中國新能源裝備智造化發(fā)展情景研究

單文杰 楊雨艨 秦蓁

摘? ?要：基于情景分析理論，對新能源裝備制造面向智能制造轉(zhuǎn)型情景展開研究，分析其產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略重心。研究結(jié)果表明，穩(wěn)健發(fā)展情景發(fā)生可能性最高，顯著、低效發(fā)展情景次之?；谇榫胺治霭l(fā)現(xiàn)，我國新能源裝備制造化轉(zhuǎn)型，削減技術(shù)代價是關(guān)鍵，為此必須以提升自主創(chuàng)新能力、關(guān)鍵技術(shù)自有化作為戰(zhàn)略重心。

關(guān)鍵詞：新能源裝備;智能制造;情景研究

中圖分類號：F407.2? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2021）08-0065-05

引言

《中國制造2025》以加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，將“智能制造”作為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主攻路線，是推動高端裝備制造業(yè)向全球產(chǎn)業(yè)鏈上游攀升的重要指導戰(zhàn)略。新能源裝備制造業(yè)作為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和防治環(huán)境污染的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，因其具備附加值高、環(huán)境友好、成長性強等優(yōu)勢，已成為我國高端裝備制造業(yè)新的增長點。新能源裝備制造業(yè)要在有利契機下實現(xiàn)跨越式發(fā)展，不能局限于傳統(tǒng)的機械化生產(chǎn)模式，必須將“智能制造”作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型方向[1]，著力構(gòu)建生產(chǎn)智能化、管理智能化、服務(wù)智能化的智造化體系。然而，新能源裝備智造化轉(zhuǎn)型是一項長期任務(wù)，這一進程受到多重因素影響，影響因素的不確定性將使產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)不同情景。因而有必要基于影響因素不確定性研究，預測新能源裝備產(chǎn)業(yè)智造化轉(zhuǎn)型情景，分析長期戰(zhàn)略重點。

張曙以智能工廠為例，指出工業(yè)體制將由垂直向扁平轉(zhuǎn)變，小微企業(yè)應以聯(lián)盟戰(zhàn)略促進智能制造發(fā)展[2]。肖靜華指出，應借助我國互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、人口眾多、文化多樣性與消費者偏好等多元優(yōu)勢形成國際競爭力，從而推動制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級[3]。姚錫凡等系統(tǒng)闡述了智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系，在國內(nèi)學術(shù)界率先較完整地提出智能制造系統(tǒng)的技術(shù)框架，同時強調(diào)了核心技術(shù)自主研發(fā)對智能制造發(fā)展的重要意義[4]。黃群慧鼓勵高校及研究機構(gòu)對企業(yè)開發(fā)基礎(chǔ)研究設(shè)施、建立科技服務(wù)機構(gòu)提供技術(shù)服務(wù)、完善創(chuàng)新環(huán)境等措施，構(gòu)建我國制造業(yè)核心能力，加快智能制造發(fā)展[5]。現(xiàn)有理論主要有兩點不足：（1）缺乏產(chǎn)業(yè)針對性。我國制造業(yè)種類繁多，各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況、技術(shù)特點、外部環(huán)境、政府政策均有所不同，不能一概而論，須提出具產(chǎn)業(yè)有針對性的戰(zhàn)略規(guī)劃。已有理論主要針對制造業(yè)整體面向智能制造轉(zhuǎn)型，對細分產(chǎn)業(yè)具體條件考慮不足，產(chǎn)業(yè)針對性較差。（2）相關(guān)研究缺少量化分析對研究結(jié)論的支持，更鮮有對未來不確定發(fā)展前景的論證。情景分析法通過對系統(tǒng)發(fā)展影響因素及其內(nèi)部聯(lián)系進行分析，運用數(shù)學工具探究系統(tǒng)未來發(fā)展的多樣性可能，建立“很有可能的未來”[6]。P.Hsia提出比較完整的情景分析理論思路[7]，而后被廣泛應用于環(huán)境、能源及社會科學領(lǐng)域的預測與戰(zhàn)略規(guī)劃研究[8]。基于情景分析理論，以新能源裝備制造業(yè)為研究對象，對2025年新能源裝備智造化轉(zhuǎn)型前景進行仿真預測，以量化結(jié)論劃分產(chǎn)業(yè)面向智能制造轉(zhuǎn)型情景，分析產(chǎn)業(yè)智造化發(fā)展戰(zhàn)略重心。

