【工業互聯網研習社：構建工業互聯網認知體系】
編者按：為保持美國在製造業的領先地位，美國國家科學技術委員會下屬的先進製造技術委員會於2018年10月5日發佈了一份40 頁的《先進製造業美國領導力戰略》報告，提出了三大目標，展示了未來四年內的行動計劃。分兩篇解讀，本文為上篇。
作者：韓芳，上海集成電路技術與產業促進中心工程師
報告封面
《先進製造業美國領導力戰略》報告認為先進製造（指通過創新推出的新制造方法和新產品）是美國經濟實力的引擎和國家安全的支柱。報告主要內容包括如下三個方面。
一、影響美國先進製造業創新和競爭力的因素梳理
1、技術的快速發展與經濟力量的結合正在改變產品和服務的構思、設計、製造、分配和支持方式。製造業不應與研發，產品設計，軟件開發和集成系統，以及為向市場提供有價值的產品或服務而開展的生命週期服務活動等這一價值鏈分離，而應該彼此緊密結合，共同發展。
2、先進製造業的發展需要大力發展製造業技術及基礎設施。但近年來對製造業技術的私人投資大幅縮減，因為投資者關注的是通過基於軟件的初創企業實現投資的快速回報。有必要通過政府投資早期應用研究以及公私合作研發的方式來推動鼓勵私營部門在先進製造業的投資和創新。
3、可靠和可預測的知識產權是投資先進製造業的關鍵點。可靠的知識產權和法律體系，有助於有效執行這些權利，激勵創新，並鼓勵私營部門投資研發。對於先進製造業而言，對知識產權，特別是專利，商標和商業秘密的需求也很重要。
4、新興市場、進出口貿易都受到先進製造業的影響。新興市場受到包括智能和數字製造系統，工業機器人，人工智能，增材製造，高性能材料，半導體和混合電子，光子學，先進紡織品，生物製造，食品和農業製造等各種技術的推動。這些新興技術不僅有助於提高生產力使其他行業更具競爭力，而且其本身的市場每年將達數十億美元。國家如國際貿易管理局應提供資源幫助美國製造商進入國外新市場。
5、保護和推進美國工業的貿易政策對於美國先進製造戰略的成功至關重要。從美國出口的商品中，70％以上是製成品。公平貿易和互惠貿易可以促進經濟發展和製造業擴張，通過先進製造業投資開發的新產品可以產生新的出口機會。
6、製造業推動全球經濟發展。製造業與基礎設施發展、創造就業機會以及國內生產總值（GDP）增長密切相關。
7、堅實的國防工業基礎，包括具有彈性供應鏈的、創新和可贏利的國內製造業是國家頭等大事，對經濟繁榮和國家安全至關重要。因此必須不斷創新，以保持經濟競爭力，併為作戰人員提供在任何衝突中佔據優勢的能力。本戰略中確定的每個目標和優先發展事項都將支持製造業工業基礎，並可作為公共和私營部門投資的指南。
8、先進製造業勞動力需要在科學、技術、工程和數學（STEM）方面做好高水平的準備。STEM教育對未來美國勞動力的發展至關重要，因為其能為學生在教育和工作之間建立強有力的聯繫，避免教育和工作實踐脫節的問題。適當的STEM教育和培訓需要從小學貫穿到高中，到技術培訓計劃，再培訓，學徒，高等教育以及獲得有效的、行業認可的、基於能力的證書。
9、聯邦、州和地方政府必須共同努力，來支持先進製造業 。政府應通過投資研發、教育和勞動力發展，在促進先進製造業發展方面發揮關鍵作用，採用多種途徑促進先進製造業等新興技術蓬勃發展：包括直接投資早期研發，建立有利於創新的政策如限制繁文縟節、允許在美國本土創建和部署技術，建立保護知識產權並確保美國公司在國際市場上公平競爭的貿易政策，具備世界一流的實驗室和研究設施，以及努力培養強大的科學和技術人才等。並且，政府投資要注重通過公私夥伴關係，技術轉讓活動，各方協調以及協作勞動力發展計劃在研究和商業化之間建立創新渠道。
