互联网+与制造业融合的发展趋势

2017年02月27日 09:22   来源:行政管理改革   周宏仁

  周宏仁

  [摘 要]     全球信息化的发展正进入一个新的阶段,在经历了数字化和网络化的快速发展之后,智能化正在成为全球信息化向高端发展最主要的特征之一。信息化发展的过程中有几个关键步骤,我们不能错过,否则和发达国家信息化水平的差距可能再一次被拉大。制造业是国民经济的脊梁,如果没有制造业的发展,即使其他行业有巨大的发展,对中国这样一个大国来讲也是一件危险的事情。

  [关键词]     互联网+ ;制造业;工业互联网系统

  [中图分类号] F20                                      [文献标识码] A

  进入21世纪以来,中国大规模国家信息化发展开始起步。由于有发达国家几十年积累起来的许多信息化成果和经验可资借鉴,中国利用“后发优势”,采取“跟随战略”,比较快、比较顺利地在各个领域完成了大量的、重要的信息化应用系统建设,在电子商务、电子政务、两化融合、三农信息化、现代信息服务业、新兴产业发展、居民信息化素质提升等等方面,都取得了举世瞩目的成就,产生了巨大的经济社会效益,极大地推动了中国经济社会的发展。就信息化而言,中国与发达国家的差距正在逐步缩小。相应地,中国的“后发优势”,也已经所剩无几。

  与之同期,全球信息化的发展正进入一个新的阶段,在经历了数字化和网络化的快速发展之后,智能化正在成为全球信息化向高端发展最主要的特征之一。信息化发展的过程中有几个关键步骤,我们不能错过,否则和发达国家信息化水平的差距可能再一次被拉大。最近几年,媒体对服务业中“互联网+”发展有了较多的宣传,但是对制造业中“互联网+”发展的重视程度远远不够。制造业是国民经济的脊梁,如果没有制造业的发展,即使其他行业有巨大的发展,对中国这样一个大国来讲也是一件危险的事情。

  一、制造业信息化的发展

  制造业的发展首先关心的是企业,一个制造企业的内部信息化和外部信息化都存在着诸多值得研究的问题,下图给出了一些思考的方向。

企业内部信息化的内涵

  企业内部信息化的内涵(如图1所示),包括研发的信息化,产品的信息化,生产的信息化,管理的信息化,以及信息化所带来的业务流程和组织再造。上述每一个方面的信息化,都有自己丰富的内涵。例如研发信息化覆盖基础技术研究和产品研发;产品信息化包括嵌入式系统的应用,促进产品智能化的发展;生产信息化包括生产装备的信息化,以及生产流程管理的信息化;而管理信息化则包括产供销、人财物、客户关系的信息化等等。

  任何一个企业,除了内部的各种业务关系以外,还有广泛的外部联系(如图2所示)。企业外部的输入有原材料、零部件、装备、人员等等;企业产出的外部联系包括销售、银行、协作单位、客户等等。

  

企业外部信息化的内涵

  企业内部和外部的环境加在一起,构成企业信息化的全部内涵。

  (一)企业数字化的发展

  工业软件支撑了企业数字化的发展,如:计算机辅助设计、辅助工艺、辅助工程,产品数据管理,全生命周期系统;生产制造过程也有很多软件。值得一提的是ERP系统,ERP在企业数字化的发展中,扮演了整合不同数字化系统的关键性角色。

  数字化对传统企业的改造,一步一步走得非常清楚。1974年,第五代使用微处理芯片和半导体存储器的计算机数控装置研发成功,数控机床随之在制造业大量应用,对工业化升级产生了革命性的影响;20世纪50年代,美国诞生了第一台计算机绘图系统,成为最早的计算机辅助绘图系统,催生了60年代初的计算机辅助工程;60年代末,挪威开始研发计算机辅助工程设计;1971年,法国雷诺公司率先成功实现计算机辅助制造(汽车车身的设计和加工)。数字化对传统工业的改造,从接到订单开始,产品设计、工业设计、主生产计划制订、备料和加工产品装配,直到交付,所有的这些环节,全部实现计算机化。

