内刊访谈

[特别策划] 我国工业互联网发展面面观

发表时间:2020-04-06 16:48:47


文/吴澄 赵骥
 

  吴澄:中国工程院院士,清华大学教授

  赵骥:清华大学国家CIMS工程技术研究中心工程部主任,高级工程师

 

  提话:当前工业互联网较多关注于如何实现机器与机器的互联,对机器与人,特别是机器与业务流程之间的连接关注度不够。实际上,工业互联网要取得效益,需要十分清楚业务流程以及流程之间的连接。

 

  工业互联网是信息化和工业化融合的产物,是二者深度融合的重要标志之一,是今天我国产业界的一个热点。这是合乎世界产业、经济发展潮流的。发达国家后工业化的一个重要推手是工业互联网。德国工业4.0就明确其基础是基于互联网(基于互联网的物联网和服务网络)的CPS(信息物理融合系统)。美国更加明确指出:工业互联网是开放的、全球性的网络,将人、数据和机器连接起来,目的是升级关键的工业领域。值得强调的是人工智能技术进一步推动了工业互联网的发展。本文将就工业互联网成为产业热点的原因、特征、发挥的作用、注意的要点等几个方面做出探讨。

 

  工业互联网为什么成为当今产业界的热点
 

  亚当·斯密在《国富论》开篇就指明:劳动分工使人类生产力大幅提升,国民经济得以快速发展。互联网带来了信息流转与交换便捷化,社会劳动分工模式发生变化,推动社会发展效果明显。制造业对国家的重要性不言而喻,工业互联网会使“人与人、人与机”的分工更加科学精密,蕴含着制造业发展的巨大机会。

  发达国家对工业互联网是非常重视的。德国在工业4.0战略定位的基础上,2019年进一步提出“国家工业战略2030”发展战略,龙头企业西门子在其《愿景2020+》战略中将“数字化工业”作为未来重点方向,积极推动工业互联网布局。美国为解决以前“去工业化”所带来的“产业空心化”问题,希望利用工业互联网重塑制造业,美国企业GE、IBM等主导成立的工业互联网联盟(IIC),已有来自全球33个国家的260余家成员单位。日本、英国、法国、韩国、澳大利亚等国家都有相应的战略出台。

  我国各级政府一直在大力引导:制造强国发展战略《中国制造2025》把数字化、网络化、智能化作为主攻方向;国务院专门发布了《国务院关于积极推进互联网+行动的指导意见》(国发〔2015〕40号);中共十九大提出“大力推进互联网、大数据、人工智能与实体经济深度融合”等等。这既源于对信息科技推动产业发展的趋势洞察,也是我国国家和企业现阶段产业升级的现实需求。我国制造业、工业的发展正进入新阶段,这便是在资源、环境的严重制约下,需要有新的发展思路,从国家到企业都需要转型。即单纯从依靠要素(土地、资金、密集劳动力)转向知识和创新为基础的智能增长;从无限开发资源破坏环境的增长转向绿色经济和竞争力为基础的可持续增长;从低水平重复和依靠价格战、你死我活的恶性竞争转向增加就业和促进社会和谐为基础的包容性增长。简单地说,便是从单纯追求发展速度的高速增长转变到兼顾发展速度的高质量发展。这一点各级管理部门和企业家要有充分的认识和有效的执行力。

  工业互联网为制造业转型升级提供了成功的可能性。看看近20年来信息技术的大量成果,可以说,信息技术改变了工业,也改变了世界。例如,超级计算机的运算速度提高了20亿倍,普通计算机提高了近1000倍,芯片的密度提高了几万倍。互联网网速在上世纪80年代美国的带宽是20K,而今天是1000M,提高了5万倍,移动通信在80、90年代初是“大哥大”(模拟信号。为第一代,1G时代),而今天是从4G正进入5G时代。所有这些进步都是和工业、社会的应用密不可分的。制造业、未来工业、社会将上一个大的台阶,显然,新一代信息技术,包括互联网技术将起到核心的推动作用。这是信息科技发展和社会需求相互作用的必然结果。

  工业互联网是为了实现企业的升级。美国GE在最早定义工业互联网时就明确目的:升级关键的工业领域。对于我国,由于企业发展不平衡,既有传统产业的改造问题,也有新兴产业的发展问题。质量为先,也要速度。企业发展要在满足社会责任(环保、用工等)条件下实现T(时间)、Q(质量)、C(成本)、S(服务)目标,信息化特别是工业互联网可以起到重大的推动作用。

