基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)轉(zhuǎn)型分析

張維明

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司臨港基地項目組，天津 300450）

1 引言

隨著《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十四五”國家信息化規(guī)劃》等政策相繼出臺并實施，新一代信息技術(shù)及新基建投資已成為企業(yè)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型的必然要求，“上云用數(shù)賦智”成為制造業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必要手段?！霸朴嬎恪奔夹g(shù)有效解決了資源和計算能力匱乏的現(xiàn)狀，“大數(shù)據(jù)”分析讓機器替代人力、模型指導(dǎo)生產(chǎn)成為可能，在新時代背景和數(shù)字技術(shù)發(fā)展支撐下，當前正處于企業(yè)、社會實現(xiàn)全面數(shù)字化升級的最“有效”階段，企業(yè)必將逐步進入數(shù)字驅(qū)動、數(shù)據(jù)賦能新時代。

2 生產(chǎn)車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型思路

2.1 智能制造能力成熟度模型

智能制造技術(shù)旨在使生產(chǎn)環(huán)節(jié)具備機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘功能，特別是在2020 年到2023 年期間，AI 技術(shù)在世界上實現(xiàn)爆炸式發(fā)展，給傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式帶來巨大的沖擊和挑戰(zhàn)。不論是流程型生產(chǎn)線或離散型生產(chǎn)車間，必須要考慮自感知、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的新型生產(chǎn)模式，以實現(xiàn)真正意義上的柔性生產(chǎn)、一體化開發(fā)協(xié)同。

智能制造能力成熟度模型如圖1 所示，反映了將人員、資源、技術(shù)應(yīng)用于制造環(huán)節(jié)并提升智能制造能力成熟度等級的過程，它通過開展評估與對標分析，進行差距判斷，確認下一步改進和提升方向，有助于提升企業(yè)智能制造能力。智能制造成熟度主要分為5 個等級，分別為一級規(guī)劃級、二級規(guī)范級、三級集成級、四級優(yōu)化級和五級引領(lǐng)級[1]。評估范圍覆蓋組織戰(zhàn)略、人員技能、數(shù)據(jù)、集成、信息安全、設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)等能力域。智能制造能力成熟度模型的目標，是最終建立全生產(chǎn)過程一體化協(xié)同，并搭載智能算法模型，驅(qū)動智能生產(chǎn)產(chǎn) 業(yè)鏈一體化的全新生產(chǎn)模式，進行算法和路由自動調(diào)優(yōu)。

圖1 智能制造能力成熟度模型

2.2 軟硬兼施助力生產(chǎn)過程本質(zhì)提升

數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字化提升是一個迭代優(yōu)化、不斷探索、螺旋式改革的漫長過程，要求堅定的目標方向、強有力的經(jīng)濟支撐及大量的探索實踐。生產(chǎn)車間數(shù)字化轉(zhuǎn)型應(yīng)避免盲目“入坑”或“為了數(shù)字化而數(shù)字化”，單一注重硬件設(shè)施采購和更換工作，盲目推行機器換人，上馬單一模型的剛性自動化生產(chǎn)線，不僅不會為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來實質(zhì)性效果，反而只會盲目加大投資，花冤枉錢走冤枉路；另一方面，柔性生產(chǎn)、流程數(shù)字化、智能化當然也離不開數(shù)據(jù)采集、計算存儲、視覺分析等硬件設(shè)備的支撐。在建設(shè)過程中信息化數(shù)據(jù)共享缺乏信息系統(tǒng)支撐，要重點打破車間運行“黑箱”，生產(chǎn)過程實現(xiàn)全程追溯，實現(xiàn)精益生產(chǎn)，與生產(chǎn)管理息息相關(guān)的制造BOM 數(shù)據(jù)、工時實現(xiàn)透明準確。特別應(yīng)注意避免信息孤島的建設(shè)，避免“煙筒式”開發(fā)，這就要求我們在實施改造升級的過程中，一定要秉承統(tǒng)籌規(guī)劃、統(tǒng)一協(xié)議標準、自頂向下設(shè)計的思路。

在高智能化、高度融合的信息發(fā)展背景下，各軟件系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)融合關(guān)系，應(yīng)特別被關(guān)注，要求系統(tǒng)開發(fā)不能進行獨立化設(shè)計和部署，而是應(yīng)重點關(guān)注數(shù)據(jù)間的互聯(lián)互通，關(guān)注EAI 等數(shù)據(jù)融合技術(shù)。

