2020年前沿科技发展态势及2021年趋势展望——先进制造篇

作者：张宇

世界先进制造领域2020年态势总结

受新冠疫情影响，全球制造业发展滞缓。2020年，全球制造业受新冠肺炎疫情影响严重。前半年制造业处于严重萎缩状态，5月份全球制造业PMI指数跌至40%以下，降至2018年以来最低谷。后半年全球经济开始复苏，制造业缓慢回升。世界主要国家均采取各类措施刺激发展，对冲疫情影响。美国启动“大众企业贷款计划”，以支持受疫情影响的中小企业。英国通过降息、拨款、拟定创业就业计划等措施，应对出现的失业潮。欧盟签署总额5400亿欧元的紧急救助计划，并酝酿采取措施吸引制造业回归，降低供应链外部依赖。德国信贷扩张，国家为企业提供不设上限的贷款金额，同时为小微企业提供500亿欧元的紧急援助，保障就业。

5G技术赋能工业领域，促进智能制造新发展。英国投资900万英镑启动名为“5G-Encode”的5G技术与制造业融合项目，将探索工业环境中专用5G网络的新业务模型，研究5G在改善复合材料设计和生产过程中的实际应用。韩国现代重工集团与电信运营商KT公司合作开发基于5G网络的先进智能船厂解决方案，进一步提升自主机器人技术，以提高效率和安全性。法国施耐德电气和Orange电信在勒沃德勒伊工厂部署工业领域的室内5G通讯基础网络，通过5G技术将增强现实技术应用于运维活动，并部署远程机器人实现远程观察，旨在将5G技术应用于现代工业环境，打造可靠、可扩展、可持续的连接解决方案，以满足未来工业需求。英国电信（BT）与伍斯特郡5G测试平台（W5G）开展合作，加速实时5G专用网络建设，促进实现制造过程的智能化、动态化和全自动化，推动工业4.0和智能制造发展。

数字孪生技术与解决方案帮助制造业效能大幅提升。美国Authentist公司将Nebumind公司的数字孪生工具集成到制造执行系统中，生成“数字孪生”可视化效果，将3D打印设备参数和传感器数据与原始零件几何形状融合，帮助用户识别各零件的问题区域，提高检查效率，使返工需求识别速度可提高10倍。南卡罗来纳大学为美海军舰船开发“数字孪生”系统，以提高美海军舰船动力系统和平台的韧性、效率、适应性和自主性，并为舰船上昂贵的电气部件提供实时监测和预测性维护。英国宇航系统公司采用数字孪生技术对第六代战斗机“暴风”的概念外形进行设计和测试，同时试飞员能够在陆基模拟器上驾驶战机，数字孪生后续还可为飞机全生命周期的各环节提供支持。

3D打印技术与成果持续更新，行业应用逐步深化。美国马萨诸塞大学开发出一种融合了注塑元素的新型3D打印技术。该方法先3D打印出外壳结构，然后向空腔内注射塑料进行填充，其打印速度比传统的FDM技术快3倍。美国橡树岭国家实验室利用3D打印技术，在3个月内完成了核反应堆原型的设计与制造，并利用制造过程中的持续监测和人工智能技术完善原型堆的设计，以进一步评估材料和性能。美国3D打印初创公司Relativity Space完成了其3D打印火箭发动机Aeon 1的首次地面全周期点火运行实验。Aeon 1共含100多个零件，平均制造周期仅为一个月，其成本和工序都大大减少。美陆军立项研究利用增材制造技术开发下一代弹药，以增强弹药的穿透能力和杀伤力，帮助实现更高的初速度和更远的射程。

世界先进制造领域2021年趋势展望
机器人技术与应用齐头并进，商业落地进程提速。机器人基础与前沿技术迭代速度将持续增快，主要将围绕人工智能、人机协作等方向展开；全球服务机器人市场空间广阔，规模将不断扩大。机器人公司波士顿动力积极开发配件，帮助已实现商业化的Spot机器人应用程序更加多样化，2021年将为其配备机械臂，以执行开关门和物品拾取等任务，同时还将配备自充电基座，使其能够在无人操作环境下自行返回充电。韩国SK电讯和日本欧姆龙合作开发出搭载了AI、5G、机器人自动控制等尖端技术的防疫AI机器人，这种机器人可与搭载5G网络的服务器实时交换数据，执行建筑物消杀、体温检查、驱散聚集人群等任务。预计这种机器人2021年起将向国外出口。

智能工厂建设推进，助力制造业升级转型。作为智能制造的重要载体，智能工厂成为未来制造业发展的必然趋势。2020年，世界经济论坛已遴选出54家灯塔工厂作为全球智能工厂标杆，预计2021年全球智能工厂建设步伐将进一步加快。日本发那科集团上海智能工厂三期项目开建，该工厂将通过发那科的工程集成及技术服务能力，利用其IoT、AI等智能制造技术，建成集生产、研发、展示、销售、系统集成与服务为一体的机器人超级智能工厂。韩国中小企业和创业部计划在2025年前将智能工厂的推进率从22%提高到30%，将其数量增加至1000家，并从中选出代表不同的行业的100家工厂作为“灯塔”，在工业园区建立数字集群，推动制造业与第一、三产业结合。

人工智能技术与制造业深度融合成为重要趋势。市场研究机构Research and Markets发布《制造业中的人工智能——到2027年的全球预测》报告，指出制造业中的人工智能技术在2019年~2027年预测期内年复合增长率可达39.7％，预计到2027年将达到270亿美元。英国信息技术公司AVEVA与加拿大Axonify公司共同推出基于人工智能的微学习解决方案，提供具有丰富扩展现实功能的仿真培训，以及用于教学设计和课程开发工具的一体化教学平台，首创在制造业培训领域借助人工智能技术对员工进行个性化高效培训的范例。德国开发出可监测机器人装配线故障的智能系统。这种智能系统基于人工智能算法，可忽略不相关的背景噪音，并区分多个目标声音，通过监测机器人正确作业时本应发出的声音来判断其是否正常工作，以进行预测性维护。Geek+物流机器人公司应用先进机器人和人工智能技术，依托稳定可靠的硬件和高效算法大幅提升全球性供应链智能化水平，使物流更经济实用、高效率、灵活、安全和敏捷。

政策支持与技术进步齐发力，助推自动驾驶汽车发展。IDC《全球自动驾驶汽车预测报告（2020~2024）》显示，预计2021年全球L1~L5级自动驾驶汽车出货量将达到3605万辆。中国工信部发布的《汽车驾驶自动化分级》从2021年1月1日起正式实施。该文件明确了自动驾驶汽车的分级定义、分级原则，将为后续相关法律法规与标准的出台提供支撑。英国政府计划在2021年将自动驾驶汽车合法化，允许自动驾驶车辆在高速公路的慢车道上以不高于112公里的时速行驶。Waymo公司计划在2021年与俄亥俄州交通研究中心（TRC）开展合作，共同打造囊括丘陵以及密集型城市环境的全新测试场地，以便在不常见或危险性较大的场景中对自动驾驶汽车进行测试。中国无人驾驶卡车公司图森未来获得美国卡车制造商Navistar投资，双方将共同研发L4级无人驾驶卡车，并计划在2024年前实现量产。


作者简介
张宇
国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室，研究助理
研究方向：机器人、3D打印、工业互联网、高端装备制造等