人工智能+制造业应用落地研究报告-创新奇智&中国信通院-37页

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人工智能+制造业应用落地 研究报告 （2024 年） 创新奇智科技集团股份有限公司 中国信息通信研究院人工智能研究所 2024 年 12 月 1 前 言 制造业作为国民经济的基石，一直是推动经济增长和技术创新 的核心力量。然而随着全球化竞争的加剧和消费者需求的多样化， 制造业正面临着成本上升、效率低下和创新能力不足等多重挑战。 近年来，人工智能技术的兴起为制造业转型升级提供了强大的动力， 其在制造业全流程的落地有助于提升我国制造业的整体竞争力，使 其在全球市场中占据更加有利的地位。 自党的十八大以来，我国高度重视制造业与人工智能的融合， 正加速制造业与人工智能的融合进程， 旨在提升制造业效率、质量 和创新能力，促进产业链协同优化，构建开放共享的制造业生态， 为经济高质量发展和全球可持续发展贡献力量。 在此背景下，本报告深入剖析当前技术应用的现状，关键技术 创新方向， 以及行业应用的具体情况，通过制造业具体场景的典型 案例揭示人工智能如何助力制造业研发设计、生产制造、运营管理 和产品服务的全流程智能化升级。在此基础上对制造业人工智能的 未来发展趋势进行展望， 以期为相关政策制定者以及行业从业者提 供决策支持，共同助力我国制造业在人工智能时代的转型升级和可 持续发展。 目 录 前 言........................................................................................................................ 1 一、人工智能+制造业发展背景................................................................................4 （一）制造业是国民经济重要支柱，发展面临挑战 ..................................... 4 （二）人工智能赋能制造业具有重要意义 .................................................... 6 （三）全球主要经济体高度重视制造业人工智能发展 .................................. 9 （四）我国积极布局制造业人工智能发展 .................................................. 12 二、人工智能+制造业发展现状..............................................................................14 （一） 制造业人工智能技术应用情况 ......................................................... 15 （二） 制造业人工智能产业结构 ................................................................ 17 三、人工智能+制造业关键技术及应用...................................................................21 （一）研发设计环节 .................................................................................... 21 （二）生产制造环节 .................................................................................... 23 （三）运营管理环节 .................................................................................... 25 （四）产品服务环节 .................................................................................... 27 四、人工智能+制造业应用挑战..............................................................................29 （一）研发设计环节数据获取及整合困难 .................................................. 