為了深入貫徹教育、科技、人才一體化推進(jìn)的戰(zhàn)略思想，加快發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力，高質(zhì)量培養(yǎng)卓越工程師，在新一代信息技術(shù)、綠色環(huán)保、新材料、國(guó)土空間規(guī)劃、智能網(wǎng)聯(lián)和新能源汽車、航空航天、高端裝備制造、重型燃?xì)廨啓C(jī)、新能源、生物產(chǎn)業(yè)、生物育種、未來(lái)產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域組織編寫(xiě)了戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域“十四五”高等教育系列教材。本套教材屬于高端裝備制造領(lǐng)域。
高端裝備技術(shù)含量高，涉及學(xué)科多，資金投入大，風(fēng)險(xiǎn)控制難，服役壽命長(zhǎng)，其研發(fā)與制造一般需要組織跨部門、跨行業(yè)、跨地域的力量才能完成。它可分為基礎(chǔ)裝備、專用裝備和成套裝備，例如：高端數(shù)控機(jī)床、高端成形裝備和大規(guī)模集成電路制造裝備等是基礎(chǔ)裝備；航空航天裝備、高速動(dòng)車組、海洋工程裝備和醫(yī)療健康裝備等是專用裝備；大型冶金裝備、石油化工裝備等是成套裝備。復(fù)雜產(chǎn)品的產(chǎn)品構(gòu)成、產(chǎn)品技術(shù)、開(kāi)發(fā)過(guò)程、生產(chǎn)過(guò)程、管理過(guò)程都十分復(fù)雜，例如人形機(jī)器人、智能網(wǎng)聯(lián)汽車、生成式人工智能等都是復(fù)雜產(chǎn)品�，F(xiàn)代高端裝備和復(fù)雜產(chǎn)品一般都是智能互聯(lián)產(chǎn)品，既具有用戶需求的特異性、產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新性、產(chǎn)品構(gòu)成的集成性和開(kāi)發(fā)過(guò)程的協(xié)同性等產(chǎn)品特征，又具有時(shí)代性和永恒性、區(qū)域性和全球性、相對(duì)性和普遍性等時(shí)空特征。高端裝備和復(fù)雜產(chǎn)品制造業(yè)是發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力的關(guān)鍵，是事關(guān)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平是國(guó)家科技水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。
高端裝備一般都是復(fù)雜產(chǎn)品，而復(fù)雜產(chǎn)品并不都是高端裝備。高端裝備和復(fù)雜產(chǎn)品在研發(fā)生產(chǎn)運(yùn)維全生命周期過(guò)程中具有很多共性特征。本套教材圍繞這些特征，以多類高端裝備為主要案例，從培養(yǎng)卓越工程師的戰(zhàn)略性思維能力、系統(tǒng)性思維能力、引領(lǐng)性思維能力、創(chuàng)造性思維能力的目標(biāo)出發(fā)，重點(diǎn)論述高端裝備智能制造的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)踐。在論述過(guò)程中，力圖體現(xiàn)思想性、系統(tǒng)性、科學(xué)性、先進(jìn)性、前瞻性、生動(dòng)性相統(tǒng)一。通過(guò)相關(guān)課程學(xué)習(xí)，希望學(xué)生能夠掌握高端裝備的構(gòu)造原理、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化技術(shù)、系統(tǒng)工程方法、智能研發(fā)生產(chǎn)運(yùn)維技術(shù)、智能工程管理技術(shù)、智能工廠設(shè)計(jì)與運(yùn)行技術(shù)、智能信息平臺(tái)技術(shù)和工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)，更重要的是希望學(xué)生能夠深刻感悟和認(rèn)識(shí)高端裝備智能制造的原生動(dòng)因、發(fā)展規(guī)律和思想方法。
1�备叨搜b備智能制造的原生動(dòng)因
所有的高端裝備都有原始創(chuàng)造的過(guò)程。原始創(chuàng)造的動(dòng)力有的是基于現(xiàn)實(shí)需求，有的來(lái)自潛在需求，有的是順勢(shì)而為，有的則是夢(mèng)想驅(qū)動(dòng)。下面以光刻機(jī)、計(jì)算機(jī)斷層掃描儀（CT）、汽車、飛機(jī)為例，分別加以說(shuō)明。
