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[特別策劃] 發展工業互聯網 構建工業智能體
2020-04-10    來源:    發布者:

[特別策劃] 發展工業互聯網 構建工業智能體

發表時間:2020-04-06 17:53:09

 

文/張新全 余少華

 

  張新全:中國信息通信科技集團高級工程師

  余少華:中國工程院院士

 

  提話:當前工業互聯網的發展面臨著一些挑戰,尤其中小企業不僅數字化網絡化基礎薄弱,而且缺乏內生動力,我們建議突出作為產業鏈主導者的大企業在工業互聯網生態打造中的主力軍作用,將上下游中小企業帶動和卷入工業互聯網之中,通過市場形成現實驅動力。

 

  工業互聯網既為實體經濟高質量發展提供了突破口,也為數字經濟繁榮發展提供了新動能,已成為全球的共同選擇。本文分析了當前工業互聯網的發展以及面臨的一些挑戰,提出工業智能體的內涵和特征,建議一要踏實推進,二要重視補短板,三要發揮大企業的生態主導作用,四要謀求建立中國優勢。

 

  發展工業互聯網
 

  一、工業互聯網是第四次工業革命的基石

  經濟危機后,工業巨頭為保持全球領先地位、信息通信企業為拓展新藍海、各國政府為重振制造業,共同推動工業互聯網的興起。

  2012年,美國公司GE(通用電氣)提出工業互聯網概念,旨在把工業設備、傳感器、互聯網、大數據等技術結合在一起,大幅提高工業效率。德國2013年在漢諾威工業博覽會上正式提出工業4.0(Industry4.0)概念。根據工業發展階段,工業1.0是蒸汽機時代,工業2.0是電氣化時代,工業3.0是信息化時代,工業4.0是智能化時代。德國工業4.0利用CPS(物理信息系統)把機器設備、產線、工廠、經銷商、產品和顧客密切結合在一起,旨在提升制造業的智能化水平。

  根據梅特卡夫定律(Metcalfe's law),網絡價值正比于節點數平方。當海量的設備、產品等連入互聯網后,其價值蔚為可觀。消費互聯網對社會方方面面形成的巨大影響,使人們有足夠理由對工業互聯網寄予更高期望。

  盡管提法各異,但全球各主要工業國家近幾年無不將工業互聯網上升為國家層面行動,如德國的“工業4.0戰略計劃”、美國的“先進制造業國家戰略計劃”、英國的“工業2050戰略”、日本的“社會5.0”、法國的“未來工業計劃”、韓國的“制造業創新3.0計劃”。

  為了解決工業化與信息化“兩張皮”的問題,中國長期致力于“兩化融合”。兩化融合是將信息技術廣泛應用到工業生產、管理、經營的各個環節,使信息化成為工業企業運營的常規手段。在互聯網高度發展的今天,工業互聯網可被視為兩化融合的新發展階段。

  十九大報告指出,“建設現代化經濟體系,深化供給側結構性改革,加快發展先進制造業,推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”。實體經濟需要數字化重建和“互聯網”翅膀,虛擬經濟需要工業智能化基礎支撐,工業互聯網是繁榮數字經濟的新基石。因此,習近平總書記明確提出,要深入實施工業互聯網創新發展戰略。

  二、工業互聯網是全球工業發展的關鍵詞

  中、美、德、日等國將工業互聯網視為新時代工業發展的必爭制高點,各國政府通過戰略引導、資金支持、生態打造等方法力推本國工業互聯網的發展。

  美國注重發揮產業企業的自主性,政府以戰略和資金進行積極牽引。GE、Cisco、IBM、Intel和AT&T等大企業于2014年牽頭成立IIC(工業互聯網聯盟),目前已發展有全球范圍內有重要影響的近300家會員企業(傳統制造企業、軟件企業、傳統信息通信企業),積極推動測試床工作,并通過與相關國際組織的合作在技術、標準等方面謀求形成國際合力。2018年10月發布的“美國先進制造領先戰略”,在制造業的數字化、智能化方面相較早期的“先進制造國家戰略計劃”更為突出。2019年2月,白宮在“未來工業發展計劃”中宣布加強對先進制造業相關重點領域的投資力度,通過網絡和信息技術研發項目(NITRD) 累計撥款1.39億美元支持CPS的研發與轉化。美國國防部在2019年將“數字制造和設計創新中心”轉型為獨立機構,投資1000萬美元致力于降低企業在部署實施工業互聯網相關解決方案時面臨的風險。

