关于创新设计竞争力的再思考 p01

工业 / 工程之教育问题浅议 p05

典型机械装备创新设计路线图（上） p10

中国好设计案例选登（七） p21

制造业的数字化革命 p27

先进制造业：联邦政府优先技术概要 p29

基于“数控一代”系统塑料挤出设备关键技术的研究 p37

面向数控注塑机的高性能伺服驱动系统研发与产业化 p41

一文看懂服务型制造 p44

2016 年第 5 期 总第 186 期

1998年创刊

2016年第5期（总第186期）

2016年 10月 28日出版

典型机械装备创新设计路线图（上） 10

制造业的数字化革命 27

先进制造业：联邦政府优先技术概要 29

基于“数控一代”系统塑料挤出设备关键技术的研究 37

面向数控注塑机的高性能伺服驱动系统研发与产业化 41

一文看懂服务型制造 44

回顾历史展望未来

——中国机械工程学会成立 80周年座谈会在京召开 48

中国好设计案例选登（七） 21

关于创新设计竞争力的再思考 01

工业 / 工程之教育问题浅议 05

01 2016 年 第 5 期

关于创新设计竞争力的再思考

全国人大常委会 路甬祥

经过近三年努力，我们理清

了设计的进化和科学内涵；设计

对提升自主创新能力、促进向中

国创造转变的重要作用；深化了

对知识网络时代设计 3.0 特征的

认知；组织了中国创新设计产业

战略联盟、创新设计论坛和“中

国好设计”选评等。相关研究成

果已获得国内外同行的普遍认

同。提升创新设计能力也已列入

“中国制造 2025”发展纲要，列

为服务型制造专项行动计划的重

要内容；中国工程院启动了“中

国创新设计竞争力”专项研究。

工信部委托中国工程院等研究提

出“中国创新设计十年规划纲

要”。从历史汲取有益启示，认

知设计的动力和环境，研究创新

设计竞争力评价，对于制订创新

设计规划、改革设计教育、建设

先进设计文化，提升创新设计能

力，促进向中国创造转变，建设

科技创新强国，都很有意义。

一、历史的启示

设计是人类设想计划实施创

新的起点。萌芽于新石器时代、

引领创造数千年农耕文明的传统

设计，主要依靠经验和技艺传承，

利用天然材料和人力畜力等，可

谓设计1.0。中华民族曾设计发明

火药、指南针、活字印刷、造纸

术、瓷器、丝绸、赵州桥、都江堰、

古宫建筑群等走在世界前列。

17 世纪中叶，牛顿力学成

为近代自然科学的基础，资产阶

级革命加速了资本主义的发展，

激励了科技与产业创新，工场手

工业繁荣，机械设计兴起。英国

人设计创造飞梭织机、纺纱机、

蒸汽机、加工设备、火车、轮船

等，机械设计引领了工厂化、机

械化为标志的第一次工业革命，

竞争力快速提升，1860 年已占世

界工业产值的 34%，成为“日不

落帝国”。19 世纪中叶，法拉

第、麦克斯韦尔创立电磁感应定

律和电磁场理论。由于重视教育

和研发投入，建立现代大学和职

业教育制度，培育创新人力资本，

建立先进工业标准，保护知识产

权……德、美等国机电设计创造

大量涌现，科技与产业创新能力

逐渐超越英国。西门子、贝尔、

爱迪生等分别设计发明直流发电

机、有线电话、电灯和电力系统。

交流电动机、变压器、电车、无

线电、电冰箱、电视机等也相继

被设计发明，人类跨入电气化时

代。热力学、高分子化学为内燃

机和石油化工提供了知识基础。

德国工程师奥托、戴姆勒、狄塞

尔设计发明内燃机。美国人埃利

斯用炼厂气中的丙烯合成了异丙

醇，德国林德公司实现了从裂解

气中分离乙烯，并合成化学产品，

为第二次工业革命提供了新动

力、新材料。基于积累起来的材

022016 年 第 5 期

料学、结构力学、流体力学、机

械工程等科学知识和技术基础，

本茨设计成功具有现代汽车基本

特征的汽车，内燃机车、船舰也

相继被设计发明。1903 年，美国

莱特兄弟设计制成一架内燃机动

力飞机，开启了航空产业的序幕。

电机电器和机电设计创新引领实

现了以电气化、自动化为标志的

第二次工业革命。20 世纪中叶以

来，计算机、半导体、集成电路、

操作系统与应用软件、网络等创

新设计与发明，支持带动了数控

机床、柔性制造系统的发展，美

国继续引领机械电子一体化设计

创新。工业时代的现代设计更依

靠科学知识、技术与艺术的融合、

依靠专业设计师和团队、采用钢

铁、合金、聚合物等人造材料，

使用设计工具与软件等，设计进

入设计 2.0 阶段。

进入新世纪，信息网络、新

材料、新能源、智能制造、生物

技术等创新突破，正酝酿推动新

的科技革命与产业变革。互联网、

物联网创新应用日新月异、信息

大数据成为最具价值、可近零成

本分享的创新资源，共创分享经

济兴起，人们在追求个性化、定

制式设计制造和消费的同时，更

加关注人与自然的协调发展。知

识网络时代，设计的价值理念、

环境、方法发生新变化，进化为

设计 3.0。呈现绿色低碳、网络

智能、开放融合、共创分享等新

特征。即：创新设计绿色低碳产

品、工艺流程、实现全生命周期

与整体系统的绿色化成为新目

标；实时传感、VR/AR、AI 成为

核心技术，网络协同设计智能产

品与装备、网络智能制造服务成

为新业态；学科交叉、创新跨界

融合，方法多样融合，终端·云

端 / 软·硬件开放融合，跨国人

才智力开放融合，开放融合成为

新常态；大数据、云计算、产业

云等成为设计众创新平台，共创

分享成为新共识；能源运载、空

间海洋、医疗健康、微纳系统、

安全国防等战略新兴领域成为创

新设计制造新高地。

历史经验证明：创新是经济

社会发展的不竭动力，创新国家

引领世界，创新企业引领行业。

科技创新是核心，创意创造、设

想设计是科技与产业创新的起点

和关键。需要知识传承和创新、

信息和经验的共创分享，需要市

场公平竞争和知识产权保护制度

激励，需要开放合作、自由包容

的创新文化氛围，在智识网络时

代更需要网络和大数据支持。

二、设计的动力和环境

1. 动力创造更美好生活的梦想是设

计的不竭动力。创意创造、创新

设计引领推动文明进步，开拓创

造更美好的未来。想像力、创造

力是自主设计创新的不竭源泉。

适应市场需求、竞争市场份额、

创造新需求、开拓新市场是设计

创新的强大动力。网络、大数据

为设计注入了协同共创新动力。

知识技术、价值理念、体制机制、

方法路径、创意创造构成设计创

新的五大动力要素。

（1）知识技术创新是设计

创新动力的基础和核心。核磁共

振成像（MRI）是基于人体组织

中氢原子核在磁场中受射频电磁

脉冲激励发生共振—弛豫的科学

知识，并应用高灵敏线圈接收共

振弛豫信号和图像重建计算技术

等设计研制的高端层析诊断设

备。举世瞩目的 AlphaGo 软件设

计基于围棋知识信息大数据、人

工智能和超算技术等。

（2）价值理念创新是设计

创新动力的灵魂和源泉。比尔·盖

茨理念先进，率先认识操作系

统和应用软件的巨大价值，领

导微软设计研发 Windows、IE、

Office 等，引领 PC 产业发展，

改变了人们工作生活方式。马云

在创建 Ali 之初，就以为用户提

供可靠便捷电商平台的价值理

念，不仅设计创造了第三方支付

工具——支付宝，更设计创建了

Ali 信用体系，共创客户信用大

数据，铸就了 Ali 和蚂蚁金服等

成功的基石。

（3）体制机制创新是设计

创新动力的制度保证。开放合作，

03 2016 年 第 5 期

政产学研用金协同是凝聚创新动

力的有效体制机制。中国高铁、

北斗导航、大运 20、鮫龙深潜等

都是自主创新设计、发挥制度优

势、协同创新的成果。安卓系统、

App.Store、微信等共创平台设计

是汇聚网络众创动力的成功实例。

（4）方法路径是成就设计

创新动力的重要因素。渐进型设

计创新，可提升制造服务质量效

率、降低成本，提升竞争力。爱

立信、摩托罗拉、诺基亚等不断

改进产品设计，提高品质、适应

需求，曾赢得近 60% 全球手机市

场。华为坚持高强度研发投入，

自主创新设计系统解决方案，并

以超强协同执行力，突破芯片、

算法、软件等核心技术，引领全

球网络通讯设备制造服务，成为

中国企业创新跨越的典范。

（5）独特创意是设计原创

力的关键要素。将创造开拓新市

场，重塑产业新格局，引领发展

新方向。乔布斯以独特创新思维

和全新的移动智能终端应用价值

和目标创意，设计创造系列产品

ipod/iphone/ipad 等，颠覆已有

市场格局、改变了人们的生活方

式。深圳大疆前瞻创意，创新集

成高性能摄影平台、飞控软件、

无线传输、模块化设计、网络营

销等，设计创造消费类摄影无人

机，一度占有70%市场，引领全球。

2. 环境（1）开放自由、多样包容、

鼓励创意创造的社会氛围是设计

创新的沃土。始于 14 世纪中叶

的欧洲文艺复兴，冲破宗教束缚，

思想解放、自由民主的氛围促进

了欧洲科技与艺术的繁荣，杰出

的艺术创作、建筑设计与技术创

新大量涌现；盛唐开放的貞观之

治，宋明开明宽松的社会环境，

都曾促进了我国科学文化、设计

创造的繁荣。长期闭关锁国和腐

败落后的封建统治，束缚了中华

民族设计创造的话力。

（2）开放公平的市场竞争、

共创分享知识信息资源、依法保

护知识产权，是激励保护创新设

计的必要环境。英国引领第一次

工业革命，专利特许授权也萌发

于英国。但随着在全球占有大量

殖民地，削弱了公平竞争环境，

技术创新与设计竞争力也逐渐衰

落。而依靠科技与产业创新，

竞争全球市场的新兴工业化国

家——德国、美国等设计创造竞

争力快速提升，引领了第二次工

业革命和当代数字化、信息化、

智能化的进程。新中国成立以来

坚持独立自主发展道路，尤其是

改革开放以来，确立发展社会主

义市场经济、保护公私物权与知

识产权、加入 WTO融入全球市场，

实施创新驱动发展战略、推进“一

带一路”建设等，为创新设计创

造了前所未有的发展大环境。

（3）全球网络、大数据、

云计算、云平台为创新设计造就

了全新的信息网络、物理和计算

环境。进入新世纪，无线宽带、

物联网、实时传感、数字地球、

超级计算、人工智能等快速发

展，促进全球知识信息快速扩增

汇聚，为设计制造服务提供了共

创分享新环境；中国互联网、物

联网、无线宽带基础设施居世界

前列，网络电商、智慧物流、智

慧城市、智能制造快速发展，超

级计算领跑全球，移动终端用户

超过 10.6 亿，创导“大众创新、

万众创业”，形成了众创共享的

创新设计好环境。

三、设计竞争力评价

设计竞争力应以可统计、可

评测、可比较的数据为依据，针对

企业、行业、城市和国家分别建立

科学评价函数，并采用数据分析、

专家评估和网络测评等多元分级

加权、动态比较等科学方法。

（1）市场竞争力评价。包括：

设计服务产业的总量和占比；创

新设计带来的产品服务增值率、

增长率和溢价水平；创新设计

产品服务在全球细分市场的占有

率、同业赢利的占比、为用户、

社会创造的价值等。

（2）引领能力评价。包括

主要产业领域 OEM、ODM、OBM 的

比例；中高端市场份额、高赢利

产品、产业的占比、引领全球的

产品与服务；设计创新引领全球、

042016 年 第 5 期

受人尊敬的跨国企业、全球著名

品牌，在细分行业全球领先的“专

精特优”中小企业；引领全球、

引领行业的业态创新；自主创新

和应用先进设计理论、工具软件、

计算方法和数据平台的能力和普

及程度等。测评在全球产业链、

价值链中的地位。全球著名设计

奖项中的占比和发展态势可作为

评价参考，但不应赋予过高权重。

（3）持续发展能力评价。

投入率、投入增长率，表征设计

能力持续提升的资源基础；设计

绿色低碳指数是对可持续发展源

头贡献的评价；承担社会责任，

保障生命生态、公共国家安全、

依法保护公私产权、促进社会公

平和谐应列为可持续发展的必备

指标；设计标准的国际化、先进

性是提升设计全球竞争力和持续

发展能力的必然要求和重要指

标；教育培训与创新人才的规模、

质量和结构，构成创新设计人力

资本持续发展指数，青年人才是

创新设计的未来和希望；法规政

策设计、协同创新体制是制度保

障；设计文化是设计品质和能力

持续提升的根基。

四、设计教育和设计文化

1. 改革设计教育（1）培育先进理念和创造

精神。理念是创新设计之魂，创

意是创新设计之源，人才是创新

设计之本。设计教育首要任务是

教育引导确立先进科学理念和价

值观，培育创意创造和创新创业

精神。培育设计创造的兴趣、自

信心，激发人的想象力、创造力，

远比传授灌输知识更重要。引导

认知设计新趋势、新技术，树立

新价值、新目标，比传授学习模

仿技艺更重要。

（2）坚持理论与实践相结

合。创意创造、创新设计源于实

践，源于用户体验和各方参与，

源于对需求和市场的前瞻和开拓

能力。已有设计理论，是前人对

于设计创新实践和规律的归纳，

设计实践和理论创新永无止境。

在教授设计理论的同时，更应与

好设计案例研讨、设计创新实践

紧密结合。

（3）拓宽知识基础、培育

协同设计、合作共赢能力。知识

网络时代的创新设计不仅需要技

术与艺术的融合，更需要科学技

术、经济社会、人文艺术、生态

环境等知识融合，需要培育求索

新知识、分析理解大数据的数学

方法和计算能力，引领推动信息

化、网络化、智能化；不仅需要

创新思维、创意创造，更需要培

育吸引凝聚跨界人才和设计构建

共创分享平台、网络和机制的能

力；需要拓展全球视野，吸纳融

汇国际先进设计理念、知识和技

术，众筹全球设计教育资源，创

造开放合作国际化教育环境。

2. 建设设计文化设计文化决定创新设计的特

质和品格。在工业化、现代化的

进程中，工业国家形成各具特色

的设计文化。美国重视基础前沿

研发投入，注重提升 STEM 能力，

鼓励自由探索、创新创造，形成

了创新引领的设计创造文化。德

国是后起制造强国，在全球市场

竞争中，依靠富有特色的自然科

学、数学、工程与职业教育，先

进的工业标准，形成了优质诚信

的德国设计制造文化。法国、意

大利文化艺术底蕴深厚，孕育了

优雅华丽设计文化特质。国情传

统使日本形成了精致实用的设计

文化。我们要实现向制造强国的

跨越，必须培育建设具有中国特

色和符合时代要求，尊重创新创

造、追求精益求精，恪守诚信合

作、崇尚共创共赢的先进设计文

化。

注：本文为作者在第 18 届中国

科协年会海峡两岸暨港澳科技

合作论坛上的演讲文字稿，未经

作者最后审定。

05 2016 年 第 5 期

工业 /工程之教育问题浅议 华中科技大学 李培根

非常荣幸有机会到这里来与

大家交流。今天这个论坛我一开

始不是很清楚，但后来发现论坛

是叫企业应用论坛，讨论工业工

程企业应用问题。结果我在这里

讲教育的话题，这算是插了一杠

子。当然了，仔细想一想，企业

界的人士实际上也应该关心教育

问题。中国的教育存在很大的问

题。当然，教育界首当其冲，这

是主要责任。但是，我们的教育

生态还是有问题的，包括企业界

人士对教育问题的认识等等之类

的都在其中，所以我今天提到一

些教育问题，希望企业界的人士

也能够关心。第二，我的专业是

机械，不是工业工程，那么我参

加工业工程的这个会算是插一杠

子。但是好在我有几个学生都在

做工业工程，也给了我一点底气。

前面这两个多少是被动地插了这

两杠子。第三，大家看我报告的

题目，工业和工程之间有一斜杠，

为什么有这一斜杠，我想我不说

大家可能也明白，这实际上是体

现我对工业工程的一种敬畏。我

不敢瞎说，也没有资格妄议工业

工程。所以请诸位今天听了我的

报告以后呢，你们不要说我在这

讲过什么工业工程的教育问题，

我没有讲工业工程的教育。我是

想讲工程教育，也讲和工业有关

的教育，但是没有讲工业工程的

教育。

我从三个方面来做今天的演

讲。先简要地讲一下新工业革命；

其次是《中国制造 2025》，推行

智能制造等，需要哪些要素，工

业界的人士还是应该关心这一话

题的，因为要素里面会有一些和

企业应用是有关系的；最后就是

教育问题。

中国政府去年发布了《中国

制造 2025》，很快就热了起来。

中国工程院周济院长领衔进行的

“制造强国战略研究”，我本人

深度参与，最后形成的报告向中

央建议，国务院发布的《中国制

造 2025》是在“制造强国战略研

究”的基础上形成的。

工业 4.0对应着第四次工业

革命，我们现在和德国人关系很好，

非常重视和德国的合作。工业4.0

是德国政府推出的项目，其中强调

智能工厂，重点研究智能化生产系

统和过程，以及网络化的分布式生

产设施等等。这其中，实际上涉及

很多工业工程方面的问题。智能

生产，涉及企业生产的物流管理、

人机互动以及3D技术在生产过程

中的应用等。其中很多东西是和工

业工程有关的。

在关注工业 4.0 的同时不要

忘了关注工业互联网，我认为，

真正在这方面领先的还是美国

人，工业 4.0 里讲到一个基本的

理念——CPS，即所谓的赛博物

理系统或者其他翻译等，就是指

信息和整个物理系统融合起来。

CPS 的概念其实是美国人提出来

的，但美国政府没有像德国政府

那样推出一个类似工业 4.0 的项

目，但是 GE 公司率先推出了工

业互联网概念。2012 年，奥巴

宣布实施再工业化战略之后，

GE 公司在准备多年的基础上，

随即联合其它大公司如英特尔、

思科等推出一些软件平台等，

说明美国人在这方面已经是领

先的。他们推出的 Predix 以及

Predictivity 的数据与分析解决

方案，在很多方面都有应用。我

昨天听报告的时候听到江志斌教

授讲的 Healthcare，了解到工业

062016 年 第 5 期

互联网不仅在工业企业有应用，

医院也在用。比如有的医院用他

们的平台以后，病床的周转效率

等明显提高了。所以我觉得，美

国的工业互联网是需要我们关注

的。

GE 的“工业互联网战略”试

图改变传统世界在资本、机器和

社会分工上的固有体系，将人类

智慧从资本和技术垄断中解放出

来。其中的主要工具，包括智能

机器、大数据分析、互联网、移

动互联网等。将全球工业系统与

高级计算、分析、传感技术以及

互联网高度融合是其精髓所在，

