李培根院士：东莞智能装备产业发展

李培根院士：东莞智能装备产业发展

编者按：2014年11月，由东莞市科学技术协会主办，东莞科技进修学院和东莞市工程师协会承办的院士讲坛在长安镇举行，讲坛邀请中国工程院院士、原华中科技大学校长李培根做了“东莞智能装备产业发展”专题报告。来自东莞各级政府相关职能部门、行业协会、商界企业与科研单位代表以及在校大学生400余人参加了论坛活动，共同聆听了“根叔”的精彩演讲。

李培根院士

院士简介：李培根，教授，博士生导师。2003年12月当选为中国工程院院士。国家863机器人技术主题专家组成员，国家863先进制造及自动化领域专家委成员，现为中国机械工程学会副理事长，教育部机械工程教学指导委员会主任委员。2005年3月至2014年3月担任华中科技大学校长。2010年6月23日，在华中科技大学2010届本科生毕业典礼上，李培根的演讲《记忆》打动了无数学子的心，并在网络与国内各大高校内产生巨大影响，“根叔”由此为人所熟知。李培根院士发表科技论文近百篇，出版专著3部，先后获国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技进步奖一等奖3项、二等奖1项。1997年，李培根获得国家人事部、教育部共同颁发的“优秀留学回国人员奖”；2001年，获湖北省政府颁发的“杰出专业技术人才奖”；2003年，获中共中央组织部等六部委联合颁发的“留学回国人员成就奖”。李培根院士是中国制造业信息化方面的知名专家。从上个世纪80年代后期开始，李培根院士在本单位主持CAPP（计算机辅助工艺规划）的研究与开发，通过研发并与开目公司和天喻公司合作，实现产业化，已形成国内具有自主版权的CAPP主导产品之一。2001年分别获得中国高校科技进步奖一等奖和国家科技进步奖二等奖。

一、智能装备产业发展的背景及趋势

这两年，社会各界围绕第三次工业革命谈论得比较多。有的认为，第三次工业革命的标志是互联网与可再生能源的融合发展；也有人认为，第三次工业革命是数字化制造与新材料应用技术为代表，推动工业、产业乃至社会发生重大变革的过程；还有的认为，第三次工业革命是以大数据、智能制造、无线革命为代表，来推动人类社会进步的过程。不管是哪种观点，有一点是不容置疑的，那就是第三次工业革命过程中需要数字化、智能化技术。

当前，制造业已经成为全球经济发展的发动机，美国现在非常重视先进制造，并且制定了一个再工业化的计划。德国为了保持工业技术的领先地位，推出了工业4.0发展战略，工业4.0发展战略的核心就是智能制造。中国这几年也在大力发展高端技术，实现产品的升级，在这个过程中，也推出了一些自动化智能化制造的计划。

根据专家的判定，2015年，长三角地区的制造成本仅仅比美国低5%，这意味着我国原来的劳动力成本优势正在逐步丧失。当然，其中一方面原因是中国劳动力成本在提高；另一方面，是发达国家的再工业化战略使得他们的劳动力成本在降低。

美国有一些专家认为，下一步该轮到中国去担忧劳动力成本的问题了。因为美国等一些发达国家在自动化智能制造技术有明显的优势，这样会大大削弱中国制造的优势。我认为这些专家的观点从技术层面来看是比较中立的，中国应该感到忧虑。美国有一个先进制造伙伴计划，这里面包含发展新一代机器人，还有开发节能制造工艺等等。

机器人产业是自动化智能制造的一个重要方面。当前，世界上很多国家都在关注机器人这个产业的发展，比如在传统制造业工业方面，劳动密集型产业的升级都会用到机器人。另外就是民生服务业，因为中国老龄化问题越来越严峻。机器人在老年人的医疗康复、生活辅助等方面可以起到很大的作用。所以，机器人技术正在成为全面服务于民生服务业的支撑技术之一。

美国先进制造伙伴计划2011年的投入是5亿美元，2014年已经成立了15个制造业研究所。欧盟及德国相继推出机器人2020的计划以及PPP研究机器人计划。欧盟将在机器人方面投入7亿欧元，在整个产业投入21亿欧元。日本在机器人研究方面处于比较领先的地位，他们以老人服务业为中心制定机器人发展战略蓝图，面向消费电子、食品、太阳能、风能等领域，实现跨界发展。机器人不仅在制造业、服务业等领域有需求，在特种作业方面也能发挥较大作用。比如用于公共安全、救灾救援、反恐、核工业、极地考察、深海作业等等。

