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全球智能制造产业前瞻
上海市科学学研究所 科技发展研究中心 2018/05/03

  随着新一代信息技术向制造领域的加快渗透,现代工业信息化发展已迈入智能制造的历史新阶段,可穿戴设备、机器人、人工智能、智能医疗、智能汽车等正在成为行业热词。信息技术取代传统制造技术成为了产业的核心价值来源,智能化时代已悄然来临。

  智能制造不仅仅是单一的先进技术和设备的应用,还是新模式的转变。相对于传统制造,智能制造具有各方面的优势。首先,仅就制造的机器和系统本身而言,智能制造机器或系统具有越用越好用的优势,改变了传统的机器或系统在使用中性能不断退化的缺陷。其次,智能机器或系统具有容错功能,即使环境异常或使用有错,智能机器或系统仍然能够正常工作。这将大大改善生产的效率,提高产品质量。传统的生产决策要在成本和质量之间进行一个平衡选择,智能制造可以实现质量和成本的协同兼顾。此外,从产业运作模式来讲,智能制造还具有生产模式高效灵活、产业链有效协作与整合、生产与服务结合更加紧密等优势。

  智能制造已成为世界制造业发展的客观趋势,世界上主要工业发达国家正在大力推广和应用。

  一、全球市场呈爆发式增长

  智能制造的概念早在20世纪80年代末就已经被提出,但是发展缓慢。进入21世纪后,伴随着智能制造的技术和成本条件日趋成熟、资源环境压力加大、劳动成本上升等因素的综合影响,智能制造市场近年来在全球出现了爆发式增长。

  国际金融危机之后,为了刺激本国经济增长,重新塑造在实体经济领域的竞争力,许多发达国家都实施了一系列国家战略,例如美国的“先进制造业伙伴计划”、德国的“工业4.0”计划、日本的“再兴战略”等。这些战略无疑都瞄准了智能制造领域,预示着智能制造产业将成为各国应对新一轮全球竞争的重点。在各国政策积极推动下,智能制造产业发展将掀起一波浪潮。集邦公司(Trend Force)旗下拓墣产业研究所预估,2018年全球智能制造及智能工厂相关市场规模将达 2500 亿美元。

  由中国经济信息社指数中心编发的《全球智能制造发展指数报告(2016)》中指出,从发展格局来看,传统的制造业强国依然呈现较强的竞争实力,而亚洲等新兴经济体在世界工厂时代的积累也呈现出较大的竞争优势。当前,以中国为代表的制造业转型升级,与美国、欧洲等发达国家“重振制造业”的政策方向形成共振,这使得智能制造的世界格局处在一种快速发展的动态平衡中。

资料来源:拓墣产业研究所,Jan,2016
表1 2016-2018全球智慧制造市场规模
 
  二、全球智能制造产业投资的五大热点

  智能制造实际是信息技术与制造技术的融合发展,智能制造产业的发展一方面要推进产品的智能化生产,同时要不断的制造出智能化的产品。

  一般来讲,生产智能化的实现要经过三个阶段,第一阶段是大力的推行机器换人,实现制造的自动化、信息化;第二阶段,通过工业互联网的建设、传感器等技术及产品的应用,建立工业物联网,实现机器设备的互联化;第三阶段,通过人工智能的开发,机器视觉、人机交互、大数据等技术的应用,真正实现制造的智能化。依据迈肯锡“展望 2025?决定未来经济的 12 大颠覆技术”报告,结合近几年全球智能制造产业发展的大趋势,我们认为关于智能化生产领域凸现出四大热点板块,即智能制造真正的产业竞争制高点——人工智能、整个智能制造得以实现的硬件基石——工业物联网、智能制造最基础的智能元件——机器人,以及个性化、精密制造的推手——3D打印。

  而对于智能产品方面,依据迈肯锡“展望 2025?决定未来经济的 12 大颠覆技术”报告,排名第六的智能汽车无疑也是智能制造产业发展的热点之一,智能汽车的发展和应用必定会带来交通领域的重大变革。同时人工智能、机器人也将会随着技术和产品日益成熟,广泛应用于服务和消费领域,为人类的生活提供极大的便利。