人、大数据、智能分析是关键元

素。未来这些对工业工程的影响，

如图 1 所示。大家来看这张图，

实际上是讲工业软件，底下是产

品端，上面是企业端，左边是供

应端，右边是客户端，上下左右，

工业软件在这里面发挥了至关重

要的作用。同样的，工业工程在

这里面也发挥至关重要的作用。

我们讲产品，产品设计里面涉及

很多问题，我记得我 90 年代初

期在爱荷华大学短暂待过，从事

工业工程的人可能知道那时有个

Kusiak 软件，它下面有一部分人

做设计，比如 Initial design，

Preliminary design，到 Detail

design，就是工业工程的部分。

企业端，如ERP、MES，自不必说，

供应设施、供应链管理、客户端、

CRM 等，都是工业工程的事情。

下面，我就谈一谈在新工业

革命发展趋势下，或者具体而言，

《中国制造 2025》的发展趋势

下，未来工业的主要发展方向是

智能制造。具体到企业而言，智

能制造究竟具备哪些要素？在我

这次的演讲中，这个问题是为了

下面谈教育问题做铺垫，但是，

对于企业人士而言，这个问题也

是他们在工作中亟需明白的一个

问题。《中国制造 2025》中，提

到了四大对策，分别是创新驱动、

质量为先、绿色发展、结构优化，

所以绿色、质量、服务是未来企

业非常需要关注的目标。此外，

企业在运营时也要考虑到具体实

现目标的手段。

就质量而言，大家需要对

质量有一个清晰的认识，需要意

识到质量不仅仅是一个企业的内

部目标。一个企业，往往都有自

己的零部件供应商，供应商生产

的零件质量，同样会影响最终产

品的质量。所以控制产品质量需

要从宏观角度出发，考虑整个产

品的生产系统，这与以往我们对

质量的认识会有所不同。具体到

企业内部，乃至车间内部的质量

问题，我们也需要转变思维。在

过去，我们分析具体的质量问题

时，往往着重于显性的因素，即

我们能够直观感觉到的因素，或

者是凭经验推断出的因素。但是，

质量问题往往有它隐性的要素，

往往就是那些我们难以感觉到、

意识到的。目前，上海交通大学

的张洁教授和华中科技大学的高

亮教授正在进行一个自然科学基

金重点项目，其主要内容是利用

大数据去分析车间运行时可能隐

含的质量问题。所以，我们需要

对质量问题用新的思维方式去认

识，这就是从事工业工程的人士图 1 工业工程在未来制造业中起到的作用

07 2016 年 第 5 期

需要思考的问题。

绿色，是《中国制造 2025》

中企业需要关注的另外一个目

标。对于企业而言，绿色不仅仅

意味着生产过程中的无污染，还

意味着生产成本的降低。企业在

生产产品过程中，需要尽可能地

少消耗能源和资源，这才是我们

更加需要重视的问题。智能技术、

优化技术是实现绿色发展的重要

手段。比如，高亮教授在做拓扑

优化技术，拓扑优化技术可以优

化汽车底盘，减轻了底盘的重量，

减少了加工成本，降低了汽车运

行时的能源损耗，这都是绿色发

展的体现。

此外，《中国制造 2025》提

到了很重要的一点，中国的企业

需要从生产型企业向生产服务型

企业转变。在生产服务方面，GE

公司是一个很好的案例。GE 公司

在很早的时候就开始在航空发动

机上装备传感器，收集运行时的

数据，评估航空发动机的运行状

态，提供相应的维护服务。在这

个过程中 GE 公司扩展了其企业

业务，提高了收入，这是很重要

的一点。中国企业在发展中也需

要考虑到产品的后续服务。比如，

无锡的天奇公司，主要是生产汽

车装配线上的产品。天奇公司在

汽车装配线上装备传感器，同时

设置了一个数据交互的云平台，

通过这个云平台，汽车生产企业

可以准确地观察到装配线的运行

状况，及时维护维修相关机器。

对于汽车生产企业而言，这可以

尽量减少机器的停机时间，提高

了生产效率。大家不要小看服务

业务，比如电梯维护时的排队问

题，电梯制造商需要考虑怎样才

能使服务时间最短、排队时间最

小，怎么收集数据、判断数据的

合理性，这些都是工业工程人士

需要关注的问题。

此外，随着技术的发展、工

业的发展，柔性生产越来越重要。

20 世纪 80 年代，郑州纺织机械

厂就在强调柔性生产这个问题，

尤其是多品种、小批量生产。现

在，随着商品个性化程度的提高，

柔性生产也变得越来越重要。东

莞劲胜精密组件股份有限公司和

我校合作的项目就是很好的一个

案例。8 月，该公司在东莞召开

了一次会议，工信部部长苗圩、

副部长、广东省省长、副省长、

工程院院长、副院长都参加了此

次会议。如图 2，东莞劲胜，这

个生产手机外壳的企业可以生产

三星、华为等几十种产品的外壳，

这就要求生产线具有较高的柔性

生产能力，具体要求物料的高有

序配送能力、混流生产、工时动

态匹配、机器人和生产线配合的

能力。工时动态匹配，包括机器

人的运用，怎样和生产线的节拍

通盘考虑等。工装的柔性、通用

性以及排程的协同优化，这些对

工业工程的专家来说做起来得心

应手，应该比从事机械工程的人

内行。

要素主要涉及到手段方面

的，最重要的就是指数据，工业

互联网就非常强调数据与分析的

解决方案。比如，Predictivity

就是一个很典型的平台。其目标

是实现机器、数据和人同工业互

联网的连接。这里面很重要的一

点就是，我们从以前被动的“工

图 2 东莞劲胜生产柔性化举例

082016 年 第 5 期

业运营”，到未来的工业制造要

转向“预测模式”，而不仅仅是

被动的。有人讲，工业 4.0 有九

大支柱，数据是之首，是第一大

支柱。GE 的董事长认为，未来每

一家企业都是一家软件企业。实

际上仔细一想，所有的生产，包

括零件的设计、计算都是信息驱

动的，从这个意义上来讲，他这

个话是对的。企业数据贯穿制造

运营的执行、管控、决策三个层

面，我们也需要从这三个层面进

行数据的分析。

建模和仿真是未来智能制造

很关键的手段，也需要从事工业

工程的人的关注。作为一个系统

来讲，从事机械的和从事电的，

实际是融合在一块起的，机、电、

液等。所以怎样综合分析、优化

这个系统，是我们面临的难题。

我觉得这方面，从事机械的人当

然要关心，从事工业工程的人更

应该关心。在建模与仿真中，美

国人很关注 ICME，即：集成计

算材料工程。它的用途是值得我

们关注的，尤其是它在成形、加

工过程的仿真中发挥着重要的作

用。福特公司在这方面就有很好

的应用实例。

工业工程的人还应该关注产

品设计。产品的智能优化设计也

是我们应该关心的。随着 3D 打

印技术的出现，我们以前考虑问

题是“实现性优先”，搞机械的

人画一张图，如果加工不出来的

话就成了笑话。未来我们仍然要

考虑可制造性的问题，而不是说

就不考虑这个问题了。但是，在

很多重要的特殊场合，我们可能

要考虑功能性优先，即：不把可

实现性放在第一位。例如，在设

计中，振动是一个很关键的问

题，我们希望在设计时避开不希

望的频率范围。给定一个设计空

间，通过拓扑优化设计，最后得

到完整的设计零件。在车间里也

会碰到一些工艺问题，这是机械

加工中很古老的问题。CAPP（开

目）实现加工工艺路径的优化，

优化加工路径要考虑两个问题：

一个是可以提高加工效率；另一

个是可以保证加工质量。讲到智

能设计，如今还要有一种意识就

是开放创新，实际上就是怎样利

用群体智能的问题。例如，GE 公

司 2013 年 9 月把喷气式发动机

支架的设计发到网上征集大家的

想法，有 700多个设计项目参赛，

最后，排名前八的团队获得总奖

金两万美金的奖励，这个比赛的

效果是非常好的。对于一个企业

来讲，怎样去吸取、融合群体智

能每一个单元的工作，这里面也

有工业工程需要思考的地方。

还有一个问题，我觉得工

业工程中毕竟要考虑人的因素。

举一个例子，AlphaGo 今年战胜

了李世石，我很吃惊，5 年前如

果有谁问我人工智能何时能战胜

世界围棋顶级高手，我可能说要

50 年。真没想到这么快，而且是

4:1 的结果。更有意思的是，当

AlphaGo 与李世石下棋的时候，

顶级高手解说认为 AlphaGo 下的

是臭棋，当时很不以为然，认为

人工智能终究还是不如人的。但

是后来棋下完了之后，AlphaGo

取得了最终的胜利。大家分析觉

得 AlphaGo 是对的，也就是说

AlphaGo不仅具有人类的思维（因

为它是人类设计出来的），但问

题是智能到一定程度后，它就具

有了非人类的思维，它的思维已

经和人类的不一样了，且是正确

的思维。后来围棋顶级高手讲，

最可怕的不是它具备人类思维，

而是它的非人类思维。这个和我

们工业工程是怎样联系在一起

呢？未来智能技术在工业工程领

域的应用一定会越来越广，怎样

汲取智能的智慧，未来企业中的

人怎么和智能机器融合，这些都

是需要我们思考的新问题。讲到

人，现在智能技术不断地增强人

的功能。比如说移动设备的应用，

APP 这些东西企业的人是可以应

用的，不管是从事销售的还是从

事管理的，经常使用移动设备可

以增强你的功能。我觉得这些东

西也是值得工业工程关注的。

最后说一说教育。这里讲

的很多要素实际与工业工程都有

关，仔细想一想现在企业的目标

比以前更多了、目标更高了、空

间更大了（企业考虑问题的空间

更大了，不仅仅是企业内部可能

要把自己定位世界级企业）、响

应的时间缩短了、手段更多了、

09 2016 年 第 5 期

复杂性增大了等，企业人士从事

工业工程要认识到这些，从事教

育的人当然也要意识到这些。但

是学科界限（关联着机械、控制、

计算机、软件、人工智能等），

它们的界限在哪里？在新工业革

命中，我认为它的界限是在变化

的，这是需要关注的，如专业的

界限、课程的界限、课程内容的

界限，所以我觉得需要边界再设

计。今天我在这里不再详述，我

曾经写过一篇有关教育边界再设

计的文章。

另外，还要提醒大家现在知

识存在逻辑在改变。以前的知识

存在书本、老师那里。现在显然

不同，它可能存在网络中间，甚

至数据垃圾中也存在知识。知识

的存储逻辑在改变、知识存储介

质在改变，不仅仅是书本，知识

可能在云端（网络），知识也可

能在朋友那里。知识的存储可能

呈现出碎片化。我们现在一谈起

知识碎片化，从事教育的人可能

要批评，因为他们注重的是知识

的系统化，但是现在我们不得不

接受碎片化的知识，实际上我在

这里讲的也是碎片化的知识，也

是有用的。

知识的传递逻辑在改变，

去中心化，以前，教育基本上是

以教师为中心，我觉得未来教育

千万不能以教师为中心，知识的

传递该跨越时空的界限。知识的

产生逻辑在变化，在大数据中某

些隐形信息，从数据中间可以发

现潜藏着的未知的规律和知识。

以前讲数据挖掘的经典例子——

尿布和啤酒的故事，谁能体会到

啤酒和尿布的之间的销售关系？

我们想象不到，哪怕是在超市几

十年的人也想不到其中的关联，

确实从数据中间发现这些规律。

所以有时候我们可以从数据中

发现一些潜在的规律和知识。

再一个从智能系统，刚才讲到

的 AlphaGo 就是这样的，智能系

统本身到一定程度的时候它自己

会产生一些像围棋高手都意识不

到的知识。还有一个问题就是，

工业工程的确涉及的问题太复杂

了，我们讲教育，CDIO，比如《华

盛顿协议》，中国加入此协议进

行的大学教育的专业认证，都强

调学生处理复杂问题的能力。

那么，我们要问的是，解

决复杂工程问题能力的逻辑在哪

里？在一次参加专业认证的专家

委员会会议时，看到专业认证条

款里提到，大学里某些专业课的

缺少，或者专业课中的某些知识

的缺少不利于学生解决复杂问题

的能力的培养。然而，我认为，

培养解决复杂问题的能力，不该

从这个角度去思考，而应该是培

养学生解决复杂问题的意识，而

不是强调在学校多学几门课程或

者多学一些知识，否则，这样的

本科教育再过十年也没有质的提

升。

由于现代知识发展的太快，

不能片面的强调知识的复杂性，

否则，会让知识淹没智慧。我主

张从横向和纵向建立“复杂问

题”意识。首先，教师要有这个

意识。例如，一个美国学校的实

例：设计汽车上的杯托，学生从

市场需求端、用户端调查，再去

设计，还可能要考虑到制造工艺

问题，甚至再延伸，产品使用过

程中的问题，如维修等。纵向的

复杂性体现在产品的流程上，例

如，一个零件，从设计—加工—

装配—使用—维修，这个过程非

常复杂。对于工业工程人员，加

工也许不是他们需要研究的，但

过程中的物流和信息流是他们需

要研究的，工业工程人员不需要

在每个点上都非常清楚，但需要

有解决问题的意识。另外一种是

横向的复杂性，它涉及到多学科、

多领域。例如，轴承的制造涉及

到机械、材料、力学、摩擦学等，

一个人不需要把与轴承制造相关

的每个专业都掌握，否则，会变

得越来越没有智慧，但需要有解

决问题的意识，需要知道这个问

题涉及到哪些专业，然后找资源

去解决。因此，复杂问题的逻辑

在于意识和视野。现代专业人员

的视野主要不体现在知识上，而

是体现在“问题”上，如工程学

科需要学生具有宽广的问题视

野——大工程观。所以，工程问

题的关联很重要。关联逻辑的变

化体现在以下几个方面：①驱动，

从以知识为驱动转换为以问题为

（下转第 36 页）

102016 年 第 5 期

纺织机械、工业机器人、

工程机械、农业机械等是比较典

型的主要机械装备，因此，本文

以它们为对象探讨机械装备的创

新设计。这几种典型机械装备在

创新设计方面具有以下的共性特

点。

一是设计方法是以机械设计

学为基础，设计理论和方法包括

设计学、摩擦学、传动学、机构学、

力学、电学和控制学等。

二是就其目前技术发展而

言，处于制造业技术的中高端，

其设计方法包括静、动态设计技

术，理论模态分析技术和试验模

态分析技术。

三是设计目前都处于技术变

革时机，即从传统的设计向创新

设计转变，为了引领创新设计的

方向，研发创新产品，其设计方

法必然要向保质设计（包括可靠

性设计和稳健设计）、组合化系

列化设计、智能设计、绿色设计

等方面发展，并实现多种设计方

法的融合。

四是制造加工目前都是应用

成形制造技术，其组成材料大部

分为钢材、铝合金、铸铁等材料，

通过铸造、锻压、焊接、热处理、

粉末冶金等成形技术制造而成，

其机械零件和控制单元等都适宜

采用标准化设计。

五是一般是利用流体介质传

递或转换能量，如液压、液力、

气动、密封技术广泛应用于这些

装备；利用电子、电力和传感器

技术进行控制流体介质传递或转

换能量。

六是都是作为终端技术产品

服务于市场和社会，服务的领域

涉及人类的衣、食、住、行等普

通日常活动，受众面广，在制造

业领域影响大，其发展速度直接

影响人类生活质量的高低。

一、典型机械装备创新设计的技术要素

对于上述典型机械装备的创

新设计，其共同的技术要素主要

体现在如下方面。

（一）优化设计与可靠

性设计

在机械装备的设计技术创新

方面，优化设计、可靠性设计、

模块化设计等方法，尤为重要。

首先，机械装备的优化设计强调

的是绿色的工业设计、机械装备

本体的设计以及设计工具的创新。

绿色的工业设计是知识网络时代

中设计和制造工业产品的主要手

段之一，也是创新设计必须融入

的理念。机械装备本体应该尽可

能选用绿色化的材料，满足可回

收的要求，提高资源的利用率，

典型机械装备创新设计路线图（上）

创新设计发展战略研究项目组

【编者按】本文节选自《中国创新设计路线图》一书。该路线图是由中国机械工程学会承担的中

国工程院咨询项目“中国创新设计发展战略研究”的研究成果之一，是课题组全体成员努力的结果和

智慧的结晶。期望此文为相关从业人员提供参考。

11 2016 年 第 5 期

减少对环境的影响。绿色化设计

还应该满足设备对工作空间的有

效利用以及降耗、降噪、减排等

要求，提高空间资源和材料资源

的利用率，减小对环境的污染，

提供优质的工作环境。机械装备

的功能部件设计要逐步实现标准

化和模块化。模块化的设计方法

即以少数的模块组成尽可能多的

新产品，一方面可以满足用户新

的需求，提高生产线中的适应性，

另一方面可以缩短产品设计周期，

更快更优化地设计出用户需求的

新产品。同时，模块化设计可以

降低制造成本，提高效率和可靠

性，还可以提高运动精度、减轻

质量、减少设备占用空间。

例如，作为自动化生产线

的必要组成部分的工业机器人，

必须要具有强适应性与时效性，

能够与现有的设备以及生产线相

适应，需要发展机器人机构的可

重构设计，满足应用中灵活多变

的需求；不同的产品、不同的生

产线具有不同的加工工艺，工业

机器人的设计应该能够适应不同

的工艺需求，这就需要提出新的

设计方法，如面向工艺的设计方

法。机器人作为机电一体化的集

成体，设计过程中要考虑机械结

构的强度、机器人的能耗等问题，

这些因素直接影响机器人的性能

与适应能力，在整机优化设计方

面提出新的方法，使机器人的各

项指标达到最优。从机器人的负

载能力分析，重载机器人将成未

来的发展趋势。重载机器人相比

于轻载机器人，负载自重比大，

还要完成重复精度高、速度快的

运动，因此对机器人的机构设计

和高动态特性方面提出更高的要

求，需要对机器人的设计在柔性、

高加速度、大负载动态设计与优

化技术等方面创新。

其次，机械装备的设计从需

求分析、功能分析开始，经历了

概念设计、技术设计、详细设计

等多个阶段，设计工具在整个设

计过程至关重要。设计工具的创

新，有助于工业设计规范化和专

业化；利用与研发相关的设计分

析工具，有助于缩短设计周期和

提高设计水平。这些工具包括：

机械本体设计工具、机械零部件

的专业化设计分析工具、模块化

设计资源库、虚拟仿真工具、空

间误差分析工具、机械装备设计

资源集成平台和基于大数据、云

计算的机械装备云设计平台（即

采用信息化技术的更高端、更加

智能化的设计平台）等。

此外，可靠性、安全性和

产业化是机械装备创新设计的

必然要求。可靠性设计对于机

械装备是至关重要的，由于各

种因素对机械装备的影响程度

不同，因此了解并确定这些参

数的改变对机械可靠性的影响

是非常重要的，例如在农业机

