刘丽兰｜在智能制造的道路上风雨兼程

深耕·二十载科研之路不寻常

——科技兴国之路没有尽头，有了新的时代，就有新的目标。从懵懂的新人成长为智能制造领域不可或缺的领军人物，刘丽兰接过前辈的接力棒，完成从追赶到并跑，再到领先的过程。

▲刘丽兰在行业会议上发言

兴趣——这是上海大学机械工程一流学科智能制造学术带头人刘丽兰教授抛出的第一个关键词。

兴趣和好奇心是一个人积极探究事物的源动力，也是决定未来能走多远的至关重要的因素。只有拥有浓厚的兴趣才是人们不惧艰难、坚持钻研下去的源泉，也只有这样才会最终走向成功。刘丽兰的成长经历正是如此。

年少时，刘丽兰的父亲经营一家金属拔丝厂。“我从小就在厂子里面玩，天天鼓捣那些机械零部件，所以自然而然地对机械产生了浓厚的兴趣。”耳濡目染之下，刘丽兰养成了爱“动脑”，也爱“动手”的习惯。别人家的女孩喜欢的是毛绒娃娃和漂亮衣服，她喜欢的却是各种机械工具，还有各种材料。

浓厚的兴趣成为指引刘丽兰日后不断向前进步的明灯。1994年，她考入燕山大学机械工程系，成为班里仅有的“六朵金花”之一。进入燕山大学学习之后，一个全新的世界展开在刘丽兰面前。“老先生们给我们新生讲了新中国机械工程制造业发展的整个历程、遭遇的艰难，以及今后发展的方向，给我非常大的触动和启发。”前辈的教诲让刘丽兰明白了，制造业打造国之重器，被誉为“工业之母”，是一个国家实体经济的重要组成部分，更是走向制造强国的坚实根基。在这个领域里，既要仰望星空，更要脚踏实地，往往看似非常小的一个问题或细节里面涉及的通常是一个非常庞大的学科，每个公式、符号和参数都承载着大量的知识和经验累积，“需要先把基础打牢，只有在基础理论方向做出突破，才能真正在工程中实现创新”。本科毕业时，刘丽兰由于出色的成绩被保送攻读燕山大学的硕士研究生。

在同学和老师眼中，刘丽兰始终怀有一颗不断探索新事物的心，对技术和工程应用不断尝试和提出新的思路，天马行空的奇思妙想源源不断地出自她的案头。正是这种孜孜不倦的劲头，支撑着她在硕士研究生毕业后更进一步，考取了上海大学机械设计及理论专业的博士研究生，师从于方明伦教授和俞涛教授。

在二位老师的言传身教下，刘丽兰得到了很多锻炼的机会，从而对机械制造和制造业数字化产生了更大的研究兴趣，也做了更为深刻细致的科研工作，这对于她后来的科研人生产生了极其深远和重要的影响。

长于思考，善于学习是刘丽兰一贯的特质。20多年前，智能制造在中国还是发展的初级阶段，但她做到了快速和全身心地拥抱新技术与新变化。刘丽兰强调：“对于日新月异的新技术，我们绝不能故步自封，要勇于创新，敢于突破，还应该有远见，用发展的眼光和超前的意识来思考学科的发展。”

由于刘丽兰在专业上的突出表现，博士毕业时她吸引了多家工作单位向她抛来橄榄枝。但在两位导师的诚挚挽留下，刘丽兰毅然决定留在上海大学，继续从事制造业信息化、数字化的相关研究，以及人才培养的工作。

20年时间弹指一挥，从一名普通教师，到教研室主任，再到重点实验室副主任、主任，学院副院长、学校人事处处长、组织人事部副部长，刘丽兰扎根于这片沃土，除了短暂地赴挪威科技大学做了半年的访问学者，她一直没有离开过上海大学和自己的专业领域。

与此同时，新旧世纪的交替也已过去20多年，如果要为过去20年的中国科技发展寻找一些关键词，那么“数字化”和“机器人”一定是其中最重要的两个备选，在这条风驰电掣的科技发展之路上，刘丽兰和她的团队全程参与其中。