  全三维数字化和数字仿真,是工业数字化向高端的发展。数字化的目标,是要形成一个完全数字化的企业,包括:数字化的研发体系、数字化的设计体系、数字化的制造体系、数字化的管理体系和数字化的产品服务体系。同时,企业信息化向数字化大系统集成、最优能力集成的方向转变,向高度并行、多组织协同转变。实现完全数字化,不仅国外的先进企业已经做到,国内也有一些先进的制造企业能够做到。

  工业软件的重要性,非常值得重视。从2010年开始,中国的制造业总量已经位居全球第一,在全球制造业的份额为20.9%;美国排名第二,约20.7%;位于第三和第四位的日本和德国,分别只占10.4%和6.26%。但是,中国工业软件市场仅占全球工业软件市场的1.7%。中国制造业的信息化水平由此可见一斑。目前,中国高端的工业软件90%以上依赖进口,而且价格非常昂贵。制造业工业软件应用水平的低下,反映了制造业计算机、网络、数据的应用水平很低。工业软件是当前我国企业数字化发展的主要瓶颈之一。

  抓制造业信息化的发展,工业软件是一个非常重要的抓手。必须认识到,工业软件并不单纯是一个软件,而是多种学科交叉的研究结果。只有制造行业的优秀专家和工程师与软件科学家的结合,才能够开发出一流的工业软件。高端工业软件是科学研究和技术创新成果的软件表现,学术、技术水平很高。

  (二)企业网络化的发展

  企业网络化的快速发展发生在20世纪90年代初。随着互联网应用在全球的普及,制造企业不断努力实现企业信息系统的网络化,也就是“互联网+”。许多企业开始构造企业的内部网和外部网。内部网就是把企业内部的各种不同功能的信息系统通过联网而“打通”;外部网则是把企业和外部的合作单位通过联网而“打通”。前者是企业内部信息系统的垂直整合,后者则是企业之间信息系统的横向整合。企业内部信息系统的一体化就是要把研发设计信息化、产品信息化、生产信息化、管理信息化和业务流程与组织再造这五部分打通,共享数据和信息。企业外部信息系统的一体化就是要把企业与外部合作单位的信息交换打通。例如,供货方可以查阅本企业的原材料和零部件消耗,确定是否需要立即及采取何种方式向本企业供货;销售方可随时了解企业的生产情况及新品生产形势,考虑相关销售活动的安排和市场策略;企业所在的银行也可以进入外部网,了解企业财务状况,并在网上完成企业与银行之间的各种财务交易手续,等等。

  “互联网+”在20世纪90年代末给企业带来了非常显著的效益。美国福特汽车公司的内部网连接了全球范围内的12万台计算机工作站;日立公司的外部网在1997年已经覆盖了全球2100家和它有联系的公司。另外,在利用互联网做电子销售方面,戴尔和思科是当时最为成功的企业,它们通过外部网大幅度地增加了销售金额。

  以下列举三项比较先进的网络制造技术。第一个是全三维的数字化、网络化的协同平台,可以使企业集团所有的下属企业和研究所,利用这个平台协同工作,完全打造成一个整体,数据通过协同平台实现集成,生产流程通过协同平台实现网络集成。协同平台可以支持跨地域、跨企业的联合研制和生产。多场所、一体化、最优能力集成的研制生产新模式,提高了集团的协同创新能力。波音公司的全球协同环境,空客公司的混合并行工程环境都是这样的协同平台。一个全三维的数字化协同平台,对提高设计效率和质量,改善专业设计方式,提高设计能力非常重要,这是典型的、十分先进的“互联网+制造”。

  第二个是关联设计系统。关联设计系统通过和虚拟现实系统的集成,实现虚拟现实环境下的设计协调,干涉检查和分析,可以支持成百上千的在线用户进行实时并行设计。利用这个技术,任何一个系统或一台装备的总体、各子系统、机械结构等三维设计的结果均可相互关联。只要在整体结构图上对零件进行了更改,就可以自动地完成零件图的修改,对相关零件进行必要的调整,从而缩短设计迭代周期,有效提高设计效率。

  第三个是全三维标注技术。原来设计作图,只能做到二维,三维就非常困难了。利用这项技术,任何一个产品零件都是三维的,在全三维的模型中可以传递所有零部件的制造信息,保证所有产品单一数据源;还可以使设计制造并行工程效率大大提高,通过基于成熟度数据的并行,工艺设计、工装设计几乎可以同步开展,生产准备周期因而大幅缩短。显然,这个基于全三维模型定义的设计制造系统,也完全依赖于网络化。