械设计中就需要考虑这些因素

对设备可靠性的影响。基于这

些考虑，为提高机械可靠性和

安全性，在机械装备的设计中

将可靠性技术与稳健性技术相

结合，实现可靠性稳健优化设

计，从而提高机械结构的可靠

性。

（二）系统集成化技术

在现代生产制造过程中，

很多任务无法凭借单机完成，

机械设备的协同作业、决策与

操作将成为主要的技术因素。

将来的智能化生产或作业线必

然如同一个网络，需要合理地

分配资源，进行高效的决策管

理，实现整个系统的集成化。

在不久的未来，将实现设备

在无人车间的制造，整个生产车

间只需少数人进行调度，其所有

生产过程、感知与决策过程、多

机体之间的通讯过程以及物流输

送过程，都靠自动化 ( 自动化仍

然靠人工编程，而智能化更体现

自主性 ) 机械设备与机器人自身

完成，这将是生产车间整个自动

化系统的集成。同时，系统的集

成化不仅体现在设备之间的自主

协调运作上，还体现在工业机器

人与设备之间的融合上，这将是

硬件与软件的双重集成。而在工

程机械领域，工程机械网络机群

的智能化协同控制，通过建立作

业机群协作施工系统、机群监测

和控制系统与单机系统实现无缝

链接，使设备具备完善的信息通

信功能、作业数据的统计与智能

122016 年 第 5 期

分析功能、机群定位与工况分析

功能、资源优化与智能调度功能

和作业信息管理功能。

（三）网络系统和远程

专家诊断与维护技术

将计算机网络系统和计算机

管理系统运用于机械设备中，实

现信息的快速有效传递、计算机

自动检测和监控，通过网络系统

和互联网技术实现机械装备的远

程控制和远程诊断功能。

对工程机械、农业机械领域

而言，智能化诊断与维护技术是

基于智能状态检测与故障诊断技

术、全球卫星导航 / 精密定位与

实时通信技术、地理信息技术、

遥感技术、数据库技术等技术，

利用机载计算机故障诊断系统根

据各种传感器的检测信号，结合

专家知识库对机器的运行状态进

行评估，预测可能出现的故障。

在出现故障时，通过机械设备控

制面板上的报警信号和指示灯发

出故障信息，提醒操作人员可能

潜在的故障部位或隐患，指导驾

驶员查找和排除故障，从而实现

机械装备的定位跟踪、信息查询、

远程诊断和故障处理等操作，变

被动维修为预防性维护。

（四）信息化应用技术

采取如下措施将极大地提

升机械装备行业的信息化应用水

平：推广应用面向生产制造层面

的制造执行系统、自动监测和动

态精细化管理系统，应用以企业

资源计划系统为核心的信息系

统；利用新一代信息通讯技术，

特别是物联网技术，在机械装备

行业生产制造、供应链等环节推

广使用条形码和射频识别技术；

初步建立全国性的电子商务公共

服务平台体系、面向供应链和行

业宏观决策层面的宏观经济决策

支持和知识库系统。

（五）自动化技术

近年来，机械设备实现了机

电一体化，自动化水平有了飞速

发展，目前已进入分布智能化和

综合集成化的新阶段。具有高性

能、高技术含量、智能化及符合

低碳经济要求的机械设备产品的

发展得益于自动化控制技术的快

速发展。自动化技术的进一步深

入应用，是机械装备创新的一个

重要技术突破因素。

以纺织机械领域为例，借助

现场总线技术、以太网技术，实

现现场级控制设备数字化通信；

将伺服系统应用到并条机、细纱

机、倍捻机、喷气织机、剑杆织机、

袜机、横机、经编机、磨毛机等

主机，将缩短调节周期、提高的

过载能力和定位精度 , 以满足自

动化、高速化以及多轴化和往复

运动的需要；机电一体化则进一

步向更新的直驱化、电气化方向

发展，即采用伺服电机直接单独

驱动，实现与主机电气同步运行，

在简化机械结构的同时，安装维

护更为便捷，同时也能大大降低

噪音和机械损耗，工作效率也能

大大提高，这是电气设计技术又

一巨大创新。

（六）大数据与云计算

技术

网络系统、信息化应用技术，

以及智能化、集成化的发展不断

深化与不断交融，必然催生新的

大数据与云计算技术。

随着知识网络时代的到来，

巨大的数据量和信息量对机械

装备的创新设计提出了新的要

求。数据库与互联网、物联网

相互融合，以用户需求和体验

为中心，通过对大数据的分析

与控制，设计符合工艺需要和

用户需求的机械装备，并且建

立以传感与信息处理为基础的

服务体系。将来，机械装备的

创新设计将是产品、工艺、信

息和服务的集成设计。以物联

网为基础，通过传感网络收集

机械装备的环境和状态信息，

建立数据知识库，通过数据的

分析与处理，实现机械装备的

无人操作。大数据、云计算与

物联网和互联网的结合也将促

使机械装备朝高度智能化和高

度集成化的方向发展。

13 2016 年 第 5 期

（七）智能控制技术和

专家系统技术

智能控制和专家系统代表了

高端机械装备的领先技术。先进

的计算机网络技术的应用、自动

化控制系统平台的建立，将使机

械设备更加智能化、人性化，减

少了用工和人员精力损耗；专家

系统的应用，又能为用户提供多

种解决方案。

在工业机器人装备领域，控

制智能化的核心是运动规划和控

制算法，功能则体现在感知与智

能决策以及机器人的复杂操作，

目标是实现工业机器人的自主学

习和自主决策。为了降低功耗和

提高动态性能，结合具体应用的

对象、环境和工艺，研究相适应

的运动规划和伺服控制算法，这

是我国需要突破的关键技术之

一。面对动态变化、逐渐复杂的

工作环境，实现工业机器人对环

境的准确感知是进行决策与控制

的基础，也是智能化的一大体现。

工业机器人除了通过传统的或者

创新设计的速度、加速度、温度

等传感器感知自身的工作状态，

还可采用视觉、触觉、力传感器

等多种传感器的融合与配置技术

实现环境的建模、决策与跟踪控

制。因此，运行状态和环境的感

知与识别，也是智能化技术的一

个突破方向。工业机器人的自主

学习能力实现了数据和知识的整

合与处理，根据积累的经验，实

现工业机器人对运动的优化和自

主决策。

在农业机械领域，农业机械

智能化技术将具体体现在以下五

个方面：提高机器作业的技术性

能过程监视、控制、诊断和通信；

实现节本增效和利于改善生态环

境的农作，包括节约物资、降低

作业成本和能源消耗，以及减少

对土壤、水体和动植物的污染；

过程的精细操作，包括及时获取

过程信息和精细执行过程控制指

令；改善劳动者的操作条件，包

括良好的人机接口以及操作方便

性、安全性和舒适性；开发基于

卫星定位系统实施精细农作的智

能控制农业机械，支持农田作业

的科学管理决策等。

二、纺织机械创新设计路线图

（一）纺织机械概述

从当今国际纺织机械产业发

展现状看，世界纺织机械制造业

主要在欧洲和亚洲，亚洲主要是

在日本、中国及韩国。从技术水

平来看，几乎所有的先进技术在

纺织机械中的应用都集中在欧洲

和日本。纺织工业是我国传统支

柱产业和重要的民生产业。我国

纺织机械行业已成为门类齐全、

满足行业需求、具有自主研发创

新能力的支柱产业。“十一五”

期间，中国纺织机械行业取得了

令人瞩目的成就。主要表现在：

（1）产业规模不断扩大。（2）

产业结构日趋优化。（3）自主

创新和技术装备水平不断提高。

（4）节能减排和循环利用成效

明显。（5）品牌建设初见成效，

国际竞争力明显增强。

总体上，经过多年来的快

速发展，我国纺织机械工业已形

成较为完善的整机制造和零部件

生产配套体系；我国已经成为世

界上名副其实的纺织机械制造大

国。同时，国家及地方政策的扶

持为我国纺织机械行业的未来发

展提供了重要的保障。2009 年国

务院发布《纺织工业调整和振兴

规划》，工业与信息化部 2009

年出台《关于纺织机械工业结构

调整的指导意见》、2012 年又颁

布《纺织工业“十二五”发展规

划》。一些地方政府也在不断推

出关于调整规划纺织业以及纺织

机械等相关产业的文件法规。此

外，贸易环境和关税方面得到改

善。这些都为我国纺织机械行业

增加产品竞争力、降低纺织品生

产成本提供了难得的机遇。

另一方面，也应当看到当前

我国纺织机械企业与国外企业的

差距。除了在智能化、自动化、

信息化、网络化、绿色化及精度

与可靠性等方面的技术差距较大

外，在创新设计意识和产品创新

设计，在品牌建设、设计战略研

究与运用等方面存在的差距更

大，表现在：对产品造型美感的

142016 年 第 5 期

研究不够，产品的易用性以及人

机关系协调性急待改进；对成套

和系列化产品的统一产品视觉形

象开发较为欠缺；对自主品牌和

企业形象识别的建设尚需进一步

加强；有待全面提升品牌战略，

提升产品的附加价值；在以系统

的设计战略全面引领企业产品创

新设计方面，要走的路还很长。

为了抓住机遇、迎接挑战，

我国纺织机械企业需要尽快缩小

技术差距，强化创新设计意识与

实践运用，尽快转型进入全面创

新主导的、可持续发展的企业发

展模式，成为国际纺织机械创新

设计与制造的领跑者。

（二）纺织机械创新设

计要素

1. 艺术要素

首先，加强纺织机械产品的

造型设计。产品除具有完成特定

功能的结构构造外，最重要的视

觉特性就是产品的造型。造型呈

现出产品的个性和视觉形象，进

而折射出产品生产企业的特定企

业文化和企业形象。作为产品功

能构造的外在表现，好的产品造

型，是产品优良内在性能与品质

的必然要求和最好注解。

在设计一个纺机产品造型

时，从不影响产品功能、人机操

作界面及其功效的前提下，尽力

塑造优美的、有个性风格的产品

造型。另一方面，需要综合考虑

功能、构造、制造工艺、材料使

用等多方面的约束条件，结合产

品的功能、构造、制造工艺、用

材等特点，进行合理的产品造型

设计创新，塑造以用为本的、有

精致感和高效感的、美的产品外

观形体。

对于企业的系列化、成套化

的族群产品，则需要进一步地在

总体上把握产品造型设计。通过

总体造型特征、局部造型特征、

色彩设色及对比关系等因素的把

握、传承与呼应，设计和表达

统一的族群产品视觉形象及其风

格。

对于具体的纺机企业，则更

要结合自身的企业理念、产品性

能和功能特性等方面的特点，尽

早地探讨行业内纺机产品用户的

审美与造型偏好、研究全球范围

内纺机产品造型的发展趋势，从

而确立企业产品整体的视觉特性

及造型风格，帮助自己建立特有

的产品视觉识别和风格系统，形

成自身适当的设计战略。

其次，加强纺织机械产品的

色彩设计。纺织生产是多机台、

多工序的连续运转。纺织机械产

品的色彩，对纺织工人心理上的

影响因而尤为明显。对纺织机械

产品进行色彩设计时，主体色宜

使用有镇定心理作用的色调。此

外，应结合纺机产品所处的车间、

生产线及其照明等环境条件统筹

考虑色彩的设计。

对于成套或系列的纺机产

品，进行色彩设计时，还需考虑

系统化的色彩设计问题。对于具

有企业形象识别系统的企业，可

结合企业的形象色，使用统一的

色彩设计策略与风格，有助于传

达企业统一的、特定的理念、产

品形象与企业形象。

2. 人本要素

主要表现在加强纺织机械产

品的人机工程设计，从而合理进

行人、机的任务配置，减轻人的

劳动强度和心理负担，保障良好

的人机交互和人机系统协调性。

这涉及到作业者的生理体能和心

理认知能力、工位作业空间、工

人作业姿势、人机交互（通过硬

件人机界面与软件人机界面）、

诊断与维修、物料搬运、作业环

境（包含温度、噪声、光照、粉

尘等方面）等综合的设计问题和

要素。

操作纺织机械时，基本都是

采用立姿。在设计纺织机械装备

产品时，要参照相应市场国的成

年人人体尺度数据、体能特点、

认知特点，设计产品的总体形体、

操作部位和显示界面的高度位

置，以确保作业者保持良好的作

业姿势，减少身体疲劳，提高操

作精度和效率。

新型纺织机械采用先进的电

气、电子和计算机技术，例如人

机对话、在线控制等技术，致使

纺织机械产品的软件人机界面不

断增多。进行软件人机界面设计

时，应使其界面简洁、直接而便

15 2016 年 第 5 期

于认读与操作。

在车间层面上，应依据人机

工程学基本原理进行车间工位布

局设计、光照系统设计、物料搬

运设备设计，在大的系统层面上

确保作业环境的质量。

在纺织生产系统总体层面

上，应对作为监控者的“人”（人

和人工智能机器人）、执行者的

“机”（纺织机械和工业机器人，

以至标准化的车间系统）的角色

任务加以合理分配，以保证在人

与机、机与机、固定装备与移动

装备、车间与车间之间实现高效、

可靠的作业配置、信息通讯以及

实时协同。

3. 商业要素

（1）生产模式创新。从劳动

密集型企业转向技术密集性企业；

创建自主纺织机械品牌，建立品

牌发展战略；加强高端设备的研

发力度，从附加值低的产品与服

务向附加值高的产品与服务升级、

从产业链低端向产业链高端升级；

加强企业产品的服务意识。

（2）企业管理创新。充分

整合外部资源，实现与纵向关联

行业（例如纺织服装业、材料生

产企业）的协同创新；管理方式

转变，即从传统的粗放经营转变

到精细管理。

（三）纺织机械创新设

计路线图

对 2015-2050 年纺织机械创

新设计路线图，以技术要素、艺

术要素、人本要素、商业要素等

为核心展开分析，并提出了阶段

性目标及其实现途径、主要保障

措施以及检验标志。

1. 阶段目标与实现途径

创新要素及其阶段目标、实

现途径如下。

（1）技术要素。2016 年到

2025 年，纺织机械行业努力做到

产品的机电一体化更趋完善，达

到产品的电气自动化和一定程度

的智能化。到 2035 年，纺织机

械产品整体上做到相当程度或高

度的智能化和集成化，并充分应

用智能控制技术以及绿色技术、

节能低耗技术。2036年到2050年，

在大数据时代，依靠宽带互联网、

物联网、云计算、云存储等基础

设施，采用全球定位的物流系统

以及高度智能的纺织机械系统，

纺织机械行业实现可远程控制的

高智能化、无人化的纺织生产系

统。

（2）艺术要素。2016 年到

2025 年，纺织机械产品应在确

保产品质量高性能的前提下，加

强运用设计创新，例如外观设计

和产品操作界面设计。到 2035

年，完成全行业内企业的品牌战

略和产品识别系统的定位研究与

建设。2036 年到 2050 年，在全

行业内全面实施设计战略，以其

统领纺织机械装备的设计创新实

践。

（3）人本要素。2016 年到

2025 年，纺织机械产品优化硬件

和软件人机界面设计，适当分配

作业任务，减轻操作者的体能和

心理负荷，实现单机 / 套产品层

次的人机关系和谐。到 2035 年，

实现良好的人机交互和简单的智

能交互，以及车间层次的人-机-

环境系统和谐。2036年到2050年，

在纺织机械生产系统层面上实现

人 - 机 - 环境系统和谐，即实现

人与机、机与机、固定装备与移

动装备、车间与车间之间合理、

高效的作业配置与实时协同。

（4）商业要素。2016 年到

2025 年，纺织机械行业整体上由

劳动密集型转向技术密集型。纺

织机械行业的主要销售市场，从

国内转向国外，尤其是转向亚洲

市场，特别是转向“一带一路”

战略辐射到的亚洲国家。这样既

服务于“一带一路”大格局，又

能促进企业加强自主研发力度，

特别是高端纺织机械设备的生产

研发。到 2035 年，高端纺织机械

设备的性能质量与欧美发达国家

的纺织机械设备达到同一档次，

并实现节能、低耗、减排等绿色

指标。纺织机械行业实现“专、

精、深、特”生产模式，成为国

际上高端纺机主要制造国，进而

转型为具国际竞争力的、高端纺

机产品生产者。2036 年到 2050

年，使我国的纺织机械达到高度

信息化和智能化，满足纺织生产

过程无人化的需要。重点纺织机

械企业成为国际先进纺机及纺织

162016 年 第 5 期

2016 2025 2035 2050

技术要素

阶段目标

实现途径

艺术要素

阶段目标

实现途径

人本要素

阶段目标

实现途径

商业要素

阶段目标

实现途径

主要举措

检验标志

图 8-1 纺织机械创新设计路线图

全行业实现电气化、数字化、绿色化

完善机电一体化技术；向直驱化、电气化发展

全行业实现智能化、高度绿色化、信息化

加强电气自动化技术应用；实现智能化、信息化；开发并充分运用智能控制技术以及绿色技术、节能低耗技术

全行业实现可远程控制的高智能化、自组织的纺织生产系统

大数据；宽带互联网、物联网、云计算、云存储等基础设施；全球定位与物流系统；高智能纺织机械系统

单一产品以设计品质提升为导向

企业形象以品牌战略、产品识别系统为导向

产品创新以系统的设计战略为导向

重视外观设计；功能优化设计；创建自主品牌

注重产品造型的系列化设计；建立企业产品形象、品牌战略；建成企业的产品识别系统

全行业以设计战略统领产品创新与开发

人机系统中，人主要作为操作者、控制者

产品操作中人机任务合理分配；硬件、软件人机界面设计优化；协调的人机关系

人机系统中，人主要作为控制者、决策者

车间系统中人机任务优化设计；决策专家系统；宜人的人机环境系统

人机系统中人主要作为决策者、协调者

生产系统中人机任务分配优化；人机互联脑力网络；绿色的人机环境系统创新与开发

扩大外销。转型为技术密集型产品生产

实现纺机产品的技术性能与设计品质兼优，并占领大份额的国际市场

实现由内销转向外销为主；逐步减少劳动密集型产品生产，转向技术密集型产品生产

绿色化的高端装备生成能力。转型为具国际竞争力的、绿色化高端纺机产品生产

建成完整的高端技术和产品创新设计体系和力量，创建国际知名的纺机品牌和成套产品

实现高端纺织机械装备的自主研发；实现节能、节排、低耗的绿色化生产方式；实现“专、精、深、特”生产模式；成为高端纺机主要制造国

借助政策扶持，优化产业布局，转换发展模式，建设信息及物联网系统；强化创新设计意识，实施品牌战略与设计战略，创建纺机产品国际形象；培育梯队化的核心科技队伍，创立全行业知识和人力资源共享互补机制；加强“产、学、研”合作，提升核心技术创新与自主、高端型研发能力；借助“媒、用、金”互动，创立中国纺机国际化品牌，传播中国好设计；积极融入“一带一路”大市场，有序地向沿线国家进行产业布局和转移。

