美国《国家制造业创新网络：一个初步设计》概述

美国国家制造业创新网络：一个初步设计概述1、提出背景一个多世纪以来，制造业一直是美国经济繁荣的基石。2011年，美国制造业增加值高达1.8万亿美元，占GDP的12.2%；1.3万亿美元的制成品出口海外，占美国货物出口总额的86%。2013年1月，为促进美国制造业复兴，美国总统执行办公室（Executive Office of the President）、国家科学技术委员会（National Science and Technology Council）和高端制造业国家项目办公室（Advanced Manufacturing National Program Office）联合发布国家制造业创新网络：一个初步设计（National Network of Manufacturing Innovation：A Preliminary Design）。建立全国制造业创新网络是奥巴马政府的一大创新之处。在国际金融危机和“欧债”危机影响不断深化的背景下，面对以新能源、新一代信息技术、新材料、数字化制造等为标志的第三次工业革命浪潮，中国制造业发展面临诸多机遇和严峻挑战。当前，培育发展高端制造业已成为世界主要国家抢占新一轮经济科技制高点的战略选择，也成为我国能否在新的工业革命浪潮中占领先机的关键所在。基于此，笔者有针对性地对NNMI计划做了编译和整理，以期为推动我国制造业快速发展提供有效政策借鉴。美国国家制造业创新网络（NNMI）提出背景从上世纪80年代开始，美国制造业经历了明显衰退。1979年至2010年间，美国制造业工作岗位从1.94亿个降低到1.15亿个，降幅为40.7%，其中，2000年至2010年尤为明显，共有5900万份制造领域的工作消失，降幅为33.8%。美国劳工部数据显示，过去13年，每季度平均有占制造业总数3.5%的工厂关闭，而仅有2.6%的工厂新开。事实似乎表明，美国企业在本土保留核心研发、将规模制造外包或外迁的模式，或难以符合新一轮技术革命的特征：电子与通讯产业可模块化与可复制化的特点，加快了知识的溢出效应，由美国公司巨资开发的技术很容易被海外公司获得，并抢先开发为可商业推广的产品；制造业大规模外迁还造成本地产业链断裂，进而损坏产生创新的基础结构，不少企业的研发部门也随之迁往他国。美国国家科学技术委员会的数据显示，2000年美国的高端科技产品尚有50亿美元的贸易盈余，到了2011年则逆转为高达990亿美元的赤字，占总体贸易赤字的17%。在半导体记忆存储装置、锂电池、平面显示器、机器人、太阳能电池、高端照明、氧化物陶瓷等领域，美国曾经是技术的发明者，现在却落后于其他国家。那么，是什么原因导致美国制造业衰落呢？美国总统科技顾问委员会（PCAST）的研究表明，导致美国高科技制造业衰落的因素，并不在于劳动力价格德国的工资比美国高30%至40%，但德国制造业却一直蓬勃发展，而在于美国在将发明和发现转化成“美国制造”的产品和流程上逐渐失去立足点，即使美国仍然引领着世界基础研究、科学发现和创造精神。过去美国有贝尔实验室、施乐帕克研究中心以及IBM实验室等等，它们负责构想下一个有影响的创想。但是在过去20年至30年间，公司研发的大多数重点放在了短期项目上。现在美国需要一些机构来做转换性的研究，就像德国弗朗霍夫研究所（Fraunhofer Institute）那样，就像贝尔实验室过去所做的那样这就是为什么奥巴马政府决定建立由15所创新学院组成的“国家制造业创新网络”。当前，美国部分制造业标杆企业（如通用电气、卡特彼勒、奥的斯等）生产线从海外高调回归，但这并不代表着美国制造业的整体复兴。据一些研究机构估计，美国大约四分之三的研发产生于制造业，但过去30年间制造业基础的流失和瓦解，已经大大削弱了美国的科技竞争力。为促进美国制造业科技创新和成果转化，2012年3月，奥巴马政府宣布由联邦政府投资10亿美元成立国家制造业创新网络（National Network of Manufacturing Innovation，以下简称NNMI）。