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中国自动化行业的现状与未来
发布时间:2022-09-13 22:37:46 来源:华体会网站 作者:hth华体会app下载

  生产工具是反映一个时代生产力水平的重要标志。马克思曾在《资本论》中表述:劳动手段是人类劳动发展的分度尺,并且也是劳动所在的社会关系的指示器。自古以来,人类创造了许多通过自动装置减轻或代替人力劳动的机械,也在无形中推动着生产关系的变迁,从人力驱动、畜力驱动,到蒸汽驱动、电气驱动、互联网驱动、数字驱动,一次次革命是“人”在生产中主导作用逐渐增强的体现,更是人类智慧逐步脱离基础劳动,实现更高层次应用的辉煌成就。

  自动化技术是紧密围绕着生产需要而形成和发展起来的,通过机械化变革,人在工业中的位置逐步从工具化向主导创造的角色转变,这一理念至今仍在探索和发展中。

  中国古代,发明了自主计时的铜壶滴漏、利用齿轮传动来指明方向的指南车、借助空气动力的走马灯等。1637年,明代著名科学家宋应星著《天工开物》一书。全书收录了农业、手工业,诸如机械、砖瓦、陶瓷、纸、兵器、火药、纺织等生产技术,是世界上第一部关于农业和手工业生产的综合性著作,其中记录了大量专用生产工艺装备。

  十七世纪的欧洲,随着生产的发展,也相继出现了多种自动装置。1642年,法国物理学家发明能自动进位的加法器;1657年,荷兰机械师利用钟摆理论发明出钟表。十八世纪,随着资产阶级通过“光荣革命”及议会制完全确立了统治地位,为进一步提升生产效率,早期的资本家使用水利、畜力来驱动生产工具,工场手工业资本主义经济得到极大的发展。

  十八世纪末十九世纪初的英国,为了从矿井里抽水和转动新机械的机轮,急需一种新的动力之源,一系列发明和改进后最终研制出适宜大量生产的蒸汽机,真正实现了以机器代替人力,完成了一场以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产的革命。

  二十世纪以来,自动化技术进入理论形成的关键时期。为解决军事上提出的火炮控制、鱼雷导航、飞机导航等技术问题,以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论形成。1946 年,美国福特公司首先提出用“自动化”一词来描述生产过程的自动操作,并于1947年建立了第一个生产自动化研究部门。

  20世纪50-60年代,经典的控制理论已难以解决诸如航天工程等重大研究课题。以极大值原理、动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论出现。与此同时,模式识别和人工智能发展起来,智能机器人和专家系统逐渐成熟。

  70 年代中期,自动化的应用开始面向大规模、复杂的系统,如大型电力系统、交通运输系统等。大型项目不仅要求对现有系统进行最优控制和管理,更重要的是对未来的运筹。在此大背景下,研究在结构上和维数上都具有复杂性的系统自动化和有效控制理论应运而生。

  80年代至今,随着计算机网络的迅速发展,自动化不再局限于生产单元,各类信息管理系统、办公自动化及决策支持系统的出现,让人们开始综合利用传感技术、通信技术、计算机、系统控制和人工智能等新技术和新方法来解决所面临的各类经营和管理问题。

  “自动化”一词从早期提升生产效率的过程控制手段到成为当前对生产运营结果的定义。其技术和理论的发展历程均充分体现了人们在扩展器官功能方面的不断探索和追求。它代表着现代科学体系在工业上的综合运用,是衡量一个国家工业水平的核心指标之一。

  自动化不是一个单一的专业,在漫长的科学发展历程中,自动化所包含的技术理论从最早的机械控制不断扩展延伸,形成当前以控制理论为根基,以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具的交叉学科。在应用范围上,从以提升生产效率为目的工业自动化,扩大到办公自动化、管理自动化、机器人等各行各业。在西方控制自动化发展迅猛的时期,中国正挣扎在民族生存的斗争中。新中国成立后,中国才真正进入到平稳的发展阶段。

