如何为未来制造装备探索赋予数字化能力（如何为未来制造装备探索赋予数字化发展）

纵观人类文明几千年的发展，各种各样的工具、设备、装备帮助人类极大地提高了创新和生产效率。与此同时，人类的创新活动和新的应用需求不断影响着工具和设备。设备的创新和改进促进其功能的不断升级和更新。随着工具、装备、装备及相关技术的迭代升级，人类文明先后超越了石器时代、青铜时代、铁器时代、蒸汽时代和电气时代，进入了当今的信息时代。信息时代，由具有机械结构和电气特性的复杂设备和工具以及相应的软件系统组成的现代装备，深入涉及制造业、土木工程、医疗卫生、国防工业、农业生产、资源勘探开采、仓储等领域。信息通信、交通运输、科学研究、太空探索、生活娱乐等各大领域的相关活动对人类的生产生活产生重要的积极影响。然而，不断变化的国际竞争环境和国内经济发展趋势，以及新一代信息技术的不断涌现和逐步成熟，对装备未来发展提出了新的挑战和新的要求。

1.1

新环境、新趋势、新挑战

经济全球化倒逼装备进一步高质量发展。当前，经济全球化正在引导全球范围内各种生产要素和资源优化组合和配置。在推动多方合作和全球经济快速发展的同时，加速了各行业从增量发展向存量竞争、多方博弈的转变。为了提高行业竞争力、面对新的挑战，未来设备需要进一步提高质量、提高效率、丰富功能[1]。

疫情/后疫情时代凸显设备远程/自主操作的重要性。 2020年Covid-19疫情全面爆发，迫使大量工人居家隔离。由于缺乏操作人员，各种设备/装置无法正常运行。大量工厂和设施被迫关闭，对全球实体经济造成重大不利影响。为了提高经济发展对不确定事件的抵御能力，要求未来设备具备远程运维管控、自主和自适应运行的能力。

碳达峰/碳中和需要绿色、低碳、环保的设备。 20世纪90年代以来，快速工业化、城市化造成自然资源严重透支、污染物超标排放，引发温室效应、酸雨、雾霾等一系列环境问题，严重威胁人类生存。为践行可持续发展理念，如期实现碳达峰和碳中和目标，要求未来设备在制造加工、运行维护管控、废品回收等环节减少能源消耗和污染物排放。

突破自主装备研制的技术瓶颈，是实现装备强国的必由之路。近年来，中外贸易摩擦不断，对我国依赖高端装备和核心软硬件引进的产业造成了不利影响。不仅如此，涉及国家重要产业的设备开发技术受制于人，核心软件依赖于人，这也造成了巨大的安全隐患。要想突破“卡壳”困境，需要未来装备的关键零部件、核心软件以及研发、制造、装配、测试等相关技术完全自主，并有知识产权保护意识。提升装备产业链、供应链质量。具有自主性和可控性。

数字经济迫切需要数字装备的有力支撑，新一代信息技术赋能装备全面升级。自“十二五”国家战略性新兴产业发展规划将信息技术确立为七大战略性新兴产业之一并大力推动以来，互联网、大数据、5G、人工智能等新一代信息技术发展，而区块链已迅速与传统产业融合日益深化，催生了一批充满活力、韧性的新产业、新业态、新模式[2]。国家“十四五”规划再次强调加快数字化发展，大力推进数字产业化和产业数字化，推动数字经济与实体经济深度融合，打造具有国际竞争力的数字产业集群[3]。 2021年10月，中央政治局第三十四次集体学习会议再次强调，发展数字经济是抢抓新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择[4]。为进一步激发数字经济潜力，促进实体经济健康可持续发展，要求各行业现有设备充分融合新一代信息技术，打造闭环迭代与升级的良性循环模式。装备实体、数据和新一代信息技术互补优化。 [5]。

综上所述，我国迫切需要实现现有设备的数字赋能、网络互联、智能化升级，以及设备软硬件系统的自主可控，落实绿色低碳、可持续发展理念，创新各类装备。生命周期各阶段的运营模式都是为大国锻造重要武器，以装备建设强国。