一、核心情景指標及其影響因素

新能源裝備制造業(yè)面向智能制造發(fā)展過程是一個有規(guī)律可循的系統(tǒng)，影響因素與情景指標作為系統(tǒng)組成要素存在某種內(nèi)在聯(lián)系。影響因素決定新能源裝備制造智能化水平。情景指標是制造智能化水平的外在表現(xiàn)，反映影響因素的作用結(jié)果?？刂普搶⑾到y(tǒng)未知區(qū)域定義為“黑箱”。按照這一定義，影響因素對應各觀測變量作為“黑箱”數(shù)據(jù)輸入，要預測的核心情景指標代表“黑箱”數(shù)據(jù)輸出，而科學合理的預測方法則是打開“黑箱”的鑰匙。數(shù)據(jù)在這一未知區(qū)域的活動是有規(guī)律可循的，將其設(shè)為函數(shù)并可表述為：

f （觀測變Ⅰ1，觀測變Ⅰ2...Ⅱ變量）=Y情景指標1，情景指標Ⅰ2...Ⅰ情景指標mY

（一）核心情景指標

新能源裝備制造面向智能制造轉(zhuǎn)型的特征有三個方面：新能源裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展由效率驅(qū)動與要素驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新驅(qū)動，科技創(chuàng)新成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支柱;智能制造的發(fā)展極大提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率;新能源裝備應用大范圍普及，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大。根據(jù)新能源裝備制造面向智能制造發(fā)展動向，選取數(shù)個核心情景指標，作為描述產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展情景的基礎(chǔ)。

1.創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。智造化創(chuàng)新能力的提升能夠降低企業(yè)在生產(chǎn)層面的海外依賴，從而降低技術(shù)與設(shè)備成本。鑒于此，以新能源裝備制造企業(yè)技術(shù)代價（對外支付的關(guān)鍵技術(shù)使用費、外購關(guān)鍵設(shè)備及其組件成本、聘請國外專家勞務(wù)費之和）計量智造化創(chuàng)新成果，以技術(shù)代價占主營業(yè)務(wù)成本比重反映新能源裝備制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新效果。該比率降低，表明新能源裝備制造企業(yè)智造化創(chuàng)新取得成果。

2.企業(yè)生產(chǎn)效率。我國制造業(yè)在向工業(yè)4.0看齊的同時，工業(yè)3.0時期的短板依然存在。處于起步階段的智能制造工業(yè)發(fā)展模式，相關(guān)前沿科技的開發(fā)與應用仍不成熟，制造費用較高。隨著新能源裝備制造面向智能制造轉(zhuǎn)型過程的推進，智造技術(shù)更趨成熟，企業(yè)運營成本逐漸降低，投入產(chǎn)出率逐步提高。同時，智能制造應用先進數(shù)控技術(shù)，提高裝備制造的自動化程度，勞動力在生產(chǎn)要素中的比重將逐漸降低。智能制造技術(shù)的應用降低了工業(yè)總投入中勞動力比重，新能源裝備制造面向智能制造轉(zhuǎn)型在提高企業(yè)產(chǎn)值的基礎(chǔ)上大幅減少人力投入，產(chǎn)業(yè)未來人均生產(chǎn)率將大幅提升。鑒于此，選取新能源裝備制造企業(yè)平均人均生產(chǎn)率及平均投入產(chǎn)出率作為核心情景指標。

3.產(chǎn)業(yè)規(guī)模。中國制造2025的提出，為制造業(yè)的發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境并指明了轉(zhuǎn)型方向。而隨著能源短缺問題的凸顯，新能源技術(shù)的開發(fā)與利用迫在眉睫。在上述兩個大背景下，新能源裝備制造業(yè)的發(fā)展將充滿機遇與挑戰(zhàn)。面向智能制造轉(zhuǎn)型的過程中，創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展及高生產(chǎn)效率是未來發(fā)展的必然趨勢，新能源裝備制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大是兩大趨勢的必然結(jié)果。因此，選取新能源裝備制造業(yè)總產(chǎn)值作為核心情景指標。

（二）關(guān)鍵影響因素分析

高端制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，科技創(chuàng)新是重要動力。一項技術(shù)創(chuàng)新要體現(xiàn)其經(jīng)濟價值并推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，必須得到大規(guī)模推廣與商業(yè)應用。高端制造業(yè)依靠技術(shù)創(chuàng)新得到發(fā)展的進程中，外部環(huán)境對其具有一定規(guī)制作用。因此，選取科研實力、技術(shù)應用、產(chǎn)業(yè)環(huán)境等三個維度對關(guān)鍵影響因素觀測變量進行研究。