自组织的纺织生产系统。转型为全面创新主导的、可持续发展的企业发展模式

实现无人化工厂生产方式及绿色化可持续发展模式，产生全面引领技术和设计创新的国际性领导型企业

无人化车间及其标准化；成为国际先进纺织生产系统的研发与制造领导者

17 2016 年 第 5 期

生产系统的研发与制造领导者，

纺织机械行业转型到全面创新主

导的、可持续发展的企业发展模

式。

2. 主要举措

达到上述创新要素目标的主

要保障措施如下：（1）借助政

策扶持，优化产业布局，转换发

展模式，建设信息及物联网系统。

（2）强化创新设计意识，实施

品牌战略与设计战略，创建纺机

产品国际形象。（3）培育梯队

化的核心科技队伍，创立全行业

知识和人力资源共享互补机制。

（4）加强“产、学、研”合作，

提升核心技术创新与自主、高端

型产品研发能力。（5）借助“媒、

用、金”三方互动，创立中国纺

机国际化品牌，推广中国纺织机

械装备好设计。（6）积极融入“一

带一路”大格局和大市场，有梯

次、有序地向“一带一路”沿线

国家进行产业布局和产业转移。

3. 检验标志

完成三个阶段目标的检验标

志如下：（1）2016年 -2025 年，

实现纺机产品的技术性能与设计

品质兼优，并占领大份额的国际

市 场。（2）2026 年 -2035 年，

建成完整的高端技术和产品创新

设计体系和基础，创建国际知名

的纺机品牌和成套产品。（3）

2036 年 -2050 年，实现自组织的

无人化工厂生产方式及绿色化可

持续发展模式，产生一批拥有全

面引领技术和设计创新的国际性

领导型企业。

以上纺织机械创新设计路线

图分析，归纳为如图 8-1 所示。

三、工业机器人创新设计路线图

（一）工业机器人概述

自全球第一台工业机器人问

世以来，工业机器人得到迅速的

推广应用，目前已广泛应用于汽

车及汽车零部件制造、电子电气、

化学工业、食品工业、冶金加工

及铸造和建材等多个行业。

目前，对全球工业机器人的

发展最具影响力的主要是美国、

日本和部分欧洲公司。美国是工

业机器人的诞生地，基础雄厚，

技术先进。日本拥有“机器人王

国”的美称，生产的工业机器人

在数量、种类方面世界居首。欧

洲的公司中，德国机器人公司的

实力相对较强。近年来，随着大

数据、云计算、移动互联网等为

代表的新一代信息技术不断深入

并相互融合，发达国家纷纷对机

器人领域进行了战略部署。欧盟

启动“火花”计划：到 2020 年，

将投入 28 亿欧元用于研发民用

机器人，以期为欧洲带来更多就

业岗位，同时提高欧洲在全球机

器人市场的份额，保持优势地

位；美国 2011 年推行的“先进

制造业伙伴计划”中明确指出，

通过发展工业机器人重振美国制

造业，同时提出了未来 15 年制

造业机器人研究路线；日本制定

了机器人技术长期发展战略，将

机器人产业作为“新产业发展战

略”中 7大重点扶持的产业之一，

仅在类人机器人领域，就计划 10

年共投资 3.5 亿美元；韩国制定

了“智能机器人基本计划”，

2012 年 10 月发布了“机器人未

来战略展望 2022”，将政策焦点

放在了扩大韩国机器人产业并支

持韩国机器人企业进军海外市场

等方面。

2012 年以来，我国在政策层

面上对机器人产业的扶持力度不

断加大。2012 年 3-4 月份，科

技部相继发布了《智能制造科技

发展“十二五”专项规划》和《服

务机器人科技发展“十二五”专

项规划》，同年 7 月国务院又发

布了《“十二五”国家战略性新

兴产业发展规划》，提出“要大

力推进自动控制系统、工业机器

人、关键零部件等装置的开发和

产业化”。2013 年 12 月 30 日，

工信部正式发布《关于推进工业

机器人产业发展的指导意见》，

确立了我国工业机器人的发展目

标。这些都为我国工业机器人的

未来发展进一步指明了方向。

据国际机器人联合会（IFR）

网站 2015 年 3 月 23 日发布的全

球工业机器人调研报告，2014 年

全球工业机器人销量首次超过 20

万台，汽车和电子行业依然是其

主要增长驱动；从地域来看，中

182016 年 第 5 期

国是全球工业机器人的最大市

场，2014 年 的 销 量 高 达 56000

台，其中由中国本土机器人制造

商提供的有 16000 台，由国际机

器人制造商提供的有 40000 台。

据 IFR 网站报告，未来工业机器

人的需求仍将加速增长，预计

2015 年至 2017 年，工业机器人

年平均增长率将达 12%。工业机

器人安装量的高速增长充分说明

中国工业机器人市场规模正不断

扩大，前景广阔。工业机器人市

场在未来几年将迎来快速发展，

这为国内工业机器人行业的发展

提供了良好的市场机遇，为相关

生产制造企业的成长提供了有利

的环境。

虽然拥有上述大好机遇，我

国工业机器人的发展仍面临严峻

挑战。

首先，现阶段我国工业机器

人技术水平仍和国际先进水平有

较大差距，主要表现在基础件和

控制系统的可靠性和精度不高、

基础工艺落后等多个方面。我国

工业机器人技术研究起步较晚，

存在理论研究多，技术开发和应

用研究少，研究整机集成多，研

究关键部件少等现象。多项核心

技术至今未掌握，不能生产高精

密、高速高效、高可靠性的关键

零部件，具有中国品牌的工业机

器人很少。这些问题的核心主要

是创新设计的意识不足，在技术

上主要是跟踪，缺乏设计方法和

工具的创新。

其次，尽管中国工业机器人

市场前景乐观，但机器人生产企

业面临的市场竞争非常激烈。随

着中国生产车间自动化程度日益

提高，吸引着越来越多的外国机

器人制造商进驻中国，一些外国

机器人制造商在中国已拥有自己

的生产基地，越来越多的外国公

司计划在中国建造自己的工业机

器人生产线。外国知名工业机器

人企业在国内已形成成熟的生产

模式和商业运作模式，对我国本

土机器人企业的发展构成了巨大

威胁，中国市场上五分之四的工

业机器人出自国外制造商，主要

是来自日本、北美和欧洲的公司。

这些问题主要是由于我国工业机

器人行业和企业存在品牌建设的

战略研究不足，在商业模式和文

化建设上的创新设计不够。

中国经济飞速发展，人民生

活水平不断提高，对生活品质的

要求亦不断提升，企业用工成本

不断上涨，市场日益全球化，“不

使用机器人，难以提高竞争力”

这样的观点被越来越广泛接受。

当前，随着德国“工业4.0”提出，

“中国制造 2025”已成为我国未

来制造业的发展规划，工业机器

人作为“中国制造 2025”的重要

组成部分，其受关注度迅速提升。

国家、企业和社会都认识到发展

工业机器人的重要性和必要性。

中国制造业正面临转型升级、技

术提升、及增强国际竞争力的巨

大挑战，工业机器人的应用和发

展将有力推动我国制造业朝着自

动化、数字化和智能化的方向转

型升级。在实现工业机器人的技

术创新与突破的进程中，创新设

计是推动中国制造业实现由“制

造”到“智造”的关键环节。

（二）工业机器人创新

设计要素

1. 商业要素

（1）企业层面。企业要依

靠先进的技术，专业化的管理和

运营策略实现创新服务。企业应

该以创新的理念，从生产制造开

始就能为用户提供诸如“数字化

工厂”等先进的创新设计方案。

在重点地域分布设立服务中心，

对用户提供服务型产品，并利用

信息及物联网技术对产品进行全

球定位，跟踪产品使用状态和用

户的产品使用体验，建立全新的

产品服务理念和平台。工业机器

人属于技术含量高、价格相对昂

贵的制造装备，其主要客户大都

是具有较强经济实力的企业，其

生产手段与国际接轨，自动化程

度高，对工业机器人的需求量大。

而面对其他的潜在客户，机器人

企业可以不卖产品而卖服务，给

这类客户配备专业技术人员，在

需要机器人时提供服务，建立、

维护和拓宽工业机器人市场。

（2）行业层面。行业要依

靠创新理念发展和壮大市场。通

过对体制机制的创新设计，建立

19 2016 年 第 5 期

完善产、学、研的机制，做好行

业的战略规划和产业布局，加强

相关协会和学会的协调作用，开

展宣传，搭建政企间有效的信息

沟通平台。培养高素质科学研究

与技术开发人才队伍，培养行业

领军带头人，对有真正实力的单

位和团队加强资金投入，建立有

特色的技术平台和研发基地，培

养龙头企业，创在国际上有影响

力的中国品牌。加强国产优质品

牌的示范推广，建立产需对接机

制，促进中国优秀品牌工业机器

人的市场推广和应用。形成技术、

企业、市场相互关联的发展模式，

合力加快我国工业机器人的规模

化应用和产业化发展。

（3）政府层面。政府需要

制度创新来支撑和扶持市场。目

前，工业机器人已大量应用于汽

车制造、机械加工、电子电气等

领域，未来在建筑、钢铁冶金、

轨道交通、石油化工、能源、物

流及家电等行业的应用有待陆续

开展。各地政府应因地制宜，挖

掘本地区不同行业的需要，采取

积极措施，协助工业机器人产业

的推广应用，促进工业机器人产

业链的协调运行，保证产业持续

健康快速发展。目前，我国工业

机器人的进口率高居不下，除了

与国产工业机器人的性能和质量

仍然不高有关以外，还在相当程

度上受到我国国家进出口政策的

影响。现在我国机器人整机进口

采用零关税制度，整机进口比在

国内生产成本低。政府要从人力，

政策，法律法规等多个方面为国

内机器人企业创造自由、公平的

竞争环境，支持国产工业机器人

产品的推广应用，加强国产工业

机器人产业的生命力。

2. 人本要素

工业机器人的创新设计应

以人为本，能满足用户的心理需

求，强调人机协同作业的安全可

靠性以及人机交互的人性化和方

便化。工业机器人的最终目标是

能够如同人一样作业，结合人的

高度智能，以中国的劳动力优势

为前提，与人共融将是工业机器

人设计的主要创新导向。

首先，以客户和市场需求

为基础，结合生产车间环境和人

员的安排情况，通过与客户、生

产车间工人的交流，了解不同群

体的心理需要。分析机器人可能

的工作空间、作用力范围、动作

和速度，以及对外界环境的感知

所需要具备的机能，考虑人与机

器人共同工作可能出现的种种情

况，给机器人的机械本体、控制

系统、传感系统和材料方面的设

计提供有价值的参考依据。其次，

在与人共融的创新设计理念中，

人性化和方便的人机交互是基

础，安全可靠的协同作业将是强

有力的保障。

第一个创新主题是人机交

互。为了使人与机器人的交互更

加和谐，使人能够更快地熟悉和

使用工业机器人，需要建立更加

友好的人机交互界面，采用适应

性更强的组态语言，如图像识别、

手写识别及语音控制等方法。借

助于先进的信息技术与远程控制

技术，工业机器人将成为新一代

智能代理，工人可以通过手机等

智能终端实时监测和控制工业机

器人的操作。

工业机器人作为智能机器，

在与人协同工作的环境中，应交

互自然，这不仅满足工人的心理

需求和工作可靠性，还能放大工

人的能力从而提高作业效率。为

了实现这个目标，需要多项技术

的融合以及创新。利用感知与智

能识别技术，实现工人工作状态

和动作的识别；利用人工智能技

术，实现协同作业过程中的认知

与决策，达到流畅互助的目的。

智能化在人本要素中的另一大体

现即学习技能和经验积累的能

力，利用人工智能等技术，实现

互助过程的自我学习和优化；基

于大数据、云计算的云机器人技

术将实现自我学习到互相学习的

过渡，达到经验数据和学习资源

的合理分配与共享。

第二个创新主题是人机协

同工作的安全处理。当与人协同

作业时，保障人的安全是工业机

器人创新设计需要着重考虑的因

素，主要涵盖在以下几个方面中：

机械本体的柔性设计、智能感知

网络设计、运动轨迹的智能避让

设计、紧急情况的智能决策设计

以及智能状态监测。基于仿生和

202016 年 第 5 期

阶段目标

实现途径

技术要素

商业要素

人本要素

主重要举措

检验标志

2016 年 2025 年 2035 年 2050 年

图 8-2 工业机器人创新设计路线图

实现产品的高可靠性和高精度

整机优化设计技术；可重构与模块化设计技术；面向工艺设计技术；精密减速器、控制电机等关键零部件技术标准化；增强现实应用技术；基于多传感器融合与配置的环境建模技术与控制技术；多机通讯协议与网络化技术。

国家的产业调整及政策扶持；促进产学研联盟的发展；因地制宜拓展市场；开拓技术服务市场。

人机交互组态语言设计；视觉环境与图像理解技术；多传感器融合与配置技术；基于人工智能的形体与动作的识别与认知技术；机器人形体优化设计。

加强政府扶持力度，创新完善相关政策法规，营造良好的创新发展环境；建立科技创新体系，完成关键技术攻关，推动技术创新，完善技术储备；建立产业创新体系，加快产业布局，优化投资融资环境，促进创新产品推广应用；加强创新人才建设，提高从业人员专业水平，促进就业，培养创新型领军人才。

面向多机器人、多任务、多功能、冗余和优化决策的人工智能和协调控制技术；基于大数据、云计算等先进信息技术的集成设计技术；基于实时系统和高速通信总线的高性能开放式控制系统；基于 3D 打印等先进数字制造技术的设计制造一体化技术。

促进自主工业机器人的全面推广应用；提供基于信息及物联网技术的产品全球跟踪和服务；建立大数据信息集成的市场环境；建立技术服务市场。

智能感知网络设计；运动轨迹的智能避让设计；紧急情况的智能决策设计；智能状态监测技术；基于人工智能的自主学习和寻优设计。

与环境友好的智能设计技术；自主学习与自主决策技术；基于云平台的智能机器人终端技术及其机器人智能操控技术。

融合产品创新设计、创新服务和创新商业模式，实现服务型机器人产品的智能化。

生物传感技术；智能交互技术；基于大数据、云计算和互联网的智能机器人技术。

实现产品的强环境自适应能力

实现产品的智能化

逐步提高工业机器人的智能化、柔性化、信息化和集成化水平，技术上达到或领先国际水平；工业机器人设计的标准化；设计工具集成化、规范化、系统化；形成工业机器人产业体系。

实现成熟的先进机器人设计与制造，大数据大信息背景下的集成设计，实现性能和功能的强适应性；培养具国际竞争力的龙头企业，打造中国工业机器人国际品牌。

实现设计智能化和绿色化，工业机器人具备高度自治能力，建立人与信息物理融合系统；建立创新服务体系以及创新设计的分享与集成平台；实现智能化人机交互。

（下转第 26 页）

21 2016 年 第 5 期

中国好设计案例选登（七）

制造服务模式创新

一、案例背景

由于从短缺经济的时代走来，

传统制造业普遍存在着盲目投资、

产能过剩的问题。企业的盈利往往

只依靠其产品，而以出售有形产品

为核心的传统制造不能实现价值的

最大化，使得其长期处于价值链低

端。在创新设计时代，传统制造业

应从只重视技术和产品，转向利用

设计思维发展自身商业与服务，通

过设计产品与服务的整体解决方案

来发掘产品全生命周期的价值。随

着物联网技术及大数据的发展，商

业服务创新设计是推动制造业实现

由技术研发到制造服务的全产业链

的创新变革、摆脱“微笑曲线”底

端困境、实现价值链攀升的关键。

二、设计思路西安陕鼓动力股份有限公司

（以下简称“陕鼓”）是制造企

业服务化转型演进的典型案例。陕

鼓依托信息化进行商业服务创新设

计，提出“两个转变”发展战略:

从单一产品供应商向动力成套装备

系统解决方案商和系统服务商转

变；从产品经营向品牌经营、资本

运作转变，打造世界一流绿色动力

强企。在这一战略指导下，实现了

从以“产品”为中心的生产型制造

商向“产品制造与服务增值”一体

化的服务型制造商的转变，其提供

增值服务所创造的利润已远远大于

制造过程产生的利润。

三、设计创新点

1. 物联网系统推动转型

陕鼓全生命周期健康管理服

务以其物联网系统为基础。如图1，

陕鼓通过其设计的物联网系统建立

强大服务后台支撑体系，有力推动

服务转型战略。

远程在线监测与诊断系统是

陕鼓物联网的主要部分。陕鼓与科

研院所、高校及相关企业合作，创

新设计出适用于鼓风机设备的远程

监测系统，如图2，并以这套系统

为核心，成立远程监测及故障诊断

徐江刘惠荣董占勋

图 1 陕鼓物联网系统

222016 年 第 5 期

中心，对客户设备实施全过程、全

方位、全天候的状态管理。

2. 进行服务体系设计创

新

陕鼓的商业服务设计，实现

了对大型旋转机组的远程监测、故

障诊断预测，强化了装置配套系统

的运营服务基础，构成了产品全生

命周期的健康管理服务，如图3和

图4。根据客户使用产品的具体状

况，为其量身定制检修计划及方案

和更换备件的建议，提出科学合理

的备件库存明细及方案，共同投资

组建备件库，大大降低了客户资金、

场地占用，提升产品质量。

3. 创新性的工程服务和

设计规划

（1）工程服务

陕鼓着力发展完善的工程成

套项目总承包（EPC）服务——交

钥匙工程。交钥匙工程以主导产品

为核心，以成套技术为纽带，运用

现代项目管理方法，将主导产品与

工程项目有机结合，发挥成套设计、

供货、施工、安装调试的整体优势，

为客户提供系统解决方案和系统服

务。

近年来，陕鼓运用设计思维

依靠更具有竞争力的成本和专业化

的运营能力，进一步设计出园区综

合能源服务方案，如图5。

图 2 陕鼓旋转机械远程在线监测及故障诊断中心总体结构

图 3 陕鼓工业化智能服务流程图

图 4 陕鼓服务体系创新设计 图 5 园区综合能源服务方案

23 2016 年 第 5 期

管理，新增或强化投融资、工业服

务、自动化、汽轮机、污水处理等

业务。

四、主要设计先进性指标（技术、商业、文化、人本）

2001 至 2012 年，陕鼓的企

业规模从 3.37 亿元迅速增长到

69.01 亿元左右；营业总收入由

3.12亿元增长到 60.42亿元。2005

年起，陕鼓总产值中的 60% 以上

收入来自于“技术 + 管理 + 服务”

的管理模式创新。目前陕鼓已为

120余家企业300余台套机组提供

了远程健康管理服务，打造动力装

备的“云服务”平台。

陕鼓的发展历程展现了制造

业企业服务化过程中两化融合与

服务设计的共演过程。从制造业服

务化过程来看，陕鼓根据市场和竞

争者的变化，设计服务的目标和战

略，并根据服务化理念及战略进行

技术研发和组织结构调整，最终设

计服务内容。从服务化过程与保障

因素之间的作用机制及相互影响来

看，陕鼓是在不断进行技术研发两

化融合的过程中延伸服务的范围和

内容，即技术研发与服务设计密切

相关，并协同发展。制造作为陕鼓

的核心业务，为服务提供了强大的

平台基础和技术保障；服务则使制

造增值，提升了制造的品牌效益。

制造与服务相互渗透，最终实现一

体化发展。

图 6 园区能源规划和综合利用

图 7 园区规划

（2）园区规划

陕鼓通过园区规划，结合技

术和商业模式创新，提供全生命周

期一体化综合能源服务解决方案，

提供一站式智能化服务，如图6和

图7所示。

4. 融资运营和组织战略

创新设计

陕鼓创新设计出产融一体化

服务，与金融机构联合向缺乏资金

的客户提供多种金融服务方案。此

外，陕鼓对组织战略进行了设计：

“有所不为”——放弃低端非核心

业务，通过利用外部协作资源，加

大对非核心能力环节的整合力度；

“有所作为”——强化高端核心能

力，加大能量转换设备及系统技术

研发创新、开创了工业服务创新经

营方式、组建了工业服务支持中心

为客户提供设备全生命周期的健康

242016 年 第 5 期

“人单合一双赢”的开放式商业模式创新

一、案例背景

互联网时代带来了深刻的变

化，商业模式从“分工式”变为

“分布式”，制造模式从“大规

模制造”变为“大规模定制”，

消费模式从“产销分离”变为“产

销合一”。没有成功的企业，只

有时代的企业，2005 年，海尔集

团董事局主席、首席执行官张瑞

敏明确提出了“人单合一双赢”

商业模式，发展至今已经 10年。

海尔探索的“人单合一”实际上

为企业开启了互联网转型之路，

致力于创造全流程用户最佳体

验。在“人单合一”模式及“世

界就是我的研发部”的核心理念

下，海尔建立了开放式创新平台，

徐江刘惠荣董占勋

并以开放包容的姿态吸引全球一

流的资源，让用户与资源零距离

交互，不断产生颠覆性创新成果，

带来最佳的用户体验。

二、设计思路

在人单合一模式下的开放

式创新。“世界就是我的研发

部”——这是海尔开放式创新的

核心理念，与世界其他研发中心

最大的区别在于，海尔的目标不

仅是整合世界一流的资源，更多

的是让用户、创客参与产品创新。

三、设计创新点

海尔立足于互联网时代，

企业必须转变为平台，以开放包

容的姿态吸引全球一流的资源。

2005 年首席执行官张瑞敏提出

“人单合一双赢”模式——“人”

是员工，“单”是用户，“合一”

