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:

Большинство секторов традиционной индустрии вышли на

«технологическое плато» (замедление динамики, падение

отдачи от инвестиций, отсутствие радикальных инноваций и т.п.).

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.

1.

3 > Промышленное производство в ближайшие 10-20 лет будет

вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение

фундаментальных

1. 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.

Источник: Anna Ericsson, Gunar Erixon

Рост сложности рынков, ассортимента выпускаемой продукции, а

также меры, принятые промышленностью для управления

растущей сложностью

Источник: VDMA, Oliver

Wyman analysis

Объем

механического

инжиниринга в

индустрии

Германии (индекс

1990 = 100)

4 > Промышленное производство в ближайшие 10-20 лет будет

вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение

фундаментальных

2.

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

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: European

Commission Источник: ЦСР «Северо-Запад» по данным

представленных организаций

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

5 > Промышленное производство в ближайшие 10-20 лет будет

вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение

фундаментальных

3. 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

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»

Источник: Berkeley Lab

6 >

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.

2.

7 > Сейчас промышленность переживает тотальный технологический и

организационный ре-инжиниринг, основанный на тотальной дигитализации

производственных процессов, управлении жизненным циклом, с переходом к

открытой и модульной архитектуре производства

1990-е

Вертикальная интеграция

1980-е 2010-е

Сложная

логистика

1989: П.Друкер «Sell the

Mailroom» – идентификация

аутсорсинга в качестве

ведущей стратегии бизнеса

Just-in-time

Бум аутсорсинга

Первый опыт CAD и PLM в автопроме США, : ISO 10303…

«Тарно-упаковочная

революция»

Контейнерные

перевозки

Логистика Wal-Mart

«втулка-спицы»

Кризис

традиционного

аутсорсинга

«Модульная революция» -

открытая архитектура

Управление жизненным

циклом, кастомизация

производства

Интегрированные

технологические цепочки

Массовизация автоматизированных систем

проектирования и управления

Стандарты с, «открытым кодом»

Новое поколение инжиниринга

Рост электрики и электроники в стоимости продукции

Массовый выход на рынок

«интеллектуальных» объектов,

способных объединяться в «кибер-

физические системы» (CPS) / smart grid

Появление огромного количества

«цифровых объектов» как следствие

роста моделирования

2000-е

Автоматизация и информатизация управления, CAD, DMU, цифровые макеты, 3 и 6D-

проектирование

Международные стандарты (ISO 15288…)

Сети поставок, «открытые инновации», 1988:General Public License

Способность проектировать и

управлять производственными

процессами на микро- макроуровне

(«2028 Vision for Mechanical

Engineering» ASME, 2008)

Быстрый рост автоматизации производственных процессов,

роботы 1-1,5 поколения

Модульные

платформы

Модульные

конструкции

1.

Ин

тегр

ир

ов

ан

ная

ар

хи

тектур

а

(отн

ош

ения «

many-t

o-m

any» м

еж

ду

функц

ионал

ьны

ми и

стр

укту

рны

ми э

лем

ента

ми)

Открытая архитектура (микст компонентов между многими

компаниями – держателями дизайна) М

од

ул

ьн

ая

ар

хи

тектур

а

(соотв

етс

твие ф

ункц

ионал

ьны

х и

стр

укту

рны

х э

лем

енто

в)

Закрытая архитектура (микст компонентов и множественность

конструкций, собираемых внутри одной

компании)

Производители

электроники

Автопром

2010-е

1990-е

Строительство

Атомная

промышленность

2010-е

2000

2010-е

Стратегии развития

большинства

отраслей

промышленности

8 >

Судостроение

1990-е

Унификация платформ, разделение

дизайна, маркетинга и поставки

компонентов, разделение

поставщиков по уровням,

образование модульных

консорциумов, сокращение

количества модулей

Авиапром

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

Зона наивысшей

производительности

аутсорсинга

2005: создание

International Association of

Outsourcing Professionals

2008: Microsoft создает

новую модель работы для

аутсорсинга финансов и

закупок – OneFinance

Program

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

9 > База для тотального ре-инжиниринга производства – компьютерный

инжиниринг

Источник: Innovation in Product Design: From CAD to Virtual Prototyping / Monica Bordegoni, Caterina

Rizzi Editors. - London: Springer-Verlag London Limited, 2011

Программные платформы компьютерного инжиниринга

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

ПО для дизайн и инжиниринга,

включая 3D-сканирование

Моделирование и оптимизация

бизнес-процессов

7,6

0,8

15,4

0,6 5,4

3,6

18,6

3,4

9,4

31,3

3,8

Отраслевая структура объема инжиниринговых услуг компаний из Global

Top 200, % (2010 г.) переработка: цбк, металлург, фарма и пр. сборочная промышл.