资料来源:迈肯锡
图2 至2025年的预估潜在经济影响上下限(万亿美元)
 
  1、人工智能AI

  最近几年来,随着更多的数据、更快的硬件以及更实用的算法出现,深度学习及其底层技术框架神经网络取得了极大的发展,人工智能也因此迎来了一个重要的拐点。2016年谷歌 Alpha Go 的人机围棋世纪巅峰对决胜利,人工智能再次引来全球聚焦。人工智能热潮席卷全球,各国政府、IT 产业巨头纷纷加强布局。

  2016 年美国白宫成立了人工智能委员会,用于协调全美各界在人工智能领域的行动。美国交通部宣布历时 10 年投资 40 亿美元的提案,旨在实现无人驾驶汽车上路。日本从 2016 年开始执行“第五期科学技术基本计划”,投入约 26万亿日元的研发经费,重点研发物联网及人工智能系统。2016 年我国也发布《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》,预计到 2018年形成千亿级的人工智能市场应用规模。

  人工智能的快速发展和在工业领域的应用,将会带动制造产业的全面转型升级,真正实现制造的智能化。人工智能在服务和消费领域的应用,将会对人们的生活产生颠覆性的影响。根据研究机构Tractica的预测,2016年全球人工智能收入预计将达到6.437亿美元,到2025年将增长至368亿美元。

资料来源:Tractica
图3 2016-2025年全球市场人工智能收益(单位:亿美元)
 
  人工智能新创公司也在不断涌现,吸引投资人的资金。据Venture Scanner统计,2014年人工智能领域全球投资额为10亿美元,同比增长近50%。2015全球人工智能公司共获得近12亿美元的投资,这个数字放在过去20年全年投资总额来看,已经超过了其中17年全年投资总额。2014年风险投资领域共完成40笔交易,总金额高达3.09亿美元,同比增加302%,预计2020年全球人工智能市场规模预计超千亿。

  而从技术上来讲,机器视觉已经成为最吸引投资的人工智能方向。根据艾瑞咨询统计,目前在人工智能领域,超过一半的技术类企业投资是在计算机视觉方面。

资料来源:艾瑞咨询
图4 55%的人工智能技术类企业投资集中在计算机视觉领域
 
  知名投行高盛指出在未来的几年中,一个公司利用人工智能技术的能力将成为体现公司竞争力的重要指标,如果公司忽略人工智能的应用和发展,那么未来产品创新、劳动效率和资本杠杆都会存在落后的风险。由此可见,人工智能正在改变着我们的产业竞争格局。

  2、工业物联网

  物联网就是“物物相连的互联网”,被称为是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次浪潮,它是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

  物联网一方面可以提高经济效益,大大节约成本;另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度关注、重视物联网的研究,工业和信息化部会同有关部门,在新一代信息技术方面正在开展研究,以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。

  当前快速的信息化为万物相连的物联网世界奠定了基础。2011 年,仅有 100 亿设备接入到网络上,2016 年 260 亿左右,Cisco 认为 2020 年全球互联的设备数量可达 500 亿,其中一半以上都是工业设备,工业设备的物物相连增速迅猛,未来工业物联网将作为非常重要的分支展现出,可预见将来工业物联网会保持可持续高速的增长。IDC 预测届时物联网系统产生数据在整体数据中占比将提升至 10%,这意味着未来创造数据的主角从人类扩展到设备,这些数据将具有巨大的经济价值。

资料来源:Cisco
图5 互联设备数量预测(单位:十亿)
 
资料来源:IDC
图6 物联网系统积累数据占比将逐年提升
 
  物联网可应用的范围几乎覆盖了各行各业,在交通、工业、零售、智慧城市等多个领域,对物联网都有较大的需求,发展物联网并将其应用于这些行业,必然将产生巨大的经济效益。麦肯锡报告指出全球物联网产业到 2020 可达到万亿美元的市场规模,到 2025 年,物联网(Internet of Things, IOT)带来的经济效益将在2.7 万亿到 6.2 万亿美元之间。

