1. Прогноз развития производственных
технологий на период до 2030 года
Доклад на основании промежуточных результатов
Промышленного и технологического форсайта, проводимого
по заказу Минпромторга РФ
В.Н. Княгинин
Директор Фонда «Центр стратегических разработок «Северо-Запад»
2. Базовая гипотеза:
2>
Большинство секторов традиционной индустрии вышли на
«технологическое плато» (замедление динамики, падение
отдачи от инвестиций, отсутствие радикальных инноваций и т.п.).
1.
Для экстенсивного роста за счет первичной индустриализации
развивающихся рынков явно недостаточно ресурсов.
Дальнейшее промышленное развитие будет связано с
запуском следующего инновационно-технологического
цикла (сменой технологической парадигмы),
осуществлением трех связанных «революций»:
• Революция в проектировании и организации
производственных процессов.
• Переход к новым материалам.
• Революция в инфраструктурах, переход к «умным
средам/сетям» как преодоление линейной архитектуры
традиционных индустриальных инфраструктур.
3. Промышленное производство в ближайшие 10-20 лет будет
вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение
фундаментальных
1.
3>
Промышленность должна справиться с растущей сложностью производства, организации
технологических цепочек и комплексностью продукции, растущими затратами на владение.
Чтобы обеспечить управление этой сложностью необходим качественный скачек в инжиниринге и
управлении производственными процессами, линейный рост не обеспечен ни кадрами, ни
организацией.
Рост сложности рынков, ассортимента выпускаемой продукции, а
также меры, принятые промышленностью для управления
растущей сложностью
Объем
механического
инжиниринга в
индустрии
Германии (индекс
1990 = 100)
Источник: VDMA, Oliver
Wyman analysis
Источник: Anna Ericsson, Gunar Erixon
4. Промышленное производство в ближайшие 10-20 лет будет
вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение
фундаментальных
2.
4>
Развитие традиционной индустрии имеет сильнейшие ограничения, связанные со старой
сырьевой базой: дефицит материалов, их высокая цена, ограниченные возможности в
конструировании. При сохранении существующей базы конструкционных и функциональных
материалов промышленность не сможет развиваться
Глобальный прогноз пика добычи
угля
Матрица оценки безопасности
поставок материалов
В последней четверти 20-го века
развитые страны (прежде всего, США и
ЕС) констатировали, что ресурсы
минеральных материалов
сосредотачиваются в основном в
развивающихся странах
Источник: Committee on
Critical Mineral Impacts
of the U.S. Economy,
Committee on Earth
Resources, National
Research Council
Глобальные прогнозы пика добычи
нефти и темпов падения добычи
после прохождения пика
Источник: ЦСР «Северо-Запад» по данным
представленных организаций
Источник: European
Commission
5. Промышленное производство в ближайшие 10-20 лет будет
вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение
фундаментальных
3.
5>
Традиционные индустриальные инфраструктуры развернуты под старую индустрию и, как
правило, слишком дороги негибки для радикальных инновационных систем. Эпоха инноваций не
отдельных продуктов и предметов, а целых систем (Thomas Hughes) требует новых
инфраструктур – более гибких, более открытых и более эффективных. Если произойдет смена
технологической парадигмы, это потребует развертывания новых инфраструктур.
Как могут трансформироваться энергосети: от единых
централизованных сетей с гиперконцентрированной
генерацией к единым децентрализованным сетям к
распределенной генерацией
Источник: Berkeley Lab
Новые сети должны создать новые возможности для
интеграции новых мобильных и умных потребителей, а
также новых в технологическом отношении
поставщиков: Две основные альтернатив будущих
энергосистем: «Установить и забыть» и «Комплексная
DG И DSM / DR»
6. 6>
2.
Основные («революционизирующие»
всю промышленность) тренды
развития индустриальных
технологий:
Смена «технологической парадигмы» требует селекции тех
трансформаций, которые распространяются на все отрасли или
их большинство и приводят не к оптимизационным, а
радикальным переменам в индустрии.