2013年，对于刘丽兰是难忘的一年。她所在的上海市机械自动化及机器人重点实验室，更名为上海市智能制造及机器人重点实验室（以下简称“重点实验室”），成为上海市唯一的智能制造和机器人实验室。

重点实验室有着光辉的历史积淀，它依托于上海大学，自20世纪80年代开始从事机器人、智能制造技术的研究，是我国最早开展机器人相关研究的科研机构之一，同时也是智能制造与机器人领域在基础理论研究、应用技术研发、科技服务社会方面的人才培养、科技成果转化的集聚地。

也是在这一年，学校经过评估，任命38岁的刘丽兰接替方明伦教授担任重点实验室的主任。“我当时的第一反应是惶恐，因为觉得自己和导师的差距太大了，无论是学术水平、管理能力还是影响力。”刘丽兰回忆道。但是在学校和导师的支持与鼓励下，她意识到随着全世界智能制造开始蓬勃发展，中国也提出了“中国制造2025”计划。一代人有一代人的长征，一代人有一代人的担当，“所以我也应该挑起担子，作出自己的那份贡献！”

说到底，大国间的竞争是科技的博弈！很长一段时间里，由于起步晚、底子薄，我国在智能制造领域，一直备受西方发达国家的技术封锁，甚至还要遭受外国同行的白眼和嘲讽。制造业是国家竞争力的基石，国家已经意识到智能制造为社会和企业带来的巨大机遇，数字化转型是必由之路，必须提上日程。

2018年，机电工程与自动化学院从上海大学延长校区搬迁到宝山校区，借此机会，重点实验室完成了“重建”。实验室与时俱进，紧跟国际前沿，积极应对制造领域生产工艺和生产装备升级的需求，与上海发那科机器人、罗克韦尔自动化中国、思科中国、上海ABB工程、中科新松，以及卡尔蔡司6家企业共建起“智能制造与机器人创新实验室”，建成一套智能制造产线，用来教学和实验。这条产线集中了诸如自动导向车（AGV）输送、自动物流配送、智能检测、数字孪生等数字化信息化的所有要素。多年过去，来参观过的人纷纷表示实验室依然非常先进，足见当初规划的超前意识。

在刘丽兰的主持下，重点实验室以机器人和智能制造为核心方向，围绕国家及上海市战略和产业发展需求，取得了一系列突破性的成果。重点实验室在2022年上海市科委对上海市智能制造领域的19家重点实验室进行评估审核的激烈竞争中脱颖而出，被评为上海市优秀重点实验室（全市仅3家）。与此同时，由于出色的学术表现和团队管理能力，以及在行业内的卓越贡献，刘丽兰被评为上海市优秀技术带头人，入选“上海市领军人才”。

攻坚·智能制造迎来“加速度”

——由制造到“智造”，虽然仅仅一字之差，但其间技术的含量和创造的价值却是云泥之别。刘丽兰组织承担了大量有针对性的研究课题，助力国家向高质量发展跨越。

智能制造于20世纪80年代末由日本率先提出，是通过智能感知、实时分析、科学决策和精准执行等技术，实现设计过程、制造过程和制造装备的智能化，达到缩短产品研制周期、提高生产效率、提高产品质量、降低资源能源消耗等目标。

▲刘丽兰（左三）带领学生进行实验研究

与国外同行相比，我国的智能制造领域起步确实相对较晚，但是随着经济的发展，国家在经费投入和重视程度方面已经有了明显的提高，大有迎头赶上之势，同国际上的差距日渐缩小。当然，这期间的艰辛过程不言而喻。为了独立自主掌握核心技术，刘丽兰组织承担了大量有针对性的研究课题，从基础性理论到工程制造，同合作伙伴一起通力协作。

“中国在任何时候都不会缺少制造业。”刘丽兰的话斩钉截铁。随着5G、AI、大模型、数字孪生技术的融入，国内智能制造迎来了更大的发展空间，但也带来了诸多亟待解决的难题和挑战。