  德國注重頂層設計,重點支持中小企業。德國政府出臺一系列戰略,并提供有力的配套政策保障。通過工業4.0平臺、工業4.0實驗室網絡(LNI4.0)和工業4.0標準化理事會,德國政府、行業、企業的作用被聚合在一起,從技術、標準、產業鏈等角度營造生態。聯邦教育與研究部對工業4.0項目的資助超過上億歐元。聯邦經濟與能源部出資5600萬歐元,通過“中小企業4.0數字化生產及工作流程”項目建立10個中小企業數字化能力中心,幫助中小企業解決數字化應用、工業4.0引入過程中的成本和安全問題。2018年,德國發布“高科技戰略2025”,投入超150億歐元發展包括工業4.0在內的7個重點領域。

  日本將工業互聯網與整個社會變革聯系起來。日本提出經濟增長新戰略——“未來投資戰略”,明確把物聯網與人工智能應用列為優先推進方向,積極推動人工智能、物聯網等技術在生產、生活各領域的廣泛應用,以實現“社會5.0”最終目標。日本將“互聯工業”視為“社會5.0”的基礎,致力于推動信息打破各領域之間以及領域內部的壁壘,進行自由分享與利用,建立“各種聯系”(包括物與物之間(物聯網)、人與人之間(知識與技能的傳承)、人與設備和系統之間、企業與企業、行業與行業之間、生產與消費之間等),通過加強產業、社會的協同合作,建立一個以人為本、各種需求均能有效滿足的“超智能社會”形態。日本聚合財政資金投向“互聯工業”的發展短板和瓶頸,通過“產學官”合作構建發展生態,并支持“工業價值鏈計劃”(Industrial Value Chain Initiative, IVI)聯盟進行全球合作,積極融入全球工業互聯網生態體系。

  中國將工業互聯網作為統籌兩個強國建設的抓手,政府精心組織有力牽引,企業積極探索穩步實踐。

  政府逐步建立和不斷完善促進工業互聯網發展的政策體系。工業互聯網是“網絡強國”、“制造強國”兩大戰略的疊加域,在2017年的《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》中,國務院提出三個階段性目標,要求抓好“網絡、平臺、安全、融合應用推廣”四個重點工作,妥善處理“四個關系”。2018年2月,國家設立工業互聯網專項工作組。工信部近兩年連續發布《工業互聯網發展行動計劃(2018—2020年)》、《工業互聯網APP培育工程實施方案(2018-2020年)》、《工業互聯網平臺建設及推廣指南》、《工業互聯網平臺評價方法》、《工業互聯網網絡建設及推廣指南》等,各地政府根據自身實際出臺相關舉措、實施方案或行動計劃,中央地方形成政策合力聚焦和引導工業互聯網發展。

  各類相關企業(制造企業、自動化企業、ICT 企業、互聯網企業等)在國家政策引導下,基于自身業務實際積極探索,在技術、設施、標準、應用等方面取得穩步進展,出現海爾“COSMOPlat”、三一重工“根云”、航天科工“航天云網”等有影響力的平臺。工信部聯合財政部通過“工業互聯網創新發展工程項目”支持開展試點示范,推進示范基地建設,有效提升企業的參與積極性。2016年中國成立工業互聯網產業聯盟,現成員數量已近1500家,從測試床、案例推廣、國際合作等多角度營造生態。

 

  三、工業互聯網的發展現狀
 

  在全球共同努力下,工業互聯網相關技術和實踐持續推進。

  網絡方面:TSN(時間敏感網絡)、邊緣計算等已開始有相應產品和解決方案;SDN(軟件定義網絡)的應用、5G的部署,為工業互聯網創造更有力的網絡支撐;標識解析形成多種技術方案,已得到初步應用。