  上述的这些技术代表了现代制造业的先进水平,但是这些技术依托的核心技术就是各种各样的工业软件。这些软件的开发费用非常昂贵,有着“投入很大,用户很少”的特点。因此,这些软件的研发离不开国家的支持和帮助。

  (三)企业智能化的发展

  智能制造的核心问题有两个:一个是产品,制造业生产的产品必须智能化,尤其是装备制造企业生产出来的装备;另一个是生产过程,即生产过程必须智能化。生产过程的智能化,包括使用各种各样的信息技术、传感器技术,还有高性能计算来完成建模、模拟分析,也包括机器人、过程监测、自动化等等。生产制造的智能化,早在数字化时期已经开始。早期的二维CAD技术,就是一种智能化的设计技术,三维CAD软件,更是一项高度智能化的产品。网络制造,如“数字化、网络化协同平台”、“关联设计系统”、“全三维标注技术”等,都是带有高度智能化特征的产品,是集数字化、网络化、智能化于一体的,高度信息化的技术和产品,仍然是“互联网+”时代企业信息化必须追求和努力实现的目标。目前,企业的智能化正在向更新和更高的目标发展,具有代表性的就是德国提出的工业4.0和美国提出的工业互联网。二者殊途同归,最终目标是要构造一个实现人、(计算)机、物一体化集成的、智能化的系统,这是企业信息化向高端发展和创新的方向。

  我们回顾下过去几十年制造业信息化的发展历程。20世纪60年代,企业信息化主要还是集中在图4的左下角,产生了很多的工业软件,推动了制造业数字化的发展,并且已经开始有了一些自动化的产品,如数控机床、嵌入式系统;到了80年代中期以后,开始走向网络化,即局域网、广域网等,同时也产生很多相应的工业软件,随着网络化的发展有了内部网和外部网,还有互联网;在智能化方面出现了全三维标注、关联设计、全球协同平台等等。21世纪以来,企业信息化进入方框里的关注焦点区域内,如业务智能技术的应用。近年来,全球物联网成为全球信息化的一个热点,同时,智能产品、工业互联网、智能互联网系统都成为新一代企业信息化发展的核心问题。

  二、认识工业互联网系统

  未来企业信息化的发展,现在有两个说法,一个是工业4.0,一个是工业互联网。工业互联网与工业4.0,在提法上有不同的侧重点,但本质上是一回事。强调的都是实现企业信息系统的一体化、智能化、自动化。工业互联网和工业4.0都是过去几十年企业信息化成就的总结,而且提出了未来10至15年企业信息化追逐的更高层次的目标。通过研究这两个新概念和新思想,我们可以看到,新一代的企业信息化将往哪里走,在企业实现了网络化、全三维数字化平台、关联设计等等之后,企业信息化又要关注什么,最终的目标又是什么。

  从我国大多数企业信息化的实际情况来看,不可能奢求在几年之内就完全实现工业4.0提出的各种设想和功能目标。当前企业应该审慎思考和评估的是,企业该做的、基础的、重要的信息系统是否都已完成,应用得好不好。企业必须在工业4.0或者工业互联网这个大方向的引导之下,抓紧企业数字化建设的“补课”。

  (一)工业4.0

  工业4.0不仅强调了内、外网的一体化,还强调了智能物理系统(CPS,Cyber-Physical System)在企业的应用,核心是推动企业的智能化和数字化的自动化。智能物理系统与嵌入式系统是两个不同的概念。嵌入式系统为产品的计算机化服务,强调在产品中增加新功能,提高产品性能。智能物理系统解决的是如何使企业的各种计算机系统和企业的各个物理系统协同工作,从而实现劳动生产率的最高化,系统运行的最优化,以及管理有效性的最大化。现有的系统工程理论中,还没有一套系统的、完善的、关于智能物理系统的理论体系。美国国家自然科学基金会认为,CPS是系统工程理论未来一二十年重大的发展方向;早在2006年,就将这个领域作为信息时代系统工程理论的一个重大研究方向给予资助。无疑智能物理系统将促进理论研究的发展,也带来很多创新的空间。