光刻機(jī)的原生創(chuàng)造是由現(xiàn)實(shí)需求驅(qū)動(dòng)的。1952年，美國(guó)軍方指派杰伊·拉斯羅普（Jay W�盠athrop）和詹姆斯·納爾（James R�盢all）研究減小電子電路尺寸的技術(shù)，以便為炸彈、炮彈設(shè)計(jì)小型化近炸引信電路。他們創(chuàng)造性地應(yīng)用攝影和光敏樹(shù)脂技術(shù)，在一片陶瓷基板上沉積了約為200μm寬的薄膜金屬線條，制作出了含有晶體管的平面集成電路，并率先提出了“光刻”概念和原始工藝。在原始光刻技術(shù)的基礎(chǔ)上，又不斷地吸納更先進(jìn)的光源技術(shù)、高精度自動(dòng)控制技術(shù)、新材料技術(shù)、精密制造技術(shù)等，推動(dòng)著光刻機(jī)快速演進(jìn)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)奠定了基礎(chǔ)。
CT的創(chuàng)造是由潛在需求驅(qū)動(dòng)的。利用倫琴（Wilhelm C�盧�塶tgen）發(fā)現(xiàn)的X射線可以獲得人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維圖像，但三維圖像更令人期待。塔夫茨大學(xué)教授科馬克（Allan M�盋ormack）在研究輻射治療時(shí)，通過(guò)射線的出射強(qiáng)度求解出了組織對(duì)射線的吸收系數(shù)，解決了CT成像的數(shù)學(xué)問(wèn)題。英國(guó)電子與音樂(lè)工業(yè)公司工程師豪斯費(fèi)爾德（Godfrey N�盚ounsfield）在幾乎沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)設(shè)備的情況下，創(chuàng)造條件研制出了世界上第一臺(tái)CT原型機(jī)，并于1971年成功應(yīng)用于疾病診斷。他們也因此獲得了1979年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。時(shí)至今日，新材料技術(shù)、圖像處理技術(shù)、人工智能技術(shù)等諸多先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)廣泛地融入CT之中，顯著提升了CT的性能，擴(kuò)展了CT的功能，對(duì)保障人民生命健康發(fā)揮了重要作用。
汽車的發(fā)明是順勢(shì)而為的。1765年瓦特（James Watt）制造出了第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值的蒸汽機(jī)原型，人們自然想到如何把蒸汽機(jī)和馬力車融合到一起，制造出用機(jī)械力取代畜力的交通工具。1769年法國(guó)工程師居紐（Nicolas�睯oseph Cugnot）成功地創(chuàng)造出世界上第一輛由蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。這一時(shí)期的汽車雖然效率低下、速度緩慢，但它展示了人類對(duì)機(jī)械動(dòng)力的追求和變革傳統(tǒng)交通方式的渴望。19世紀(jì)末卡爾·本茨（Karl Benz）在蒸汽汽車的基礎(chǔ)上又發(fā)明了以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源的現(xiàn)代意義上的汽車。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的技術(shù)進(jìn)步和管理創(chuàng)新，特別是新能源技術(shù)和新一代信息技術(shù)在汽車產(chǎn)品中的成功應(yīng)用，汽車的安全性、可靠性、舒適性、環(huán)保性以及智能化水平都產(chǎn)生了質(zhì)的躍升。
飛機(jī)的發(fā)明是夢(mèng)想驅(qū)動(dòng)的。飛行很早就是人類的夢(mèng)想，然而由于未能掌握升力產(chǎn)生及飛行控制的機(jī)理，工業(yè)革命之前的飛行嘗試都以失敗告終。1799年喬治·凱利（George Cayley）從空氣動(dòng)力學(xué)的角度分析了飛行器產(chǎn)生升力的規(guī)律，并提出了現(xiàn)代飛機(jī)“固定翼+機(jī)身+尾翼”的設(shè)計(jì)布局。1848年斯特林費(fèi)羅（John Stringfellow）使用蒸汽動(dòng)力無(wú)人飛機(jī)第一次實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力飛行。1903年萊特兄弟（Orville Wright和Wilbur Wright）制造出“飛行者一號(hào)”飛機(jī)，并首次實(shí)現(xiàn)由機(jī)械力驅(qū)動(dòng)的持續(xù)且受控的載人飛行。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和航空產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)已經(jīng)成為一類既安全又舒適的現(xiàn)代交通工具。