 

  工业互联网的几个要点
 

  互联网的本质在于连接,连接产生交换,交换产生价值。在人类社会历史上,凡是社会进步突飞猛进的时间点,都有大规模的文化交换、技术交换、货物交换、财富交换的节点。工业互联网的要点是互联互通互操作及安全,这些也是工业升级发展所面临的核心技术问题。

  工业互联网强调了三个连接:机器与机器、机器与人、机器与业务流程之间的连接,这里的机器当然多是指计算机以及嵌入了计算机的设备。机器与机器的连接通过标准数据协议交换信息;机器与人的连接从传统的计算机外部设备(Computer Peripheral)到自然语言理解,人的行为识别、VR、脑机接口等等,都是为了实现机器与人交换信息;机器与业务流程的连接是通过工作流(如各种工业活动、任务、工艺过程)交换信息。

  互联互通的重要性是不言而喻的。“要想富,先修路”,互联网是信息社会的路,而且是高速公路。企业的各种机器设备如果能够互联互通,那么机器设备的工作状态、上面的指令和各类数据都能够畅通地交换,这是保证生产正常、安全运行以至优化运行的基础条件,这也是物联网及边缘计算的重要内容。例如,在飞机装配车间,在工业互联网环境下,通过装配车间智能拧紧工具与中枢平台之间的互联及数据实时传输,将飞机架次、AO、序号、工位、定力值等信息集成到下发指令中,实现作业过程可处理、可追溯,不仅解决了效率提升、质量管控等当下问题,也为飞机制造精益化提供了数据基础。在快件的运送时,通过二维码连接到互联网上,就可以让用户随时查询快件的整个运送过程。如果医院的各种诊断设备能连到互联网,就可以实现实时远程诊断,以至指导实时手术。如果有灵巧的机器人配合,可以实现远程操作。这些都是以智能传感器、互联互通为基础的物联网(也是互联网)应用的例子。

  要实现信息的互联互通并不容易,难点在于异构。各种各样的机器设备由不同时期、不同行业的不同厂商提供,其信息交换的通信协议是不同的,这便是异构。而且设备开发的时间不同,造成协议的异构性更为复杂。互联互通需要标准。标准的制定当然不是简单的事情,不仅是技术问题,还涉及历史留下来的不少既成事实,以及各个厂商甚至各个国家的商业利益。这需要一个渐进的、不断协商和争论的过程。

  信息的互操作是更深一层的应用,特别是针对复杂工业产品的研发过程,需要不同知识、不同经验和不同领域的人员协同工作。传统的办法是把人集中到一起攻关。互联网创造了一个新的协同工作环境,让了解产品需求有丰富实践经验的工程师和有高深学科理论知识的专家在网上一起设计、优化产品。这种协同是通过网络化工作环境完成的,协同环境可以将各种设计、仿真、分析工具连接,例如,波音787飞机的研发就用到了8000多种软件工具。我国高铁的关键部件转向架也是在互操作环境下优化设计完成的。这样,工程师就能够在异地操作复杂软件,修改参数,通过数字仿真选择和优化参数,提高产品的性能。

  互操作的实现需要构建一个特定用途的分布式操作系统,建立基础框架,支持跨地域、跨行业的多种应用服务。应该具有跨用户端操作系统的能力:可以安装在Windows Unix, Linux等各种操作系统下,对于用户也没有任何限制。用户既能独立运行,又能集成运行,任何注册了的用户(包括工具系统)加入和退出都不影响其它用户(工具系统)的运行。

  工业互联网的另一个要点是安全性。传统的工业系统只关注自身的安全(safety),例如防止超过规定的温度、压力、液位等等。而对网络时代的“黑客”攻击(security)是少有考虑甚至不考虑的。世界上已经产生多起“黑客”攻击工业大系统因而造成严重后果的例子。这是我们必须认真对待的。工业系统的安全性涉及“云、网、端”多个方面的问题,除了共性的网络安全问题之外,工业装备作为“端”,特别是工业控制系统自身的保安问题是一个挑战性且又必须解决的问题。

 

  工业互联网将带来什么?
 