美国国防部计划在2015年用机器人替代国家三分之一的安全部队，美国国家航空航天局计划用机器人登陆火星等进行外太空作业。那么，这些对于中国而言面临着什么挑战与机遇？

国家工信部、工程院多次组织人员学习德国工业4.0战略，以求制定国家智能制造发展战略。以富士康为例，该企业近年来大力发展流水线作业机器人取代人工作业，这个是比较大的进步。

二、智能制造的专业内涵与关键技术

首先我们讲讲数字化（指计算机的广泛应用）。我们的企业这么多年在制造信息化方面做了非常大的努力。智能即指采用人工智能化的理论、方法和技术获得具有拟人的特征或者功能。那么，智能化是指什么呢？智能化与智能显然有比较大的区别，就好比机械与机械化的区别一样。

在智能制造里面，很关键的一个方面就是数字建模与仿真，通俗地讲就是在计算机里模拟真实情况。例如长安的模具制造，我们要判断其设计好与坏，可以先在计算机上进行模拟仿真，不需要先做出一个实际的模具出来，因为先做出来再来判断其好坏的话，成本高、风险大。模拟仿真做得好能大大降低风险与企业经营成本。

多年前，福特汽车公司“虚拟铝合金铸造”，从原子到发动机这项计算机模拟技术，每年可以帮福特公司节省4500-7500万美元的成本。其实，智能制造很重要的一方面是产品的智能化，比如手机就是一个智能化产品，其智能化水平在不断地提高。那我们怎么把信息技术、数字化技术与智能化技术应用到企业的产品制造当中？这是每一个企业应该考虑的问题。

企业除了产品智能化以外，还需要提高制造装备的智能化水平。从1960年的数控设备到2000年智能设备制造技术的变革当中，可以看出智能制造初露端倪。国际上，比如日本的马扎克机床的振动控制技术，瑞士的米拉克机床的智能工艺规划技术以及中国大连机床的热补偿功能技术等等。这些智能装备的特点主要有：将专家知识和经验嵌入感知、决策、执行等制造活动中，以及赋予产品制造在线学习和知识进化能力，最终实现自学自律制造。

智能装备智能化的三大基础包括感知、决策、执行，这些都无不依赖数字化技术。数字化检测包括机器视觉、力/位传感器等，称之为智能传感技术；数字化控制包括运动控制、数控系统等，称之为智能控制技术；驱动技术包括伺服、直线电机等，称之为智能驱动技术。智能装备包括马扎克机床、智能化数控机床、纺织机械 、智能化注塑机以及智能机器人等等。机器人技术是变革技术和使能技术，如因特网一样，正在改变人类生产与生活方式。

比尔 . 盖茨2007年曾讲过“机器人即将重复个人电脑崛起的道路”，这意味着未来家家户户都有机器人。机器人分为汽车、电子器件领域的工业机器人，煤矿救援、军事与航天领域的特种机器人，以及家庭服务、医疗康复的服务机器人等等。东莞未来发展玩具机器人有很大的空间。

未来，智能机器人技术将与多学科、多领域交叉融合发展：①与认知、脑神经、人工智能等融合，提升智能；②与材料、感知科学、生物科学融合，推动人与机器人的关系，互相合作、友好伙伴发展；③与大数据、云计算、移动互联网等信息技术融合，拓展机器人的应用领域。

智能机器人的总体发展趋势：智能并融入于人类正常生产生活环境，成为人类伙伴。那么机器人技术有什么问题与挑战呢？①环境挑战，动态、复杂、不确定的环境中完成使命；②任务挑战，达到灵巧操作、快速配置、人机合作、多机合作；③安全挑战，复杂环境下，长时间作业导致的机器故障以及人类误操作等等；④交互挑战，现在的智能设备是以机器为中心，表现为友好性低、合作性差、智能程度低、真实感弱，未来要做到以人为中心，做到拟人化、多通道全方位人机交互、增强临场感虚拟实。

