楊家榮

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

近年來,美國、德國等發(fā)達國家結(jié)合自身實際情況相繼發(fā)布了工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級戰(zhàn)略,借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備之間的互聯(lián)互通,進而實現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型。雖然不同國家針對自己國情制定了各不相同的發(fā)展策略,但是各國的共識是第四次工業(yè)革命的主要特征是從自動化和信息化時代進入數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化時代。技術(shù)的快速發(fā)展最終將打破原有的工業(yè)產(chǎn)業(yè)格局,根據(jù)美國通用電氣公司等的分析,到2030年,全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)濟價值將達到15萬億美元,全球經(jīng)濟規(guī)模的一半都與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。目前,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是各國搶占制造業(yè)競爭制高點的共同選擇,是推動工業(yè)經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力,也是助力我國實現(xiàn)工業(yè)彎道超車,成為制造強國的重要途徑[1-2]。2017年11月,我國發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》,提出提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)供給能力,持續(xù)提升我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平,進而加快建設(shè)我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)體系。2018年及2019年,我國又密集出臺了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃(2018—2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及推廣指南》等一批政策文件,大力支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。筆者對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹,并對其未來發(fā)展進行了展望。

1 發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要意義

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)智能化升級的基礎(chǔ)

與一般消費互聯(lián)網(wǎng)不同,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是依靠傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)對制造業(yè)不同環(huán)節(jié)不斷進行實時感知和數(shù)據(jù)收集,借助數(shù)據(jù)分析和技術(shù)優(yōu)化來實現(xiàn)對工業(yè)環(huán)節(jié)進行優(yōu)化和控制,最終實現(xiàn)提質(zhì)增效。

在工業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中,設(shè)備預(yù)測性維護的實現(xiàn)流程如圖1所示。設(shè)備的預(yù)測性維護、遠(yuǎn)程運維、生產(chǎn)優(yōu)化排程、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)警等眾多服務(wù)能力的實現(xiàn),以及其它更高層次的工業(yè)應(yīng)用等,都需要配合數(shù)據(jù)采集、傳輸、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是這些信息技術(shù)實現(xiàn)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。未來,伴隨著傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,更多的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)和產(chǎn)品本身都將通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接起來,這些設(shè)備互聯(lián)以后產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)將與產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、服務(wù)相融合,打造全面優(yōu)化的設(shè)計、生產(chǎn)及服務(wù)過程,實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)智能化升級。

圖1 設(shè)備預(yù)測性維護實現(xiàn)流程

1.2 制造業(yè)服務(wù)化升級需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

服務(wù)環(huán)節(jié)在制造業(yè)價值鏈中的作用越來越大,越來越多的企業(yè)不僅注重產(chǎn)品的生產(chǎn)制造本身,而且將注意力集中到產(chǎn)品的整個生命周期,如提供備品備件、產(chǎn)品售后維護保養(yǎng)、設(shè)備租賃等。具體而言,航空發(fā)動機生產(chǎn)商不再單純依靠出售發(fā)動機盈利,而是采用租用的新型模式,并在租用時間段內(nèi)承擔(dān)全部保養(yǎng)、維修和服務(wù)。當(dāng)發(fā)動機出現(xiàn)故障時,不是由飛機制造商或航空公司來修理,而是由發(fā)動機公司派專人修理。一方面,發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)對自己的產(chǎn)品非常熟悉,可以快速定位故障,完成修復(fù)。另一方面,這些維護、維修信息也能及時反饋至設(shè)計端,以便改進、更新產(chǎn)品。風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)不再單純依靠銷售風(fēng)力發(fā)電機盈利,而是投入風(fēng)電場的建設(shè)和運維中,利用遠(yuǎn)程智慧運維系統(tǒng)掌握風(fēng)電場中每臺風(fēng)力發(fā)電機的運轉(zhuǎn)狀況和效率,盡可能減少停機時間,提升發(fā)電量,與用戶共享收益。這種制造+服務(wù)的模式有效促進了制造業(yè)與服務(wù)業(yè)的融合,提高了企業(yè)的競爭力和創(chuàng)新能力。這些服務(wù)化升級的背后,都需要依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來準(zhǔn)確及時采集并反饋當(dāng)前設(shè)備的信息。通過對設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)合各類工況、用戶操作行為等的采集與分析,判斷設(shè)備的關(guān)鍵零部件可能出現(xiàn)的異常,提供設(shè)備運行在線健康診斷、故障預(yù)警、智能維護及備品備件銷售,并且支持按照服務(wù)收費、租賃等新的服務(wù)模式[3]。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)載體

