Прогноз развития производственных технологий на период до 2030 года Доклад на основании результатов Промышленного и технологического форсайта, проведенного. - презентация

1 Прогноз развития производственных технологий на период до 2030 года Доклад на основании результатов Промышленного и технологического форсайта, проведенного по заказу Минпромторга России В.Н. Княгинин Директор Фонда «Центр стратегических разработок «Северо-Запад» Май 2014 года

2 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: интеллектуальных, материальных, инфраструктурного задела. 1.

3 3 > Промышленное производство в ближайшие 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.

4 4 > Промышленное производство в ближайшие лет будет вынуждено решать целый пакет задач, имеющих значение фундаментальных 2. Источник: Chatham House Resource Trade Database, BACI, COMTRADE Глобальные прогнозы пика добычи нефти и темпов падения добычи после прохождения пика Глобальный прогноз пика добычи угля Матрица оценки безопасности поставок материалов EC 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 из-за нарастающего дефицита ресурсов Баланс экспортно-импортных поставок ресурсов по регионам (2010)

5 5 > Промышленное производство в ближайшие 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 6 > Есть все предпосылки для того, чтобы современная промышленность ответила на вызовы исчерпания ресурсов развития Уже оформилась постклассическая наука, которая дает новые методы исследования (безусловное преобладание индукции над дедуктивными построениями и исследованиям, нечеткая логика, выход за пределы системного подхода – «мир – больше, чем система», теория сложности и теория сборки). Здесь основании для внедрения управления жизненным циклом (PLM), перехода к федерации PLM. Big Data и т.п. Развитие электроника компьютерной техники, которое позволяет формировать, передавать и обрабатывать огромные массивы данных, искать и фиксировать связи в режиме реального времени и т.п. Все задействованные в производстве факторы могут быть «оцифрованы», а все собранные данные – обработаны. 4 Глобализация экономики, глобальные финансовые рынки, совершенная логистика, которые привели к глобализации стандартов, принятии единых методик менеджмента, а также «английского технического» в качестве международного языка в сфере экономики и технологий. Это позволило в организации производства выйти за пределы цеха и предприятия, воспользоваться всеми доступными в экономической системе ресурсами и вовлечь в производство всех заинтересованных лиц, включая покупателей промышленной продукции. Изменение парадигмы проектирования: шаблонное (Кристофер Александр), фрактальное (Бенуа Мандельброт), аксиоматическое (Нум Сух) и т.п. проектирование. Новая парадигма проектирования обеспечивала стабильное и предсказуемое поведение проектируемых сложных систем, а также за счет стабильности и предсказуемости снижала затраты на само проектирование (позволяла оперировать уже отработанной и «сжатой» в виде модуля, шаблона, фрактала сложностью).

7 7 > Основные («революционизирующие» всю промышленность) тренды развития индустриальных технологий: 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. 2.

8 8 > 1. Сейчас промышленность переживает тотальный технологический и организационный ре-инжиниринг, основанный на тотальной дигитализации производственных процессов

9 Глобальный рынок САПР в 2008 – 2013 и прогноз до 2017 года 9 > Прогноз структуры рынка программного обеспечения для компьютерного инжиниринга по основным продуктам на 2017 г. Прогноз отраслевой структуры спроса на продукцию ПО для компьютерного инжиниринга в гг. Среднегодовые темпы роста ключевых секторов рынка ПО для компьютерного инжиниринга в гг.

