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郭朝晖:工业互联网技术发展现状及趋势分析

宏观视点

郭朝晖:工业互联网技术发展现状及趋势分析

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【摘要】:

郭朝晖:工业互联网技术发展现状及趋势分析

 

0 引言

美国通用电气(general electric,GE)公司在提出工业互联网的概念时认为,工业与互联网的深入融合会引发第三次“创新与变革浪潮”[1]。这个观点很快被我国企业界认同。从长远的角度看,工业互联网的意义重大;但从短期看,却遭遇了很多困难和阻力。GE公司在进入这一领域后,就遭受到很大的挫折。笔者认为:为了确保技术的健康发展,应该更多地从经济角度看问题,技术的发展必须与市场发展的节奏相适应。

至今为止,人们对工业互联网相关概念的认识并不统一。但令人兴奋的是,我国并未纠缠于国外的概念[2-4],也不再满足于跟随和模仿国外的做法,而是与国外先进企业并驾齐驱,共同在技术的无人区探索。这在中国工业发展史上是罕见的。最近几年,中国企业探索出很多成功的案例。他们的成功本质上是找到了合适的应用场景,满足了经济发展的真实需要。

全文结构安排如下。第一部分,讨论人们对工业互联网的认识和争议。第二和第三部分,分别讨论工业互联网在企业内部和企业之间起到的作用。第四部分则从技术提供商的角度,讨论企业对平台的需求及平台的发展趋势。

1 工业互联网的概念

2012年末,GE公司发布了《工业互联网白皮书》。这标志着工业互联网概念的产生。2017年,国家明确提出,支持并鼓励企业发展工业互联网技术。此后,各级政府相继出台了多项鼓励工业互联网发展的措施,并得到了企业界的热烈响应。最近,工业互联网又被纳入 “新基建”的范畴。

至今为止,人们对工业互联网的认识还是难以统一。有人认为,工业互联网必须是互联网与制造业的结合;有人则认为,其与产业相结合就可以了。有人强调工业互联网必须连接生产设备,有人则认为这种定义过于狭隘;有人认为必须连接公用因特网(Internet)而非企业的内部网(Intranet),有人则不同意这样的说法。

在笔者看来,存在争议并不奇怪。工业界的实践往往早于理论或概念的提出。工业与互联网的融合是一个渐近的过程,未必发生突变,也就难有明确的边界。互联网和工业的结合是一个发展方向,但不同行业、不同地区、不同企业的发展并不均衡,机会和认识都不一样。笔者认为,只要能用互联网技术促进经济社会的发展就应该鼓励,而不是拘泥于具体的概念。

然而,互联网与工业的结合方式和侧重点会逐步发生变化。我们需要洞察和理解这些变化,才能跟上技术发展的节奏、顺应市场发展的趋势。

工业与互联网的融合将越来越密切,会对工业生态乃至社会发展产生重大的影响。具体地说,互联网的应用会促进协同能力的提升,协同能力的提升会带动企业业务的分工细化。面向未来,企业会更多地共享外部资源而不是钟情于对资源的独占。企业内部的协同能力也会越来越强、响应外部环境变化的速度会越来越快,从而引发企业的战略改变。与此同时,也会出现大量为工业企业提供资源和服务的主体单位。

工业对信息传递的安全性、可靠性、实时性和灵活性的要求会越来越高,而工业企业的个性化程度往往也比个人用户高得多。这些差别会使得互联网在工业的发展规律和节奏发生变化,需要技术提供方付出更多的努力。

2 工业互联网的企业内部视角

有种观点认为,与设备的连接是工业互联网的基本特征和要求。同时,还有人指出:设备智能化必须首先解决“聋哑”问题[5]。互联网是远程传递信息的工具。设备远程监控是工业互联网典型、基础的应用场景。推进设备远程监控,往往是工业互联网的切入点。

在大型企业中,设备的管理维护和操作使用一般属于不同的部门。远程监控的重点,可以侧重设备管理,也可以侧重操作使用。同时,还可以推动这两类工作的统一。在某些企业内,这被称为“操检一体”,即生产操作和日常的设备点检由同一批人完成。具体是让设备的使用者来管理设备,这样往往有利于保持设备的良好状态。

从技术角度看,设备远程监控难度并不大。在这样的场景下,大量的决策和控制可以由人来处理。主要的技术困难体现在对安全、稳定、可靠的要求。所以,设备远程监控特别适合那些对安全、稳定、可靠、实时性要求不高的场合。在这些场合,技术本身并不难,关键是技术的经济性如何。

