内容摘要

制造业作为一个国家国民经济的支柱产业，因其在实现经济繁荣、促进技术创新、提高人民生活水平和保障社会稳定等方面的重要作用，一直是世界各国为增强国际竞争力而大力发展的战略性产业。全球制造业数字化制造的快速发展，为我国制造业带来了极大的机遇和巨大的挑战。如何在引进国外先进制造理念的基础上，立足我国基本国情，研究和实施符合我国量大面广的多品种小批量制造企业的数字化制造模式和支持系统，从而全面提升企业的市场快速响应能力、生产制造能力和综合竞争力，促进和引领我国制造业的发展，是一个迫切需要解决的重大课题。本文在对全球制造业发展趋势和我国制造业发展现状进行分析的同时，介绍了数字化制造的基本理念，阐述了利用数字化制造理念和技术实现我国制造业转型升级的重要意义。

关键词：全球化，制造业，信息技术，数字化制造

引言

制造业作为一个国家国民经济的支柱产业，因其在实现经济繁荣、促进技术创新、提高人民生活水平和保障社会稳定等方面的重要作用，一直是世界各国为增强国际竞争力而大力发展的战略性产业。随着经济全球化浪潮的强力冲击、市场竞争的日益激烈和信息技术的日新月异，以及用户对产品的个性化需求逐渐增加，制造业的发展环境正发生着翻天覆地的变化。而当前制造业的普遍生产制造模式所产生的市场响应能力已经无法与经济的发展、技术的进步和用户的个性化需求相匹配。因此，利用先进的信息技术改善企业当前制造模式，降低生产成本，优化运行效率，提高市场竞争力，最终实现数字化制造，已成为现代制造业的主要发展趋势之一，也是当前国内外专家学者的重要研究课题。

全球制造业数字化制造的快速发展，为我国制造业带来了极大的机遇和巨大的挑战。如何在引进国外先进制造理念的基础上，立足我国基本国情，研究和实施符合我国量大面广的多品种小批量制造企业的数字化制造模式和支持系统，从而全面提升企业的市场快速响应能力、生产制造能力和综合竞争力，促进和引领我国制造业的发展，是一个迫切需要解决的重大课题。

    一、全球制造业的发展趋势

随着信息技术特别是网络化技术的不断发展，以市场扩张为中心的经济全球化带来了世界性的经济结构调整，全球性分工更加明细，制造业也发生着重要的变革。20世纪60-70年代，面对用户需求量大和竞争比较缓和的市场环境，全球制造企业纷纷以扩大生产规模，降低生产成本，抢占市场份额为目标，实现其产业化发展；到八九十年代，随着制造技术的不断成熟和市场空间的不断缩小，追求产品质量，加快市场响应能力成为制造业发展的潮流。而进入21世纪，在市场竞争日益激烈、生产成本不断降低和用户个性需求变化快等因素的影响下，在高新技术和先进制造理念的推动下，全球制造业呈现出以下发展趋势：

①制造全球化

长期以来，在国际经济的不断互动和融合发展的大环境下，世界各国加快了工业化向信息化转变的步伐。跨国间的信息基础设施建设正日益受到世界各国政府和企业的高度重视；制造资源的优化配置逐渐由区域向一国乃至全世界范围扩展；价值链和产业链中与制造密切相关的各个环节间的全球化分工协作也日益成为各制造企业赢得市场竞争的主要发展战略。例如，波音公司的新产品波音787的设计和制造过程就完美展现了全球化制造的理念。飞机设计由美国、意大利、俄罗斯和日本共同完成；其研发和制造更是涉及到美国、英国、法国、意大利、加拿大、瑞典、澳大利亚、日本、韩国和中国等多个国家和地区的顶级供应商。按价值计算，在组成波音787的400万个零部件中，公司自身只负责了大约10%的生产制造任务——尾翼及最后组装，其余零部件的生产则是由全球40余家合作伙伴共同完成：日本负责机翼的制造；意大利和美国其他地区的公司则是生产碳复合材料机身；落架和方向舵则分别由法国和中国公司生产。通过这样的全球化协同分工制造，波音787产品研发费用节省了50%，进入市场的时间缩短了33%。仅2007年，波音公司就收到了全球677个产品订单，累计价值达到1100亿美元。为寻求国际化大市场中的机遇，积极参与国际化分工协作，敏捷地响应客户的个性化需求，进而抢占制造领域的高端市场，制造业企业之间更是加快了跨国并购、重组和整合，跨国公司得到了长足的发展壮大，并已经成为当代国际经济活动的核心组织者。根据2009年联合国贸发会议公布的有关数字显示，目前全球跨国公司总数已经达到63 459家(其中发达国家47850家，占总数的75．4％；发展中国家和转轨国家15 609家，占24．6％)，海外子公司约80万家。跨国公司的经营活动已经扩展到世界所有国家中的所有领域，成为世界经济中一支最活跃、最有影响的力量，其产值已占世界总产值的l／3以上，内部和相互间的贸易已占世界贸易的60％以上，对外直接投资已占全球跨国直接投资的90％左右，世界500强企业中绝大多数也都是跨国公司，对当代世界经济的发展起着举足轻重的作用。

