前沿技术在制造业中的发展动态

前沿技术在制造业中发展动态

总报告

第一章 节能汽车技术发展动态

当前，全球新一轮科技革命和产业革命正在加速演进，信息技术、新能源、新材料、生物医药等重要领域和前沿方向的颠覆性突破不断涌现。人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术与制造业深入融合，带来制造模式、生产方式、产业形态和产业分工格局不断变革。把握前沿技术的重大创新和应用，将引领国家未来发展以及未来技术更新换代，推动产业发展，在国际竞争中占据主动地位。

一、全球前沿技术发展动态

前沿技术是指基础理论和高技术领域中具有前瞻性、先导性和探索性的重大技术，是未来高技术更新换代和新兴产业发展的重要基础，是国家高技术创新能力的综合体现。前沿技术往往来源于新的科技进展，这些新科技的生命周期通常表现为从研发、传播到应用的整个过程。

（一）前沿技术的研发现状

在研发阶段，新科技通常以论文或专利等文献出版物的形式公开，通过对这些文献的计量分析，可以在一定程度上找到全球的研发前沿。

1.基础研究前沿

研究前沿的识别是文献计量学领域的一个重要分支，最早由科学计量学家普赖斯(D.J. Price)在1965年提出，他将某一特定研究领域中被科学家频繁引用且近期发表的文献集合看作是研究前沿。近年来，文献计量方法不断被改进，并在计算机技术的支撑下能快速准确地描绘当下的研究前沿。其中，较有代表性的是中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安(Clarivate Analytics)联合研制的“研究前沿”年度报告。

最新一期的年度报告《2018研究前沿》公布于2018年10月，报告基于科睿唯安Web of Science和Essential Science Indicators (基础科学指标，简称ESI)的数据，遴选出了自然科学和社会科学的10个大学科领域排名最前的100 个热点前沿和38个新兴前沿，反映了相关学科的发展趋势(表1)。

表1 《2018研究前沿》重点热点前沿和新兴前沿

资料来源：《2018研究前沿》，上海科学技术情报研究所（ISTIS）整理

研究团队在《2018研究前沿》基础上继2017年再次推出《2018研究前沿热度指数》报告，评估了中国、 美国、英国、德国、法国和日本等国家在诸多前沿的贡献和潜在发展水平，展示全球的科研进展和态势。报告显示，中国、美国、英国和德国在这些前沿领域研究最为活跃。

从表1可以看到，研究前沿的发现主要来源于对科学论文的研究分析，这些前沿大多处于基础研究阶段。

2.专利技术布局

前沿技术发展正处在复杂且高速变化之中，未来具有高度的不确定性，需要在全球范围内通过多种技术数据来源结合专家智慧来扫描技术变化的早期信号。然而，新技术的相关数据十分稀少，而且在竞争环境下，大多数机构和研究人员都会对数据采取保密措施。而专利数据作为对新技术描述的可靠来源之一，是发明的首次披露，其中大部分的技术信息是在其他任何地方都不可能获得的。此外，专利数据公开的重要发明比以其他形式进行的报道要早5-10年。因此，专利技术在某种意义上具有一定的前瞻性。随着计算机技术的发展，大规模专利数据处理成为可能，有许多机构开展了相关研究。

世界知识产权组织(WIPO)每年都会发布“事实与数据”报告，通过最新年度的全面统计数据，对知识产权活动进行综述。在(208年产权组织事实与数据》报告中，研究人员对专利数据按技术领城分析了每个国家的优势或专长领城。例如，中国和韩国的申请人提交申请最为密集的领域是电器机械和计算机技术，德国是运输，日本是电器机械，面美国是计算机技术(表2)。这是类通过简单的领城分类和计数据展观的国家技术领坡发展特点的研究。

表2 排名前五国中排名前三位的技术领域（2014--2016）

资料来源：《2018年产权组织事实与数据》（产权组织统计数据库和欧专局PATSTAT数据库，2018年9月）

说明：数字显示的是所占百分比

在国内，自2017年起，中国工程院联合科睿唯安公司、高等教育出版社组织开展了“全球工程前沿”研究项目，其中就利用专利数据开展专利文本间的语义相似度分析，对9个领域53个学科组2012-2017年德温特专利数据分享平台( Derwent Innovation )中被引频次前5000篇高被引的专利家族聚类，获得53张能快速直观呈现工程开发技术分布的ThemeScape专利地图，然后结合论文数据和专家研判确定前沿技术，包括MEMS传感器、可解释深度学习、无人机与车辆自主驾驶技术、金属材料纳米化及高性能、智能建造及其3D打印技术、干细胞技术等。这些前沿技术大多处于工程研究和开发阶段。

（二）前沿技术的媒体传播

随着互联网的普及，前沿技术的传播不再单纯依赖期刊、专利、标准等传统科技文献，对互联网资源的开发利用则成了近几年前沿科技跟踪研究关注的重点。再者，由传统科技文献与互联网资源共同形成的半结构化、动态即时和巨量的数据，也推动者传统文献计量法不断改进，以适应大数据分析的需求。此外，技术的内涵已从科技本身扩展到与科技互动的产业、经济和社会等领城。因此，一些科技媒体纷纷发布与前沿技术相关的榜单，加速了前沿技术的传播，也为研究全球前沿技术提供了一种新路径。