信息物理系统（CPS）是智能制造的核心技术体系，而实现信息世界和物理世界的融合是CPS首要解决的问题。在国家“863”计划、中国制造2025专项及上海市多项项目支持下，刘丽兰带领团队十年磨一剑，针对信息物理融合的3个难点——物理空间和信息空间的实时感知融合、复杂工艺流程的虚实同步协同、复杂产品质量精准预测控制，提出采用产品数字孪生模型作为信息物理融合载体的创新思想，重点攻克异构多模态多粒度数据实时感知、生产单元和设备虚实同步协同、质量可预测闭环控制3个瓶颈技术，开展起艰苦卓绝的理论方法、核心技术和系统集成攻关。

针对传统制造企业信息孤岛现象严重，产品设计和制造过程数据不统一、混乱冗余问题，刘丽兰团队提出采用数字孪生模型作为信息物理融合载体，实现业务系统、生产设备和传感设备等多模态多粒度数据向数字孪生模型的映射聚合，利用深度学习的软测量模型辨识方法实现数据双向融合控制，为虚实同步协同和精准控制奠定基础。

针对复杂工艺流程中，因上下游工序、加工设备/生产线、物料配送设备之间相对独立作业，生产节拍不协调导致生产效率低下的问题，刘丽兰团队提出以生产工艺为主线的虚实同步协同控制方法，实现数字孪生模型驱动的生产单元参数自适应调整、生产过程协同调度与配送，实现在动态不确定性生产环境中，生产单元和生产过程实时同步和协同工作。

针对复杂产品设计制造全过程中，因缺乏实时分析－决策－执行闭环控制机制，使得产品质量无法保证的问题，刘丽兰团队以产品数字孪生模型为核心，建立复杂产品质量全景追踪、质量大数据分析和虚实双向精准控制模型，实现多约束条件下质量可控的智能制造。

技术成果在宝钢股份有限公司为首的4家钢铁制造企业及中国商飞3家骨干企业进行系统集成应用。成果应用到宝钢热轧智能车间建设中，优化作业调度，压缩库存，降低能耗；应用到大飞机设计、制造、客服全过程的质量管控中，缩短研制周期，减少返工率。成果填补了钢铁、航空等先进技术领域国产智能制造支撑软件的空白，社会效益显著，并推广应用到汽车零部件和软件等领域的11家企业中，取得了显著的经济和社会效益。为此，刘丽兰领衔的“智能制造信息物理融合技术及在复杂产品和复杂工艺中的应用”项目荣获了2018年度上海市科技进步奖二等奖。

腾飞·数字化圆百年大飞机梦

——2023年5月，国产大飞机C919正式开启了商业运营，“百年大飞机梦”一飞冲天，其中，也凝聚着刘丽兰和她团队每一位成员的智慧与心血。

智能制造不仅在加速发展，而且还在升级换代。它是引领未来的战略性技术，在新一轮科技革命和产业变革中已成为世界各国抢占战略高点的主攻方向。其中，数字孪生成为全球的热点，被应用在各个领域和各个行业。

▲刘丽兰（中）和高增桂（左）、孙衍宁（右）在上海市科技奖励大会现场

“数字孪生发展到现在拥有强大的生命力，因为它解决了三大问题：第一是可视，能够通过视觉看得到；第二是可测，它里边都是数据驱动，可以拿得到数据，可以分析出结果；第三是可控，它不仅是数字的或者是虚拟的世界，同时还能够反馈到控制的物理对象。所以我认为数字孪生是可以作为智能制造技术体系里非常好的载体来应用的。”在刘丽兰看来，数字孪生能够实现智能制造全过程的模拟与预测，为运营决策提供科学依据。它还能够为应急响应提供支持，快速响应并做出最佳应对方案。另外，数字孪生能够提升设备维护与管理水平，为维护人员提供及时有效的指导和决策支持，可以有效地降低成本，同时提高安全系数，更为将来的运维提供极大便利。

刘丽兰最近几年主要围绕数字孪生的复杂产品质量预测与数字验证研究做了大量的工作，从她所主持的科研项目可见一斑：“基于数字孪生的空间对接机构智能伴飞系统可信评估技术”“工业时序数据强机理数据分析算法研究”“数理混合驱动的空间对接机构数字孪生健康预测系统”“大型客机总装质量数字验证与可信控制技术”等。目标明确，刘丽兰率领团队在复杂产品质量分析和数字孪生等方面持续发力，开展技术攻关。