是把员工和用户连到一起。10 年

前，海尔希望将企业和市场连接

在一起；10 年后，海尔致力于颠

覆原有传统模式，建立“共创共

赢”的生态圈。

为此，海尔提出“三化”：

企业平台化、用户个性化和员工

创客化。企业平台化颠覆了传统

的企业科层制；用户个性化颠覆

了产销分离制；员工创客化颠覆

了雇佣制。

1. 企业平台化

未来的海尔将全部由“小微

公司”组成，海尔成为这些小微

公司的股东之一。和普通股东不

同，这些小微公司一定要在海尔

平台上运行，海尔不会管制他们，

而是要大家协同起来。海尔孵化

和孕育着 2000 多家创客小微公

司，现在 77% 的小微公司年销售

额过亿，较有代表性的有免清洗

洗衣机、雷神项目、互联网金融

平台融易等。

海尔希望打造共创共赢平图 1 2015 海尔创客实验室发布会

25 2016 年 第 5 期

台，大家在这个平台上都能获得

利益与成长，在这个平台上的各

方都可以盈利赚钱。传统企业以

企业的利益最大化为目标，互联

网时代，一定是整体利益，靠利

益把大家绑在一起。

2. 用户个性化

用户个性化则聚焦到体验经

济。原来是“销量经济”，把销

量搞上去就可以，但现在变成体

验经济，对互联网企业的要求，

不仅是高效率，还要高精度为了

实现用户个性化，海尔在做的探

索是互联工厂，可以跟用户交互，

无缝化、透明化、可视化。

3. 员工创客化

员工创客化是海尔内部的

“动态合伙人制”：员工从原来

的岗位执行人转变为创业者；从

被雇佣者转变成动态合伙人；现

在，海尔不再给员工发薪水了，

这在海尔内部叫“断奶”，薪水

从创造的用户价值中来，得不到

你就离开。员工不再是雇佣制，

而是变身为创客。

根据世界权威市场调查机构

欧睿国际发布的数据显示，在全

球大型家用电器领域，海尔连续

六年蝉联全球第一。在企业层面

上，海尔从一个传统组织转变成

大众创业的平台，在员工层面上，

从被动执行者变为主动创业者。

转型中的海尔，从一流家电产品

的制造者变成一流创客的孵化平

台。平台上不仅有海尔内部的员

工，还有来自社会上的创业者。

如今，在海尔平台已孵化出 2000

多个创客小微。雷神游戏本、水

盒子都是很好的例子，都出自创

客小微之手；海尔转型的目标是

将并联生态圈和用户圈的融合，

海尔“智慧烤箱”形成了庞大的

用户圈，用户每天在探讨各自上

传的“菜谱”、“烤的方式”、“工

艺”等内容，表面上看烤箱没关

系，但其实是烤箱所提供的服务。

根据用户圈的互动，烤箱不断地

改进升级，用户圈也越来越大。

4. 海尔开放创新体系

自 20 世纪 90 年代，海尔就

展开了对开放创新模式的探索，

成产了中央研究院，目的是加强

与外部的创新合作。2009 年，海

尔成立开放创新中心，设置独立

的团队拓展线下开放创新业务。

2012 年，海尔开放创新平台成

立（Haier Open Partnership

Ecosystem，简称 HOPE），它通

过互联网，将“解决方案需求者”

以及“解决方案提供者”连接起

来，为设计师、用户、极客、发

烧友、供应商等利益相关方创建

一个全新的平台。在这个平台上，

用户与用户交互、用户与资源交

互、资源与资源交互，自主交互

形成颠覆性创新成果。

5. 海尔开放式创新与传

统创新的区别：瀑布式到迭

代式

① 产品决策：领导决策到

用户决策，带来体验最佳的产品；

②创新主体：企业员工为主，变

图 2 雷神游戏本创客团队

262016 年 第 5 期

为全球一流资源参与创新；③创

新结果：从大部分为延续性创新

产品到颠覆式创新成果不断涌

现；④创新机制：研发人员从开

发产品，到开发用户体验，薪酬

是“用户付薪”机制。

四、设计先进性指标

通过开放式创新，加速了海

尔创新成果产出数量和质量，提

升了创新能力。以科技进步奖为

例，平均不到两年就可获得一个

进步奖，是整个轻工领域之最；

在专利标准、国家级创新项目等

方面均遥遥领先。现在海尔年均

上市创新引领产品超过 600 个，

创造的经济价值过百亿元；创新

资源增值分享价值超过十亿元。

通过开放创新模式探索，快速满

足了全球用户的个性化需求，匹

配周期从过去的 60 天缩短到 20

天。

经过几年的发展，海尔开放

创新平台不断积蓄力量，用户和

资源数从以前的几千上升到百万

级；以前仅依靠内部产出创意时，

每年只能产生最多 600 个，而通

过开放创新模式，平台每年产出

创意超过 6000 个。将创意进一

步孵化出的项目数量也显著增

加。

图 3 佛山洗衣机互联工厂创新实践照片

柔性化等设计理念，使工业机器

人具有柔顺的外形线条，并非常

接近人体触感，这样的工业机器

人更适宜与人共同工作。利用非

结构环境中视觉系统的动态识别

和处理技术，结合触觉、听觉和

力觉等感知技术，实现对工人特

征、外表和运动的识别以及实时

定位和行为预测；利用智能控制

和决策技术，实现预警和避让以

防止对人造成伤害，当与人发生

碰撞时，工业机器人应能迅速做

出应对措施，避免伤害。工业机

器人还应该能感知工人的情绪变

化与生理状态，保障在生产过程

中任一环节都能高质量、高效率

地配合工人完成规定的生产任

务。工业机器人的安全性设计不

仅体现在对工人的安全处理中，

还体现在自身运行状态的安全监

测上。通过智能制造技术将人工

智能融入工业机器人工作的各个

环节，运用智能传感器技术，在

工作过程中，工业机器人能自动

监测自身的运行状态和外部环境

变化，自动调节工作参数，达到

对人安全的工作状态。

（三）工业机器人创新

设计路线图

图 8-2 是工业机器人的创新

设计路线图。在路线图中，分别

以 2025 年、2035 年 和 2050 年

为时间节点，表现预期达到目标

的时间；创新规划从技术要素、

商业要素和人本要素三个方面分

析，反映工业机器人预期目标、

相应举措以及检验标志。

（上接第 20 页）

（未完待续）

27 2016 年 第 5 期

制造业的数字化革命

目前，数字化革命正在攻破

制造业的城墙，并且不断搅乱媒

体、金融、消费品、医疗和其他

行业的原有秩序。事实上，数据

和新型计算能力的爆炸式发展以

及人工智能、自动化、机器人、

增材制造技术、人机互动等领域

的进步都在激发创新，这些都将

改变制造业自身的性质。业界和

学界的领军人物一致认为，数字

化制造技术将会改变产业链的每

个环节：从研发、供应链、工厂

运营到营销、销售和服务。设计

师、管理者、员工、消费者以及

工业实物资产之间的数字化链接

将释放出巨大的价值，并彻底刷

新制造业的版图。

然而，尽管制造业产生了比

其他任何行业更多的数据，但很

少有公司能充分利用。例如，某

油气公司有 99% 的数据被丢弃，

因此未能为决策者所用。我们相

信，如果公司能够通过开发利用

自身生成的数据（以及其他公开

的数据）来缩小被丢弃数据的比

例，就可以挖掘有价值的洞见，

从而提升利润、促进增长。再对

比一下传统的汽车制造商和优步

（Uber），从产业链的最高点看，

二者的共同点是都在开展人员运

输的业务。汽车制造商利用一个

世纪以来的经验，通过工厂车间

和展厅来满足这一需求；优步通

过智能手机使乘客和汽车配对，

无需钢铁、玻璃、橡胶和销售员，

仅使用数据就能满足乘客的交通

需求。优步诞生仅 5 年，其价值

就已超过 500 亿美元，拥有的数

据、算法和广阔的增长前景已经

让它比一些全球最大的汽车制造

商所有的实物资产、知识产权和

品牌都更具价值。

这样的结果并不令人意外，

于是，制造商们开始意识到数字

化的机会和威胁。美国国家制造

创新网络（NNMI）正在组织六家

大型研究机构加快推动新的制造

技术面市。尽管所有这些机构

的研究都与数字化沾边，但只有

一家专门对数字化制造进行研

究（欲了解更多有关信息，可

以访问网站 manufacturing.gov

和 dmdii.uilabs.org）。 在 全

球范围内，很多国家和地区也展

开了类似的项目，如德国的“工

业 4.0”计划和中国的“中国制

造 2025”。美国发起工业互联

网 联 盟（Industrial Internet

Consortium）是一家全球性的召

集组织，成立 18 个月以来就已

拥有 175 个会员。

1. 领先企业如何应对

人们和组织机构使用信息的

方式已经发生了极大的改变。数

字存储更加便宜和灵活，先进的

分析和人工智能使我们可以从海

量的数据中获取洞见。在虚拟和

增强现实、下一代界面、高级机

器人和增材制造等方面取得的进

步都在开启通往数字化颠覆的大

门。在未来十年里，数字化制造

技术将会使企业通过“数字线”

连接实物资产，促进数据在产业

链上的无缝流动，链接产品生命

周期的每个阶段，从设计、采购、

测试、生产到配送、销售点和使

用。

尽管价值超过 10 万亿美元

的全球制造业数字变革将持续 10

麦肯锡公司

282016 年 第 5 期

年时间或者更久，但领先者已经

行动起来，很快就会对利润和营

收产生影响。在审视制造业的价

值驱动因素并将其与数字化抓手

匹配时，我们发现，许多企业都

可以通过提高运营效率、进行产

品创新和发掘新收入来源来把握

创造价值的机会（我们在制造业

运营中发现了八个典型的价值驱

动因素——资产利用、劳动力效

率、库存、质量、供需对接、入

市时机、服务与售后效率、资源

与流程效率，并将其与数字化制

造抓手相匹配）。比如下面这些

例子。

许多大型制造商已经开始利

用数据分析来优化工厂运营、提

升设备利用率和产品质量，同时

降低能耗。一旦使用新的供应网

络管理工具，工厂管理者对原材

料、制造部件在制造网络中的流

动就可以有清晰了解，这有助于

合理安排工厂运营和产品发货，

从而降低成本、提高效率。智能

互联的产品把客户的体验数据发

送给产品经理，帮助他们对需求

和维修需要进行预测，进而设计

出更好的产品。各行各业的公司

都在用不同的方式部署数字技术

以驱动价值。例如，一家大型金

属厂使用数字工具来进行全面、

逐步的产能提升，操纵台的实时

表现可视化与日常问题解决方案

相结合，使其中一条生产线的生

产率提高了50%。通过数据挖掘，

工程师对主要设备模式的故障特

征有了新的理解，并对设备的可

靠性进行了持续改善。该公司希

望通过使用状态监测、预测性维

护以及流程控制、自动化材料跟

踪，使得大数据分析成为可能，

从而在运营成本无显著增加的前

提下实现产量 30% 的提升。

制药商利用自身对端到端流

程的深刻理解开发出连续生产车

间，其大小不到传统工厂的一半。

一些企业甚至开发出“便携式”

工厂，可以建在 12 米多长的拖

车里。他们还利用数字线来提升

质量控制：持续监测搅拌容器、

压片机、冻干机和其他关键设备

的情况。一些企业现在依靠红外

技术来发现伪劣药物和污染物，

不再需要传统的降低生产线速度

的测试了。随着行业把这类先进

技术带进市场，领先者将会把“三

西格”的行业表现转变成“六西

格玛”甚至更高水平。

领先的消费品生产商正在利

用数字工具来提升配送能力，并

加强与消费者的联系。全球快时

尚服饰商 Zara 早已因在两周内

完成新品开发和交付而闻名。目

前，公司正在使用数字化工具，

以更快响应消费者偏好并降低供

应链成本，在旗下的 2000 多家

门店中，有 700 多家已经将可重

复使用的射频识别 RFID 标签加

在每一件衣物上。仅需 10 名员

工挥动装在衣架上的小型手持电

脑，就可以在两三个小时内完成

一家门店的库存更新。而过去，

这项工作需要 40 个员工努力至

少 5 个小时才能完成。Zara 计划

于 2016 年实现向“无线库存”

的转变。我们相信，RFID 的硬件

和相关软件成本的不断下降可以

帮助其完成这一转型。

航空和国防工业正在利用

数字化工具来整合极端复杂的供

应链网络。比如，现代喷气式涡

轮发动机有成百上千个独立部

件，其中一部分由发动机制造商

自己制造，其他部件则在供应商

网络中的数十家厂商那里采购。

由于一处设计的改动可能会影响

到许多其他部件的制造，采购的

复杂性可能会骤然上升。以云计

算为基础的工具能让供应商实现

快速协作并提高效率：发动机制

造商可以在其网络中分享组件设

计的三维模型，每家供应商均可

依次共享价格、物流和质量方面

的信息。这种信息共享方式和透

明度减少了管理设计变更所需的

人力，也降低了发动机制造商和

供应商的风险，同时加快了供应

链网络变革的速度。波音公司为

777 和 787 飞机开发最新机身时

就采用了全虚拟设计，上市所需

时间减少了 50% 以上。

2. 企业高管层应该思考

的问题

数字化革命只是刚刚崭露头

角。但我们确实发现，数字化制

（下转第 40 页）

29 2016 年 第 5 期

2016 年 4 月 1 日，美国国家

科学技术委员会先进制造分委会

发布了《先进制造业：联邦政府

优先技术领域概要》的报告，提

出了 5 个应重点考虑的新兴制造

业技术领域——先进材料制造、

推动生物制造发展的工程生物

学、再生医学生物制造、先进生

物制品制造、药品连续生产，并

且给出了国防军工安全领域的联

邦投资实例。

这 5 个领域的提出表明，

先进材料制造仍是美国政府占领

制造业制高点的首要杀手锏，而

生物医药制造将是包括国防部在

内的美国政府未来一段时间的工

作重点，是美国攫取巨额利润、

发展军民用颠覆性技术的主战场

之一。此外，报告重申了制造业

教育和劳动力培训对于美国制造

业竞争力的重要性，要求企业更

深层次地参与到各级教育体系中

去，发挥积极的引导作用。

一、技术领域之一——先进材料制造

当前，材料表征、建模和仿

真以及数据分析活动日趋活跃。

美国先进制造业优先技术领域概要

为了发挥先进材料制造的潜力，

需要给予这些新兴能力源源不断

的支持。基于某种目的，我们常

常将某些材料分解到纳米级，例

如轻质结构复合材料、储能材料

和生物医学装置材料。如果有更

好的方法来让我们了解新材料的

结构，那么当发现一种新材料时

就能够确定是什么原因使其性能

得到了提升，而当新材料被用于

设计时就能核实是否具备了我们

想要的结构。通过这些方法得到

的高质量数据必须储存于数据库

中，并应确保人们能够快速、自

由地访问该数据库，这必将加速

数据分析方法的大规模开发活

动，为发现新材料或改进现有材

料提供了巨大机遇。

开展材料预认证相关的研发

活动仅仅只是开始。随后，该材

料必须应用于能够以商业化规模

高效生产的产品中。一般而言，

即便能够详细了解材料所处的工

艺条件，也无法弄清楚当前的制

造工艺设计。因此，制造工艺本

身的表征和建模便是目前面临的

一大挑战，另一个必不可少的条

件便是能够运用高吞吐量在线测

量技术，收集整个制造工艺的相

关数据。随后将根据这些数据开

发出描述工艺流程的模型，这些

工艺流程可能包括聚合物挤压、

电子器件纳米制造、纳米晶体溶

液生长，或是钣金件制造。这些

模型将提供设计知识，加速未来

工艺的开发，并降低材料选择的

成本。为实现自身价值，推动落

实闭环过程控制和质量保证，在

线测量工具须反应敏捷、价格经

济，灵敏度达到纳米尺寸。

最后，制造出的产品必须进

行测试，确保其满足性能指标和

安全要求。我们还需要改进材料

的表征方法，提升终端用户的性

能体验。由于新材料可能有不可

预见的危害，很重要的一点便是，

需要开发出一套系统，确保通过

一种基于风险评估原则和产品寿

命周期分析原则的策略，处理潜

在的环境、健康和安全问题（表1）。

二、技术领域之二—推动生物制造发展的工程生物学

工程生物学旨在设计和大规

模制造新型生物部件和系统，以

及为某些特定的用途而重新设计

本刊编译

302016 年 第 5 期

表 1 投资先进材料制造的实例

牵头方 课题 范围

国防部国防高级研究计划局

从原子到产品项目旨在开发将纳米级零部件组装成系统、设备或材料所需的技术和工艺，该类等系统、设备或材料至少为毫米级，同时应保持“原子尺度”性能及特点。

国家科学基金会设计材料，彻底变革并设计未来

从第一性原理出发设计和制造具有特定和所需功能或属性的材料，通过建立上述材料所需的基础知识库，来加速材料的发现及开发。

国家科学基金会 材料研究科学与工程

为跨学科材料研究及最优质教育提供持续的支持，同时负责解决科学与工程中出现的根本问题。中心负责解决范围及复杂性研究，这些研究对规模、协同效益及校本研究中心提供的跨学科互动提出了要求。他们为美国的材料研究基础设施提供支持，推动大学和其他部门之间的积极协作，包括行业和国际机构，并促进了以高校为主导的国家网络中心在材料研究、教育和设施上的发展。

国家科学基金会 工程部：先进制造

为各种材料和不同尺寸的制造和建筑技术基础的研究提供支持，主要侧重于效率、经济和最小的环境足迹。为研究开发预测和实时模型，宏观、微观和纳米设备和系统的制造和组装新实验方法，以及制造过程中先进的传感和控制技术提供支持。可扩展纳米制造项目支持对新制造方法的研究，以克服阻碍在相关工业级别中有用纳米材料和纳米结构生产的科学及工程障碍。

国家航空航天局 物理科学研究项目包括在国际空间站进行的微重力材料科学研究。美国国家航空航天局最近启动了材料试验室项目，开展研究以提高对材料属性的理解，使在太空和地球均可使用的更高性能的材料及工艺的开发成为可能。

商务部国家标准与技术研究所

国家标准与技术研究所、麦肯锡全球研究所

为了通过使用麦肯锡范式加快新材料的发现和开发，国家标准与技术研究所正在建立必要的材料数据和模型交换协议及方法，以确保材料数据和模型的质量，并最终建立加速材料开发所需的新的方法、计量和性能。此外，国家标准与技术研究所除了努力完成上述活动之外，还在试验并向其利益相关者宣传其研发的基础设施和最佳实践。

商务部国家标准与技术研究所

分层材料设计中心专注于开发下一代计算工具、数据库和实验技术的先进材料重点研究中心，使新型材料的加速设计及其与工业的结合成为可能。

商务部国家标准与技术研究所

未来计算系统材料表征

国家标准与技术研究所正在努力推进支持未来的电子产品，包括分子界面、凝聚态物理和二维材料（如石墨烯）的开创性研究所需的测量。

能源部能源效率与可再生能源办公室

关键材料研究该能源创新中心开发的技术可更好地利用材料，并消除对那些可能中断供应的材料的需求。这些关键材料（如稀土材料）对于美国在清洁能源领域的竞争力必不可少。

商务部国家标准与技术研究所

国家标准与技术研究所汽车轻量化中心

该中心旨在开发必要的测量方法、标准和分析，帮助美国汽车工业和基本金属供应商将车身组件过渡为先进的轻质材料，且不会延长试错法开发周期，并成功地将这一技术转让给工业客户。

能源部能源效率与可再生能源办公室

基于国家实验室的制造示范基地

位于橡树岭国家实验室的制造示范基地（MDF）通过同行评议、成本匹配技术项目解决先进制造中的关键研究、开发和示范难题。MDF 专注于增材制造和碳纤维复合材料。

国防部国防高级研究计划局

星网半导体先进技术研发网络 ( 星网 ) 项目的功能加速纳米材料工程中心与美国一流的微电子公司合作，探索并开发非传统纳米材料，如多铁性材料、自旋电子学和用于高级模拟、记忆、逻辑和传感器应用的二维材料。

