面對全球化的市場競爭格局和互聯(lián)網(wǎng)消費文化的興起,制造業(yè)企業(yè)不僅需要對產(chǎn)品、生產(chǎn)技術甚至業(yè)務模式進行創(chuàng)新,并以客戶和市場需求來推動生產(chǎn),而且需要提升企業(yè)的業(yè)務經(jīng)營和生產(chǎn)管理水平,優(yōu)化生產(chǎn)運營,提高效率和績效,降低成本,保障可持續(xù)性發(fā)展,以應對日新月異的市場變革,包括對大規(guī)模小批量個性定制化生產(chǎn)的需求。
在這種環(huán)境下,智能制造成為企業(yè)必不可少的應對策略和手段。制造生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字化與信息化,以及在其基礎上對生產(chǎn)制造進行進一步的優(yōu)化升級,則是實現(xiàn)智能制造的必由之路。
美德技術架構,殊途同歸大一統(tǒng)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造或數(shù)字化制造中是什么一個關系,能起怎樣一個作用呢?要探索這些問題,那可以從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同盟跟工業(yè)4.0平臺的合作來說起。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC,Industrial Internet Consortium)是美國數(shù)家大企業(yè)發(fā)起成立,為實現(xiàn)可信賴的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)作為使命,對系統(tǒng)和設備進行安全性連接和控制,以實現(xiàn)轉型成效。
IIC著重于跨領域的合作,以期打破技術壁壘,促進物理世界和數(shù)字世界的廣范融合。它所涵蓋的領域包括了制造業(yè)、能源、交通、運輸在內(nèi)的重要工業(yè)垂直領域,甚至也包括醫(yī)療保健還有公共設施等等領域。為此,IIC發(fā)布了具有跨越工業(yè)垂直領域適用性的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(IIRA,Industrial Internet Reference Architecture) ,作為它的第一個技術報告。
“工業(yè)4.0平臺” 是德國在2013年4月舉行的漢諾威通信和信息技術博覽會上正式推出的新工業(yè)戰(zhàn)略計劃。
其目的是充分利用信息通信技術和信息物理系統(tǒng), 促進制造業(yè)向智能化轉型。德國工業(yè)4.0平臺,也制訂了的工業(yè)4.0參考構架模型(RAMI 4.0, Reference Architecture Model Industrie 4.0 )。
在市場上,這兩個機構都是具有國際影響力的組織,在2015年底,這兩個組織的代表進行雙邊磋商,開始探討這兩個組織怎么樣合作,特別是怎么從對方的角度去理解技術問題,探索兩個架構工作的潛在協(xié)調(diào),也為了減少市場上由于上述的兩個參考架構同時存在所引起的混亂。
其實,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0平臺起源背景是相通的,也就是如何把互聯(lián)網(wǎng)的計算和通訊技術應用于各個產(chǎn)業(yè),對產(chǎn)業(yè)的運營實現(xiàn)優(yōu)化。但在實施方面,他們各有側重,如下圖所示 。
德國工業(yè)4.0平臺著力于推動制造智能化;IIC所著重的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),涉及的領域比較廣,強調(diào)是跨領域的互操作性。顯然,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這個理念也適用于制造業(yè),然而德國工業(yè)4.0的架構,更深入地探討制造業(yè)的具體的技術框架問題。
圖1 IIC與I4.0
圖片來源:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟
簡單地說,工業(yè)4.0強調(diào)怎么去建立一個系統(tǒng),系統(tǒng)中不同的環(huán)節(jié)之間怎么交互執(zhí)行,以完成生產(chǎn)過程。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則強調(diào)在這個系統(tǒng)中,怎么優(yōu)化,以達到最大的績效。
很明顯,這里首先有一個互操作性的問題。
比如說我們有一些大型裝備,由廠商制造,交付和部署后開始運營。這些裝備在基于工業(yè)4.0的制造系統(tǒng)內(nèi)出廠,而且整個制造過程中所牽涉到的不僅僅是一個制造商,可能也是成十上百個制造商,一起參與共同制造出來。當這些設備部署完以后,可以通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術進行優(yōu)化運營。對設備的維護保養(yǎng)和績效優(yōu)化,需要廠商的專門技術,反過來,廠商也需要得到設備的使用和維保數(shù)據(jù),為設計和制造過程提煉反饋信息。也就是說基于IIRA的運營系統(tǒng)需要與基于RAMI4.0的制造系統(tǒng),連接融合,讓數(shù)據(jù)和信息互流,也就是需要兩個系統(tǒng)之間的交互操作。
但是,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)4.0智能制造之間的關系是否就停留在這個互操作性層面呢?
