工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動下制造業(yè)的轉型升級

郭慧+贠曉哲

摘 要：文章以工業(yè)4.0為背景，簡述了國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。由于制造企業(yè)在轉型升級過程中對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺的需求，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動下、兩化融合進程中智能工廠建設的關鍵要素進行了探析。最后通過對中國現(xiàn)階段制造業(yè)的現(xiàn)狀進行分析，提出了企業(yè)在轉型升級過程中的幾點建議。

關鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；兩化融合；智能制造；云平臺；智能工廠

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

制造業(yè)是實現(xiàn)工業(yè)化的原動力，亦是一個國家實力的支柱。我國是有“世界工廠”之稱的制造大國，但卻不是制造強國。生產(chǎn)效率低下、創(chuàng)新不足、科研水平低等仍是制約我國生產(chǎn)力發(fā)展的幾大因素，與發(fā)達國家相比，更存在著不小的差距。近幾年隨著信息技術的不斷發(fā)展與革新，世界制造業(yè)更是發(fā)生了巨大的變化。制造業(yè)全球化趨勢的壓力與機遇，讓中國的制造企業(yè)亟待轉型升級。

1 第四次工業(yè)革命來臨，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為兵家必爭之地

由于近年來工業(yè)領域全球競爭越來越激烈，各大經(jīng)濟體已把提升制造業(yè)競爭力上升為國家戰(zhàn)略。如今，機械、電氣和信息技術的工業(yè)革命已成為過去式，物聯(lián)網(wǎng)和制造業(yè)的融合正宣告著第四次工業(yè)革命的到來，這必將從根本上顛覆傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展模式，對制造企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務等各環(huán)節(jié)帶來深刻變革。

信息化最先進的美國與制造業(yè)最強的德國分別提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略。其他國家如英國的“高價值制造”、法國的“新工業(yè)法國”、日本的“機器人新戰(zhàn)略”等都是各國在第四次工業(yè)革命沖擊下的應對之策。信息化也將成為中國加快實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化的必然選擇。2015年國務院和工業(yè)和信息化部先后出臺了《中國制造2025》《國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》《工業(yè)和信息化部關于貫徹落實<國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見>的行動計劃（2015-2018年）》等一系列指導性文件?！吨袊圃?025》中也明確提出要通過政府引導、整合資源，實現(xiàn)長期制約制造業(yè)發(fā)展的關鍵共性技術突破，全面部署實施制造強國戰(zhàn)略。

2 國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺淺析

當前國內(nèi)外共計有超過400家物聯(lián)網(wǎng)平臺運營商。其中，大型企業(yè)級軟件占據(jù)了22%的市場份額，服務公司和IoT初創(chuàng)公司占據(jù)了約32%。此外，約占市場份額18%的工業(yè)方案提供商為了改變其以硬件為主的商業(yè)模式，也試圖轉型成為物聯(lián)網(wǎng)平臺商。剩余份額由互聯(lián)網(wǎng)及通訊運營商占據(jù)（數(shù)據(jù)來源于物聯(lián)網(wǎng)智庫）。這些平臺服務涉及智能制造、智慧城市、智慧能源等生產(chǎn)生活的各個方面。

國外的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺如提供了資產(chǎn)性能優(yōu)化服務的GE Predix云平臺、基于云開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的西門子MindSphere、提供了產(chǎn)品和服務優(yōu)勢技術解決方案的PTC ThingWorx、提供了全面管理云托管服務的IBM Watson等在業(yè)界擁有了標桿性的地位。

我國企業(yè)緊跟時代潮流，大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+”，近兩年一大批以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、區(qū)塊鏈、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為主旨的公司如雨后春筍般涌現(xiàn)。2017中國兩化融合大會上工信部副部長陳肇雄指出，截至2017年6月，我國制造業(yè)重點行業(yè)骨干企業(yè)“雙創(chuàng)”平臺普及率為60%。中央企業(yè)已建成各類互聯(lián)網(wǎng)“雙創(chuàng)”平臺110余個，聚集科技服務機構數(shù)超過1 200個，實現(xiàn)了儀器設備、技術成果等海量創(chuàng)新資源的在線化。