长久以来，“大飞机梦”是中国人的百年梦想，但是国产大型客机总装存在装配工艺复杂、影响因素关联耦合、质量问题难以实时控制等痛点问题，导致设计质量与总装质量一致性难以保证，严重制约了大型客机的批产效率。

以C919为例，它的各个部段来自五湖四海。机头来自成都，前机身、中后机身来自南昌，中央翼副翼来自西安，后机身主要来自沈阳，起落架舱门来自哈尔滨……各部段运抵上海后，就要被陆续送往部装车间。各个部段像一块块巨型积木，如何把它们“严丝合缝”对接起来，技术要求极高。况且，C919大飞机主结构材料中，大量采用第三代铝锂合金和复合材料，同时需组装数万多个零件，零件制造偏差向部件、全机累积，最终会导致产品质量问题。如何进行公差合理分配、偏差控制，数字化质量精准控制一向是国际性难题。

飞机数字化装配技术集成了工业界各领域最先进的科技成果，兴起于20世纪80年代后期，但此类关键核心技术与工业软件长期被西门子、PTC等国外企业垄断，严重制约着我国空天装备的高质量发展。刘丽兰明白：“核心技术是花多少钱也买不来的，搞科研攻关，总跟在别人的后面去发展永远无法做到超越。真正尖端的技术，只能靠自己！”

为了在空天精密装备建设上不再受制于人，上海大学刘丽兰团队与多家单位组建了大飞机数字化质控项目组进行联合攻关，创建数字化时代自主知识产权的大飞机制造质量数字孪生一致性闭环控制体系，提升大飞机制造质量和生产效率，助力国产大飞机翱翔蓝天实现航空强国战略。

面对大飞机批量化生产的迫切需求和对制造质量与交付能力提出的严苛要求，刘丽兰带领团队创新性地提出了数据与机理融合的大飞机制造质量问题因果溯源方法，实现对质量问题成因的快速锁定与决策控制。在此基础上，项目组将大飞机制造过程的偏差传递规律、形性耦合机理与过程工艺知识融入先进的深度学习模型之中，构建既具有高精度又兼具可解释性的深度神经网络预测架构，实现制造过程的在线即时监控及问题预警，推动制造质量控制从被动应对迈向主动预防。

为了进一步实现大飞机制造现场的智能决策，项目组综合运用机器学习、运筹优化、人工智能等前沿理论方法，开发了关键质量因子动态寻优的智能算法库，自主生成应力应变控制策略，并经数字孪生系统验证后反馈到控制现场指导装配变形控制，形成相互推演、迭代优化、透明决策的数字孪生形性耦合闭环控制体系。项目成果减少了零部件供应商协调时间与故障拒收报告（FRR）数量，提高了数字化预装精度与一次交付合格率，质量问题处理时间加快90%。

项目组攻克了数字飞机结构一致性仿真、数字产线工艺验证及制造质量一致性控制等核心技术，解决了装配尺寸干涉、关键特性超差和应力变形等难题，提升了我国在航空工程领域的国际影响力。

更为重要的是，刘丽兰的这一研究成果除了在C919大型客机、航天对接机构等空天精密装备实现了重点应用之外，技术具有高度迁移性。可以将这些核心技术拓展至航空、航天、汽车等领域企业进行应用，提高了制造产线的装配质量和效率，缩短了生产周期，推动中国整体制造业向高质量数字化转型。为此，在2023年度上海市科技进步奖的评选中，刘丽兰领衔的“大飞机制造质量数字孪生一致性控制技术及应用”当之无愧荣获了一等奖的殊荣。

传承·桃李芬芳育人才

——多年来，刘丽兰坚持教育、科技、人才3方面的深度融合与协同发展，通过教育手段培养出具备科技知识和技能的国际化机械人才，助力实现中国从制造大国向制造强国转变。

教育是人才发展和科技创新的基础，教育的核心使命在于培养人才。面对全球的竞争，谁拥有更多更好的人才，谁就能在竞争中取得主动，赢得未来。行业如此，国家也是如此。然而，智能制造领域的国家需求虽然很大，但相关的人才培养却一直是空缺的。2017年，在刘丽兰的牵头下，上海大学申报获批设立智能制造工程专业，成功成为全国首批4家拥有智能制造工程专业的高校之一。