  1961年,在钱学森、沈尚贤、钟士模、陆元九、郎世俊等老一辈科学家的共同倡议下,中国自动化学会正式成立,拉开了中国自动化事业起步、发展、腾飞的序幕。与美国、德国、日本等工业发达国家相比,我国自动化行业起步较晚,自动化设备研发、生产水平相对较低。

  开放以来,借助人口红利及政策助推,中国快速建立起相对完整的制造产业链,并一跃成为全球第二大经济体,这在很大程度上促进了自动化装备产业的迅速发展。根据Miconex中国最大的测量仪器仪表及自动展览会统计,2000年,国内自动化及自动控制系统的市场容量仅为22.5亿美元,约187亿元人民币;2010年,十年间,该数据上升至700亿元人民币,复合增长率超过10%。2020年新冠疫情席卷全球,虽导致国际经济整体趋势下滑,但中国的自动化产品市场却不减反增。根据华经产业研究院的研究报告显示,2020年,我国工业自动化行业市场规模达到1895亿元,2021年为1976亿元,预计2022年将进一步超过2000亿元。

  市场容量的快速增长推动着中国在国际贸易中的地位上升,自2010年起,中国连续11年成为世界最大的制造业国家。“十三五”期间,中国工业增加值由23.5万亿元增加到31.3万亿元,高技术制造业增加值平均增速达10.4%,成为拥有41个工业大类、207个工业中类、666个工业小类,世界唯一一个较完备工业体系的国家。

  然而,中国距离真正的制造强国还有一定的差距。根据此前业界研究,制造强国需达到四个关键指标,即规模大、质量效益好、结构优和可持续。就现阶段而言,国内工业品质量仍需进一步提升,劳动生产率与发达国家相比仍然有较大的差距,同时,经济结构、产业结构的合理性亟待进一步加强,在可持续发展方面尚有较大的空间。随着外部环境不确定因素频发,在技术、材料、装备方面的“卡脖子”暴露出中国在产业链、供应链及自动化水平上的短板。

  自动化,主要指对生产、经营过程中全部工序进行少人化的操作,按其发展阶段为半自动化时期,即人机系统,部分采用自动控制和自动装置,部分由人力控制,中国当前大部分制造企业仍停留在半自动化的阶段。在半自动化基础上,生产过程如上料、下料、装卸、质检等所有工序均不需要人工进行操作,机器可以连续地、重复地自动生产的状态则称为全自动化。

  工业自动化中主要由四类产品组成:“中枢神经”自动化控制系统,信息记录传输功能的自动化仪表,实现数据分析、控制、优化、信息整合的工业软件,流转用于决策的企业综合管理信息系统。产业链上游企业主要为自动化硬件及系统软件的制造商,中游企业为系统集成及产品的分销商,工业自动化产品的下游需求主要来自OEM型市场和项目型市场。当前,中国工业自动化OEM型市场需求占总市场需求的51%,产业结构整体还处于中低端水平,要获得进一步发展面临较多痛点制约。

  近十年,中国自动化市场规模增长受全球经济影响呈现出明显的周期性。2011年、2014年、2017年都是市场增长非常迅速的年份。其中,2017年,国家智能制造2025政策出台、美国苹果公司进入投资大年、新能源锂电需求市场快速爆发等利好因素带动了全产业3.6%的增长。而随着2019年中美贸易战爆发,全球经济贸易增速明显放缓,自动化需求市场当年下降4.3%。2020-2022年,疫情爆发之后,以口罩机为代表的疫情自动化市场拉开了号角;智能化、无人化、远程办公等产品概念相继推出;“碳中和、碳达峰”的大背景下,新能源行业迎来了又一轮高速增长;智慧医疗、半导体等先进领域制造业对设备的自动化提出了更高的要求。多元化的需求推动自动化市场规模呈现20%以上的年增长趋势。

