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1大数据时代的机遇与挑战邬贺铨中国工程院2012.11.07大数据应用的价值大数据时代的机遇与挑战2大数据与产业变革大数据时代的挑战大数据技术的发展智能化制造的前景三大技术变革大数据时代。iPhone手机的运算能力能让上世纪70年代的IBM主机自愧不如。互联网正演变为“云”网络———一个由数以千计的数据中心组成的网络，每一个数据中心都可以让1990年的任何一台超级计算机看上去像是洪荒年代的产物。惊人的数据处理能力使以往无法想象的服务和业务成为了可能。智能化生产。这是一个近乎完美的计算化设计和制造的时代，它将令我们制造产品的方式产生巨大改变，而这个时代的决定性力量将是高素质人才而不是廉价劳动力。无线网络革命。无线连接的成本快速下降，其意义如同电报和电话刚刚出现所带来的深远影响。结合云计算，无线技术给所有地点的几乎所有人带来了低成本的连接、信息和处理能力。3－－－美国《华尔街日报》网站2012年2月22日文章：科技引领的繁荣即将到来智能化制造的前景4BusinessCustomersFINERPEAMEquipment&AutomationHRWMST&ASuppliersLean/CITMSHMIMISched产品Productionetc.CAMQualityMPMCRMCAD运行设施OperationsInfrastructure企业设施EnterpriseInfrastructureSCM第三代(集成应用。设施与连接性)第二代MESMES第一代MES(Standalone,产业特定应用)(应用的集合)第四代面向服务体系（运营管理）生产制造企业的工具软件5供应侧客户侧企业侧支持设计信息化推动制造技术发展柔性化制造20世纪60-80年代机床流水线CNCFMCFMS机器人自动仓储CADCAMMRPIICEERPSCMCRMECAM智能化制造20世纪80-90年代网络化制造2000--?刚性化制造20世纪初-60年代FlexibleManufacturingSystemRigidManufacturingSystemSmartManufacturingSystemNetworkManufacturingSystem绿色化制造2010--?全球化制造2000--?GreenManufacturingSystemGlobalManufacturingSystem信息网络技术的广泛应用不断推动生产方式发生变化，柔性制造、网络制造、绿色制造、智能制造、全球制造日益成为生产方式变革的方向－－胡锦涛，在两院院士大会上讲话，2010.06.07规模化生产生产线&自动化灵活制造计算机网络控制与机器人计算机集成制造CAD/CAM,DNC&机器人精益制造全面质量管理与工程工具精准制造TQM,MRPII&工程工具并行工程CAX&engineeringtools敏捷制造数字化制造数字化企业6来源：杭州汽轮动力集团有限公司国家级技术中心主任/副总经理叶钟杭汽与浙江大学机械系全面合作开发汽轮机数字样机数字样机7数字化制造指的是全生产周期生产数据管理（PLM)工具的集合，它支持制造的流程设计、工具设计、厂房布局和通过许多虚拟仿真工具实现虚拟化，允许制造工程师验证和优化制造过程。数字化制造8智能化制造智能制造装备是具有感知、分析、推理、决策、控制功能的制造装备，是先进制造技术、信息技术和智能技术的集成和深度融合。它将传感器及智能诊断和决策软件集成到装备中，由程序控制的装备上升到智能控制，使制造工艺能适应制造环境和制造过程的变化达到实时优化，以最佳保证和最优提升产品的质量和生产效率。