二、目標和任務
三大目標為：
- 開發和轉化新的製造技術
- 教育、培訓和集聚製造業勞動力
- 擴展國內製造供應鏈的能力
針對每個目標，報告確定了若干個戰略目標、相應的一系列需要優先發展的任務。針對每個戰略目標還指定了負責參與實施的主要聯邦政府機構。
美國先進製造業戰略計劃概覽
三、戰略計劃的著力點
開發和轉化新的製造技術是實施戰略計劃的著力點，涉及五個方面：
1、未來智能製造系統
- 智能與數字製造
行動計劃：將大數據分析和先進的傳感和控制技術應用於大量製造活動，從而促進製造業的數字化轉型。優先支持生產機器，流程和系統的實時建模和仿真，以預測和改進產品性能和可靠性；挖掘歷史設計，生產和性能數據，以揭示創建它們的專家設計者的隱含產品和工藝技術。制定標準，實現智能製造組件和平臺之間的無縫集成。
- 先進工業機器人
將受益於下一代機器人技術的主要工業部門有航空航天，汽車，電子，生物技術和紡織品。
行動計劃：促進新技術和標準的開發，以便在先進的製造環境中更廣泛地採用機器人技術，並促進安全和有效的人機交互。
- 人工智能基礎設施
雲計算，數據分析和計算建模與人工智能（AI）的融合將成為工業互聯網的關鍵推動因素，製造商可從其他每個製造商的集體經驗中提取精確指導。機器學習可以為未來的製造系統提供從類似系統的生產經驗中獲得所有歷史知識的益處。
行動計劃：制定人工智能的新標準並確定最佳實踐，以在行業內和跨行業提供一致的可用性，可訪問性和製造數據效用，同時保持數據安全性並尊重知識產權。優先考慮為美國製造商研發數據訪問，機密性，加密和風險評估的新方法。
- 製造業的網絡安全
需要開展新的研究工作來制定或更新標準和指南，以實施製造系統中網絡安全的新興技術，包括用於威脅檢測和處理的AI，用於敏感製造信息安全的區塊鏈，以及部署在智能製造中的工業互聯網設備的安全性系統。最近開發的量子器件已經顯示出容易滲透傳統安全措施的潛力。因此，需要在傳統和量子域中採用新的網絡安全方法。
行動計劃：制定標準，工具和測試平臺，並傳播在智能製造系統中實施網絡安全的指南。重點著力於促進美國製造商有更好的網絡安全。
2、先進材料和加工技術
- 高性能材料
使用高性能計算預測材料行為這一新方法將促進降低高性能產品的成本，及提高低成本產品的性能。例如材料基因組計劃中的先驅計算方法通過計算先進材料系統在加工和使用中的可能屬性，可最大限度地減少目前設計新材料所需要的昂貴且耗時的實驗。
行動計劃：在材料設計，優化和應用方面，促進材料基因組和系統級計算方法的採用，以顯著減少高性能材料的識別，開發，鑑定和縮放生產的設計時間和成本。
- 增材製造（Additive Manufacturing）
增材製造（AM）指使用三維（3D）印刷和相關技術直接創建結構的能力。AM在製造行業的應用取決於能否可靠地設定加工參數，從而在不同機器和不同地點之間產生可靠和可重複的生產，需要機器/工藝標準化和可靠的組成材料質量。AM創造了一種新的設計範例，設計人員必須學習如何將AM技術融入未來的系統中以保持競爭力。
行動計劃：繼續推進過程控制和過程監控，以確保AM技術成為可行的生產替代方案。開發新方法來衡量和量化材料和加工技術之間的相互作用，以更好地理解“材料—工藝—結構”關係。建立新標準以支持AM數據的表示和評估，以確保零件質量和可重複性。擴大研究工作，以建立將計算技術應用於AM的最佳實踐，包括模擬和機器學習。
