2022美国数字制造技术战略概述

美国数字制造2022年技术战略概述摘要美国制造业至关重要，现处于发展的十字路口。麦肯锡指出，“’制造美业’推动了美国35%的生产力增长，60%的出口，70%的私营部门研发支出。制造业是全美500个郡县的主要产业，吸引着外国直接投资。最重要的是，制造业反映了美国的创新、智慧和技术实力。”在去年的《战略投资计划》中，MxD（原美国“数字制造与设计创新研究所”）强调了德勤的预测，即美国制造业将超越中国和其他所有国家，成为世界上最具竞争力的国家。预测的依据，是国际上数百位制造业高管的评估。他们指出，在预测分析、物联网、智能产品、智能工厂、信息技术集成、先进材料、学术生态系统、公私合作、风险投资活动和世界顶级信息技术企业的创新等方面，美国的优势不断扩大。第四次工业革命使美国可以通过数字技术的智能应用，抓住经济发展的机遇。

供应管理协会的报告称，美国制造业增长迅速，增长速度达到2004年以来的最快速度，令人振奋。美国劳工统计局称，2018年10月之前的12个月内，美国制造业增加了29.6万个就业岗位，是1995年以来增长最多的一年。Software等公司帮助服装制造业等濒临灭亡的行业重返美国本土，从而使供应链更灵活、利润更高。企业和消费者开始参与“转型经济”，形成了对大规模定制的需求——对离顾客需求近的制造业大有裨益。但是目前存在很多问题和威胁。白宫2018年发布的《美国先进制造领导战略》指出，对美国具有重大战略意义的通信设备和计算设备产量急剧下降。例如美国国防部指出，现在90%的印刷电路板是由亚洲制造的，其中一半产自中国。美国工业基础过度依赖于非盟国，限制了美国的经济繁荣、国家安全和在冲突中获胜的能力。白宫的报告还认识到，尽管最近几个季度制造业的就业增长迅速，但是就业总量仍低于2006年的水平，比2000年低70%。麦肯锡还发现，全球87%的高管对于本单位将会出现的技术人才缺口准备不充分。制造业研究所和德勤估计，到2025年，经过适当技术培训和接受科学、技术、工程和数学教育的劳动力匮乏，将导致技术工人出现200万的缺口。人才缺口巨大，会损害美国经济的发展。MxD采访的大多数人表示，自己的公司没有明确的数字化转型愿景和计划。而且，制造业的网络间谍，比其他任何行业都要多，并且越来越多地针对中小型企业。2017年，一半以上的中小企业遭受过网络攻击。2018年，由MxD和国际信息系统审计协会委托的一项调查发现，39%的制造企业认为，董事会和管理团队没有充分重视网络安全问题。数字化转型带来了巨大的机遇，但是缺乏远见、可行计划、商业案例、资源、技术、网络安全保障及其他因素，则会妨碍其实现美好愿景。挑战迫在眉睫。美国制造业要抓住机遇，明智地进行技术投资，不被各种技术潮流而分散注意力。去年，MxD将这次机遇的一些因素和趋势总结为美国制造业简单有力的愿景，即处处进步。

