2020年前沿科技發(fā)展態(tài)勢(shì)及2021年趨勢(shì)展望——先進(jìn)制造篇

作者：張宇

世界先進(jìn)制造領(lǐng)域2020年態(tài)勢(shì)總結(jié)

受新冠疫情影響，全球制造業(yè)發(fā)展滯緩。2020年，全球制造業(yè)受新冠肺炎疫情影響嚴(yán)重。前半年制造業(yè)處于嚴(yán)重萎縮狀態(tài)，5月份全球制造業(yè)PMI指數(shù)跌至40%以下，降至2018年以來(lái)最低谷。后半年全球經(jīng)濟(jì)開(kāi)始復(fù)蘇，制造業(yè)緩慢回升。世界主要國(guó)家均采取各類(lèi)措施刺激發(fā)展，對(duì)沖疫情影響。美國(guó)啟動(dòng)“大眾企業(yè)貸款計(jì)劃”，以支持受疫情影響的中小企業(yè)。英國(guó)通過(guò)降息、撥款、擬定創(chuàng)業(yè)就業(yè)計(jì)劃等措施，應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的失業(yè)潮。歐盟簽署總額5400億歐元的緊急救助計(jì)劃，并醞釀采取措施吸引制造業(yè)回歸，降低供應(yīng)鏈外部依賴(lài)。德國(guó)信貸擴(kuò)張，國(guó)家為企業(yè)提供不設(shè)上限的貸款金額，同時(shí)為小微企業(yè)提供500億歐元的緊急援助，保障就業(yè)。

5G技術(shù)賦能工業(yè)領(lǐng)域，促進(jìn)智能制造新發(fā)展。英國(guó)投資900萬(wàn)英鎊啟動(dòng)名為“5G-Encode”的5G技術(shù)與制造業(yè)融合項(xiàng)目，將探索工業(yè)環(huán)境中專(zhuān)用5G網(wǎng)絡(luò)的新業(yè)務(wù)模型，研究5G在改善復(fù)合材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用。韓國(guó)現(xiàn)代重工集團(tuán)與電信運(yùn)營(yíng)商KT公司合作開(kāi)發(fā)基于5G網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)智能船廠(chǎng)解決方案，進(jìn)一步提升自主機(jī)器人技術(shù)，以提高效率和安全性。法國(guó)施耐德電氣和Orange電信在勒沃德勒伊工廠(chǎng)部署工業(yè)領(lǐng)域的室內(nèi)5G通訊基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)5G技術(shù)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)維活動(dòng)，并部署遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察，旨在將5G技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境，打造可靠、可擴(kuò)展、可持續(xù)的連接解決方案，以滿(mǎn)足未來(lái)工業(yè)需求。英國(guó)電信（BT）與伍斯特郡5G測(cè)試平臺(tái)（W5G）開(kāi)展合作，加速實(shí)時(shí)5G專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的智能化、動(dòng)態(tài)化和全自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)4.0和智能制造發(fā)展。

數(shù)字孿生技術(shù)與解決方案幫助制造業(yè)效能大幅提升。美國(guó)Authentist公司將Nebumind公司的數(shù)字孿生工具集成到制造執(zhí)行系統(tǒng)中，生成“數(shù)字孿生”可視化效果，將3D打印設(shè)備參數(shù)和傳感器數(shù)據(jù)與原始零件幾何形狀融合，幫助用戶(hù)識(shí)別各零件的問(wèn)題區(qū)域，提高檢查效率，使返工需求識(shí)別速度可提高10倍。南卡羅來(lái)納大學(xué)為美海軍艦船開(kāi)發(fā)“數(shù)字孿生”系統(tǒng)，以提高美海軍艦船動(dòng)力系統(tǒng)和平臺(tái)的韌性、效率、適應(yīng)性和自主性，并為艦船上昂貴的電氣部件提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。英國(guó)宇航系統(tǒng)公司采用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)第六代戰(zhàn)斗機(jī)“暴風(fēng)”的概念外形進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，同時(shí)試飛員能夠在陸基模擬器上駕駛戰(zhàn)機(jī)，數(shù)字孿生后續(xù)還可為飛機(jī)全生命周期的各環(huán)節(jié)提供支持。

3D打印技術(shù)與成果持續(xù)更新，行業(yè)應(yīng)用逐步深化。美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種融合了注塑元素的新型3D打印技術(shù)。該方法先3D打印出外殼結(jié)構(gòu)，然后向空腔內(nèi)注射塑料進(jìn)行填充，其打印速度比傳統(tǒng)的FDM技術(shù)快3倍。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用3D打印技術(shù)，在3個(gè)月內(nèi)完成了核反應(yīng)堆原型的設(shè)計(jì)與制造，并利用制造過(guò)程中的持續(xù)監(jiān)測(cè)和人工智能技術(shù)完善原型堆的設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步評(píng)估材料和性能。美國(guó)3D打印初創(chuàng)公司Relativity Space完成了其3D打印火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Aeon 1的首次地面全周期點(diǎn)火運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。Aeon 1共含100多個(gè)零件，平均制造周期僅為一個(gè)月，其成本和工序都大大減少。美陸軍立項(xiàng)研究利用增材制造技術(shù)開(kāi)發(fā)下一代彈藥，以增強(qiáng)彈藥的穿透能力和殺傷力，幫助實(shí)現(xiàn)更高的初速度和更遠(yuǎn)的射程。