1.科研實力。新能源裝備制造企業(yè)的科研投入，直接影響到其面向智能制造轉(zhuǎn)型的進程及生產(chǎn)效率。此外，用戶和政府也是創(chuàng)新體系的重要組成部分。為進一步強化新能源裝備用戶端在創(chuàng)新體系中的主體地位及政府政策的導向作用，科技創(chuàng)新體系要加強“政產(chǎn)學研用”的聯(lián)合程度。鑒于此，選取技術(shù)研發(fā)經(jīng)費占主營業(yè)務(wù)收入比重、新能源智造化科研項目研究人員數(shù)量和“政產(chǎn)學研用”聯(lián)合程度作為科研實力觀測變量。

2.智造化技術(shù)應用水平。首先，在裝備制造方面，信息物理系統(tǒng)的應用是一項重要課題。信息物理系統(tǒng)（cyber physical systems，簡稱CPS）作為計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，是集計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。CPS通過聯(lián)合多種工程技術(shù)，將產(chǎn)品生產(chǎn)鏈深度整合，實現(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)虛擬數(shù)據(jù)與物理實體的互聯(lián)互通。其次，從信息處理技術(shù)方面來看，大數(shù)據(jù)分析、云計算等技術(shù)是提高智能制造水平的關(guān)鍵技術(shù)。從哈佛商學院的邁克爾·波特到賓夕法尼亞大學沃頓商學院，有一個普遍的共識，即數(shù)字化是智能制造的實現(xiàn)途徑。數(shù)字化轉(zhuǎn)型并不意味著產(chǎn)品制造過程的單純數(shù)字化控制，而是將數(shù)據(jù)信息作為智能制造的血液，流動于產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期，利用數(shù)據(jù)信息整合產(chǎn)業(yè)鏈與價值鏈。未來是屬于數(shù)據(jù)的時代，網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的深度挖掘和大規(guī)模利用是新興產(chǎn)業(yè)的立足點。綜上所述，選取CPS集成程度、生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)比重、數(shù)控能力、數(shù)據(jù)分析能力作為反映技術(shù)應用水平的觀測變量。

3.產(chǎn)業(yè)智造化外部環(huán)境。產(chǎn)業(yè)外部環(huán)境方面主要關(guān)注政府與市場對新能源裝備智能制造的影響。政策方面，十八屆三中全會提出，全面深化改革要使市場在資源配置中起決定性作用，政府與市場將在新能源裝備制造業(yè)未來發(fā)展中重新定位。以新能源為代表的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)目前仍處于起步階段，技術(shù)和需求市場尚不成熟，亟需政府扶持與引導。在政策支持下，技術(shù)與制度共同創(chuàng)新更能對新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起推動作用，新能源裝備制造業(yè)面向智能制造的發(fā)展過程便可處于良好的政策環(huán)境，加速產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，市場的重大需求是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的重要條件之一。隨著能源消費結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，新能源革命步入大范圍增量替代和區(qū)域性存量替代的發(fā)展階段，新能源裝備產(chǎn)業(yè)智造化轉(zhuǎn)型正值有利時期。新能源裝備市場需求的擴大將產(chǎn)生社會資本凈流入，在擴大產(chǎn)業(yè)規(guī)模的同時，也為本產(chǎn)業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型提供更強大的資本支撐。鑒于此，選取非化石能源消費比重與政策支持力（包括投資力度與政策有利程度）作為產(chǎn)業(yè)外部環(huán)境觀測變量。

二、情景預測

（一）預測模型構(gòu)建

為探究影響因素觀測變量與情景指標間的內(nèi)在聯(lián)系，采用具有自學習功能與聯(lián)想儲存功能的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。為考慮新能源裝備智能制造影響因素未來不確定性的影響，引入蒙特卡洛法（Monte Carlo）進行模擬。Monte Carlo模擬通過構(gòu)建概率分布模型，設(shè)定隨機過程，反復生成時間序列，計算結(jié)果統(tǒng)計量，研究結(jié)果分布特征。隨著執(zhí)行次數(shù)增大，輸出結(jié)果的預測精度與可靠性逐漸增高。