由此可见，制造全球化是国际企业优化资源配置、产业结构调整的需要，是规模经济的需要，生产在全球组织，竞争也在全球展开，经济全球化的发展为企业的跨国经营创造了条件。制造企业在全球范围内组织生产可以更好地获取先进技术、管理经验和东道国优化政策等优势资源，降低产品生产成本，满足当地消费者的需求；同时也能避开东道国的贸易壁垒限制，降低运输、储存、搬运、装卸等物流费用，更顺利地进入国际市场，提升企业国际竞争力。因此，制造业的全球化发展是人类文明的必然趋势。

②制造数字化

计算机、互联网和其他信息技术等生产工具的革命，引起了全球工业经济向信息经济转变，信息技术在生产、生活、经济、科技、教育和国防等各个领域的应用得到了不断的推广，并取得了显著的效益。21世纪的企业要在市场竞争中求得生存和发展，就必须从信息集成走向知识集成的道路，而制造系统与过程的建模、仿真以及虚拟设计、虚拟制造和制造执行系统等数字化技术为这种集成提供了重要的手段^[8]。促进数字化技术与制造企业产品研发设计、经营管理和生产制造等各个环节的融合，实现企业的数字化制造，从而提升制造企业整体竞争能力已是当前全球制造业的主要发展趋势之一。

产品的竞争力主要体现在研发周期、生产成本、质量和服务等各个方面，随着数字化制造理论和技术研究与应用的不断深入，实现数字化制造模式已成为国际化知名公司优化企业生产经营，提升市场竞争能力的主要手段。英国政府通过推出了《数字英国》计划，大力发展电子通讯和电子商务，做大互联网产业，为量大面广的中小型制造企业信息化建设提供了分类指导、咨询和绩效测评等服务，使70%以上的企业不同程度地实施了电子商务，也使英国成为了欧洲最大的电子商务市场；美国航空航天制造商洛克希德马丁公司在其产品F-35战斗机的研制过程中，采用了数字制造技术，与传统方式相比，缩短了研制周期至1/3，降低研制成本50%，开创了航空数字化制造的先河；波音公司在新一代战神航天运载工具的研制和C130的航空电子升级中，采用MBD/MBI(基于模型的定义和作业指导书)技术，缩短了装配工期57%，将数字化制造推向制造现场的更深层次；通用汽车公司应用数字制造技术，将轿车的开发周期由原来的48个月缩短到了24个月，碰撞实验的次数由原来的几百次降到几十次，应用电子商务技术降低销售成本10%。

近年来，通过信息化工程的大力开展，数字化制造技术在我国的应用也表现出了良好的发展势头。世界第四大白色家电制造商海尔集团通过应用PDM实现了产品研发全流程的整合，实施模块化支持企业即需即供的战略以及面向敏捷制造和供应链环节的信息化技术的应用，形成了极具特色的数字化制造模式，提升了集团的综合竞争力。最近长安汽车公司也建立了以三维数字化设计为核心的汽车产品开发系统，以ERP系统为核心的管理信息系统和以制造执行系统为核心的生产制造过程信息化系统，大大提高了企业的整体效益和市场竞争能力，新产品的贡献达到了80%，自主产品的开发量占到了总量的60%左右，采购成本和销售费用得到显著降低，有力支撑了制造企业的数字化发展。

数字化制造不仅是世界各国为促进工业发展，提高国际影响力的发展战略，而且是企业强化研发设计、经营管理、生产制造、产业链协作等各环节信息化深度应用的主要手段。随着社会的发展和技术的变革，数字化技术将得到更加广阔的应用，数字化制造已然成为全球制造业主要发展趋势之一。

