美国先进制造业概况｜远望译品

先进制造业概况

1、美国制造业状况

       

在美国，制造业约占年总能耗的25%；该份额也在全球范围内持有（见图4）。相关的美国能源成本1300亿美元，约占国内生产总值的11%，近1500万个直接就业岗位。许多报告指出，在美国制造业花费的每1美元在其他经济活动中产生1.3美元到1.8美元之间，这是一个超过任何其他部门价值的乘数。美国大约有30万家生产企业，其中绝大多数被归类为SMM。

图4 所有国际能源机构国家的能源使用分类

2、制造业发展趋势总结

       

制造业部门因其不同的流程、优先顺序和劳动力而大相径庭，但也有一些贯穿各领域的趋势和考虑因素在整个制造业中是可以识别的。了解这些趋势是将数字线程纳入制造设计-构建-交付生命周期的关键，该过程包括以下步骤：

数字线程有许多名称——智能制造、工业4.0/5.0、IIoT——但它们都描述了从工厂扩展的互联数字网络的元素。制造商在实施数字线程（如系统集成问题和数据/通信不一致）时面临挑战，CyManII准备解决这些问题。

现代制造设施面临着提高生产效率、供应链透明度、劳动力保留和能源强度的问题。CyManII团队在概述数字化的价值主张以及CyManII支持在旧系统和新系统中保护数字线程时意识到这些考虑因素。CyManII还考虑到制造商管理工厂软件和使用该软件的智能工厂漏洞的能力。CyManII随时准备通过保护从工厂到制造企业的数字线程，并最终跨越供应和消费成员产品的生态系统，协助其多元化成员，同时认识到SMM到OEM的不同需求和技能组合。制造商使用数字线程的动机详见以下内容。

能耗

工业部门（包括采矿、建筑、农业和制造业）是能源最密集的部门，占美国能源消耗总量的三分之一。制造业占整个行业能耗的77%。虽然能源改善不是制造商的首要问题，但自2000年以来，该行业的能源强度和能源消耗显著下降，因为制造商已转向精益制造和数字化，以更有效地运行和最大化生产。

自2005年以来，DOE对美国制造业当前的能源消耗和潜在的节约机会进行了多项带宽研究。CyManII以这些研究为基础，创建了知识基线（BLoK）论文，评估能源、排放和网络安全的潜在节约机会。

CyManII确定的制造业改进领域是减少供应链内的碳排放，因为工业供应链目前占年度全球温室气体排放量的40%。碳减排是另一个需要改进的领域，因为天然气占2018年工业能源投入的37%，比前几年煤炭和石油更为普遍的时候有所增加。

然而，这些变更需要资金和人员来启动，从而在能够实施此类变更的跨国制造商与不能实施此类变更的SMM对应方之间形成差距，而不管它们之间的相互依存关系如何。随着互联数字化的发展，SMM应注意提高能源效率和同时集成数字线程的机会，因为许多这些工具可以被修改以监控和改善能源消耗、排放效率和产品有效性。

行业/自动化

自动化和网络安全采用范围广泛，行业之间存在自然差异-流程变化、运营问题、市场和监管影响以及行业稳定性-影响公司如何实施数字线程。由于汽车、航空航天、国防和电子制造对消费者安全的关注、每家公司的平均员工人数庞大以及推动前瞻性计划的总体文化，网络安全采用的先进阶段是汽车、航空航天、国防和电子制造。某些运营更适合集成智能制造和网络安全：

1）与离散或批量制造的同类产品相比，连续流程操作无法承受任何原因（包括网络漏洞）造成的生产中断。

2）与定制产品制造相比，生产标准产品的公司可以发现自动化过程控制对于一致性的价值，所述定制产品制造可能需要更先进的技术来基于产品要求进行自我调整和调制。

3）美国政府转向网络安全成熟度模型认证 (CMMC) 政策是一个信号，表明客户可以向高科技制造商施加外部压力，将网络安全集成到其产品和流程中。

4）与具有长期运营的“经验证实”行业相比，采用自动化时较新行业可以更灵活地移动，而无需集成传统设备。

制造商实施数字线程的最大动机都与效率优化（劳动力、库存、过程/浪费、能源/排放）有关。数字化也开始扩展，超出设施使用范围，在企业层面运营。这反映在制造商采用的自动化类型中，这些类型已经从离散监控技术转变为连接的IIoT系统，其在设施中充当统一因素。