例如，《科学美国人》杂志与世界经济论坛在2018年9月联合发布了2018年全球十大新兴技术。这份榜单由《科学美国人》《科学美国人》全球顾问委员会、世界经济论坛全球专家网络、世界未来委员会共同选出，涵盖了生物医疗、化学、计算机、人工智能等领城的最新技术。这些技术尽管仍处于发展早期，但它们吸引了众多研究团队的关注，并且广受投资者青账。在未来3-5年，它们可能会对社会与经济产生重要影响。这些技术包括：①增强现实技术；②个性化医疗诊断；③人工智能辅助分子设计；④会辩论的人工智能；⑤可植人的制药细胞；⑥人造肉；⑦电刺激疗法；⑧基因驱动技术；⑨等离子激元材料；⑩量子计算机的专门算法。

又如，美国《科学》杂志在2018年底公布了其评选出的当年度十大科学突破，包括①单细胞基因活性分析技术；②首次发现宇宙中高能中微子来源；③利用电子衍射技术快速确定微小有机化合物分子结构；④在格陵兰岛发现巨型陨石坑激起千年全球降温事件猜想；⑤美国国家科学、工程和医学学院发布报告内容直指科学领城对女性的性骚扰问题；⑥对俄罗斯丹尼索瓦山谷洞穴中骨块基因组测序发现古人类“混血”证据；⑦利用开源基因数据抓捕20世纪70-80年代犯下累累罪行的“金州杀手”；⑧经20年等待后基因沉默技术終获美国食品药品管理局认可；⑨对5亿多年前化石分析发现动物生命标本胆固醇样分子痕迹；⑩多项研究揭示细胞内部基本组织原则。

再如，(麻省理工科技评论》自2001年起每年都会评选出当年的“十大突破技术”，曾验证了脑机接口、智能手表、癌症基因疗法、深度学习等诸多热门技术的崛起。2019年2月，《麻省理工科技评论》公布了2019年全球十大突破性技术榜单。评选邀请到了微软公司创始人比尔.盖茨担任客座评选人，全程参与评选工作。榜单的人选技术多是以“人类福祉”为最终目标，包括；①灵巧机器人；②核能新浪潮；③早产预测；④肠道显微胶囊；⑤定制癌症疫苗；⑥人造肉汉堡；⑦捕获二氧化碳；⑧可穿戴心电仪；⑨无下水道卫生间；⑩流利对话的人工智能助手。

综合上述科技媒体发布的前沿技术榜单可以发现，媒体传播的技术已不是单纯的基础研究或是工程研究领域理论探索和技术开发，而是以应用为导向在未来或将给人类社会带来革命性变化的突破性前沿技术。

（三）前沿技术的转化应用

对前沿技术的发规和跟踪研究归根结底是要实现技术的转化应用，只有将新技术转化为生产力，才能给经济带来新的增长点。对此，全球知名咨询机构和领先企业，都试图预调前沿技术的转化应用趋势，其中具有代表性的有高德纳咨询公司(Gartner)的新兴技术成熟度曲线(The Hype Cycle)做品咨询公司( Deloitte )的技术趋势报告( Tech Trends )和CB Insights公司的重大技术变革者动向( Game Changers )。

1.新兴技术成熟度曲线

Gartner每年都针对各种技术和应用、信息和信息技术服务以及行业领域创建90多张技术成熟度曲线，用来帮助客户跟踪技术的成熟度和未来潜力。其中最知名的就是新兴技术成熟度曲线。2019年8月，Gartner发布了2019年新兴技术成熟度曲线。图中用不同形状和颜色的图表来标识各技术达到高峰期预计所需的时间（图1）。

图1 排名前五国中排名前三位的技术领域（2014--2016）

资料来源： Gartner, 上海市科学学研究所孟海华翻译

2019年新兴技术成熟度曲线展现未来5-10年内对商业、社会和民生，产生重大影响的技术，主要呈现5种趋势：感知和移动性、人类增强、后经典计算与通信、数字生态系统、高级人工智能和分析。技术创新已成为竞争差异化的关键，也是许多产业转型的关键。随着颠覆性技术的不断引进，技术变革的步伐继续加快，即使是最具创新性的企业和技术决策者也必须跟上这一步伐。

Gartner报告显示，预计将在2-5年内达到高峰期的技术：自动驾驶飞行器、边缘人工智能、边缘分析、第五代移动通信(5G)、三维传感摄像机。

预计将在5-10年内达到高峰期的技术：沉浸式工作区、虚拟现实云、生成对抗网络、自适应机器学习、数字运算、纳米三维打印分散自治组织、轻型货运无人机、情绪人工智能、合成数据、知识图、拟人化、可解释人工智能、近地轨道卫星系统、人工智能平台即服务( AI PaaS)、生物芯片、图形分析、下一代存储器。

