美國(guó)清潔能源智能制造創(chuàng)新中心2017-2018技術(shù)路線(xiàn)圖概述

朱宇宏，聶軍剛，袁志勇，吳進(jìn)軍

0　引言

為從根本上加快傳感器、控制器、智能制造平臺(tái)和仿真建模技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，讓智能制造為美國(guó)制造業(yè)提供持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力，2016年6月，美國(guó)能源部牽頭成立美國(guó)清潔能源智能制造創(chuàng)新中心（CESMII），其目的是在全美建立5個(gè)區(qū)域制造中心，負(fù)責(zé)各自區(qū)域內(nèi)的技術(shù)轉(zhuǎn)移和人才培養(yǎng)。

2017年8月，CESMII發(fā)布《智能制造路線(xiàn)圖（2017-2018）》。路線(xiàn)圖從商業(yè)實(shí)施、促成技術(shù)、平臺(tái)建設(shè)和人才發(fā)展4個(gè)戰(zhàn)略方向出發(fā)，通過(guò)提高能源生產(chǎn)力、經(jīng)濟(jì)效益、創(chuàng)新中心的可持續(xù)性和員工能力以增強(qiáng)美國(guó)制造業(yè)的生產(chǎn)能力、全球競(jìng)爭(zhēng)力和再投資能力：在未來(lái)5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)試點(diǎn)示范企業(yè)或者關(guān)鍵工藝流程的能源效率提高15%、現(xiàn)有工藝的生產(chǎn)成本降低50%、生產(chǎn)周期縮短50%，重點(diǎn)行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造；在未來(lái)6年內(nèi)形成產(chǎn)品、技術(shù)、研發(fā)和員工培養(yǎng)的可持續(xù)投資組合，直接代替原有聯(lián)邦投資；在未來(lái)10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)力提高50%。

1　CESMII路線(xiàn)圖的指導(dǎo)原則

CESMII的指導(dǎo)原則：①美國(guó)制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)通過(guò)智能制造向客戶(hù)提供高質(zhì)量的產(chǎn)品、高效的工藝和便捷的服務(wù)；②通過(guò)建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體現(xiàn)智能制造的價(jià)值；③智能制造技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施必須體現(xiàn)最大程度的開(kāi)放性和協(xié)同性；④智能制造的廣泛推廣需要穩(wěn)固的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)；⑤各地區(qū)和企業(yè)應(yīng)該在如何提高智能制造業(yè)務(wù)成效方面進(jìn)行廣泛交流；⑥企業(yè)需要明確智能制造的盈利模式；⑦重點(diǎn)關(guān)注高能耗、高能源依賴(lài)型的制造工藝，因?yàn)槠溆芯薮蟮母倪M(jìn)空間和再投資潛力；⑧智能制造對(duì)于創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，建立制造業(yè)市場(chǎng)，培養(yǎng)專(zhuān)業(yè)人才和維持經(jīng)濟(jì)健康平穩(wěn)運(yùn)行均至關(guān)重要。

2　CESMII路線(xiàn)圖目標(biāo)

CESMII的目標(biāo)：①為CESMII中心建立科學(xué)的運(yùn)營(yíng)機(jī)制，并將CESMII的研發(fā)重點(diǎn)定位于優(yōu)先滿(mǎn)足智能制造工業(yè)需求，包括：獲得關(guān)于智能制造的客觀(guān)技術(shù)信息；提供咨詢(xún)、評(píng)估以及基于平臺(tái)的方式方法；跨行業(yè)獲取信息并研究學(xué)習(xí)；人才培養(yǎng)；②指導(dǎo)CESMII項(xiàng)目、跨領(lǐng)域研究、建立技術(shù)知識(shí)庫(kù)以及培養(yǎng)人才；③區(qū)域制造中心交叉融合、協(xié)同發(fā)展；④建立緩沖平臺(tái)，最終形成更易于理解和更深層次的2018-2022年CESMII路線(xiàn)圖。

3　CESMII路線(xiàn)圖總體戰(zhàn)略

3.1　路線(xiàn)圖包含的四大戰(zhàn)略

（1）商業(yè)實(shí)踐。為智能制造集成的廣泛推廣，制定清晰的智能制造方案，定位和規(guī)避商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；為智能制造集成和網(wǎng)絡(luò)安全提供組織策略、應(yīng)用工具和最優(yōu)實(shí)施方案。