10 10 > Следующий шаг – переход к новым материалам. Их интеграция в автоматизированные системы проектирования и производства, совмещение производства материалов и производства компонентов/изделий 1990-е 2010-е Оформление MSE в самостоятельную дисциплину в 1960-е Утрата позиций развитых стран в доступе к сырью для производства традиционных материалов, прежде всего, металлургии Принятие ведущими странами и корпорациями стратегий перехода к использованию новых материалов 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. Постановка задачи замены традиционных материалов Цифровые материалы: углеродные наноматериалы, графен, 2D наноматериалы, биоматериалы (ростовые, для 3D printing и т.д.), smart materials и пр е Системы CAD и PLM в материалах, компьютерные каталоги материалов 2. Отрасли MSE: биоматериалы; керамика; композиты; магнитные материалы; металлы; электронные и оптико-фотонные материалы; сверхпроводники; полимеры; катализаторы; наноматериалы е Кризисы глобального рынка нефти Изменение парадигмы проектирования, цифра: проектируется не материал, а конструкция Замещение в производстве традиционных материалов: масштабирование производства полимеров, стеклопластиков, углепластиков, 1-го поколения композитов и пр. Анизотропное цифровое моделирование (инжиниринг) Формирование электронных каталогов материалов для CAD/CAM и PLM/PDM- систем АМТ в обработке нетрадиционных материалов Масштабирование промышленного использования «цифровых материалов» Новая задача: замещение материалов в биологических объектах Кастомизация D&M The Materials Genome Initiative (MGI) США: Прорыв за счет цифрового моделирования, соединения материаловедения, дизайна и AMT, стирание различий между структурными и функциональными материалами, свойства по требованию

11 Обеспеченность применения новых технологий в сфере передовых материалов в отдельных странах (ТОП-16 технологий по рейтингу RAND Corporation) ПРИМЕЧАНИЕ: Страны были выбраны в качестве представителя группы подобных стран в одном географическом району. Цветовая маркировка в соответствии с уровнем развития S&T : научно продвинутые (синий), обладают базой (зеленый), ведут разработки (желтый), и отстают (красный). Т.А. – место в рейтинге RAND Corporation технологий использования передовых материалов. D – драйвер, B - барьер, в том числе по следующим показателям: (а) цена/финансирование; (b) институты /политика; (с) социальные ценности, общественное мнение, политика; (d) инфраструктуры; (е) ноу хау; (f) использование ресурсов и охрана окружающей среды; (g) инвестиции в НИОКР; (h) образование и грамотность; (i) население и демография; (j) управление и стабильность. Источник: RAND Corporation 11 > Уровень технологической готовности к использованию передовых материалов в разных странах мира

12 12 > Умные среды: массовое внедрение на горизонте х гг первая Интернет- вещь 1999-й - термин «Интернет вещей» (Internet of Things). Цифровые датчики, SCADА- и DSM-системы 1-2 го поколения Умные датчики, SCADА- и DSM- системы 3-4-го поколения, context-aware systems Сенсорные поля, Big Data, проектирование биологических сред и экосистем

13 Борьба за рынок умных сетей/инфраструктур в мире идет полным ходом, реализуются масштабные региональные инициативы Регион Первый уровень значимости Второй уровень значимости Третий уровень значимости АТРРаспределенная автоматизация ПО для сетевых операций Модернизация сетей передачи эл.энергии Китай Распределенная автоматизация Инфраструк-тура AMI Модернизация сетей передачи эл.энергии ЕвропаПО для сетевых операций Анализ данных Инфраструктура AMI Латин-ская Америка Модернизация сетей передачи эл.энергии Инфраструк-тура AMI Распределенная автоматизация Северная Америка Анализ данныхПО для сетевых операций Распределенная автоматизация Приоритеты национальных проектов в SG Проекты/консорциумы в SG в разных регионах мира 13 > Источник: GTM Research

14 14 > Запустить три революции в промышленном производстве можно только через внедрение передовых производственных технологий, которые связаны с нетрадиционными методами обработки, новыми инструментами контроля и управления производственно-технологическими процессами, а также использованием новых материалов, автоматизированных и интеллектуальных систем контроля и управления оборудованием, производственно- технологическими процессами и системами. Термины «передовое производство» (advanced manufacturing), «передовые технологии» (advanced technologies) появились в поздние 1970-е, а распространение данные технологии получили после того, как была запущена специальная политика их поддержки. В настоящее время мы наблюдаем три «поколения» господдержки АМТ в мире. 3. Зависимость экономического роста от применения передовых производственных технологий, в том числе передовых материалов (%) Источник: Moskowitz, S. L. Поколения программ промышленной политики в сфере передовых производственных технологий (advanced manufacturing technologies – АМТ)