7. Сейчас промышленность переживает тотальный технологический и
1. организационный ре-инжиниринг, основанный на тотальной дигитализации
7>
производственных процессов, управлении жизненным циклом, с переходом к
открытой и модульной архитектуре производства
1989: П.Друкер «Sell the
Mailroom» – идентификация
аутсорсинга в качестве
ведущей стратегии бизнеса
«Тарно-упаковочная
революция»
Контейнерные
перевозки
Логистика Wal-Mart
«втулка-спицы»
Модульные
конструкции
Just-in-time
1980-е
Модульные
платформы
Бум аутсорсинга
Сложная
логистика
1990-е
Массовизация автоматизированных систем
проектирования и управления
Кризис
традиционного
аутсорсинга
Стандарты с, «открытым кодом»
Новое поколение инжиниринга
Интегрированные
технологические цепочки
Управление жизненным
циклом, кастомизация
производства
«Модульная революция» открытая архитектура
2000-е
Массовый выход на рынок
«интеллектуальных» объектов,
способных объединяться в «киберфизические системы» (CPS) / smart grid
Появление огромного количества
«цифровых объектов» как следствие
роста моделирования
Способность проектировать и
управлять производственными
процессами на микро- макроуровне
(«2028 Vision for Mechanical
Engineering» ASME, 2008)
2010-е
Сети поставок, «открытые инновации», 1988:General Public License
Международные стандарты (ISO 15288…)
Первый опыт CAD и
PLM в автопроме
США, : ISO 10303…
Вертикальная интеграция
Автоматизация и информатизация управления, CAD, DMU, цифровые макеты, 3 и 6Dпроектирование
Быстрый рост автоматизации производственных процессов,
роботы 1-1,5 поколения
Рост электрики и электроники в стоимости продукции
8. Ре-инжиниринг уже начался. В ведущих секторов индустрии «модульная
революция» уже началась, интегрированные технологические цепочки
построены, функции их участников распределены. Вопрос в импорте решений в
отставшие отрасли и страны
2008: Microsoft создает
новую модель работы для
аутсорсинга финансов и
закупок – OneFinance
Program
Строительство
2010-е
2010-е
Унификация платформ, разделение
дизайна, маркетинга и поставки
компонентов, разделение
поставщиков по уровням,
образование модульных
консорциумов, сокращение
количества модулей
Aberdeen Group, 2011: компании-лидеры
либо уже имеют свои модели
интегрированных технологических цепочек
(цепочек поставок), либо собираются к ним
перейти: CRM, S&OP и др. системы
Автопром
1990-е
Судостроение
1990-е
Закрытая архитектура
(микст компонентов и множественность
конструкций, собираемых внутри одной
компании)
Авиапром
2010-е
(отношения «many-to-many» между
функциональными и структурными элементами)
(микст компонентов между многими
компаниями – держателями дизайна)
Интегрированная архитектура
(соответствие функциональных и
структурных элементов)
Модульная архитектура
2005: создание
International Association of
Outsourcing Professionals
Открытая архитектура
Производители
электроники
Зона наивысшей
производительности
аутсорсинга
8>
Стратегии развития
большинства
отраслей
промышленности
2000
Атомная
промышленность
9. База для тотального ре-инжиниринга производства – компьютерный
инжиниринг
9>
Программные платформы компьютерного инжиниринга
Источник: Innovation in Product Design: From CAD to Virtual Prototyping / Monica Bordegoni, Caterina
Rizzi Editors. - London: Springer-Verlag London Limited, 2011
10. Ре-инжиниринг инжиниринга уже начался: дигиталиазция процессов
проектирования и управления имеет революционный, а не
оптимизационный характер, позволяет осуществить кастомизацию
производства, создать открытые модульные платформы и построить
эффективное управление жизненным циклом
10 >
ПО для дизайн и инжиниринга,
включая 3D-сканирование
Моделирование и оптимизация
бизнес-процессов
Отраслевая структура объема
инжиниринговых услуг компаний из Global
Top 200, % (2010 г.)
переработка: цбк, металлург,
Источник:, ARC Group
фарма и пр.
сборочная промышл.
все здания
0,8
3,8 7,6
телеком
вода
15,4
31,3
стоки/отходы
0,6
транспорт
5,4
Источник:, ARC Group
3,6
9,4
18,6
вредные отходы
энергетика
нефть и нефтехим
3,4
Источник: McGraw-Hill Construction, Enr.com
11. Следующий шаг – переход к новым материалам. Их интеграция в
2. автоматизированные системы проектирования и производства, совмещение
производства материалов и производства компонентов/изделий
Утрата позиций развитых
стран в доступе к сырью для
производства традиционных
материалов, прежде всего,
металлургии
Получение новых
и переход материалов к
масштабированию
Автоматизация
проектирования
материалов
Глобализация
MSE R&D
Масштабирование
производства
полимеров,
стеклопластиков,
углепластиков, 1-го
поколения композитов
1990-е
Оформление MSE в
самостоятельную
дисциплину в 1960-е
Отрасли MSE: биоматериалы; керамика;
композиты; магнитные материалы; металлы;
электронные и оптико-фотонные материалы;
сверхпроводники; полимеры; катализаторы;
наноматериалы
Масштабирование производства новых
материалов и полное интегрирование
производства новых материалов и изделий из них.