不過盡管一些企業(yè)在平臺建設方面進行了大量積極探索，但在技術水平、應用水平、行業(yè)覆蓋面以及應用開發(fā)生態(tài)上都與發(fā)達國家存在較大差距，仍處于起步階段。國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大環(huán)境正在加快形成。北京、湖北、湖南、浙江、貴州、上海、深圳等省市都先后出臺了促進工業(yè)和信息化融合相關的文件資料。阿里巴巴、華為、騰訊等國內(nèi)龍頭企業(yè)也都在積極探索與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關的解決方案。比較成功的案例有海爾的COSMO平臺和三一重工的18號智能工廠。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動下智能工廠建設探析

當前，各大經(jīng)濟體都把提升制造業(yè)競爭力作為國家戰(zhàn)略，我國也明確指出信息化與工業(yè)化深度融合的主線。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，在設計、供應、制造和服務各環(huán)節(jié)實現(xiàn)無縫協(xié)作的智能工廠建設則是實現(xiàn)我國制造大國向制造強國轉變的核心。

3.1 智能化進程中的挑戰(zhàn)

智能工廠的建設需從全局出發(fā)，顧及傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉型升級和整個產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力的提升，最大限度提升企業(yè)的生產(chǎn)效率和管理水平。但智能工廠的建設不是一蹴而就的，我國制造企業(yè)智能化進程中還面臨著以下挑戰(zhàn)：

（1）廠內(nèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎不完善，現(xiàn)場設備互聯(lián)難度較大，無法實時獲取設備運行數(shù)據(jù)；MES與ERP，PLM等系統(tǒng)集成度低，數(shù)據(jù)流無法貫通，更無法與現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)交互，設備巡檢等維護工序依賴人工介入，無法實現(xiàn)數(shù)字化管理。

（2）廠內(nèi)預防和分析數(shù)據(jù)缺乏：缺乏故障分析模型，不能很好地開展現(xiàn)場設備的預測性維護工作；物料、生產(chǎn)設備、人工等生產(chǎn)資源利用率較低；訂單執(zhí)行的全過程無法實現(xiàn)跟蹤與管控。

（3）研發(fā)與生產(chǎn)、市場脫節(jié)：整機運行數(shù)據(jù)的采集工作尚處于起步階段，無法滿足后續(xù)研發(fā)需求；由于無法獲取整機實際運行數(shù)據(jù)，導致研發(fā)人員無法根據(jù)使用場景，有針對性地提升產(chǎn)品質(zhì)量、性能；無法實時監(jiān)控全網(wǎng)整機運行狀態(tài)，導致無法預測備品備件的使用量，尚未實現(xiàn)精準投放。

（4）服務管理能力需要提升：缺乏信息化管理流程，導致售后服務體系較為松散，缺乏遠程通訊技術保障，現(xiàn)場維修時間較長。

3.2 智能工廠建設關鍵要素

3.2.1 自動化設備建設及改造

智能工廠的構建首先要保證硬件設備的完善。

自動化傳送設備：自動化流水線/裝配線通過軌道/傳動裝置、相關傳感器及執(zhí)行部件實現(xiàn)加工產(chǎn)品的自動流轉；endprint

物料配送自動化設備：AGV自動搬運車根據(jù)物料標識自動定位識別，進行物料產(chǎn)品的自動運輸，可以減少使用人員，提高搬運效率；

各種監(jiān)控及采集模塊設備：SCADA監(jiān)控及采集模塊可實現(xiàn)感知層的數(shù)據(jù)采集、傳輸和特定功能驅動控制，并對生產(chǎn)信息進行動態(tài)顯示；

各種傳感及檢測設備：Sensor&Switch通過各種傳感器識別工廠狀態(tài)，由開關實現(xiàn)動作控制以及條碼讀寫等。

通過利用智能裝備實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化、機器換人，提升生產(chǎn)效率，實現(xiàn)從設計到制造的全過程端對端集成，統(tǒng)一工程語言與數(shù)據(jù)源，確保產(chǎn)品制造的一致性。

3.2.2 網(wǎng)絡互聯(lián)

網(wǎng)絡互聯(lián)的實施主要是解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各種設備、系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通問題，涉及現(xiàn)場級、車間級、企業(yè)級設備和系統(tǒng)之間的互聯(lián)，以及企業(yè)信息系統(tǒng)、產(chǎn)品、用戶與云平臺之間不同的互聯(lián)場景。