（2）促成技術(shù)。通過(guò)研發(fā)合作突破智能制造關(guān)鍵技術(shù)，包括高級(jí)傳感器、數(shù)據(jù)分析工具、過(guò)程控制技術(shù)、仿真建模以及用于集成安全、穩(wěn)定和易于配置的智能制造系統(tǒng)平臺(tái)。

（3）智能制造平臺(tái)。建立一套統(tǒng)一的智能制造平臺(tái)、市場(chǎng)和生態(tài)系統(tǒng)，用于提高企業(yè)數(shù)據(jù)和技術(shù)再利用效率和成本效益，維護(hù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全，從而降低智能制造系統(tǒng)部署的時(shí)間和成本。

（4）人才培養(yǎng)。為了打造一支具有智能制造技術(shù)和實(shí)踐領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)、富有創(chuàng)造性的員工隊(duì)伍，需要部署一批可定制的、跨學(xué)科的培訓(xùn)項(xiàng)目。且項(xiàng)目可持續(xù)更新。

3.2　四大戰(zhàn)略路線(xiàn)圖

每條戰(zhàn)略路線(xiàn)圖都包括戰(zhàn)略目標(biāo)、研發(fā)組合計(jì)劃和近期規(guī)劃路線(xiàn)圖三部分，其中研發(fā)組合計(jì)劃是為了解決企業(yè)無(wú)法單獨(dú)完成的初期研發(fā)難題。通過(guò)跨地區(qū)、跨領(lǐng)域、跨專(zhuān)業(yè)交叉融合，以促進(jìn)運(yùn)營(yíng)技術(shù)和信息技術(shù)（OT/IT）的集成發(fā)展。同時(shí)通過(guò)顏色標(biāo)明四大戰(zhàn)略之間的協(xié)作關(guān)系。

3.2.1　商業(yè)實(shí)踐戰(zhàn)略路線(xiàn)圖

（1）戰(zhàn)略目標(biāo)：①通過(guò)協(xié)同研發(fā)實(shí)現(xiàn)制造和能效目標(biāo)；②及時(shí)提高制造業(yè)全行業(yè)企業(yè)的質(zhì)量、效率和生產(chǎn)力；③通過(guò)高度靈活和可擴(kuò)展的制造系統(tǒng)和工藝流程的應(yīng)用，提升業(yè)務(wù)價(jià)值，提高制造業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性、能源效率和安全性；④在制造業(yè)企業(yè)間加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的部署應(yīng)用；⑤增加智能制造就業(yè)崗位，提高員工智能制造相關(guān)技能。

（2）研發(fā)組合計(jì)劃：①總結(jié)現(xiàn)有的智能制造技術(shù)，并對(duì)當(dāng)前企業(yè)OT/IT集成狀態(tài)（包括企業(yè)組織架構(gòu)、員工情況和可投入使用的基礎(chǔ)設(shè)施情況）進(jìn)行評(píng)估；②研究并確定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)營(yíng)、流程、技術(shù)、工具和分析方法影響制造技術(shù)、商業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營(yíng)/勞動(dòng)力績(jī)效和生產(chǎn)力的度量標(biāo)準(zhǔn)；③分析行業(yè)內(nèi)的技術(shù)需求以及軟/硬件、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置、應(yīng)用程序及員工角色的可復(fù)制性要求，并形成評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：利用基于工具和共享資源的標(biāo)準(zhǔn)的可復(fù)制性支撐決策制定，并使商業(yè)行為、員工技能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相適應(yīng)；建立用來(lái)驗(yàn)證OT/IT系統(tǒng)集成過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)安全和降低網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)的工具、方法和模型；建立用于集成OT/IT系統(tǒng)的方法、參考構(gòu)架、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、安全協(xié)議和通用報(bào)告程序；培養(yǎng)與智能制造傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理及基于機(jī)器的數(shù)據(jù)建模和決策相關(guān)的人才。

（3）路線(xiàn)圖，見(jiàn)圖1。

圖1　商業(yè)實(shí)踐戰(zhàn)略路線(xiàn)圖[1]Fig.1 Business practice roadmap[1]

3.2.2　促成技術(shù)戰(zhàn)略路線(xiàn)圖

（1）戰(zhàn)略目標(biāo)：①在制造行業(yè)各公司內(nèi)加快模塊化、價(jià)格低、易于配置、安全、可復(fù)制的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（包括高級(jí)傳感器、數(shù)據(jù)分析工具、過(guò)程控制、仿真建模和計(jì)算平臺(tái)）的開(kāi)發(fā)、示范和應(yīng)用；②升級(jí)傳感器系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)低價(jià)格、更穩(wěn)定、易于配置、更安全的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)通信；③增加新一代數(shù)據(jù)分析和模型的成功應(yīng)用案例；④為全行業(yè)內(nèi)的企業(yè)和員工提供先進(jìn)的控制和分析方法及工具；⑤開(kāi)發(fā)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可復(fù)制性所需的工具和方法。