Массовый переход к новым материалам всех
отраслей промышленности
Рост числа
масштабируемых для
производства новых
материалов
Интеграция систем
программирования
материалов и
автоматизированного
проектирования PLM изделий
2000-е
11 >
2010-е
Возможность производства изделий,
провинциальная конструкция
которых разработана, но
производство сдерживается
отсутствием надлежащих
материалов: ВТСП-кабели и линии,
двигатели с СП-обмоткой,
электромобили из композитов без
батареи как отдельного элемента
конструкции; энергоэффективные
малошумные самолеты; новые
системы доставки лекарств в
медицине; и т.д.
2020-е
2030-е
Системы CAD и PLM в материалах
Безавтоклавное производство композитов
Новые технологии получения ФГМ
Первые опыты автоматизации проектирования, интеграция производства
материала и выпуска изделия из него
Принятие ведущими странами и корпорациями стратегий перехода к
использованию новых материалов
12. Переход на новые промышленные материалы имеет две основных
цели: а) получение новых качеств; б) новая экономика продуктов.
Достигаются они за счет применения новых технологий
проектирования и производства как самих материалов, так и изделий
«Новое качество»: Для внедрения композитных
материалов первоначальными задачами
выступали достижение высокой прочности,
снижение веса. Затем – переход к новой
геометрии изделия, что стало возможным в
основном благодаря внедрению
автоматизированных систем проектирования
продуктов в 3D в разных масштабах
«Новая экономика» означает большую эффективность
всего продукта, на которую в мире влияют факторы:
-Переход к парадигме устойчивого развития (требования
по рециклингу, снижению потребления топлива и пр.)
-Рост стоимости традиц.конструкционных материалов
-Движение по «кривой опыта» - постепенное
масштабирование и удешевление технологий
производства нескольких групп КМ
Сравнение удельной прочности сплавов металлов и
композитов
Источник: из материалов А.И. Боровкова, СПбГПУ
12 >
Кривая экономической эффективности
углепластиков для различных отраслей
Источник: Анализ компании Lucintel
13. Революция в материалах: основные тренды
1.
13 >
Проектирование материалов новыми средствами.
А) Включение проектирования материала в процесс проектирования инженерного объекта
(проектирование объекта и его композитных частей – единый процесс). Требования к
материалу задаются на стадии проектирования продукта, тестируется не реальный
материал, а его цифровой аналог);
Б) Проектирование композитных частей в 3D: (3D первичен, чертежи при необходимости
генерируются из него как отчеты) в соответствии с требованиями заказчика;
В) Каталоги и базы данных тестирования материалов – с открытым доступом
2.
Компетенции в проектировании материалов – ключевые для производителей конечных
продуктов. Эффекты : радикальное снижение веса, сокращение и удешевление цикла
проектирования (замена краш-тестов, экологизация продуктов)
3.
Внедряются общие платформы, стандарты, требования к проектированию материалов. +
открытость процессов (возможность распределенного коллективного проектирования).
4.
5.
Управление ЖЦ: Поставщики решений для автоматизации проектирования, имеющие в своем
рыночном предложении программное обеспечение для проектирования материалов, включили
в свои пакеты инструменты моделирования ЖЦ (управление старением, производственный
процесс и пр. для материалов)
Масштабирование новых материалов может произойти значительно быстрее. Технологически
близкое будущее: Материалы с самодиагностикой; Наномодификаторы; Метаматериалы.
Точки роста рынков: карбоны, термопласты, стеклопластики – нишевые; базальты уникальные, материалы с самодиагностикой. «Взрывной» рост определится рыночной
готовностью (электромобили и пр.)