③制造智能化

近半个世纪特别是近20年来，随着产品性能的完善化及其结构的复杂化、精细化，以及功能的多样化，促使产品所包含的设计信息和工艺信息量猛增，生产线和生产设备内部的信息流量增加，制造过程和管理工作的信息量也随之剧增，导致制造技术发展的热点与前沿，转向了提高制造系统对于爆炸性增长的制造信息处理的能力、效率及规模上；同时，瞬息万变的市场需求和竞争激烈的复杂环境，要求制造系统具有更高的灵活性、敏捷性和智能性。为此，制造业的智能化发展也逐渐得到世界各国的重视，并列入了其战略发展计划加以实施。美国于1992年执行了新技术政策，大力支持促进工业发展的关键重大技术（Critical Techniloty）的研究，包括信息技术和新的制造工艺，智能制造技术自在其中，并希望借助此举可以改造传统工业，促进新兴产业的发展；日本在1989年提出了智能制造系统，且于1994年启动了先进制造国际合作研究项目，包括了公司集成和全球制造、制造知识体系、分布智能系统控制、快速产品实现的分布智能系统技术等；我国正在征求意见的《国家战略性新兴产业发展“十二五”规划》也明确提出，“十二五”期间，要实现重点领域制造过程智能化水平显著提升，到2020年智能装备国内市场占有率达到30%。

信息技术与业务的深度融合，也加快了制造企业的智能化发展。作为世界顶尖的汽车制造企业之一，宝马公司通过应用完整的机器人系统、分布式自动化技术和现场总线盒系统、TAS--工具装备助理智能系统、粉末罩光清漆智能化涂装技术、智能化工具和测试等，建立起了完整的智能生产线，为公司带来了显著的经济效益。如通过粉末罩光清漆智能化涂装技术的应用，使每辆轿车节省了1.5kg的溶剂；通过机器人系统的应用，降低了工人的劳动强度，极大的提高了产品的质量、精度以及安全性能；我国钢铁行业领头羊宝钢公司通过建立包括基础自动化系统、设备级过程控制系统、分厂级制造执行系统及公司级管理信息系统的四级信息化系统体系和两个支持系统（决策支持系统工作流支持系统），实现了实现制造过程的智能化管理、智能化控制和智能化监测，有效的促进了公司效益的提高。

④制造绿色化

经济的大繁荣，工业的大发展为人类带来了许多严重的社会问题，诸如人口爆炸、全球变暖、资源匮乏、环境污染严重等等。随着社会的进步和人类意识的不断提高，人们深刻地认识到与自然协调发展的重要性，可持续发展逐渐成为现代工业化的永恒主题。而作为资源消耗巨大的制造业，摆脱传统发展方式和制造模式，体现循环经济的可持续发展理念，走一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源得到充分发挥的制造业发展道路，并最终实现绿色制造是人类文明发展的必然需求。

制造绿色化实质就是绿色制造模式的实现过程。所谓绿色制造，就是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化^[11]。近年来，国内外对绿色制造的研究非常活跃。在美国、欧洲和日本等工业发达国家和地区，无论是政府、科研院所，还是企业都非常重视绿色制造的研究和应用，并出台的相关的法律法规和标准。如ISO14000环境管理标准体系、OHSAS18000 职业健康与安全管理标准体系、欧盟的ROHS、WEEE、EUP 指令等等。近年来，我国政府也加大了对绿色制造的重视和支持力度，并在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》中，将绿色制造列为制造业领域发展的三大思路之一；由此可见，实施绿色化发展既是二十一世纪制造业的重要发展趋势，也是可持续发展战略思想在制造业中的具体体现，更是建立资源节约型、环境友好型社会的必然需求。

综上所述，在制造全球化、数字化、智能化和绿色化的发展趋势下，制造业发展环境正发生着深刻的变革，积极利用数字化制造技术促进制造业智能化和绿色化发展既是顺应国际形势，迎接全球挑战，落实科学发展观，实施信息化与工业化深度融合的必然要求；也是促进我国工业做大做强，增强制造业国际竞争力，实现经济大发展的迫切需求。加快制造数字化发展已然成为我国制造业的主要发展趋势之一。