这仍然是我们关注的焦点。我们定义的研究主题和针对性项目，使持续的数字化改进更接近现实。2019年，MxD通过1级和2级制造企业成员和国防部利益相关者提供的特定运营案例，设计并启动了综合多项技术的项目，构建体现MxD愿景的体系，展示对商业的影响，并克服现实世界的障碍。MxD使命的完善2018年，MxD让执行委员会、技术顾问委员会和美国国防部的利益相关者完善其使命和重点。人们一致认为，作为国家的数字制造和设计研究所，MxD的重点应当是整合多种技术和系统，协同提高系统性的生产效率。研究所的核心活动是工厂的运营，把人工智能、物联网、增强现实和虚拟现实、模拟和建模、信息技术集成等数字技术，用于在产品整个生命周期上带来整体效益。MxD从事设计、产品开发、系统工程、供应链和可持续性方面的工作，范围在一定程度上与数字主线（超越时间和空间的单一权威信息源，将企业特定产品的情况和认识联系在一起）相互作用。MxD的使命显然是面向对系统和商业的影响，重申可运营的试验工厂作为成员单位协作、消除风险、发现、演示和传播学习成果的安全场所的价值，强调实现真正的7级技术成熟度需要加大工作力度。7级技术成熟度，要求在运营环境中演示系统原型，需要MxD的行业合作伙伴或国防部合作伙伴非常具体的运营案例、信息技术环境和运营技术环境，为项目应对现实世界的限制打好基础。战胜各种实际挑战，例如异构信息技术系统、劳动力无准备或落伍、网络安全问题、生产速度等，是研究所的核心价值。因此，MxD发展了自己的战略，确保所有新的合作项目至少有一个1级或2级制造企业成员或国防部运营实体作为研究对象。这将有助于确保MxD项目必要的独特性，对具体问题产生可以付诸实施的实际结果。从某种意义上说，研究所的研究范围很广，横跨产品生命周期的所有阶段，涉及很多数字技术和制造过程。但是MxD知道，把重点放在提高数字主线和数字孪生的应用上，既是必要的，也是正确的。数字主线集成的数据流，通过数字孪生的实时应用，实现了连续自动学习。同时，研究所的倡议涉及产品开发、产品设计、供应链、运营和可持续性保障，有助于实现数字主线，能够利用数据，在整个产品生命周期内以数字孪生的形式形成持续改进的良性循环。

MxD战略投资计划的影响MxD2019年的投资战略，在一定程度上是以白宫2018年发布的《美国先进制造业领导战略》为指导，该战略的三大目标为：开发和应用新的制造技术；教育和培训制造业的劳动力，形成劳动力队伍；提升国内制造业供应链的能力。除了这三大目标之外，国防部领导的一个机构间特别工作组，也要求提高对制造业网络安全和较低层次工业基地投资的关注。有鉴于此，MxD根据与执行委员会和技术顾问委员会委员的对话，以及敏捷技术组的会议、研讨和构思会议，提出了2019年的四大投资主题：实施工厂数字孪生，推动提高零散加工行业的实时生产力扩大劳动力发展计划，评估行业需求，帮助企业正确组织和培训未来劳动者与先进制造机器人研究所合作，形成新型制造能力，使财富生产达到新水平，加强对操作人员的支持运营国家制造业网络安全中心，通过加强培训、运用财务模型和使用易用工具，建立更具弹性的工业基础这些主题的重点是美国制造业最优先的任务：在现有流程和新流程中构建实时自适应工厂的能力，保护美国数字优势的日益扩大，投资实现这些目标需要的人员和系统。它们是MxD现有60多个已完成、正在进行或正待发布的项目的补充。MxD去年已经研究或启动了利用产品设计和供应链运营数字主线的项目。研究所2019年重新将重点放在工厂上。在工厂运营中，数字主线的影响是以数字孪生的形式，使用权威数据实时把改进反馈回流程中。MxD还将与先进制造机器人研究所合作，开发新型自适应制造系统。MxD在2018年第4季度收到了100万美元的种子资金，因而研究所能够启动初始项目，给予网络安全特别关注。今年，劳动力发展成为2019年战略投资计划的固定组成部分。因为我们越来越坚信，第四次工业革命的进展，需要用综合性方法将技术、人员和系统结合起来。确定项目优先顺序的过程作为多阶段计划的一部分，在与我们的1级和2级制造企业成员及国防部合作征求共同利益领域和承诺的过程中，项目的基本要素可能会修改、合并、删除或启动。本文的部分目的，是了解2019年考虑