预计需要超过10年以上时间才达到高峰期的技术：生物技术培养或人工组织、分散式网络、扩展智慧、转移学习、自动驾驶5级、自动驾驶4级。

2.技术趋势报告

Deloitte的技术趋势研究关注到了数字化转型对企业的影响。2009年，Delotte发布了第一份年度《技术趋势》报告，该报告的主要内容涉及既是当时趋势又非常新奇的主题，包括了云技术、网络安全、物联网、移动技术对企业日渐凸显的影响和以用户为中心的设计等。在十年后的今天看来，这些科技如今已成为基础性的存在。《2019技术趋势报告：超越数字化》报告研究了颠覆性趋势(如云技术、分析技术和数字体验)如何被采纳成为企业和信息技术战略的基本组成部分，并关注到了区块链、认知技术、数字现实、人工智能、智能交互、体验式营销等新兴趋势。报告重点聚焦这些新兴技术趋势，预判这些趋势将在未来的18-24个月内为企业追求战略目标提供新的途径。除了前沿技术外，报告还将连通性、体验创新、网络安全、风险、实时数据智能、自动化列为企业数字化转型变革的催化剂。最终，报告给出了一幅技术发展的前景图，并认为“把恰当的技术与变革催化剂结合使用，组织就可能驾驭能转变工作方式的商业趋势”(图2)。

图2 德勤技术发展前景图

资料来源：《2019技术趋势报告：超越数字化》

3.重大技术变革者动向

CB Insights 将“游戏变革者”( game changers )定义为“影响当前做事或思考某事的方式发生重大转变的事件、想法或程序。或者也可说，因为这些新引入的元素或因子，以显著的方式改变现有的情祝或活动”。这些“游戏变革者”大多为初创公司(startup),即高动力公司，它们开创了新技术，有可能对社会和经济产生变革性的影响。

CB Insights利用了“CB Insights趋势工具”( CB Insights Trends tool )对数以百万计的媒体文章进行挖掘和梳理，找出媒体关注度较高的科技领域发展趋势，作为改变游戏规则的科技领域选项。对于各领域的代表性创新的筛选机制，则是利用“CB Insights公司拼图工具”( CB Insights Company Mosaic ),搜集初创企业最近获得的投资金额、总投资金额和投资人信息，作为确认这些领域中高成长动能与快速成长的企业。

《游戏变革者2019》报告关注到了36个“游戏变革者”，这些企业涵盖12个领域，包括量子人工智能、边缘计算人工智能、假信息防御、非阿片类疼痛管理、智慧警务、抗衰老、超级细菌杀手、智慧束波控制、车联网V2X技术、生态工程、零碳建筑、海洋生物保育等(表3)。

表3 2019年度游戏变革者领域分布

资料来源：《游戏变革者2019》，上海科技技术情报研究生（ISTIS）翻译

在这12个技术领城投资情况方面，非阿片类疼痛管理的“游戏变革者”获得投资额最高，为3.53亿美元；其次是车联网V2X技术，获得3.08亿美元。第3位到第5位分别为抗衰老(1.3亿美元)超级细菌杀手( 1.17亿美元)和生态工程( 1.16亿美元)(表4)。

表4 德勤技术发展前景图

资料来源： Crunchbase数据，中国台湾经济研究院整理

二、前沿技术在制造业中的应用

制造业不仅是技术创新最活跃的行业，更是技术创新应用最多和影响最深的行业。目前，与先进制造相关的前沿技术领域包括工业区块链、边缘计算、数字孪生、4D打印等。这些颠覆性的生产技术和革命性的制造方式，正深刻影响人类的产业发展和经济活动。

（一）工业区块链

1.关键技术

“区块链”(blockchain)起源于中本聪的比特币，作为比特币的底层技术，本质上是一个去中心化的数据库，是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。区块链具有去中心化的特点，不依赖于第三方公证机构，任何一个分布式节点发生故障都不会影响到系统整体工作，且它具有不可私自修改，造假等优点，成为一种全新的数据存储和记账模式。作为一种分布式记账技术，区块链正在改变金融业，而且它也有可能彻底改变其他行业。

工业区块链是一种工业制造的智能合约平台，提供底层协议、支持工具和API接口集等。区块链的分散化、安全性和墅名性吸引了传统的制造业企业。这些企业尝试基于区块链技术重建企业价值流通和信息流的模式。通过将企业业务流程抽象为智能合约范例，工业区块链可以帮助制造企业轻松进入区块链网络，实现业务流程认证，加速企业资源和信息的流转。企业在链条上，利用区块链技术重新配置供应链系统，并在此基础上建立共享工厂和分散式的电子商务平台。

2.产业影响

工业发展到4.0时代，已经远远超出了生产制造本身。它更多地表现为企业在可能的最大生态影响范围内精准控制成本，按需、快速、个性化地完成定制生产，并逐步增强市场竞争能力，因此对整个生产制造生命周期提出了诸多方面的挑战。

针对当前工业互联网所面临的新需求和新挑战，区块链技术为工业领域高效协同和创新管理提供了解决思路和方法：①借助机器共识、共享账本、智能合约、隐私保护四大技术变革，为工业互联网提供在依据行业规范及标准，遵守企业间协定前提下的数据互信、互联和共享；②其“物理分布式，逻辑多中心，监管强中心”的多层次架构设计为政府监管部门和工业企业相互间提供了一种“松耦合”的连接方式(政府与企业、企业与企业)，在不影响企业正常生产、商业活动的最大限度前提下提供"柔性”合规监管的可能；③其分布式的部署方式能够根据现实产业不同状况提供分行业、分地域、分阶段、分步骤、逐步，理性建设和发展的路径。

根据技术研究公司Report Linker在2018年发布的一份报告显示，列2020年，制造业市场的区块链预计价值3000万美元，到2025年将以80%的复合年增长率增长到5.66亿美元

