)場(chǎng)景融為一體，在裝備研制生產(chǎn)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

一位朋友來(lái)信說(shuō)，自己怎樣都做不好班主任工作。我好奇她到底是如何做的，便電話與之交流，發(fā)現(xiàn)她幾乎每一項(xiàng)措施都是轟轟烈烈地開(kāi)始，然后又無(wú)聲無(wú)息地結(jié)束?！霸鯓幼觥薄岛粋€(gè)又一個(gè)日子的重復(fù)，暗含著困難挫折襲來(lái)之時(shí)的堅(jiān)持。

在武器裝備研制過(guò)程中，再精確的圖紙也會(huì)限制設(shè)計(jì)理念的準(zhǔn)確表達(dá)，借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將虛擬設(shè)計(jì)快速、逼真地融合于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，在研制階段就能直觀的感受最終產(chǎn)品，并有效降低研制成本，為產(chǎn)品研制提供全新的科學(xué)輔助手段。美國(guó)海軍LPD－17項(xiàng)目應(yīng)用了達(dá)索子公司DELMIA公司的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，使得船體開(kāi)工建造之前已完成了80%的設(shè)計(jì)；而用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，船體開(kāi)工建造之前只能完成20%～30%的設(shè)計(jì)[9]，從而減少反復(fù)修改的成本、風(fēng)險(xiǎn)及時(shí)間。

在武器裝備生產(chǎn)階段，采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將裝配檢驗(yàn)工作流程以3D影像信息的形式直觀地顯示，并可在設(shè)備或工件上附加各類(lèi)參數(shù)信息，大幅提升裝配檢驗(yàn)效率?？湛凸緦⒆孕醒邪l(fā)的智能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具（SART，圖3）用于A400M等飛機(jī)生產(chǎn)線中[10]，輔助進(jìn)行超過(guò)6萬(wàn)個(gè)管線定位及托架的安裝質(zhì)量管理。通過(guò)利用SART智能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具，可將飛機(jī)裝配檢驗(yàn)時(shí)間由21天減至3天，漏檢率降低40%。

圖 3 空客公司SART系統(tǒng)應(yīng)用界面Fig. 3 The user interface of SART system in Airbus

2.5 基礎(chǔ)保障為智能制造系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行提供重要支撐

標(biāo)準(zhǔn)體系、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)軟件以及信息安全等基礎(chǔ)保障技術(shù)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品智能制造的核心與前提，是確保產(chǎn)品研制過(guò)程以及智能制造裝備和系統(tǒng)安全可靠的重要支撐。國(guó)外國(guó)防工業(yè)企業(yè)也在積極研究基礎(chǔ)保障技術(shù)，保障智能制造穩(wěn)步推進(jìn)。

在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，美國(guó)通用電氣公司、IBM等5家公司組建的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟制訂了“美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)框架”[11]，其功能架構(gòu)確定了商業(yè)、運(yùn)營(yíng)、信息、應(yīng)用和控制5大功能領(lǐng)域，以及系統(tǒng)安全、信息安全、彈性、互操作性、連接性、數(shù)據(jù)管理、高級(jí)數(shù)據(jù)分析、智能控制、動(dòng)態(tài)組合9大系統(tǒng)特性，并在功能架構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定了由邊緣層、平臺(tái)層和企業(yè)層組成的系統(tǒng)架構(gòu)，以及各層包含的軟硬件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)軟件方面，通用電氣公司作為軍工企業(yè)智能制造發(fā)展的領(lǐng)跑者，通過(guò)整合IT資源推出了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)—Predix。Predix的實(shí)質(zhì)是一種位于云端的工業(yè)設(shè)備操作系統(tǒng)，可以承載各種工業(yè)軟件。通用電氣公司已經(jīng)通過(guò)該平臺(tái)開(kāi)發(fā)了包括“卓越制造”軟件解決方案在內(nèi)的近40款工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序?！白吭街圃臁避浖鉀Q方案[12]將設(shè)計(jì)、制造、供應(yīng)鏈、配送、維修服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)連接到一個(gè)可擴(kuò)展的智能系統(tǒng)中，對(duì)工廠生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、調(diào)整和優(yōu)化，預(yù)計(jì)可使突發(fā)停工期縮短10%～20%，庫(kù)存降低20%，不同產(chǎn)品轉(zhuǎn)產(chǎn)效率提升20%。