1.2

未来装备全生命周期的新需求

整个设备生命周期可分为设计与验证、制造与测试、交付与培训、运行维护与控制、报废与回收五个阶段。为了应对新环境、新趋势、新挑战，未来装备在生命周期的各个阶段都会有以下具体的新需求。

1.2.1

设备设计和验证阶段的新要求

(1)设计经验可传承，模型/数据可复用

在设备的设计和验证过程中，会产生数据和模型，相关人员会不断获得经验和知识。这些数据、模型、经验和知识对于下一代装备乃至其他装备的设计或改进具有重要的参考价值。为了缩短装备设计和验证周期，提高设计人员的工作经验，减少基础装备设计中的常见问题，满足动态市场环境对装备快速升级迭代和低成本设计开发的需求，要求未来设备能够实现：

设计师的经验和知识可以被再现、储存和传承；

设计模型和数据可重复使用。

(2)一体化设计

设备设计通常包括硬件和软件部分，以及需求和市场分析、方案设计和论证、技术设计和论证、实验研究、详细设计、试制、验证和改进等。为了提高设备设计效率，减少隐藏的设计缺陷，充分发挥设备软硬件的性能，未来设备要求能够实现：

软硬件一体化设计，帮助设备实现集成化、小型化、轻量化，增强软硬件兼容性，弱化短板效应；

一体化设计与验证，缩短装备设计验证周期，满足装备多样性和快速响应研发需求。

(3)多学科协同优化设计

装备设计不仅涉及机电、流体、热力学、磁学等多学科专业知识，还需要考虑其复杂的时空域多场耦合特性，以及如何制定合理的制造和装配工艺路线。为了缩短设备设计周期，探索设备设计的整体最优方案，避免因沟通不畅而造成的错误、遗漏、冲突、冗余和模糊，以及串行重复造成的人力、物力、财力的浪费。设计，提高设计人员的工作经验，要求未来设备能够有效支持多学科、多领域的可行性分析和综合优化设计。

1.2.2

装备制造和检测阶段的新要求

(1)数字化制造加工

制造过程中涉及的调度与调度、监视与测量、管理与控制，与装备质量、效率、成本、能耗等密切相关。为了进一步优化装备制造工艺，提高装备加工质量和效率，并降低成本和能源消耗，未来设备在制造阶段需要实现以下目标：

数字化规划，通过决策预执行，实现生产调度、调度计划的动态优化；

数字化监控提高制造过程监控的全面性、准确性、及时性、直观性，支持及时发现和解决制造过程中的异常和潜在问题；

数字化管控全面提升装备制造过程的动态响应和精准执行能力。

(2)实质上加强了质量检验和工厂测试

装备质量监测和出厂检测是装备制造完成后为装备制造过程质量监督、装备产品质量水平判定、装备质量改进提供数据依据的重要环节。然而，基于客观物理过程的设备质量检验和工厂测试可能存在以下缺点：

检验周期长，变相增加库存压力和成本；

检测不完整很容易导致漏检的缺陷产品流入市场，造成安全隐患；

测试过程可能会导致设备损坏并缩短其使用寿命。

因此，要求未来设备的质量检验和出厂测试采用物理与虚拟相结合的方式进行，以提高检测效率，降低漏检风险，减少被测设备产品的损坏。

(3)过程可重复，质量可追溯

设备质量分析、控制和追溯对于设备迭代设计和制造工艺优化具有重要意义。基于成品抽检的设备质量分析可能存在以下缺点：

设备的质量分布只能从统计角度宏观把握，未经随机抽检的设备质量水平无法掌握；

设备质量问题难以精准追溯，无法有效支撑设备迭代设计和制造工艺优化；

难以区分设备性能和质量的个体差异，无法准确指导设备运行维护和报废回收阶段的具体决策。

因此，要求未来设备的制造过程能够准确再现，设备的质量能够准确追溯。

1.2.3

设备交付和培训阶段的新要求

(1)物理和数字双重交付

现有设备交付主要以实物设备交付为主。在工业数字化转型和设备智能化升级的大趋势下，设备用户、合作开发商、运营商和售后服务商等各方对设备型号、数据、文档、知识等数据资产的需求不断上升迅速。但上述需求方自身获取的数据资产可能存在以下缺陷：

