《空天防務(wù)觀察》此前已先后推出9期我中心青年學(xué)者、知名制造技術(shù)研究專家劉亞威先生的獨(dú)家專欄文章（詳見本文最后的列表）。本期，劉亞威先生將為我們解讀美國(guó)“數(shù)字制造”和“智能制造”機(jī)構(gòu)的分工及研究領(lǐng)域的區(qū)別。
2014年2月，美國(guó)國(guó)防部牽頭成立了“數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)”（下簡(jiǎn)稱“數(shù)字制造”，Digital Manufacturing）。2014年12月，美國(guó)能源部也宣布牽頭籌建“清潔能源制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)之智能制造”（下簡(jiǎn)稱“智能制造”，Smart Manufacturing）。數(shù)字制造和智能制造兩個(gè)機(jī)構(gòu)將不可避免地研究各類智能制造技術(shù)，那么兩個(gè)機(jī)構(gòu)如何分工，各自研究領(lǐng)域的主要區(qū)別在哪里？美國(guó)先進(jìn)制造國(guó)家項(xiàng)目辦公室（AMNPO）從幾個(gè)方面給出了答案。
一、機(jī)構(gòu)的目標(biāo)
數(shù)字制造機(jī)構(gòu)：在整個(gè)供應(yīng)鏈中利用增強(qiáng)的、可互操作的信息技術(shù)系統(tǒng)，全面改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程。專注：將來自于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和產(chǎn)品使用中的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合并加以運(yùn)用，減少制造周期和成本；將制造過程全數(shù)字化，加強(qiáng)產(chǎn)品全壽命周期的建模與先進(jìn)分析工具，提升產(chǎn)品性能、工藝效率和企業(yè)績(jī)效。各個(gè)工業(yè)部門實(shí)現(xiàn)全方位成本降低。
智能制造機(jī)構(gòu)：從實(shí)時(shí)能量管理、能源生產(chǎn)率和過程能量效率的角度，降低制造成本。機(jī)構(gòu)將建立一個(gè)由互聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝平臺(tái)，平臺(tái)將使用創(chuàng)新的建模與仿真手段和先進(jìn)的傳感與控制技術(shù)。專注：在整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行中將效率信息實(shí)時(shí)集成，重點(diǎn)是將能量和材料使用降到最低；特別面向能量密集型的制造部門。
美國(guó)提出的“智能制造”概念
二、機(jī)構(gòu)開發(fā)的核心技術(shù)
數(shù)字制造機(jī)構(gòu)：通過基于計(jì)算機(jī)的集成系統(tǒng)（由仿真、三維可視化、分析學(xué)和各類協(xié)同工具組成），將設(shè)計(jì)、制造、保障和報(bào)廢系統(tǒng)的要求進(jìn)行連接，完善成熟整條“數(shù)字線”。在實(shí)施設(shè)計(jì)時(shí)，綜合利用智能傳感器、控制器和軟件來提升保障性，同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全性。對(duì)于傳感器來說，機(jī)構(gòu)主要研究使用現(xiàn)有傳感器來優(yōu)化產(chǎn)品和工藝操作，并為未來傳感器的開發(fā)提供需求輸入。
美國(guó)空軍提出的“數(shù)字線”概念
智能制造機(jī)構(gòu)：用于高能效制造工藝的耐用傳感器、控制和性能優(yōu)化算法、高逼真度建模與仿真技術(shù)，用于技術(shù)集成的開源平臺(tái)——集成所有制造過程中的清潔能源和高能效應(yīng)用、能量?jī)?yōu)化的控制與決策支持、原料和運(yùn)行資源?！爸悄苤圃臁碧貏e關(guān)注以一種環(huán)保和優(yōu)化生產(chǎn)率的方式，降低選定制造工藝的能耗。對(duì)于傳感器來說，機(jī)構(gòu)尋求開發(fā)新的傳感器，用新的方式監(jiān)測(cè)工廠的能量使用以及現(xiàn)有傳感器的使用。
三、機(jī)構(gòu)的交付成果
數(shù)字制造機(jī)構(gòu)：前沿?cái)?shù)字化技術(shù)——減少制造的時(shí)間和成本，增強(qiáng)美國(guó)本土供應(yīng)鏈的能力，縮短產(chǎn)品上市周期，降低國(guó)防部以及民用系統(tǒng)的采辦成本。機(jī)構(gòu)將開發(fā)并驗(yàn)證數(shù)字制造技術(shù)，在關(guān)鍵的制造業(yè)中部署這些技術(shù)并使之商業(yè)化。
智能制造機(jī)構(gòu)：傳感器——能夠在高溫高壓環(huán)境中工作，控制系統(tǒng)——使用來自這些傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算模型——模擬傳感器和控制系統(tǒng)的運(yùn)行，開放式平臺(tái)——驗(yàn)證這些技術(shù)的集成如何提升能效。技術(shù)目標(biāo)可包括：將一款用于過程監(jiān)測(cè)的耐用傳感器商業(yè)化，對(duì)選定的制造工藝，在5年內(nèi)驗(yàn)證25%的能量成本降低；并且計(jì)劃在10年內(nèi)達(dá)到至多50%的能量成本降低。機(jī)構(gòu)總目標(biāo)是減少壽命周期能源使用，增加能源生產(chǎn)率，提振地區(qū)經(jīng)濟(jì)、就業(yè)以及本土生產(chǎn)，保障美國(guó)制造的競(jìng)爭(zhēng)力。