15 15 > Иллюстрация: рост сложности на уровне оборудования - точность Традиционные материалы Традиционные технологии обработки (механообработка, формовка) Уровень (точность) обработки μm/мкн е: цифровые системы управления оборудованием е: PDM- системы; проектируемые материалы (с заданными свойствами) Многофункциональные, мультиуровневые структуры, hollow- sphere structure, микро-решетки, пены… Конце 2000-х: появление обрабатывающих комплексов, работающих на уровне 1-2 nm 1960-е 1940-е 100 (10 3 in) ,1 0, (1 nm) 0.3 nm 0,0001 (0.1 nm) Уровень атомной решетки 1 km-1m 1 mm 1 μm (1 nm) 1 pm Уровень атомной решетки Advanced технологии (абразивные, эрозионные, аддитивные и др.) Advanced материалы «Цифровые», «умные» материалы (2-3-е поколение композитов, бионические структуры, биоматериалы и пр.) (10 6 in) 2010-е Штурмуемая зона: квантовый уровень Штурмуемая зона: суперматериалы е: развитые CAD/CAM-системы е: проектирование материалов и изделия – единый процесс Additive (AMJ, ABJ, PVP, AME, PBF, DED, SL, HAM, DWAM…) Abrasion (AJM, WJM, USM, AFM, MAF) Erosion (CHM, ECM, EDM, LBM, PBM) … каждые 10 лет точность растет на квалитет (в 1,5 – 1,6 раз)

16 16 > Полуавтоматы Nakamura-Tome (Япония): станки с 15-ю управляемыми осями (модель WTW-150) 1940-е Штурмуемая зона GAM, AM и др. разновидности общей ассоциативной памяти роботизированных систем Автоматы ЧПУ 1-го поколения: 1950-е Роботизированные комплексы 1-го поколения, 1980-е Роботизированные комплексы 1,5-го поколения, е (серийные комплексы, работающие без вмешательства человека более 30 суток подряд, RSM ) Роботизированные комплексы 2-го поколения (самообучающиеся) Роботизированные комплексы 3-го поколения (самоорганизующиеся) 2000-е 2010-е 1960-е Скорость за пределами «ручного управления» Уровень сложности за пределами возможностей «ручного управления» Автоматизация 1961 – монтаж первого коммерческого промышленного робота на линии General Motors Рост мощности устройств Более Скорость вращения шпинделя в станках мехобработки Мощность лазера 100 КВт 1 МВт Многокоординатные обрабатывающие центры Micro-manufacturing processes (non-MEMS manufacturing) MEMS manufacturing. Расширенное применение различных процессов и механизмов микро- машинного производства (EDM, ECM, USM и др.) Скоростная прецизионная обработка Высокопроизводительные и сверхточные SOINN, ESOINN, STAR-SOINN и др. –самоорганизующиеся инкрементные нейронные сети, обеспечивающие саомобучение роботов. Иллюстрация: рост сложности на уровне оборудования - скорость

