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新一轮科技革命的主要方向

供稿人:党倩娜  供稿时间:2020-6-9   关键字:科技革命  创新  方向  

历次科技革命最终总是以生产力的提高为主要目的,而生产工具、劳动资料、劳动对象和劳动者是生产力的主要构成。在新一轮的科技变革和产业革命中,以智能装备和3D打印为代表的新型生产工具,以分布式新能源为基础的劳动资料,以新材料和新空间为劳动对象,以知识和创意者为主要人力资本,将会进一步提升生产效率,形成以互联网为分布式生产和服务平台、以新能源为社会持续发展动力、以智能化个性定制为目的的模式,即数字化、绿色化、智能化,成为新变革的核心内容。

1.数字化

一般来讲,数字化是指把所有原始信息用计算机能够识别的二进制编码来表示,并可用数字化技术进行加工处理的过程。

(1)走向数字化闭环模式

数字化的历程起始于计算机的产生,并经由辅助计算/加工、创意设计、管理方式、生活方式的数字化走向数字化制造,最终全面形成数字化生产模式,甚至可能形成开放性或闭环性兼容的模式。

计算机最初主要应用于科研计算,20世纪50年代数控机床出现,实现部分零部件的辅助加工,60年代发达国家开始出现计算机辅助设计系统(CAD)和数据库,进行一些单体项目的数字化处理。80年代小型电脑出现,此后,一方面,数字化的方式开始向个人生活延伸,尤其是在80年代末国际互联网的出现,另一方面,单项的电子数据处理开始向管理信息系统(MIS)发展,MRP(物料需求计划)、企业资源计划(ERP)、客户关系管理(CRM)等相继出现。90年代以后,网络媒体、电子商务、社交网站等先后出现,数字化、泛在化、个性化与协同化的社会整体思维和生活方式逐渐强化,这对传统的生产模式提出挑战。

传统生产模式从着重资本和能源密集型转向知识和信息密集型,生产工具日益数字化,生产要素中人流、资金流、物流、信息流等均以数据流的形式展现,并通过网络平台形成产品设计、采购、生产、管理、交换和消费完整数字化链条。然而,这种链条目前大多还不能形成消费和生产的完全协调,因而会出现产能过剩的状况。而在新的科技与产业革命中,能源生产和获取方式也将数字化和网络化,大数据将成为生产和决策基础,越来越多的部件可以通过3D添加式制造实现实时快速成型,互联网除了成为各种交换和服务平台之外,也是消费者等同步参与设计和生产的平台,消费者甚至可以自己设计,自己生产、自己消费,生产链条将因此逐渐形成闭环性,这为解决需求、生产计划和控制之间的问题提供了更好的方式,社会资源的分配也将更加趋于平衡。

(2)数字化模式趋向以需求为中心

一般来讲,数字化生产是指在数字化技术和制造技术融合的背景下,在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下,根据用户的需求,迅速收集资源信息,对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组,实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造,进而快速生产出达到用户要求性能的产品的制造模式。它是制造技术、计算机技术、网络技术与管理科学等在制造领域交叉、融和、发展与应用的结果。

近年来,随着一些新技术的发展,数字化领域对市场需求的响应能力在增强,这正在推动数字制造技术由以设计为中心、以管理为中心的过程,走向以市场需求为中心的集成技术。即从管理环节牵引走向客户需求的牵引,从管理效率的提高为主要目标走向以满足客户需求为主要目标。如装备技术上,柔性、可重构性、智能对接正在成为重点内容;辅助设计和制造上看,基于网络的逆向、快速等技术可实现产品全数字化设计与制造,如并行工程技术、虚拟设计技术、快速成形技术、快速资源重组技术、大规模远程定制技术等;管理技术上,异构制造环境下的海量信息处理和分析技术等将成为关键。其中一些技术,如数字建模技术、虚拟现实技术、大数据分析技术在从创意到销售的全过程中都将成为基础技术,并和3D打印、数字测量、远程控制等技术集成在一起,成为企业在复杂多变环境中响应市场需求,构建企业核心竞争力的技术基础。