14. Так в настоящее время выглядит переход к масштабированию
производства новых (проектируемых вместе с изделием)
материалов. Данный шаг во многих случаях еще только предстоит
сделать
Настоящее: недостроенная цепочка в
материаловедении
14 >
Будущее: выстроенная цепочка
«микроуровень – мезоуровень – макроуровень»
Работают в масштабе:
1–102 м
(макроуровень – конечное изделие)
Дизайнеры
и производители
оценивают
издержки и риски
конечного
изделия
• Кинетические
модели
оценивают кинетику
• Модели
старение, коррозию
износостойкости
материалов
Химики
Работают в масштабе:
10 -9–10 -6 м
(микро- и наноуровень – материалы )
Сильная связь
Слабая связь
Дизайнеры
и производители
• Требования к
структуре
• Условия разрушения
• Конструкторские
особенности
оценивают
издержки и риски
конечного
изделия
Механики
оценивают
пластичность,
эластичность,
деформацию
отдельных
частей
Работают в масштабе:
10 -3– 10 -2 м
(мезоуровень – составные части
изделия)
Механики
Химики
оценивают кинетику
старение, коррозию
материалов
• Кинетические
модели
• Модели
износостойкости
• Требования к
производству
• Издержки
производства
• Способы
производства
оценивают
пластичность,
эластичность,
деформацию
материала
Источник: National Research Council
15. 3.
Умные среды: массовое внедрение на горизонте 2020-2030-х гг
Пока квантом обновления выступают отдельные объекты – «умные» дома, заводы и пр.
Следующая стадия – внедрение управляемых сред – инфраструктур в энергетике и
транспорте, стандарты в этой области уже разрабатываются. 2030-е – начинается
внедрение самоуправляемых сред
15 >
16. В области технологий умных сетей первых поколений уже
сложились технологические рынки, идет «конкуренция стандартов».
Например, в умных сетях для энергетики
Стандарт IEC 61968
Стандарты ANSI
C12.19 и C12.22
Стандарт является инструментом построения взаимодействия элементов
сети, т.к. запрашивает целый пакет информации от участниках: функциональные
характеристики; структуру данных, содержащихся в устройстве; соответствие
различным стандартам; схемы взаимодействия различных устройств.
Преимущество: возможность точечного включения/отключения конкретного
устройства/потребителя
По стандарту участниками сети являются не конечные устройства
(холодильники или телевизоры), а «умные счетчики». Счетчики могут передавать
информацию об определенном участке сети. Конечный получатель информации
(диспетчер) не получает сведений о конечном потребителе.
Преимущество: более «крупный» взгляд на сеть без мелких деталей
16 >
17. 17 >
3.
Технологический прогресс в
индустриально развитых странах
был поддержан 3-мя поколениями
государственных программ в сфере
передовых производственных
технологий (АМТ):
Перспективные (передовые, продвинутые) промышленные
технологии (advanced manufacturing technologies)
представляют собой комплекс различных технологий
нетрадиционной обработки материала, использования
сложных новых материалов, автоматизации и
интеллектуализации производственно-технологических
процессов и систем.
18. Boeing 777
В индустриально-развитых странах можно наблюдать 3 поколения
государственных программ поддержки передовых промышленных технологий
(advanced manufacturing technologies)
1990-1995 – первый «безбумажный проект» самолета Boeing 777
1979- Boeing разработка собственной системы CAD/CAM
18 >
19. 19 >
4.
«Повестка дня» для развития
промышленных технологий в России
на долгосрочную перспективу (до
2030 года)
• Зрелые технологии нового инжиниринга необходимо
ускоренно импортировать и адаптировать к российской
индустрии.
• Массовый переход к новым (проектируемым) материалам
затянется на 10-15 лет. У России есть шанс быть одним из
передовых участников данного перехода.
• «Умные среды (инфраструктуры)» все еще находятся в
демонстрационной фазе. Повод реализовать крупные
пилотные проекты и включиться в подобного рода проекты,
имеющие глобальное значение
21. О Фонде «Центр стратегических разработок «СевероЗапад»»
Фонд «Центр стратегических разработок «СевероЗапад» — независимый общественный институт
Деятельность ЦСР «Северо-Запад» заключается
в проведении стратегических исследований и
выработке экспертных рекомендаций по широкому
кругу социально-экономических вопросов
Партнеры Фонда — федеральные министерства
и ведомства, региональные и муниципальные
органы власти, общественные
и научные организации, бизнес-структуры
География исследовательских
проектов — более 30 регионов России
Основные направления
деятельности Фонда:
Разработка стратегий развития регионов
Городское развитие, креативная индустрия
Адрес: 199106, Россия, Санкт-Петербург, 26-я линия В.О., д. 15, корп.
2, лит. А
Телефон и факс: +7 812 380 0320, 380 0321
E-mail: mail@csr-nw.ru
Материалы исследований ЦСР «Северо-Запад» на сайте www.csrnw.ru
Производственные кластеры , проектирование
индустриальных и производственных парков
Образовательные проекты, проектирование и
консультирование университетов
.
Научно-технологическое прогнозирование ,
форсайтные исследования
Публичные мероприятия (форумы, конференции,
проведение организационно-деятельностных игр)
