我国工业互联网的发展路径

王守灿 2016-10-28 13:03 在线教育 来源:思达派 查看原文

随着“互联网+”概念的提出和《中国制造2025》的发布,“互联网+”制造、智能制造、工业互联网等概念成为当前最热的“风口”。这些概念之间有何关联,工业互联网发展的技术要素有哪些,我国工业互联网发展的难点何在,推动工业互联网发展又可采取怎样的路径,本文试图对上述问题逐一探讨并试图解答。

  定义工业互联网

  工业互联网概念最初由美国通用电气(GE)公司于2012年提出,指在物联网的基础上,综合应用大数据分析技术和远程控制技术,优化工业设施和机器的运行和维护,提升资产运营绩效。工业互联网概念的提出,首先是GE自身作为老牌工业设备制造商,为应对经营成本不断上升、运营回报率持续承压的挑战所选择的战略转型方向。GE认为其兼具工业知识储备和软件分析能力的优势,希望通过倡导工业互联网对工业设备市场和行业的发展进行引导,帮助其客户实现营运效率和业务模式创新提升的同时,将自身转型成为一家专门提供分析和预测服务的软件公司,从而获得新的发展空间。正如GE工业互联网大中华区总经理杨涛所言,工业互联网的提出,“是行业竞争大环境不断演变和软硬件技术日趋成熟、相互作用而形成的必然结果,而不是消费互联网的衍生品”。

  工业互联网概念自诞生之初,便着眼于利用新一代信息技术满足制造业发展亟须提升效率、优化资产和运营的迫切需求,顺应了科技产业的发展大势。在GE的推动下,AT&T、思科、IBMIntelGE自身等5家分别来自电信服务、通信设备、工业制造、数据分析和芯片技术领域的行业龙头企业,联手组建了带有鲜明“跨界融合”特色的工业互联网联盟,旨在制定通用标准,打破技术壁垒,利用新一代信息通信技术激活传统工业过程,促进物理世界和数字世界的融合,目前吸引了全球制造、通信、软件等行业159家骨干企业的加入。工业互联网联盟的组建,使得工业互联网突破了GE一家公司的业务局限,内涵拓宽至整个工业领域。

  在我国,随着李克强总理在2015年《政府工作报告》中明确提出制定“互联网+”行动计划和国务院5月份印发了《中国制造2025》,工业互联网与“‘互联网+’工业”、智能制造等发展热点密切关联,其概念内涵又进一步丰富。工信部部长苗圩在解读《中国制造2025》时指出,“工业互联网是顺应新一轮工业革命和产业变革的一个重点发展领域,也是政府工作报告中提到的“互联网+”最早实现的行业之一”,“工业互联网的应用和发展可从两个方面切入实现融合发展:第一个方面,就是智能制造;第二个方面,就是把互联网引导到工业企业、工业行业中去。”从苗圩部长的解读可以看出,我国的“工业互联网”就是“‘互联网+’工业”,而其内涵不仅包含利用工业设施物联网和大数据实现生产环节的数字化、网络化和智能化(即德国工业4.0描述的智能工厂),还包括利用消费互联网与工业融合创新,实现制造产品的精准营销和个性化定制,通过重塑生产过程和价值体系,推动制造业的服务化发展。

  四大技术要素支撑发展

  物联网。物联网是工业互联网发展的基础,主要解决工业数据的采集和传递。数据的采集主要通过各类不同精度、不同工况要求的传感器来实现,即物联网的感知层;数据的实时传递可采用工业以太网、现场总线等技术实现,非实时性的数据传递可以通过普通局域网或者无线的3G/4GLTE-MWiFi等技术实现,即物联网的网络层。

  智能机器。智能机器是工业互联网发展的载体。一方面,机器是可感知并且具备一定数据处理能力的。工业设备能够实时采集设备的动态运行数据,并根据预置的模型自主选择要回传到远程地点进行分析和存储的数据。另一方面,机器是数控可编程的,能够根据自身传感的反馈或者远程发送的数字指令执行相应的动作。

  数据保存与处理分析。对大数据收集后的分析挖掘是工业互联网的核心价值。面对海量的工业动态数据,需要建立融合以往生产工艺经验和行业应用知识的数据筛选和分析模型,其中筛选模型部署在设备端,在海量数据中根据需要找到最关键的核心数据回传,节省传送费用和分析成本;分析模型部署在远程计算中心,根据经验知识模型预测设备的行为并提出干预建议。

  功能和信息安全。与传统制造相比,工业互联网环境下的智能制造是信息技术的集合体,面临着新的威胁。通过互联网和物联网等信息通道,黑客可能攻击智能制造系统的控制层软件漏洞,从而影响装备的控制和运行,造成功能安全风险;也可能攻击应用层软件漏洞,取得关键制造行业的敏感数据、设备运行情况和用户使用信息等,造成重大泄密风险。功能和信息安全技术已成为智能制造发展的关键支撑要素。