數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化技術(shù)的快速發(fā)展為高端裝備的原始創(chuàng)造和智能制造的升級(jí)換代創(chuàng)造了歷史性機(jī)遇。智能人形機(jī)器人、通用人工智能、智能衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、各類無(wú)人駕駛的交通工具、無(wú)人值守的全自動(dòng)化工廠，以及取之不盡的清潔能源的生產(chǎn)裝備等都是人類科學(xué)精神和聰明才智的迸發(fā)，它們也是由于現(xiàn)實(shí)需求、潛在需求、情懷夢(mèng)想和集成創(chuàng)造的驅(qū)動(dòng)而初步形成和快速發(fā)展的。這些星星點(diǎn)點(diǎn)的新裝備、新產(chǎn)品、新設(shè)施及其制造模式一定會(huì)深入發(fā)展和快速拓展，在不遠(yuǎn)的將來(lái)一定會(huì)融合成為一個(gè)完整的有機(jī)體，從而顛覆人類現(xiàn)有的生產(chǎn)方式和生活方式。
2�备叨搜b備智能制造的發(fā)展規(guī)律
在高端裝備智能制造的發(fā)展過(guò)程中，原始科學(xué)發(fā)現(xiàn)和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新是最具影響力的科技創(chuàng)新活動(dòng)。原始科學(xué)發(fā)現(xiàn)側(cè)重于對(duì)自然現(xiàn)象和基本原理的探索，它致力于揭示未知世界，拓展人類的認(rèn)知邊界，這些發(fā)現(xiàn)通常來(lái)自于基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，如物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等，它們?yōu)樾录夹g(shù)和新裝備的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)原則。顛覆性技術(shù)創(chuàng)新則側(cè)重于將科學(xué)發(fā)現(xiàn)的新理論新方法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，它致力于創(chuàng)造新產(chǎn)品、新工藝、新模式，是推動(dòng)高端裝備領(lǐng)域高速發(fā)展的引擎，它能夠打破現(xiàn)有技術(shù)路徑的桎梏，創(chuàng)造出全新的產(chǎn)品和市場(chǎng)，引領(lǐng)高端裝備制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
高端裝備智能制造的發(fā)展進(jìn)化過(guò)程有很多共性規(guī)律，例如：①通過(guò)工程構(gòu)想拉動(dòng)新理論構(gòu)建、新技術(shù)發(fā)明和集成融合創(chuàng)造，從而推動(dòng)高端裝備智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生技術(shù)溢出效應(yīng)。②通過(guò)不斷地吸納、改進(jìn)、融合其他領(lǐng)域的新理論新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高端裝備及其制造過(guò)程的升級(jí)換代，同時(shí)還會(huì)促進(jìn)技術(shù)再創(chuàng)新。③高端裝備進(jìn)化過(guò)程中各供給側(cè)和各需求側(cè)都是互動(dòng)發(fā)展的。
以醫(yī)學(xué)核磁共振成像（MRI）裝備為例，這項(xiàng)技術(shù)的誕生和發(fā)展，正是源于一系列重要的原始科學(xué)發(fā)現(xiàn)和重大技術(shù)創(chuàng)新。MRI技術(shù)的根基在于核磁共振現(xiàn)象，其本質(zhì)是原子核的自旋特性與外磁場(chǎng)之間的相互作用。1946年美國(guó)科學(xué)家布洛赫（Felix Bloch）和珀塞爾（Edward M�盤urcell）分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了核磁共振現(xiàn)象，并因此獲得了1952年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。傳統(tǒng)的MRI裝備使用永磁體或電磁體，磁場(chǎng)強(qiáng)度有限，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，成像質(zhì)量不高，而超導(dǎo)磁體的應(yīng)用是MRI技術(shù)發(fā)展史上的一次重大突破，它能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，顯著提升了MRI的成像分辨率和診斷精度，將MRI技術(shù)推向一個(gè)新的高度�？焖俪上窦夹g(shù)的出現(xiàn)，例如回波平面成像（EPI）技術(shù)，大大縮短了MRI掃描時(shí)間，提高了患者的舒適度，拓展了MRI技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。