  (二)工业互联网

  早在2000年8月,就有美国学者提出了工业互联网的概念,基本思路是把复杂的物理设备和网络,包括传感器和软件等,构造成一个系统化的整体,将大数据、机器学习、M2M等全部整合在一起,利用所得的数据和信息,控制和调整设备,以得到最优化的结果。最终目的是构造企业级的一体化的系统。工业互联网是一个综合性的企业信息化总体解决方案,包含一整套内置的核心技术,一定会成为一个综合性的技术大类。工业4.0和工业互联网这两个提法,我个人比较倾向于工业互联网,因为它把未来企业界的网络,以及全球网络化的发展,描述得比较清楚。

  工业互联网具有5C架构(图3)。5层中的第一个字母都是一个“C”。最底层是智慧的连接层(Connection),即一个企业所需要的数据都必须能够无障碍地获取。第二层是转换层(Conversion),即将数据转化为信息,对获得的数据进行数据挖掘和分析,得出对决策有用的信息。第三层是计算网络层(Cyber),是企业信息中心的枢纽,在这一层,将取自第二层的信息与原来设定的期望值进行对比,发现企业运行中的问题或机会。第四层是认知层(Cognition),由第三层获得的信息,以及监控资产和设备状况,以可视化的方式,向决策者提供关于企业目前存在问题的认知,并使决策者能够做出相应的决策。第五层是配置层(Configuration),目的是通过网络空间,把决策信息送到物理空间,送到相应的子系统中,完成对相应的设备或系统做出调整的实际操作。


工业互联网的5C架构

  这个5C的架构,实际上是一个企业级的反馈控制系统,一个包括人、(计算)机、物在内的反馈控制系统。系统的控制对象,无论是人、或机、或物,其现况信息都是通过C1(第一层)来获取的。获取后,送到反馈器,即C2(第二层),进行数据挖掘和分析,所得出的整个企业状况的实际值和期望值在C3(第三层)进行比较,比较后得出决策信息C4(第四层),指示在什么地方需要做出怎样的调整或改变,最后是由控制器C5(第五层)发出指令,实施对人、机、物的控制。反馈控制是自动控制理论最核心的思想之一,只有反馈控制才能达到最理想的控制效果。在人、机、物一体化的大系统情况下,反馈系统的一体化和优化设计,确实有很多重大的理论和创新问题。

  认识工业互联网非常重要,尤其要抓住它的本质和内涵,对中国企业信息化的发展意义非凡。工业互联网系统不仅涉及信息技术的各个方面,而且也涉及很多相关的科学技术领域,世界上没有一个企业能够承担工业互联网的全部研发任务。为此,美国几个IT巨头牵头组织了工业互联网联盟。2015年6月,美国工业互联网联盟发布了一个工业互联网系统的参考架构,对工业互联网的构成要素,各要素之间的相互关系等,都进行了比较系统的探讨和研究,为工业互联网的系统架构、解决方案架构和应用架构提供了一个开发指南,具有重要指导意义。

  工业互联网提出了分析系统功能的四个维度,包括业务的维度、用户的维度、系统功能的维度、系统实现的维度,对每一个维度都做了详细的需求分析,研究了必须要考虑的基本问题。

  工业互联网系统的参考架构将工业互联网系统分成内外三层:外缘层、平台层和企业层。企业需要的所有数据,通过外缘层进入企业的数据平台,在平台层进行数据的转换和分析,在完成一系列操作运算后,产生决策所需的数据,并送入企业层;企业层接收这些数据之后,根据决策系统设定的规则决定企业下一步怎么做,并将决策产生的控制信息流返回到平台层,平台层对控制流进行分析后,再送到外缘层,包括企业外部的相关企业。整个过程中,核心的部分是数据的分析和处理,包括终端数据的获取、先进的数据处理、决策的执行模块、系统输出的产生等等,各种模型的构建和数据的分析计算,是数据处理系统的核心。

  工业互联网系统涉及很多核心技术。第一层涉及物联网技术及应用;第二层用的是业务智能和大数据技术;第三层是云计算技术;第四层离不开计算科学技术;第五层则是网络化的自动控制技术。

  不难看出,工业互联网所需要的技术支撑,实际上把当前信息技术发展的热点几乎都概括其中。目前,我国大数据、云计算、物联网等都炒得很热,但是,如果这些热门技术不围绕一个主题,朝着一个共同方向努力的话,是形不成竞争优势的。