  总体来看,工业互联网发展虽然仍需克服一些技术上的困难,但从全球范围看,支撑工业互联网发展的各项软硬件技术基本上是成熟的。工业互联网发展的关键是应用,突出需要解决的问题是制定通用标准,打破行业、技术的壁垒。

  四个层级实现互联互通

  从技术上,工业互联网打通从生产到企业运营的全流程环节需要在四个层级分别智能化或互联互通:层级一是设备层面上的智能机器,对于流程型工业比如包括智能仪表、现场仪表、调试工具、各类数控阀门等;对于离散型工业比如包括工业机器人、数控机床设备等,它们的主要功能是实现具体的数据采集和控制动作。层级二是车间层面上的控制系统,比如包括安全仪表系统(SIS)、分散式控制系统(DCS)、组态监控系统(SCADA)、各类PLC控制系统等,它们的主要功能是把设备的监控信息集成,通过控制算法来实现自动实时的智能控制。层级三是工厂层面的生产执行系统(MES),它的主要功能是实现生产任务的调度和执行。层级四是企业层面的集成应用软件,比如包括ERPCRM、业务管理应用平台、电子商务平台等,它们的主要功能是帮助企业面向市场营销需求统筹调度各类企业资源。我国工业互联网发展的要点也蕴含其中。

  智能机器层面,工业自动化水平亟待提高。工业互联网发展以工业自动化、信息化发展为前提。我国工业自动化和信息化水平整体不高,不同地区、不同行业的发展也不平衡,仅考虑为传统设备加装传感器一项,便对企业的技术和资金实力提出较高的要求。另一方面,我国在高精度智能仪表、工业机器人、高端数控机床等领域,尚未完全掌握自主核心技术,相关零部件及整体解决方案的价格短期内无法降低。

  车间控制层面,万物互联亟须制定通用通信标准架构。传统工业网络环境中接入的设备是标准化程度较高的工控机,而工业互联网环境下接入的设备是非标的传感器和各类生产设备,其数量庞大且类型丰富。从技术上,工业以太网协议或现场总线协议均可通过扩容升级解决大量设备的接入需求;但从应用的角度,工业互联网环境下的万物互联亟须一个通用的通信标准协议架构,便于其他非通信领域的厂商同步开发其他应用服务。

  工厂调度层面,MES亟须破解定制成本难题。MES是打通制造层面和企业层面两套信息化系统的关键桥梁。MES以下的生产数据是实时的、动态的,数据量很大,但是价值密度低,属于工业大数据范畴。MES以上的ERP数据是静态的,结构化的。MES系统需要选择哪些数据须在制造控制系统和ERP之间传递,并为这些数据制定统一的标准。由于每家工业企业的ERP和生产系统都是非标的,已经经过了高度定制化,因此MES的实施也必须根据每家企业的具体情况去定制,这就带来极其高昂的成本。另外,从工业企业的现阶段需求来看,投资MES打通全数据环节的需求并不是最迫切的,我国大部分企业可能现阶段更愿意在MES以下投资,比如机器换人、加强集成监控和自动控制水平等,以提高安全生产的效率;或者在MES以上投资,比如升级ERP系统的功能,部署供应链协同或者采购新的客户关系管理系统以扩大市场营销能力等。

  企业集成应用层面,避免出现信息孤岛。在企业内网的集成应用平台之间,比如ERPPLMCAD等软件系统之间要做到格式相互兼容。在企业外网的电商平台与内网ERP之间要做到数据的互联互通。就目前市场上可选择的产品来说,主流ERPPLMCAX厂商产品之间大多预留了接口可以相互兼容,电商平台解决方案与企业ERP系统也可以实现互联互通。我国在近年来推进两化融合的过程中不断强调采购信息化系统要注意统筹,避免出现新的信息孤岛。

  我国工业互联网的发展路径

  首先,深入推进两化深度融合。面向工业互联网的发展要求,从设备控制、车间组织、工厂调度、企业管理四个层面加强信息化建设,提升生产制造的数字化水平,实现对全生产过程的数字化监控,为工业互联网的发展奠定基础。

  其次,加快推进互联通信标准的研制和推广。借鉴国际上OPC组织和国际电工委员会(IEC)已经形成的一系列过程控制的工业标准(包括安全标准),解决不同工业控制器之间的兼容组态,不同传感器之间的信息传递等问题,为工业互联网的发展扫清技术障碍。

  再次,尽快启动产业链上的数据互通标准化工作。统一数据结构和规范,使得数据不仅能够通过互联实现传递和交换,还能够基于统一的结构化标准,能被有效地利用和分析,为工业互联网发挥协同制造优势破除行业壁垒。比如上游钢材厂出厂的钢板,应与下游汽车制造厂或飞机制造厂采用统一的数据结构描述钢板性能,用标准来打破行业和技术壁垒,促进融合发展。

最后,引导工业企业加强流程管理。固化、细化、标准化生产流程环节,为工业大数据的决策反馈提供优化对象。工业互联网的价值体现在利用对动态工业数据的分析对生产进行优化,企业应把生产流程尽可能细化成便于重组和优化的标准化环节,从而让大数据的分析结果有用武之地。


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