- 關鍵材料
包括關鍵礦物在內的關鍵材料是許多先進技術面臨供應風險的關鍵組成部分，這些技術支撐著美國的能源生產，國防技術，製成品和整體經濟。然而，許多關鍵礦物的生產集中在少數幾個國家，缺乏強大而富有彈性的國內生產造成了明顯的供應鏈脆弱性，造成價格飆升和供應中斷的風險，威脅到經濟和國家安全。
行動計劃：推進經濟高效的加工和分離技術，降低生產成本。通過研究可能的材料替代品，減少對關鍵材料的依賴，並通過創新制造工藝開發回收關鍵材料的方法。這將增強美國以經濟實惠的方式開採，加工，精煉，回收和替代關鍵材料的能力，並減少了對外國資源的依賴，確保了製造商的材料可用性。
3、美國製造的醫療產品
- 低成本，分佈式藥物製造
雖然美國製藥業已轉向具有更高的複雜性和市場價值的生物製作的先進療法，一些通用藥物已外包至印度和亞洲。但考慮到外國供應不上時可能產生潛在的國家安全風險，以及公共衛生需求，仍需要推動製造業創新，以加強那些公共衛生價值高但商業價值低的藥品和生物製劑的國內生產能力。
行動計劃：擴大國內藥物生產能力，以減少藥物短缺的風險，並提供具有成本效益，小規模的藥物和生物製劑生產。通過提供從實驗室到診所的更快的生產途徑，鼓勵開發新的療法和設備。
- 連續製造（CM）
藥物製造傳統上是大批量完成的，每批次都要進行大量測試，以確保最終產品的質量始終如一。在批量生產中，原材料成分或加工的任何問題都可能導致整批藥物報廢或導致昂貴的產品召回。
連續製造（CM）是將製造過程元素集成到一個計算機控制系統中，當原材料輸入並流過製造過程時，該系統會不斷調節產品流和進行必要的回收。CM是特種化學和製藥生產的新生產範例，可提高產品的均勻性，增加可持續性，並實現使用更小，更高效的生產基地生產更多種藥品和關鍵特種化學品的靈活性。CM還可以縮短生產時間，實現小批量的特種藥物和按需生產商品藥物。但CM的應用還存在很多挑戰，採取措施實現藥品和特種化學品的持續生產是國家的首要任務。特別是，CM需要研究克服將傳感器、處理硬件與控制軟件集成的技術挑戰，從而達到計算機可從毫秒到毫秒的持續驗證產品質量。
行動計劃：開發新方法，將當前以“以批次為中心”的製藥生產轉變為無縫集成的連續單位運營製造生產模式，以保持一致的產品質量。
- 生物組織與器官制造
確保醫療保健和生物安全技術優勢的最大挑戰是將聯邦政府資助的研發突破轉化為可製造的，可擴展的產品，並保留美國境內相關的先進製造設施和專業知識。為可重複和可擴展的組織製造開發流程和平臺技術應該是主要關注點。
行動計劃：制定標準，確定起始材料，自動化製造流程，以增強生物製造技術，並提出利用患者自己的細胞推進人造組織和器官的願景。
4、領先集成電路設計與製造
- 半導體設計工具和製造
需要建立半導體代工廠和相關的設計工具，以使美國的設計者能夠獲得在先進半導體材料研究中電路設計試驗和商業化所需的製造服務。
行動計劃：優先考慮確保在國內保留和製造新微電子技術的能力投資。從原型設計階段開始，研究提供靈活製造能力的方法，以創建新器件和測試新材料。建立更多使用設計工具和國內微電子製造廠的模式。
- 新材料、器件和架構