未来智能机器人要做到网络化、多智能性。从单一功能向多功能家庭机器人发展；从单一输入/输出互动形式向多形式发展；从被动服务向主动式服务及多层次交互发展；以及向更强的类人性发展（如情绪，甚至性格）。

三、即将到来的自动化制造时代

这两年3D打印技术非常热门，西方国家开始了大规模增材制造投资热潮。2012年3月，美国总统奥巴马向国会提议投资10亿美元发展增材制造技术，并建立全美制造业创新网络。2012年8月，美国政府宣布出资8500万美元在俄亥俄州建立国家增材制造创新协会，专业研究增材制造技术，重塑美国制造业。欧盟等其他国家也认识到增材制造技术对于工业，乃至整个国家发展都具有重要作用和巨大潜力，纷纷加大支持力度。ISO和ASTM组织都开始建立增材制造标准，以推广增材制造技术的应用。

中国近年也开始关注，因为3D打印是典型的数字化装备，有专家认为其是第三次工业革命的重要标志。那么，3D打印的优势有哪些呢？①有效拓展产品创意与创新空间；②优化产品性能，增强产品创新程度；③极大降低产品研发创新成本、缩短创新研发周期；④提高了难加工材料的可加工性；⑤与传统工艺结合，能极大优化和提升工艺能力；⑥增材制造技术能促进绿色制造模式；⑦支撑个性化定制等高级创新模式实现。

举例说明，传统电路板制造工艺复杂、铜材浪费、污染严重，而增材制造取消了传统的压膜刻印、光刻蚀和镀膜等工艺，减少了80%以上的工序设备，减少70%以上的有机污染废水排放，极大地提高了铜材的利用率，实现了绿色生产。美国Paramount公司生产的无人飞机就应用到3D材料打印技术制造的零部件。

华中科技大学在3D打印技术领域是国内发展最好的两三家高校之一。其增材制造技术已在国内200余家企业获得应用并出口到国外。解决了一批航空航天、国防、汽车等领域关键零部件开发的难题。如玉柴机器，应用此技术使柴油发动机缸盖的开发时间由原来的五个月缩短到一个星期。还有航空发动机研究单位，用此技术解决了航空发动机关键零件的设计制造难题。

再讲讲数字化设计中多科学融合的性能优化。比如高速木材复合加工中心通过多领域物理建模实现机、电、液、控等系统的优化匹配，通过数字化样机建模仿真实现整机动力学优化以及确定运动控制卡控制参数与运动曲线。

那么，智能设计方面的新动向是什么？关注新的智能设计理念——功能性优先。以前从可制造性出发，讲的是“实现性优先”的设计原理，而现在是按照最理想的结构形式来设计零件结构，这种设计可称之为“功能性优先”的设计原理。如：通过合理的结构设计和材料分布实现振动频率特征的调控，避免危险的共振效应，以及通过多材料任意复合，实现一个零件的不同部位分别满足不同的技术需求等等。

在智能设计中，产品设计流程的演变过程方面，过去我们是设计、制造、实验、再设计，现在我们是通过CAD设计、虚拟实验、CAD设计、制造、实验、再设计，将来可能是概念设计优化、CAD设计、虚拟实验（优化）、CAD设计、制造、实验。

关于云计算与云制造。通俗的讲，比如用电，不需要每家都备一台发电机，而是电网集中供电；用水，不需要每家都打一口水井，而是集中水厂管道供水。还有存储比较大的数据信息，不需要自己买大的存储设备，可以在网上存储。云计算的主要服务形式有：①软件即服务(SaaS)，如SaaS模式的云计算ERP可以让客户根据并发用户数量、功能多少、存储容量、使用时间长短等因素不同组合按需要支付服务费用；②平台即服务（PaaS)，把开发环境作为一种服务来提供，给企业或个人提供研发的中间件平台，提供应用程序开发、数据库、应用服务器、实验、托管等应用服务；③基础设施即服务（IaaS），把厂商由多台服务器组成的“云端”基础设施，作为计量服务提供给客户，它将内存、I/O设备、存储和计算能力整合成一个虚拟的资源池，为整个业界提供所需要的存储资源和虚拟化服务器等服务。