在智慧園區(qū)數(shù)字化建設(shè)的新興實踐中，制造運行體系以MES 制造執(zhí)行模塊為核心，與WMS（倉儲管理）、SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）、安全管理模塊緊密關(guān)聯(lián)。通過制造運行體系內(nèi)部和外部系統(tǒng)的集成實現(xiàn)生產(chǎn)過程業(yè)務(wù)的數(shù)字化全覆蓋。通過MES 與WMS 緊密集成，實現(xiàn)以生產(chǎn)為中心的協(xié)同平臺，從整體上提高智能工廠的數(shù)字化、透明化、智能化水平。MES 與其他軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互包括（但不限于）車間生產(chǎn)原料的領(lǐng)料申請，庫房生產(chǎn)物料的備料、配送，生產(chǎn)完工產(chǎn)成品入庫申請，庫房產(chǎn)成品入庫；MES 與安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互包括設(shè)備安全報警、人員安全報警、電子圍欄報警通知安防系統(tǒng)；MES 與設(shè)備管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互包括設(shè)備異常報警、創(chuàng)建設(shè)備維修單；MES 與能碳管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互包括生產(chǎn)日計劃查詢、工單工序執(zhí)行進度數(shù)。

2.3 典型應(yīng)用

無人焊接技術(shù)是中國數(shù)字化轉(zhuǎn)型實踐的一個縮影，主要的先進智能應(yīng)用包括自動下料、精準焊接、無人運輸和柔性生產(chǎn)等，在力爭打造“黑燈工廠”的實踐過程中，難點主要是解決多工藝、多模型、不同產(chǎn)線流程下的自動下料、焊接，通過AI 功能解決了大部分人力焊接的工作，同時實現(xiàn)了運輸、下料和焊接、檢驗的一站式自動化。機械臂通過PLC、RobotStudio 等編程組態(tài)系統(tǒng)，基于三維空間建模和視覺感知體系，能夠?qū)崿F(xiàn)物料的電磁吊裝、智慧倒運、無人焊接，但是目前還難以完全取代基于人為經(jīng)驗的消除應(yīng)力問題、強度檢驗問題等，下一階段相信通過機器深度學(xué)習(xí)技術(shù)，會為無人焊接和成橇集成提供更先進的參考實踐。

5G 移動互聯(lián)技術(shù)是新基建中的信息基礎(chǔ)設(shè)施要求，與4G 相比，5G 同時支持中低頻和高頻頻段，具備短幀、快速反饋等特點，在流量密度、連接密度、速率和能效上均得到了極大的提升。當前移動互聯(lián)所面臨的問題為終端和網(wǎng)絡(luò)的局限性，業(yè)務(wù)與終端、網(wǎng)絡(luò)的強關(guān)聯(lián)性。在推進5G 技術(shù)的同時，應(yīng)特別注意信息安全的同步建設(shè)。

3 智慧園區(qū)建設(shè)要點

3.1 管理模式實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

智慧園區(qū)是生產(chǎn)車間的匯集，從園區(qū)管理的角度出發(fā)，更加注重生產(chǎn)統(tǒng)籌、資源協(xié)調(diào)、調(diào)度指揮、任務(wù)分配和安全運維等要求。在園區(qū)統(tǒng)籌管理的過程中，應(yīng)借鑒精益生產(chǎn)、敏捷開發(fā)等實施理念。

精益生產(chǎn)經(jīng)過大量的應(yīng)用實踐被證實是科學(xué)有效的管理理論，其典型的思想理念是基于JIT（Just In Time，準時制生產(chǎn)）的多品種、小批量加工模式。精益生產(chǎn)倡導(dǎo)消除等待浪費、搬運浪費、不良浪費、動作浪費、加工浪費、庫存浪費、制造過多浪費和事后管理浪費，不生產(chǎn)多余產(chǎn)品，注重范圍管理，實現(xiàn)“零庫存”。

在精益生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)上，信息化管理軟件開發(fā)過程引入了DevOps 敏捷開發(fā)的創(chuàng)新思路，敏捷管理和敏捷開發(fā)倡導(dǎo)最小價值交付，內(nèi)涵在于通過不斷的迭代更新以提交滿足用戶故事的最小價值，規(guī)避開發(fā)風(fēng)險。

數(shù)字化建設(shè)是一項創(chuàng)新變革性工作，具備實施風(fēng)險高、實施內(nèi)容高度非標等特點，采用總體規(guī)劃、迭代實施策略可以有效控制項目實施風(fēng)險，保證投資收益。同時數(shù)字化轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的，不僅要求硬件和軟件層面上的配套升級，更要求管理理念思路上的顛覆性轉(zhuǎn)變，它不是一個簡單的結(jié)果表達，而是一個持續(xù)過程，企業(yè)需要堅定轉(zhuǎn)型的決心和目標，并通過有效的管控手段，充分借鑒深度融合的最佳實踐，進行持續(xù)性的建設(shè)、優(yōu)化和改善，從組織過程資產(chǎn)、信息隊伍建設(shè)、流程優(yōu)化和管理理念更新等多個維度進行全方位數(shù)字化賦能。

3.2 分布式管理模型

分布式存儲計算技術(shù)是云計算的前身應(yīng)用，從集中式系統(tǒng)逐步衍生而產(chǎn)生，主要包含分布式存儲、分布式計算等，它采取并行工作的機制，達到節(jié)約計算時間，提高整體效能的目的。主要包括Hadoop、Spark、Storm等主流系統(tǒng)。

