2020年制造业的远景预测

fushaohua

一、引 言
过去的20年，制造业不论是在生产模式和制造技术方面都发生了根本性的改变，不仅从传统大量生产方式向精益生产、计算机集成制造、敏捷制造、全球制造和分散网络化制造转变，而且出现了超精密、超高速、激光加工、纳米技术、快速原型、快速制模等一系列新的工艺过程和设备。这种变化趋势仍将持续不断和加速进行。
激烈的市场竞争以及新的制造技术的出现，必将导致新产品和新过程的产生，新的企业管理和工作方式、新的组织结构和决策方法也将随而形成。
5 e+ G; O) d# j& x3 u6 S( c21世纪，制造业仍将是创造物质财富的主要产业，它与新兴产业的相互渗透将进一步推动经济的高速增长。各国非常重视未来制造业的远景预测和战略规划，以迎接新的挑战。只有通过远景预测和战略研究，才能明确未来的制造业将会是什么样的，以及对实现远景预测将会遇到的挑战和障碍有充分的理解和共识。
美国“国家研究理事会工程与技术系统委员会”(Commission of Engineering and Technology System, National Research Council ) 组织了一个专门小组，对2020年制造业面临的挑战进行研究，以便能更加合理有效地支配目前的研究投资。远景预测研究的要点包括以下4个方面：
1) 对2020年制造业和制造企业的竞争环境本质进行研究和预测，明确推动制造业变革的基本动力，描绘明天的蓝图；
5 i5 W3 |9 \4 _. G: A1 j% z) h2) 为使制造业能够适应社会和经济的发展，实现远景规划，确定明天将面临的主要挑战；
3) 确定目前应该积极着手进行研究的、用于对付未来挑战的关键技术；
( y- N2 t& }3 [0 Y" L; O/ H! a4) 关键技术研究的策略和建议，研究成果的评估方法。
远景预测的主要方法是通过各种研讨会（主要是在美国的专家）和书面问卷调查（国际知名学者）进行的。最终形成“2020年制造业的远景预测”（Visionary Manufacturing Challenges for 2020）报告，由美国国家科学出版社出版。
本文是在上述研究报告以及有关下一代制造的文献基础上，结合中国的现状和作者的理解，对2020年制造业的远景预测加以综述。
二、新的竞争环境
选择20年，而不是5年或10年作为远景规划的时间段，是为了思考未来制造业的革命性变革，制定全面的、可持续发展的远景规划，而不是在当前的生产模式和制造技术基础上探讨局部的、渐进性的改善和提高。
研究结果表明，专家们对20年后制造业的发展前景看法基本上相同。一致认为，以下几点是对未来制造业发展有重大影响的技术、政策和经济的因素：
1) 由通信技术的发展和知识共享，增强了竞争的气氛，企业必须对市场作出快速响应，驾驭和适应不断变化的市场环境；
2) 在许多工业发达的国家中，挑剔的客户对大量生产的产品不感兴趣，要求大量定制产品，以满足他们对产品个性化的要求；
3) 不仅是新产品，制造企业全方位的创造力和创新能力将是最重要的竞争优势，质量和价格因素将退居次要地位。创新过程及其技术的发展将改变制造业的活动范围和内容；
) h8 M) r' P/ K$ \6 `  G0 E4) 环境保护实质上是由于人口增长和工业经济出现而引起的全球生态系统恶化，已经严重影响人类的生存和生活水准的进一步提高，各国政府将联合制定更加严格的有关国际法规；
5) 如何有效和迅速获得和应用加速制造过程决策、促进创新和快速响应市场的各种信息和知识，将成为企业 成败的关键；
6) 垄断石油、化工 和钢铁生产的时代已经成为过去，新的、有竞争性的生产资源（包括熟练劳动力）将分布在世界各地，不再集中在某个地区，这将成为促使制造企业组织变革的一个关键因素。
# A+ E5 W+ `$ D, q7 K( }1 ~- b三、新的企业特征
2020年的制造企业不仅是生产组织，也是一个学习组织，它将迅速有效地把新的思想和改革观念引入生产过程。个人和组织都要不断地、快速地学习和掌握新技术，基于计算机的通信技术和基于网络传播的新知识将遍布于整个联盟企业，加强了人与机器的通信，改善了处理业务的过程和联合的外部环境。联盟企业要不断发展合作伙伴，以便能够从高度分散的制造能力快速集成必需的资源，响应市场的机遇。当市场机会一旦消失时，联盟企业又能够快速解散。
