美国清洁能源智能制造创新中心2017-2018技术路线图概述

朱宇宏，聂军刚，袁志勇，吴进军

0　引言

为从根本上加快传感器、控制器、智能制造平台和仿真建模技术的开发和应用，让智能制造为美国制造业提供持续发展的动力，2016年6月，美国能源部牵头成立美国清洁能源智能制造创新中心（CESMII），其目的是在全美建立5个区域制造中心，负责各自区域内的技术转移和人才培养。

2017年8月，CESMII发布《智能制造路线图（2017-2018）》。路线图从商业实施、促成技术、平台建设和人才发展4个战略方向出发，通过提高能源生产力、经济效益、创新中心的可持续性和员工能力以增强美国制造业的生产能力、全球竞争力和再投资能力：在未来5年内实现试点示范企业或者关键工艺流程的能源效率提高15%、现有工艺的生产成本降低50%、生产周期缩短50%，重点行业实现智能制造；在未来6年内形成产品、技术、研发和员工培养的可持续投资组合，直接代替原有联邦投资；在未来10年内实现能源生产力提高50%。

1　CESMII路线图的指导原则

CESMII的指导原则：①美国制造企业应当通过智能制造向客户提供高质量的产品、高效的工艺和便捷的服务；②通过建立工业互联网体现智能制造的价值；③智能制造技术和基础设施必须体现最大程度的开放性和协同性；④智能制造的广泛推广需要稳固的网络安全服务；⑤各地区和企业应该在如何提高智能制造业务成效方面进行广泛交流；⑥企业需要明确智能制造的盈利模式；⑦重点关注高能耗、高能源依赖型的制造工艺，因为其有巨大的改进空间和再投资潜力；⑧智能制造对于创造就业机会，建立制造业市场，培养专业人才和维持经济健康平稳运行均至关重要。

2　CESMII路线图目标

CESMII的目标：①为CESMII中心建立科学的运营机制，并将CESMII的研发重点定位于优先满足智能制造工业需求，包括：获得关于智能制造的客观技术信息；提供咨询、评估以及基于平台的方式方法；跨行业获取信息并研究学习；人才培养；②指导CESMII项目、跨领域研究、建立技术知识库以及培养人才；③区域制造中心交叉融合、协同发展；④建立缓冲平台，最终形成更易于理解和更深层次的2018-2022年CESMII路线图。

3　CESMII路线图总体战略

3.1　路线图包含的四大战略

（1）商业实践。为智能制造集成的广泛推广，制定清晰的智能制造方案，定位和规避商业风险；为智能制造集成和网络安全提供组织策略、应用工具和最优实施方案。

（2）促成技术。通过研发合作突破智能制造关键技术，包括高级传感器、数据分析工具、过程控制技术、仿真建模以及用于集成安全、稳定和易于配置的智能制造系统平台。

（3）智能制造平台。建立一套统一的智能制造平台、市场和生态系统，用于提高企业数据和技术再利用效率和成本效益，维护工业互联网系统安全，从而降低智能制造系统部署的时间和成本。

（4）人才培养。为了打造一支具有智能制造技术和实践领域专业知识、富有创造性的员工队伍，需要部署一批可定制的、跨学科的培训项目。且项目可持续更新。

3.2　四大战略路线图

每条战略路线图都包括战略目标、研发组合计划和近期规划路线图三部分，其中研发组合计划是为了解决企业无法单独完成的初期研发难题。通过跨地区、跨领域、跨专业交叉融合，以促进运营技术和信息技术（OT/IT）的集成发展。同时通过颜色标明四大战略之间的协作关系。

3.2.1　商业实践战略路线图

（1）战略目标：①通过协同研发实现制造和能效目标；②及时提高制造业全行业企业的质量、效率和生产力；③通过高度灵活和可扩展的制造系统和工艺流程的应用，提升业务价值，提高制造业发展的可持续性、能源效率和安全性；④在制造业企业间加快工业互联网系统的部署应用；⑤增加智能制造就业岗位，提高员工智能制造相关技能。

（2）研发组合计划：①总结现有的智能制造技术，并对当前企业OT/IT集成状态（包括企业组织架构、员工情况和可投入使用的基础设施情况）进行评估；②研究并确定工业互联网系统通过运营、流程、技术、工具和分析方法影响制造技术、商业、基础设施、运营/劳动力绩效和生产力的度量标准；③分析行业内的技术需求以及软/硬件、数据、系统配置、应用程序及员工角色的可复制性要求，并形成评价标准：利用基于工具和共享资源的标准的可复制性支撑决策制定，并使商业行为、员工技能与工业互联网系统相适应；建立用来验证OT/IT系统集成过程中网络安全和降低网络风险的工具、方法和模型；建立用于集成OT/IT系统的方法、参考构架、规范标准、安全协议和通用报告程序；培养与智能制造传感器驱动系统、数据管理及基于机器的数据建模和决策相关的人才。

（3）路线图，见图1。

图1　商业实践战略路线图[1]Fig.1 Business practice roadmap[1]

3.2.2　促成技术战略路线图

（1）战略目标：①在制造行业各公司内加快模块化、价格低、易于配置、安全、可复制的工业互联网系统（包括高级传感器、数据分析工具、过程控制、仿真建模和计算平台）的开发、示范和应用；②升级传感器系统以实现低价格、更稳定、易于配置、更安全的数据无线通信；③增加新一代数据分析和模型的成功应用案例；④为全行业内的企业和员工提供先进的控制和分析方法及工具；⑤开发用于工业互联网系统设计和实现系统可复制性所需的工具和方法。