国防部国防高级研究计划局

可定制原材料及成形该项目旨在开发一种新型复合材料（即原材料）和配套的处理技术（比如可重构成形），以降低制造的复杂性，并能够利用先进材料生产质量小于 9.1kg（20 磅）的小型零部件，且其造价可与铝相当。

国家航空航天局改变游戏规则开发项目

该先进制造技术项目致力于开发并完善创新型制造工艺和材料，包括:金属接合、添加剂、复合材料和数字制造。纳米技术项目专注于高抗冲纳米技术的完善、集成和组件级别示范，该技术应用于美国国家航空航天局未来的任务。

国防部国防高级研究计划局

多样化可用异构集成该项目的目标是在国防电子中创造变革性功能，通过结合氮化镓芯片集、磷化铟、硅和芯片大小的其他设备材料和技术来实现集成电路，同时保证整个国防部的设计师都能使用该功能。

31 2016 年 第 5 期

现有的生物系统。这一领域把工

程和计算机辅助设计方法与生物

学研究结合起来，以便利用生物

系统来制造对人类有益的产品。

生物系统是指精巧复杂、逼真度

高、可自我复制、适应能力强且

反应敏捷的设备，它们使用大量

原始材料，且在不断改进。这些

特点既带来了挑战，也带来了独

特的机会，使我们能够制造稳定

性高、结构强度大的生物制造用

生物系统。

生物反应器的演化便是挑战

之一，使我们在设计面向所有生

物制造的可再生、耐用、稳定的

生物工艺方面面临难题。不管是

基因层面还是表观遗传学层面，

所有生物系统都会面临进化压

力。因此，我们需要多重方法，

解决生物制造工艺结构强度和稳

定性方面的难题。这些方法包括：

对作为 DNA 稳定性和修复、表观

遗传学和进化基础的生物学机制

有更清晰的理解，以及开发出有

助于在生物制造环境中预测复杂

生物学设计的一些定量工具。

合成生物学的一大目标，便

是开发出可以完全互用的生物部

件和工艺——实现这一目标最终

将使生物制造业获益匪浅，而这

就需要对生物系统复杂性有更深

入的了解，也需要扩大目前的设

计空间。当前，生物制造在很大

程度上是依靠使用现有基因编辑

酶和染色体构造块来开发生物衍

生品。我们还可以扩展设计空间，

不仅开发具有独特反应能力或含

有新蛋白质（具有独特的生物材

料属性）的新型酶，同时也使用

新型的核酸，以及针对密码子使

用不同的模型。我们甚至还可能

开发出响应性活性材料。为了应

对新型酶、蛋白质或材料的最初

设计和开发过程中的挑战，以及

工艺向制造转化过程中所面临的

挑战，需要运用跨学科方法，包

括生物学、生物材料学、物理、

化学、计算机科学和工程学（表2）。

三、技术领域之三——再生医学生物制造

再生医学和干细胞临床应用

将有助于修复或替换失效的、退

化的或缺失的细胞、组织和器官。

也许有一天，这些研发活动不仅

可以让那些严重受伤的服役人员

恢复健康、功能和外貌，还能够

大幅减少器官移植、催生出更多

的细胞治疗方法，并降低医疗成

本。此外，工程细胞可用于重建

免疫功能，并可能催生出一门新

科学——免疫肿瘤学。微生理系

统（片上器官）是一种特定类组

织或器官的小尺寸活体工作模

型，可显著加快候选药物的筛查、

查明致病机理以及开发新疗法。

为了充分发挥再生医学的潜力，

我们必须采用生物工程方法大规

模制造活性细胞、组织和器官（例

如心血管、肾脏和神经系统）。

再生医药产品和疗法开发的

一个重要挑战便是，该领域目前

仍然处在从学术界研究转变到工

业界商业化的这一过程中。这一

转变要求我们更加关注原材料、

工艺和成品特性，以确保产品的

安全性和有效性，以及保证该产

品具有明确的药效和使用寿命。

再生医学领域若要不断走向成

熟，有赖于设计和开发出适用于

规模化生产的可靠制造技术、有

助于建立对产品有信心的一套完

善的衡量指标和准则、适应形势

变化的监管、统一规范、人力开

发，以及支持再生医学（细胞、

组织和器官生物工程）技术迅速

稳健发展的供应链多样化（表3）。

四、技术领域之四——先进生物制品制造

美国拥有生产大量生物制品

和生物燃料的资源，未来 15—20

年内，可再生生物质可能会替代

30% 的石油类产品。生物经济将

提供原料，生产《再生燃料标准》

所要求的生物燃料。为发挥美国

生物经济的全部潜力，需要扫除

整个供应链上的所有关键障碍，

包括原料、转化和集成。尽管美

国在促进可持续生产原料应用、

提高燃料经济活力和增长方面做

出了巨大努力，但实现诸如：提

高生物产品使用量以替换石油类

燃料和产品、使生物制品相比于

石油类产品更具成本效率、进一

步提高生物制品的可持续性和环

322016 年 第 5 期

境效益等目标，我们还有大量工

作要做。

为了提供适合于最终用途的

可持续的、具有成本效益的可靠

原料，诸如成本、土地使用、地

区性差异、来源差异等现有障碍

必须加以克服。生物原料具有多

重性质，需要完全集成化的物流

供应链，包括采收操作、生物质

加工、运输以及依据原料类型设

计的储存系统。扩大可用原料的

范围，将作物残体和专用能源作

物包括在内，可为未来的生物制

品制造提供原材料，同时带来巨

大的环境效益。先进物流系统设

计用于运输具有可预测物理和化

学特性的原料，能确保储存期间

原料性质始终保持稳定，还可大

规模运输散装材料，有助于实现

经济上可行的远距离运输要求，

从而最终降低了运输成本。此外，

各种转换技术对必须提供给生物

精炼厂的原料的质量和数量提出

了特定要求。

转换是指在生物精炼厂，将

交付原料转换为各种最终燃料和

产品的整个过程。高效、低成本、

表 2 投资工程生物学的实例

牵头方 课题 范围

国家卫生研究院 多种项目

新型技术、疗法和天然产品，以及利用工程生物学工具基于细胞疗法的生产。国家卫生研究院为这个领域中许多机构的研究人员发起的项目提供支持，包括国家综合医学研究所、国家生物医学影像学与生物工程学研究所、国家糖尿病、消化系统与肾脏疾病研究所和国家癌症研究所。

国家科学基金会 核心资助项目

项目包括工程部、生物科学、数学和物理科学、社会、行为和经济科学、计算机与信息科学以及工程学中的小企业创新研究。这些核心资助项目专注于生物技术、合成生物学，包括教育项目和侧重于社会影响和风险评估的项目在内的科学与工程领域的基础研究。

国防部（国防高级研究计划局，空军研究实验室和科学研究办公室，以及陆军研究办公室）

多种项目

国防高级研究计划局的“生命铸造厂”计划寻求开发开放式、快速设计和侧重于化学品和材料前体生产的工程生物学的原型铸造厂。空军投资使用生产有针对性的超材料所需的合成生物学工具，使得设计师能够为天线、传感器和其他应用创造具有明确组分和形态的材料。美国海军研究办公室致力于制造多样化的产品，如无机材料、电子材料和燃料。其他的基础科学攻关，特别是美国陆军研究办公室支持的那些活动，对未来的制造业战略十分有益。

国家科学基金会 多个中心

该类中心——包括合成生物学工程研究中心(ERC)、全球生物可再生化学品中心、科学技术中心以及计算探险——专注于复杂系统以及劳动力发展的基础研究和开发。一些中心的活动包括工业协作。合成生物学工程研究中心特别包括这个新的领域与公众之间关系（例如，公众接受、法律及伦理框架、潜在的环境影响、监管负担、生物安全与生物安保）的理解。新的中心正在接受根据包括伦理、法律和社会影响在内的准则进行的评估。

国家标准与技术研究所

工程生物学基础测量和标准

国家标准与技术研究所正致力于开发和建立必要的工具和方法，来保证对从基因组分析和疾病诊断到细胞疗法和微生物工程的发展各个方面产生影响的生物测量的可靠性和信心。

国家航空航天局合成生物膜和生物营养素

该项目旨在研究各种化学品、食品和材料的生物制造，以消除必须携带有效载荷进入太空的需要。具体的例子包括用于污水处理的仿生脂质膜（和原位生物再生的能力）和关键营养补充剂的原位生物代。

能源部生物能源技术办公室

转化研发项目国家实验室的多项攻关以及在学术界和工业界具有竞争力的投资项目。重点是关于从木质纤维素生物质和各种废料原料中生产燃料和化学品的工程生物学研究。

联邦调查局

代工厂的生物安全与生物安保委员会和合成 酵 母 菌 2.0计划

联邦调查局为潜在的生物安全及双重用途问题跟踪工程生物学中的进展。为支持这些项目，联邦调查局将提供有关安全的见解和认识，比如双重用途（故意滥用合法研究 /技术）、非法经济、犯罪企业、国内 /国际恐怖主义、剥削或虐待。

33 2016 年 第 5 期

表 3 投资再生医学生物制造的实例

牵头方 课题 范围

国家科学基金会化学、生物工程、环境与运输系统部

探索性早期概念研究基金

美国国家科学基金会的化学、生物工程、环境与运输系统（CBET）部门利用细胞生物制造的这些探索性研究基金，来调查放大中的核心问题，比如生产效率、再现性和可行性。

商务部国家标准与技术研究所

先进制造技术为了确定未来的研究方向和需求，并为基于细胞的制造创建一个路线图（这种基于细胞的制造将研究与商业上可行的制造工艺的发展结合为一体），美国国家细胞制造协会目前正在获得资助，建立和加强以工业为主的研究联盟。

商务部国家标准与技术研究所

再生医学检测与标准

国家标准与技术研究所正在开发基础检测技术（如细胞鉴定所用的新的图像分析技术），关于直接的检测需求与工业界合作（如细胞计数和活性 )，并与工业界及美国食品与药品管理局（FDA）制订国际标准，该标准对实现再生医学产品的发展和质量保证是必需的。

卫生和公众服务部食品与药品管理局

间充质干细胞联盟

间充质干细胞联盟致力于制订策略，来促进干细胞再生医学产品的发展和转译。因为细胞识别和生物活性的常用检测方法通常与预期的临床结果并非紧密关联的关系，也并非根据预期的临床结果推测得出，所以该联盟将间充质干细胞作为细胞原型来识别更多的预测方法以描述细胞疗法。上述分析技术提供了一个潜在的方法，来解决细胞来源和 /或生产条件提出的可变性问题。

国防部（陆军为主导、海军、空军）退伍军人事务部、国家卫生研究所和国防卫生局

美国武装部队再生医学研究所

美国武装部队再生医学研究所（AFIRM）致力于为受重伤的服役军人开发先进的恢复性、诊断性以及细胞和基于组织的治疗方案。

国防部国防高级研究计划局、卫生和公众服务部国家卫生研究所、食品与药品管理局

各种微生理系统项目这些项目正在采取不同的方法，来开发微生理（“多通道三维微流控细胞培养芯片”）系统，并确定体外平台的可行性，该平台利用人体组织评估有应用前景的治疗方法的疗效、安全性和毒性。

卫生和公众服务部国家卫生研究所国家心肺血液研究所

治疗用干细胞源血液制品项目

尽管在实现治疗用干细胞源血液制品的使用及加速其使用方面已取得较大进展，但该项目旨在解决那些尚未解决的科学问题。它还支持小型企业研究，开发先进的技术和工具，以更有效和更具成本效益的方式来提高与临床相关的功能性干细胞源红细胞或血小板生产。

卫生和公众服务部国家卫生研究所国家心肺血液研究所

细胞疗法 III 的辅助生产

这是一个项目的延续，该项目旨在推进以下领域的细胞治疗研究，其中包括对受损或病变组织、器官、生物系统的再生和对那些无有效疗法的严重疾病有针对性的治疗。该项目中配备合格的调查人员，提供咨询、生产、临床前研究和在心、肺和血液细胞疗法领域的新型细胞治疗发展所需的管理经验。

可靠的转换技术是先进生物制品

大规模制造的一项关键要求。由

于原料的不一致性，比如湿度变

化、灰分和污染物的各种不同的

特性，目前还无法将大量原料高

效地注入加压反应器。除了干原

料注入方面的难题外，为注入湿

原料，还需要新的反应器工艺和

设计。旨在去除污染物和灰分的

原料预处理工艺必须进行有针对

性的调整，以满足转换催化剂的

要求；此外，还需要在足够大的

规模上对此工艺进行验证，证明

其商业可行性。

最后，原料和工艺变化可

能导致结垢、堵塞、腐蚀，甚至

于生物精炼厂生产中断。如果缺

乏全集成系统的长期运行数据，

会给大规模生产带来风险，最终

将阻碍生物制造产业的发展。对

工艺集成加深了解对于以下方面

非常重要：（1）描述单元操作

之间复杂的相互作用；（2）明

确整个商业操作过程中，抑制剂

和结垢剂对催化和处理系统的影

响；以及（3）促使建立预测性

的生物工程模型，这些模型能指

342016 年 第 5 期

导工艺优化或规模化也能有助于

工艺流程的控制（表 4）。

五、技术领域之五——药品连续性生产

连续性生产是指在模型控制

的基础上将多个制造工艺系统整

合成一个单一的系统，以便当原

材料添加到制造工艺后实现持续

的产品流和循环。针对制药和生

物技术行业的前期研究表明，连

续性生产有望提高药品制造的敏

捷度、灵活性及稳健性，帮助缓

表 4 投资先进生物制品制造的实例

牵头方 课题 范围

国家科学基金会化学、生物工程、环境与运输系统

可持续发展项目的能源

创新方法的基础研究，该方法可强化生物燃料，且生物能源过程是该项目程的重要领域。包括生物、热化学或热催化路线，该路线旨在促进木质纤维生物质向先进生物燃料（除纤维素乙醇、微生物燃料电池之外）的转化以及从自养、光养或异养微生物中生产氢、碳氢化合物和脂质。

能源部生物能源技术办公室

进料物流和先进藻系统项目

该项目支持院内和院外应用性研发，以开发新型进料物流技术和景观设计系统，该系统可降低生物能源供应链的各步骤成本，其中包括藻类生产系统。

能源部生物能源技术办公室

转化研发项目

该项目支持关于转化途径进行的院内和院外研发，该等转化途径使用了更有价值的生物制品的生产所用的各种进料和技术，支持生物炼制中生物燃料的扩大生产。成果包括纤维素和藻源生物制品两种，来改善燃料的整体经济，发展下游加工，将生物质衍生中间体升级为燃料和生物制品。

农业部国家食品与农业研究所

农业与食品研究计划项目

国家食品与农业研究所支持生物能源和生物制品可持续生产的整个供应链的院外研究、开发和示范，包括进料生产和转换过程以及纳米纤维素材料与产品。攻关任务还包括技术、经济和生命周期分析及教育和劳动力发展，以支持生物经济的增长。

农业部国家食品与农业研究所、农业研究局和林务局

多种项目 转化中（燃料、化学品、产品 )的院内和院外基础和应用研究。

能源部生物能源技术办公室

示范和市场转型

该类院外试点和示范性综合生物炼制项目与工业进行成本分担，减少第一个全新理念技术的风险，并证明了规模上的集成过程。可接受的生物炼制示范活动包括生产生物制品，以支持生物炼制的整体经济。

农业部农村发展局生物炼制商业化资助项目

该项目向第一个全新理念的生物炼制提供商业化援助（贷款担保）。

国防部海军 / 国防生产法案

先进生物燃料生产项目

在综合性生物炼制中商业规模替代燃料生产，与美国能源部和美国农业部共担成本。

解因药品短缺导致的公共健康威

胁。采用连续性生产面临的挑战

包括工艺开发方面的技术障碍和

因背离“以批处理为中心”这一

监管模式所带来的科研和管理挑

战。

连续性生产的设计开发要求

以系统为基础并对现有的多项技

术进行整合。工艺建模和仿真方

面的进步可以促进设备配置、生

产路径和先进控制系统的优化，

并将材料属性与模型参数结合起

来，从而生成出可以从一种剂型

转换到下一种剂型的模型。为了

实现柔性连续生产和用于连续生

产的平台技术，需要采用模块化

和即插即用型设备，此类设备均

配置了可重复使用零件、柔性零

件或可以按照不同顺序连接的可

互换零件。这对制药业中的有些

专业用药（罕见病用药或突破性

药物）尤其重要，这些药可以采

用小批量多品种生产设备生产。

在整个合成和下游工艺中需

对实时分析进行无缝集成，以实

现符合严格质量规范的可靠、长

期、连续操作。使用批处理过程

中的成熟技术对连续系统中的物

35 2016 年 第 5 期

理化学参数（如紫外吸光度、pH

值、传导性、流速、压力和温度）

进行可靠地监控。另外，生物技

术工艺需要利用其它工艺解析技

术来实时提供产品质量属性。事

实上，用于监测、控制和采样的

生物工艺设备、仪器和传感器通

常是根据具体的产品需求定制

的，限制了它们在其它连续生产

线上的广泛采用。

鉴于本地化独立系统足以

完成批处理过程中的独立单元操

作，连续性生产整合了整个工艺

链上的单元操作，这要求采用监

控系统来进行整体协调。监控系

统必须能够执行监督功能，如工

艺监测，工艺优化和异常处理。

软件和硬件系统应高度自动化，

并尽量减少操作人员的干预。本

地控制和全局控制协调标准，辅

以改进的用户界面并与新的单元

操作整合，也将有助于实现连续

性生产。

六、目前美国国家层面的制造业优先技术领域

目前国家制造创新网络的关

注点包括——增材制造，先进复

合材料，数字化制造和设计，柔

性混合电子器件，集成光子器件，

轻质金属（以上 6 个为国防部牵

头）；智能制造，革命性纤维和

织物，宽能带隙电子器件（以上

3个为能源部牵头）。

未来国家制造创新网络的

潜在关注领域包括——面向可再

生医学的生物工程，跨技术行业

的生物打印，制造数字线的安全

化——面向制造的赛博安全，先

进机床和控制系统，认证、评价

和鉴定，辅助机器人和柔软机器

人（以上 6 个为国防部提出）；

化工过程和热工过程强化，制造

中的可持续发展，高价值卷对卷

（R2R）制造，用于恶劣条件的

材料（以上 4个为能源部提出）。

七、目前美国制造业教育和劳动力培训的优先领域

制造业通常采用昂贵的专

业设备进行生产，要在教育环境

中进行精准的再现和模拟通常不

现实。因此，为了确保为下一代

表 5 投资药物持续性制造的实例

牵头方 课题 范围

国家科学基金会结构有机颗粒系统工程研究中心

该项工作旨在为制药、食品和农药行业中的结构有机复合颗粒产品的合理设计、开发和制造建立基础科学基地。

商务部国家标准与技术研究所

生物制造项目国家标准与技术研究所的生物制造项目通过交付标准、测量科学和更有效表征及生产基于蛋白质药物的工具，来支持美国生物制药行业。

国防部国防高级研究计划局

急需药品和急需的生物技术药品

该项工作旨在通过开发小型化和分布式制造平台按需生产多个小分子活性药物成分和蛋白质疗法来对患者的需求和紧急情况及时响应。

生物医学高级研究开发局

通过第三阶段的开发：治疗流感的新型抗病毒药物

探索性研究将连续制造技术应用于美国生物医学高级研究开发局 (BARDA) 合同项下的杨森产品中。

生物医学高级研究开发局

抗生素的高级研制探索性研究将连续制造技术应用于美国生物医学高级研究开发局合同项下的抗生素的制造过程。

食品与药品管理局药品评价和研究中心

管理科学的先进研究与开发

药物评价和研究中心（CDER）批准了通过连续性生产和增材制造来生产的第一个药物，最近与美国生物医学高级研究开发局发表了一份广泛的声明，支持连续制造的新兴技术和使能技术。