通過M2M（Machine to Machine）通信模式，可實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程等信息，從而實現(xiàn)設備與設備間的通信。同時，應滿足用戶的個性化需求，對接云端數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和智能服務平臺，幫助用戶實現(xiàn)商業(yè)模式創(chuàng)新。

3.2.3 MES數(shù)據(jù)集成

通過對現(xiàn)場設備的物聯(lián)集成（如檢測設備、生產(chǎn)設備及物流設備等）實時采集設備運行參數(shù)。工業(yè)云將數(shù)據(jù)傳送至MES，同時接收MES下發(fā)的控制命令，最終反饋至相應設備，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的數(shù)字化管理。通過對現(xiàn)場設備運行數(shù)據(jù)的實時分析處理，可更好地進行生產(chǎn)過程控制與工藝優(yōu)化。集成工業(yè)大數(shù)據(jù)，覆蓋工業(yè)生產(chǎn)的全流程和產(chǎn)品的全壽命周期，主要包括如下幾項：

（1）現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)主要來源于與平臺連接的傳感器、設備儀器儀表及工業(yè)控制系統(tǒng)采集的工業(yè)生產(chǎn)線設備、機器、產(chǎn)品等方面的數(shù)據(jù)，包括設備的運行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)等；

（2）生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)主要來源于傳統(tǒng)流程信息化系統(tǒng)中產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)，包括SCM，CRM，ERP，MES等；

（3）外部數(shù)據(jù)主要來源于互聯(lián)網(wǎng)的市場、客戶、供應鏈等外部環(huán)境的信息和數(shù)據(jù)。

3.2.4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺構建

打造基于混合云的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，滿足各類設備的遠端互聯(lián)需求，并以設備互聯(lián)互通為基礎，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、產(chǎn)品實時工況數(shù)據(jù)等進行有機集成，為工業(yè)大數(shù)據(jù)的集成和應用提供IaaS，PaaS服務能力，包括設備接入和管理，大數(shù)據(jù)存儲、處理和分析等。

設備接入服務支持基于平臺標準物聯(lián)協(xié)議設備、標準工業(yè)協(xié)議設備以及私有協(xié)議設備的接入、數(shù)據(jù)采集和控制；

設備管理服務提供設備快照、設備歷史數(shù)據(jù)查詢、設備用戶綁定、設備數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及遠程控制等功能，并支持設備級的權限粒度，確保設備的安全；

通過建立基于Hadoop的大數(shù)據(jù)存儲與分析平臺，使其具備對工業(yè)級各類型大數(shù)據(jù)的存儲與分析能力。

3.2.5 安全保證

對車間工控安全及網(wǎng)絡安全加強監(jiān)管與加固，對網(wǎng)絡接入及互聯(lián)網(wǎng)出入口的監(jiān)控等安全體系建設勢在必行。

網(wǎng)絡安全保障包括基礎網(wǎng)絡環(huán)境安全、工業(yè)設備NB-IoT接入安全及工業(yè)大數(shù)據(jù)分析平臺的安全。

工控安全貫穿工控系統(tǒng)全生命周期，建立安全監(jiān)測與攻防研究服務體系勢在必行。并應從工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個視角分析、構建設備安全、網(wǎng)絡安全、控制安全、應用安全和數(shù)據(jù)安全的安全保障體系。

工控網(wǎng)由管理層、安全數(shù)據(jù)交換層、監(jiān)控層和控制層構成。其中，管理層的設備通常包括建立在以太網(wǎng)連接之上的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）服務器、工藝客戶端、設計客戶端等。

監(jiān)控層包含DNC服務器、 MDC服務器、OPC服務器、工程師站、視頻監(jiān)控平臺等，負責采集控制層的數(shù)據(jù)和對控制層發(fā)出指令。

控制層的控制和執(zhí)行部分構成了生產(chǎn)單元，典型配置包括與通信信道相連接的工業(yè)交換機；通過工業(yè)以太網(wǎng)連接的控制設備機床可編程邏輯控制器PLC、現(xiàn)場終端等。與PLC通過現(xiàn)場總線相連的設備包括現(xiàn)場控制設備（如現(xiàn)場PLC）和現(xiàn)場執(zhí)行設備，含有工業(yè)閥門和機械手及與其他控制子項相連的串口服務器，其他控制子項包括小型PLC和負責稱重、檢測、掃碼等執(zhí)行設備。