  安全方面:五個層次(設備、控制、網絡、平臺、數據)的安全技術和解決方案正在實踐探索中不斷提升和改善,工業防火墻、工業安全網關、訪問控制和終端安全管理、安全測評工具等產品在能源、電力、石化等行業得到部署。

  平臺方面:作為打造工業互聯網生態的關鍵,平臺通過數據分析、數字雙胞胎建模等技術形成智能化應用基礎,通過低代碼開發等技術降低應用創新門檻和周期,通過各行業專業知識和產品質量控制、產線流程管理等知識在平臺的沉淀來強化平臺功能和性能。

  各行業的大企業紛紛選擇平臺作為發展工業互聯網的切入點。瑞士ABB公司建立Ability平臺,圍繞該平臺進行四大業務領域的數字化轉型。德國西門子的MindSphere平臺已升級到3.0 版本,通過大數據分析構建數字雙胞胎以優化產品設計,并以該平臺為基礎聯合各類伙伴企業打造“MindSphere World”生態體系。美國艾默生電氣公司為了擴展平臺能力至氣動領域,收購德國Aventics公司。微軟基于Azure IoT平臺提供互聯工廠、預測性維護等解決方案,并與英國Rolls-Royce公司聯合開發用于航空發動機研發的遠程運維管理系統。法國施耐德電氣公司以EcoStruxure平臺為核心形成的生態體系已集聚超過2萬名開發者和系統集成商,形成豐富的、面向眾多場景的工業APP和解決方案。

  中國工業互聯網已從概念普及階段進入實踐深耕階段。

  一是基礎支撐能力不斷加強。中國工業互聯網標識解析國家頂級節點已相繼在北京、上海、廣州、武漢、重慶五大城市建成,節點功能持續完善,21個行業和區域二級節點上線運營,標識注冊量已超過1億;5G部署逐步展開,IPv6改造基本完成,窄帶物聯網實現縣級以上全覆蓋。大企業積極投入人力和資金建設工業互聯網平臺,目前已有50多個影響力較大的平臺(平均每平臺連接超65萬設備),涌現百余個細分行業的近2000個工業App。三級(國家、省、企業)聯動的工業互聯網安全監測平臺正在構建中,已在10個省啟動建設,并形成近百個重點平臺,實現200余萬在線設備的實時監測。

  二是應用領域不斷拓展、程度不斷深化。工業互聯網使能網絡化協同、服務型制造、個性化定制,其與制造業深度融合所引起的新模式、新業態帶來蓬勃創新,應用從最初的服裝加工、工程機械、機床等擴展到石油石化、鋼鐵冶金、家電、能源、航空航天等更多領域,提質降本增效成果顯著(部分先行先試企業勞動生產率提高20%以上)。

  同時,中國積極利用5G技術和產業優勢,謀劃5G和工業互聯網的融合疊加、互促共進。在去年底《關于印發“5G+工業互聯網”512工程推進方案的通知》中,工信部從先導應用、內網改造、樣板工程等方面對5G和工業互聯網的協同發展提出了明確要求。

  當然,毋庸諱言,作為新生事物,工業互聯網的發展難免面臨一些問題。對這些問題的認識和分析,正是為了促進工業互聯網的進一步發展。

  從全球來看,主要是現實效果與美好預期之間存在差距。工業互聯網既是技術、是基礎設施,更是一種模式、理念、思維。工業企業在將產線聯網并建立平臺后,并不意味著就實現了工業互聯網。目前,工業互聯網的基礎技術剛起步,尤其工業企業的管理流程、運營理念、價值路徑等方面需深刻變革和不斷探索,這些是工業互聯網真正發揮效用的重要因素。消費互聯網可以快速部署,爆發增長,而工業的基本特性決定了工業互聯網需走漸進、穩行之路。以工業互聯網的提出者GE為例,它在航空發動機、燃氣輪機等產品上引入工業互聯網取得一定成功后,盲目巨資投入、步子過大,但工業互聯網本身卻不具備消費互聯網的“爆發”效果,引起GE市值大跌,不得不對這一業務板塊進行艱難調整。德國的實踐亦出現類似情況。