食品与药品管理局药品评价和研究中心

质量风险管理建模工具的开发

这项工作旨在开发综合医药制造工艺的过程仿真和建模平台。具体地说，该项目将专注于基于固体药物产品的生产过程，包括大部分的医药产品。在这个项目中开发的工具将被用来促进生产过程和控制策略的风险评估。

362016 年 第 5 期

的劳动力提供正确的培训，制造

业要在教育过程发挥积极的作

用，这一点非常很重要。联合行

业工程师与在校大学生进行研究

合作、让企业参与到针对社区学

院计划设立的实验室和设计的课

程，并为中小学学生开展“如何

制造”的校外参观考察，这些都

有助于将理论和实践结合起来，

并为学生将来的就业提供实际的

需求引导。

美国国防部国防高级研究

计划局的“制造实验和拓展Ⅱ”

计划通过为技术人员开发和演示

新的制造业培训、工具和材料来

加强国防就绪度，因为技术人员

将来有可能需要在低科技环境中

对高科技系统进行操作、维护和

校准。DARPA 设想：在项目课程

中采用本项目的设计和原型构建

工具，将有助于加深学生对高科

技系统的理解，并能让学生在未

来通过制造设计好的组件或通过

设计和制造新组件，对这些系统

进行维护和校准。例如，美国国

防部国防高级研究计划局和美国

海军通过这个项目在弗吉尼亚州

诺福克郡的中大西洋地区维修中

心建立了一个试制实验室（简称

Fab 实验室），与 Fab 基地协同

工作。该项目是国防部机构为了

在全美普及个体设计技能、原型

构建技能和制造技能，利用现有

资产和资源并投资于新工具和新

技术开发的示例。

（上接第 9 页）

驱动；②方式，传统主要是层次

的、递阶的，现在和未来应该加

上网络；③主体，从教师转换为

学生；④范围，由小变大；⑤目

的，从获取知识转换为提升能力。

加拿大学者乔治·西蒙斯提倡的

关联主义认为：学习与知识是建

立于各种节点之上；学习是将不

同专业节点或信息源连接起来的

过程；持续学习的能力比当前知

识的掌握更重要；促进持续学习，

需要培养与保持各种连接；看出

不同领域理念与概念之间联系的

能力；决策本身是一种学习过程

（“知识的数量会淹没智慧，选择，

选择，再选择！”）。

在关联与学习逻辑方面，

“怎样学”与“学什么”正在被

“从哪里学”（了解从那里可以

找到所需要的知识）所补充。学

习不只是内化的个人活动，如何

引导学生善于关联学科内及学科

之间的知识节点或信息源变得非

常重要！学习逻辑包括内源学习

与外源学习：传统学习理论所强

调的都是内源学习，内源学习强

调学习发生在个体内部；外源学

习强调学习发生在个体与组织、

组织与组织之间，例如，Karen

Stephenson 幽默地说道：“我把

知识存在朋友那里”。作为工业

工程人员更应该掌握这个方法，

例如，我需要做智能优化和拓扑

优化方面的工作，但我只需要知

道这个名词（知识节点）即可，

具体的知识存在高亮教授那里，

需要用的时候找高亮教授（调用）

即可，这是正确聪明的做法。所

以学习的逻辑是，向朋友、向网

络、向数据、向智能系统学习，

这也意味着教学方式的改变。教

学方式的改变需要在保证基础知

识及基本体系的情况下，教学体

系要重新审视；课堂教学内容要

减少；建立复杂问题意识；教师

要引导学生改变学习习惯、善于

关联；教师要调动学生主动学习、

实践的潜能；对学生的考核内容、

形式都要改；总之，教师的作用

很关键。

最后，大家要注意以下几点：

新工业革命对工业工程学科的挑

战；工业工程学科与其它学科一

样需要边界再设计；“解决复杂

工程问题”的逻辑；新工业革命

中的要素如何融入工业工程的教

育中；教与学都要善于关联。

注：本文为 9 月 18 日作者在武

汉召开的“第七届工业工程企

业应用高峰论坛”上的演讲录

音整理文字稿，未经本人最后

审定。

37 2016 年 第 5 期

一、导语

本项目的实施，将提升塑

料挤出设备的技术含量，达到产

品性能的技术提升。新一代数控

设备的研发成功，可使厂家进一

步减少塑料管材单位产品的能耗

量，减少人力成本，实现智能控

制，保证管材的壁厚均匀，提高

生产效率，实现可持续的扩展功

能以及工厂设备的现代化操作和

管理，确保管材的质量符合国家

标准。

对于公司来说，通过本次

研究开发提高公司产品的市场竞

争能力和盈利能力；作为珠三角

塑料建材产品生产的主要地区，

改变了广东省塑料挤出装备数控

化落后的状况，提高了广东挤出

设备在中国和世界上的产业竞争

力。通过本次研发过程，对企业

基于“数控一代”系统塑料挤出设备关键技术的研究

广东联塑机器制造有限公司

摘要：大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国

力和国家地位的重要途径。以高智能集成化控制塑料挤出设备，实现生产线参数，配方的保存，多种

通讯协议的标准化、远程控制技术和米重控制技术，提升塑料挤出设备的技术含量，达到产品性能的

技术提升。

进行技术和管理创新，实现企业

经济效益的增长；改变企业单纯

靠传统增加土地和人力的增长模

式，走上了通过技术要素实现增

长的可持续发展道路。

现阶段，我国的控制技术主

要采用：相对独立的温控仪表控

制温度、相对独立的直流调速或

变频调速器控制速度，几乎全手

工调节各部分的工作位置。这种

相对独立的控制方式，虽然有控

制简单等特点，但是也有其致命

的缺点，主要表现在以下几个方

面：

①各部分独立工作，缺乏彼

此的协调性和连贯性，产品品质

难以保证；

②主要传动点采用变频调速

或直流调速的调节精度不高，动

态响应慢；

③没有人机交互功能，增加

了操作人员和设备维护人员的难

度；

④设备后续的功能扩展难以

实现；

⑤设备集中的现代化、信息

化管理无法实施。

现在本公司针对塑料挤出设

备行业存在的问题，基于数控一

代系统开发出一种集成度高、操

作维护简单、智能米重控制、自

动化控制程度高的数控新一代挤

出设备。

二、主要创新点分析

1. 定制化的人机界面和

“数控一代”控制系统

一款专用于塑料挤出设备的

人机界面和“数控一代”控制系

统，该系统的特点是：①专门针

382016 年 第 5 期

对塑料挤出生产线的常规配置，

对“数控一代”的输入输出的点

数（如温度控制的区数、速度控

制的传动点数等），做到了恰到

好处的配置，尽量做到物尽其用；

②紧凑的外形设计，与 Siemens

相同尺寸的 CPU，但其输入输出

的 点 数 是 Siemens 的 2 倍， 价

钱却低 20% ～ 30%；③同时集成

PPI 和 MODBUS 通信端口，方便和

第三方的设备进行数据通信；④

优异的 PID 温度控制功能，具有

自整定的加热和冷却的双 PID 温

控功能（在大加热惯性的塑料管

材扩口机的加热方面尤显其优越

性能，同档次的 Siemens 的根本

不能和其比拟）。

2. 设置设备的电脑屏操

作终端，增强人机交互功能

国内的挤出设备一般是通过

数字仪表来控制，一条生产线上

分布密密麻麻的仪器仪表，设备

的稳定性和集中控制到比较差；

新开发的“数控一代”挤出设备

在 10 寸或 12 寸的高分辨率的操

作终端上，以图形和文字相结合

的方式，实现整条生产线的集中

操作与控制。并且，对生产线的

各个重要的工艺参数，实现以配

方的形式进行保存和调用；对设

备出现的报警，以动态的形式立

刻予以提示并提供相应的措施；

对生产中重要的参数，设立实时

和历史趋势图，以便分析和追溯

产品的品质因素。

3. 通过现场总线，集成

具有自主开发的智能米重控

制系统

颠覆了挤出机传统的控制方

案，使管材品质得到了质的飞跃。

此智能米重控制系统主要由单片

机和失重式连续称量料斗及线速

度测量编码器构成。传统挤出机

的控制，以速度为直接控制对象，

管材的品质（即米重）容易受到

诸多因素（如电网电压波动、物

料的架桥、水温的波动、机械的

磨损等）影响，集成了米重控制

系统后，“米重”作为直接控制

的对象而被输入到人机界面中，

图 1 国内传统的仪表控制方式

图 2 西门子操作屏幕

图3 自主开发的“数控一代”操作屏幕

图4 自主开发的“数控一代”控制系统 图 5 自主研发的 IGS 称重芯片

39 2016 年 第 5 期

系统会“以不变应万变”，根据

设定的“米重值”，通过重力闭

环，自动调节挤出的速度以弥补

上述不定的影响因素。在管材压

力等级相同和线速度相等的情况

下，保证管材壁厚在 3% 的偏差

范围内（国家标准的壁厚偏差是

10%～12%），并且，相对国家标准，

节约了 6% ～ 9% 的原材料。

4. 设备可拓展的远程监

控系统（RCMS）

塑料挤出设备的嵌入式 RCMS

系统，主要有以下几方面的特点：

①基于 S-LINK 和 VLAN 技术，在

通用的以太网 TCP/IP 基础上实

现“安全—完整—实时”的数据

/视频传输和程序的监控和修改；

②对于工厂内部，通过系统的无

线 AP 和远程安全通讯模块，建

立无线免通讯费的局域网，在局

域网的任何远程监控、诊断、维

护和操作均可方便快捷进行；③

延伸至工厂外的广域网，则可在

局域网的基础上，通过 3G、WIFI

或有线办公网络接入；④随时随

地（跨地区、跨省份、甚至是跨

国际），可掌握工厂生产线群组

的一切动态；实时数据、配方、

甚至是现场管理，程序在线修改

等。

5. 挤出设备的关键传动

点大部分采用自主研发的伺

服驱动电机，实现挤出的高

效和稳定，牵引的速度同步

和稳定

（1）主螺杆驱动采用大扭

矩大功率的无减速机构的伺服

电机直接驱动，减少了减速机

2% ～ 5% 的能源损耗，同时，噪

音也可下降 12 分贝。

（2）多履带牵引每条履带

采用同步伺服电机驱动，改善了

以往交流驱动低频速度不稳，力

矩疲软的问题，解决了履带之间

同步协调的问题，解决了宽范围

精度调速的问题，一定程度上保

证了管材壁厚的均匀性。

（3）无屑切割采用伺服电

机，通过同步带去的切割小车，

切割小车移动伺服电机与上游的

履带驱动伺服电机采用电子齿轮

的传动方式，在不需要任何人工

调整的情况下，能够有效保证在

切割过程中的切割体和管材的绝

对同步，保证了管材切口的平整

光滑。

三、主要成果

本项目主要成果如下：数控

化装备新产品 3 种；检测报告；

申请发明专利 4 件，申请实用新

型专利 4 件；备案的企业数控技

术标准 3项。

项目实施后，公司产品年新

增产值 6000 万元，年新增利税

300万元，取得较好的经济效益。

本项目的成功实施并应用，极大

图 6 自主研发的称重料斗

图 7 自主开发的“数控一代“系统米重控制原理图

IGS 集成重力控制系统操作屏幕米重给定

主机调速 电机 螺杆转速

称重传感器挤出量瞬间瞬时米重IGS 集成重力控制系统

编码器

402016 年 第 5 期

提高了广东省乃至我国在塑料挤

出设备数控技术研究、应用水平，

增强广东省在设备数控化方面的

技术实力和竞争力，具有显著的

社会效益。

四、发展展望

基于“数控一代”系统塑料

挤出设备关键技术特点与优势将

越来越表现在以下五个方面。

（1）紧凑的外形设计，与

Siemens 相同尺寸的 CPU 相比，

其输入输出的点数是 Siemens 的

2 倍，价钱却低 20% ～ 30%。

（2）基于“数控一代”系

统的伺服电机驱动的挤出设备，

比传统的电机节省 15% 的电能，

噪音可再下降 12 分贝，挤出产

量提高 2.5 倍。

（3）管材压力等级相同和

线速度相等的情况下，保证管材

壁厚在 3%的偏差范围内（国家标

准的壁厚偏差是 10% ～ 12%）。

（4）塑料管材自动化生产

线的智能米重控制装备，能节省

6% ～ 9% 的原材料（相对国家标

准）。

（5）螺杆挤出量在 ±0.5%

的偏差范围。图 8 工厂设备群集中（远程）监控和维护系统

造的领军者（包括一些小企业）

已经开始通过利用工人、设计师、

管理者、供应商的能力积聚日益

凸显的竞争优势，加快创新节奏，

降低生产和维修成本，并提升市

场营销的效果。我们认为，每个

参与者都应该思考以下5个问题：

（1）在未来 5—10 年内，

数字化将会如何颠覆我所在的行

业，将会出现怎样的新生态？

（2）我的公司价值在哪里？

如何实现价值最大化？

（3）变革离本企业还有多

远？应该在基础设施、网络安全和

合作关系的哪些方面进行投资？

（4）我们的组织需要哪些

新的能力、技巧和理念？如何识

别、招聘和挽留合适的新人才？

（5）当前应该进行怎样的

试点，以开始获取这些价值？

总之，没有哪家企业可以驾

驭数字化的每一项变革，但很多

从业者已经开始取得实质性的进

展。有一点是基本肯定的：在利

润微薄、消费者追求更尖端产品

与更好服务的市场背景下，“数

字线”会引导一些企业取得巨大

成功，而慢一拍的竞争者将会被

甩得越来越远。

作者：Brian Hartmann 为麦肯锡

咨询顾问；WilliamP. King 为芝

加哥 UI 实验室数字化制造与设

计创新研究院的首席技术官；

SubuNarayanan 为麦肯锡全球副

董事

（上接第 28 页）

41 2016 年 第 5 期

一、导语

我国的注塑机由于起步较

晚，现阶段的产业结构不甚合理，

传统的液压式注塑机在市场中占

据了主导地位，数控注塑机尚处

于初步发展阶段，投入批量生产

的厂家寥寥无几。国内注塑机生

产厂家虽已在该领域有所突破，

但还远未形成产业化规模化，技

术上与国际先进国家 ( 如日本、

德国等 ) 还存在较大差距。这一

问题的关键是国内厂家尚未掌握

核心技术，目前数控注塑机的主

要功能部件如伺服电机及其驱动

系统、滚珠丝杠等均依赖进口，

过分依赖国外的高新技术造成了

目前产业发展的瓶颈。本项目负

责人张碧陶博士一直从事数控系

统协同控制技术的理论与应用研

究。经过申请者研究团队多年在

数控系统和注塑成形工艺的研究

面向数控注塑机的高性能伺服驱动系统研发与产业化

广州市香港科大霍英东研究院、华南理工大学、群达模具（深圳）有限公司

摘要：注塑机作为一种典型的电液系统，动力、控制等主要功能依赖于电机系统。项目采用伺服电机

系统代替传统注塑机使用的普通电机，具有节能、生产效率高、重复精度高、省料等明显优势。项目

采用高性能硬件平台，并综合应用了在线辨识、参数优化、迭代复合控制等方法，开发伺服系统已在

行业展开应用验证，使用效果良好，节能可达 40%，生产效率和产品精度大幅提高，并同步降低了原

料的消耗。

发现：国内的伺服驱动生产厂家

在开发伺服驱动系统时，基本只

把永磁同步电机作为驱动系统的

独立研究对象、并未从整体上考

虑机械设备的运作特性和加工工

艺等影响整机性能的因素，进而

使得我国的数控注塑机不能加工

出高质量的产品。本项目跳出过

去的局部思维，通过抓住决定注

塑机性能的机械系统和电气控制

系统的非线性、时滞性和多工况

性等的主要科学问题，融合注塑

过程的重复特性和电机驱动技

术，研究面向数控注塑机的高性

能伺服驱动技术及装置。

项目主要承担单位广州市

香港科大霍英东研究院是亚洲知

名学府香港科技大学设立在内地

的成果研发转化平台，一直以成

为公共技术服务的核心力量为目

标，肩负着产业化的责任。本项

目由高分子成形过程及系统中心

承担，中心为了实现长远的发展

目标，现正在实现管理模式攀升

的过程，逐步按照企业模式运行。

中心除承担政府科研项目之外，

已经初步开展面向中小企业的先

进技术推广工作。经过多年的发

展，在塑料加工过程控制、监测、

产品质量检测等领域已积累了一

定的合作伙伴及市场基础。通过

与这些企业的合作，推动成熟技

术产业化的进行，并扩大将来的

客户群体，为将来产品的销售打

好基础。除了与企业合作外，中

心也与本地和国内的多家大学及

科研单位保持着良好合作关系，

例如华南理工大学、中山大学、

广东工业大学、浙江大学、清华

大学、东北大学、厦门大学、南

京航空航天大学等。

本项目的合作单位群达模具

（深圳）有限公司是我国模具行

业的龙头企业，公司拥有注塑机、

422016 年 第 5 期

高速加工中心、龙门加工中心、

慢走丝线切割、三维检测仪器等

欧美、日韩数控设备 100 多台。

公司具有能够熟练运用多种专业

软件的工程师 100 多人，并擅长

热流道技术、气体辅助技术、流

动和成形缺陷分析技术、低压注

塑成形技术、双色注塑模具技术、

大型深腔模内镶件注塑成形等先

进技术的研发和应用。

二、主要创新点分析

1. 生产中存在的问题与

难点

（1）注塑机能耗问题

注塑加工属于高耗能的工

业，电能消耗成本在注塑成形产

品成本中占了很大的比例。随着

国家节能减排政策的深入，如何

通过节能降耗有效降低生产成本

受到了各注塑机制造商和广大用

户的关注。传统的注塑机为采用

定量泵的液压式，其油压系统的

能耗约为 75％～ 80％，针对传

统液压机的动力系统节能改造包

括使用变量泵、变频器驱动、伺

服驱动器及伺服马达驱动等，其

中公认节能效果最好的是基于永

磁同步电机伺服系统的数控注塑

机，其电能消耗可降低40％左右，

而且噪音低，它也将会是未来注

塑机市场的重要发展方向。

（2）关键零部件技术差距

由于注塑机在国内整体起

步较晚，数控注塑机的发展才刚

刚开始。目前国内注塑机生产厂

家虽已在该领域有所突破，但尚

未形成规模产业化，技术上与先

进国家相比还存在较大差距，特

别是其中的关键零部件需要依靠

引进。引进虽然是迎头赶上的捷

径，但一味的引进一方面把产品

的很大一部分利润让给了国外制

造商，另一方面也难以实现整体

超越的转变。更重要的是，必须

清晰的认识到一点：引进的并不

一定是最先进的。以往的经验表

明，引进的技术往往与国外的先

进技术保持 10 年以上的差距。

综上所述，目前国内还没有

形成规模的数控注塑机产业化，

控制技术跟国外存在巨大的差

距。国内外在融合注塑过程特性

的伺服驱动控制技术及装置的研

究还是空白。

2. 解决方案

本项目研发面向数控注塑机

的高性能全数字伺服驱动技术及

装置，具体包括硬件开发、控制

策略研究、伺服驱动系统的测试

与应用。

（1）交流伺服驱动硬件电

路开发。

硬件电路是系统结构的硬

件平台，其系统的柔性单元电路

通过可裁剪性来实现，丰富的硬

件接口实现设备配置的开放性要

求。伺服系统硬件开发包括 :