  随着物联网的快速发展,作为物联网的关键部件——传感器的市场需求也将大幅增加。根据 BCC Research 的数据,2015 年全球传感器市场规模为 1019 亿美元,预计 2016-2021 年的复合增长率为 11%,到 2021 年将达到 1906 亿美元,传感器的市场空间极为广阔。

资料来源:BCC Research
图7 2015-2021年全球传感器市场规模及增速
 
  3、机器人

  机器人的发展和应用将对人类生活产生颠覆性影响,发展想象空间巨大,近些年,欧盟提出SPARC计划,这是全球最大的民用机器人研发计划,日本也指出机器人将会带来产业革命,到2050年要靠机器人拯救日本经济。

  随着人类文明的进步,智能化成为未来工业发展的必然趋势。工业机器人是智能装备的重要基础。机器人替代人工生产是未来制造业重要的发展趋势,是实现智能制造的基础。近年来,在全球范围内,自动化设备替代人力劳动生产的趋势不断推进,自动化设备销售量逐年提高。2001 至2014 年期间,全球工业机器人年销售量由78,055 台/年上升到229,261 台/年。

资料来源:IFR
图8 2001-2014年全球机器人销量(台)
 
  全球机器人市场规模不断扩大,亚洲成最大市场:据国际机器人联合会(IFR)统计,2015年全球工业机器人销量超过 24 万台,同比增长 8%。2006-2015 年,全球工业机器人销量年均增速约为 14%。亚洲成最大市场,中国、日本、韩国三个国家工业机器人市场规模占全球工业机器人销量的 47%。
 
资料来源:IFR
图9 全球工业机器人市场分布情况
 
  老龄社会的到来,使得人们对机器服务的需求猛增,这是移动时代人类需要的自然表达。当前全球服务机器人市场目前处于起步阶段,随着大数据、人机交互等先进技术快速发展,服务机器人发展前景广阔。

  根据 IFR 的统计,2014 年,全球服务机器人市场销售额约 59.7 亿美元,专业服务机器人 2014 年全球销量约为 2.42 万台;销售额 37.7 亿美元,销量同比增加 11.49%,销售额同比增加 5.6%。预计全球服务机器人市场规模2012-2017 年年复合增长率将达到17.4%,到 2017 年达到 461.8 亿美元,未来十年全球服务机器人市场需求超 1 万亿。

资料来源:IFR
图10 全球服务机器人销量
 
  4、智能汽车

  互联网时代诞生的新科技、新思维、新方法,让未来汽车火力全开,风起“云”涌,智能科技正在开启一个全新的未来汽车世界,这将是汽车产业面临的一场新的“革命”。

  目前全球智能汽车产业市场规模已突破300亿元,发达国家加快发展智能汽车抢占技术及市场制高点,美、德、日等智能汽车产业正处于快速发展阶段,谷歌、沃尔沃、博世等部分技术领先企业的有条件自动化驾驶汽车已开始路测。

  根据中投顾问的预测,2020年将成为无人驾驶汽车商业化元年,并从此进入爆发增长期。2025年全球无人驾驶汽车销量将达到约20万辆,2035年将达到约1100万辆,届时无人驾驶汽车保有量将达到约5000万辆,其中北美市场上的份额将达到29%,中国为24%,西欧为20%。预估其潜在经济影响 2025 年可高达 1.9 万亿美元,将成为极具诱惑力的市场。

资料来源:赛迪顾问
图11 2013-2016年全球智能汽车市场规模(亿元)
 
  目前, 谷歌、苹果、百度、三星和特斯拉等,均纷纷宣布将进军无人驾驶领域,而且其中不少企业还陆续公布了自家无人驾驶汽车上市时间表,智能汽车曙光初现,并正越来越受到互联网企业和传统造车企业的追捧。
 
资料来源:中投顾问
图12 主要厂商智能汽车上市时间表
 
  5、3D打印

  3D打印是增材制造技术,原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片,然后把打印材料按切片图形逐层叠加,最终堆积成完整的物体。他具有快速、节材、个性化设计等制造优势。