的早期项目概念，激发MxD社区之间的讨论和自主选择。MxD通过多个论坛促进这种团队合作。技术顾问委员会和执行委员会的会议，审批总体战略计划和投资主题，指导MxD人员启动项目指南。各种论坛用于促进项目构思、范围界定和团队合作。各种规模的制造企业、解决方案提供商、初创企业、学术机构和美国国防部，都积极参与这个过程。这些论坛包括技术顾问委员会会议、敏捷技术组电话会议、专门广泛征求未来项目观点的研讨会，以及MxD人员与顶级制造企业成员之间的重点会议。全年的时间安排，可能会根据成员和国防部对特定项目的承诺水平、资源可用性、项目具体范围界定的成熟度、执行团队的准备情况以及其他因素发生变化。2019年投资主题A.工厂数字孪生尽管“数字孪生”只是众多与第四次工业革命有关的术语之一，但是2019年，MxD认识到正确掌握数字孪生，对于实现工业数字转型的前景至关重要，因而提高了它的地位。在2018年的未来工厂研讨会上，MxD的成员简单有效地定义了数字孪生：“与物理系统通信，实现该系统好处的模型。”数字孪生，是在数字领域中对物理系统的关键功能进行建模。物联网传感器测量影响人工智能算法的物理系统的关键参数。人工智能算法分析收集的数据，通过物联网执行器，推动实现物理领域的改进。数字孪生是支持MxD“处处进步”愿景的主要系统概念。数字技术正是在形成“信息-物理”的循环中，实现了最高目标和最大投资回报。美国最先进的制造企业将在自己的业务中实施数字孪生的概念作为数字制造的重点。因此，MxD策划了一系列由成员推动的相关项目，并作为2019年战略投资计划的一个关键主题加以推广。零散试验台、流程试验台和数字孪生MxD准备支持零散制造企业和流程制造企业，为每个制造企业量身定制项目和试验台。这些试验台将作为平台，通过创建共享的实验和演示工作空间，支持未年，MxD完成了能够每日运行的零散制造试验台的初步开发。这是一个适应性生产平台，让MxD可以筹划战略投资计划中的项目所定义的

技术并消除风险。零散试验台生成带有研究所愿景的MxD标志牌。这个过程和产品的目的，是让研究所在正常工作时间内，能够几乎连续运行试验台。试验台除了有自动进行加工后处理的机械臂外，还有一台自动进料的数控机床。标志牌加工完成后，由机器人送到清洗干燥站进行清洁，到计量站进行测量，到序列标记站打标。这些标志牌会作为纪念品发给访客和会员，切实体现“处处进步”。在本项目的初始阶段，零散生产线是生产数据的宝贵来源。生产线的每一步，都会收集传感器数据，帮助构建零件和过程的数字足迹。提取机器控制器的信息，聚合到提取其他机器数据和环境数据的传感器套件。后加工站上会安装其他低成本传感器套件，收集数据并提供特别适合中小制造企业和国防部相关工业基地的低成本技术范例。所有数据汇总到一个分析套件中，提供给实时参数面板，用实际生产数据进行阐释。我们努力用关键性能指标（例如设备总体效率、产量等）绘制较为综合的图表，同时也跟踪零部件层次的数据，使特定标志牌的唯一数据也能可视化呈现。团队把项目期间的最佳实践和经验教训记录下来，编成可参考执行的操作手册，帮助成员把仪器、自动化和实时数据分析的应用，经济节约地复制到自己的环境中。试验台要成为逼真的实验室，支持下列项目元素涉及的多个实验。将解决方案集成到1级或2级制造企业的环境中之前，可以先在MxD试验台上集成与工厂数字孪生相关的项目元素，研究传感器、预测分析、人工智能、模拟和反馈循环的复杂集成，降低项目风险。试验台将在受控环境中用于收集经验、找出局限性，以便将来在任何工厂实施时，都可以借鉴可靠的经验基础。由于数字主线不是限于工厂内启停，而是延伸到产品的整个生命周期上，因此这些试验台还将为实施其他重点领域的项目设计、供应链、运营和可持续性解决方案提供接口。2018年第4季度，MxD开始设计和规划专门的流程试验台。流程试验台面积预计约为1000平方英尺，可支持多个试验模块或滑道。试验模块或滑道可以各自独立，也可以根据项目要求相互连接。模块化滑道将作为项目技术试验和演示的灵活平台。一个真实的或模拟的水处理循环，可能是试验台中的第一个过程。水处理循环既可以实现产生大量数据的连续生产，也可以实现独立循环，尽量减少资源消