①伺服电机驱动功率电路及

其保护电路；

②电流、转子位置、转速、

进给位置等检测电路；

③通讯接口电路开发；

④开发面板操作显示电路开

发；

⑤故障诊断电路开发等。

（2）伺服驱动系统先进控

制策略研究与设计。

①研究基于 2 维离散时间线

性模型描述的 2 维模型预测控制

算法。

由于模型预测控制是先进

计算机控制技术的代表，因此，

在理论上我们直接基于离散时间

模型来研究预测控制算法。模型

预测控制的核心思想包括预测模

型、滚动优化和反馈校正。基于

不同形式的预测模型、不同的优

化指标、约束条件以及不同的反

馈校正技术都会形成不同的模型

预测控制算法。但每一种预测控

制算法的提出都需要从方法上研

究如下内容：

a.融合注塑过程的永磁同步

电机 2 维动态的在线辨识技术。

基于注塑过程的特性，对永磁同

步电机的 2 维动态进行在线辨识

是实施模型预测控制思想的必然

要求。模型辨识方法的好坏直接

关系到模型的预测能力，对预测

控制系统的稳定性和鲁棒性有直

接和重要的影响。为了保证工程

应用，模型辨识算法还必须具有

计算简单和可在线实施的特点。

43 2016 年 第 5 期

b. 确立优化性能指标和优化

算法。对于 1维动态系统，优化

指标考虑的是过程沿时间方向的

预测控制性能。对于具有 2维动

态的注塑过程，为了保证控制系

统沿时间和批次方向同时具有平

衡和优化的控制性能，就必须采

用2维的预测性能指标。2维预测

性能指标函数在时间维和批次维

上的优化区间大小和优化权重与

控制系统性能（如稳定性、收敛

性和鲁棒性等）有密切关系，深

入研究并揭示这种关系能够为性

能指标参数的设计提供理论依据。

此外，基于 2维预测模型的优化

问题比基于 1维预测模型的优化

问题更为复杂，特别是采用 2维

预测性能指标函数时更甚。研究

算法简单、便于计算机在线实施

的优化算法是保证模型预测控制

策略具有工程实用性的关键所在。

c. 在线反馈校正技术。模

型预测控制中的反馈校正技术对

系统的控制性能，特别是鲁棒性

至关重要。预测控制中可采用的

反馈校正方式包括对预测模型的

校正和对预测信号的校正。对模

型的反馈校正可以减小系统非线

性、时变特性对预测控制性能的

影响；对预测信号的反馈校正可

以降低外部干扰对控制性能的影

响。研究反馈校正方式和校正算

法，以及它们对控制性能的影响

是在线反馈校正技术研究的核心

内容。

② 基于 2D 系统理论的复合

控制律设计。

项目利用注塑过程的重复特

性，把 2D系统理论引入到注塑过

程的控制当中，提出了 2D迭代学

习的控制方法。这种控制算法在

系统具有极大重复性的情况下能

达到较高的控制性能，但系统一

旦受到不确定扰动（即出现不具

有重复性的扰动信号），则 2D迭

代学习算法会出现不稳定的可能。

进一步的研究发现，系统发散的

原因是 2D迭代学习控制律没有利

用实时的反馈信息。鉴于此，本

项目深入研究融合 2D系统理论和

反馈控制算法的先进控制。

③ 基于矢量控制的 SPWM 控

制算法研究与设计。

④电机无冲击转子自动定位

算法与设计。

（3）伺服驱动系统在数控

注塑机上的应用

注塑成形过程具有相当的复

杂性，如具有多操作阶段（合模、

注射、保压、塑化/冷却、开模）、

多操作变量（压力、温度、速度）、

多产品质量指标（尺寸、光洁度、

平整度等表面质量和弹性、韧性、

硬度等物理质量）等。本项目以

注塑成形过程的注射阶段为研究

对象，采用研发的伺服驱动系统

作为注射动力来源，通过控制电

机来控制注射速度，研究永磁同

步电机的 2D 模型建立方法、2D

系统预测控制性能分析方法，以

及基于 2D 系统理论的先进控制

策略等理论方法的应用可行性。

三、主要成果

本项目申请专利 5 件，其中

发明专利 1 件，实用新型 2 件，

外观专利 1 件，软件著作版权 1

项，发表论文 5 篇，培养博士、

硕士 5 人。项目实施预计生产

16310 套产品，新增产值 26740

万元，税利 6989 万元，带动注

塑机行业增值 12.8 亿元，带动

上下游产业增值 38.5 亿元。在

同期市场份额中，旧注塑机改造

7.66 万台，占市场保有量 100 万

台的 7.66%；新注塑机安装 14.60

万台，占新增注塑机产量 100 万

台的 14.60%，并带动塑料工业转

型升级、节能降耗。

四、当前存在问题和发展展望

在项目的研发和实施过程中

发现，伺服驱动器的核心模块，

如 IPM 和 CPU，受制于国外。一

方面成本高，购买不方便；另一

方面，高性能的 CPU 不对我国销

售，致使一些先进的算法和技术

无法实现，或者实现的成本很高，

不适合市场需求和产业化。因此，

在针对永磁同步伺服电机的高性

能控制研究以及产品研发，必须

攻破核心部件，实现国产化。同

样地，数控注塑机的发展，也应

该具备国产的高性能“大脑”和

核心功能部件。

442016 年 第 5 期

一文看懂服务型制造

曹晖用友软件服份有限公司 林雪萍中国机械工程学会知识中心

随着工信部《发展服务型制

造专项行动指南》的发布，2016

年可以算是“制造业服务化”的

政策元年和创新元年，也基本上

确定了中国制造业由生产型制造

向服务型制造转型的大方向。

这是一个重组工业服务逻辑

的时代。

制造业与互联网正加速深度

融合，重构生产者与消费者的链

接。商业关系由链式供应方式向

网状生态共创体系改变。全新的

工业服务逻辑正在出现。

1. 创新设计服务引领中

国制造业正面出击中国已经进入正面设计的主

战场。传统的逆向工程、山寨模

式基本已经走到了尽头。这就使

得中国服务型制造必须考虑源头

机制：那就是围绕需求而产生的

创新设计。

目前国内软件公司，如北

京索为系统技术股份有限公司正

在重新思考装备制造业的设计研

发工作，将工程师的隐性知识和

经验，也就是工业技术体系的

Know-how，以模块化、模型化和

软件化的方式进行固化。这种方

式，大幅度地提高知识的可重用

性，从而解决了设计人员的“20%

创新、80% 重复劳动”的问题，

使得设计研发人员可以更加聚焦

全新的创造性活动。而安世亚太

科技股份有限公司则通过正向设

计，借助仿真和知识工程等手段，

重新思考装备制造过程中对结

构、强度、力学分析等，并且与

精密铸造完美地结合，形成全新

的创新设计服务。

2. 由消费者主导的个性

化服务体验个性化服务体验，已经从消

费者参与产品定义，逐渐发展到

整个制造过程可视化，以包括个

性化售后服务的全程服务。消费

者正逐渐成为产品全生命周期过

程真正的决策者和参与者，“私

人定制”已成为消费者公认的服

务标准之一。

国内转型比较好的有尚品宅

配 3D全屋定制、红领西服定制、

长安汽车 C2M 在线定制、顾家家

居、新日电动车等。

推进个性化定制，最大的

挑战是实现高效定制化生产和响

应，平衡个性化与规模化。这对

于制造企业的生产柔性，是一个

巨大的考验。海尔天樽空调通过

将265个零配件，变为12个模块，

以往零件商转型为模块商后，大

大提高了交付柔性，而背后数字

化的供应链和生产体系，又支撑

产品定制和服务的个性化响应，

使得在用户的产品交付实现全链

条手机可视。

3.“ 能 力 交 付 sale of

use”而非“产品销售 sale of

product”对顾客而言，产品变成传达

该功能的一项工具，产品本身并

非目的。相应地，企业视角也必

须从关注设备销售，转移到服务

销售和按效果收费。

对产品功能的使用而非产权

的拥有，正在制造业变得重要起

45 2016 年 第 5 期

来。制造业共享经济，使得分享

产品的使用能力，成为越来越广

泛的一种趋势。

“sale of use”还将带来

服务主体和服务方式的变化，比

如所有的设备将通过租用的模式

布局在生产厂家，工厂只是设备

的使用方，设备厂家将成为设备

管理和维修的主体。

国内外这种模式也很普遍和

成熟，例如图 1所示。

凯撒空压机：客户只需购买

压缩空气服务包，凯撒提供安装

和维护所有的设备、部件以及优

化系统。

索尼克林 (soniclean)：为客

户提供清洁设备的租赁、样品功

能服务、客户大修期间的无偿借

用，以及按结果付款的清洁合同，

用户只需要为清洁的结果付费，

中间不需要购买任何产品。

沈阳 i5 机床：按照既定的价

格策略，用户可以按i5使用时间、

按价值或按工件数量计费付费，

这样沈阳机床成功由商品买卖转

变为分时租赁、开机付费，实现

经营方式的转型升级，从赚取价

差转变为平台经济、数据分享，

实现盈利模式的颠覆改变。

罗尔斯 •罗伊斯公司：根据

产品的服务绩效收费，这几乎是

罗尔斯 • 罗伊斯的首创。 这家

公司最早在行业针对其航空发动

机产品，推出了 TotalCare 包修

服务，按飞行小时收费，确保航

空公司的飞行可靠性和在翼飞行

时间。

4. 系统解决方案系统解决方案经过多年的发

展，已经有很成熟的模式。例如

工程总承包 EPC 模式，这个模式

应该说并不新鲜，一揽子交钥匙

工程服务已经变得非常普遍。而

借助于全新的 ICT 技术，可以使

得EPC在发展多样化的BT（建设—

移交）、BOT（建设—运营—移

交）等多种模式有了更强大的推

动力，如图 2举例。

比如双良节能下属的空冷事

业部 E+P，EP+C 模式，溴冷事业

部 EPC 模式已经非常成熟。

与此同时，很多供应商，也

在从由提供单一产品，转向提供

成套产品和整体解决方案：比如

泰尔重工从提供万向轴、联轴器，

走向可以为冶金数字化装备提供

整体咨询和解决方案。

5. 重构产业链产业链集群通过垂直整合

实践，从而提供价值链的深度运

营服务。晨讯科技原来是做手

机 OEM 的，后来转型将自身生产

线改造的成果推广给手机企业，

在这个背景下组建晨讯智造产业

联盟，并购一批在手机制造有技

术有产品有市场的小型非标设备

公司，专注搭建统一服务平台，

为电子等行业提供自动化集成服

务。

一般而言，一台电器从产

品制造出来的一霎那，价值贡献

就基本结束了。而现在，TCL 通

过 O2O（线上线下）平台，对产

品、渠道、营销模式及服务模式

方面进行了重构。新的 O2O平

台体系可以整合速必达物流、客

音公司、4 万线下销售终端以及

多个京东、天猫、官网线上销售

平台，实现一线至五线城市用户

全覆盖、全到达。在产品加服务

新商业模式下为 TCL 抢夺入口与

经营用户。

而重庆的宗申动力从 2012

年通过创建左师傅品牌，整合直

营、合资和加盟各类快修店，提

供农机、机车更快捷修理和备件

更换服务，2014 年又成功转型汽

车 4S 服务，从而实现了实时售

后服务体系和 O2O线上线下支

撑体系。图 1 制造商业务转型举例

462016 年 第 5 期

6. 供应链专业化服务制造业企业通过促进上下

游产业链在商品资源、物流资源

和资金资源的有效整合，并应用

信息技术对外提供专业化服务。

浙江红狮水泥的转型就很具代表

性。2015 年以来，红狮水泥确定

了立足水泥主业，实施传统行业

互联网化，国际化三大战略，大

力实施了水泥建材电商、供应链

金融、供应链仓储、货车运力交

易四大互联网平台。其中的水泥

电商平台，就是将现有 7000 多

家乡镇总代理线下业务引导到线

上，角色从销售商向服务商转换，

打造 O2O闭环创新服务模式，

终端用户可直接对接水泥企业，

减少交易环节。

7. 再制造成为可持续的

利润源以回收和再制造的服务，从

而构建新经营模式和可持续的产

品。“再制造”服务不再是简单

地节约资源、保护环境等保健性

因素，更是成为企业全新利润源

的刺激性因素。在美日德国等发

达国家，工程机械、机床等行业

再制造早已实现了产业化，并拥

有完整的产业链。如美国卡特彼

勒是全球工程机械制造业巨头，

已涉足再制造领域 40 年。每天

有 9000 余件按照不同的再制造

产品系列被运送到全球 170 多个

国家工厂，进行拆卸、清洗和有

效翻修。通过再制造有利于卡特

彼勒开发新解决方案、寻求新方

式来减少、重复利用、回收利用

和再利用那些以前直接进入垃圾

填埋场的物料，创造更具可持续

性的产品。

8. 信息增值服务作为服务型制造的一种重要

方向，信息增值服务正在具有全

新的价值考量。在数字化制造时

代，一切资源都要数字化，才能

最大限度地发挥价值。

例如，传统的目录样本商，

也找到了新的价值点。例如，德

国Cadence公司的零部件标准库，

具有数百万的零部件的3D尺寸、

模型，并且能够跟各种 CAD 软件

格式相匹配。这对于制造商而言，

具有无缝化整合零部件，大大提

图 2 提供系统解决方案的制造商举例

47 2016 年 第 5 期

高了标准件检索、设计研发和制

造的效率。

9. 网络化协同制造美国在 6月份公布的智能制

造创新院，公布了 SMLC（智能制

造领导联盟）的云服务平台。在这

个基础设施可伸缩的平台上，各种

硬件、软件服务可以按需使用。

值得思考的是，国外的云平

台，更加注重知识的沉淀和积累，

这与国内目前云服务过于注重电

商和交易模式，完全不同。

10. 工业金融将继续受追捧金融支持实业变得更加容

易。或者说，制造业企业也想通

过自己的金融工具来办事。8月 2

日，三一重工宣布中国银监会已

经批复同意筹建湖南三湘银行。

从国家政策来看，制造业

企业可以发起设立或参股财务公

司、金融租赁公司、融资租赁公

司，延伸和提升价值链，提高要

素生产率。主要创新是提供基于

产品的融资租赁服务以及提供供

应链金融服务，比如龙工租赁和

红狮水泥的供应链金融创新就是

这类。

实际上，对沈阳 i5 机床这

种“按使用收费”的创新模式，

需要有金融租赁大量、贴身、高

强度的支持，才能真正做好服务

型制造。

11. 基于互联产品的智能

服务ICT 技术正全新定义产品交

付形态，智能服务是一个重要方

向，企业会加速由硬产品向软服

务的转变。产品智能互联有三个

层次，能被监测了解产品运行和

使用情况、可远程服务和维修、

能自主运作和感知周围环境，做

出快速反应。

日本小松工程机械早在 20

世纪 90年代，就开发了康查士车

辆信息管理系统，到 2003 年小松

推出 VHMS 系统实现实时监控和

机群预防性维护，以及自动运输

系统，可以实时感知周围矿山设

备协同进行作业和运输。到 2015

年 9 月小松集团创新地提出智能

施工（smart construction）解

决方案。一路走来，互联服务已

经使得像小松这样的创新者将通

过服务生态化、系统化和产品智

能化实现新的价值增值机会。

国内沈阳 i5 机床和智能云

科、沈鼓云、盾安热量云服务系

统都是转型的样板。

在 ICT 广泛应用基础上，基

于人工智能和大数据提供预测性

维修和主控式创新服务是大型装

备制造业努力方向。

12.AR/VR 工 业 服 务 新

应用虚拟数字世界将全面融入

现实物理世界。国内外很多企业

已经在践行，并带来服务方式转

型。

通过使用 AR/VR 技术创建线

下用户体验中心，曲美、顾家能

展示所有家居产品，突破现实展

示局限性；而 PTC 公司通过收购

Vuforia 这样的公司，正在意图

改变设计研发方式，“空手操纵”

直接设计，就像钢铁侠在空中比

划就能做出黑酷的武器，也不再

是那么梦幻的事情了。

至于 AR/VR 对操作方式、维

修方式，都带来全新的改变，例

如沃尔沃通过这种手段，完全可

以实现 2500km 可远程操作挖掘

机。

躲不开的选择中国成为制造大国，基本是

通过低端制造，数量与产值达到

了巅峰；然而在制造服务创新发

展方面，依然非常缓慢。政府已

经吹响了号角，但要真正实施制

造业服务化转型，唤醒企业意识

的，仍然是市场利益驱动。

这是所有企业，在数字制造

时代，必须面临的紧要选择。正

如GE 公司的Jeff Immelt所言，

昨天还是工业公司，一觉醒来已

经摇身一变成了软件和分析公

司。

谁也躲不开，这是制造业的

命。

482016 年 第 5 期

回顾历史 展望未来——中国机械工程学会成立 80 周年座谈会在京召开

2016 年 10 月 10 日，中国机

械工程学会成立 80 周年座谈会

在京举行。新老学会人共聚一堂，

回顾历史，展望美好未来。

学会荣誉理事长、第八届和

第九届理事会理事长、全国人大

常委会原副委员长路甬祥院士，

理事长、中国工程院院长周济院

士，曾经担任和现任的副理事长

潘际銮、宋天虎、徐滨士、包起

帆、王玉明、卢秉恒、任洪斌、

李新亚、杨海成、张彦敏、陈钢、

郭东明、蔡惟慈，曾经担任和现

任的常务理事、理事及副秘书长

海锦涛、潘鑫瀚、雷源忠、刘世

参、陈学东、陆大明、王至尧、

张柏春、毛明、张强、王瑞刚、

邢梅、陈超志、左晓卫，以及专

业分会、省区市学会及工作总部

的代表共70余人出席了座谈会。

民政部社会组织管理局巡视员李

波，中国科协党组成员、书记处

书记项昌乐，中国机械工业联合

会会长王瑞祥，中国工程院副院

长田红旗和工信部装备工业司机

械处处长王建宇也受邀出席了本

次座谈会。会议由副理事长李培

根院士主持。

副理事长李培根院士主持座谈会

座谈会以观看学会的宣传

片拉开序幕。之后，副理事长李

中国机械工程学会成立 80 周年座谈会会场

49 2016 年 第 5 期

培根院士介绍了学会自 1936 年

建会以来发展经历的三个主要阶

段，以及每个阶段学会取得的重

要成绩。

民政部社会组织管理局巡视

员李波，中国科协党组成员、书

记处书记项昌乐，中国机械工业

联合会会长王瑞祥，中国工程院

副院长田红旗分别讲话致辞，对

学会成立 80 周年表示祝贺，同

时也对学会提出了新的希望。

荣誉理事长路甬祥代表学会

老领导发言，回顾了学会与国运

相依的历史，同时还提到了学会

面临的挑战。他表示，学会的工

作始终与国运相息，在不同的时

期为中国机械工程技术水平的提

升和机械工业的发展做出了卓越

的、不可替代的贡献，这 80 年

是光荣的 80 年，是成就卓越的

80 年，是值得我们回忆的。

学会 1951 年复会后的第一

届理事，目前已 97 岁高龄的陈

学俊院士发来了视频祝辞，祝贺

中国机械工程学会成立80周年，

并且希望学会今后为我国机械工

业的发展做出更大的贡献。

座谈交流阶段，与会代表们

从不同角度，回顾了 80 年来学

会走过的历程、建设发展取得的

成就，同时提出了很多宝贵的意

见，充满了对学会的深厚感情，

都希望有着 80 年光荣历史的中

国机械工程学会始终保持忧患意

识和强烈的责任感，在新的历史

时期，不断开创学会繁荣的新局

面。

理事长周济在总结讲话中表

示，学会在我国成为世界制造大

国的过程中做出了突出的贡献，

希望全国的机械工程师一起，为

实现我国由制造大国向制造强国

的伟大转变、为实现中华民族伟

大复兴的中国梦做出学会更大的

贡献。会议最后，全体与会代表

合影留念。

荣誉理事长路甬祥院士讲话 理事长周济院士总结讲话

全体与会代表留影