29 （二）生产制造环节场景复杂安全风险高 .................................................. 30 （三）运营管理环节组织制度滞后于技术变革 ........................................... 31 （四）产品服务环节需求变化快且差异大 .................................................. 31 五、人工智能+制造业发展趋势..............................................................................32 （一）设计研发环节通过自动化实现创新驱动 ........................................... 32 （二）生产制造环节通过人机协同实现高效化 ........................................... 33 （三）运营管理环节通过大小模型协同实现自动化 ................................... 33 （四）产品服务环节通过数据驱动实现精准化 ........................................... 34 图 目 录 图 1 大模型制造业应用场景图 ................................................................. 17 图 2 制造业人工智能领域产业结构 .......................................................... 18 一、人工智能+制造业发展背景 制造业作为现代经济的基石，反映了一个国家的工业化水平， 也是衡量其综合国力和国际竞争力的重要指标。 中国制造业是国民 经济的主体，其规模居于世界首位，是立国之本、兴国之器、强国 之基，承载着国家经济发展的重任。然而， 当前制造业面临着诸 多 挑战，包括技术更新缓慢、劳动力成本上升以及市场竞争加剧 等问 题。人工智能的引入为制造业带来了新的机遇和可能性，赋 能制造 业的转型升级。我国在这一领域积极布局，通过政策支持 和技术研 发，推动人工智能与制造业的深度融合。此外，全球主 要经济体也 高度重视人工智能在制造业中的应用，纷纷采取措施 促进相关技术 的发展与应用。 （一）制造业是国民经济重要支柱，发展面临挑战 制造业是经济增长的关键驱动力。中国的制造业崛起已经成为 全球经济的显著亮点，这体现了我国制造业的庞大规模，也反映了 制造业在技术创新、产业升级以及全球市场布局上的巨大进步。展 望未来，随着全球经济逐步复苏，制造业作为经济增长的基石，其 作用将进一步加强。 制造业是实体经济的重要支撑，是经济发展实现就业创造的重 要保障。改革开放以来，飞速发展的劳动密集型制造业成为我国就 业创造最重要的部门。我国制造业作为实体经济的核心支柱，在推 4 动经济增长、创造就业机会方面发挥了举足轻重的作用，制造业的 稳固发展不仅提升了我国经济的整体竞争力，也为社会的稳定和发 4 展提供了强有力的支撑。 如上所述，制造业在全球经济中扮演着至关重要的角色，然 而， 当前传统制造业正面临来自多方面的重大挑战，这些挑战无 疑对其 可持续发展能力及市场竞争力构成了显著影响。我国是具 有代表性 的制造业大国，在全球制造业市场中占据重要地位，下 面针对我国 制造业面临的挑战做出分析。 首先，制造业面临着劳动力短缺和技能差距的问题。随着人 口 老龄化和技术进步，制造业面临着技术工人短缺的问题。新技术的 应用需要更高的技能水平，而现有的劳动力培训体系和教育资源不 足以满足这些需求。从规模结构看，制造业劳动力总量在逐步下 降。 其次，许多传统制造企业的生产技术落后，难以适应现代制 造业高 效、灵活和智能化的要求。制造业企业在智能化转型过程 中会面临 研发投入不足、维护和运营成本高等挑战，造成企业智 能化转型技 术门槛高等问题。更新设备和引进新技术需要大量资 金，这对中小 企业尤为困难。此外，随着供应链复杂性的增加， 我国制造业在应 对物流、供应链风险以及突发事件方面面临着更 大的挑战。市场需 求的变化和波动性使得企业难以精确预测客户 需求，进而可能导致 生产计划与实际需求不匹配。 当市场需求发 生变化时，从销售商传 递到制造商，再由制造商传递给上游原材料 供应商的过程中，供应 链的信息传递和运作周期变长，从而加剧 了 “长尾 ” 效应 。