表1 兩個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)比表
數(shù)字制造
智能制造
聯(lián)邦資助
l 國(guó)防部
l 能源部
目標(biāo)：產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝實(shí)時(shí)控制
l 跨供應(yīng)鏈、可互操作的信息技術(shù)系統(tǒng)
l 互聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工藝平臺(tái)——使用創(chuàng)新的建模與仿真手段和先進(jìn)的傳感與控制技術(shù)
l 強(qiáng)調(diào)能量密集型工藝的優(yōu)化
關(guān)鍵受益點(diǎn)
l 成本的節(jié)省
l 更快的上市周期
l 成本的節(jié)省
l 高能量效率和能量循環(huán)利用
節(jié)省成本的關(guān)注領(lǐng)域
l 更加精確的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、自動(dòng)驗(yàn)證和修正過程
l 優(yōu)化能量使用，生產(chǎn)成本減少10~20%
適用工業(yè)
l 所有制造業(yè)
l 能源密集型制造部門，如：化學(xué)生產(chǎn)，太陽能電池制造，鋼鐵
核心技術(shù)和工藝領(lǐng)域
l 集成IT系統(tǒng)的智能機(jī)床
l 機(jī)-機(jī)通信（跨平臺(tái)和企業(yè)）
l 計(jì)算機(jī)仿真，三維模型，基于模型的企業(yè)，可互操作的系統(tǒng)
l 先進(jìn)材料和工藝的設(shè)計(jì)
l 分析學(xué)
l 基于先進(jìn)硬件和軟件平臺(tái)的先進(jìn)傳感、儀器、監(jiān)測(cè)、控制和工藝優(yōu)化技術(shù)
l 建模與仿真技術(shù)
詳細(xì)描述
l 將信息技術(shù)和數(shù)字制造與設(shè)計(jì)概念從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或原型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)實(shí)踐
l 建立“數(shù)字線”標(biāo)準(zhǔn)，允許所有制造商在供應(yīng)鏈中向上下游傳遞設(shè)計(jì)和工藝信息
l 高溫高壓環(huán)境中的耐用傳感器
l 控制和性能優(yōu)化算法
l 高能效制造工藝的高逼真度建模與仿真
l 跨工廠和企業(yè)的對(duì)能量、生產(chǎn)率和成本的實(shí)時(shí)控制
賽博安全的重點(diǎn)
l 系統(tǒng)
l 設(shè)備
四、延伸閱讀一
數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)由國(guó)防部監(jiān)管，因此其技術(shù)方向環(huán)和研發(fā)內(nèi)容更加貼合離散制造業(yè)的智能制造需求（盡管寶潔和陶氏化學(xué)也是創(chuàng)始成員）。2015年1月，數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)發(fā)布了戰(zhàn)略投資計(jì)劃，設(shè)定了先進(jìn)制造企業(yè)（AME）、智能機(jī)器（IM）、先進(jìn)分析（AA）這三個(gè)投資方向以及賽博物理安全和開源平臺(tái)這兩項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。
先進(jìn)制造企業(yè)：先進(jìn)制造企業(yè)由減少?gòu)?fù)雜系統(tǒng)生產(chǎn)成本與周期的敏捷制造策略以及綜合能力所組成。從產(chǎn)品、工藝和系統(tǒng)全壽命周期角度講，先進(jìn)制造企業(yè)包含的技術(shù)和方法支持了它們的高質(zhì)量、低成本、快速設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
該領(lǐng)域目前重點(diǎn)關(guān)注基于模型的企業(yè)（MBE）數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。投資方向包括：在“數(shù)字線”中進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)；智能工廠的可視化和實(shí)時(shí)優(yōu)化；供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的端到端數(shù)據(jù)同步；數(shù)字結(jié)構(gòu)的全系統(tǒng)集成；完整化的基于模型的定義（MBD）；縮小中小企業(yè)在數(shù)字制造上的差距等6個(gè)。今明兩年，該機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)進(jìn)行智能工廠的可視化和實(shí)時(shí)優(yōu)化、在數(shù)字線中進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)這2個(gè)方向的項(xiàng)目研究。