耗，降低生态影响。MxD的未来工厂团队，正在准备电气、管道、安全、控制和通信基础设施等试验台空间，支持下列项目和案例。下列项目要素通常涉及到在工厂环境中推进数字孪生的科学和实践，目的是使生产的每个零部件或每个单位都进步，从而提高生产力。工厂数字孪生|项目1.开发使单个离散零部件或产品被标记的系统，为实现数字主线和数字孪生的作用奠定基础。2.人工智能在计算机视觉和过程元数据中的应用开发一种数据科学体系结构和系统，能够进行原位计量、全数字主线模式识别和实时反馈控制，以确保质量。3.集成的数控机床数字孪生将MxD现有的研究能力和商业能力与基于实物的新模型相结合，开发多功能数控机床的数字孪生。4.预见性维护面向预测性维护解决方案的设计与实施，制定综合性操作手册。5.人工工作流数字孪生开发实时系统，用于精确测量、建模、调度和优化制造系统的人机交互。6.面向高混合、小批量应用的数字化过程优化为流程工业开发数字系统，实现实时分析和自适应过程优化。7.面向流程数字化的数据采集制定并执行计划，收集汇总构建产品、工艺和辅助设备数字孪生所必需的所有传感器数据。B.新型制造能力MxD除了通过数字孪生和自适应反馈回路增强现有制造过程，还与先进制造机器人研究所达成合作，开发新型制造能力。MxD为这些项目带来了闭环系统集成的专业知识，先进制造机器人研究所则具备专业的机器人技术。MxD成员的讨论，确定了可以将高精度、低延迟激光跟踪系统与具备各种末端执行器制造能力的机器人相结合，可能会形成适应性强的开放工作空间制造能力，特别适合于以前所未有的精度、低资本投入和周期构建大型复杂结构。据国际机器人联合会统计，2017年全球工业机器人销量达到38.7万台，比2016年增加了31%。工业正推动自动化水平的提高，寻求将机器人用于新应用。机器人通常可重复操作，动作灵活

又能达到高精度应用所需的精度，例如激光切割、铣削、钻孔、铆接和精密助剂焊接。工业界目前正在探索更灵活的解决方案，例如，几何比例各异的大批量零件，特别需要提高灵活性，降低成本和提高自适应加工能力。当下的机器人可以高效执行精度低的任务，重复性强。相反，数控机床则精度高，误差极小。但是由于价格昂贵，专用工具和夹具的成本也高，数控机床通常不用于低精度产品。数控机床的运动自由度、最大工作空间和几何形状复杂的零件的加工能力都有限。到目前为止，工业界还未能填补低成本可重复机器人和高成本、高精度数控机床之间的空白。该项目的核心工作是将增强的6自由度激光跟踪/计量系统与机器人控制器相结合，实现机器人末端执行器的实时计量反馈和自适应控制。6自由度激光跟踪器通过在机器人与被操作零件之间建立笛卡尔坐标系，连续跟踪并实时提供机器人末端执行器的6自由度信息，实现零件的精确自适应加工。该系统包括一个便携式三维激光跟踪器和一个安装在机器人末端执行器上的紧凑型主动靶。这种创新技术消除了运动、动态、热和力引起的误差所产生的变化，确保机器人的末端执行器精确沿着需要的理想轨迹进行加工操作。一流激光计量性能使这种方法实现+/-50微米的定位精度的成本，可以低于数控机床的成本。这种方法不仅降低了成本，还可以实现减法铣削、钻孔、铆接、助剂焊接、原位计量等一整套全新的大规模高精度制造能力。由于激光跟踪能力的成熟，市场上低成本、限制少的精密制造能力还有差距，所以MxD和先进制造机器人研究所解决这一难题正当其时。目标是形成一个软硬件集成平台，将机器人控制与精确定位功能结合起来。该系统是数字主线和数字孪生的突破性应用。|项目1.开发结合激光跟踪器实时跟踪和机器人控制的系统，能够在涉及大型和/或复杂组件的开放式工作空间中驱动高精度的制造操作。2.人工智能焊接的商业化实现自适应闭环焊接能力的技术转化。3.机器人G代码自动生成直接从CAD文件中精简信息进行机器人编程，实现复杂、精密的增、减材机器人制造。