工業(yè)云平臺是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求而構(gòu)成的基于海量數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、服務(wù)平臺。在工業(yè)云平臺上,匯集和存儲工業(yè)設(shè)備與系統(tǒng)運行過程中所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),同時利用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù),實現(xiàn)包括個性化定制生產(chǎn)、設(shè)備健康管理、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)警與管理等在內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用,支撐制造+服務(wù)模式的延伸和轉(zhuǎn)型[4]。在國際上,西門子、通用電氣、施耐德等一批工業(yè)企業(yè)都推出了相應(yīng)的云平臺產(chǎn)品,目前國內(nèi)也有一批較知名的云平臺面向行業(yè)提供服務(wù),如海爾cosmoplat平臺,可以為企業(yè)提供互聯(lián)工廠建設(shè)、大規(guī)模定制、大數(shù)據(jù)增值、供應(yīng)鏈金融支持、設(shè)備智能維保等八大生態(tài)服務(wù);三一重工的樹根互聯(lián)平臺,為企業(yè)提供設(shè)備接入、機器通信、邊緣計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、行業(yè)應(yīng)用等解決方案;百度、阿里等信息技術(shù)企業(yè)也在向工業(yè)領(lǐng)域延伸觸角,希望借助自身在信息技術(shù)方面的優(yōu)勢,通過百度云、阿里云等平臺,進入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

工業(yè)云平臺對于制造業(yè)而言具有極端重要性,一方面,它是企業(yè)今后數(shù)字資產(chǎn)的存儲平臺,需要具備極高的安全性和穩(wěn)定性;另一方面,針對數(shù)據(jù)的各種分析與決策均需要依托工業(yè)云平臺提供的各類資源和工具來實現(xiàn),因此需要具備一定的通用性和操作便捷性。一般而言,工業(yè)云平臺需具備四層架構(gòu),如圖2所示。

圖2 工業(yè)云平臺架構(gòu)

(1) 邊緣層。工業(yè)數(shù)據(jù)基本以實時、短周期的時序數(shù)據(jù)為主,具有價值密度低、響應(yīng)要求高等特點?；趥鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)中心對長周期數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析,能夠在周期性維護、業(yè)務(wù)決策等領(lǐng)域運行。而邊緣計算主要著眼于實時、短周期數(shù)據(jù)的分析,滿足本地業(yè)務(wù)及時處理執(zhí)行要求。邊緣計算靠近設(shè)備端,可以有效緩解數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫?支撐云端應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析。云端也可以通過大數(shù)據(jù)分析輸出業(yè)務(wù)規(guī)則,下發(fā)至邊緣處,以便執(zhí)行和優(yōu)化處理。

(2) 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)層。通過現(xiàn)代通信技術(shù)獲取設(shè)備運行等工業(yè)數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換、清洗后,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲與管理。

(3) 平臺即服務(wù)(PaaS)層。提供微服務(wù)等平臺開發(fā)技術(shù)和算法工具等支持,以便數(shù)據(jù)分析師采用特征提取、機器學(xué)習(xí)、決策優(yōu)化等先進技術(shù),對各類數(shù)據(jù)進行分析與處理,搭建數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)設(shè)備健康評估、參數(shù)異常發(fā)現(xiàn)、信號趨勢預(yù)測等功能。

(4) 應(yīng)用層。通過友好的人機交互界面及網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以模塊化組件的形式滿足各類工業(yè)設(shè)備監(jiān)測、工藝優(yōu)化、狀態(tài)評估等需求,為客戶提供智能化決策支持。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中的應(yīng)用

發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),技術(shù)是核心,融合是關(guān)鍵。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中實現(xiàn)應(yīng)用,需要密切結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)及制造、服務(wù)過程,基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)對數(shù)據(jù)進行綜合利用,進而支撐業(yè)務(wù)的發(fā)展。一般而言,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)中主要有三方面的應(yīng)用。

