縱觀數(shù)千年的人類文明發(fā)展歷程，各式各樣的工具、設備、裝備幫助人類大幅提高創(chuàng)新和生產(chǎn)效率，與此同時，人類的創(chuàng)新活動和新的應用需求又不斷反作用于工具、設備、裝備的創(chuàng)新與改良，推動其功能不斷升級更新。隨著工具、設備、裝備和相關技術的迭代升級，人類文明已先后跨越了石器時代、青銅時代、鐵器時代、蒸汽時代和電氣時代，進入了當下的信息時代。在信息時代中，由具有機械結構和電氣特性的復雜設備和工具以及相應軟件系統(tǒng)組成的現(xiàn)代裝備，深度參與制造工業(yè)、土木工程、醫(yī)療衛(wèi)生、國防軍工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源勘采、倉儲物流、信息通信、交通運輸、科學研究、空間探索、生活娛樂等各大領域的相關活動，對人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生重要積極影響。然而，不斷變化的國際競爭環(huán)境和國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展趨勢，以及不斷涌現(xiàn)并逐漸成熟的新一代信息技術，對裝備的未來發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)和新的需求。

1.1

新環(huán)境、新趨勢、新挑戰(zhàn)

經(jīng)濟全球化迫使裝備進一步高質(zhì)量發(fā)展。當前，經(jīng)濟全球化引導著各種生產(chǎn)要素和資源在全球范圍內(nèi)優(yōu)化組合和配置，在促進多方合作和全球經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時，加速了各行業(yè)從增量發(fā)展轉變?yōu)榇媪扛偁幣c多方博弈。為提高行業(yè)競爭力以面對新的挑戰(zhàn)，要求未來裝備進一步提高質(zhì)量、增加效率、豐富功能[1]。

疫情/后疫情時代凸顯裝備遠程/自治運行重要性。2020年新冠疫情全面爆發(fā)，導致大量勞動力被迫在家隔離防護，各類裝備/設備因缺少操控人員而無法正常運行，大批工廠和設施也因此被迫關閉，對全球實體經(jīng)濟造成了重大不利影響。為提高經(jīng)濟發(fā)展對于不確定性事件的韌性，要求未來裝備具備遠程運維管控、自治和自適應運行的能力。

碳達峰/碳中和要求裝備綠色低碳環(huán)境友好。自20世紀90年代以來，快速的工業(yè)化和城市化造成自然資源的嚴重透支和污染物的超標排放，引發(fā)溫室效應、酸雨、霧霾等一系列環(huán)境問題，嚴重威脅人類的生存。為貫徹可持續(xù)發(fā)展理念，并如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標，要求未來裝備在制造加工、運維管控、報廢回收等環(huán)節(jié)降低能耗，減少污染物排放。

突破裝備自主研制技術瓶頸是實現(xiàn)裝備強國的必由之路。近年來，中外貿(mào)易摩擦不斷，對我國依賴高端裝備和核心軟硬件引進的產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生不利影響，不僅如此，國家重要產(chǎn)業(yè)相關裝備的研制技術受制于人，核心軟件依賴于人，還會產(chǎn)生巨大的安全隱患。為突破“被卡脖子”的困境，要求未來裝備關鍵零部件、核心軟件以及研發(fā)、制造、組裝、測試等相關技術全面自主化，并增強知識產(chǎn)權保護意識，以及提高裝備產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈的自主可控能力。

數(shù)字經(jīng)濟亟需數(shù)字化裝備大力支持，新一代信息技術賦能裝備全面升級。自“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃將信息技術確立為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一被重點推進以來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術發(fā)展迅速，與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合日益深化，催生了一批有活力有韌性的新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式[2]。國家“十四五規(guī)劃”再次強調(diào)加快數(shù)字化發(fā)展，大力推進數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，推動數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟深度融合，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群[3]。2021年10月，中央政治局第三十四次集體學習中又一次強調(diào)，發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟是把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新機遇的戰(zhàn)略選擇[4]。為進一步激發(fā)數(shù)字經(jīng)濟潛能，并促進實體經(jīng)濟健康可持續(xù)發(fā)展，要求各行業(yè)現(xiàn)有裝備應充分融合新一代信息技術，開創(chuàng)裝備實體、數(shù)據(jù)和新一代信息技術的閉環(huán)迭代與互補優(yōu)化的良性循環(huán)模式[5]。

綜上所述，我國亟需實現(xiàn)現(xiàn)有各類裝備的數(shù)字化賦能、網(wǎng)絡化互聯(lián)、智能化升級，以及裝備軟硬系統(tǒng)的自主可控，并貫徹綠色低碳可持續(xù)發(fā)展理念，創(chuàng)新裝備全生命周期各階段運作模式，鑄造大國重器，建設裝備強國。

1.2

未來裝備全生命周期新需求

裝備全生命周期可劃分為設計與驗證、制造與測試、交付與培訓、運維與管控、報廢與回收五大階段。為應對新環(huán)境、新趨勢和新挑戰(zhàn)，未來裝備在全生命周期各階段存在以下具體新需求。