3.应用场景

目前制造业普遍存在信息不对称、资源不共享、互动不通畅、响应不迅速、交易费用高昂、企业自主核心技术较弱等行业痛点，严重制约了制造业的发展。区块链技术是种集成应用，包含分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等新技术，不仅具有去中心化、开放性的特点，还具有防篡改、匿名性等安全优势。可以在实体经济企业生产、销售、管理、运维、大数据应用等各个环节产生作用，甚至是重塑这些流程。

(1)降低制造业的成本。由于区块链是一个无法改变的点对点的数据储存系统，它可以确保数据不会因某个节点故障而丢失。所以，当制造商将重要文件通过区块链技术进行传输和保存时，就不用担心中途会丢失。当文档共享时，系统会重新创建一个块，并加到以前的块上，以形成易于跟踪的链。每个人都可以看到信息的去向，这将改善供应链的可追溯性。

由于制造业的供应链往往是分布在全球各地，且发货交易处于不同的时间阶段，这样会造成产品的研发、制造和交付过程的每个组件难以被眼踪。那么通过区块链可以创建更智能、更安全的供应链，因为它提供了实时可见的可靠路径。

透明的实时供应链系统可以使制造商能够快速检测并解决突发问题，无论是产品错误还是安全漏洞，可以通过区块域我出问题原因，这样可以破少产品召回的可能性，从而进一步降低产品制法服务的成本。

(2)防止数据操纵和篡改。随着数字化和工业物联网的发展，制造业已经成为黑客攻击的第二大目标。所以，在现代制造业中，网络攻击显然已经成为一种常见的威胁。区块链提供了一种创新的方法来提高网络安全和保护组织免受网络攻击、由于区块链采用了全新的方法来存储信息，可以防止数据操纵和篡改，进一步提升了数据的安全性。

区块链技术可以看到文档和流程链、供应链合作伙伴可以在任何阶段检查产品和流程的真实性。而且每一个交易都可以进行审计和跟踪，黑客想要攻击分布式网络比传统的集中式网络要难得多，因为分布式网络攻击单个节点是没有意义的，除非全部节点都入侵才能修改数据。每一次数据存储或插入时都会创建一个新的块，当黑客人侵某个区块时，也会创建新的区块，并容易给追踪到。

（3）自主性机器维护保养。工业4.0时代将大量使用先进的自动化设备、传感器和执行器，这些机器的维护将是一项艰巨的任务，工厂管理者可能需要掌握更先进的技术来满足维护设备的要求。还有，如果是一定数量的设备，维护起来是具有挑战性。

目前区块链在制造业的应用范围并不是很明确，不过，区块链确实可以简化企业和保护供应链中的许多流程，最终使企业、供应商和客户都受益。

4.案例：穆格公司区块链应用

美国穆格公司( Moog)是全球区块链应用较为成熟的企业之一。公司成立于20世纪60年代，最初设计和生产飞机与导弹部件产品。而如今，穆格公司的产品已广泛应用于不同行业，包括钢铁、航空仿真及测试、汽车测试与仿真、能源领城、工业机械、数字化虚拟仿真牙医培训系统等。就是这样一家老牌的从事紧密制造的公司，近几年也开始在传统制造业流程中融入了区块链技术。

穆格公司已经在全球各地部署了3D打印机用于生产制造，并保证了制造流程和最终产品质量等关键信用环节。与此同时，公司还开发了穆格VeriPart系统。这是一个基于区块链的分布式交易系统，该系统采用区块链技术对供应链进行数字化管理，可在分布式网络上提供每个零部件在打印过程中的全生命周期信息，零部件的每笔交易都记录在共享的分布式账簿上，授权方可以进行授权交易查询和信息追溯。区块链还能够成为融合连接数据信息流的安全层和中间件。产品生产所需的所有相关文件，都可以通过智能合约来达成，以此形成信任关系。这样，身在本地的客户可以直接向异地供应商获得零部件的数字图纸并在本地打印，节省了仓储、物流等成本的同时，还完全不需担心产品质量。

为进一步测试和改进VeriPart与3D打印系统的集成，穆格还与美国国家制造科学中心(NCMS)签订了为期18个月的合同，共同资助研究采用穆格的VeriPart 解决方案，为国防部提供在工业4.0中保持竞争优势的工具。

（二）边缘计算

1.关键技术

“边缘计算”(edge computing)是一种分布式计算的架构，它使计算机数据存储更接近于需要它的位置。计算大部分或全部在分布式设备节点上执行。边缘计算将应用程序、数据和计算能力或服务从数据中心推向更靠近用户的位置。其目标是任何应用或一般功能需要更接近分布式系统技术与物理世界交互行动的源头，而不需要与任何集中式的云接触。简而言之，边缘计算与云计算的理念相反，是将计算资源分散到与中心相对的边缘侧进行处理。

云计算和边缘计算结合，边缘端做数据的实时采集、存储和预处理等工作，在去除了大部分冗余和不重要的数据后，只将清理过的必要的数据发送给云端，从而减轻了网络的压力。另外由于边缘端具备数据存储的功能，在网络信号不好时，可以先把数据缓存，直到网络恢复后，再将数据上传云端。而云端只需对各边缘端采集的数据做处理和学习，并将学习后更新的预测模型推送给边缘端，云端的工作将大大减轻(表5)。