  由此可见,自动化中下业对终端项目市场、国家产业政策极具灵敏性。2022年,随着疫情带来的相关产品自动化市场逐步消解,全球经济增速进一步放缓等因素,主要OEM及项目市场,如电子、机床、建筑、工程机械、纺织等行业均进入下行通道,自动化市场的预期也因此出现明显回落。根据MIR DATABANK数据显示,2022年工业自动化市场预期增长仅为0.3%。

  在制造业高度繁荣的今天,自动化关乎国计民生的各个行业。上游产品制造商、自动化系统服务商、从事自动化工程或机器制造的系统集成商、行业设计院、自动化产品代理商等多种企业形式共同组建了中国自动化产业群。对于这个多元、复杂的领域而言,市场方向的变化和技术的更新迭代将直接影响着自动化企业的经营发展。由于应用行业极为广泛,尤其是中游及下游的工业自动化服务供应领域,行业内企业难以走向完全的标准化,加之离散型的竞争格局,致使中国自动化行业集中度始终较低。

  自动化产业链上游硬件及软件供应领域,国外品牌依然占据主导地位。在传感器市场,美国、德国、日本企业的发展规模和水平处于全球领先,全球市场份额合计占到近七成。中国虽已孵化出不少传感器企业,但汽车传感器、高端化学类气体传感器、光线传感器、环境检测传感器及工业控制领域仪器仪表传感器的进口率仍超过90%;在伺服系统领域,我国仍处于追赶状态,外资品牌仍然占据国内伺服电机65%以上的份额,对精密度要求极高的设备仪器基本被德国、日本等海外龙头企业垄断;在人机界面HIM、制造执行管理系统(MES)等领域,中高端市场基本被欧美及日本企业占据,中国企业更多处在竞争充分的中低端市场。

  可以看到,在利润率较高的上游市场中,国外头部品牌掌握了绝对的技术核心及大部分的中高端市场份额。近年来,国产替代培育了一批国内自主自动化关键部件企业,但鉴于入局较晚、基础较差,更多处于中、低端产品的研发和制造,在产品技术、性能及稳定性方面与国外一线品牌仍有差距。

  在产业链中、下游,主要依据应用项目的需求,研发、设计并集成制造自动化专机或流水线。核心智能单机设备如二极管蒸镀机、EUV光刻机等设备的研发制造,主动权和定价权仍掌握在国外巨头企业手中,他们几乎垄断了国内70%的高端设备专机市场。在中低端集成及OEM市场,企业竞争格局恰恰相反,大批中国企业在国产替代的浪潮中迅速腾飞;

  从企业工业自动化集成商上市公司的营收维度来看,规模雄踞世界第一的中国制造业市场尚未培育出有强大话语权和应用市场的国际巨头,规模超30亿人民币的企业都屈指可数。目前仅有博众精工、北方华创、沈阳新松、大族激光、先导智能、赢合科技等少数几家领军企业,而绝大多数的工业自动化设备系统集成商(整体方案解决提供商)年营业额都仅在几千万到几亿人民币的规模。

  虽然当前自动化中下游市场,中国企业的份额正在逐渐扩大,但因充分竞争,集中度仍然较低。这些设备集成企业,一方面无法掌握核心控制等创新研发要求较高的通用技术,同时服务紧贴应用市场,对应用端的依附性较高,导致其利润不得不受到两端挤压。在激烈的竞争中,也有缓冲区。由于应用端对设备的需求不同,给予设备集成企业无形的行业壁垒,从几家规模较大的企业可以看出,他们各自稳定在自身所在的细分市场,这在一定程度上减少了竞争的进一步激化。

  综上所述,中国自动化行业的“黄金十年”更多来源于引进成套设备消化吸收,然后进行二次开发和应用。凭借对中国市场及政策的把握,这些工业自动化企业将国外先进的制造理念应用于国内制造业的发展,使得中国制造在短短几十年内实现了技术追赶。同时,我们必须清醒的认识到,中国这种以低成本工业控制自动化为主流的企业分布,在产品稳定性、可靠性和技术突破引领方面与国外知名企业依然存在着较大的差距。其中,关键核心技术匮乏,低水平重复异常突出,令整体市场仍呈现“低端自给自足,中端受制于应用市场,高端依赖进口”的局面。