2020年的制造业继续是人掌管的企业，它将产品的概念从原材料（或再生材料）转换成现实产品。今天所知道的企业功能（研究与开发、设计、工艺、制造、营销和客户支持）将被高度地集成，通过网络把客户、供应商与新产品开发连成一个整体运行。公司的组织形式和特性将彻底改变，随着响应动态市场而结合与解体的虚拟结构将获得普遍的认同和采用。
未来的20年将出现新的制造业合作体系，它将由两部分构成，一部分制造企业是把原材料（再生材料）转换成各种零部件或新材料的“新材料和零部件”企业，另一部分是把新材料和零部件转换成最终产品的“产品配置”企业。尽管生产资源可能分布于全球各地，但只有少数“新材料和零部件”企业与当地市场有关，而“产品配置”企业却应该定位在当地市场、服务于当地市场，尽管该企业可能是跨国大公司的成员，却在当地独立自主经营。
新的世纪将会出现能够综合或形成新材料和产品的极小规模的生产过程模块，如只有几个人的“实验室企业”或在几平方米内的微型工厂。这是因为，纳米制造过程将从实验室里的珍品变为生产过程。令人兴奋的、新的生物工程应用，将导致新的生物合成过程的和基于生物的制造过程的出现。
0 P7 T5 ]/ i% b& [0 D四、面临的新挑战
  E# l$ k! s& E2 a新的挑战意味着当前的制造业现状和2020年远景预测之间的差距。主要有6个方面重大挑战，现分别简明扼要地加以说明。
' c, j3 K' U6 x; c5 v  L4 f挑战1 并行制造的实施技术和能力；对付这类挑战的主要技术有：
1) 企业建模和仿真；
2) 信息技术；
3) 新的产品设计方法；
7 v: m% j6 j+ ~5 z" o6 J: t9 S4) 支持合作的软件系统；
5) 教育和培训。
# e2 f1 d: S9 {9 h挑战2 人力和技术资源的集成，以提高工作效果和满意度；对付这类挑战的主要技术有：
1) 人机界面的改善；
( U5 I- B9 z1 ~) m" C2) 适应性强和可重构的制造系统；
  M$ b7 h; G9 O3) 企业建模和仿真；
4) 信息和网络技术
. N0 s( E# D) V+ Z% U, R挑战3 及时地把广泛分散收集的信息资源转换成有用的知识，以便作出有效的决策；对付这类挑战的主要技术有：
1) 信息技术
/ t# h- y: |& V) f) m0 Y2) 企业建模和仿真；
4 O9 i3 ~2 _  J9 P% {  s8 N5 {$ N: t3) 人机界面的改善；
' y9 D9 J9 `+ ]+ R+ k% e0 H4) 教育和培训
挑战4 减少生产浪费，把产品和过程对环境的破坏减到“接近零”；对付这类挑战的主要技术有：
: I$ Q  Z9 g: x8 M1) 没有废料的生产过程；
2) 新材料和新工艺（例如，亚微米和纳米制造）；
3) 制造的生物技术；
6 l3 l. e8 F( T7 W- e  K! X4) 新的产品设计技术。
挑战5 快速重构制造企业，响应市场变化的需求和机遇；对付这类挑战的主要技术有：
1) 适应性强和可重构的制造系统；
) i+ q# x6 B8 `1 u2) 企业建模和仿真；
8 L, X/ m( ^! y1 Y' _" r3) 信息技术
" T1 k! }& @( x# l4 B6 e  H4) 新的产品设计技术
5) 人机界面的改善；
6) 教育和培训
9 N; ~6 U2 N, B, E% g7) 支持合作的软件系统；
挑战6 发展高度集中的、占空间小和具有创新性的制造过程和产品；对付这类挑战的主要技术有：
1) 新材料和新工艺（例如，亚微米和纳米制造）；
7 X. _" h: t# I+ C2 _7 s- x2) 制造的生物技术；
3) 适应性强和可重构的制造系统；
4) 新的产品设计技术。
) J8 H4 Z, i5 ?" p五、对付挑战的关键技术
一、关键技术的定义
$ E" z4 ]8 s0 |- n, U' P# s) [. V所谓关键技术是经过多次筛选，认为能够用于对付重大挑战、并具有以下特征的技术领域：
1) 该技术是大多数专家一致认为的应该优先发展技术；
2) 该技术是能够对付重大挑战的主要技术；
3) 该技术对制造业发展具有深远意义；
$ `9 |5 w& R% W: `5 i4) 该技术不止支持对付一项重大挑战；
$ g, h6 T* r8 u( f5) 该技术代表长远的机遇（在短期内不易获得的技术）。
二、关键技术重要性的排序
1 m. V0 R/ \6 q* ?根据关键技术的定义，从众多目前认为可以用于对付重大挑战的技术中挑选10项关键技术，并且按照它的重要性进行排序。