1.2.1

裝備設計與驗證階段新需求

(1)設計經(jīng)驗可傳承，模型/數(shù)據(jù)可復用

裝備在設計及驗證過程中會產(chǎn)生數(shù)據(jù)和模型，相關人員則不斷獲得經(jīng)驗和知識，這些數(shù)據(jù)、模型、經(jīng)驗和知識對于下一代裝備，甚至是其他裝備的設計或改良具有重要參考價值。為縮短裝備設計與驗證周期，改善設計人員工作體驗，減少裝備設計基礎共性問題，滿足動態(tài)市場環(huán)境對裝備的快速升級迭代和低成本設計研發(fā)需求，要求未來裝備能夠實現(xiàn)：

設計人員的經(jīng)驗和知識可表示、可存儲、可傳承；

設計模型和數(shù)據(jù)可復用。

(2)一體化設計

裝備設計通常包括硬件、軟件兩部分，以及需求和市場分析、方案設計與論證、技術設計與論證、試驗研究、詳細設計、試制、驗證改良等環(huán)節(jié)。為提高裝備設計效率，減少設計隱性缺陷，并充分發(fā)揮裝備軟硬件效能，要求未來裝備能夠實現(xiàn)：

軟硬一體化設計，助力裝備實現(xiàn)集成化、小型化和輕量化，增強軟硬兼容能力，并弱化短板效應；

設計驗證一體化，縮短裝備設計驗證周期，滿足裝備多樣性和快速響應研發(fā)需求。

(3)多學科協(xié)同優(yōu)化設計

裝備設計不僅涉及機電液熱力磁等多學科專業(yè)知識，還需要考慮其在時間域和空間域中的多場耦合復雜特性，以及如何制定合理的加工制造和裝配工藝路線。為縮短裝備設計周期，探索裝備設計全局優(yōu)解，避免由于溝通不暢導致的錯誤、缺漏、沖突、冗余和歧義，以及因串行重復設計導致的人力、物力、財力浪費，并改善設計人員工作體驗，要求未來裝備能夠有效支持多學科、多場可行性分析和綜合優(yōu)化設計。

1.2.2

裝備制造與測試階段新需求

(1)數(shù)字化制造加工

制造加工過程所涉及的排產(chǎn)與調(diào)度、監(jiān)視與測量、管理與控制等多方面，與裝備質(zhì)量、效率、成本、能耗等密切相關。為進一步優(yōu)化裝備制造過程，提高裝備加工質(zhì)量和效率，降低成本和能耗，要求未來裝備在制造階段能夠實現(xiàn)：

數(shù)字化規(guī)劃，通過決策預執(zhí)行實現(xiàn)排產(chǎn)和調(diào)度方案動態(tài)尋優(yōu)；

數(shù)字化監(jiān)測，提高制造過程監(jiān)測全面性、準確性、時效性、直觀性，支持制造過程異常與潛在問題的及時發(fā)現(xiàn)與解決；

數(shù)字化管控，全面增強裝備制造過程動態(tài)響應和精準執(zhí)行能力。

(2)虛擬增強的質(zhì)量檢測與出廠測試

裝備質(zhì)量監(jiān)測和出廠測試是在裝備制造完成后為裝備制造工藝質(zhì)量監(jiān)督、裝備產(chǎn)品質(zhì)量等級確定、裝備質(zhì)量改進提供數(shù)據(jù)依據(jù)的重要環(huán)節(jié)。然而，基于客觀物理過程的裝備質(zhì)量檢測與出廠測試可能存在以下不足：

檢測周期長，變相增加庫存壓力和成本；

檢測不全面，易導致漏檢的殘次品流入市場，造成安全隱患；

檢測過程可能對裝備造成損害，縮短裝備的使用壽命。

因此，要求未來裝備的質(zhì)量檢測與出廠測試采用物理與虛擬相結合的方式進行，提高檢測效率，降低漏檢風險，減少對受測裝備產(chǎn)品的損害。

(3)過程可復現(xiàn)，質(zhì)量可溯源

裝備質(zhì)量分析、管控與溯源，對于裝備迭代設計和制造工藝優(yōu)化具有重要意義。而基于成品抽檢方式的裝備質(zhì)量分析可能存在以下不足：

僅能從統(tǒng)計學角度宏觀掌握裝備質(zhì)量分布情況，無法掌握未抽檢裝備的質(zhì)量水平；

難以準確溯源裝備質(zhì)量問題，從而無法有效支持裝備迭代設計和制造工藝優(yōu)化；

難以區(qū)分裝備性能和質(zhì)量的個體差異，無法準確指導裝備運維和報廢回收階段的具體決策。

因此，要求未來裝備的制造過程可準確復現(xiàn)，裝備質(zhì)量可精準溯源。

1.2.3

裝備交付與培訓階段新需求

(1)物理與數(shù)字雙交付

現(xiàn)有裝備交付以物理裝備交付為主，在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉型和裝備智能化升級的大趨勢下，裝備使用者、合作開發(fā)商、運營商和售后服務提供商等各方對于裝備的模型、數(shù)據(jù)、文檔和知識等數(shù)據(jù)資產(chǎn)的需求在快速上升。然而，由上述需求方自行獲取裝備的數(shù)據(jù)資產(chǎn)可能存在以下不足：