时间和人工成本高；

数据资产获取困难，难以保证准确性和全面性；

数据资产所有权和使用权不明确。

因此，建议在未来的设备交付过程中，除了提供完整的物理设备外，还应提供准确的设备数字模型和数据，实现物理和数字交付并举，方便设备和设备的智能化运维。数字经济深入发展。

(2)虚拟仿真培训

现有的设备售后操作培训和员工技能培训通常依靠实体设备。受地点、时间、设备数量等因素限制，很容易导致培训不全面、周期长、成本高等问题。为了突破技能培训资源的客观限制，实现学员技能水平的实时评估和反馈，为学员提供更全面的培训项目、更好的培训体验、更多的试错机会，需要未来的设备提供基于物理设备数字模型和数据实现虚拟仿真训练。

1.2.4

设备运行、维护和管控阶段的新要求

（1）经营状况和趋势可感知、可知晓、可预测

运行、维护和控制是设备在整个生命周期中实现自身价值的重要阶段。为了使设备运维管控过程更安全、更高效、更灵活，需要充分掌握设备的任务需求、自身能力、当前行为、所处环境，并进行预测提前评估决策计划的执行结果，以便及早发现和发现问题。解决并预防未来可能出现的异常和问题。为了实现上述理想功能，未来的设备首先必须实现：

准确感知运行状态数据；

多维度状态特征精准识别；动态预测运行状态和趋势。

(2)运行过程可控、优化、自主

设备运行过程充满不确定性。设备性能变化、设备运行环境变化、人力资源调度异常、任务变化等客观原因都会直接影响设备的正常运行。而且，即使发生上述事件时设备能够继续正常运行，也很难根据当前实际情况动态改变运行策略，实现高效、高质量运行。为了使设备在面对不确定事件时保持韧性，提高设备运行的效率和质量，未来，除了运行过程中的现场手动控制外，设备还应具备以下三种能力：

设备运行过程可远程控制，减弱现场环境对设备运行的限制；

可动态优化运行决策，减少不确定事件对设备运行的负面影响；

设备可自主运行，减少设备运行对人力资源的依赖。

(3)软件化、集成化、平台化

当设备完成大型、复杂的任务时，不仅需要提供多种功能服务，还需要与其他设备和人进行补充和交互。为了实现设备功能的灵活调度和动态重构，以及人、机器、物体之间的高效协作，未来设备需要实现：

设备软件化，基于软件定义设备的标准硬件，针对个性化需求提供专用功能，以低成本、低风险、高度灵活的方式实现设备功能的扩展和设备价值的提升；

功能集成，通过对设备功能进行模块化封装和集成，加速功能请求、匹配和调用过程，快速响应动态需求；

运营平台化通过云平台、互联网平台突破单个设备能力的限制，实现多类异构设备能力的高效共享和协作，从而为客户提供端到端的优质体验和差异化服务，并维护运营效率和灵活性。

（四）低碳、绿色、环保

各类设备在促进经济社会快速发展的同时，也快速消耗能源、破坏环境。为了帮助实现碳达峰和碳中和目标，实施可持续发展战略，未来的设备需要提高资源和能源的利用效率，减少污染物的产生和排放。

1.2.5

设备报废及回收阶段的新需求

报废设备中含有大量可回收的再生资源和对环境破坏性极大的有害物质。设备报废和回收利用对于生态环境保护和经济可持续发展具有重要意义。为了进一步提高再生资源的回收率，降低设备回收成本，未来的设备要求：

优化报废决策，从根据固定时限或固定使用次数做出设备报废决策，到根据历史运维数据决定何时报废设备，避免设备过早报废造成资源浪费，或造成安全隐患由于过度使用；

改进回收流程和方式，提高资源回收利用率，降低资源回收再利用成本。