将设施与传统系统统一起来是一个挑战，尤其是当公司收购增加了简化不同操作、标准化操作和维护传统设备的固有难度时。SMMS反过来需要保持竞争力，同时采用灵活的模块化数字线程，以提高其制造供应链的效率和弹性，并保持其在市场中的份额。

供应链

过去20年的快速全球化已将制造供应链转变为设计、生产和分销的分散网络。未来20年的快速数字化将使制造供应链转变为全球复杂互联的协作。制造商对新冠疫情供应短缺的反应突出了供应商响应时间、供应商之间的通信和全球连通性方面的突出问题。由于新冠疫情造成供应链中断，促使制造商提高可追溯性，使供应商多样化，并提高供应链的弹性。

在新冠疫情之前，制造商努力管理其国家和全球供应链的可见性。不同市场的客户也开始要求“库存制造”产品，要求制造商和供应商使用更少的预制件。随着材料采购、物流渠道和交付周期的复杂性增加，一些制造商采用企业级技术跟踪发货并为客户提供额外信息。

然而，制造商一直在努力将现有的数字线程从工厂车间升级到整个供应链。只有利用供应商的公司才能实施必要的升级，以重新设计供应商流程并维护数百家供应商的网络安全协议。CyManII的供应链自动化和数字化方法已经发展，以适应供应商可变性和制造商资源。

劳动力

截至2021年，1240万名员工在制造业工作，与2020年相比略有增长，但与2019年的峰值相比下降5%（主要来自新冠疫情）。31.制造业是全国最大的雇主之一，劳动力在过去十年增长。不过，根据劳动统计局的数据，在20个就业萎缩最快的领域中，制造业部门占12个。

造成这种就业下降有几个因素：国际竞争、从低技能工作转向高技能工作、婴儿潮一代（指上世纪60年代出生）退休以及高等教育缺乏制造业信息。此外，制造业的机构知识（几十年来获得的专业知识和经验）正在丢失，因为可以传递这些信息的早期职业员工较少。这些因素减少了进入现场的新员工数量，增加了对熟练劳动力的竞争。通过利用自动化、智能分析和改进的培训工具，数字线程提供了一个扩大和缓解劳动力缺口的机会。

3、制造业概况

       

CyManII的主要重点是八个制造业部门，由于其能源密集型性质、在美国所有制造业中所占份额、与能源部和能源效率与可再生能源办公室的优先事项保持一致以及未来十年在白宫投资优先事项中的普及：

CyManII研究路线开发

鉴于CyManII对TRL（技术成熟度）2-6的关注，研究路线建立了由于其他能源密集型行业不是能源部目前的融资重点，因此在本报告中没有重点介绍。然而，上面列出的部门涵盖了广泛的自动化和流程类型，其他部门可以从CyManII在这些领域的工作中受益。CyManII目前正在探索化学、国防工业基地和生物医学制造领域的未来工作。

八个已识别部门中的每一个部门均在两页部门简档中进行说明和定义（见附录A）。这些行业概况提供了与制造业接洽的机会，以及行业具体细节、上述领域的趋势和机遇示例，以及支持在这些领域取得进展所需的数字化。此次合作将帮助CyManII更新和完善其在第二年及以后在八个行业开展工作的方法。制造业概况包括与生产率、复原力和以下相关内容：

与互联数字化相关的一些术语，如工业4.0和5.0，具有营销价值，但其重点交汇于加强工厂的连接生态系统（例如，云、智能传感器和工厂、预测性维护）。数字线程的好处是，它们使工厂从孤立的运营到企业范围的可见性的访问民主化。

当CyManII评估每个制造业的数字骨干网时，他们概述了他们的服务，以增加数字连接并增强这些连接网络的弹性。考虑到能源效率，制造商可以过渡到更电气化的技术，以提高其设施的能源效率。电气化技术可以通过使用替代设计和基于传感器的检测方法来降低工艺加热能量需求。

行业概况还强调行业之间的差异，从劳动力分布到单位产品消耗的能源。在每份简介中，详细介绍了改进的建议和机会，供制造业和网络安全专家更好地定制他们的工作。