9蒸汽时代电气时代数控时代智能时代机械制造技术的发展动力装置动力装置传动装置计算机控制系统伺服驱动系统工作装置测量信息反馈输入信息电气化＝加工装备+电机数控化＝机床+电脑智能化＝数控机床+智能控制传感器先进制造业“先进制造业是指通过科学、工程和信息技术的使用，高精密的工具和方法，高素质的劳动力，以及创新的商业或组织模式，来改善现有的或者创新全新的材料、产品和流程”。先进制造业的典型特征：具有大规模生产效率和定制生产的灵活性；“智能”或“敏捷”的制造系统，提高了计算的可预见性和运营效率；能最大限度地减少资源的使用，同时维持或优化成本结构和性能。在未来20年最有潜力从根本上改变制造业的领域：半导体；先进材料（重点是综合计算材料工程领域）；添加制造技术（例如3D打印）；生物制造（重点是合成生物领域）10（三维打印）11反射镜数据投影仪放大镜升降机带3D聚合物的烧杯3D打印将设计好的产品切成一层一层的2D平面图，通过一个像打印机的机器，用层层叠加的材料的方式，逐一用激光烧结便成为产品。添加制造（三维打印）123D打印可用的材料有塑料、陶瓷、金属等添加制造的影响传统的制造通过切削等将大块原料加工为产品，这是“减法制造”，而3D打印是“加法制造”，加工过程没有废料，这是节能和环境友好的生产方式。只要开发出可用来印刷产品的复合材料并精细化设计，可实现个性化生产，适用于设计样机，加快新产品投入市场的速度。3D制造为发达国家夺回制造业提供了竞争优势，对作为制造大国的中国将是严峻挑战。13美国先进制造伙伴关系计划中的材料基因组计划（MaterialsGenomeProject）14人类基因组计划材料基因组计划人体的基因排列决定了人体机能材料中的原子排列和显微组织决定了材料的性能测定、分析和储存人类基因组图谱寻找和建立材料从原子排列到相的形成到显微组织的形成到材料性能与使用寿命之间的相互关系成功的关键:高通量快速的实验方法生物信息学成功的关键:高通量材料理论计算与模拟高通量快速的实验合成与测试材料性能数据库和信息学材料基因组工程2011年6月24日，美国总统奥巴马宣布了“材料基因组计划”。其目标是通过高通量的计算模拟，结合实验和计算数据，把发现、开发、生产和应用先进材料的速度提高一倍，复兴美国制造业和保持全球竞争力。材料基因工程就是通过材料性能扫描测试平台、材料超级计算平台和材料设计性能数据库和信息平台，寻找和建立材料从成分—原子排列—相—显微组织—材料性能—环境参数－使用寿命等之间的相互关系。材料基因工程把材料研发从传统经验式的‘炒菜’提升到科学设计，大大加快材料研发速度、降低研发成本、提高材料设计的成功率。例如应用计算机在合金全息数据库中按目标性能寻找合金成分和组织设计方案，开发出新的合金材料。15材料的编辑和合成+通过计算机自动控制和指令语言决定反应通道并直接将分子和纳米装置实现原子精度的集成16数字成型原生的材料产品颠覆性技术－－石墨烯石墨烯是单层二维晶体其碳原子呈蜂巢晶格排列。石墨烯是目前最薄且最硬的纳米材料，几乎完全透明；导热系数高达5300W/m*K，常温电子迁移率超15000cm2/V*s，电阻率仅10-6Ω*cm，比銅或銀更低。石墨烯目前在中国市场上价格超过2000元/克。中国石墨储量占世界70％，要吸取稀土材料出口的教训，在节能化的石墨烯制备方法上力求突破，获得出口高附加值。应用领域：高频电路、光子传感器、光电化学电池、、超轻型材料等基于石墨烯开发出新型储能设备，可将充电时间缩短到一分钟，将引发现有电池行业的根本性变革；利用石墨烯的聚光能力开发光敏器，一秒钟内下载一部高清电影；石墨烯还是目前已知的最好超导材料和导热材料，可用在光伏或光热产业17颠覆性技术－－超材料“超材料（Metamaterials）”被2010年的《Science》杂志列为过去十年的十大科技突破之一。超材料是指一些通过对物理尺度上的结构有序设计，获得天然材料所不具备的超常物理性质。它的介电常数、磁导率可为正、零、负、无穷小或者无穷大的人工材料，它具有许多奇异的电磁特性，例如，负折射、完美透镜、逆多普勒效应等。