все здания

телеком

вода

стоки/отходы

транспорт

вредные отходы

энергетика

нефть и нефтехим Источник: McGraw-Hill Construction, Enr.com

Источник:, ARC Group

Источник:, ARC Group

11 > Следующий шаг – переход к новым материалам. Их интеграция в

автоматизированные системы проектирования и производства, совмещение

производства материалов и производства компонентов/изделий

1990-е

Отрасли MSE: биоматериалы; керамика;

композиты; магнитные материалы; металлы;

электронные и оптико-фотонные материалы;

сверхпроводники; полимеры; катализаторы;

наноматериалы

2010-е

Автоматизация

проектирования

материалов

Оформление MSE в

самостоятельную

дисциплину в 1960-е

Утрата позиций развитых

стран в доступе к сырью для

производства традиционных

материалов, прежде всего,

металлургии

Рост числа

масштабируемых для

производства новых

материалов

Принятие ведущими странами и корпорациями стратегий перехода к

использованию новых материалов

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.

2000-е

Первые опыты автоматизации проектирования, интеграция производства

материала и выпуска изделия из него

Безавтоклавное производство композитов Новые технологии получения ФГМ

2020-е

Глобализация

MSE R&D

Масштабирование

производства

полимеров,

стеклопластиков,

углепластиков, 1-го

поколения композитов

Получение новых

и переход материалов к

масштабированию

Масштабирование производства новых

материалов и полное интегрирование

производства новых материалов и изделий из них.

Массовый переход к новым материалам всех

отраслей промышленности

Интеграция систем

программирования

материалов и

автоматизированного

проектирования PLM изделий

2030-е

Системы CAD и PLM в материалах

2.

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

Сравнение удельной прочности сплавов металлов и

композитов

«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

Источник: из материалов А.И. Боровкова, СПбГПУ Источник: Анализ компании Lucintel

Кривая экономической эффективности

углепластиков для различных отраслей

13 > Революция в материалах: основные тренды

1.

2.

3.

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

Компетенции в проектировании материалов – ключевые для производителей конечных продуктов. Эффекты : радикальное снижение веса, сокращение и удешевление цикла проектирования (замена краш-тестов, экологизация продуктов)

4.

Внедряются общие платформы, стандарты, требования к проектированию материалов. + открытость процессов (возможность распределенного коллективного проектирования). 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.)

5.

Дизайнеры

и производители оценивают

издержки и риски

конечного

изделия

Химики оценивают кинетику

старение, коррозию

материалов

Работают в масштабе:

1–102 м

(макроуровень – конечное изделие)

Работают в масштабе:

10 -9–10 -6 м

(микро- и наноуровень – материалы )

Работают в масштабе:

10 -3– 10 -2 м

(мезоуровень – составные части

изделия)

Механики оценивают

пластичность,

эластичность,

деформацию

отдельных

частей

• Требования к

производству

• Издержки

производства

• Способы

производства

• Требования к

структуре

• Условия разрушения

• Конструкторские

особенности

Настоящее: недостроенная цепочка в

материаловедении Будущее: выстроенная цепочка

«микроуровень – мезоуровень – макроуровень»

Сильная связь

Слабая связь

• Кинетические

модели

• Модели

износостойкости

Дизайнеры

и производители оценивают

издержки и риски

конечного

изделия

Механики оценивают

пластичность,

эластичность,

деформацию

материала

Химики оценивают кинетику

старение, коррозию

материалов

• К

ине

тически

е

мод

ел

и

• М

од

ел

и

изн

ососто

йко

сти

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

Источник: National Research Council

15 > Умные среды: массовое внедрение на горизонте 2020-2030-х гг 3.

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

Стандарт IEC 61968

16 > В области технологий умных сетей первых поколений уже сложились технологические рынки, идет «конкуренция стандартов». Например, в умных сетях для энергетики

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

Стандарты ANSI

C12.19 и C12.22

17 >

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.

3.

18 > В индустриально-развитых странах можно наблюдать 3 поколения

государственных программ поддержки передовых промышленных технологий

(advanced manufacturing technologies)

Boeing 777

1990-1995 – первый «безбумажный проект» самолета Boeing 777

1979- Boeing разработка собственной системы CAD/CAM

19 >

«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

4.

20 > Возможные этапы развития передовых производственных

технологий в России

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.csr-

nw.ru

О Фонде «Центр стратегических разработок «Северо-

Запад»»

Фонд «Центр стратегических разработок «Северо-

Запад» — 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

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)