時間及人力成本高；

數(shù)據(jù)資產(chǎn)獲取難度大，精度和全面性難保證；

數(shù)據(jù)資產(chǎn)所有權和使用權不明確。

因此，建議未來裝備在交付過程中，除提供完好的物理裝備外，還應提供精準的裝備數(shù)字化模型和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物理與數(shù)字雙交付，助力裝備的智能化運維和數(shù)字經(jīng)濟的深入發(fā)展。

(2)虛擬仿真實訓

現(xiàn)有裝備售后操作培訓和員工技能培訓通常需要依賴物理裝備進行，受到場地、時間、裝備數(shù)量等多方面因素的限制，易造成培訓不全面、周期長、成本高等問題。為突破技能培訓資源的客觀條件限制，實現(xiàn)受訓人員技能水平的實時評估與反饋，以及為受訓人員提供更全的培訓項目、更好的培訓體驗、更多的試錯機會，要求未來裝備能夠提供基于物理裝備的數(shù)字化模型和數(shù)據(jù)實現(xiàn)虛擬仿真實訓。

1.2.4

裝備運維與管控階段新需求

(1)運行狀態(tài)及趨勢可感知、可認知、可預知

運維與管控是裝備在全生命周期中實現(xiàn)自身價值的重要階段。為使裝備運維管控過程更安全、更高效、更靈活，需要全面掌握裝備的任務需求、自身能力、當前行為和所處環(huán)境，并超前預測和評估決策方案執(zhí)行結果，從而更早地發(fā)現(xiàn)、解決和預防未來可能發(fā)生的異常和問題。為實現(xiàn)上述理想功能，未來裝備需首先實現(xiàn)：

運行狀態(tài)數(shù)據(jù)精準感知；

多維狀態(tài)特征精準認知；運行狀態(tài)及趨勢動態(tài)預知。

(2)運行過程可控制、可優(yōu)化、可自治

裝備運行過程充滿不確定性，裝備性能改變、裝備運行環(huán)境變化、人力資源調(diào)度異常、任務變更等客觀原因都會直接影響裝備的正常運行，而且即便裝備能夠在上述事件發(fā)生時繼續(xù)正常運行，也難以根據(jù)當前實際情況動態(tài)改變運行策略，實現(xiàn)高效高質(zhì)運行。為使裝備面對不確定性事件時能夠保持韌性，提高裝備運行的效率和質(zhì)量，未來裝備在運行過程中除現(xiàn)場人工控制外，還應具備以下三種能力：

裝備運行過程可遠程控制，弱化現(xiàn)場環(huán)境對裝備運行的約束限制；

運行決策可動態(tài)優(yōu)化，弱化不確定性事件對裝備運行的負面影響；

裝備可自治運行，弱化裝備運行對人力資源的依賴程度。

(3)軟件化、集成化、平臺化

裝備在完成大型復雜任務時，不僅需要提供多種功能服務，還要與其他裝備和人進行功能互補和交互協(xié)作。為實現(xiàn)裝備功能的靈活調(diào)度和動態(tài)重構，以及人機物的高效協(xié)作，未來裝備需實現(xiàn)：

裝備軟件化，基于軟件定義裝備的標準硬件面向個性需求提供專用功能，以低成本、低風險和高度靈活的方式實現(xiàn)裝備功能的拓展與裝備價值的提升；

功能集成化，通過對裝備功能進行模塊化封裝和集成，加速功能請求、匹配和調(diào)用過程，快速響應動態(tài)需求；

運營平臺化，通過云平臺和互聯(lián)網(wǎng)平臺突破裝備個體能力局限，實現(xiàn)多類異構裝備能力的高效共享與協(xié)同，從而為客戶提供端到端的優(yōu)質(zhì)體驗和差異化服務，保持運營效率和靈活性。

(4)低碳綠色環(huán)境友好

各類裝備在推動經(jīng)濟社會快速發(fā)展的同時，也在迅速消耗能源和破壞環(huán)境。為助力碳達峰、碳中和目標順利實現(xiàn)，貫徹落實可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，要求未來裝備提高資源和能源的利用效率，減少污染物產(chǎn)生和排放。

1.2.5

裝備報廢與回收階段新需求

報廢裝備蘊含大量可循環(huán)利用的再生資源和對環(huán)境極具破壞性的有害物質(zhì)，裝備的報廢與回收對于生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。為進一步提高再生資源回收利用率，降低裝備回收成本，要求未來裝備：

優(yōu)化報廢決策，從根據(jù)固定時限或固定使用次數(shù)進行裝備報廢決策，轉變?yōu)楦鶕?jù)運維歷史數(shù)據(jù)決定裝備何時報廢，避免裝備因過早報廢而浪費資源，或因過度使用而產(chǎn)生安全隱患；

完善回收工藝及途徑，提高資源回收利用率，降低資源回收及再利用成本。