在油田、水电、风电、光伏等领域,对设备实施远程管控的场景很多。在这些场景中,设备往往处于荒郊野地,现场管控的工作条件差。采用远程监控后,不仅改善了工作条件,还节省了人力,提高了响应速度,经济性相对较好。

设备远程监控也适合厂区较大的企业。如化工厂的管道监控、钢铁厂的高炉集中监控等。与前面的场景相比,必要性和经济性略低。对企业来说,这些工作往往是“可做可不做”的。一般的情况是,如果有政府资助或有特殊的战略考量,企业就会做;反之,就不会做。从经济角度看,这些做法在发达地区、在大厂实施较为划算,在小厂、落后地区就不太划算。

在笔者看来,促进工业互联网应用的关键是要在设备远程监控基础上增加“附加值”。技术的经济性提高了,推广应用自然就容易。现在看来,“附加值”有两个方向:一个方向是拓展到设备的维修、维护,另一个方向是生产的综合管控。

这些体现“附加值”的工作,涉及到深入的专业知识和算法,技术含量相对较高。据观察,目前商业化公司的竞争力往往就体现在这些具有“附加值”的工作上。由于互联网可以连接众多的设备,容易收集到更多的数据,也更容易提炼知识。这使得工业大数据技术有了施展的空间。

设备维修维护是体现“附加值”的重要领域。通过互联网,设备制造商、服务商可以和设备使用方一样方便地获得数据、了解设备状态。但设备制造商、服务商的数据来源更广,在数据方面具有更多的优势。所以,只要数据安全、企业商业秘密能够得到保护,设备拥有方可能愿意把设备维护工作交给设备提供方或专业的服务企业去做。GE公司针对飞机发动机维护的做法就是典型案例。

另一种体现“附加值”的工作涉及跨区域、跨部门的系统优化。其中,将工业互联网用于能源系统优化的场景和案例非常多。这并不奇怪:能源系统的实时性强、涉及的地理空间大、系统复杂、价值潜力大,适合互联网发挥优势。这是GE工业互联网白皮书中讲到的重点领域。杰里米.里夫金的《第三次工业革命》也强调了能源与互联网的结合。

钢厂的能源管理就是典型示例。钢铁厂占地面积大,有的企业厂区面积接近30 km2。厂内涉及电、煤、水、蒸汽、氧气等多种能源介质的实时在线平衡,相关设备数以千计,节能潜力巨大。能源的优化使用,不仅涉及能源系统节能,还涉及生产、设备、物流等多个系统的顺行与协同。能源系统是其中的关键、核心部分。所以,有权威专家认为:能源利用效率是体现钢厂智能化的重要指标。

体现“附加值”的工作,往往与企业管理有关。在传统的管理模式下,管理者远离生产现场,难以迅速捕捉到现场发生的问题,会导致巨大的价值损失。有研究表明,企业因管理问题导致的损失,一般不低于企业总成本的10%~20%。通过工业互联网的应用,便于管理者洞察企业运行的细节,有可能把这些价值挖掘出来。但要获得这些“附加值”,就不单单是技术问题了。

这一部分的商业化应用,往往以“工业APP”或者软件即服务(software as a service,SAAS)软件的形式出现[6]。在冶金、化工等大工业领域,类似的技术可以追溯到若干年之前,但技术的名称有所不同。例如,在冶金行业,相关的工作一般被称为“数学模型”;而在化工行业,则经常被称为“实时优化”、“先进过程控制”。现在,这些技术的发展趋势是更加普遍、更加完善,商业化程度更高,与互联网的平台技术、大数据技术的关联度也更加紧密。

3 工业互联网的企业关系视角

分工和协同是一对矛盾:有了分工才需要协同,协同好了又能促进分工;分工可以促进生产力的发展,但协同不好会阻碍分工;互联网促进了协同,也就会引发新一轮的社会分工,从而改变企业生态。

协同发生在由多方分工完成特定工作的场景,参与协同的各方可以看成资源的提供者。企业从外部获得资源,可以看成企业间的分工协作。通过工业互联网,让企业之间的协同性增强,企业就可能改变原有的资源获取方式,进而促进企业生态的重构[7]。从长远的角度看,这种改变的意义非常巨大。

