“任何时候中国都不能缺少制造业。”近日，习近平总书记参加江苏代表团审议时的这番话，言简意赅、发人深省。制造业是实体经济的基础，是国家经济命脉所系。可以说，没有强大的制造业，就没有强盛的国家和民族。
制造业为什么如此重要？中国的制造业在当今世界处于什么水平？又面临哪些挑战？山东大学对中国的制造业有哪些贡献？今天，让我们品读机械工程学院院长万熠教授为大家带来的《大国脊梁：制造业的发展现状与趋势》，一同感受国之重器的力量。
一
制造业简介及发展历史
什么是制造业？从宽泛的概念讲，一般指实物的制造，并实现规模化的生产。先进制造业是指制造业不断吸收电子信息、计算机、机械、材料以及现代管理技术等方面的高新技术成果，并将这些先进制造技术综合应用于制造业产品的研发设计、生产制造、在线检测、营销服务和管理的全过程，实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产。
制造业的发展水平，反映了人类改造自然界的水平。人类的制造活动可以追溯到远古时期，200万年前，人类就会制造和使用工具；中国在商周时期，包括冶铸在内的手工业，就已经步入了世界前列。与世界其他国家相比，中国古代青铜器制造工艺复杂、制造水平高超、制品精美丰富。在十五世纪以前，中国的制造业一直执世界牛耳，冶铸、纺织、制瓷等产业领先于世界。历时千年的丝绸之路和海上丝绸之路，见证了中国制造业的崛起、繁荣和衰落。
到了18世纪至20世纪中期，中国制造处于了落后地位。清政府闭关锁国，未能吸收西方制造业先进技术。第一次鸦片战争以后，中国被迫开放门户，以手工作坊为主体的制造业不断遭受致命的打击。欧洲工业革命后的军事、公共、民用产品纷纷抢占中国市场，中国的经济状况日趋恶化。
中华人民共和国成立后，国家集中力量进行重工业和国防工业建设，特别是重点发展电子与核工业。“一五计划”时期（1953—1957年）制造业取得了诸多的成就。1960—1970年间“两弹一星”的成功，打破了超级大国的核垄断，使中国成为世界上少数几个拥有核武器与卫星的国家，不但提高了国际地位，为我国后续发展迎来了稳定的国际环境，也为中国制造业的发展奠定了必要的物质与人才基础。
改革开放以来，我国现代工业体系全面建立，并逐步发展成为世界第一制造大国。经过几十年的发展，中国是目前全世界唯一拥有联合国产业分类当中全部工业门类的国家，形成了独立完整的现代工业体系。同时，中国制造业在许多高科技领域也实现了重大突破。
制造业发展历史启示我们：制造业是大国脊梁，它的规模和水平是衡量一个国家综合国力最重要的标志之一；制造业是国防安全和人民生命安全的重要保障；制造业是我国国民经济的重要支柱，也是我国经济增长的主导；制造业是解决就业问题的重要领域；制造业是知识经济的载体，高技术产业与制造业不可分割。
二
制造业现状分析
中国已经连续13年保持世界第一制造业大国地位，且优势不断扩大。2020年制造业增加值占全球近30%，相当于世界第二至第四位的美日德之和。
中国的优势在哪儿呢？首先，中国制造业细分产业的技术效率占有一定优势。例如，16个细分产业中有9个产业（纺织服装业、木制品业等）的技术效率在四个经济体中位居第1位。然而，中国制造细分产业的全要素生产率处于劣势地位。
另外，“制造强国发展指数”分析结果表明：美国制造强国发展指数依然持续高于各国，处于第一阵列，综合优势突出。德国、日本稳居第二阵列，相对优势明显。中国、韩国、法国、英国处于第三阵列，中国居前。从2012—2019年各国“制造强国发展指数”变化情况来看，各国对美国的追赶虽从未停止，但美国制造业霸主地位持续稳固，中国成为整体提升最快的国家。
从我国各分项指数来看，“规模发展”仍是制造强国进程中的主要支撑力，制造业总体上仍未摆脱规模拉动的发展路径。从制造业核心竞争力来看，我国仍未迈入“制造强国第二阵列”，高质量转型发展之路任重道远。“十四五”时期要坚定不移建设制造强国，持续推动实现由制造大国向制造强国转变。
我国制造业面临的外部挑战主要来自后疫情时期进一步强化的逆全球化趋势，以美国为代表的发达国家遏制中国发展，试图维持其对高新技术的垄断及其在全球价值链中技术主导地位的分工格局等。内部挑战主要包括人口红利的逐步消失、供给侧结构性改革、高质量发展推动的环境规制强化，以及新冠肺炎疫情后的经济复苏等。综合起来，我国制造业处在质的战略提升和外部战略打压相重叠的历史时期。在这个时期实现创新、提升和突围，是我国发展制造业的战略任务。
同时，先进的设计与制造技术层出不穷、不断更新。比如说，在设计制造领域，产品的设计通过计算机大大提升了效率和水平。大家知道，我们国家的产品给一些人的印象就是“粗老笨重”，这说明我们在工业设计方面做得不够好。除此之外，还有设计自动化技术、高效精密成形技术、现代特种加工工艺、高效高精密加工工艺、加工自动化技术、现代生产管理技术和先进制造生产模式等等。