在信息安全方面，波音、洛·馬、通用電氣公司等大型企業(yè)都非常重視數(shù)字化信息安全技術(shù)，通過(guò)自主研發(fā)、合作研發(fā)以及收購(gòu)并購(gòu)等多種途徑針對(duì)數(shù)字化軟件、硬件、及數(shù)據(jù)的安全開(kāi)展相關(guān)研究，提升賽博安全能力。例如，洛·馬公司于2014年收購(gòu)了工業(yè)自動(dòng)化安全公司Industrial Defender，通用電氣公司于2014年收購(gòu)了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全公司W(wǎng)orldtech，而波音、雷聲、泰利斯等國(guó)際軍工巨頭也都成立了網(wǎng)絡(luò)安全業(yè)務(wù)部門(mén)，大大加強(qiáng)了制造業(yè)企業(yè)自身的信息安全保障能力。

2.6 智能工廠建設(shè)成效顯著

近兩年，通用電氣、雷聲、紐波特紐斯等大型軍工企業(yè)分別開(kāi)展數(shù)字化制造能力提升、現(xiàn)有工廠局部智能化改造、全新智能工廠建設(shè)等，代表了目前智能工廠的不同建設(shè)階段和水平。

紐波特紐斯船廠計(jì)劃基于核潛艇數(shù)字化建造經(jīng)驗(yàn)以及三維掃描和設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究成果，在第3艘“福特”級(jí)航母CVN-80的建造中使用全三維模型，將船廠所有活動(dòng)數(shù)據(jù)信息集中到中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，創(chuàng)建集成數(shù)字化造船環(huán)境，工作人員按需提取或添加數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化造船，為建設(shè)智能船廠奠定基礎(chǔ)[13]。目前船廠正在CVN-79上開(kāi)展試點(diǎn)建設(shè)，已構(gòu)建1 000多個(gè)數(shù)字化工作包，投放150個(gè)平板電腦作為移動(dòng)終端、并使用激光掃描儀輔助創(chuàng)建三位數(shù)字化模型。預(yù)計(jì)通過(guò)實(shí)現(xiàn)并運(yùn)行三維產(chǎn)品模型環(huán)境，將使CVN-80的建造成本至少降低15%。

雷聲公司利用現(xiàn)有工廠軟硬件技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)行局部數(shù)字化智能化改造，布局虛擬現(xiàn)實(shí)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、機(jī)器人、增材制造等新興技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用[14]，分別開(kāi)展以下工作并已取得成效：1）建立沉浸式設(shè)計(jì)中心使設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試等相關(guān)人員協(xié)同工作，驗(yàn)證、測(cè)試和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造無(wú)縫集成；2）將現(xiàn)有的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）軟件與集成制造創(chuàng)新與智能（MII）軟件集成，采集反饋所有生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，并對(duì)操作人員進(jìn)行全天候指導(dǎo)，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量；3）在各個(gè)工廠都部署多種類(lèi)型的搬運(yùn)機(jī)器人，并開(kāi)發(fā)精密自動(dòng)化裝配機(jī)器人，顯著提高安全性的同時(shí)，高質(zhì)、高效完成搬運(yùn)和裝配工作；4）在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期內(nèi)都采用了增材制造技術(shù)，并開(kāi)發(fā)增材制造技術(shù)在新領(lǐng)域的應(yīng)用，縮短研制周期。