(3)数字化平台和微型个性企业共存

在各个领域,数字化平台成为资源集聚和模式闭环中的链接节点。不仅大型企业走向数字化,以产品全生命周期的相关数据为基础,根据虚拟制造原理,依据构建数字化制造系统模型,通过数字制造技术对产品生产过程进行仿真、优化和重组,实现数字化生产和流通。数字化平台也使得各行业的进入门槛降低,如一些新型的小型制造企业,也借助网络平台、数字设计和3D打印等技术,尤其是创意者,可以将自己的产品设计直接转变为产品,这也是近年“创客运动”工业化兴起的主要原因之一。未来,随着3D打印等有关成本的降低,将有更多小型制造企业问世,甚至出现家庭工厂。目前,在欧盟第7研究框架2013年项目中,已经开始在“未来工厂”(Factories of the Future)计划中支持小型定制工厂的研究(FoF.NMP.2013-6 Mini-factories for customized products using local flexible production)。数字化平台和微型个性企业互相交织,互相支撑,将形成主要的数字化网络节点。

2. 绿色化

20世纪60年代以后,欧美地区发达国家经过高速发展,普遍进入后工业时代,美国等国家的经济增长速度放缓,经济增速下滑和科技投入日益增长之间矛盾引起了社会广泛讨论,环境和资源有限性问题及可持续发展问题开始引起全球关注。一般来说,绿色化是以综合考虑环境问题和资源效率为核心,对环境影响最小、资源利用率最高的可持续发展方式。

(1)绿色化系统向泛在式社会化网络发展

自 20世纪70年代联合国初步提出可持续发展理念以后,环境和生态保护就成为世界性重点议题。90年代,工业绿色化战略开始引起广泛讨论,产品和流程设计过程中如何节能减排,生产和环境如何协调成为重点,绿色化思路由对外部环境的关注进入到内部因素。循环经济也在同一时期提出,减量化、再使用和再循环成为三大基本原则,推动绿色化的思想从单向直线过程走向系统性思考。2003年英国政府最先在其能源白皮书中提出“低碳经济”的概念,提出构筑低能耗、低污染、低排放为基础的经济发展模式,核心技术包括新能源技术及清洁技术等,以及由此形成的新能源汽车、节能建筑等新兴产业。及此,绿色化思想由对外部因素、生产过程因素深入到对能源产生的源头因素的思考。此后,新能源由于污染少,可再生性强等优点,其发展引起全球重视,尤其是太阳能等这样可以广为家庭等个体单位采用的能源形式,得到了非常迅速的发展,据德国太阳能产业协会数据显示,2012年德国约为800万户家庭太阳能供电,同比增长4.5%,光伏发电已能满足德国5%的用电需求,在电力供应中所占比例于三年内翻了四番。

新能源的发展对对传统的能源生产和利用模式提出了挑战。传统的能源生产和利用模式是集中生产、集中供应,能源企业具有较大的垄断能力。而新型能源具有分布广、间断性、波动大等特点,智能电网由此产生,通过与信息技术、传感技术等新兴技术的结合,从而实现能源分配和利用的综合优化平衡。进一步地,当新能源的分散式利用演化为分散式生产,并通过智能电网形成分布式能源网络,这样每一座建筑都能成为一个微型发电厂,甚至人们的每一次运动都可以转化为能源,每个家庭都可以生产能源,并成为新型的基础设施,人类社会进入泛在式能源网络时代。杰里米·里夫金认为,可再生能源的转变、分散式生产、储存、通过能源互联网实现分配和零排放的交通方式成为新能源模式的五大支柱。

(2)绿色生态体系走向全生命周期模式

20世纪90年代绿色化战略引起广泛专注。1996年美国制造工程师学会发表了蓝皮书《绿色制造》(Green Manufacturing),对绿色制造的概念进行了介绍。同年9月国际标准化组织环境管理技术委员会推出了国际环境认证标准ISO14001,包括了组织的环境管理体系、环境绩效、环境指标、污染预防、持续改进等方面的内容。此后,国际标准化组织颁布ISO14000系列标准,如1996年环境管理体系标准、1998年环境标志标准、1999年环境行为标准、2000年环境审核标准等,尤其是1997-2000年之间提出生命周期分析系列标准,对生命周期分析的原则、目标、范围、影响评价等进行详细的规定。这一系列标准的实施要求企业对从产品设计、生产、管理、服务和回收的全过程进行严格的控制。因此,全生命周期的绿色模式正在成为当前重要方向。而基于全生命周期的思想,利用并行技术,考虑人-机-产品-环境的优化,在数字化技术和网络平台的支撑下,注重各环节之间的实时交流和协同创新的方式正在成为绿色产品开发模式。