  2022年8月,云南昆明举办了2021中国自动化大会。大会集中展示了一批中国自动化创新成果。六十年来,中国自动化行业已成长为一棵根基深厚、枝繁叶茂的参天大树,孕育产生了许多新兴学科,在空天科技、深地深海前沿领域、轨道交通、生物医疗、智慧农业、社会治理等方面发挥着不可替代的作用,取得重要突破。

  从半自动化的人机协同,到全自动的去人化生产线,机械替代人工是实现信息数据化、数据抓取、数据整合、数据计算、数据分析的重要基础。伴随云计算、大数据、人工智能、区块链这几大关键数字技术的快速发展成熟,数字化及智能化已强势进入大众的视野。数据显示,全球第三产业的数字经济渗透率平均为39.4%,中国第三产业该数据为惊人的40.7%。然而,在第二产业的工业领域中,全球的数字经济渗透率为23.5%,而中国的该数据仅为21%,在全球处于中位水平。可以窥见,数字经济在第二产业的贡献率还有相当大的进步空间。

  2021年工信部会同有关部门起草了《“十四五”智能制造发展规划》 (征求意见稿),并于同年4月14日面向社会公开征求意见。征求意见稿明确,到2025年,规模以上制造业企业基本普及数字化,重点行业骨干企业初步实现智能转型。到2035年,规模以上制造业企业全面普及数字化,骨干企业基本实现智能转型。

  数字化的根基为“万物数码化”,即将各类信息转化为数据的形式并记录保存用以分析决策并最终赋能到全部生产经营流程中。通过“数据+算法”的加持,“数据决策”逐步代替传统的“经验决策”,即运用大数据分析手段,对数据资源进行挖掘和分析,从而形成决策建议与实施方案,为探索未知、求解问题提供新的思维方法。

  在这个过程中,工业自动化关键零部件及集成设备几乎无处不在。万物互联的工业场景下,底层逻辑依然是通过深度学习形成的规律性预判并自主指导工业产线的自主化运转。这场轰轰烈烈的生产变革,无论从政策环境、人才结构、全球贸易格局等外部因素,还是技术应用经验、创新研发赶超等产业内因,中国自动化行业都具有得天独厚的优势。

  2021年国务院发布第十四个五年规划和2035年远景目标纲要,标志着数字化转型正式上升为国家明确的政策方向。近年来,工信部、国资委等相继出台推动“数字化转型”的政策文件,31省市全面推动数字技术与实体经济深度融合。

  与此同时,在“碳中和、碳达峰”的时代背景下,新能源行业进入又一轮的快速发展通道,掀起锂电、光伏、风电等新能源行业的扩产潮,为数字化转型下的工业自动化提供成长必要的市场空间。

  博众精工研究院认为,除此之外,以下几个要素也可能促进中国自动化行业进入快速发展期:

  一个国家的工业实力本质上还是取决于装备:科学研究肯定是一个国家工业实力的重中之重,但科学家再厉害,把研究搞出来之后,一定需要靠装备去把它大规模生产出来,二者缺一不可。特别是高端产品,或者是有高附加值、有精密度要求、有科技含量的产品,就更加需要装备制造。而且这些高端产品能推向市场实现更好的应用,那也必须靠装备业的先行崛起,它才能够得以大规模的生产。就像七纳米芯片最终胜出的品牌变成了阿斯麦,其实尼康在芯片上可能比阿斯麦还领先。但因为阿斯麦首先做出了七纳米的装备,他攻克了这个产品的最后一个制造环节,结果就占据了制高点。

  所以这种装备的崛起,特别是高端产品背后的装备崛起,其实也是一个国家自动化集成商的实力体现。就像阿斯麦,他其实也是一个自动化设备的集成商:他自己不造一个零件,全世界买零件,然后自己把它们组装起来。当然,它的核心要体现在设计上,他通过设计能力就能把这个设备所需的各种零件组合起来,变成世界最先进的一些设备。这种类型的设备集成商和高端的自动化服务企业,其实也是一个国家不可或缺的战略资源和实力体现,也是需要大力要扶持的行业。