  U5 a  H$ B& F. b9 r6 w1) 可重构制造系统 易于集成的设备和过程，以及能迅速重组的制造系统和网络联盟企业；
6 O3 p' [" z: `/ G) ]4 E& X4 S2) 绿色制造 具有最小浪费和能耗的、以及环境污染最小的制造过程；
3) 技术创新工程 设计和制造新材料和新元件的创新过程，包括方法和工具；
4) 用于制造的生物技术 采用生物过程制造具有生物特征和形状的原材料和元件；
' B5 K, U7 g; V' k7 a- P5) 建模和仿真 对所有的制造过程和企业运作，进行系统合成、建模、仿真，通过数字原型和虚拟现实，提高预见性，减少失误；
6) 知识工程 把学习、经验和信息转换成有用知识的技术和工具，迅速作出有效的决策；
) l: X& c5 s# @8 P7) 产品和过程设计的新方法 满足广泛市场需求的产品和过程的快速实现方法；
8) 改善人—机界面 人与设备的交互方式将多样化，使整个生产系统成为一个和谐整体；
9 y* D' h: R8 A9) 新的教育体系和方法 能够快速获取和消化知识的新的教育和训练方法；
7 l7 G* f0 @' R1 j2 U0 Q6 O+ B10) 智能化软件 能够支持人与人合作、提高人机交互能力的知识为本工程化软件。
& t( K" {$ D3 |& u8 ^0 S6 M六、研究工作的建议
一、以人为本
! C/ X& \9 `, y+ F为了加速关键技术的发展，必须对今后若干年的制造科学技术研究的内容和方法进行讨论。
- }$ D; V  R4 u8 z& @1 z9 w% e. j. \首先应该建立明确的概念，技术虽然是生产系统的一个最活跃的组成要素，但是如何通过价值观和工业文化提高企业的竞争力却是最根本的措施。由于知识传播加速，技术的竞争力强度是较低的，能够维持的时间较短；而人员素质的竞争力强度较高，被模仿的可能性较小，具有可持续发展和相对稳定的特点，如图1所示。
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二、重视学科交叉
% ^. ^/ f) M  g) O打破部门隔阂，支持跨学科的研究与开发项目，建立大学内部和跨越产学研边界的多学科独立法人机构或公司。同时在需要应付重大挑战的重要学科领域，建立研究共同体之间的联盟，包括工程、数学、物理学、化学、经济学、管理科学、计算机科学、哲学、生物学、心理学、认识论和人类学等。因为在新一代制造过程的设计、计划和运作中，要了解人类心理学和社会科学对做生产决策的影响；
为了应付重大挑战，应该把长期的研究重点放在关键技术的创新和开发能力上。研究工作应该集中在横向学科交叉领域，它们能够用于支持若干关键技术。例如，适用性强和可重构的制造系统、信息和通信技术、建模和仿真都是特别重要的，因为对于提高许多产业的制造能力来说，都是关键技术。
- w8 u3 z% x9 f5 A4 e三、关注突破性技术
确立焦点放在突破性技术的基础研究，：亚微米和纳米制造以及整个企业的建模和仿真（包括虚拟现实技术）两个重要的突破性技术值得特别重视，因为这将加速处理重大挑战的进程，支持新一代创新产品和制造过程。例如，在整个企业的建模和仿真的基础上，实现制造业与信息技术的集成，通过专门的研究与开发，建立适用性强、易于集成到分散网络化制造协作系统和模型中的信息技术，目的在于使网络联盟企业的组成伙伴（包括单位和个人）能够加速和改善决策的过程和方法。
突破性技术还可能来自制造部门之外有重大投资或社会效益的应用型研究开发项目。例如，新的生物和合成材料、能源的再生和储存、环境保护技术。
' N1 i  C4 ^. U+ O/ P% G8 `7 @8 r四、创新管理和知识工程
0 c, L7 a: o2 I- u! M' y" ^创新是未来企业核心竞争力。创新及其管理已经发展成为系统科学，使创新不仅取决于个人的创造力，而成为可持续发展和可管理的过程。每个企业都必须像管理生产过程一样管理创新，有激化、记录和评价技术创新业绩的方法和手段，并且使企业的日常运作也能基于创新过程去完成，作出更为合理和有效的决策。
企业的创新能力在某种程度上更多地依赖于集体创新过程，而不仅仅是创新者个人的创造力。和谐的创新环境将使不同领域的专家融合成一个团队化的工作小组，利用高效率的信息网络和知识供应链，促进创新过程的发展。提倡团队精神和相互合作，特别是信息和知识资源的正确和及时传输，以及被有效利用和共享，将大大提高企业的创新能力。
管理和使用信息，从大量可选的信息中作出智慧的抉择，使其成为有用的、可以共享的知识将是重要的研究对象。