在全周期绿色制造的思想下,可持续性制造成为当前各国主要推动的重点之一。美国提出了可持续制造促进计划( Sustainable Manufacturing Initiative),欧盟在2009年成立“未来工厂”(Factories of the Future)项目,作为第7研究框架的一部分,其中,可持续制造作为一项重要的内容。对此,欧盟提出了新型生态工厂模型(New Eco-Factory model)和绿色产品制造模式(Green Products Manufacturing),即大幅减少资源利用,设计和生产可持续产品,基于可再生资源发展先进制造工艺,以达到环境友好(接近零排放等),经济增长(设备创新性再利用、风险评估等),社会福利良好(发展新型人机交互系统以及安全和符合人体工学的新型设备等),相关项目已细化实施(如FoF.NMP.2013-1 Improved use of renewable resources at factory level,FoF.NMP.2013-4 Innovative methodologies addressing social sustainability in manufacturing等)。

3. 智能化

一般认为,智能化是以数字化为基础,通过具有感知、分析、表达、决策与执行的综合技术进行处理的过程。

1.智能化走向实时、精准和自组织化

经过数字化的发展以后, 20世纪70年代开始出现产品多样性、中小批量的需求。以数控中心、系统工程等为基础的柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)、数据库、模型库等为基础的决策支持系统(Decision Support System,DSS)、工业机器人、智能传感器、知识库、专家系统等的发展,商业智能(Business Intelligence,BI)等相继被提出,并被广泛应用于市场。2000年以后,信息技术发展迅速。2004年日本信息战略技术(U-Japan)提出了泛在网的概念,即实现人与人、物与物、人与物之间的广泛连接,2006年谷歌提出云计算概念。这些为大数据时代的诞生提供了基础。2008年IBM推出 “智慧地球”概念,2011年麦肯锡发布了“大数据:创新、竞争和生产力的下一个新领域”报告,指出大数据分析将成为竞争的关键。

当前,从信息技术前沿方向看,下一代互联和通讯技术已经成为各国发展的重点,5G、区块链、人工智能正在步入商用,6G以上、空间互联网、量子计算、后摩尔时代战略计算等被各国列为研发重点。这些技术互相融合,形成了未来新型网络架构和计算架构。当前,区块链技术与互联网(包括5G、物联网)互相融合的发展,正在共同构成未来互联网的基础框架体系,并与大数据、人工智能共同构建出未来智能社会发展基础,将互联网发展推向价值互联网。这些技术和生物技术、新材料技术等集成在一起,共同推动着智能化向能够实时反应,进行自适应和自组织的体系发展。

2.智能社会以广泛的人机协同合作系统和数字孪生为主要方式,

智能化技术以传感技术、机器人、数据处理和决策系统等为核心基础,如智能测控装置、协同机器人、嵌入式芯片、微型生产技术和系统、新一代信号分析和自学习系统、零缺陷制造决策工具等一系列关键技术。智能化装备则又具有可视化、集成化、网络化的特点,即可以通过多媒体技术、虚拟技术等实现便捷的人机交互或仿真演示;通过即插即生产模块化设计等实现较强的集成和适应性;通过远程通信技术和网络平台等实现工业互联网,从而形成以广泛的人机合作和协同为主要方式,以一键式生产或无人化为主要目标的智能化制造。

近年来,随着物联网、工业机器人、大数据、人工智能等技术的不断发展,智慧工厂和智能商店出现。2010年后欧盟提出智慧工厂(Smart Factories)、 “未来工厂”(Factories of the Future)的概念。2013年德国政府正式推出“工业4.0”项目。2014年AT&T、Cisco、GE、IBM、Intel宣布成立工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium ,IIC)。在零售行业多年的智能商店探索之后,2018年亚马逊无人商店正式开放。

数字孪生的概念和技术逐渐完善,即充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在数字虚拟空间中完成现实世界的映射。这一阶段,信息技术的应用过程将力图实现全现实与虚拟世界的无缝连接与贯通,最终实现对现实世界的治理与改造。目前,数字孪生技术正在由生产领域向其他社会领域渗透,数字孪生城市概念已经提出,在城市管理中正在日益广泛应用。未来,数字孪生社会正在到来。

主要参考文献:

1.  冯昭奎. 科技革命发生了几次【J】.世界经济与政治,2017(2):4-24.

2.  【美】杰克.戈德斯通.为什么是欧洲【M】.关永强,译.杭州:浙江大学出版社,2010.

3.  贾根良. 第三次工业革命:来自世界经济史的长期透视【J】.学习与探索,2014(9):94-107

4.  杨长. 新一轮科技革命发展趋势及其对世界经济格局的影响【J】.全球化,2018(8):25-38.

5.  党倩娜. 世界新一轮产业变革影响与趋势研究【J】.竞争情报,2013(冬):39-47. 


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