（二）情景預測

1.變量參數(shù)設(shè)定。影響因素對應觀測變量包括定性變量與定量變量兩類，其不確定性于未來表現(xiàn)通過分布假設(shè)實現(xiàn)。二級觀測變量分定性變量和定量變量。定性變量采用三分制量表計量（分值由低到高代表低、中、高三個等級），通過向業(yè)界專家（新能源裝備企業(yè)管理者、能源經(jīng)濟領(lǐng)域?qū)W者）以郵件形式發(fā)送問卷或訪談?wù){(diào)研等形式進行數(shù)據(jù)采集，采集內(nèi)容包括現(xiàn)實狀況評價及對未來狀況的預測評價。其中，采集預測評價資料以概率形式進行整理，并將其設(shè)為離散型分布。將定量觀測變量未來情況設(shè)為連續(xù)型分布，采用德爾菲法向?qū)＜易稍円庖?，確定未來出現(xiàn)的期望值、最值等參數(shù)。

對于定性觀測變量，采用問卷形式收集專家意見，將概率賦值結(jié)果整理后生成分布列，作為仿真數(shù)據(jù)輸入條件。

定量觀測變量未來變化趨勢采用德爾菲法向?qū)＜易稍?，匯總專家意見后的期望值及上下限作為此類變量概率分布參數(shù)。

定量觀測變量概率分布為連續(xù)型分布，這里將該分布設(shè)定為正態(tài)分布，分布函數(shù)為式（1）：

式中，μ為定量觀測變量期望值;σ取值以隨機數(shù)生成在上下限區(qū)間內(nèi)概率大于99%為標準確定，該標準下無效數(shù)據(jù)不超過1%。根據(jù)標準正態(tài)分布表，p（-2.58

由（2）確定變量標準差為：σTFIP =0.001 822;σANER=0.774 186;σREI=0.060 078;σPNFEC=0.006 202。

2.仿真結(jié)果。系統(tǒng)仿真結(jié)果頻數(shù)統(tǒng)計如表4所示，分別為新能源裝備制造企業(yè)技術(shù)代價率（TCR）、平均人均產(chǎn)值（MPP）、投入產(chǎn)出率（IOR）及總產(chǎn)值（TOR）。

（三）情景分析

根據(jù)技術(shù)代價率、平均人均產(chǎn)值、產(chǎn)出率和總產(chǎn)值等四個核心情景指標的事件分段統(tǒng)計結(jié)果發(fā)展了目標年可能出現(xiàn)的三個典型情景。

低效發(fā)展情景：至2025年，新能源裝備企業(yè)智造化技術(shù)代價仍處于較高水平，企業(yè)投入大量資金用于支付關(guān)鍵技術(shù)使用費、關(guān)鍵設(shè)備或組件成本、聘請國外專家勞務(wù)費等費用。產(chǎn)業(yè)對外技術(shù)依賴性較強，在借助智能制造提高生產(chǎn)效率與裝備品質(zhì)的同時，不得不付出高昂的技術(shù)代價，究其原因是產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力不足。由于使用大量資本引進智能制造技術(shù)，新能源裝備制造產(chǎn)業(yè)人均產(chǎn)值比較理想。然而，高昂的技術(shù)使用費帶來生產(chǎn)智能化與“人口紅利”消失的共同作用，也造成了投入產(chǎn)出率的低效，以至產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大幅度有限、新能源裝備制造依靠龐大的市場維持、智造化核心技術(shù)受到牽制。

穩(wěn)健發(fā)展情景：至2025年，將實現(xiàn)新能源裝備智造化技術(shù)代價適中，雖然部分關(guān)鍵技術(shù)仍采用引進方式，但是先進智造化技術(shù)研發(fā)能力總體上已相當優(yōu)秀，技術(shù)依賴性達到較低水平。由于掌握成熟的智能制造技術(shù)，新能源裝備智能化、無人化制造達到較高水平，平均人均產(chǎn)值與當前狀態(tài)相比有較大提升。同時，經(jīng)過市場經(jīng)濟自我調(diào)節(jié)作用，新能源裝備制造產(chǎn)業(yè)投入產(chǎn)出率達到平衡狀態(tài)，總產(chǎn)值有望翻倍;新能源裝備制造全程智能化有突破性進展，互聯(lián)、數(shù)據(jù)、集成、創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型均出現(xiàn)較大變化。根據(jù)情景仿真結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)，穩(wěn)健發(fā)展情景為最高概率情景狀態(tài)。