數(shù)字化智慧園區(qū)作為各生產(chǎn)車間的統(tǒng)籌管理單位，應(yīng)更加關(guān)注云計算技術(shù)，同時關(guān)注各軟件系統(tǒng)的管理權(quán)限問題、網(wǎng)絡(luò)安全問題、分部節(jié)點問題等。從信息的保密性、完成性、可用性提高園區(qū)整體的網(wǎng)絡(luò)安全保障，對不同車間分配不同的監(jiān)、控權(quán)限?？梢圆捎肏MI 配置項權(quán)限授權(quán)或以車間為單位設(shè)計不同人機界面的兩種思路，達到分級管理的目的。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型場景介紹

基于某智慧園區(qū)綜合管理平臺的多車間、多業(yè)務(wù)協(xié)同精益管控項目中，依托園區(qū)數(shù)字化平臺與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成智能工廠全要素、全區(qū)域、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成和融合[2]，實現(xiàn)表示集成、數(shù)據(jù)集成、控制集成和業(yè)務(wù)流集成等，打造智能制造基地“物理園區(qū)”加“虛擬園區(qū)”雙重管理模型，實現(xiàn)全場景業(yè)務(wù)互聯(lián)。通過對園區(qū)各場景數(shù)據(jù)的收集、分析計算，針對產(chǎn)品合格率、達成率、設(shè)備運轉(zhuǎn)率、節(jié)能低碳率、綜合成本降低率、部件標準化率和產(chǎn)品運行故障率等數(shù)據(jù)實現(xiàn)精益生產(chǎn)管理、產(chǎn)品核心技術(shù)迭代，實現(xiàn)制造業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

該項目所在企業(yè)擁有私有化部署的云環(huán)境，項目軟件系統(tǒng)基于云PaaS 平臺進行開發(fā)，結(jié)合了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣層、IaaS、PaaS、SaaS 架構(gòu)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層架構(gòu)。最終確定整體框架如圖2所示。所有系統(tǒng)或模塊，采用企業(yè)內(nèi)部統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)架構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)從建設(shè)到部署的統(tǒng)籌。分析業(yè)務(wù)的需求后，形成業(yè)務(wù)分類應(yīng)用，包括MES、WMS、園區(qū)安全綜合管理、園區(qū)能碳管理、園區(qū)設(shè)備管理、園區(qū)實驗室管理和園區(qū)綜合決策指揮中心等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖2 智慧園區(qū)整體架構(gòu)示例

采用業(yè)務(wù)中臺和數(shù)據(jù)中臺支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用的系統(tǒng)功能化，業(yè)務(wù)中臺負責(zé)把各業(yè)務(wù)功能劃分為合理的微服務(wù)和組件，盡可能復(fù)用公共服務(wù)以減少重復(fù)建設(shè)；數(shù)據(jù)中臺負責(zé)實現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)整合，經(jīng)過數(shù)據(jù)中臺梳理的數(shù)據(jù)可有效在各功能服務(wù)間共享和實現(xiàn)公用算法數(shù)據(jù)和主數(shù)據(jù)的目的。

使用統(tǒng)一的技術(shù)平臺和大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)開發(fā)到部署的統(tǒng)一技術(shù)路線，并使用企業(yè)統(tǒng)一大數(shù)據(jù)平臺保證數(shù)據(jù)存儲的安全性和大數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析的能力。所有服務(wù)統(tǒng)一部署在企業(yè)PaaS 云平臺，保證安全漏洞防護和等保認證的統(tǒng)一性。邊緣側(cè)與端側(cè)有效對接，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)的數(shù)據(jù)鏈路安全和順暢，采用的云邊協(xié)同方案實現(xiàn)了云端對邊緣側(cè)的有效管理。

5 結(jié)束語

從企業(yè)資產(chǎn)管理的角度出發(fā)，信息化系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)遵循統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型統(tǒng)一框架結(jié)構(gòu)，有助于試點項目的實施和知識資產(chǎn)的積累，值得建立統(tǒng)一的轉(zhuǎn)型標準和企業(yè)規(guī)范，來對數(shù)字化轉(zhuǎn)型進行標準化、統(tǒng)一化管理。

信息化和工業(yè)化深度顯然融合是企業(yè)發(fā)展的方向，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型實踐中應(yīng)以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素，以價值為釋放核心，以數(shù)據(jù)賦能為主線，對產(chǎn)業(yè)鏈上下游的全要素進行升級和轉(zhuǎn)型再造[3]，同時注重隊伍建設(shè)和知識積累，推動企業(yè)數(shù)據(jù)資產(chǎn)主題庫、專題庫建設(shè)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源化、數(shù)據(jù)資產(chǎn)化、數(shù)據(jù)資本化。信息化建設(shè)項目實施路線需要秉承“總體規(guī)劃、分步實施、試點先行”策略，根據(jù)項目建設(shè)重點、緊迫性定義出項目實施路線、試點范圍及推廣路線。企業(yè)轉(zhuǎn)型應(yīng)朝著“互聯(lián)網(wǎng)+”“智慧+”“數(shù)據(jù)+”“服務(wù)+”方向發(fā)展，并關(guān)注IT 治理和信息安全工作。