  工业互联网需要工业技术OT(Operational Technology)和IT(Information Technology)的深度融合,其价值在于实现优化:优化制造过程、优化企业经营管理、优化生产资源配置、优化产品全生命周期管理、优化服务与客户体验等等。

  工业互联网将“机器、软件、人”连接起来,优化企业运营,降本增效。当然,这是一个渐进的过程。

  例如,对于某飞机制造企业,工业互联网将互联主体“机器、物料、产品、工装、软件、人”各要素全连接,以智能传感网络为基础,形成“工厂大脑”,延伸乃至创造价值。

  工厂大脑是以工厂为场景,以数据、算力与算法为依托,借助机器智能的支持和补充,使传统的人的决策和治理将更加优化、更加科学,进行工厂问题解决与运作管控。通过“工厂大脑”,实现全域认知、全局协同和全线智能:

       l 全域认知:即基于智能感知和工业互联网,实时接入工厂全量多源多维数据(人员、设备、工装、工刀量具、物料、产品、环境),实现生产全连接全透明,对生产过程异常早期预警,通过多维数据协同提供优化意见。

  l 全局协同:即实现整个制造过程的全要素全生命周期追溯,通过对生产计划、人员工时、设备产能、工装状态等因素的关联和分析,制定全局最优(生产、装配、MRO、供应链)策略,快速优化生产计划和现场调度,提升生产效率。

  l 全线智能:即提供各种场景下的实时预警预测、问题智能定位、辅助决策等能力。

  对于危险性强的特殊工业现场,通过工业互联网,基于VR技术,打造透明车间,实现虚实深度融合,真实的车间生产场景远程再现,可实时进行交互。可以识别人脸、动作、场景以及状态,追踪人员轨迹,进行效能分析。

  对于复杂产品设计,通过工业互联网,可以实现远程设计与实时验证应用,搭建网络化协同设计优化平台,实现主机厂与其他协同设计单位、人员之间远程异地协同设计,并通过云平台将数模实时传输至外场,通过增强现实(AR)进行验证反馈,提升设计制造协同效率,缩短制造周期。

  对于高铁等影响国计民生的重大设备,通过工业互联网和智能感知,能提前全面感知全国路网运行的列车健康状况,防患于未然。

  对于工程机械类企业,工业互联网应用改变了企业的运营模式,工程机械购买者由原来按时间节点分期付款,变为按照开机时长付款,既促进厂商销售,又减轻购买者负担。

  对于中小企业,工业互联网应用会使融资发生变化,比如贷款,以前必须要抵押物,但对于有的业态和小的企业,不可能有抵押。但是企业数据可以说明一切,有了工业互联网,连接产生的各种数据,可以勾画出业务运营是健康的还是不健康的,作为是否贷款的判据。

  无论对于什么行业,基于工业互联网的工业APP,可以将工业产品及相关技术过程中的知识、最佳实践及技术诀窍封装成APP,实现对设计、生产、实验、使用、保障、交易、服务等过程的轻量化、便捷化服务。

  工业互联网会引起传统企业体系的变革与新模式的形成 (虚拟企业、动态联盟),例如海尔的“平台主、小微主与创客”模式,通过工业互联网,这三类人都是竞单上岗,按单聚散;顺丰的伙伴计划,通过工业互联网实现了全国几十万员工由和公司之间的雇佣关系变成伙伴关系。

 

  智能时代的工业互联网——知识性工作自动化
 

  互联网、大数据、人工智能以及区块链等各种新技术不是孤立的,而是相辅相成的。重要的是面向问题综合应用相关技术,以得到一个尽量好的求解。面向智能时代的工业互联网,需要特别重视的是“知识性工作自动化”——我们已经从传统的自动化(以机器代替人的体力劳动为主的自动化)进入智能自动化,不仅进一步解放双手,而且要尽量地代替人的脑力劳动。

  传统的工业企业自动化大多为解决3D(危险、肮脏、重复)作业岗位的人员体力替代。直觉和创新,是基于人类的经历和本能的一种思维形式,以前被认为是机器做不到的,但目前人工智能的发展使这一看法有了改变。例如,Alpha Go就具有了类似人类的直觉和创新行为,Alpha Go许多步棋的走法(有些是决胜性的),是人类有围棋历史3000年来不曾下过的。