優(yōu)化,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心
讓我們先回顧一下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心理念是什么。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以看作互聯(lián)網(wǎng)計算和通訊技術,在工業(yè)系統(tǒng)更廣泛更深入的應用,也就是我們通常所說的,信息通訊技術和生產(chǎn)運營技術的兩化融合,把實體、信息、業(yè)務流程和人員連接起來,通過數(shù)據(jù)分析,優(yōu)化決策,推動生產(chǎn)和運營的智能化,高度優(yōu)化對裝備和資源的使用,從而創(chuàng)造新的經(jīng)濟成效和社會價值。
把設備連接起來,收集數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析,洞察設備的運行狀況,并據(jù)此對設備的運維進行優(yōu)化,實現(xiàn)經(jīng)濟價值的實例,在過去的幾年已報道的已很多,大家也已非常熟悉。
作為典型案例,以下僅列幾例,進一步說明優(yōu)化作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心這樣一個思路。
☆ 一家國際石油公司通過對部署在偏遠地點的關鍵設備收集數(shù)據(jù),實施遠程監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析,避免數(shù)百萬美元的停機和生產(chǎn)損失 。
☆ 通過對風力發(fā)電機多年收集的數(shù)據(jù)進行分析和建模,通用電氣(GE)在2013年推出了一種名為PowerUp的數(shù)字分析功能 ,優(yōu)化每個葉片的操作,以捕獲更大的風力,可以增大發(fā)電量5% ,為風電場運營商增加利潤達20%。 而進一步的改進,使得同樣設備的發(fā)電量更進一步增加了20%。
☆ 卡特彼勒(Caterpillar)利用貨船部署的傳感器監(jiān)測從發(fā)電機到發(fā)動機、GPS、空調(diào)系統(tǒng)、冷藏集裝箱和燃油表的所有狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過分析確定發(fā)電機最佳工作參數(shù),選取啟用多臺發(fā)電機低功率輸出的模式,降低能耗,每小時節(jié)省約30美元。對于一個擁有50條船只的船隊,每年可節(jié)省65萬美元 。
顯然,對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),對設備的連接是基礎,數(shù)據(jù)收集和分析是關鍵手段,而把分析所得的信息,用于做出最佳化的決策,優(yōu)化生產(chǎn)和運營是最終的目的。所以,數(shù)據(jù)分析在這個優(yōu)化過程里,至關重要。
數(shù)據(jù)分析,智能和優(yōu)化的驅(qū)動力
數(shù)據(jù)分析,包括大數(shù)據(jù)分析,在傳統(tǒng)的商務行業(yè),如金融,保險,市場分析,特別是在電子商務中,已有多年的應用和實踐,在消費者市場的營銷中已成了必不可缺的技術。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的興起和發(fā)展,工業(yè)分析(或工業(yè)大數(shù)據(jù)),是數(shù)據(jù)分析在工業(yè)產(chǎn)業(yè)的應用。一些先進分析算法,如機器學習、深度學習和AI,在工業(yè)環(huán)境里的應用,具有加速發(fā)展之勢。
去年年底,德國的數(shù)字分析協(xié)會,和物聯(lián)網(wǎng)分析機構,聯(lián)合發(fā)布一個對工業(yè)數(shù)據(jù)分析的調(diào)查報告(INDUSTRIAL ANALYTICS 2016/2017,IoT Analytics GmbH) 。調(diào)查的結果表明,對于被訪的151位職業(yè)分析家和工業(yè)企業(yè)決策者,大多數(shù)都清晰地認識到工業(yè)數(shù)據(jù)分析的重要性。
工業(yè)分析,在未來的5年內(nèi)對企業(yè)業(yè)務極為重要
同時,他們認為,設備的預測性維護是工業(yè)分析最重要的應用,甚至超于有關客戶市場的分析。工業(yè)數(shù)據(jù)分析對產(chǎn)品使用和維護支持的應用也名排前列。
接近60%的被訪者也認為,工業(yè)數(shù)據(jù)分析對產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管和生產(chǎn)流程的自動化十分重要。也就是說,行業(yè)里已充分地認識到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個核心應用,也就是設備數(shù)據(jù)分析對運營優(yōu)化的重要性。
其實,這也不奇怪,對很多產(chǎn)業(yè)企業(yè)來講,已投產(chǎn)的裝備代表了他們的運營中最重要的、占比最大的、也是創(chuàng)造價值的關鍵資源,因此對其進行優(yōu)化的重要性毋庸置疑。通俗地說,如果把海量的工業(yè)數(shù)據(jù)比作的原油,那么數(shù)據(jù)分析可以作煉油設施,從數(shù)據(jù)中提練出有價值的信息,作為驅(qū)動智能制造的高效燃料, 為最佳決策提供確切和及時的依據(jù),使整個制造過程更透明、更優(yōu)化和更柔化,更能滿足大規(guī)模個性化制造的需要。
信息化的三種優(yōu)化角度
其實,利用計算和通訊技術,優(yōu)化生產(chǎn)操作和流程,如果從數(shù)字化控制開始算,也有了四、五十年的時間了,而對生產(chǎn)的業(yè)務管理的數(shù)字化,也有三十年左右的歷史了。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以看作制造業(yè)數(shù)字化或信息化發(fā)展過程的一個新的階段。
粗略地看,我們可以把目前通過信息化對制造業(yè)進行優(yōu)化的過程分為三個方面:
1、對制造流程數(shù)字化的完善和深化,主要的流程包括以企業(yè)資源計劃 (ERP)為首的業(yè)務管理流程以及產(chǎn)品生命周期管理(PLM)這兩個流程。
2、利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術,實現(xiàn)或擴大對生產(chǎn)設備和產(chǎn)品的連接,無論是在生產(chǎn)過程,或是在物流過程,還是在產(chǎn)品的使用過程,收集數(shù)據(jù),通過工業(yè)數(shù)據(jù)分析,進一步優(yōu)化制造業(yè)的生產(chǎn)和運營。
3、信息物理系統(tǒng)(CPS,Cyber-Physical Systems)的發(fā)展,把計算和通訊技術,在最小的單元組件中,與物理感應和效應深度地融合在一起,實現(xiàn)虛擬與物理空間交互映射,將計算、通信、和控制融為一體,為設備自動化控制提供了嶄新的能力。
這三個方面的發(fā)展是相互關聯(lián),并相互支持與推動的,在后續(xù)的章節(jié)中,我們將特別針對于這三個方面展開討論。
(審核編輯: 林靜)
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