  3D打印是一项颠覆性的创新技术,他将引发生产模式的大变革,被美国自然科学基金会称为20世纪最重要的制造技术创新。据麦肯锡预测增材制造2020年可达到5500亿美元的效益。

  随着技术体系的完善、应用领域的拓展以及产业链的形成,将推动全球3D打印市场实现爆发式增长。2014年,全球3D打印机市场规模达到 38.5亿美元,预计2018年,市场规模将增长到125.8亿美元。

资料来源:中投顾问产业研究中心
图13 全球3D打印市场规模
 
  三、智能制造产业发展的特点分析

  1、产业核心技术领域的竞争博弈白热化

  产业界,谷歌、微软、 IBM、 Face book 等企业凭借自身优势,积极布局人工智能的核心技术领域。各大企业通过加大研发投入力度、招募高端人才、建设实验室等方式加快关键技术研发;此外,各大企业还积极开放、开源技术平台,布局人工智能芯片等,力图掌握人工智能时代的主动权。谷歌开源了人工智能基础平台 Tensor Flow;Face book 开源了人工智能基础平台 Torch net;微软开源了人工智能基础平台 DMTK;IBM 开源了人工智能基础平台等。

  此外,百度、Google 正在研发自动驾驶汽车、Deep mind 人机博弈;IBM 投资 10 亿美元组建 Watson 人工智能部门,在医疗、金融、政府决策等领域推广应用;微软推出聊天机器人小冰和人工智能助理小娜;Face book 专注于人工智能助理、图像视频识别等技术;百度开发无人驾驶、语音识别等人工智能多领域的应用产品。竞争进入白热化阶段。

资料来源:蛋壳研究院
图14 研发领域各大巨头的重要行动
 
  2、智能制造领域的投资与并购如火如荼

  人工智能领域,Google 成并购创业公司最活跃的收购巨头。当前,全球范围内人工智能产业化应用蓬勃发展。谷歌、IBM、Intel、苹果、Yahoo 等国际巨头纷纷抢滩布局人工智能产业链,力图掌握人工智能时代的主动权。从 2013 年起,巨头对人工智能公司的并购呈现密集化趋势。Google 成为人工智能公司收购热潮中的领军者,自 2011 年起,Google 先后收购了近10 家 AI 领域的创业公司,Twitter 紧追其后,将 Magic Pony、 Mad bits、Whet lab 等公司收入囊中,而苹果公司和 Sales force 自去年开始以收购方式布局人工智能后各并购 3 家 AI 创业公司。此外,Intel、IBM、Yahoo 等也都在积极收购 AI 创业公司。

表1 收购人工智能创业公司最活跃的巨头排行榜

资料来源:CB Insights
 
    智能汽车领域投资并购也不甘示弱。日本软银收购了ARM;奔驰、宝马、奥迪收购HERE地图等。

  表2车联网领域投资并购

 
  风险投资也非常活跃:全球各个行业的顶级公司都对人工智能的投资非常积极。
 
表3各个行业对人工智能投资的顶级公司
资料来源:SPIDERBOOK
 
  3、智能制造产业投资风险与机会并存

  尽管从产业界、金融界再到政界,围绕着智能制造的行动热火朝天,但是我们不能不正视,智能制造领域的投资相对来说具有资金需求量大、周期长的特点,相伴随的风险也不可小觑。例如AI概念的诞生已经有60多年,一直进展缓慢,机器感知方面的核心技术攻坚战任务还很艰巨;在工业4.0方面,德国作为概念的提出者和产业的引领者,目前工业的发展还处在3.8的阶段,尽管已经靠近目标了,但是他们对于如何升级到4.0也同样生疏,德国认为工业4.0至少还要10~15年;此外关于物联网的发展产业界也颇有争议,商业模式和工业数据安全问题是物联网能在全球蓬勃发展和应用所绕不过去的重要的坎,等等。

  智能制造产业的投资机会与风险并存,我们相信,近些年产业界、金融界及各国政府的高度关注定将助力智能制造产业的跨越式发展,可以预见,在不久的将来,智能制造将开启人类生活的新篇章。

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