智能機(jī)器：智能機(jī)器由高度集成的功能軟件和/或硬件實(shí)體組成，如感知、計(jì)算、通信、診斷與維護(hù)、任務(wù)執(zhí)行等功能。智能機(jī)器領(lǐng)域的核心目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)開放架構(gòu)的、即插即用以及用戶友好的軟硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器的功能與下一代數(shù)字制造系統(tǒng)在機(jī)床、企業(yè)和供應(yīng)鏈層級(jí)的無縫集成。
該領(lǐng)域目前重點(diǎn)關(guān)注用于外形自適應(yīng)加工的即插即用工具集。投資方向包括：智能機(jī)床的通信標(biāo)準(zhǔn)；智能機(jī)床的賽博安全；面向賽博－物理制造的運(yùn)行系統(tǒng)；智能加工的工具包等4個(gè)。今明兩年，該機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)進(jìn)行智能機(jī)床的通信標(biāo)準(zhǔn)、面向賽博－物理制造的運(yùn)行系統(tǒng)這2個(gè)方向的項(xiàng)目研究。
智能機(jī)器原理圖
先進(jìn)分析：先進(jìn)分析能力由功能描述、性能分析、預(yù)測(cè)性建模與仿真以及與系統(tǒng)交互相關(guān)的方法、工具、技術(shù)和算法組成。先進(jìn)分析的核心能力是預(yù)知結(jié)果，關(guān)鍵能力還包括提高生產(chǎn)率的先進(jìn)分析學(xué)、建模與仿真、設(shè)備和系統(tǒng)診斷、設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能聯(lián)網(wǎng)等。
該領(lǐng)域目前關(guān)注集成測(cè)量的設(shè)計(jì)與制造綜合模型。投資方向包括：面向生產(chǎn)波動(dòng)補(bǔ)償?shù)拿艚葜圃?；工廠增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和可穿戴計(jì)算（如數(shù)字眼鏡）；虛擬指導(dǎo)下的認(rèn)證等3個(gè)。今明兩年，該領(lǐng)域?qū)⒅攸c(diǎn)進(jìn)行工廠增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和可穿戴計(jì)算、虛擬指導(dǎo)下的認(rèn)證這2個(gè)方向的項(xiàng)目研究。
賽博物理安全：賽博物理安全將滿足工業(yè)界和國(guó)家對(duì)于制造環(huán)境中的安全、信任以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的需求。賽博物理系統(tǒng)必須在維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)動(dòng)態(tài)地安裝安全補(bǔ)丁，解決新的安全漏洞，為此，需要為網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)中內(nèi)置的開放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開發(fā)新的標(biāo)準(zhǔn)和方法。
該任務(wù)目前關(guān)注協(xié)同制造環(huán)境下管理信息資產(chǎn)的安全、可信賴的基礎(chǔ)設(shè)施。今明兩年，任務(wù)的重點(diǎn)是進(jìn)行工廠賽博安全基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)估，開發(fā)評(píng)估制造企業(yè)賽博安全弱點(diǎn)的工具，為保護(hù)工廠數(shù)據(jù)提供支持。
開源平臺(tái)：一個(gè)開源軟件平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)聚合、分析和相應(yīng)行動(dòng)。為此，機(jī)構(gòu)將致力于建立一個(gè)“數(shù)字制造公用平臺(tái)”，協(xié)助促進(jìn)以上三個(gè)核心技術(shù)領(lǐng)域的成熟與集成。
五、延伸閱讀二
智能制造機(jī)構(gòu)由能源部監(jiān)管，因此其技術(shù)方向環(huán)和研發(fā)內(nèi)容更加貼合流程制造業(yè)的智能制造需求，與美國(guó)“智能制造領(lǐng)導(dǎo)力聯(lián)盟”（SMLC）所倡導(dǎo)的理念更加符合（盡管通用動(dòng)力和通用汽車等也是其核心成員）。SMLC是一個(gè)致力于構(gòu)建一個(gè)開放共享的智能制造平臺(tái)，突破“智能制造系統(tǒng)”開發(fā)與部署難題的非盈利組織，由美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）、國(guó)家科學(xué)基金（NSF）等部門主要支持。