通用電氣提出 “卓越工廠”建設(shè)模式[15]（見(jiàn)圖4），其核心思想是實(shí)現(xiàn)全價(jià)值鏈的數(shù)字化和智能化，主要包括虛擬設(shè)計(jì)制造、先進(jìn)制造技術(shù)、智能機(jī)床、柔性工廠、可重構(gòu)供應(yīng)鏈5大技術(shù)支柱，并推出相應(yīng)的軟件整體解決方案。目前已建成多家智能工廠，這些按照“卓越工廠”模式建設(shè)的智能工廠可根據(jù)不同地區(qū)需求，在同一廠房?jī)?nèi)，用相同生產(chǎn)線制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等不同類(lèi)型產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多品種、變批量、跨地域、高效、敏捷生產(chǎn)制造，大幅優(yōu)化制造資源配置，提升制造系統(tǒng)效率。

圖 4 通用電氣公司智能工廠建設(shè)模式示意圖Fig. 4 Intelligent factory model in GE

3 結(jié) 語(yǔ)

各工業(yè)強(qiáng)國(guó)根據(jù)自身特點(diǎn)制定適合本國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，在政府的主導(dǎo)下促成學(xué)術(shù)界和業(yè)界的廣泛合作，推進(jìn)智能制造技術(shù)的深入發(fā)展。國(guó)外國(guó)防工業(yè)為滿足自身需求，大力發(fā)展以數(shù)字化為基礎(chǔ)的增材制造、工業(yè)機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、基礎(chǔ)保障等技術(shù)，帶動(dòng)智能制造技術(shù)逐步向貫穿制造企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)的全價(jià)值鏈擴(kuò)展。智能制造技術(shù)在國(guó)防工業(yè)的應(yīng)用不斷深入，有助于提升武器裝備研制生產(chǎn)的快速響應(yīng)能力，有助于促進(jìn)國(guó)防工業(yè)的提質(zhì)增效和轉(zhuǎn)型升級(jí)，有助于推動(dòng)軍民融合發(fā)展和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，有助于引領(lǐng)國(guó)家智能制造發(fā)展和制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步。

[ 1 ][EB/OL].https://www.manufacturingusa.com/.

[ 2 ]工業(yè)和信息化部國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作中心. 保障德國(guó)制造業(yè)的未來(lái)——關(guān)于實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略的建議.

[ 3 ]New Robot Strategy.[EB/OL]. http://www.meti.go.jp/english/press/2015/pdf/0123_01b.pdf.

[ 4 ]Formation of Flexible Factory Partner Alliance to Accelerate Use of IoT in Factories.[EB/OL]. http://www.ffp-a.org/news/index.html#20170726.

[ 5 ]莊存波, 劉儉華, 熊輝, 等. 產(chǎn)品數(shù)字孿生體的內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)及其發(fā)展趨勢(shì)[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2017, 23(4).

[ 6 ]Lockheed Martin digitalizes production with 3D printing and virtual pathfinding.[EB/OL]. http://www.3ders.org. 2013,10.15.

[ 7 ]邸立強(qiáng), 楊劍征, 趙川. 國(guó)外數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù). 2015, 35(7): 1-4.

[ 8 ]NCDMM, Ingersoll Machine Tools, and Orbital ATK Successfully Complete DMS&T Project.[EB/OL].http://www.ncdmm.org/stories/news/ncdmm-ingersollmachine-tools-orbital-atk-successfully-complete-dmst-project/,2015, 10, 05.

[ 9 ]HARVEY S. LPD17 Total OwnershipCost ProgramTOC/CAIVWorkshop99-2[R]. LPDteam, 1999.

[10]SERVAN J, FEMANDO M, JOSE R. Using augmented reality in AIRBUS A400M shop floor assembly work instructions.AIP conference proceedings. 2011, 09.

[11]Industrial Internet Reference Architecture. http://www.iiconsortium.org/iira.htm.

[12]https://www.ge.com/digital/brilliant-manufacturing.

[13]Megan Eckstein. Newport News Creating ‘Smart Shipyard’That Would Streamline Design Through Production[EB/OL].https://news.usni.org/2016/05/23/newport-newssmart-shipyard.

[14][EB/OL].http://www.raytheon.com/news/technology_today/20 15_i1/.

[15]GE launches brilliant manufacturing suite to help manufacturers increase production efficiency, execution and optimization through advanced analytics.[EB/OL].www.ge.com. 2015, 09.29.