C．国家制造业网络安全中心充满活力的工业基础，可以在和平与战争时期满足国家关键需求，这是国家安全的头等大事。2017年，美国制造企业的总产值为6.0万亿美元，占经济总量的31%。由于制造企业投资数字制造技术，助力实现美国制造业全球称霸的目标，所以必须以强有力的网络安全措施保护这些投资。美国制造业受到的网络间谍攻击占总量的35%，是受攻击最大的领域。由于制造业会成为构建经济竞争优势差异化的关键因素，所以数字制造技术的应用，会扩大美国制造业遭受攻击的范围，同时对攻击的吸引力也会提高。因此2018年第4季度，国防部向MxD发放种子资金，用于成立国家制造业网络安全中心。该中心要解决的最关键的领域，是加强中小制造企业的网络安全。中小制造企业占美国制造业国内生产总值的90%以上，但是保护自身运营的资源极为有限。美国制造业极为零碎，98%的制造企业，其员工数量不多于500人，73%的制造企业，其员工数量不多于20人，很多制造企业缺乏具备必要技术技能的资源。国防部、商务部、能源部、国土安全部有许多政府活动，网络安全问题研究之外的政府活动也很多。可用的商业工具不计其数，主要是用于信息技术领域。但是制造企业，特别是占工业基础绝大多数的中小型制造企业，动力不足，无法获得按需定制的工具和培训。而大型制造企业和美国国防部，同样需要提高自身业务和供应网络的弹性。动力不足，是因为不作为对商业的影响不明显，而网络威胁比对网络威胁的认识增长速度更快。此外，以运营技术空间为目标的工具和培训稀缺。这类工具仍然需要采用消费类的简单用户体验模式，以便制造工厂里不是网络专家的大多数最终用户能够获取和使用。最后，缺乏协调一致的国家体系来满足这些需求，意味着美国利用网络安全经验的速度赶不上威胁增长的速度。美国迫切需要一个国家制造业网络安全中心，连接和建设更有弹性的工业基础。该中心将通过调整最佳网络工具和培训，将各种规模的制造企业的独特需求联系起来。通过在制造企业网络中建立反馈回路，从而构建持续改进的工业基础，使从一处学到的经验不断用于整个网络。专注于这两个关键优先事项的中心，将使制造企业能够真正改善制造的每个零部件——不仅提高生产力，也提高安全性。最终目标是以持续、可测量的方式减少行业漏洞和美国财富的危险比例。

国家制造业网络安全中心2019年计划MxD在制造业国家网络安全中心的初始阶段，将成立一个咨询委员会，引进关键资源，制定MxD的网络安全路线图，将优先级高的案例整合到“未来工厂”中，形成现场培训和远程培训体验。年，MxD将重点启动一个多阶段试点项目，调整多种网络安全工具，满足制造企业的需求，然后将这些工具联系起来，构建一个低成本、易用的商用解决方案系统，共同持续改进中小制造企业的网络安全实践。一个关键的优先事项，是在解决方案集中建立财务和竞争激励机制，激励制造企业参与。通过该解决方案系统生成的数据，会使MxD能够持续了解制造企业面临的具体网络安全挑战，并策划有针对性的操作手册、培训计划和解决方案，直接满足这些需求。连续的反馈循环，将使MxD的设计非常重要，并且面向行动。对整个工业基础的网络安全实践来说，这是必不可少的。网络安全工具试点项目MxD将与解决方案提供商合作完成一个多阶段试点项目，调整现有解决方案，满足制造企业的特定需求。除了与国家标准与技术研究所制造扩展伙伴关系网络进行试点外，还将至少与MxD的1个顶级行业成员和6-9个不同规模的供应商合作。这项工作的第一阶段，将着重于形成对制造企业面临的网络安全风险的认识，然后为他们付诸行动创造内在动力。提高制造企业的认识，将会通过部署云渗透测试工具，向制造企业展示漏洞，但是最初只是强调最关键的发现，以免制造企业知难而退，从而能够实现使其改进保护网络安全做法的持续过程。与可以估计制造企业“风险价值”的工具联系起来，通过一系列简单直接的制造企业运营问题（例如收入、员工人数、行业和制造设备类型），估计公司在发生网络安全攻击时的经济风险。随着制造企业了解怎样实施各种网络安全做法会减少经济风险，并为投资于风险缓解工作找到必要的财务依据，风险价值指标将激励制造企业采取行动。制造企业将能看到自己采取的行动降低了风险价值——给出进步的定量指标并使他们产生进一步改进的欲望。项目的第二阶段，将在参与的制造企业防火墙后试点网络安全设备，进一步评估每家企业的网络安全态势，并确定有待改进的领域。同时，MxD将致力于改进并扩展“网络安全面板”的功能。“网络安全面板”是MxD项目15-01-02开发的