表5 边缘计算与云计算协同点

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）整理

2.产业影响

2015年，边缘计算首次进人到Crner的新兴技术成熟度曲线中，此后开始迅速升温，已成为物网、sG移动通信、云计算等领城当前热点研究方向之一。各类产业联盟、标准化机构、开源组织、商业企业均在积极推进边缘计算的研究、标准、产业化活动。

在产业联盟方面，边缘计算联盟(ECC)、开放雾计算联盟(OpenFog)、开放边缘计算联盟(Open Edge Compuing.ogrg)、工业互联网联盟(IIC)等行业联盟，提出了边缘计算、雾计算、多接入边缘计算、移动边缘计算、移动云计算等各种相关概念和产品。

在标准化方面，欧洲电信标准化协会、IEEE等机构已经在开展边缘计算标准化工作。

在企业方面，目前，全球边缘计算市场主要由美欧企业主导，各大云计算、芯片、系统集成企业等、纷纷推出各自边缘计算方案，亚太地区日本、韩国、中国的企业，也在积极推进边缘计算在通信、工业、健康医疗、智慧城市等方面的应用，成为全球边缘计算研发、产业化另一个活跃地区。

全球边缘计算大致可分为基于开源方案以及基于商业化方案两类，前者包括Linux基金会EdgeXFoundry、开放网络基金会(ONF)的CORD平台、OpenStack 等；后者包括GE Predix, Google CloudIOT,亚马逊的Lambda @ Edge、Grengrass,思科的Frog IDx，ARM的Mbed Edge,微软的Azure loTEdge等，其他如惠普、英伟达、ARM、戴尔、IBM、 SAP SE、AT&T、富士通和诺基亚等也有布局。国内，主要是通信设备、电信运营商、互联网等企业在投人相关研发产业化工作，如华为、中兴、百度、中移动等。

随着5G、物联网的发展，越来越多的应用如智能制造、智慧城市、智慧医疗等需要在数据采集、处理、上传的边缘端设置计算和两关设备，这些设备配合分布式数据库和分布式的数据处理，构成一个完整的边缘计算体系，再跟云计算进行相应的数据和应用互动。英特尔预计，到2019年，45%的物联网数据将存储、分析和利用于边像计算；CB rigih公司预测，到202年，全球边缘计算市场规模预计将达67.2亿美元； IDC预测、到2020年，边缘计算的相关支出将占全部物联网支出的18%。

3.应用场景

边缘计算可以更便捷地处理工厂设备产生的海量数据，及时检测异常情况，更好地实现预测性监控，提升工厂运行效率的同时也能预防设备故障问题。边缘节点将处理后的数据上传到云端进行存储、管理、态势感知，同时，云端也负责对数据传输监控和边缘设备使用进行管理。未来，越来越多人工智能场景发生在边缘端，以下工业应用将会与边缘计算紧密结合。

(1)智能制造。在智能制造领城，边缘计算与信息物理系统(CPS)系统结合，支持现有无线和有线工业网络接入，将现场设备以扁平互联的方式连接到工业数据平台，在数据平台中根据产线的工艺和工序模型，通过服务组合对现场设备进行动态管理和组合，能够实现制造业的设备灵活替换，生产计划灵活调整，新工艺流程/新产品快速部署等。

(2)基础设施建设。在能源及基础设施领域，如：采矿或石油天然气设施，电力基础设施(风电场、太阳能电站)等场景。边缘计算通过实时分析现场数据，优化能源开采/传输效率，并实时检测、预判设备故障。此外，在基础设施网络连接受限，不可靠或不稳定时，借助于边缘计算，也可以提供一定程度的自治或自能的操作。

(3)自动驾驶。在自动驾驶等交通领域，边缘计算将汽车云分散部署到网络边缘的移动基站或车内，使数据的处理尽可能地靠近车辆和道路传感器，减少系统在驾驶中的响应时间，保证车辆在高速情况下的可靠性，边缘计算还可以在实现紧急状况下可直接控制车辆，减小事故发生概率，此外、也可以控制与周边车辆通信，建立自治网络。

4.案例：英特尔构建面向5G的边缘计算

英特尔从边缘计算概念萌发之时起，就是其技术创新和产业协作的重要参与者和推动者，一直致力于提供开放架构的软硬件平台、输出边缘计算技术能力以及参与相关标准与联盟组织，来不断推动边缘计算产业的发展。

早在2014年欧洲电信标准化协会( ETSI )首次成立移动边缘计算规范工作组时，英特尔就是发起者之一。此后，英特尔一直在积极参与支持ETSI推动相关标准化工作，这些工作包括在2016年把概念扩展为多接人边缘计算，发布三份与MEC相关的技术规范，分别涉及MEC术语、技术需求及用例、MEC框架与参考架构。5GAA ( 5G Automotive Association )联盟是一个由通信和汽车企业于2016年9月发起成立的跨行业联盟，旨在建立汽车产业与通信产业之间的高效合作，推动智能车联网、智慧交通、自动驾驶等信息通信解决方案和应用，英特尔也是5GAA联盟的发起者和董事会成员。2017年8月，英特尔还联合爱立信、丰田汽车与日本NTT等公司成立汽车边缘计算联盟( AECC, Automotive Edge Computing Consortium)，以开发可连接汽车的网络和计算生态系统。除此以外，在3CPP等5G标准组织中，英特尔也是重要的参与方和技术贡献者。