创新网络的概念源于德国“弗朗霍夫模式”（Fraunhofer Model），通过合同形式从政府和产业取得70%的资金，剩余30%基础资金根据91的比例，分别来自联邦政府和地方政府，通常用于产业化前期研究。一般而言，德国弗朗霍夫模式更多体现的是“政府+企业”模式，而美国制造业创新网络更倾向于“学术界（含大学和社区学院）+企业”模式。具体而言，美国国家制造业创新网络具有如下特征：美国联邦政府出资建设一些基础设施，然后退居幕后，继而由美国企业界和学术界共同解决产业发展的相关问题，如决定要发展哪些科技和产业，确定关键制造工艺等。在美国国家制造业创新网络中，学术界的作用是极为重要的。除与企业界一起开发新技术外，学术界还将通过提供技术援助，帮助中小企业应用新的工艺技术、培训公司员工、共享关键设备和基础设施。美国国家制造业创新网络通过政府和企业部门以及学术界的共同参与，有力推动美国制造业行业新技术、教育能力、生产过程及产品的快速发展。为推动美国制造业关键技术领域创新，国家制造业创新网络（NNMI）还设立了包括国家增材制造业创新学院（National Additive Manufacturing Innovation Institute，以下简称NAMII）等在内的15个学院，分别聚焦于研究某一种平台性技术，以此作为世界领先的技术和服务的区域枢纽。实际中，上述学院通过提供共享的技术基础设施，帮助当地的初创企业和小企业发展新技术，加快市场的技术转让，推动所聚焦技术供应链的创新发展。如，让中小企业共享计算机辅助设计、仿真工具及关键设备，降低其研发成本；帮助小公司评估其科技成果的商业化价值，并缩短其商业化的时间。除此之外，创新学院还将作为“教学工厂”，在多个层面提高劳动力技能并增强大企业和小企业的业务能力。【专栏1】美国国家增材制造业创新学院所谓的增材制造，通常称为3D打印，这是一种通过数字模型制造产品和组件的新方式，并将对国防、航空航天、汽车和金属制造等行业产生广泛的影响。3D打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床及众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。据美国能源部预计，与今天的“减法”制造工艺相比，增材制造过程能源消耗量将减少50%以上。2012年10月，美国国家增材制造业创新学院（National Additive Manufacturing Innovation Institute），落户在俄亥俄州和宾夕法尼亚州交界线附近的小城扬斯顿市中心一栋1.2万平方英尺的建筑里，这里原本是扬斯顿商业孵化器的一栋仓库配楼。这是奥巴马政府提议在全国建立的15个制造业创新学院中的第一个，目前包含超过85家公司（主要包括全球知名特种金属生产商阿勒格尼技术公司，美国应用系统和技术转移公司，全球知名设计软件公司Autodesk，全球知名的3D打印公司 ExOne公司、Sciaky公司及Stratasys公司，波音公司，FMW复合材料，通用动力，通用电气，霍尼韦尔，IBM，江森自控，洛克希德马丁公司，诺斯罗普格鲁曼公司，派拉蒙工业/ 3D系统，铁姆肯公司，西屋核电，全球知名照明产品制造商欧司朗）、13个研究型大学（主要包括卡内基梅隆大学，凯斯西储大学，肯特州立大学，利哈伊大学，宾夕法尼亚州立大学，罗伯特莫里斯大学，阿克伦大学，匹兹堡大学，扬斯敦州立大学等）、9个社区学院（如东捷威社区学院，罗雷恩县社区学院，北安普顿社区大学，宾夕法尼亚大学技术学院，威斯特摩兰县社区大学等）以及18个非营利机构。随着增材制造业创新学院的建成，扬斯顿有望成为美国未来3D打印产业的中心。作为第一家创新学院，增材制造业创新学院的运作模式颇具开创性。未来三年，其运营将由国防部、能源部、商务部、国家科学基金会和国家航空航天局（NASA）五个政府部门出资4500万美元，以及申请团体（包括俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州地区的一些制造企业、研究型大学、社区学院、非营利机构等）共同出资4000万美元，此后将逐渐过渡到自负盈亏。