（2）研發(fā)組合計(jì)劃：①各領(lǐng)域通用部分：形成全系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、檢驗(yàn)和驗(yàn)證的能力，將先進(jìn)計(jì)算技術(shù)融入到實(shí)時(shí)操作環(huán)境中的驗(yàn)證方法。評(píng)估數(shù)據(jù)、模型標(biāo)準(zhǔn)、本體、結(jié)構(gòu)、工作流在整個(gè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)急行為的全系統(tǒng)分析。形成終端到終端、傳感器到執(zhí)行器、數(shù)據(jù)、傳輸安全、計(jì)算流量預(yù)測(cè)的能力。建立數(shù)據(jù)驗(yàn)證和模型應(yīng)用的數(shù)據(jù)庫(kù)，以形成驗(yàn)證和量化不確定性的新方法；②傳感器部分：開(kāi)發(fā)一種能夠在高溫環(huán)境下使用的傳感器硬件和軟件系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)一種低成本傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)實(shí)時(shí)能源生產(chǎn)率和材料性能。設(shè)計(jì)一種可靠安全的傳感器系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)的傳感器到傳感器和傳感器到控制器的交互界面，以及高頻、高速、高容量的無(wú)線(xiàn)傳輸能力；③過(guò)程與控制器部分：建立在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中提升和維持靈活性的基本方法和經(jīng)驗(yàn)方法。開(kāi)發(fā)算法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自診斷工具和安全方法，提高模型和控件間的互操作性；④數(shù)據(jù)、模型、分析部分：根據(jù)特定的目標(biāo)、建模類(lèi)型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)算法、建模和計(jì)算工具的選擇分類(lèi)方法。通過(guò)集成試驗(yàn)驗(yàn)證、不確定性量化方法使數(shù)據(jù)模型易于組合使用。針對(duì)不同的業(yè)務(wù)目標(biāo)開(kāi)發(fā)可復(fù)制的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)模型。

（3）路線(xiàn)圖，見(jiàn)圖2。

圖2　促成技術(shù)戰(zhàn)略路線(xiàn)圖[1]Fig.2 Enabling Technologies Roadmap[1]

3.2.3　智能制造平臺(tái)戰(zhàn)略路線(xiàn)圖

（1）戰(zhàn)略目標(biāo)：①建立智能制造平臺(tái)的參考架構(gòu)和規(guī)范；②為企業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)化的提供有利條件；③為現(xiàn)有及未來(lái)的OT/IT提供解決方案，并制定開(kāi)放、通用的標(biāo)準(zhǔn)；④為不同工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通用軟/硬件解決方案提供安全框架；⑤為認(rèn)證及組合應(yīng)用，配置，工具包，數(shù)據(jù)，加速開(kāi)發(fā)和部署服務(wù)建立一個(gè)穩(wěn)定開(kāi)放的智能制造市場(chǎng)；⑥牽頭開(kāi)發(fā)用于支撐智能制造的可信技術(shù)、組織架構(gòu)和商業(yè)安全網(wǎng)絡(luò)實(shí)施方案。

（2）研發(fā)組合計(jì)劃：①基于真實(shí)案例、試驗(yàn)平臺(tái)和工業(yè)驅(qū)動(dòng)協(xié)議，建立一個(gè)開(kāi)放的、漸進(jìn)的流程，用于定義和構(gòu)建智能制造平臺(tái)各項(xiàng)功能及服務(wù)；②為智能制造平臺(tái)軟/硬件組件和應(yīng)用程序、系統(tǒng)配置和系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)集成參考架構(gòu)，以促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在不同行業(yè)不同企業(yè)即插即用，以及適應(yīng)即將應(yīng)用的新技術(shù)；③分析現(xiàn)有智能制造OT/IT系統(tǒng)組件集成的需求；④建立基于工作流的標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)和工具包，來(lái)保證來(lái)自不同廠(chǎng)家組件的互換性和智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在不同行業(yè)不同企業(yè)間的通用性；⑤開(kāi)發(fā)核心數(shù)據(jù)模型、配置方案和方法論以建立數(shù)據(jù)安全能力，數(shù)據(jù)管理協(xié)議和最佳方案，用來(lái)保證跨企業(yè)數(shù)據(jù)交換的安全和一致。