顯著發(fā)展情景：至2025年，新能源裝備制造將呈現(xiàn)全面智能化態(tài)勢，該情景將成為中國新一代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的供應國和市場主導力量的發(fā)展情景。新能源裝備制造企業(yè)在生產(chǎn)制造中僅支出少部分必要的技術(shù)使用代價，對新能源裝備智造化技術(shù)的研發(fā)與應用達到領(lǐng)先水平，對外技術(shù)依賴性極低。高度智能化與無人作業(yè)的制造過程帶來高附加值的新能源裝備和少量的人力資源投入，因此企業(yè)在人均產(chǎn)值這一指標上取得極好成績。成熟的智能制造技術(shù)有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高新能源裝備品質(zhì)，我國企業(yè)逐漸占據(jù)新能源裝備國際市場，產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值持續(xù)增長。此外，高投入產(chǎn)出率吸引資本繼續(xù)進入本產(chǎn)業(yè)，新能源裝備智能制造將持續(xù)發(fā)展。

三、研究結(jié)論

基于情景分析法，得到新能源裝備智能制造低效發(fā)展情景、穩(wěn)健發(fā)展情景、顯著發(fā)展情景等三個情景方案。顯著發(fā)展情景為產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的最優(yōu)情景，但按照系統(tǒng)仿真統(tǒng)計結(jié)果，該情景發(fā)生概率較低。若要實現(xiàn)該情景，必須及時抓住產(chǎn)業(yè)環(huán)境有利條件，充分提升科研實力及技術(shù)應用等要素，積極發(fā)展新能源裝備智能化。由于外部環(huán)境可控性較低，且技術(shù)上取得突破性進展不確定性較大，顯著發(fā)展情景實現(xiàn)難度較大。低效發(fā)展情景中，產(chǎn)業(yè)資本大量投入用于彌補創(chuàng)新能力不足導致的技術(shù)缺陷，從而實現(xiàn)智造化水平的提高，新能源裝備智造化發(fā)展受到嚴重技術(shù)牽制。該情景下必須考慮新能源裝備智造化發(fā)展的可行性，及時調(diào)整長期發(fā)展戰(zhàn)略。新能源裝備制造企業(yè)必須提及時高自主創(chuàng)新能力，開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)智能制造技術(shù)，降低技術(shù)代價，避免低效發(fā)展情景出現(xiàn)。穩(wěn)健發(fā)展情景中，新能源裝備面向智能制造的發(fā)展成績斐然，技術(shù)開發(fā)與應用處于趕超階段，提升空間仍然廣闊。總體上看，穩(wěn)健發(fā)展情景為最高概率情景事件，低效發(fā)展情景與顯著發(fā)展情景的事件概率較低，但不排除其發(fā)生可能。高概率情景事件表明，新能源裝備面向智能制造轉(zhuǎn)型是促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效戰(zhàn)略。三個情景結(jié)論中，技術(shù)代價是劃分標準的關(guān)鍵指標。顯著發(fā)展情景下，技術(shù)的相對成熟使新能源裝備制造業(yè)面向智能制造轉(zhuǎn)型進展順利。高概率情景事件，即穩(wěn)健發(fā)展情景下，技術(shù)代價仍然偏高。綜上所述，以提升自主創(chuàng)新能力、積極應用新技術(shù)作為產(chǎn)業(yè)智能化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略重心，新能源裝備制造智能化轉(zhuǎn)型將取得較大成功。

參考文獻：

[1]? ?孟凡生，李曉涵.中國新能源裝備智造化發(fā)展技術(shù)路線圖研究[J].中國軟科學，2017，（9）：30-37.

[2]? ?張曙.工業(yè)4.0和智能制造[J].機械設(shè)計與制造工程，2014，（8）：1-5.

[3]? ?肖靜華，毛蘊詩，謝康.基于互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)的智能制造體系與中國制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級[J].產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟評論，2016，（2）：5-16.

[4]? ?姚錫凡，張劍銘.LIN Yingzi.智慧制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2016，36（10）：2699-2711.

[5]? ?黃群慧，賀俊.中國制造業(yè)的核心能力、功能定位與發(fā)展戰(zhàn)略[J].中國工業(yè)經(jīng)濟，2015，（6）：5-17.

[6]? ?婁偉.情景分析方法研究[J].未來與發(fā)展，2012，（9）：17-26.

[7]? ?Hsia P， Samuel J， Gao J， et al. Formal Approach to Scenario Analysis[J].IEEE Software，1994，11（2）：33-41.

[8]? ?Vuuren D P V， Bouwman A F， Beusen A H W. Phosphorus demand for the 1970-2100 period：a scenario analysis of resource depletion.[J].

Global Environmental Change，2010，20（3）：428-439.