當前的網(wǎng)絡存在諸多安全隱患，如缺乏邊界防護、對外接口缺乏保護和監(jiān)控等，需要采取諸如工業(yè)防火墻、網(wǎng)絡隔離設備、終端防護設備等軟硬件系統(tǒng)及工控安全管理制度以確保網(wǎng)絡安全。

4 中國現(xiàn)階段發(fā)展需求及建設啟示

4.1 我國制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國制造業(yè)雖然已經(jīng)建立了雄厚的基礎，取得了長足的發(fā)展。但一直徘徊在價值鏈底端，只在加工、生產(chǎn)環(huán)節(jié)建立起了成本優(yōu)勢。主要為代理品牌加工，附加價值低，不僅能源消耗與環(huán)境污染問題突出，企業(yè)更無法形成自己的核心競爭力，利潤低下。故提高低端產(chǎn)品（低科技產(chǎn)品）的技術含量和附加值，獲得持續(xù)發(fā)展，由低科技、價值鏈底端向價值鏈高端挺進的腳步刻不容緩。在智能制造、綠色制造、個性化定制等生產(chǎn)方式和理念上突破創(chuàng)新，才是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的有效動力。

4.2 中國制造業(yè)轉型升級的啟示與建議

4.2.1 工業(yè)4.0帶動下的制造業(yè)革命，我國仍處于萌芽階段

西方有著深厚的工業(yè)化基礎。1911年泰勒便提出并完善了科學管理體系。美國在50年代便有了工業(yè)工程的闡述，日本豐田在上述基礎上形成了豐田生產(chǎn)方式，德國的工業(yè)4.0是企業(yè)在學習了日本精益生產(chǎn)25年的基礎上，與信息化、自動化結合后提出的理念。工業(yè)化的管理基礎，是制造企業(yè)無法繞過的“門檻”。硬件、軟件、管理、人才等的前置投資必不可少。

在“中國制造2025”提出后，許多傳統(tǒng)制造企業(yè)紛紛試水，有些企業(yè)實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，然而有的卻在互聯(lián)網(wǎng)+的浪潮中奄奄一息。沒能正視企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中的弱點、痛點，忽視生產(chǎn)設備的工業(yè)化程度，只是盲目跟風互聯(lián)網(wǎng)炒作，成為智能化進程中的犧牲品乃意料之中。endprint

4.2.2 企業(yè)的轉型升級離不開政府支持、人才建設以及內(nèi)部的管理調(diào)控

（1）人才建設

人才的競爭永遠是制勝的關鍵。企業(yè)應擴大制造業(yè)重大基礎研究、科研攻關方向的研究生人才招募規(guī)模，提高重點領域專業(yè)學位研究生培養(yǎng)比例。政府也應該積極引導高校招生計劃向機械、電子信息類等對應制造業(yè)重點領域的專業(yè)傾斜。

（2）加強企業(yè)培訓

在制造業(yè)領域推進學習型企業(yè)建設，堅持并完善企業(yè)職工全員培訓制度。開展實施職工教育培訓，像海爾設立的海爾大學，加強企業(yè)大學、培訓中心等企業(yè)培訓機構的建設。不僅要提高員工的專業(yè)技能，更要提高員工的責任感、歸屬感。

（3）知識產(chǎn)權保護

由于缺少自我保護意識，近年來因知識產(chǎn)權產(chǎn)生的國內(nèi)外糾紛屢見不鮮。雖然我國高科技整體水平與世界工業(yè)強國之間還存在一定差距，但仍具有處于世界前沿的技術領域，對此應該予以重視。

（4）政府引導

中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展可謂任重道遠，亟需加強政府引導。政府應該做好產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，激發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈上游創(chuàng)新的活力，從而把握住當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵時點與歷史機遇，發(fā)揮國內(nèi)市場優(yōu)勢，積極培育新模式新業(yè)態(tài)，強化應用創(chuàng)新，逐步實現(xiàn)我國工業(yè)面向網(wǎng)絡化、智能化的整體突破。

5 結 語

通過對制約我國生產(chǎn)力因素的分析，提出了行之有效的解決方案，旨在實現(xiàn)長期制約制造業(yè)發(fā)展的關鍵共性技術突破，加速產(chǎn)業(yè)轉型升級。

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