（三）数字孪生

1.关键技术

2002年，密歇根大学教授迈克尔.格里夫斯(Dr. Michael Grieves) 在发表的篇文章中第 一次提出了“数字孪生”( dgial twin )概念，他认为通过物理设备的数据，可以在虚拟(信息)空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，非且这种联果不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。

美国国防部最早利用数字孪生技术，最初用于航空航天飞行器的健康维护与保障。数字孪生是指利用物理模型、传感器、设备运行等数据映射物理实体，利用数字化技术来模拟在真实环境中实体的各种状态和行为。数字孪生在连接物理世界和信息世界的过程中发挥着重要的桥梁和组带作用。近儿年，许多国际著名企业已开始探索数字孪生技术在产品设计、制造和服务等方面的应用。

2.产业影响

2014年以后，随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展，更多的工业产品、工业设备具备了智能的特征，而数字孪生逐步护展到包括制造和服务在内的完整的产品周期阶段，并不断丰富着数字孪生的形态和概念。

数字孪生一词已连续三年登上了Gartner年度十大战略技术榜，并在2019年的趋势预测中被评价为是可利用人工智能驱动新商业机会的关键技术。据来自Markels& Markets、Grand View Rearch、Techsci Research 等多家国际市场调查公司的预测，未来3-6年，数字孪生全球市场的年复合增长率会在35%以上，辐射规模在千亿美元级别的泛物联网产业。

目前，已有越来越多国家的政府部门]和行业领域用户，正在挖掘数字孪生的应用价值，国内市场也逐渐进人起步阶段，从国家工信部到学术机构和高校，再到提供数字孪生服务的企业，皆展开了对该技术的探索。

3.应用场景

在制造领域，数字孪生技术贯穿了产品生命周期中的不同阶段，它同产品生命周期管理( prduct lifecycle mangement )的理念是不谋而合的。可以说，数字孪生技术的发展将产品生命周期管理的能力和理念，从设计阶段真正扩展到了全生命周期。

(1)设计研发阶段。数字孪生实际上就是把最初的计算机辅助设计(CAD)技术、3D技术和大数据，以及在使用场景当中收集的数据结合起来，分析产品性能，分析产品的使用场最以及有效功能，然后用数字孪生就能生动的呈现产品，同时还可以做各种模拟，做模型的转移，从而轻松实现产品研发并高效改进产品。

(2)生产制造阶段。数字孪生是一个高度协同的过程，通过数字化手段构建起来的虚拟生产线，将产品本身的数字孪生同生产设备、生产过程等其他形态的数字孪生高度集成起来，可实现：①生产过程仿真：在产品生产之前，就可以通过虚拟生产的方式来模拟在不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程，实现对产能、效率以及可能出现的生产瓶颈等问题的提前预判，加速新产品导人的过程；②数字化产线：将生产阶段的各种要素，如原材料、设备、工艺配方和工序要求，通过数字化的手段集成在一一个紧密协作的生产过程中，并根据既定的规则，自动完成在不同条件组合下的操作，实现自动化的生产过程：同时记录生产过程中的各类数据，为后续的分析和优化提供依据；③关键指标监控和过程能力评估：通过采集生产线上的各种生产设备的实时运行数据，实现全部生产过程的可视化监控，并且通过经验或者机器学习建立关键设备参数、检验指标的监控策略，对出现违背策略的异常情况进行及时处理和调整，实现稳定并不断优化的生产过程。

(3)售后服务阶段。在售后服务当中，数字学生可以很方便为我们的售后服务工程师提供服务，在增强现实应用的观场服务场景下，数字孪生是最自然而然使用的一个工具，在虚拟观实环境中直核为现场服务的工程师提供服务的指导和帮助。同时，智能化的运营和预测性维护等也是基于数字孪生实现。

4.案例：数字孪生在航空工业中的应用

全球知名企业软件开发商和提供商艾菲诗(IFS)通过对顶级商业航空公司开展的一一项研究发现，航空公司所面临的最大挑战是飞机使用可用度问题，并且该问题在调研中已被60%的受访者提及。该问题的解决依赖于对可靠性数据进行分析，IFS预测数字孪生技术将在该任务中发挥更大的作用。

工业巨头美国通用电气公司(CE)借助数字孪生这一概念，实现物理机械和分析技术的融合，已为部分航空引擎制造了数字孪生器件。以喷射引擎为例，喷射引擎中昂贵且扮演关键角色的耐高温合金满轮叶片，是制造推力的主要零件。每个叶片上都安装了传感器，这样就可以根据要求的频率传输实时数据。软件平台会将引擎的所有信息收集起来，使之数据化，并建立数字模型。此外，通用电气开发世界上第一架用于飞机起落架的数字孪生技术，其将传感器放置在物理设备的典型故障点上，如液压和制动的温度节点，用以提供实时数据，帮助预测早期故障或诊断起落果的剩余生命周期。

数字孪生技术开发的另个公司是西门子，该公司已经为诸如载人和无人飞行器的电推进装置等部件实现了数字孪生功能。在商用航空领域，汉莎航空技术公司也将数字孪生技术视为未来提高飞机可用度的性能监控和预测维护手段。

（四）4D打印

1.关键技术

2013年，美国麻省理工学院展示了一个关于4D打印技术的实验。所谓的4D打印就是比3D打印多了一个时间维度，在外界环境改变时，4D打印的物体能随之改变形状，如温度、湿度改变。