世界先進(jìn)制造領(lǐng)域2021年趨勢(shì)展望
機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用齊頭并進(jìn)，商業(yè)落地進(jìn)程提速。機(jī)器人基礎(chǔ)與前沿技術(shù)迭代速度將持續(xù)增快，主要將圍繞人工智能、人機(jī)協(xié)作等方向展開(kāi)；全球服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)空間廣闊，規(guī)模將不斷擴(kuò)大。機(jī)器人公司波士頓動(dòng)力積極開(kāi)發(fā)配件，幫助已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的Spot機(jī)器人應(yīng)用程序更加多樣化，2021年將為其配備機(jī)械臂，以執(zhí)行開(kāi)關(guān)門(mén)和物品拾取等任務(wù)，同時(shí)還將配備自充電基座，使其能夠在無(wú)人操作環(huán)境下自行返回充電。韓國(guó)SK電訊和日本歐姆龍合作開(kāi)發(fā)出搭載了AI、5G、機(jī)器人自動(dòng)控制等尖端技術(shù)的防疫AI機(jī)器人，這種機(jī)器人可與搭載5G網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，執(zhí)行建筑物消殺、體溫檢查、驅(qū)散聚集人群等任務(wù)。預(yù)計(jì)這種機(jī)器人2021年起將向國(guó)外出口。

智能工廠(chǎng)建設(shè)推進(jìn)，助力制造業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型。作為智能制造的重要載體，智能工廠(chǎng)成為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。2020年，世界經(jīng)濟(jì)論壇已遴選出54家燈塔工廠(chǎng)作為全球智能工廠(chǎng)標(biāo)桿，預(yù)計(jì)2021年全球智能工廠(chǎng)建設(shè)步伐將進(jìn)一步加快。日本發(fā)那科集團(tuán)上海智能工廠(chǎng)三期項(xiàng)目開(kāi)建，該工廠(chǎng)將通過(guò)發(fā)那科的工程集成及技術(shù)服務(wù)能力，利用其IoT、AI等智能制造技術(shù)，建成集生產(chǎn)、研發(fā)、展示、銷(xiāo)售、系統(tǒng)集成與服務(wù)為一體的機(jī)器人超級(jí)智能工廠(chǎng)。韓國(guó)中小企業(yè)和創(chuàng)業(yè)部計(jì)劃在2025年前將智能工廠(chǎng)的推進(jìn)率從22%提高到30%，將其數(shù)量增加至1000家，并從中選出代表不同的行業(yè)的100家工廠(chǎng)作為“燈塔”，在工業(yè)園區(qū)建立數(shù)字集群，推動(dòng)制造業(yè)與第一、三產(chǎn)業(yè)結(jié)合。

人工智能技術(shù)與制造業(yè)深度融合成為重要趨勢(shì)。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Research and Markets發(fā)布《制造業(yè)中的人工智能——到2027年的全球預(yù)測(cè)》報(bào)告，指出制造業(yè)中的人工智能技術(shù)在2019年~2027年預(yù)測(cè)期內(nèi)年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)39.7％，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到270億美元。英國(guó)信息技術(shù)公司AVEVA與加拿大Axonify公司共同推出基于人工智能的微學(xué)習(xí)解決方案，提供具有豐富擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)功能的仿真培訓(xùn)，以及用于教學(xué)設(shè)計(jì)和課程開(kāi)發(fā)工具的一體化教學(xué)平臺(tái)，首創(chuàng)在制造業(yè)培訓(xùn)領(lǐng)域借助人工智能技術(shù)對(duì)員工進(jìn)行個(gè)性化高效培訓(xùn)的范例。德國(guó)開(kāi)發(fā)出可監(jiān)測(cè)機(jī)器人裝配線(xiàn)故障的智能系統(tǒng)。這種智能系統(tǒng)基于人工智能算法，可忽略不相關(guān)的背景噪音，并區(qū)分多個(gè)目標(biāo)聲音，通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)器人正確作業(yè)時(shí)本應(yīng)發(fā)出的聲音來(lái)判斷其是否正常工作，以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。Geek+物流機(jī)器人公司應(yīng)用先進(jìn)機(jī)器人和人工智能技術(shù)，依托穩(wěn)定可靠的硬件和高效算法大幅提升全球性供應(yīng)鏈智能化水平，使物流更經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效率、靈活、安全和敏捷。

政策支持與技術(shù)進(jìn)步齊發(fā)力，助推自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展。IDC《全球自動(dòng)駕駛汽車(chē)預(yù)測(cè)報(bào)告（2020~2024）》顯示，預(yù)計(jì)2021年全球L1~L5級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē)出貨量將達(dá)到3605萬(wàn)輛。中國(guó)工信部發(fā)布的《汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)》從2021年1月1日起正式實(shí)施。該文件明確了自動(dòng)駕駛汽車(chē)的分級(jí)定義、分級(jí)原則，將為后續(xù)相關(guān)法律法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)提供支撐。英國(guó)政府計(jì)劃在2021年將自動(dòng)駕駛汽車(chē)合法化，允許自動(dòng)駕駛車(chē)輛在高速公路的慢車(chē)道上以不高于112公里的時(shí)速行駛。Waymo公司計(jì)劃在2021年與俄亥俄州交通研究中心（TRC）開(kāi)展合作，共同打造囊括丘陵以及密集型城市環(huán)境的全新測(cè)試場(chǎng)地，以便在不常見(jiàn)或危險(xiǎn)性較大的場(chǎng)景中對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)進(jìn)行測(cè)試。中國(guó)無(wú)人駕駛卡車(chē)公司圖森未來(lái)獲得美國(guó)卡車(chē)制造商N(yùn)avistar投資，雙方將共同研發(fā)L4級(jí)無(wú)人駕駛卡車(chē)，并計(jì)劃在2024年前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。


作者簡(jiǎn)介
張宇
國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所研究一室，研究助理
研究方向：機(jī)器人、3D打印、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、高端裝備制造等