随着新一轮产业变革的出现，德国提出“工业4.0”战略，美国提出“先进制造伙伴计划”，中国也在2015年提出了“中国制造2025”计划。我国制造业现状的优点是制造业规模大，种类全，拥有完整的供应链条。但也存在问题，比如自主创新能力差、产业结构不合理、产品质量低等等。在这种现状下，“中国制造2025”计划提出了“一个”目标：从制造业大国向制造业强国转变；“两化”融合：通过信息化和工业化两化深度融合来引领和带动整个制造业的发展。我们还提出了“三步走”战略、四项基本原则、五大指导方针，要重点建设五大工程和十大领域。
从“中国制造2025”的内容可以看出，我国现阶段要做到的事情就是工业“2.0补课”“3.0普及”“4.0示范”，着力进行产业结构转型升级、解决创新能力和产品质量等问题，同时要紧跟工业4.0智能化和网络化的发展趋势。我们制造业还面临着一系列“卡脖子”问题。比如说目前国内高端数控机床自给率不足10%，国产机床精度和使用寿命远远达不到世界同类水平。还有芯片，中国企业在全球芯片产业格局中仍处于中低端领域，能自主制造低端芯片，但高端芯片目前都无法自给。除此之外，在光刻机、操作系统、医疗器械、航空发动机等领域都存在着一系列不足。
三
制造业发展趋势
制造业未来的发展趋势是什么呢？周济院士提出，“要坚定不移发展实体经济，坚定不移坚持制造强国，坚定不移以智能制造作为推进制造强国战略的主攻方向！”在“十四五”期间，基于互联网化智能制造是升级的最优方向，融合软件、电子、控制、机械四个领域，将彻底改变中国制造。
“中国制造2025”要推动的是智能化和信息化升级，在产品开发和制造、产品设计和制造、产品质量和管理体系三方面形成有效闭环。依靠工业互联网和大数据应用，人、机、料、环、法五大要素更加透明化和可预测，实现生产效率大幅提升。有三个领域最具成长潜力且将相互融合：第一是“云”，工业大数据及云计算；第二是“网”，工厂内物联网及产业链整体互联网；第三是“端”，智能生产终端是核心，包括智能机床、机器人、传感器、机器视觉、无人机等智能生产设备、AGV、服务机器人等智能物流设备。
而智能制造系统的定义是把机器智能融入到包括人和资源形成的系统中，使制造活动能动态地适应需求和制造环境的变化，从而满足系统的优化目标。智能制造系统并非要求机器智能完全取代人，即使未来高度智能化的制造系统也需要人机共生。其本质和真谛是利用物联网、大数据、人工智能等先进技术认识制造系统的整体联系并控制和驾驭系统中的不确定性、非结构化和非固定模式问题以达到更高的目标。包括以下关键技术：数据获取与处理、数字智能、智能控制、智能机器人等等。
常用的数据获取技术以传感器为主，结合RFID、条码扫描器、生产和监测设备、PDA、人机交互、智能终端等手段实现生产过程中的信息获取，并通过互联网或现场总线等技术实现原始数据的实时准确传输。目前比较热的就是数字孪生，它相当于一对双胞胎，一个是物理的，一个是虚拟的。数字孪生构筑了物理空间和信息空间的数据交互闭环通道，所有数据模型都能够双向沟通，实现CPS的信息物理交互融合。也就是说，这个实体是什么样的，这个数字体就是什么样的。
而智能机器人至少要具备以下三个要素：一是感知要素，用来认识周围环境状态；二是运动要素，对外界做出反应性动作；三是思考要素，根据感知要素所得到的信息，然后决定采用什么样的动作。比如焊接机器人、搬运机器人、智能控制和智能调度。
企业智能制造转型升级目标包括信息化、网络化、智能化三方面。企业智能制造转型升级三步走包括“数字化制造”“数字化网络化制造”“数字化网络化智能化制造”，要保证上层管理和下层工艺的紧密联系，并且根据企业实际业务需求开展智能转型制造。
四
制造业中的山大力量
第一是面向航空航天、汽车等领域进行的高效精密加工技术研究。重点研究航空发动机关键零部件、航空整体结构件（钛合金、高温合金、不锈钢等难加工材料）的高质高效智能制造技术；研究汽车缸体、缸盖等关键零部件（铸铁、铸铝、粉末成型材料）的高效洁净制造技术。
第二是研究了数控装备智能决策与控制。首先开发了基于总线的开放式运动控制系统。这个系统包括工具软件、运动控制库、实时操作系统、实时工业以太网和网络接口硬件五部分，这个平台能够为机械装备配备聪明的大脑，已经在纺织机械、工业机器人、建材机械、3C制造等行业得到广泛应用，出口至巴西、美国、欧盟等国家和地区。同时，研究了基于数字孪生的智能运维决策系统，能够实现模型-数据融合驱动的故障诊断与预测，以及进行多目标运行决策与优化。
第三是微纳操控系统。研制出了高性能智能微机电MEMS和NEMS系统，研究精密机电设备标定、检测与特性分析仪器，并且在上海光源、深圳光源等大科学装置上得到应用。
第四是新型激光加工技术。基于我们自主开发的运动控制系统，可以将激光器振镜的运动、机器人关节运动等多个运动联合控制起来，实现运动的联动控制，以及与激光器功率控制的协同。能够智能化进行复杂零件的激光焊接、激光熔覆、激光切割等工艺，已经在航空航天和汽车领域得到应用。
综上所述，制造业是一个大国和强国的根本支柱，是国家的脊梁。从世界范围看，新一轮科技和产业革命正在由导入期转向拓展期。颠覆性技术不断涌现，催生大量新技术、新产业、新业态和新模式，经济增长的新动能正在逐步孕育发展。新一轮科技革命以信息化和工业化融合为基本特征，智能制造产业作为新产业革命的先导迅速发展。制造业未来的发展靠创新型、复合型人才支撑，靠科技支撑，所以我们要一起努力，推动中国从制造业大国向制造业强国迈进。