    二、我国制造业发展现状及对策

制造业是实现工业化的水之源、木之本，是现代化的原动力，是国家实力的支柱。在世界制造链的转移和我国制造业水平不断提升的过程中，我国逐渐成为了世界加工制造大国。从数量上看，2009年，中国制造业在世界工业生产总值中份额已达到15.6%，超过了日本的15.4%。即便与美国相比，也仅仅相差3.4个百分点，成为世界第一大制造国指日可待；从产量来看，中国制造业虽然成功超越日本成为世界第二大国，尤其是钢铁、水泥等行业，早就成为世界第一制造大国，占世界总产量的比重也接近或超过一半以上。然而我国却不是制造强国，其主要问题在于：

①生产设备差

在机械制造业中，机床、刀具、夹具、检测仪器等设备很大程度上决定了加工水平。作为我国制造企业运行的核心和主体——生产制造过程的普遍现状是：大量生产装备的运行效率不高，部分关键零部件尚需依赖进口，这在很大程度上限制了我国机械制造业的发展。

②制造工艺落后

随着科学技术的发展，特别是电子技术、信息技术的迅猛发展，越来越多的高新技术运用到机械制造行业中。工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法，而我国制造企业在这方面还比较落后。

③自动化程度低

随着计算机技术等高新技术的发展，机械制造业的自动化技术程度进一步提高。工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、智能化、集成化，目前我国绝大多数制造企业自动化程度依然很低。

④生产管理落后

工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术。制造业是规模效益最为显著的产业，但由于很多企业没有建立起适应市场经济要求的、产业集中度合理的生产体制，企业组织结构散乱的状况十分突出，我国至今尚未形成一批代表行业先进水平、占有较大市场份额、具有国际竞争优势的大型企业和企业集团，也未能形成一批有技术特色的专业化协作配套的中小企业格局。

⑤创新能力不强，缺乏自己的核心技术

我国制造业关键技术自给率低，技术对外依赖度达50 %—60 %以上，而在发达国家，其依赖度均在30%以下，美国、日本则为5%左右。同时，我国科技对发展的贡献率仅为30%，发明专利只占世界总量的1.8%，其经济发展主要靠外来关键技术和装备的支撑。但我国劳动力成本不高，产品价格低廉的优势掩盖了中国制造企业缺乏核心技术的尴尬，从制造业的人均劳动生产率看，我国人均劳动生产率远远落后于发达国家，仅为美国的1/25、日本的1/26，德国的1/20；而工业增加值仅为26%，远低于美国的49%，德国的48.5%和日本的38%，并呈现出逐年下降的趋势。如果还不改变这一不利局面，产业结构调整和升级将会面临严重障碍，中国的制造业可能会为此付出很大代价。

上述问题是我国制造业转型升级的主要障碍。为了缩短与发达国家的差距，提高我国经济增长的质量，我们必须认真研究相应的对策。在信息技术高速发展的今天，数字化制造为我们研究探索制造业转型升级提供了重要机遇。数字化制造在其虚拟现实、计算机网络、数据库和多媒体等信息技术的支撑下，将数字化技术与制造技术进行融合，通过实时收集资源动态信息，并对其进行智能分析和处理，实现对生产制造过程的优化运行和实时监控，提高生产装备运行效率，保证产品质量，有效提升制造企业市场快速响应能力、生产制造能力和整体竞争力。因此，研究并推进数字化制造模式及支持系统在制造业生产过程的广泛应用，具有深远的意义。

三、数字化制造概述

信息技术的出现，使得人类创造的物质财富比以往几千年创造的物质财富的总和还多。人类物质财富的剧增，其功劳主要应归功于信息技术应用于制造领域而产生的一系列数字化制造技术。数字化制造技术，使得从手工使用图板到计算机二维绘图和NC加工，从三维设计到数字样机，由数字化工艺设计到数字化制造、虚拟制造，使传统的制造发生了质的变革。数字化制造成为了当今时代制造的主旋律。

信息化的核心是数字化，所谓数字化技术，一般是指以计算机硬件及软件、接口设备、协议和网络为技术手段，以信息的离散化表述、传感、传递、处理、存储、执行和集成等信息科学理论及方法为基础的集成技术。它将复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据为基础建立起适当的数字模型，引入计算机，进行分析、处理和利用。数字化技术易于与其它的专业领域融合，形成相关的数字化专业技术，从而为相关领域的技术改造、革新和发展提供崭新的手段。