2、聚焦重点与相关计划美国国家制造业创新网络（NNMI）聚焦重点美国国家制造业创新网络设置的每个学院都有一个独特和明确的重点领域，如制造过程（manufacturing process），一项使能技术（enabling technology）1，先进新材料的制造过程（manufacturing processes for new advanced materials）或一个产业（an industry sector）等。具体来看，主要包括如下几方面内容。 制造过程：能有效降低生产成本的增材制造（如标准的细化、材料及设备的制造等）。使用现有的资源和权力，国家制造业创新网络（NNMI）将在重点地区试点国家增材制造业创新学院。其他例子还包括先进的连接或聚合物的加工工艺等。 先进材料：发展轻型材料的低成本生产方法，如低成本的碳纤维复合材料，其应用将有效提高下一代汽车、飞机、船舶和列车的燃料使用效率、性能和耐腐蚀性。其他例子还包括大型太阳能发电或下一代集成电路所需新型材料的研发。 使能技术：创建一个智能制造的基础设施和关键技术，使得低成本的传感器能有效应用到制造工艺，使得运营商能实时应用“大数据”，从而提高生产率，优化供应链，降低生产成本，减少能源、水和材料的消耗。 产业：改善医疗设备或材料的生产过程，来提高药品、化学品的安全性和质量，创造新的工具以优化生产过程、控制成本支出。其他的例子还包括下一代汽车或航空航天制造工艺技术的发展。现有相关计划虽然美国联邦政府拥有一批高效的计划来支持高端制造业发展，但是此前所有计划的影响力都不及国家制造业创新网络（NNMI）。为进一步明确NNMI计划的重要性，我们对现有支持美国高端制造业发展的相关研究中心、研究和创新中心、制造示范设施、国防部制造技术计划、卓越中心等进行简要概述。一是研究中心（Research Centers）。研究中心通常侧重于基础研究，但偶尔也延伸到应用研究和技术的概念验证活动。这些中心都隶属于一个或多个大学。典型例子包括：NSF产业/大学合作研究中心。该中心专注于早期阶段的预竞争研究；NSF工程研究中心；NSF材料科学与工程研究中心等。二是研究和创新中心（Research and Innovation Hubs）。中心强调在一个特定的高优先级目标下，研究团队规模庞大、学科多样。如美国能源部的能源创新中心就是一个多学科、多机构、高度协作的专注于能源科学与技术研究的机构。三是制造示范设施（Manufacturing Demonstration Facilities，简称MDF）。制造示范设施旨在帮助制造业协会成员发展和展示新的制造技术。MDF由DARPA（美国国防部先进研究项目局）和能源部负责管理。四是国防部制造技术计划。美国国防部制造技术计划计划开发先进的制造技术和工艺，零库存生产和防御系统。美国许多国防制造技术都被商业化生产，并促进美国制造业的迅速发展。如，大规模的商业化数控机床技术就是归功于国防部制造技术的扶持。五是卓越中心。这些中心通常由非营利机构或大学领导，专注于特定领域的基础或应用研究。为了加快寻找化学、金属等储氢材料，美国能源部燃料电池技术项目曾经创办了四个氢存储卓越中心。使能技术（enabling technology），目前国际国内没有严格的“使能技术”相关定义。一般而言，使能技术是指一项或一系列的、应用面广、具有多学科特性的关键技术。这些关键技术能够被广泛地应用在各种产业上，并能协助现有科技作出重大的进步，而且在政治和经济上产生深远影响。3、美国国家制造业创新学院的设立美国国家制造业创新网络（NNMI）最大创新之处就是国家制造业创新学院（IMI）的设立，其目的是让科研机构产生的成果更有效地在制造业领域得以运用。目前，美国已经在国内开展国家增材制造业创新学院（NAMII）的试点工作。虽然NAMII还仅仅是一个基础理论研究项目，但是它将成为一个技术精英集中营，有可能改变整个社会的3D打印技术前景。那么，美国国家制造业创新学院（IMI）的技术聚焦重点、收入来源、管理和选择方式是什么呢？