摩爾定律達到極限後，需要進一步開發新技術以尋求持續的性能提升，包括3D系統級芯片集成，隧道場效應晶體管，自旋電子學，集成光子學，III-V化合物半導體與硅基器件的集成，以及量子信息系統。板級技術也是一個優先事項，包括集成電子設備的3D打印，芯片鍵合柔性混合電路（die-bonded flexible-hybrid circuits）和卷對卷製造技術。研究還應包括精確傳感（包括時間，空間，重力和電磁），健康和資產監測傳感器，光伏和醫療設備。最後，對量子計算投資依然是優先事項，其是在未來複雜的電子設計和計算能力中保持全球領導地位的關鍵。
行動計劃：優先支持半導體和電子產品研究，並擴大投資範圍以包括板級製造技術。
5、糧食與農業製造業
- 食品安全與加工、測試和可追溯性
先進製造業在農業生產，食品加工和食品安全方面發揮著重要作用。食品供應的安全至關重要，需要改進食品生產實踐，以減少不確定性，改進檢查，並將可追溯性灌輸到供應鏈中。採用新技術來簡化和提高傳統制造工藝的質量，改善食品生產，進而有可能提高食品質量，降低安全和營養食品的成本，並改善食品生產的環境可持續性。
行動計劃：促進智能和數字製造概念應用到食品製造，包括使用數字成像，自動化，高級檢測和數字線程來改善供應鏈的完整性。
- 糧食安全生產和供應鏈
必須將糧食安全視為國家安全的一個重要方面，以加強獲得可持續農業和營養食品的機會。先進的食品製造可以幫助保持美國食品供應的高安全性，質量和營養價值。相關的聯邦機構將密切合作並參與公私合作，通過共同投資加速食品製造業的發展。
行動計劃：通過確保有效和公平分配的強大供應鏈，支持加強國內糧食生產。 實施下一代質量控制系統，確保所有美國公民都能獲得營養安全的食品。
- 改善生物基產品
對於各種非食品農產品，包括紡織品，建築材料，生物能源和生物基化學品和材料，需要新的製造方法來降低成本並改善這些產品的功能。創新優先事項包括多產品生物精煉廠，纖維素納米材料，增值林業產品，受保護農業和其他技術。還有一些對於食品和非食品應用同樣重要的製造優先事項，例如從植物育種的數學優化中提高種子產量，提高工廠生產力和彈性，降低加工和轉化成本，確保工人安全，並提高整個供應鏈的效率。
行動計劃：在植物育種，基因組學和生物基產品開發的交叉合作處進行研發。調整高通量自動化，以開發和篩選植物特性，例如提高增值產品的產量，提高區域適宜環境中的作物恢復能力。
四、幾個關注點
戰略報告指出將通過促進美國製造技術開發和轉化、培育勞動力及擴展國內製造業供應鏈能力來擴大美國製造業就業，確保國防工業基礎和繁榮經濟。並明確提出要採取貿易保護政策促進製造業發展，雖然這一條並未在報告中展開，但在中美貿易摩擦日益升級的現狀下，這是一個值得注意的信號。
報告提出不應再把製造業與產品開發整體價值鏈分離，而是共同發展。並且在優先開發和轉化的技術中不只關注智能製造、人工智能、工業互聯網、先進材料、連續製藥（CM）、半導體等先進技術，也強調了普通藥品、關鍵材料、食品及農產品等技術的重要性。這一態度表明為擴大就業及保證國內供應鏈安全，美國不再只關注有更高利潤的產品設計及高端製造技術，也開始重視一般/低端製造業在其國內的發展。
針對目前私人投資熱衷於投資基於軟件等投資回報快的初創企業，不願意投資製造業的問題，報告提出要通過政府投資早期應用以及公私合作等方式鼓勵私營部門在先進製造業的投資和創新。報告還強調了知識產權對製造業的重要性，認為可靠的知識產權和法律體系才能有效激勵私營部門投資研發製造業。這也是我國在發展製造業時值得深思和採取積極有效措施去改進的方面。（責任編輯：沈躍棟）
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