在现代制造业中，以制造工程科学理论为基础，将数字化技术与制造技术相结合的数字化制造技术，已成为先进制造技术的核心，具有广泛的应用前景。将数字化技术应用于广义的“制造”和一般意义的“制造”两个不同层次的制造过程中，也就形成了广义的数字化制造和一般意义的数字化制造，广义的数字化制造是指将数字化制造技术用于产品设计、制造以及管理等产品全生命周期中，以达到提高制造效率和质量、降低制造成本、实现敏捷响应市场目的所涉及的一系列活动的总称；一般意义的数字化制造是指将数字化技术用于产品的制造过程，通过信息建模和信息处理及利用来改进制造过程，提高制造效率和产品质量，降低资源消耗和制造成本所涉及的一系列活动的总称。

相对传统制造技术，数字化制造技术是以制造工程科学为理论基础的重大制造技术革新，是一场正在改变着世界的技术革命，它从根本上动摇着传统制造业的基础，也为我国制造业开创了一种新型的生产方式。

四、实施数字化制造的重要意义

当今世界各国制造能力的竞争已经体现为数字化制造这一核心能力的竞争。国外先进发达国家非常重视数字化制造技术在制造工业中的研究和应用。美国将数字化制造等先进制造技术列入国防关键技术计划和国防科技发展战略，日本、德国制订了相应的数字化制造及智能制造系统计划和工业基础技术研究计划。国外先进制造国家制造业已广泛和深入采用数字化制造模式，并取得了非常显著的绩效，例如美国第四代战斗机JSF在研制项目中，采用数字化制造技术，建立了全球30个国家50家公司参与研制的数字化协同环境，形成了无缝链接、紧密配合的全球化虚拟企业和产业链，快速地实现了以数字化技术为研制基础的三种变型、四个军种的飞机设计与制造，缩短研制周期50%，降低制造成本50%。

在我国，数字化制造作为信息技术改造传统产业和实现信息化带动工业化的突破口，是促进中国制造向中国创造、中国质量、中国品牌和中国服务转型，促进制造业由大变强的有效途径。数字化制造是加快实现工业化的突破口，是以信息化带动工业化的主战场。它的重要意义在于：

①实施数字化制造提升制造企业的快速响应能力

现在制造企业在向着多品种、小批量快速变换的特点上发展，因此要求制造企业具有快速组织生产、柔性制造和灵活应变的能力，即具备快速响应能力。实施数字化制造能实现企业设计、制造和信息及人力、物力等资源的集成，从而快速制造出高质量、低成本的产品。

②制造业数字化是提高制造企业的核心制造能力

制造业数字化可提高产品设计和生产的自动化水平，具有数字化、精密化、柔性化、高速和高效化等特点，能有效的提高产品质量和制造效率、降低资源消耗和生产成本，从而提升制造企业的核心制造能力。

③制造业数字化促进企业管理模式与组织模式的变革

制造业数字化使信息传递方式由传统的垂直型变成扁平型，这种管理组织层次的变化将更有利于把市场信息、技术信息和生产活动结合起来，使企业管理者能够迅捷地对市场做出反应，制定出正确、科学的决策，使企业的人力、物力、财力资源得到更加有效的配置。

④制造业数字化可以加强企业内部，企业之间资源的集成和共享

在我国传统的制造行业中，制造资源密集，技术力量雄厚，但是企业内部各部门和企业间自成体系，重复投资，现有的制造资源不能得到充分利用。随着制造业数字化的推进，企业对资源的认识从内部资源的范畴提高到了社会资源。通过社会范围内资源的集成和共享，提高了企业的产品创造能力和制造能力，实现了产品设计制造的低成本和高速度。

⑤制造业数字化已成为加快国民经济结构战略调整的重要力量

制造业的数字化一方面大大降低了传统企业对资源的消耗，使整个行业间的资源和信息可以共享集成，大大缩短了产品设计和制造等各个生产环节的时间。另一方面，制造业的数字化扩大了信息产业内部产业结构的调整，扩大了信息产业的规模及产业内部投资类、消费类市场规模扩大，也带动了相关高新技术产业的市场规模，市场规模的扩大为国民经济结构调整提供了原始动力。

鉴于此，我国制造业应当把数字化制造当作实现转型升级的重要途径，认真研究并积极实施数字化制造的战略、计划和措施，及时总结，不断提高，为我国顺利完成工业化进程和经济结构调整作出应有的贡献。

（本文已刊载于2011年第12期《天津经济》）