3.1 生產(chǎn)制造過程優(yōu)化

工業(yè)云平臺能夠有效采集和存儲設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)等,通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化,在工藝、流程、質(zhì)量等一些場景中實現(xiàn)優(yōu)化應(yīng)用,具體包括:① 對工藝參數(shù)、設(shè)備運行等數(shù)據(jù)進行綜合分析,得到生產(chǎn)過程中的最優(yōu)參數(shù),提升制造品質(zhì);② 對生產(chǎn)進度、物料管理等數(shù)據(jù)進行分析,提高排產(chǎn)、進度、物料等方面管理的準(zhǔn)確性;③ 對產(chǎn)品檢驗數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)性分析,實現(xiàn)在線質(zhì)量檢測和異常分析,降低產(chǎn)品的不良率;④ 對車間、企業(yè)的能耗數(shù)據(jù)進行分析,實現(xiàn)對設(shè)備、產(chǎn)線能效使用進行合理規(guī)劃,提高能源的使用效率。

3.2 管理決策分析優(yōu)化

借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以打通生產(chǎn)現(xiàn)場和企業(yè)管理的數(shù)據(jù)壁壘,有效提高企業(yè)的決策效率。在設(shè)備生產(chǎn)過程中,可以通過監(jiān)控發(fā)現(xiàn)能耗的異?；蚍逯登樾?隨后可以在生產(chǎn)過程中重新進行調(diào)整,優(yōu)化能源的消耗[5]。例如上海電氣開發(fā)的紡織設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與智能管理系統(tǒng),除可以實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)和各種故障信息外,還能夠?qū)崟r反映整廠生產(chǎn)效率及品種、各紡織設(shè)備生產(chǎn)效率、預(yù)警等關(guān)鍵信息,并具有各種報表模塊統(tǒng)計和各班組生產(chǎn)情況查詢功能,便于生產(chǎn)企業(yè)分析和決策。

3.3 產(chǎn)品全生命周期管理與服務(wù)優(yōu)化

借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),通過將產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)運行和服務(wù)的數(shù)據(jù)全面集成,可以建立產(chǎn)品的履歷和檔案。在設(shè)計環(huán)節(jié)通過大量試驗數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)制造預(yù)測和驗證。在產(chǎn)品使用環(huán)節(jié),借助區(qū)塊鏈等新技術(shù)來記錄產(chǎn)品生產(chǎn)、維修等信息,并將產(chǎn)品與裝備的實時運行數(shù)據(jù)與設(shè)計、制造、歷史維護履歷數(shù)據(jù)進行融合,提供運行決策和維護建議,實現(xiàn)健康管理和預(yù)測性維護。在服務(wù)環(huán)節(jié),通過反饋生產(chǎn)與實際使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)改進產(chǎn)品設(shè)計,最終實現(xiàn)全生命周期管理與服務(wù)。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理與服務(wù)優(yōu)化,對于一些需要長時間運行且生命周期較長的大型高端裝備,如城市軌道交通車輛等而言,具有非常重要的意義。

4 未來發(fā)展展望

我國工業(yè)雖然起步稍晚,但作為世界工廠,我國的工業(yè)規(guī)模和水平并不低。目前,我國已是全球工業(yè)體系最完備的國家之一,具備完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和規(guī)模龐大的制造生產(chǎn)設(shè)備,這些設(shè)備均可成為寶貴的數(shù)據(jù)資產(chǎn)來源。由此可見,未來我國制造業(yè)數(shù)據(jù)類型將最豐富,數(shù)據(jù)量也將最大,具有得天獨厚的后發(fā)優(yōu)勢。此外,隨著消費互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展,我國產(chǎn)生了一批具有世界級影響力的企業(yè),如阿里、百度、騰訊等,這些企業(yè)在云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域發(fā)展迅速,將會助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[6-7]?？傮w而言,我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正穩(wěn)步快速發(fā)展,但目前還存在一些不足和挑戰(zhàn),如較為缺乏體系,市場主體以傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫廠商、提供開源分布式系統(tǒng)平臺的信息化廠商、制造業(yè)企業(yè)信息化應(yīng)用解決方案提供商為主,在大數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面較為零散化,且與業(yè)務(wù)結(jié)合的深度有所欠缺。我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展主要面臨三個方面的問題。