2015年,笔者邀请最早提出工业互联网概念的专家之一、GE公司的J.Salvo 博士介绍工业互联网的相关概念。他介绍了他对新型协同方式的设想。例如,借助数字化和互联网技术推动产品设计的外包。飞机制造企业原本自己设计零件,现在采用了另外一种尝试:给出设计要求,通过互联网公布,由外部设计师竞标完成。最终胜出的选手,采用专业设计师想不到的办法,把零件质量减少了85%。这次试验的成功,表明企业研发外包的潜力巨大。借助工业互联网和计算机,协同可以跨越空间、实时性强,可以处理更加复杂的协同任务,效率也更高。

但是,要推动企业之间的协同,相关方对信息的理解必须要一致、不产生歧义。否则,容易出现漏洞甚至巨大的偏差。为此,协同的前提是数字化和标准化。在此基础上,协同的智能化水平会显著提高。GE认为,工业互联网有三个关键要素:智能机器、高级分析、在线工作人员。在设备维护服务外包的场景下,机器属于一家企业,而高级分析软件、在线的工作人员则可能属于另外一家企业。这样,企业间的协同就可以做到实时、自动、智能。

对GE、三一重工等设备制造商来说,这样的改变可以帮助他们实现“从制造到服务”的转型。在我国,还出现了像石家庄天远公司这样专门为设备拥有者和制造商提供服务的企业。天远公司服务的企业较多,就建立起自己的数据优势和算法优势,从而形成了自己的竞争力[8]

机器促进的协同会带来很多变化。在上海、深圳等地出现了一类平台型公司,对接上下游的企业。其中的一种典型业务,是帮助大企业寻找非标产品的供货商。大企业生产非标产品往往在经济上不划算。但寻找非标产品供货商的商务成本又很高、效率很低。有了这样的平台,大公司只需按照标准的数字化格式把自己的要求输入,平台就会自动地进行解析,能从成百上千家服务商中迅速筛选出合适的供应商并实时报价。这样,随着商务成本的降低、效率的提升,大公司可以实现该业务的外包。

可以预见,这样的平台型公司多了,制造业的生态自然也会发生改变。用长远的眼光看,意义非常重大。

4 平台角度看问题

工业互联网平台是促进工业互联网应用的工具,它使得人们可以方便地使用工业互联网技术。

GE从提出工业互联网的概念开始,就重视平台技术。GE曾经投入巨资研制Predix系统,西门子、PTC等公司紧随其后。我国多家企业也迅速跟上了这个趋势。目前,数以百计的企业自称拥有工业互联网平台。然而,人们对“工业互联网平台”概念的争议也非常大。本文不纠结于这些争议,而是关注互联网在工业应用中的真实进展。

2018年开始,GE传出一些负面的消息,并曾打算卖掉Predix平台。国外其他巨头的进展也是雷声大、雨点小。在笔者看来,主要原因是平台的技术投入过大、专业聚焦不够,而市场拓展相对较慢,导致技术投入与市场拓展的节奏不匹配。

然而,我国工业互联却有了喜人的发展。

最近几年,我国基础设施即服务(infrastructure as a  service,IAAS)工业云平台应用发展非常快。阿里、腾讯、华为、百度等企业提供了IAAS,并以此为基础构建自己的生态圈。很多创新、创业型企业以此为基础,提供自己的SAAS服务。

需要特别强调的是:这种模式为中国中小企业的信息化提供了巨大的机会。以往的企业信息化软件往往是定制的,需要专门购买硬件设备,还需要专人维护。这样,信息化的投入就比较高。往往只有较大的企业,才会有相对完整的信息化系统。由于维护不到位,很多系统的使用效果不理想。

在上述模式下,SAAS服务的价格极低、有些甚至是免费的。中小企业不需要购买设备、不需要专业的维护人员。SAAS服务的软件经常升级换代、系统稳定性还好。这些特点都受到了中、小型企业的欢迎。

这些服务方式的本质是知识产品的共享。知识经济有一个所谓的“零边际成本理论”。也就是说:知识产品的成本不随用户数目增加。所以,用户数量越多、经济性越好。工信部的统计数据表明,我国中小企业和个体经营户数量巨大,总数在一亿以上。在广东的一些镇级行政区域内,同一个产业链上的企业可以多达数千家。这些优势是世界上其他国家无法比拟的。故而,这些模式能够迅速在中国发展起来。