在通信、雷达和隐身材料等方面有重要应用。18未来可能的颠覆性技术－－合成生物学技术合成生物学被美2010年12月《科学》杂志评为十大科学突破中第2位。与传统生物学通过解剖生命体以研究其内在构造的办法不同，也与基因工程把一个物种的基因改变并转移至另一物种的作法不同，合成生物学引入工程学的模块化概念和系统设计理论，设计出以DNA编写的语言，通过将标准化处理的DNA片段组合，能够制成具有生命及繁殖力的活细胞，就像编写电脑程序或制造机器人那样，从而改造和优化现有自然生物体系，或者合成具有预定功能的全新人工生物体。合成生物学应用现代化学品（包括手性药物和材料化学品）医药（如治疗和监测新型分子机器的设计）农业（如抗逆、固氮）环境（如污染物检测和降解）19第三次工业革命引领智能制造一种建立在互联网和新材料、新能源相结合的第三次工业革命即将到来第三次工业革命将迎来制造业的数字化，且会扩散到其他领域。未来20年最有潜力从根本上改变制造业的领域：半导体；先进材料（重点是综合计算材料工程领域）；添加制造技术（例如3D打印）；生物制造（重点是合成生物领域）20一种建立在互联网和新材料、新能源相结合的第三次工业革命即将到来，它以“制造业数字化”为核心，并将使全球技术要素和市场要素配置方式发生革命性变化。－－保罗麦基里，英国《经济学家》杂志工业革命与工业化18世纪中叶机械化的工业化21世纪初期信息化的工业化20世纪40年代自动化的工业化19世纪30年代电气化的工业化100年70年70年智能化的工业化第一次科学革命16世纪中～17世纪末20世纪初第二次科学革命第一次工业革命第二次工业革命第一次技术革命第二次技术革命第三次技术革命第三次工业革命21构建新的世界观和方法论揭示微观粒子、宏观宇宙、生命本质哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿、法拉第、麦克斯韦、门捷列夫、达尔文爱因斯坦提出相对论、沃森和克拉克发现了DNA双螺旋分子结构、图灵提出可计算理论、冯诺依曼提出计算机体系结构以蒸汽机的发明和应用为标志以电力和内燃机的发明为标志以信息技术，以及核能、航天、新材料和生物技术等的重大突破为标志英国的兴起美国的崛起德国的领先投资驱动创新驱动技术驱动奥巴马的“美国创新战略”国家优先项目的突破（2009.9.21）发动清洁能源革命支持先进运载技术驱动在保健的信息技术方面的突破应对21世纪的大挑战2011年2月发布5个新的行动计划无线网络计划专利审批改革计划教育改革j计划清洁能源计划创业美国计划美国2011～2012年重新发布《国家创新战略》，并配套了《重振制造业框架计划》《奥巴马—拜登新能源计划》《国家宽带计划》《国家太空政策》《国家生物质能滚动发展计划》《先进制造业伙伴关系计划》（其中包括《材料基因组计划》）《大数据研究和发展倡议》22欧盟的优先研究领域欧盟2010年3月公布《欧洲2020战略》，提出三大目标：以知识和创新为基础的智慧增长；以提高资源利用效率、发展绿色经济和强化竞争力为内容的可持续增长；以提高就业率和消除贫困为目标的包容性增长；优先发展领域－－信息技术、节能减排、新能源、先进制造、生物技术等。应对社会挑战－－保健与民主食品安全与生物经济安全和清洁高效能源绿色智能综合交通RAW材料的供给资源效率与气候变化包容、创新与安全社会欧盟的2020计划23创造产业领先与竞争架构－－产业技术领先（ICT；纳米、材料、制造；生物技术；空间）金融风险管理中小企业的创新基础研究－－前沿研究未来新兴技术技艺与职业发展研究设施发达国家制订发展新兴产业战略法国制定《振兴工业计划》，提出在未来5年使法国工业产值提高25%以上，近期发布了《数字法国2020》，发展固定和移动宽带、推广数字化应用和服务（特别是电子政务）、扶持电子信息企业的发展。德国先后出台《国家可再生能源行动计划》、《国家电动汽车发展计划》、《纳米技术