  由于歷史原因,中國工業企業的自動化發展不足;傳統制造業中的中小企業面臨激烈市場競爭,生存壓力大,這些都使中國工業互聯網發展難免碰到一些困難。我們覺得比較重要的兩點如下:

  一是門檻較高,中國企業尚需補課。工業互聯網要求工業企業具備IT和OT雙能力。歐美工業企業大都已完成了數字化,如GE、西門子等雖是制造企業,但具有很強的軟件開發、信息利用能力,有對信息和制造都熟悉的技術人才隊伍。中國工業企業少有真正完成數字化的,自身IT能力偏弱。BAT等信息技術企業的IT能力強,但離OT遠。相對消費互聯網的低門檻,工業互聯網門檻高(設備類型多、業務鏈條長、服務模型復雜、可靠性和安全性要求高、資本需求大),并且兩者的商業模式迥異,所以中國的消費互聯網優勢難于移植到工業互聯網,中國工業企業在數字化、信息化等方面需要花大力氣進行補課。

  二是難度大,市場動力偏弱。中國的工業企業,尤其是中小企業,網絡、智能化設備、ICT資源等關鍵基礎薄弱,數字化水平低,軟件能力弱,難以支持工業互聯網。這些需要長時間地持續大量投入資金、人力方能取得有效改善。另一方面,現階段工業互聯網能對這些企業的生存、競爭、生產、經營等帶來的實際短期作用不顯著,又制約了其投入的積極性。

 

  構建工業智能體
 

  一、為什么提出工業智能體?

  工業企業實現工業互聯網,一般需經歷三個階段。第一階段是數字化,基本建立企業的ERP、MES、SCADA、PLC、I/O五級架構,IT網絡主要局限于企業內部,OT、IT網絡相互隔離。第二階段是網絡化,以云化方式建設、運行企業ICT資源,IT網絡內外部打通。第三階段是智能化,內外部網絡打通,OT、IT網打通,企業基于對數據的深層次挖掘和利用來智能地開展生產、經營、管理等。

  工業互聯網在發展中遇到的前述困難,并不影響它仍是全球一致看好的方向和趨勢。GE、西門子等的工業互聯網嘗試暫未達到其預期,但美、德等國仍堅持其工業互聯網的發展方向繼續往前。中國在發展工業互聯網中遇到的困難,也會在發展中逐步解決,尤其是數字化、網絡化方面的薄弱基礎,只要假以時日,在政策支持和企業重視下,必將得到加強。

  但是,工業互聯網要真正發揮效用,帶來一國工業競爭力的顯著提升,帶來各個產業的全產業鏈集成與效率顯著提升,需要以千萬個企業通過數字化、網絡化、智能化建設的工業互聯網設施和能力為基礎,構建形成一個個的垂直行業智能體,并最終形成一個國家的工業智能體。

  二、工業智能體

  我們所提出的“工業智能體”,以云網、感知、大數據、算法處理、人工智能等為基礎,形成具有類人行為意識和自我運行調控能力的有機體。工業智能體在思路上對工業互聯網進行了拓展,突破“互聯網”范疇,延展到大數據和人工智能這些更高范疇,全產業鏈、全部企業互相協同,作為一個有機體去高效率地動態適應產業的運行、變化,支撐其可持續發展。

  工業智能體有兩個基礎,一是ICT資源(連接、計算、存儲等),二是人(生產者、管理者、產品使用者等)-網(IT和OT網、內部和外部網等)-物(機器設備、產品、原材料、車間、產線、工廠等)之間的三元萬物互聯。在能力上,工業智能體具備自感知、自決策、自執行、自學習等能力。因此,工業智能體具有智腦和類人行為意識。在實現上,工業智能體基于物化的系統,并通過系統升級進行進化。它通過云網、感知、大數據、算法處理、人工智能等來組織、支撐工業的高效率運行和向前發展,打通感知-數據-信息-知識-智能-運營的相互轉化鏈條。

  工業智能體通過對各企業、全產業鏈的工業互聯網的整合,將之賦能為一個有機整體,實現良好協同和自我調控。與工業互聯網相比,工業智能體存在很多優勢,主要有:工業智能體具有較為完善的行為意識和自我調控能力,具有智能感知、情境感知與認知能力,可進行信息到知識、知識到智能的自我轉換,具有智腦和類人行為意識,具有一定的自我學習、自我成長和自我創新能力等。
 