功能性MRI（fMRI）的興起打破了傳統(tǒng)的MRI主要用于觀察人體組織結(jié)構(gòu)的功能制約，它能夠檢測(cè)腦部血氧水平的變化，反映大腦的活動(dòng)情況，為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究提供了強(qiáng)大的工具，開(kāi)辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。MRI裝備的成功，不僅說(shuō)明了原始科學(xué)發(fā)現(xiàn)和顛覆性技術(shù)創(chuàng)新是高端裝備和智能制造發(fā)展的巨大推動(dòng)力，而且闡釋了高端裝備智能制造進(jìn)化過(guò)程往往遵循著“實(shí)踐探索、理論突破、技術(shù)創(chuàng)新、工程集成、代際躍升”循環(huán)演進(jìn)的一般發(fā)展規(guī)律。
高端裝備智能制造正處于一個(gè)機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的關(guān)鍵時(shí)期。數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化是高端裝備智能制造發(fā)展的時(shí)代要求，它既蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展?jié)摿�，又充滿著難以預(yù)測(cè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。高端裝備智能制造已經(jīng)呈現(xiàn)出“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、平臺(tái)賦能、智能協(xié)同和綠色化、服務(wù)化、高端化”的諸多發(fā)展規(guī)律，我們既要向強(qiáng)者學(xué)習(xí)，與智者并行，吸納人類先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成果，更要持續(xù)創(chuàng)新前瞻思維，積極探索前沿技術(shù)，不斷提升創(chuàng)新能力，著力創(chuàng)造高端產(chǎn)品，走出一條具有特色的高質(zhì)量發(fā)展之路。
3�备叨搜b備智能制造的思想方法
高端裝備智能制造是一類具有高度綜合性的現(xiàn)代高技術(shù)工程。它的鮮明特點(diǎn)是以高新技術(shù)為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新為動(dòng)力，將各種資源、新興技術(shù)與創(chuàng)意相融合，向技術(shù)密集型、知識(shí)密集型方向發(fā)展。面對(duì)系統(tǒng)性、復(fù)雜性不斷加強(qiáng)的知識(shí)性、技術(shù)性造物活動(dòng)，必須以辯證的思維方式審視工程活動(dòng)中的問(wèn)題，從而在工程理論與工程實(shí)踐的循環(huán)推進(jìn)中，厘清與推動(dòng)工程理念與工程技術(shù)深度融合、工程體系與工程細(xì)節(jié)協(xié)調(diào)統(tǒng)一、工程規(guī)范與工程創(chuàng)新互相促進(jìn)、工程隊(duì)伍與工程制度共同提升，只有這樣才能促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)工程活動(dòng)與自然經(jīng)濟(jì)社會(huì)的和諧發(fā)展。
高端裝備智能制造是一類十分復(fù)雜的系統(tǒng)性實(shí)踐過(guò)程。在制造過(guò)程中需要協(xié)調(diào)人與資源、人與人、人與組織、組織與組織之間的關(guān)系，所以系統(tǒng)思維是指導(dǎo)高端裝備智能制造發(fā)展的重要方法論。系統(tǒng)思維具有研究思路的整體性、研究方法的多樣性、運(yùn)用知識(shí)的綜合性和應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性等特點(diǎn)，因此在運(yùn)用系統(tǒng)思維來(lái)研究與解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)，需要從整體出發(fā)，充分考慮整體與局部的關(guān)系，按照一定的系統(tǒng)目的進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、合理開(kāi)發(fā)、科學(xué)管理與協(xié)調(diào)控制，以期達(dá)到總體效果最優(yōu)或顯著改善系統(tǒng)性能的目標(biāo)。
高端裝備智能制造具有巨大的包容性和與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新性。近幾年來(lái)，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的浪潮席卷全球，為高