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為了深入貫徹教育、科技、人才一體化推進的戰(zhàn)略思想，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，高質(zhì)量培養(yǎng)卓越工程師，在新一代信息技術(shù)、綠色環(huán)保、新材料、國土空間規(guī)劃、智能網(wǎng)聯(lián)和新能源汽車、航空航天、高端裝備制造、重型燃氣輪機、新能源、生物產(chǎn)業(yè)、生物育種、未來產(chǎn)業(yè)等領域組織編寫了戰(zhàn)略性新興領域“十四五”高等教育系列教材。本套教材屬于高端裝備制造領域。
高端裝備技術(shù)含量高，涉及學科多，資金投入大，風險控制難，服役壽命長，其研發(fā)與制造一般需要組織跨部門、跨行業(yè)、跨地域的力量才能完成。它可分為基礎裝備、專用裝備和成套裝備，例如：高端數(shù)控機床、高端成形裝備和大規(guī)模集成電路制造裝備等是基礎裝備；航空航天裝備、高速動車組、海洋工程裝備和醫(yī)療健康裝備等是專用裝備；大型冶金裝備、石油化工裝備等是成套裝備。復雜產(chǎn)品的產(chǎn)品構(gòu)成、產(chǎn)品技術(shù)、開發(fā)過程、生產(chǎn)過程、管理過程都十分復雜，例如人形機器人、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、生成式人工智能等都是復雜產(chǎn)品。現(xiàn)代高端裝備和復雜產(chǎn)品一般都是智能互聯(lián)產(chǎn)品，既具有用戶需求的特異性、產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新性、產(chǎn)品構(gòu)成的集成性和開發(fā)過程的協(xié)同性等產(chǎn)品特征，又具有時代性和永恒性、區(qū)域性和全球性、相對性和普遍性等時空特征。高端裝備和復雜產(chǎn)品制造業(yè)是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的關鍵，是事關國家經(jīng)濟安全和國防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平是國家科技水平和綜合實力的重要標志。
高端裝備一般都是復雜產(chǎn)品，而復雜產(chǎn)品并不都是高端裝備。高端裝備和復雜產(chǎn)品在研發(fā)生產(chǎn)運維全生命周期過程中具有很多共性特征。本套教材圍繞這些特征，以多類高端裝備為主要案例，從培養(yǎng)卓越工程師的戰(zhàn)略性思維能力、系統(tǒng)性思維能力、引領性思維能力、創(chuàng)造性思維能力的目標出發(fā)，重點論述高端裝備智能制造的基礎理論、關鍵技術(shù)和創(chuàng)新實踐。在論述過程中，力圖體現(xiàn)思想性、系統(tǒng)性、科學性、先進性、前瞻性、生動性相統(tǒng)一。通過相關課程學習，希望學生能夠掌握高端裝備的構(gòu)造原理、數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化技術(shù)、系統(tǒng)工程方法、智能研發(fā)生產(chǎn)運維技術(shù)、智能工程管理技術(shù)、智能工廠設計與運行技術(shù)、智能信息平臺技術(shù)和工程實驗技術(shù)，更重要的是希望學生能夠深刻感悟和認識高端裝備智能制造的原生動因、發(fā)展規(guī)律和思想方法。
1�备叨搜b備智能制造的原生動因
所有的高端裝備都有原始創(chuàng)造的過程。原始創(chuàng)造的動力有的是基于現(xiàn)實需求，有的來自潛在需求，有的是順勢而為，有的則是夢想驅(qū)動。下面以光刻機、計算機斷層掃描儀（CT）、汽車、飛機為例，分別加以說明。
光刻機的原生創(chuàng)造是由現(xiàn)實需求驅(qū)動的。1952年，美國軍方指派杰伊·拉斯羅普（Jay W�盠athrop）和詹姆斯·納爾（James R�盢all）研究減小電子電路尺寸的技術(shù)，以便為炸彈、炮彈設計小型化近炸引信電路。他們創(chuàng)造性地應用攝影和光敏樹脂技術(shù)，在一片陶瓷基板上沉積了約為200μm寬的薄膜金屬線條，制作出了含有晶體管的平面集成電路，并率先提出了“光刻”概念和原始工藝。在原始光刻技術(shù)的基礎上，又不斷地吸納更先進的光源技術(shù)、高精度自動控制技術(shù)、新材料技術(shù)、精密制造技術(shù)等，推動著光刻機快速演進發(fā)展，為實現(xiàn)半導體先進制程節(jié)點奠定了基礎。