  2016年3月2日,工业互联网和工业4.0这两个技术平台,在瑞士苏黎世做了对接。双方达成协议,必须实现工业4.0参考架构模型和工业互联网系统架构模型的兼容性和互操作性,这是二者得以共享全球市场的一个重要步骤。中国也已推出自己的工业互联网架构模型,但总体来看,我们的步子还是慢了一些。如果我们的步子能够更快一些,工业互联网系统的竞争有可能形成三足鼎立的局势。特别是,其中涉及很多标准和规范问题,如果我们不参与前期标准的制定,就会非常被动。中国必须尽快建立团队,推出自己的工业互联网系统“参考架构(IIRA)”,并与“工业4.0平台”和“工业互联网联盟”展开协调行动,以避免被边缘化。

  (三)全球物联网

  工业互联网系统的快速发展,使全球物联网成为业界关注的焦点。如果一个企业进来的和出去的产品都具有联网功能的话,物联网的问题还只限于一个企业的内部,对产业影响不大。但是,如果全世界绝大多数的企业都需要将输入和输出的产品联网的话,这个物联网就变成了一个全球物联网(the Internet of Things),与几年前讲的物联网的概念不一样,它是一个第一个字母大写的物联网。全球物联网因之提上了全球信息化发展的议事日程。英特尔公司估计,到2020年全球物联网大概要提供一个500亿物品互联的互联网基础架构。现在的互联网,是人的互联网,总共连接的只是30亿到40亿人,物联网将带来互联网络十几倍甚至几十倍的扩张。Gartner公司估计,到2025年,全球互联的物品大概有2000亿个。这样一个庞大的物联网,给互联网未来的发展带来了巨大的挑战。不难看出,工业互联网本身就是一个人、机、物的互联网,全球物联网就是一个全球的人、机、物的互联网,这个网络在现有互联网的基础上生长起来,必将会带来巨大的经济和社会变革。

  全球物联网覆盖所有的重要领域,包括各种各样的业务活动、能源、消费、健康与生命、IT技术和网络、安全和公安、零售业和交通制造等等,由此将产生一个智能互联的世界。一些重要的行业,如通信、零售、汽车、医疗等等,将发生重大的变革。这就是未来15至20年可能产生的新的前景。

  物联网、大数据和云计算将走向融合。对于全球物联网,大数据可以帮助各行各业提升业务洞察力,推动全球基于数据驱动的经济发展,进而推动国家治理和社会发展。全球物联网成为全球最重要的数据采集和数据共享平台,形成新一轮的海量数据增长浪潮,成为衍生无数个具有真正商业价值和业务洞察力的大数据平台。这是工业互联网和全球物联网真正的价值所在。大数据和云计算的发展,将视物联网的发展而确定其方向和重点。各种形态的“云”和“云联网”,将为物联网和大数据提供不同类型的服务和所需要的不同的商业模式。

  全球物联网不是一个垂直的或水平的、局域的物联网,而是一个人、机、物的互联网,这是一个必然的发展结果。意识到这一点,就知道全球信息化的发展方向发生了重大转变。现在最重要的是,我们必须转变思想和观念,迎接全球物联网带来的这种革命性变革。

  大数据的发展也会面临很多挑战。上千亿物品的数据在网上流动,这些数据存在哪里,需要什么样的数据中心,什么样的分析技术,什么样的隐私保护等等,都是新生的问题。云计算也是一样,怎样在云与云之间实现互联,如内部网和外部网,未来就是云和云的互联,一个企业和很多其他关联企业的私有云的互联。云网络、云安全、云服务的管理等等,也会带来一系列需要解决的问题。

  应该看到,工业互联网系统的基本思想,不仅适用于任何制造企业,而且适应于政府和其他企事业单位。不仅对大型或跨国企业赢得国际竞争力极为重要,而且对国家信息化和信息产业的发展影响十分深远。工业互联网系统是一个“改朝换代”的系统和产品,市场需求极大,目前虽然是针对企业设计的,但全社会的每一个领域都会被“裹挟”进来。因此,工业互联网是全球信息化进入一个新时代的表征,中国决不可掉以轻心。未来10至15年,全球信息化在很大程度上将围绕推动工业互联网系统的发展而发展。全球信息技术和产业的生态将发生重大变革。  


  [作者简介] 周宏仁,国家信息化专家咨询委员会常务副主任。

(责任编辑:邓浩)

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