那么，什么叫云制造？与云计算本质的区别之一，就是其制造资源的流动性差，在云制造应用中需要有第三方物流配送的参与，推广必须要有良好的物流配送作为保障。行业、产品都存在市场需求的周期性波动，波动状况下利用社会资源控制制造成本。这样就有效匹配市场需求与生产的关系，减少盲目预测所造成的需求与生产不匹配。

中国科学院未来研究所研究员2013年5月在中国科学时报发表一份报告，主题是本世纪中叶到末叶会发生第六次科技革命，希望中国政府提前布局，不要像曾经的一流强国西班牙一样，错过第二次、第三次科技革命而沦为三流国家。他提到第六次科技革命中标志性的一点是“两性机器人”的发展。

再需要提到的一点是“大数据”。《纽约时报》2012年2月的一篇专栏中称，“大数据”时代已经降临，在商业、经济及其他领域中，决策将日益基于数据和分析作出，而并非基于经验和直觉。当前关注大数据的不只是计算机专家、经济学专家等。哈佛大学社会学教授加里 . 金认为，这是一场革命，庞大的数据资源使得各个领域开始了量化进程，无论学术界、商界还是政府，所有领域都将开始这种进程。

数据迅速膨胀，决定着企业、国家的未来发展。2012年3月22日，奥巴马政府宣布投资2亿美元拉动大数据相关产业，将“大数据战略”上升为国家意志。奥巴马政府将数据定义为“未来的新石油”，并表示一个国家拥有数据的规模、活性及解释运用的能力将成为综合国力的重要组成部分。

未来，对数据的占有和控制甚至将成为陆权、海权、空权之外的另一种国家核心资产。联合国也于2012年发布了大数据政务白皮书，指出大数据对于联合国和各国政府来说是一个历史性的机遇。对于大数据挖掘，我们以沃尔玛超市销售的尿布与啤酒的案例来进行剖析。为什么说尿布的销量直接影响啤酒的销量呢?通过分析得知，美国年轻的家庭少妇往往要求丈夫下班去超市顺带买一些尿布回来，而男人喜欢喝啤酒，往往就顺便买了啤酒回家，分析得知这个事件后，沃尔玛采取了积极措施，把啤酒摆放在尿布附近，从而进一步提高了啤酒销量。

这么一个简单的事例说明了什么呢？那就是我们往往忽略了很多有关联的东西，有些事项众所周知却没有得到关注。通过大数据挖掘，能够更进一步优化生产工艺以及提高产品品质，从而进一步提高销售额。大数据可以帮助我们发现一些潜藏的、不为人知的规律，从而做出正确的抉择。

大数据的特点有：①数据体量巨大；②数据类型繁多；③价值密度低；④处理速度快。制造业企业要开始关注“大数据”的发展与利用。制造企业不仅需要管理和分析海量的产品数据、仿真数据、管理数据和多媒体数据，还需要开始利用互联网在线社区分析舆情数据，以及行业发展、竞争对手数据。IBM上一个十年抛弃了PC，成功转向了软件和服务，今后将远离服务与咨询，更多地专注于因大数据分析软件而带来的全新业务增长点。IBM执行总裁罗睿兰认为，数据将成为一切行业当中决定胜负的根本因素，最终数据将成为人类至关重要的自然资源。

东莞作为国家级两化深度融合暨智能制造实验区，其应该有什么样的区域智能制造对策？我认为第一应该：①大力发展工业机器人、智能元器件、智能设备；②大力发展草根智能制造企业；③创建产业集群（聚焦行业）；④创造良好的人才环境，吸引高素质人才；⑤创建良好的企业生态环境；⑥各企业之间建立信息化、智能化平台，协同发展。

第二，对于传统产业的数字化、智能化改造：①不能丢弃传统、劳动密集型产业，如：长安模具、大朗毛织、虎门服装、厚街鞋业、大岭山家具等等；②设备改造要运用数字化、智能化技术；③运用数字化技术、网络技术改善产品及营销模式。

企业、社会等进化、服务、绿色发展都需要智慧，智慧的基础是数字化，数字化完成后还需向智能化转变。第三次工业革命中，企业的升华与超越需要企业家、学者、工程技术人员以及官员的智慧。

（编辑：刘启强 罗丽冰）