▲刘丽兰（前排右七）和学生们在一起

智能制造专业是一个充满挑战和机遇的专业，学生们需要掌握的知识面很广，学习难度较大。同时，智能制造行业日新月异，新技术的不断涌现使得学习内容必须紧跟时代步伐，持续迭代更新。若要开创中国智能制造的新篇章，加强人才队伍建设无疑是推动学科长远发展的关键所在，唯有培养出更多的杰出青年才俊方能实现这一目标。

“知行合一”——让科学研究成果“落地生根，开花结果”，不能只做考高分的“秀才”，而是要知需求、敢实践，要有在实战中解决问题的能力，这是刘丽兰培养年轻一代一以贯之的信念。同时，她也一直在思考，机械专业作为传统专业，该如何赋予新内涵，激发学生使命感及自主创新学习热情？又该如何避免机械人才培养与社会需求脱节，与前沿科学脱节？面对不断变化的内外环境，如何建设开放式的教学环境来培养面对未来挑战的国际化机械人才？

为此，早在15年前，在刘丽兰的牵头下，上海大学机电工程与自动化学院开展起独特的“课内外联动、校内外联动、国内外联动”三联动机械人才培养模式，以“三联动”为经纬，精心编织起独树一帜的人才培养锦绣画卷，荣获了2022年上海市教学成果奖一等奖的殊荣。

首先是课内课外联动，除了课堂上的常规学习，学院还建立各类机器人、智慧工厂创新应用实验室20余个，为的是让学生们除了学习课本上的理论，还能亲手进行实验，激发起学生的学习兴趣。刘丽兰强调：“很多事情必须亲自动手，才能观察到实验过程中发生了哪些变化。通过动手，边学习边领悟其中的道理，如果你不让学生去做，他永远都感受不到。”

其次是校内校外联动。学校不再关起门来做研究，而是面向社会需要和国家战略。不仅让学生在校园里学，同时也让他们从书斋和实验室里走出去，走向真正的企业一线。刘丽兰强调，智能制造领域的特点是综合性强，它一头深深扎根于基础研究，另一头则与广泛的社会需求紧密相连。始终与国家战略同频共振，始终与企业需求紧密相连。所以，她很注重与工业界的“双向奔赴”。学校依托50多个校企合作基地，在课程项目式教学中将真实的企业项目转换成实验、作业，培养学生创新实践能力，避免了机械人才培养与社会需求脱节，与前沿科学脱节。

最后是国内国外联动。为了拓宽学生的国际化视野，学院建设53家国际化交流合作基地，开放法国科学院国际实验室、中德智能制造及机器人创新中心。每年开设国际小学期课程内容包含国际前沿动态和成果，开设8门国内外教师联动的核心课程。学院同美国普渡大学、德国亚琛工业大学、加拿大多伦多大学，以及新加坡理工大学等国际名校合作，为学生提供走出去的机会，接受海外名校的磨砺。同时，学院也会把国际名师请进来授课，或者以邀请国内外专家来作交流报告等多种方式探讨学术，开阔年轻人的眼界，增长他们的见识，培养出学生应对未来挑战的国际竞争力。

2022年，刘丽兰将自己和团队长期致力于智能制造技术领域的研究成果加以提炼和总结，著成50多万字的《智能决策技术及应用》一书。这本书体系完整，知识由浅入深，不仅可作为大学高年级和研究生的“智能决策”“智能制造”等课程的教材，而且对从事智能制造、智能决策、工业互联网、工业软件、智能机器人等领域的科研人员也具有重要的参考价值；而在2024年，刘丽兰又推出新书《生产现场的数字孪生方法、技术与应用》，成为数字孪生领域的另一部重要著作。书中阐述了数字孪生技术在国内外的研究现状、生产现场数字孪生的理论基础、关键技术及实际应用案例，为研究者提供了一套系统全面、实操性强的数字孪生应用指南。

一流的学科之所以成为一流，往往需要几代人的传承和沉淀。“科研成果的取得，从来不是一个人的智慧所能推动的，而是凝结了团队几代人心血的结晶。整个团队薪火相传的共同努力才是成功的关键。”刘丽兰常说，没有完美的个人，只有完美的团队，一个人的能力终究是有限的，但一个具有共同理想和价值观的团队，其能力和潜力是无法限量的。