用户数量多了以后,技术提供方就容易获得足够的资金发展。某中型企业反馈,SAAS系统的成本不到过去的十分之一,而应用效果却显著提高。现在,许多大型的软件公司也逐渐转向了这种模式、提供SAAS服务。可以设想:众多企业上云以后,又可以为下一步的企业生态重构奠定基础,其意义非常巨大。

随着竞争的进一步加剧,我国市场上的SAAS软件开始聚焦细分市场。有的聚焦行业,如钢铁、石化、电力、园区;有的聚焦设备,如注塑机、空压机、电梯等。有的聚焦业务,如能源管理、研发设计、环境保护、设备维护等。聚焦的过程有利于提炼共性知识、有利于数据的共享,从而更好地服务于客户。

与中小企业相比,大企业对系统的成本不敏感,但对功能、质量、个性化的要求高。大企业往往具有较好的自动化、信息化基础。建立工业互联网系统时,必须考虑与已有系统的关系,一般不能简单地取代老系统。

工业互联网系统的优势是大空间尺度的实时优化,可用于协调大企业中不同业务部门和工序的工作。这个立足点能把工业互联网系统与传统的制造执行系统(manufacturing execution system,MES)、企业资源规划(enterprise resource planning,ERP)系统区分开,也就是让工业互联网系统定位在大系统优化。企业级、系统化的优化工作常会随着知识的增加、数据的积累、系统的变化而变化。这就对系统的可维护性提出了更高的要求:要求系统的灵活性和可靠性高,并能有力地支持持续改进。所以,笔者认为,大企业的工业互联网系统采用平台即服务(platform as a service,PAAS)平台较为合理。

有种观点认为:数字孪生技术标志着工业互联网平台进入新阶段。美国工业互联网联盟架构组主席林诗万博士认为:数字孪生是一种全新的方法论,有利于支持企业的持续改进和功能的灵活集成。在笔者看来,数字孪生是个系统的方法论,但在离散和流程行业的侧重点有所不同。在离散制造业,重点是打通产品设计、制造和使用维护环节;在流程制造业,则是促进生产系统的协同与持续改进。

5 结论

工业互联网可以促进企业内部和企业之间的协同、资源共享和知识复用,进而带动分工方式和企业生态环境的改变,对工业领域的未来产生重大影响。我国是世界上制造业产值最高的国家,应用工业互联网的经济潜力巨大。我国在商业互联网、5G等领域处于世界先进水平,每年大约毕业800万大学生。这些也都为发展工业互联网奠定了重要的基础。而老龄化社会的逼近,又迫使我们必须加快推动工业互联网的进程。

工业互联网的本质是资源配置的工具。无论是业务协同、资源共享,还是知识复用,都涉及多方的利益,需要通过商业模式的创新、组织与业务流程的重构来创造必要的条件。工业互联网的应用不能仅看作技术问题,需要企业家和各级管理者的共同努力,才能让价值落到实处。

 

参考文献: 

 

[1]通用电气公司.工业互联网:突破智慧和机器的界限[M].工信部国际经济技术合作中心,译.北京:机械工业出版社,2012.

[2]周济.中国智能制造发展研究报告[R].中国工程院,2018.

[3]国务院发展研究中心课题组.借鉴德国工业4.0推动中国制造业转型升级[M].北京:机械工业出版社,2018.

[4]胡虎,赵敏,宁振波,等.三体智能革命[M].北京:机械工业出版社,2016.

[5]朱铎先,赵敏.机智:从数字化车间走向智能制造[M].北京:机械工业出版社,2018.

[6]何强,李义章.工业APP:开启数字工业时代[M].北京:机械工业出版社,2019.

[7]安晓鹏.重构:数字化转型的逻辑[M].北京:电子工业出版社,2019.

[8]工业互联网产业联盟工业大数据特设组.工业大数据技术与应用实践[M].北京:电子工业出版社,2017.

 

作者:郭朝晖(1968—),男,博士,教授级高级工程师,优也信息科技有限公司首席科学家,长期从事数据分析、模型控制等领域的研究,对智能制造、工业4.0、工业互联网以及技术创新理论有较为深入的研究;先后发表论文数十篇,著有《管中窥道:技术创新的观念与方法》,合著《三体智能革命》,参与多个国家重大科技咨询项目,E-mail:13301688797@163.com

来源:PAI教授

 

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