（3） 路線(xiàn)圖，見(jiàn)圖3。

圖3　智能制造平臺(tái)戰(zhàn)略路線(xiàn)圖[1]Fig.3 Smart manufacturing platform infrastructure roadmap[1]

3.2.4　人才培養(yǎng)戰(zhàn)略路線(xiàn)圖

（1）戰(zhàn)略目標(biāo)：①使員工能夠充分了解智能制造實(shí)施案例、核心技術(shù)、方法和平臺(tái)設(shè)施；②通過(guò)現(xiàn)代的學(xué)習(xí)和發(fā)展模式提高企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、運(yùn)營(yíng)者、技術(shù)專(zhuān)家、工程技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平；③通過(guò)將不同領(lǐng)域的課程融入到現(xiàn)有培訓(xùn)項(xiàng)目中，用來(lái)培養(yǎng)面向未來(lái)并具備智能制造新技能和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的人才隊(duì)伍；④建立一個(gè)包括智能制造資源以及先進(jìn)智能制造技術(shù)、協(xié)議和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的最佳實(shí)施案例的網(wǎng)絡(luò)資源庫(kù)或知識(shí)庫(kù)；⑤建立緊隨業(yè)務(wù)、技術(shù)、組織行為改變而隨時(shí)更新的人力資源計(jì)劃。

（2） 路線(xiàn)圖，見(jiàn)圖4。

圖4　人才培養(yǎng)戰(zhàn)略路線(xiàn)圖[1]Fig.4 Workforce development roadmap[1]

4　結(jié)束語(yǔ)

CESMII采用“制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)”的模式，以創(chuàng)新中心為主、區(qū)域制造業(yè)中心作為補(bǔ)充，覆蓋全美制造業(yè)市場(chǎng)。計(jì)劃通過(guò)開(kāi)放的平臺(tái)，促進(jìn)政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合，研發(fā)以市場(chǎng)為導(dǎo)向，突破初期研發(fā)壁壘，幫助企業(yè)降低獲得新技術(shù)成本。同時(shí)采取開(kāi)放式架構(gòu)設(shè)計(jì)，擬為各行業(yè)供需雙方提供統(tǒng)一的技術(shù)接口，跨領(lǐng)域整合市場(chǎng)資源，提高能源效率和生產(chǎn)力。其四大戰(zhàn)略交叉融合發(fā)展，將平臺(tái)建設(shè)和人才戰(zhàn)略貫穿整個(gè)戰(zhàn)略始終，通過(guò)平臺(tái)建設(shè)整合市場(chǎng)和技術(shù)資源，加速技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，培養(yǎng)相關(guān)行業(yè)高技術(shù)人才，同時(shí)通過(guò)人才建設(shè)促進(jìn)平臺(tái)建設(shè)和技術(shù)發(fā)展。

美國(guó)智能制造路線(xiàn)圖給我們的啟示在于：“制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)”融合發(fā)展是大勢(shì)所趨，整合不同技術(shù)領(lǐng)域市場(chǎng)資源的關(guān)鍵在于標(biāo)準(zhǔn)普及，不僅僅是某個(gè)領(lǐng)域某個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)普及，而是跨領(lǐng)域跨行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)普及，只有解決了不同領(lǐng)域技術(shù)相互銜接的問(wèn)題，才能夠通過(guò)智能制造技術(shù)利用其他領(lǐng)域的技術(shù)成果提升本領(lǐng)域的技術(shù)水平，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)，提高能源生產(chǎn)力。同時(shí)，人才戰(zhàn)略是重中之重，將人才培養(yǎng)戰(zhàn)略貫穿于整個(gè)戰(zhàn)略之中，跟隨技術(shù)的更新迭代，針對(duì)性進(jìn)行定制化教育和培訓(xùn)，讓學(xué)以致用落到實(shí)處。此外，制造業(yè)創(chuàng)新中心不僅承擔(dān)本領(lǐng)域的研發(fā)、技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和人才培養(yǎng)，也是跨領(lǐng)域交流平臺(tái)和跨領(lǐng)域資源整合的重要樞紐。

因此，研究美國(guó)智能制造路線(xiàn)圖，對(duì)我們思考如何利用制造業(yè)創(chuàng)新中心實(shí)現(xiàn)技術(shù)和地域雙覆蓋，解決我國(guó)目前不同地區(qū)、不同行業(yè)、不同企業(yè)發(fā)展不平衡的問(wèn)題有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]CESMIIRoadmap2017-2018，https：//www.cesmii.org/cesmiiroadmap/2017.