目前，在刘丽兰实验室的研发团队里，既有经验丰富的老先生，86岁的方明伦教授一辈子笃定科技报国的信念，如今虽已至耄耋之年，依然关心着实验室的进展，和大家同甘共苦；也有行业内的权威学者，以谭建荣院士为首的实验室学术委员会各位专家、前辈声气相和，出谋划策；还有更多朝气蓬勃的年轻人，在刘丽兰的悉心调教和锻炼下，以高增桂、孙衍宁为代表的一批“80后”“90后”也在摸爬滚打中快速成长起来，纷纷站到了重要的岗位上发挥作用。

作为团队赖以倚仗、承上启下的中间层，刘丽兰希望自己能够发挥好“传帮带”的作用，从老同志那里接过技术和精神的传承，同时又把优良的传统，以及随着现代社会发展的先进技术一并传给新的年轻人。所以，刘丽兰十分注重实验室科研平台的建设，希望能够将实验室打造成为扎根华东，面向全国，走向世界的智能制造人才基地。

“我们这一代人经历了科研上和西方发达国家从望尘莫及，到望其项背，再到同场竞技的转变。大数据、人工智能、数字孪生技术的发展为智能制造带来了更广阔的空间。只要年轻一代的科技工作者肯钻研、不断努力，未来的成就一定不可限量。”说起我国未来智能制造领域的发展前景时，刘丽兰的语气里充满希望和自信。她将带领着新一代智能制造领域里的科技工作者们，继续风雨兼程，大步昂首前行。

专家简介

刘丽兰，上海市领军人才、上海市优秀技术带头人，上海市机械工程学会副理事长、工业智能制造技术专委会主任，上海市工业互联网产业联盟副理事长，教育部首批“智能制造工程”专业负责人，上海大学“机械工程”一流学科方向带头人。主要研究方向为智能制造技术与系统，解决制造过程中的感知－决策－执行问题，重点研究工业数字孪生技术，并在航空、航天、海洋、汽车、钢铁冶金等行业应用，先后主持国家、省部级等科研项目30余项，出版专著4部，发表学术论文300余篇，获得专利与软件著作权50余项，作为负责人获得上海市科技进步奖一等奖1项、二等奖1项、中国产学研合作创新奖1项、上海市教学成果奖一等奖1项，作为骨干人员获得上海市科技进步奖三等奖1项、上海市教学成果奖一等奖2项。

团队主要成员

高增桂，博士（后），上海大学机电工程与自动化学院副教授，智能制造工业软件研究中心副主任，上海市机械工程学会工业智能制造技术专委会副秘书长，长江经济带创新设计产业联盟副秘书长，《计算机集成制造系统》期刊理事。专注于智能系统交互设计、工业数字孪生等方向的研究，近5年主持或作为骨干参与国家、省部级项目十余项，出版《生产现场的数字孪生方法、技术及应用》等专著3部，带领团队研发数字化系统在航空、航天、船舶等30余家企业成功落地，获得工信部“一带一路”创新设计榜《院士推优计划》百强奖、上海市科技进步奖一等奖、九三学社上海市优秀调研成果奖二等奖、上海大学优秀本科生全程导师等奖项。

孙衍宁，博士，上海大学机电工程与自动化学院讲师/硕导，主要研究方向为复杂装备批产质量一致性控制，大规模工业设备健康评估诊断，机器学习、复杂网络、因果分析算法及应用，AI大语言模型及工业应用等。主持国家自然科学基金青年项目、航空科学基金、上海市经信委高质量发展专项课题、上海大学青年英才启航计划与企业委托项目等5项，作为骨干参与国家及省部级重点课题8项，发表学术论文40余篇，其中以第一/通讯作者在《工程》（Engineering）、《制造系统杂志》（Journal of Manufacturing Systems）、《人工智能工程应用》（Engineering Applications of Artificial Intelligence）等权威期刊及学术会议发表15篇，获国家授权发明专利5项及软件著作权7项，荣获上海市科技进步奖一等奖。