在此，我们对NNMI报告中对国家制造业创新学院的相关描述进行了编译和整理。美国国家制造业创新学院（IMI）的基本活动根据美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）数据显示，2008年，美国约有17.4%的公共和私人研发支出支持基础研究，22.3%的支持应用研究，剩下的60.3%支持产业发展。在这些类别中，美国联邦政府将继续成为全美乃至世界上最大的基础、知识驱动研发的最大资助者。目前，美国联邦政府的R&D支出中约有21%支持基础研究，22%支持应用研究。然而占据R&D经费约2/3的美国产业，其90%的投资集中在支持应用研究和技术示范项目，因为这些项目具有低水平的技术和商业风险及短的投资回收期。为填补技术产业化过程中的断口，美国国家制造业创新学院（IMI）将主要支持介于“发现/发明起步阶段的创新”和“商业化之前开始规模生产时期的创新”，即在“技术就绪水平和制造就绪水平量表”（Technology Readiness Levels and Manufacturing Readiness Levels）里相当于在4档-7档的技术。在“技术就绪水平和制造就绪水平量表”中，1档-3档技术一般是指产生一个想法并在实验室里呈现出来的阶段；4档-7档是指，在实验室已经可以做出供展示的物件原型和进行小量生产，到规模生产供应市场之间的阶段；8档-9档是指，规模生产供应市场阶段（见表1）。表1 技术就绪水平和制造就绪水平量表技术就绪水平制造就绪水平技术档次技术表征技术档次技术表征1观察和报告的基本原则1制造可行性评估2技术概念或应用2制造概念的定义3关键功能的分析和实验或概念的特性证明3制造概念的发展4在实验室环境中，组件和面板上的验证。4在实验室环境中产生一种新技术的能力。5在相关环境中，组件或面板上的验证。5在生产相关环境中，有能力生产原型组件。6在相关环境中，系统或子系统模型或原型的创建。6在生产相关环境中，有能力生产原型系统或子系统。7运营环境中的系统原型演示。7在生产相关环境中，有能力生产原型系统或子系统组件。8实际系统的完成，并通过试验证明合格。8中试线的能力证明；准备开始低速初始生产。9通过成功的任务操作，验证实际操作系统。9低速率生产能力证明；在工厂开始规模批量生产。资料来源：National Network of Manufacturing Innovation：A Preliminary Design。归纳而言，美国国家制造业创新学院主要在以下几个方面开展相关活动。一是聚焦应用研究、开发和示范项目，以降低高端制造业发展和应用新技术的成本和风险。在具有代表性的系统示范实验室环境中，某个创新学院的研究活动将由成熟的组件技术而带动。二是各级教育和培训。一个创新学院将评估所需的技能和证书，并提供教育培训机会来改善和扩大劳动力，包括K-12课程、实习机会、技能鉴定、与社区学院和大学的合作，以及研究生、博士生等的再培训以满足技术发展的需求。三是发展提高创新能力的方法和实践以及供应链的扩张和整合能力。通过创新学院及其战略合作伙伴，部署上述措施，以努力影响规模较大的产业综合体。四是鼓励中小企业参与创新学院。中小企业是美国制造业的重要组成部分。在技术密集型制造业部门，凭借高度有效的供应链，中小企业是提高美国高端制造业竞争力的重要力量。美国中小企业往往是变革性技术的早期采用者，并且他们在创新和生产作业等方面处于有利位置。这使得他们参与创新研究院，最大化地发挥对产业和经济的影响成为必要。然而，迫于成本压力，美国中小企业的研发投资比大型或更为成熟的公司要少许多。因此，鼓励中小企业加入创新学院是建立美国国家制造业创新网络的主要目的之一。一般而言，鼓励美国中小企业参与创新研究院的策略主要包括：向与中小企业联系紧密的合作伙伴和中介进行宣传，提供技术咨询（如技术发展趋势）和量身定做的服务（如提供与工艺创新相关的尖端技术服务）；为中小企业提供共享设施和专门的设备，以加速企业产品的设计和测试；提供一个分层次的会员费结构；为新中小企业会员的各种捐赠提供津贴；提供IP分级授权等等。