4D打印将使生产和生活变得更加智能，不仅能够创造出产品，还能使产品根据环境的变化和需求自行变化，大大降低了人力资源成本。4D打印技术的发展前景非常广阔，其将对传统制造业产生革命性影响，同时，4D打印所造成的工业排放几乎可以忽略不计，实现真正意义上的绿色生产。

2.产业影响

根据赛迪顾问的预测，正处于商业化边缘蓄势待发的4D打印市场，2019年达到6300万美元，其中走在整体市场增长最前沿的国防军工相关应用的市场份额将达到55%；到2025年，4D打印市场将达到5.6亿美元。在4D打印的用材方面，赛迪顾问预计到2019年，可编程碳纤维材料的市场份额将达到62%(图3),占据4D打印材料市场的最大份额。可见，随着3D打印从概念转入生活化，4D打印的发展步伐也在日益加快，市场蓝图已经徐徐打开。

图3 2018--2025年全球4D打印市场规模预测

说明： 2019年以后为预测值

料来源： Wobles Repot,赛迪顾问，2018年12月

3.应用场景

4D打印技术在智能设备、智能包装、折纸、超材料、生物医学和生物医学工程等领域有着广泛的应用前景。对于智能设备，4D打印已经从单一的智能材料扩展到结合其他制造技术的功能设备。例如，有人通过组合制造技术开发了软机器人，通过成型实现机器人本体，通过软光刻实现微流体逻辑，通过多材料、嵌人式3D打印技术实现气动执行器网络、车载油箱和催化反应室，从而获得完全软、自主的机器人。功能设备的其他潜在应用包括传感、能量收集和存储。例如，执行器的4D打印为访问相应刺激的软机器人进行便能量存储和采能提供了一个很好的机会。4D生物打印由于具有生物相关材料定制化、个性化制作的优势，在生物医学应用方面具有巨大的潜力。例如，可通过4D打印实现定制缝合、缺血性卒中装置及血管修复装置。

4.案例：美国麻省科技设计公司打印“4D裙”

2015年，美国麻省科技设计公司"Nervous Sysea研发出一种利用4D打印技术，制造弹性贴身布料，并打印出了全球第一件“4D裙”。

该裙子就解决了不合身的问题，并且会根据穿戴者的体型情况进行自我改变。更神奇的是还可以自动变化造型，这或许正是女性衣柜里缺的那件衣服。而制作该裙子的布料纤维由2279个三角形和3316个连接点相扣而成，三角形与连接点之间的拉力，可随人体形态变化，即使人体变胖或变瘦，4D裙也不会不合身。

这条裙子在打印机内部所需要的空间比打印普通3D模型要大很多，但是技术人员仍然很完整地打印出了整条裙子。同时，研发人员还用4D打印技术打印出了一系列与这条裙子搭配的珠宝首饰，而这些首饰毫无疑问的也是可以根据人体结构而自动变形的。

三、主要国家和地区前沿技术促进制造业发展相关政策

制造业的前沿性、先进性和现代化是现代产业体系最为显著的标志。世界主要国家和地区都高度重视制造业的发展，其成熟稳定的经济体系几乎都需要强大的制造业来支撑。特别是近几年，不少发达经济体开始意识到前沿技术对制造业的重要性，并在相应领城进行了积极布局。

（一）美国

美国一直都很重视制造业的创新发展，这两年先后出台了《美国国家创新战略》(Strategy for American Innovation)《美国制造业创新网络计划》（National Network for Manufacturing Lnnovation）《先进制造伙伴计划》（Advanced Manufacturing Partnership）等战略规划发展先进制造业，力图保持其在制造领域的领先地位。

美国总统特朗普高度重视制造业的振兴。2018年10月，美国国家科学技术委员会(NSTC)下属的先进制造技术委员会发布了《先进制造业美国领导力战略》(Sraley for American Leadership inAdvanced Manufacturing )报告，认为先进制造(指通过创新推出的新制造方法和新产品)是美国经济实力的引擎和国家安全的支柱。

报告指出：技术的飞速发展与经济力量相结合，正在迅速改变产品和服务的构思、设计、制造、分销和维护方式。制造业不再被视为独立于价值链而存在。发展先进制造，要以基于科技的基础设施为先行。近年来私人对制造业技术的投资大幅缩减，对基础和早期应用研究的公共投资以及公私合作研发可以帮助推动私营部门对先进制造业的投资和创新。投资先进制造，取决于可靠和可预测的知识产权。在制造业领先，不仅需要先进的技术，更需要在工业部门转化这些技术、有效利用新技术与平台的能力。这些新技术包括智能和数字制造系统、工业机器人、人工智能、增材制造、高性能材料、半导体和混合电子、光子学、先进纺织品、生物制造、食品和农业制造等等。

为实现美国在先进制造领域的领先愿景，报告提出了三大战略方向和若干战略目标，展示了未来四年内的行动计划(表6)。

表6 《先进制造业美国领导力战略》概览

资料来源：《先进制造业美国领导承力战略》，上海集成电路技术与产业促进中心韩芳翻译

2019年2月，美丽又发布了未来工业发展规划，特朗普认为专注于4项关键技术来推动美国繁荣和保护国家安全，包括了人工智能、先进的制造业技术、量子信息科学和5G技术，特朗普呼吁对有远见的基础设施项目进行投资，以确保美国在未来工业中的主导地位，并提出了三项措施。首先是为了在未来的工业中保持美国的主导地位，美国必须对基础设施和美国人民进行投资。其次是利用美国独特的研发生态系统的力量，包括联邦政府、私营企业、大专院校、研究机构和科学慈善机构，以确保美国在这些行业的领导地位。最后是凭借特朗普的大胆想法和有针对性的投资，给研发生态系统更多授权。