(1) 缺乏數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用離不開數(shù)據(jù),而工業(yè)控制發(fā)展歷史悠久,網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)議、接口、總線等標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一問題。早期很多供應(yīng)商為了搶占標(biāo)準(zhǔn)的制高點,避免自家產(chǎn)品被迫接入他家控制器而被兼容,推出了許多私有協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。目前來看,短期內(nèi)要對各個數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)統(tǒng)一,可能性不大,如何進行統(tǒng)一采集與管理數(shù)據(jù),是工業(yè)大數(shù)據(jù)分析的最大難點。此外,工業(yè)大數(shù)據(jù)以基于時間序列的數(shù)據(jù)為主,價值密度低,使與大數(shù)據(jù)依存的智能算法無法發(fā)揮最大效能。未來可以利用射頻識別、傳感器、邊緣計算等技術(shù)進一步獲取生產(chǎn)線上的真實數(shù)據(jù),為訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐[8]。

(2) 缺乏領(lǐng)域知識基礎(chǔ)。傳統(tǒng)信息化解決方案提供商雖然具有信息技術(shù)優(yōu)勢,但是相對缺乏工業(yè)數(shù)據(jù),也難以很好地理解數(shù)據(jù),很難開發(fā)滿足工業(yè)企業(yè)需求的應(yīng)用,普遍還停留在狀態(tài)監(jiān)測層面,偏向于通用性場景。此外,由于自身沒有風(fēng)力發(fā)電機、軌道交通、電梯、分布式能源等產(chǎn)品或系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)、維修、服務(wù)經(jīng)驗,對于機理模型、專家經(jīng)驗積累不足,導(dǎo)致對工業(yè)應(yīng)用沒有很深的理解。工業(yè)數(shù)據(jù)的大規(guī)模、專業(yè)性、復(fù)雜性的特點決定了任何信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)必須與設(shè)備制造廠合作,才能夠獲取數(shù)據(jù)資源,進而獲取工業(yè)大數(shù)據(jù)分析所必需的行業(yè)經(jīng)驗知識,這一客觀現(xiàn)狀限制了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用的速度[9]。

(3) 缺乏人才儲備。對于所采集到的大量異構(gòu)數(shù)據(jù),工業(yè)云平臺提供了一個海量數(shù)據(jù)的分布式存儲和運算解決方案。要將這些數(shù)據(jù)變?yōu)橛杏玫男畔?需要數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)、人工智能技術(shù)等的綜合運用,并最終實現(xiàn)智能決策。一般企業(yè)不具備開發(fā)大數(shù)據(jù)應(yīng)用和系統(tǒng)管理的能力,缺乏人才儲備,導(dǎo)致企業(yè)對布署實施工業(yè)云平臺普遍持謹(jǐn)慎態(tài)度,進而限制了工業(yè)云平臺的推廣和應(yīng)用。

5 結(jié)束語

在工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的驅(qū)動下,互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)將進一步深度融合,新模式、新業(yè)態(tài)層出不窮,產(chǎn)業(yè)模式、制造模式、商業(yè)模式不斷重塑,企業(yè)產(chǎn)品從設(shè)計、研發(fā)、制造、銷售到服務(wù)逐漸構(gòu)成閉環(huán),進而依靠數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與分析技術(shù)等的綜合運用,結(jié)合專家經(jīng)驗知識,真正將海量的工業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛袃r值的信息,實現(xiàn)智能決策和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級[10]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種新興技術(shù),需要業(yè)內(nèi)技術(shù)人員合理利用新技術(shù)的優(yōu)勢,結(jié)合企業(yè)的現(xiàn)狀和基礎(chǔ)條件,開展細(xì)致的應(yīng)用分析、技術(shù)探討與示范引領(lǐng),避免盲目求新,將技術(shù)手段與業(yè)務(wù)模式變革緊密結(jié)合,主動探索基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)展新模式,進而促進企業(yè)轉(zhuǎn)型升級與變革。