17 17 > Аналоговые системы контроля технологических процессов 1940-е Цифровые системы контроля технологических процессов Штурмуемая зона Отдельные цифровые датчики и контроллеры, счетчики Системы цифровых датчиков (DCSPLC, APL) Только интеллектуальные объекты Оперирование цифровыми моделями Статические производственные системы (rigidly sequenced manufacture on a production line) 1970-е Динамические производственные системы (decoupled, fully flexible and highly integrated manufacturing systems) 2000-е 2010-е Shop Floor Agility первый программируемый логический контроллер (Modicon 084) Иллюстрация: рост сложности на уровне производственно- технологических процессов – цифровые заводы Мультиагентсские системы, холоническое производство SCADA 2-го поколения (распределенные), DCS SCADA 3-го поколения (сетевые, на базе «умных» датчиков и устройств) SCADA 4-го поколения (Интернет, WebSCADA), АСУ ТП на базе Интернета Аналоговые АСУ ТП SCADA 1-го поколения (замкнутые и одноканальные) е: традиционная передача данных по аналоговым каналам : Интернет, цифровая передача данных Протоколы взаимодействия открытых систем (OSI): регламенты обмена данными устройств в сети е: Ethernet как локальная сеть (LAN) для соединения компьютеров, протоколы TCP / IP е: беспроводная передача данных, GPS и подобные системы геопозициоинирования М2М системы, трансформация «открытых инноваций»

18 18 > Аналоговые системы контроля технологических процессов (внутри системы) Крупноузловые (модульные) конструкции 1940-е Рост скорости и объема передачи данных Штурмуемая зона Модульные платформы Модульные платформы с открытой архитектурой Мультиагентские системы Системы обмена цифровыми данными в рамках технологических процессов Интернет вещей, соединение сбора и обработки данных, аналитика one-line Smart-grid 3-го поколения (самоуправляемые системы) – «умные заводы» Эпоха универсальных стандартов Эпоха Big Data е Рассредоточенное производство 1980-е: ISO 10303…, 1990-е: ISO 15288… ISO :2007, STEP-NC, ANSI и ISO версии DMIS, v4.0 и v5.2… Уровень производственно-технологических систем: «умные среды», виртуальное производство - инфраструктуры следующего поколения, CPS первый программируемый логический контроллер (Modicon 084) 1999 год – концепция Интернета вещей (IoT) от MIT Auto - ID Lab е : Smart-grid 1-2- го поколения (управляемые системы, аутсорсинг), «виртуальные предприятия» 1996 год – версия 1.0 стандарта OPC: общий интерфейс для приложений по управлению различными устройствами. Штурмуемая зона Массовый выход на рынок «интеллектуальных» объектов, способных объединяться в «кибер- физические системы» (CPS) / smart grid

19 19 > Интеллектуализация Рост сложности топологии энергосистемы (электросети) SCADA 1.0 (изолированная) SCADA 2.0 (распределенная) SCADA 3.0 (сетевая) SCADA 4.0 (федерация) Линейная Архитектура Радиальная (звезда, дерево, кольцо и т.п.) Ячеистая (сети с высокой взаимосвязью - mesh networks) AMISmart meter, digital data, big data Industrial control system OMR, EMR … AMR Electro-mechanical relays Solid-state analog relays Digital (micro-processor based) relays Intelligent Electronic Devices (IEDs), Smart Substations Интеллектуальное оборудование ( е) Аналоговые системы, ручной сбор данных Интеллектуальные процессы: ICS, PLM, ERP ( е) Интегрированные программные платформы - Soft Grid : ICS+PLM+ERP (2010-е…) Скорость передачи и обработки данных (реакции) 1960-е е 2000-е 2010-е Крупные централизованные сети при гиперконцентрированной генерации Национальные централизованные сети гомогенной топологии, олигопольный рынок 1920-е Локальные сети «генератор – потребители» Архитектура, интегрирующая только кибер-физические объекты (physical, digital, virtual): 1. Смена идеологии: доступ к энергии, а не подключение сетям (роуминг энергии, сервис энергии и т.п.). 2. Взрывной рост разнообразия источников энергии, усложнение топологии сети, приспособление к стохастическим рынкам. 3. Смена не только архитектуры сети, но и рынка (изменение систем биллинга, появление «потребитель-производитель» и пр.). Cellular (сотовая сеть и мультиагентные системы) Национальные и интернациональные централизованные сети, обеспечивающие конкурентный рынок Интеграция кибер- физических узлов (VPP, micro-grid) Кибер- физические системы (CPS, IoT, IoS) Адаптивные к гетерогенной топологии централизованные сети ( interconnection, ahead of real time generation as a response, ВИЭ, распределенная генерация, 2013 г. – 685 mW micro-grid, рынок хранения и пр.) 2015: SCADA с 1 млн. узлов 5 G WAMS, WAMPAC сенсорные поля Intelligent campus micro-grid (самоорганизующиеся) 1-я фаза Automated micro-grid (интеграция потребителя и поставщика, VPP) 2-я фаза Utility-scale micro grid (интеграция локально сбалансированных интеллектуально организованных локальных узлов рынка, WASVPP) 2020: совокупная мощность micro-grid – 4 gW DER, DSM Управление спросом DR DRS, ADR Новая парадигма надежности Саомодиагностируемые и самовосстанавливающиеся технологические системы. При большей чувствительности к кибергурозм Обеспечение не «сверху-вниз», а «снизу-вверх». Большая устойчивость за счет гетерогенной и более сложной топологии Уровень производственно-технологических систем: изменения архитектуры и интеллектуализация энергосистем Artificial Neural Networks 1Гб/с 10-40Гб/с 1Тб/с