（二）欧盟

欧洲是现代工业的发源地，长期保持着全球制造业的领先水平。早在2009年，欧盟委员会就推出欧盟工业关键势能技术共同发展战略，确定了微纳米电子、先进材料技术、纳米技术、工业生物技术、光电子学和先先进制造系统，作为欧盟六大关键势能技术(KETs)，对其持续发展给子重点的政策和资金扶持。2010年6月，欧盟又正式通过了未来十年的发展蓝图一《欧洲2020；智能、可持续与包容性的增长战略》( EUROPE 2020： A Europen Sratey for Smar, Susainable

 and lelusie Coorh)，提出要实现智能化的经济增长，重点发展信息、节能、新能源和以智能为代表的先进制造，并提出将实施七大配套旗舰计划以实现战略目标，其中就包括与智能制造领城直接相关的旗舰计划一“全球化时代的工业政策（An industrial policy for the globalisation era）”。

近几年，欧盟制造业发展开始从“智能制造”逐渐向“数字制造”转变，2016年，欧盟提出了“数字化欧洲工业”概念，融合了德国的工业4.0 、法国的新工业法国以及斯洛伐克的智能工业等成员国的工发展理念,主要强化了物联网、大数据和人工智能三大技术对欧洲制造业的影响。从欧盟实际推动的数字化欧洲工业计划内容来看，主要是强化数数字创新中心， 通过遍布欧盟成员国的数字创新中心，可以提供数字时代的基础设施，提升各个行业的创新能力。

2018年6月，欧盟委员会会公布了2021年车07年欧盟长期预算草案系列提议的详细内容，其中与前沿技术发展相关的包括“投资欧洲”“连接欧洲设施"“数字化转型”“空间项目”“地平线欧洲”等项目。预算最大的亮点是将科技与创新作为欧洲未来主要驱动力。长期预算中，科技研究和与创新领域投资将增加60%，这使得“地平线欧洲”计划将成为欧盟有史以来最大的研究与创新计划。正在实施的研究和创新资金中的“地平线2020”计划预算为770亿欧元，而2021-2027年的“地平线欧洲”计划将提高到976亿欧元，这表明欧洲的科研支出将实现又一次大幅提升(表7)。

表7 欧盟2021年至2027年长期预算草案与科技相关的提议

资料来源：上海科学技术情报研究所（ISTIS）根据欧盟委员会公开资料整理

（三）日本

一直以来，日本制造业都以先进可靠的科学技术与孜孜不倦的创新精神著称。20世纪90年代以后，日本确立了“科技创新立国”的战略，强调日本要彻底向“模仿与改良的时代”说再见。在此期间，日本无论是在科技研发人员数量、论文发表数量还是专利申请数量上，均取得了重要突破，而纳米技术、生物医药、电子信息等高精尖领城更是得到了长足发展。1999年，日本政府颁布了《制造基础技术振兴基本法》。日本政府认为，即使在未来的信息社会，制造业始终是基础战略产业，必须持续加强和促进制造业基础技术的发展。该法案通过改善税收政策、提高福利待遇等措施，以确保有丰富经验的技术工人不会流失，并加强了企业、大学、科研院所的合作。后来，智能制造成为新工业革命中各国竞争的制高点，日本在智能制造领城做了较为全面的部署，包括发布“新机器人战略”“超智能社会”愿景以及“互联工业”倡议等，并出台智能制造标准“工业价值链参考架构体系”。

2018年6月，日本经济产业省发布2018年版《日本制造业白皮书》。白皮书开篇指出，目前日本的制造业正面临巨大的转折点，全球制造业正处于一个“非连续创新”阶段，促使日本政府思考真正可以代表日本制造未来的概念。白皮书中否定了工业价值链计划是日本战略的提法，而明确“互联工业”才是日本制造的未来。

根据日本经济产业省的解读，作为日本国家战略层面的产业愿景，“互联工业”强调“通过各种关联，创造新的附加值的产业社会”，包括物与物的连接、人和设备及系统之间的协同、人和技术相互关联、既有经验和知识的传承，以及生产者和消费者之间的关联。其中点值得注意的是，熟练的技术员和年轻的技术员相接，实现技术的传承，由此创造更多的价值。而在整个数字化进程中，需要充分发挥日本的两大优势：高科技和高现场力，构筑一个以解决问题为导向、以人为本的新型产业社会。为了推进“互联工业”，日本经济产业省确定了今后努力的产业方向，将在5个重点领域寻求发展：1)无人驾驶·移动性服务；2)智能制造和机器人；3)生物与材料；4)工厂.基础设施安保；5)智能生活。这5个领域都是采取了交叉式的各种政策来推进的，主要是三类横向政策：一是实时数据的共享与使用，二是针对数据有效利用的基础设施建设(如培养人才、研究开发、网络空间的安全对策等)；三是国际、国内的各种横向合作与推广（如向中小企业的推广普及）等。