CT的創(chuàng)造是由潛在需求驅(qū)動的。利用倫琴（Wilhelm C�盧�塶tgen）發(fā)現(xiàn)的X射線可以獲得人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像，但三維圖像更令人期待。塔夫茨大學教授科馬克（Allan M�盋ormack）在研究輻射治療時，通過射線的出射強度求解出了組織對射線的吸收系數(shù)，解決了CT成像的數(shù)學問題。英國電子與音樂工業(yè)公司工程師豪斯費爾德（Godfrey N�盚ounsfield）在幾乎沒有任何實驗設備的情況下，創(chuàng)造條件研制出了世界上第一臺CT原型機，并于1971年成功應用于疾病診斷。他們也因此獲得了1979年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。時至今日，新材料技術(shù)、圖像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)等諸多先進技術(shù)已經(jīng)廣泛地融入CT之中，顯著提升了CT的性能，擴展了CT的功能，對保障人民生命健康發(fā)揮了重要作用。
汽車的發(fā)明是順勢而為的。1765年瓦特（James Watt）制造出了第一臺有實用價值的蒸汽機原型，人們自然想到如何把蒸汽機和馬力車融合到一起，制造出用機械力取代畜力的交通工具。1769年法國工程師居紐（Nicolas�睯oseph Cugnot）成功地創(chuàng)造出世界上第一輛由蒸汽機驅(qū)動的汽車。這一時期的汽車雖然效率低下、速度緩慢，但它展示了人類對機械動力的追求和變革傳統(tǒng)交通方式的渴望。19世紀末卡爾·本茨（Karl Benz）在蒸汽汽車的基礎上又發(fā)明了以內(nèi)燃機為動力源的現(xiàn)代意義上的汽車。經(jīng)過一個多世紀的技術(shù)進步和管理創(chuàng)新，特別是新能源技術(shù)和新一代信息技術(shù)在汽車產(chǎn)品中的成功應用，汽車的安全性、可靠性、舒適性、環(huán)保性以及智能化水平都產(chǎn)生了質(zhì)的躍升。
飛機的發(fā)明是夢想驅(qū)動的。飛行很早就是人類的夢想，然而由于未能掌握升力產(chǎn)生及飛行控制的機理，工業(yè)革命之前的飛行嘗試都以失敗告終。1799年喬治·凱利（George Cayley）從空氣動力學的角度分析了飛行器產(chǎn)生升力的規(guī)律，并提出了現(xiàn)代飛機“固定翼+機身+尾翼”的設計布局。1848年斯特林費羅（John Stringfellow）使用蒸汽動力無人飛機第一次實現(xiàn)了動力飛行。1903年萊特兄弟（Orville Wright和Wilbur Wright）制造出“飛行者一號”飛機，并首次實現(xiàn)由機械力驅(qū)動的持續(xù)且受控的載人飛行。隨著航空發(fā)動機和航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，飛機已經(jīng)成為一類既安全又舒適的現(xiàn)代交通工具。
數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化技術(shù)的快速發(fā)展為高端裝備的原始創(chuàng)造和智能制造的升級換代創(chuàng)造了歷史性機遇。智能人形機器人、通用人工智能、智能衛(wèi)星通信網(wǎng)絡、各類無人駕駛的交通工具、無人值守的全自動化工廠，以及取之不盡的清潔能源的生產(chǎn)裝備等都是人類科學精神和聰明才智的迸發(fā)，它們也是由于現(xiàn)實需求、潛在需求、情懷夢想和集成創(chuàng)造的驅(qū)動而初步形成和快速發(fā)展的。這些星星點點的新裝備、新產(chǎn)品、新設施及其制造模式一定會深入發(fā)展和快速拓展，在不遠的將來一定會融合成為一個完整的有機體，從而顛覆人類現(xiàn)有的生產(chǎn)方式和生活方式。
2�备叨搜b備智能制造的發(fā)展規(guī)律
在高端裝備智能制造的發(fā)展過程中，原始科學發(fā)現(xiàn)和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新是最具影響力的科技創(chuàng)新活動。原始科學發(fā)現(xiàn)側(cè)重于對自然現(xiàn)象和基本原理的探索，它致力于揭示未知世界，拓展人類的認知邊界，這些發(fā)現(xiàn)通常來自于基礎科學領域，如物理學、化學、生物學等，它們?yōu)樾录夹g(shù)和新裝備的研發(fā)提供了理論基礎和指導原則。顛覆性技術(shù)創(chuàng)新則側(cè)重于將科學發(fā)現(xiàn)的新理論新方法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，它致力于創(chuàng)造新產(chǎn)品、新工藝、新模式，是推動高端裝備領域高速發(fā)展的引擎，它能夠打破現(xiàn)有技術(shù)路徑的桎梏，創(chuàng)造出全新的產(chǎn)品和市場，引領高端裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