圖1 工業智能體七大特征
 

  工業智能體,可以由各個垂直行業智能體共同構成。在一個國家范圍內形成這樣的智能體,可以實現國內相關人財物資源的高效利用,提升國家的工業效率和國際競爭力。如果在全球范圍形成這樣的工業智能體或垂直行業智能體,將實現對全球相關資源的高效利用,將各國發展甚至是人類命運更緊密地聯系在一起。

 

  發展建議
 

  工業互聯網既為實體經濟高質量發展提供了突破口,也為數字經濟繁榮發展提供了新動能,已成為全球的共同選擇。按照工信部制訂的《工業互聯網發展行動計劃(2018-2020年)》,為了實現“初步建成工業互聯網基礎設施和產業體系”的第一步發展目標,為了完成建成5個左右標識解析國家頂級節點、10個左右跨行業跨領域平臺、30萬家以上工業企業上云、超過30萬個工業APP等工作,針對性應對我們在前面分析的問題,我們要充分發揮我國的網絡優勢、制造優勢,形成有利的國際競爭地位。

  一是清醒認識工業互聯網發展的長期性、艱巨性,踏實推進。工業互聯網與消費互聯網有本質區別,要克服我們因為消費互聯網成功而可能形成的浮躁、激進、沖動,耐心地步步為營扎實推進。

  二是堅持不懈補信息技術的短板,在芯片、高端器件、基礎軟件、工業軟件等方面攻關突破。工業互聯網屬于信息技術范疇,所以中國在信息技術上的短板同樣體現在工業互聯網上,必須堅定不移補短板。

  三是在繼續發揮政策推動作用的同時,重視大企業對生態打造的主導和決定性作用,以有效提升中小企業投身工業互聯網的現實驅動力。僅靠政策和財政資金支持去推動,不僅效率偏低,而且中小企業始終處于被動姿態,沒有內生主動性。大企業是產業鏈的主導者,具備平臺建設所需的資金、能力、人才。如果大企業自身積極實踐工業互聯網,主動基于工業互聯網開展采購、銷售、服務、運營等,由于其可通過市場對上下游中小企業形成顯著影響和帶動作用,將使得這些中小企業被有效卷入工業互聯網的范疇,使中小企業在市場驅使下逐漸由被動變成主動擁抱工業互聯網。

  四是謀劃工業智能體,建立中國優勢。在工業互聯網的發展中,美國的優勢在于強大的軟件能力、業務創新能力,強調通過機器設備的智能化、商業模式的變革、數據驅動的智能化來改造工業生產、產品和服務,主要布局于制造、能源、醫療、交通、公共服務五個領域;德國的優勢在于高端精益制造,著重于C2M(Customer-to-Manufacturer),著重于以生產和工程技術為重點實現硬制造能力強化與提升。中國工業門類齊全,各垂直行業的產業鏈較完整,公眾信息網絡基礎完善,市場空間巨大,可以在數據利用、應用融合創新等方面發力。尤其在數字化和網絡化取得進展后,可通過結合我們在人工智能、大數據等技術上的良好基礎來發展工業智能體,建立起中國優勢。

 

  結語
 

  作為全球工業發展的關鍵詞,工業互聯網正引發工業生產、管理、運營等的深刻變化。為了更好地提高生產效率、經營效率、產業鏈整體效率,我們提出工業智能體的概念,它通過對“云網+感知+大數據+算法處理+人工智能”等技術的更充分利用,建立一個具有良好協同能力和自我調控能力、自我學習能力、自我成長能力的工業有機體。當前工業互聯網的發展面臨著一些挑戰,尤其中小企業不僅數字化網絡化基礎薄弱,而且缺乏內生動力,我們建議突出作為產業鏈主導者的大企業在工業互聯網生態打造中的主力軍作用,將上下游中小企業帶動和卷入工業互聯網之中,通過市場形成現實驅動力。

 

  參考文獻

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  [9] 余曉暉、李?;?、余少華等. 中國電子信息工程科技發展研究 之 工業互聯網專題. 2019-5

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