同时， 全球化带来了更加激烈的市场竞争。来自 5 发展中国家低成本生产商 的竞争， 以及发达国家高技术、高附加 值产品的压力，使得传统制 5 造业企业必须不断提升自己的竞争力。 以东南亚等国为代表的发展 中国家劳动力和土地成本低、税收优势大，正在不断扩展制造业市 场。 同时，西方发达经济体促进高端制造业回流，而我国高端制造 业体系尚未形成。 （二）人工智能赋能制造业具有重要意义 在制造业面临诸多挑战的背景下，人工智能赋能制造业能够降 本提效，提高制造业产品质量，加速产品创新，提升我国制造业竞 争力。据埃森哲公司测算，到 2035 年，全球人工智能技术的应用将 使制造业总增长值增长近 4 万亿美元，年度增长率达到 4.4%。随着 人工智能技术的不断发展和应用，制造业将迎来更大的变革和发展 机遇。 1.人工智能促进制造业提高生产效率 人工智能能够显著提升制造业生产效率。首先，人工智能替代 大量人工工作帮助制造业提效。人工智能技术的引入使得制造业能 够实现高度自动化，减少对人力的依赖，从而提升效率。例如，在 无人矿卡的应用中， 自动驾驶技术替代了传统的人工驾驶，无人矿 卡能够实现 24 小时不间断作业，显著提高了作业效率。此外，通过 人工智能技术赋能质量控制，能够以远超人工质检的速度和分辨率， 显著提高生产效率。其次，人工智能能够通过优化已有生产流程， 帮助制造业提效。人工智能技术能够优化制造业研发设计、生产调 6 度、运营管理等流程，大幅缩短原有流程的时长。例如，人工智能 技术可以帮助企业实时监控和评估生产流程的效率，分析生产流程 6 中的瓶颈，从而调整资源配置，优化生产线布局，提高整体生产效 率。 同时，人工智能技术能够通过分析设备的运行数据，预测设备 故障的可能性，提前进行优化维护，从而减少设备故障导致的停机 时间，提高了生产线的整体效率。 2.人工智能促进制造业提高产品质量 应用人工智能技术能够有效提高制造业产品质量。一方面，人 工智能技术通过优化生产流程和智能控制能够显著提高制造业的产 品的良品率。人工智能技术能够实时监控生产过程并进行质量检测， 通过高分辨率摄像头和图像处理算法，AI 系统可以在生产线上自动 识别缺陷产品，确保只有符合标准的产品进入下一环节，显著减少 不良品的发生。另一方面，人工智能技术能够促进产品创新，满足 产品的个性化需求。人工智能技术能够通过分析大量市场数据、用 户反馈和产品性能数据，帮助企业识别潜在的市场需求和趋势。企 业可以根据客户的具体需求进行灵活生产，而不是依赖传统的大规 模生产模式。这种方式不仅提高了客户满意度，还增强了市场竞争 力。 3.人工智能能够帮助制造业实现绿色生产 人工智能赋能制造业能够通过降低原材料损耗等方式降低生产 成本，减少碳排放，实现绿色生产。首先，人工智能能够优化能源 使用。人工智能可以通过实时监控和分析工厂内各个环节的能耗数 据，识别出能源浪费的环节，并通过智能算法优化能源使用。例 7 如， AI 可以在设备闲置时自动降低其功耗，或者在能源价格较低 时安排 7 高能耗的生产任务，从而减少能源消耗。此外，人工智能通过对历 史能耗数据和生产计划的分析，人工智能可以预测未来的能源需求， 并优化能源的采购和使用，避免不必要的能源浪费。其次，人工智 能能够减少生产制造中的材料浪费。人工智能可以通过精确的生产 过程控制，减少原材料的浪费。例如，在金属切割或塑料成型过程 中，AI 可以通过优化切割路径或成型工艺，最大限度地利用原材 料， 减少废料的产生。 同时，人工智能可以协助废料管理和循环利 用， AI 可以帮助识别和分类生产过程中产生的废料，并优化废料的 处理 和回收流程，从而提高资源的循环利用率。 4.提高全球化进程中我国的制造业竞争力 人工智能的应用可以提高我国制造业的竞争力。一方面，将人 工智能应用到制造业可以提升我国在全球价值链中的地位。通过提 升制造业的智能化水平，帮助制造业企业实现生产过程的数字化， 推动我国制造业向更高端、更精细的方向发展，推动我国制造业实 现产业升级和转型。根据世界知识产权组织数据， 中国创新指数 已 从 2011 年全球第 29 位上升为 2023 年第 12 位。另一方面，人工 智 能的应用可以助力我国形成新的产业生态和经济增长点。通过 促进 制造业与其他产业的深度融合，打破产业的界限，催生众多 新兴的 交叉产业，为我国经济的高质量发展提供强大的动力。 当 前，新一 轮科技革命和产业变革加速演进，重大前沿技术、颠覆 性技术持续 涌现，科技创新和产业发展融合不断加深，催生出具 8 身智能、脑机 接 口、量子信息等新产业发展方向。我国具备工业 体系完整、产业 8 规模庞大、应用场景丰富等综合优势，为未来产业发展提供了丰厚 土壤。 （ 三）全球主要经济体高度重视制造业人工智能发展 各国政府纷纷提出并实施了针对制造业发展的前瞻性战略， 旨 在通过智能化、数字化、绿色化等技术革新提升制造业的竞争力。 同时加强本国在全球产业链中的地位，确保经济持续健康发展。 1.美国强化制造业根基，引领 A I 创新 美国于 2022 年 10 月 7 日发布的《国家先进制造业战略》标志 着其对国家制造业发展的前瞻性规划与决策。战略指出，制造业是 美国经济实力和国家安全的引擎，该战略针对中小企业投资、教育 体系建设、跨界合作关系、联邦投资及国家研发投入等关键领域设 定了战略目标，并强调工业互联网及人工智能应用的重要性。 目的 在于借助高度发达的工业互联网和人工智能技术基础，刺激经济增 长并创造高质量就业机会。2023 年 5 月 23 日，美国白宫发布《国 家人工智能研发战略计划》，该计划阐述了人工智能在制造业及多 个关键领域的战略价值。计划明确指出，AI 技术的研发将聚焦于破 解制造业复杂难题， 旨在显著提升生产效率与产品质量，加速产业 升级转型。 同时，强调国际合作机制的重要性，倡导全球携手应对 技术挑战，共同推动制造业技术创新与可持续发展。此外，计划还 着重提出加强劳动力技能培训与素质提升，为 AI 技术的广泛应用奠 定坚实的人才基础，确保技术进步惠及更广泛的社会群体。 9 这一系列措施构成了美国制造业与人工智能发展的坚实蓝图， 9 旨在通过技术创新与人才培养，巩固制造业基础，提升生产效率与 质量，同时促进国际合作，共同应对全球性挑战，推动制造业向更 高水平发展。 2.欧盟共同推进制造业数字化以及绿色转型 2020 年 3 月 1 日，欧盟委员会发布了《欧洲新工业战略》， 旨 在帮助欧洲工业向气候中立和数字化转型，并提升其全球竞争 力和 战略自主性。其确定欧洲需加大在人工智能的研究和资金投 入，并 推动制造业向绿色和数字化转型， 以应对气候变化和提升 竞争力。 另外还尤其强调中小企业在制造业中的重要性，提出减 少中小企业 的监管负担并提供更多的政策支持。2021 年，欧盟 委员会在工业 4.0 基础上提出工业 5.0，并制定了与之相匹配的一 系列政策框架， 明确将其设定为未来 10 年制造业人工智能发展的 抓 手。其将人工智 能作为未来发展的技术重点框架之一，促进人 工智能技术在工业领 域的积极应用； 同时强调 “ ” 技术服务于人 ， 鼓励工人密切参与新 工业技术的设计及部署，推动制造业向更加 绿色、智能和人性化的 方向发展。 除此之外，欧洲国家也各自提出了一些制造业发展战略及计 划。 2023 年 8 月，德国联邦教研部出台《人工智能行动计划》， 将推进 实现值得信赖的人工智能 “欧洲 ” 制造 ，并与德国现有优势进 行最 佳对接。主要思想为持续加强研究基础，落实人工智能工业 具体实 践，切实转化经济增长和经济机遇。英国于 2022 年发布 10 《英国数字 战略》，强调通过数字技术的应用来提升制造业的生产 效率。战略 10 支持制造业向智能工厂转型，利用实时数据和智能算法进行生产决 策，提升灵活性和响应速度。2023 年英国政府拨款 1.47 亿英镑资金 用于支持数字制造技术的研究，这将直接推动相关技术的创新和应 用。 总体来看，欧洲正在全面推动制造业向数字化、绿色化转型， 提升全球竞争力。这些举措为制造业的可持续发展和经济增长奠定 了基础，并将进一步推动人工智能在制造业领域的创新和应用。 3. 日韩推进制造业革新，打造前沿领域核心竞争力 日韩积极推进制造业智能化革新。 日本政府在 2023 年发布的 《制造业白皮书》 中表示， “ 日本政府大力推动制造业基础技术的 产业振兴和前沿 ” 技术研发 ， 日本制造业正加速 AI 与数字化布局， 优化供应链，巩固优势并强化竞争力。面对全球新趋势与供应链风 险，通过制造业数字转型（DX）与绿色转型（GX），实现全链条 可视化管理与高效协同，推进低碳化生产， 以应对市场挑战，引领 产业升级，同时通过大力推动创新型人工智能以及大数据等对未来 社会至关重要的前沿技术，提升日本制造业竞争力。 韩国科学技术信息通信部于 2022 年发布《大韩民国数字战 略》， 展望 “ 与国民携手建设世界典范的数字韩 ” 国 。其注重大力发 展数 字经济，推动制造业智能化转型升级，包括各企业共建数字协 作工 厂，推动企业间的制造数据共享与利用平台开发，并且将汽 11 车、船 舶等主力产业重组为未来型高附加值产业，掌握自动驾驶技 术并建 立法律制度保障。 11 总体来看， 日本与韩国正积极推进制造业智能化革新，聚焦基 础技术与前沿技术的研发，应对全球制造业新动