  (二)中国多年在研发领域的投入为自动化水平在一些领域的赶超奠定了良好基础;

  据科技部等部门在今年6月发布的相关数据看:十年来,我国科技投入大幅提高,全社会研发经费从1.03万亿元增长到2.79万亿元,居世界第二位;研发强度从1.91%提高到2.44%,接近经合组织(oecd)国家的平均水平;基础研究经费是十年前的3.4倍,达到历史最高值。科技人才队伍不断壮大,2021年研发人员总量预计为562万人年,是2012年的1.7倍,稳居世界第1位;每万名就业人员中研发人员数量由2012年的42.6人年预计提高到75.3人年。科技产出量质齐升,2021年高被引论文数为42920篇,排名世界第2位,是2012年的5.4倍,占世界比重为24.8%,比2012年提升17.5个百分点;每万人口发明专利拥有量从2012年的3.2件,提升至2021年的19.1件;pct专利申请量从2012年1.9万件增至2021年6.95万件,连续三年位居世界首位;2021年技术合同成交额达到37294亿元,是2012年的5.8倍,占gdp比重达到3.26%。在加强科学技术普及方面,公民具备科学素养的比例由2010年的3.27%提高到2020年的10.56%。

  美国哈佛大学发布报告称,中国在科技领域的成就正变得越来越强,部分领域已经成为先驱者、领导者及全球后时代新科技的引领者。在自动化行业,中国创新技术在某些领域正在实现赶超。例如,中国已完全具备人工智能芯片的自主研发的能力,在多个领域创新实现“零的突破”;在数字化赖以生存的通信行业,中国在5G领域标准、专利及基础建设上已遥遥领先世界;量子通信技术,中国更是作为开拓者角色,始终处于世界前列;在激光成型技术方面,中国至少领先美国5年。

  近年来,随着出生率的下降和老龄化比例的不断提高,人口红利逐步消失,我国的劳动力成本洼地效应逐渐减弱。“用工荒”问题困扰着越来越多的制造型企业。与日俱增的人工缺口及成本压力,有效促进了企业对工业自动化的需求。与此同时,伴随新时代下的人才强国战略。“人”不再仅仅作为资源应用于单一的重复劳动,而更多地作为“资本”被置于更高的战略地位。未来,将更加注重人才的应用和复合能力,以体现“人”在研发、创新、管理等多方面的价值贡献及主导性作用。为进一步强化“人”的作用,自动化设备的广泛使用将成为制造业的必然趋势。

  综上所述:在机械控制的时代,中国由于种种因素入局较晚没能占领先机,只能通过学习与模仿推动我国自动化行业及“中国制造”的迅速发展。在赛道转换到数字化、智能化的今天,中国凭借十余年的布局抢跑,在很大程度上掌握了对未来工业世界设计规划的能力及话语权,加上先进制造业的等政策利好因素引发的巨大市场应用需求,为中国自动化行业的不断迭代升级提供了良好的市场机会。自动化的明天将在更多现代科学的融汇中,升华为一个又一个的科技创举,实现人类对“机械自主决策生产”的追求。中国,也必将在民族伟大复兴的进程中完成一场划时代的蝶变。

  当然,从短期来看,2022年受全球经济下行、疫情封控导致的下业需求衰退、芯片缺货、国际形势不确定等因素的影响,自动化行业在当下的市场规模增长可能放缓,但是从持续的技术积累和应用完善,中国自动化行业一定会崛起几家有影响力的品牌。在当下的经济环境下,如何平衡好研发投入与生存空间、经营规模与盈利能力、市场发展与品牌建设等要素,实现企业可持续发展,在未来市场需求爆发时能够把握好自身发展空间、为中国制造强国战略提供应有的支撑变得至关重要。