高端裝備智能制造的發(fā)展進化過程有很多共性規(guī)律，例如：①通過工程構(gòu)想拉動新理論構(gòu)建、新技術(shù)發(fā)明和集成融合創(chuàng)造，從而推動高端裝備智能制造的轉(zhuǎn)型升級，同時還會產(chǎn)生技術(shù)溢出效應。②通過不斷地吸納、改進、融合其他領域的新理論新技術(shù)，實現(xiàn)高端裝備及其制造過程的升級換代，同時還會促進技術(shù)再創(chuàng)新。③高端裝備進化過程中各供給側(cè)和各需求側(cè)都是互動發(fā)展的。
以醫(yī)學核磁共振成像（MRI）裝備為例，這項技術(shù)的誕生和發(fā)展，正是源于一系列重要的原始科學發(fā)現(xiàn)和重大技術(shù)創(chuàng)新。MRI技術(shù)的根基在于核磁共振現(xiàn)象，其本質(zhì)是原子核的自旋特性與外磁場之間的相互作用。1946年美國科學家布洛赫（Felix Bloch）和珀塞爾（Edward M�盤urcell）分別獨立發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，并因此獲得了1952年的諾貝爾物理學獎。傳統(tǒng)的MRI裝備使用永磁體或電磁體，磁場強度有限，掃描時間較長，成像質(zhì)量不高，而超導磁體的應用是MRI技術(shù)發(fā)展史上的一次重大突破，它能夠產(chǎn)生強大的磁場，顯著提升了MRI的成像分辨率和診斷精度，將MRI技術(shù)推向一個新的高度�？焖俪上窦夹g(shù)的出現(xiàn)，例如回波平面成像（EPI）技術(shù)，大大縮短了MRI掃描時間，提高了患者的舒適度，拓展了MRI技術(shù)的應用場景。功能性MRI（fMRI）的興起打破了傳統(tǒng)的MRI主要用于觀察人體組織結(jié)構(gòu)的功能制約，它能夠檢測腦部血氧水平的變化，反映大腦的活動情況，為認知神經(jīng)科學研究提供了強大的工具，開辟了全新的應用領域。MRI裝備的成功，不僅說明了原始科學發(fā)現(xiàn)和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新是高端裝備和智能制造發(fā)展的巨大推動力，而且闡釋了高端裝備智能制造進化過程往往遵循著“實踐探索、理論突破、技術(shù)創(chuàng)新、工程集成、代際躍升”循環(huán)演進的一般發(fā)展規(guī)律。
高端裝備智能制造正處于一個機遇與挑戰(zhàn)并存的關鍵時期。數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化是高端裝備智能制造發(fā)展的時代要求，它既蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ�又充滿著難以預測的安全風險。高端裝備智能制造已經(jīng)呈現(xiàn)出“數(shù)據(jù)驅(qū)動、平臺賦能、智能協(xié)同和綠色化、服務化、高端化”的諸多發(fā)展規(guī)律，我們既要向強者學習，與智者并行，吸納人類先進的科學技術(shù)成果，更要持續(xù)創(chuàng)新前瞻思維，積極探索前沿技術(shù)，不斷提升創(chuàng)新能力，著力創(chuàng)造高端產(chǎn)品，走出一條具有特色的高質(zhì)量發(fā)展之路。
3�备叨搜b備智能制造的思想方法
高端裝備智能制造是一類具有高度綜合性的現(xiàn)代高技術(shù)工程。它的鮮明特點是以高新技術(shù)為基礎，以創(chuàng)新為動力，將各種資源、新興技術(shù)與創(chuàng)意相融合，向技術(shù)密集型、知識密集型方向發(fā)展。面對系統(tǒng)性、復雜性不斷加強的知識性、技術(shù)性造物活動，必須以辯證的思維方式審視工程活動中的問題，從而在工程理論與工程實踐的循環(huán)推進中，厘清與推動工程理念與工程技術(shù)深度融合、工程體系與工程細節(jié)協(xié)調(diào)統(tǒng)一、工程規(guī)范與工程創(chuàng)新互相促進、工程隊伍與工程制度共同提升，只有這樣才能促進和實現(xiàn)工程活動與自然經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展。
高端裝備智能制造是一類十分復雜的系統(tǒng)性實踐過程。在制造過程中需要協(xié)調(diào)人與資源、人與人、人與組織、組織與組織之間的關系，所以系統(tǒng)思維是指導高端裝備智能制造發(fā)展的重要方法論。系統(tǒng)思維具有研究思路的整體性、研究方法的多樣性、運用知識的綜合性和應用領域的廣泛性等特點，因此在運用系統(tǒng)思維來研究與解決現(xiàn)實問題時，需要從整體出發(fā)，充分考慮整體與局部的關系，按照一定的系統(tǒng)目的進行整體設計、合理開發(fā)、科學管理與協(xié)調(diào)控制，以期達到總體效果最優(yōu)或顯著改善系統(tǒng)性能的目標。
高端裝備智能制造具有巨大的包容性和與時俱進的創(chuàng)新性。近幾年來，數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的浪潮席卷全球，為高