五是共用基础设施。每个创新学院都将为本地产业发展提供共用设施，特别是中小企业和初创企业，目的是扩大实验室演示并使得技术准备产业化。4、美国国家制造业创新学院的资金投入、可持续性与管理方式美国国家制造业创新学院（IMI）的资金、收益和可持续性美国联邦政府的资助应符合每个创新学院所提出的金额。原则上来看，在5-7年内，启动一个创新学院的联邦政府资金额度在7000万美元到1.2亿美元之间。为实现创新学院的发展目标，非联邦政府与联邦政府投资的比重将远大于1:1。此外，各创新学院还应不断发展其业务能力。当创新学院建立之初，美国联邦政府的资金投入是最大的。当创新学院建立2-3年后，美国联邦政府的投入资金将不断减少，创新学院的大部分研究基金将由私人和其他资金来源提供。在成立之初，每个创新学院都应该基于多元化的融资渠道，秉承自我发展的理念，并在5-7年后不再依赖国家制造业创新网络（NNMI）联邦基金支持。每个创新学院都将以灵活的运作形式来获取各种可持续收入，主要包括：会员费，收费服务活动，合同研究或产品试制，来自于联邦政府及其他来源的非NNMI补助资金，知识产权使用费，捐赠等等。此外，为鼓励创新学院竞争发展，NNMI还根据各个学院的技术质量、研究实力等方面，设立“竞争项目奖”（Competitive Project Award）。美国国家制造业创新学院（IMI）的管理方式每个创新学院都应当有很大的自主性，并应该有一个由业界代表组成的独立董事会。创新学院的领导作为执行董事，应负责日常运作。在联合治理模式中，NNMI的三个关键利益相关者（产业界、学术界和政府）都需要维护其自身利益。创新学院所作出的每一项决定，包括有关业务、会员、知识产权、资本投资、项目选择、资金分配及可持续发展等方面，都应符合三方利益。5、美国国家制造业创新学院的选择方式和宣贯方式美国国家制造业创新学院（IMI）的选择方式国家制造业创新学院（IMI）的选择过程由美国高端制造业国家项目办公室（AMNPO）全权负责，美国商务部（DOC）/国家标准与技术研究所（NIST），国防部（DOD），能源部（DOE），教育部（ED），国家航空航天局（NASA），国家科学基金会（NSF）等部委和机构参与。AMNPO团队将负责管理一个开放的、竞争性的选拔过程和执行裁决过程。选择设立哪些创新学院，AMNPO团队会根据可用资金和时机，征求公众建议。当完成公众建议收集后，AMNPO团队将组织评审小组对建议中的创新学院进行竞争力评估。评审小组的成员包括AMNPO工作人员、代理合作伙伴及其他专家。这种以监管机构评审为本的选择过程可能包括计划构想书、实地考察以及经济和商业计划分析等。那些最终通过的创新学院建议将由AMNPO通过规划或路线图的形式来提供资金支持。这种广泛的审议审查过程，可以最大限度地平衡美国产业发展亟需与提高美国产业竞争力的目标。在国家制造业创新学院（IMI）选择中，详细的选择标准主要包括以下11个方面，即专注于美国制造业关键的国家急需技术或机会；针对早期制造的研究和技术过渡到商业应用或产品的建议活动；能对制造技术的发展和商业化有显著影响的创新学院计划；创新学院资源（人员、设施与参与实体）的支持计划建议；非联邦实体的联合投资，可持续发展计划的实力水平超出了最初的联邦资金资助；财务计划的充分性；中小企业的参与程度；共用设施的适宜性和预期利用率；教育和劳动力开发中的参与和专业水平；完备的治理和监管模式，包括对新加入者的行业参与度和开放度；创新学院推动美国国内制造业发展的能力。美国国家制造业创新学院（IMI）的宣贯方式虽然每个创新学院都可能有自己的网站，但是他们也将参与并连接到高端制造业国家项目办公室（AMNPO）创建的“制造业门户”（）网站。随着网络的建成以及资助机构的资金保障，这个门户网站将有助于整合各方的资源，其内容将包括各创新学院的发展动态，如结构、治理、联系人、年度报告、新闻、成功案例、知识产权许可、会员信息等。6、美国国家制造业创新学院的政府资金支持美国联邦政府对美国国家制造业创新学院（IMI）的资金