商用自评估工具。重点将是形成用户体验，简化网络专家以外的人进行自评估的过程。经验性测试工具和自评估面板中，将建立一个政策模板和最佳实践的资源库，帮助制造企业完成特定的风险缓解工作。资源库的建设，将利用来自国家标准与技术研究所及其他机构的现有知识，以后还会制作操作指南和视频操作指导，根据需求程度给制造企业排列优先顺序，并提供其他支持。试点的最后一个阶段，将把通过云渗透测试、设备和风险价值工具获取的经验数据链接到自评估面板上。把这些工具连接在一起大有好处。例如，把云渗透工具和设备的经验数据链接起来，可以根据观测经验自动完成很多自评估问题。这不仅大大缩短了完成自评估的时间，也提高了响应的准确性——因为这个过程基于真实数据，并会通过自动更新反映网络安全做法的变化。此外，用制造企业的特定网络安全做法自动完善模型，会使风险价值的计算更加精确。通过这一试点，网络安全中心将生成参与企业网络安全实践的宝贵数据，并且能够用多个指标来显示其网络安全实践的量化改进，例如总体风险价值降低的比例和国家标准与技术研究所800-171特定控制的合规性提高的比例等。在试点的每个阶段，MxD会成为试点企业和解决方案提供商之间的桥梁，确保理解并解决中小制造企业面临的真正限制，鼓励应用。计划的解决方案集将收集反馈信息，帮助在试点之后打造成不断改进的商用工具系统。这项工作可以开发出一个框架，日后用于认证和评估制造企业的网络安全解决方案。MxD想借助于国家标准与技术研究所的制造扩展伙伴关系网络和MxD的原始设备制造商成员网络，进入中小制造企业市场。随着工具应用的增多，网络安全中心将把数据用于为中小制造企业界提供宝贵的基准。对于国家标准与技术研究所800-171的每项控制，制造企业将能够看到自己的做法与同行的异同。当网络安全成为竞争优势的来源时，对网络安全的关注会提高，进而不断改善整个工业基础的网络安全态势，这对美国的国家安全和保护美国日益扩大的数字经济优势至关重要。|1.网络安全工具试点项目MxD将与解决方案提供商合作，完成多阶段试点项目，调整现有解决方案，满足制造企业的特定需求。除了与国家标准与技术研究所的制造扩展伙伴关系网

络进行试点外，还将至少与MxD的1个顶级行业成员和6-9个不同规模的供应商合作。2.网络安全架构构建并测试安全架构，满足工业基础的网络安全需求，包括既生产秘密零部件也生产非密零部件的制造企业。D．劳动力发展计划增强的制造过程只有在与之相匹配的劳动力支持下才能发挥更大益处。技术型劳动力能够设计和实施数字制造的技术进步，对于制造商利用新兴工艺改进制造能力至关重要。2019年，MxD劳动力发展计划的重点，将是确定未来制造业必需的工作岗位、工人上岗所需的培训、工人适应岗位所需的工具。戴尔未来研