（2）研发组合计划：①各领域通用部分：形成全系统开发、试验、检验和验证的能力，将先进计算技术融入到实时操作环境中的验证方法。评估数据、模型标准、本体、结构、工作流在整个系统中的应用。工业互联网系统应急行为的全系统分析。形成终端到终端、传感器到执行器、数据、传输安全、计算流量预测的能力。建立数据验证和模型应用的数据库，以形成验证和量化不确定性的新方法；②传感器部分：开发一种能够在高温环境下使用的传感器硬件和软件系统。开发一种低成本传感器系统，实现无损检测实时能源生产率和材料性能。设计一种可靠安全的传感器系统，具有标准的传感器到传感器和传感器到控制器的交互界面，以及高频、高速、高容量的无线传输能力；③过程与控制器部分：建立在实时控制过程中提升和维持灵活性的基本方法和经验方法。开发算法、数据驱动自诊断工具和安全方法，提高模型和控件间的互操作性；④数据、模型、分析部分：根据特定的目标、建模类型和数据结构开发算法、建模和计算工具的选择分类方法。通过集成试验验证、不确定性量化方法使数据模型易于组合使用。针对不同的业务目标开发可复制的、实时的数据模型。

（3）路线图，见图2。

图2　促成技术战略路线图[1]Fig.2 Enabling Technologies Roadmap[1]

3.2.3　智能制造平台战略路线图

（1）战略目标：①建立智能制造平台的参考架构和规范；②为企业数据的传输和系统化的提供有利条件；③为现有及未来的OT/IT提供解决方案，并制定开放、通用的标准；④为不同工业互联网系统的通用软/硬件解决方案提供安全框架；⑤为认证及组合应用，配置，工具包，数据，加速开发和部署服务建立一个稳定开放的智能制造市场；⑥牵头开发用于支撑智能制造的可信技术、组织架构和商业安全网络实施方案。

（2）研发组合计划：①基于真实案例、试验平台和工业驱动协议，建立一个开放的、渐进的流程，用于定义和构建智能制造平台各项功能及服务；②为智能制造平台软/硬件组件和应用程序、系统配置和系统基础参数集成参考架构，以促进工业互联网系统实现在不同行业不同企业即插即用，以及适应即将应用的新技术；③分析现有智能制造OT/IT系统组件集成的需求；④建立基于工作流的标准、架构和工具包，来保证来自不同厂家组件的互换性和智能制造工业互联网在不同行业不同企业间的通用性；⑤开发核心数据模型、配置方案和方法论以建立数据安全能力，数据管理协议和最佳方案，用来保证跨企业数据交换的安全和一致。

（3） 路线图，见图3。

图3　智能制造平台战略路线图[1]Fig.3 Smart manufacturing platform infrastructure roadmap[1]

3.2.4　人才培养战略路线图

（1）战略目标：①使员工能够充分了解智能制造实施案例、核心技术、方法和平台设施；②通过现代的学习和发展模式提高企业领导者、运营者、技术专家、工程技术人员的业务水平；③通过将不同领域的课程融入到现有培训项目中，用来培养面向未来并具备智能制造新技能和专业知识的人才队伍；④建立一个包括智能制造资源以及先进智能制造技术、协议和专业知识的最佳实施案例的网络资源库或知识库；⑤建立紧随业务、技术、组织行为改变而随时更新的人力资源计划。

（2） 路线图，见图4。

图4　人才培养战略路线图[1]Fig.4 Workforce development roadmap[1]

4　结束语

CESMII采用“制造业+互联网”的模式，以创新中心为主、区域制造业中心作为补充，覆盖全美制造业市场。计划通过开放的平台，促进政产学研用联合，研发以市场为导向，突破初期研发壁垒，帮助企业降低获得新技术成本。同时采取开放式架构设计，拟为各行业供需双方提供统一的技术接口，跨领域整合市场资源，提高能源效率和生产力。其四大战略交叉融合发展，将平台建设和人才战略贯穿整个战略始终，通过平台建设整合市场和技术资源，加速技术成果产业化进程，培养相关行业高技术人才，同时通过人才建设促进平台建设和技术发展。

美国智能制造路线图给我们的启示在于：“制造业+互联网”融合发展是大势所趋，整合不同技术领域市场资源的关键在于标准普及，不仅仅是某个领域某个行业的标准普及，而是跨领域跨行业的标准普及，只有解决了不同领域技术相互衔接的问题，才能够通过智能制造技术利用其他领域的技术成果提升本领域的技术水平，避免重复开发，提高能源生产力。同时，人才战略是重中之重，将人才培养战略贯穿于整个战略之中，跟随技术的更新迭代，针对性进行定制化教育和培训，让学以致用落到实处。此外，制造业创新中心不仅承担本领域的研发、技术产业化和人才培养，也是跨领域交流平台和跨领域资源整合的重要枢纽。

因此，研究美国智能制造路线图，对我们思考如何利用制造业创新中心实现技术和地域双覆盖，解决我国目前不同地区、不同行业、不同企业发展不平衡的问题有重要的意义。

参考文献：

[1]CESMIIRoadmap2017-2018，https：//www.cesmii.org/cesmiiroadmap/2017.