20 20 > «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 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.

21 21 > Возможные этапы развития передовых производственных технологий в России, мы будем двигаться по другому графику, чем многие другие страны ОЭСР

22 Специализация Интеграция Собственные разработки Импорт решений Источник: ЦСР «Северо-Запад» по материалам isicad.ru, pcweek.ru, СПбГПУ, IDC, компаний Рыночная стратегия Технологическая стратегия Российский рынок САПР по темпам роста обгоняет мировой. По оценке IDC, в 2012-м объем продаж инженерного ПО увеличился на 20,2% и достиг 204,6 млн. долл. Но пока это в основном импорт, масштабы которого не столь велики ОАО Топ-Системы АСКОН ADEM Нанософт ТЕСИС ЛЕДАС Фидесис ЗАО НИЦ СТАДИО ЛЕДАС + Станкин ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» Бизнес-модели участников российского рынка САПР 1. На рынке присутствуют все мировые вендоры. Отличие ситуации от общемировой – основные доходы получают от продажи лицензий, а не обновлений. 2. Лидеры российского рынка – Autodesk, Dassault Systemes, Siemens PLM Software, PTC и АСКОН. Наблюдаются различия по сегментам. 3. Вызов для российских разработчиков – конкуренция со стороны мировых лидеров и «открытого» ПО. 4. Главная тенденция – экспансия спроса на PLM- решения во все отрасли промышленности, на решения для работы в географически распределенной среде. 5. Сдерживающие факторы российского рынка: кадровый дефицит, сложность внедрения PLM на предприятиях, структурные проблемы организации проектного цикла, слабое использование специализированных САПР, облачных технологий и веб-интерфейсов. АППИУС SDI Solutions 22 >

23 Обеспеченность применения новых технологий в сфере передовых материалов в отдельных странах (ТОП-16 технологий по рейтингу RAND Corporation) Для России прорыв к число лидеров в сфере технологий передовых материалов возможен, хотя и связан с целым рядом ограничений Рейтинг стран по уровню развития нанотехнологий (динамика годы) Источник: RAND Corporation Источник: NNI 23 >

24 24 > В России создана технологическая платформа «Моделирование и технологии эксплуатации высокотехнологичных систем» (Промышленность будущего), во многом копирующая европейскую Future Manufacturing Technologies (MANUFUTURE) Источник: «Моделирование и технологии эксплуатации высокотехнологичных систем» (Промышленность будущего)I

25 Адрес: , Россия, Санкт-Петербург, 26-я линия В.О., д. 15, корп. 2, лит. А Телефон и факс: , Материалы исследований ЦСР «Северо-Запад» на сайте 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 60 регионов и городов Российской Федерации 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) 25 >