聯(lián)盟的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)基于云的、開放式架構(gòu)的軟件平臺(tái)，集成了現(xiàn)有的和未來的工廠級(jí)數(shù)據(jù)、仿真和系統(tǒng)，并策劃業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)行動(dòng)。在這個(gè)智能制造平臺(tái)上，智能制造系統(tǒng)實(shí)時(shí)地將制造智能數(shù)據(jù)集成到整個(gè)工廠和供應(yīng)鏈，包括設(shè)計(jì)、工程、計(jì)劃和生產(chǎn)。集成智能制造系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)面向多層數(shù)據(jù)管理與建模的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中所有層級(jí)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)界面連接。
多層數(shù)據(jù)管理
SMLC是為數(shù)不多的給出了“智能制造”定義的，而且提出了若干關(guān)鍵技術(shù)，包括：聯(lián)網(wǎng)的傳感器，數(shù)據(jù)互用性，多尺度動(dòng)態(tài)建模與仿真，智能自動(dòng)化，可擴(kuò)展的多層級(jí)賽博安全。SMLC組織制訂的“智能流程制造”路線圖和“智能制造企業(yè)（聯(lián)盟）”行動(dòng)計(jì)劃就圍繞這些關(guān)鍵技術(shù)，確定了集成的發(fā)展路線。
五個(gè)連續(xù)路徑實(shí)現(xiàn)智能制造
智能制造的企業(yè)場(chǎng)景中，統(tǒng)一的模型集成到全部運(yùn)行中，對(duì)象和過程都體現(xiàn)了分布式智能，企業(yè)范圍內(nèi)形成自感知、自優(yōu)化的系統(tǒng)，以及可共用信息和能力的系統(tǒng)，建立任何操作和運(yùn)行的影響都可預(yù)測(cè)的工業(yè)。實(shí)現(xiàn)智能制造要分五步走：一，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，關(guān)注建模標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字化環(huán)境與信息基礎(chǔ)設(shè)施；二，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為模型，關(guān)注智能化的工藝建模、仿真、分析與優(yōu)化；三，將模型轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵工廠資產(chǎn)，關(guān)注工廠級(jí)的智能工藝實(shí)施與智能制造管理；四，關(guān)鍵工廠資產(chǎn)的全球化，關(guān)注企業(yè)（聯(lián)盟）級(jí)的智能制造；五，建立關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，關(guān)注面向智能制造的教育與技能。
四個(gè)行動(dòng)計(jì)劃打造智能制造企業(yè)
智能制造企業(yè)（聯(lián)盟）應(yīng)該從工廠運(yùn)行到供應(yīng)鏈都是智能的，能夠全壽命周期地虛擬跟蹤資本資產(chǎn)、工藝和資源，具備柔性、敏捷和創(chuàng)新的制造環(huán)境，績(jī)效和效率都是最優(yōu)化的，業(yè)務(wù)和制造都是高效協(xié)同運(yùn)行的。針對(duì)這一2020年目標(biāo)，確立了四個(gè)行動(dòng)計(jì)劃：一，搭建面向智能制造的工業(yè)界建模與仿真平臺(tái)；二，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)可承受的工業(yè)數(shù)據(jù)收集與管理系統(tǒng)；三，在商務(wù)系統(tǒng)、制造工廠和供應(yīng)商之間實(shí)現(xiàn)企業(yè)（聯(lián)盟）范圍集成；四，加強(qiáng)智能制造中的教育與培訓(xùn)。
劉亞威先生此前已為《空天防務(wù)觀察》提供9篇“‘威’視制造”專欄文章，如下表所示：
序號(hào)
篇名
發(fā)表日期
1
美國(guó)數(shù)字制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)助力美國(guó)智能制造
2月16日
2
非熱壓罐成形技術(shù)用于MS-21機(jī)翼主承力構(gòu)件生產(chǎn)
2月23日
3
熱塑性復(fù)合材料加速進(jìn)入民機(jī)主承力結(jié)構(gòu)
2月25日
4
軌道加工工藝顛覆航空異種材料構(gòu)件制孔
2月27日
5
增材制造（3D打?。懊绹?guó)制造，美國(guó)能行！”
3月11日
6
2014，美國(guó)國(guó)家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)雛形初現(xiàn)
4月8日
7
揭秘莫納什大學(xué)增材制造中心——澳大利亞增材制造先鋒
4月22日
8
美國(guó)通用電氣公司“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”——兩大革命共鳴下的智能制造新前景
5月27日
9
美國(guó)通用電氣公司——高端增材制造技術(shù)的領(lǐng)軍者
6月1日
以上文章引起了廣泛關(guān)注和較大反響，有興趣的讀者可在本號(hào)中搜尋閱讀。
（航空工業(yè)發(fā)展研究中心 劉亞威）
作者簡(jiǎn)介：
劉亞威，航空工業(yè)發(fā)展研究中心青年學(xué)者，國(guó)防制造創(chuàng)新問題研究專家，足跡遍布全球幾十個(gè)國(guó)家，對(duì)國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)、智能制造、制造成熟度等有深入研究與獨(dú)到見解。