  机器学习用于自然语言理解、图像识别等成果已经超过人类的水平。例如,一个标准的测试:Imagenet,将100万张图片(训练数据)分为1000个类别,用机器学习算法分类(152层深度神经网络),准确度超过人类。这大大有助于实现计算机与人之间的连接。

  又如,最近Google的Duplex(对话人工智能)完成了预约领域的“图灵测试”(如果一台机器能与人类开展对话,通过电传设备而不被识别出身份,那么这台机器就具有智能)。

  这些成果在工业系统、服务系统运行中会逐步取代人,以至无人值守。

  “知识性工作自动化”应用于社会、经济、工业、生活的范围会越来越广。进入智能自动化已经为期不远。

  斯坦福一位教授的统计结果,美国注册在案的720种职业中,将有47%被人工智能取代。英国IPPR智库估计,在未来几十年里,英国将有44%的岗位实现自动化。例如一个人工智能虚拟助理,可以完成以往500名初级律师的工作。

  这类案例,在工业系统,无论是操作性工种还是文职类工种都有许多对应的应用场景。

  需要说明的是:人工智能和互联网的应用淘汰的是落后生产力,但会涉及众多的从业者,这需要政府及早制定相应的政策,未雨绸缪。

  从战略上看,新技术的应用是不用担心的,反而是人类进步。例如,上世纪50年代计算机开始应用时,遭到工会的反对,认为这将造成工人失业。但实践证明,计算机创造了更多的就业机会,如“漪涟效应”,影响不断扩散。

  实际上,工业系统的智能应用也同样适用于企业生产。例如,企业的生产计划安排是个复杂的管理问题,是企业业务治理问题。企业要在许多不确定条件下(如订单变动、原材料变动、机器故障、人员缺勤等等)如何安排生产,使产值、质量、成本、能耗、物耗、排污、合同完成率、关键设备利用率等各种指标(目标)都在希望范围之内。而有些目标还是冲突的,如产值与能耗、排污等等。人们希望企业运作能协调地照顾到方方面面,得到一个最优解。

  同样的智能算法,也可以用于社会治理,比如政府的发展治理需要兼顾的方方面面:GDP增长、基础设施、环境、民生、物价、就业等等。

  以往主要凭经验(如企业的生产调度会)进行生产调度,从管理科学的角度讲,这是一个不确定的多目标优化调度问题,即:

  (1)极大/极小:某几个目标(往往有些目标是冲突的)

  (2)满足:各种各样的约束(环境及对象的静态、动态的约束)

  (3)求:控制/决策集使目标为最优(或次优)

  迄今为止,智能优化是唯一可行的科学求解方法,通过基于大数据分析(网络是基础)的各种学习算法,建立各种目标的智能预报模型,然后求解下一步的决策,在多个企业的复杂生产过程的应用证明其是成功的。

 

  工业互联网及其平台
 

  工业互联网涉及人、机器、软件、产品、原料、工装夹具等等工业全要素间的连接,连接枢纽至关重要。这个枢纽就是工业互联网平台。通过工业互联网平台,可以实现工业资源的有效配置,形成上下游多方参与、合作共赢,使数字化、网络化、智能化真正转变为企业利润增长点,促进传统产业转型升级,为制造强国建设提供新动能,因此工业互联网平台成为全球竞争的新热点。

  国际上许多大企业皆发力于此,建设了自己的工业互联网平台,如GE、西门子、ABB、施耐德等等。在这一领域,我国与发达国家水平接近,航天科工、三一重工、海尔、华为、阿里等等都开发了各自的工业互联网平台,各有千秋。工业互联网平台数量快速增长,有一定行业区域影响力的平台超过50家,总数达到200多家。平台之间竞争激烈,目前尚无工业互联网平台业务盈利。

  虽然工业互联网平台热闹异常,浮华背后,关于工业互联的根本性问题往往被掩盖起来了。虽然有平台,但企业上云、设备上云存在障碍,其中既有技术问题,也存在利益问题。

  其一,连接问题。按照传统机器之间连接模式,需要5000种以上的各种通信协议连接,显然标准化是必然之选,OPC UA、DDS、MTConnect、MQTT都是国际标准化组织推荐的可选标准。这其中有大量的具体工作要做,还有很长的路。

  其二,利益问题。由于并无强的利益诱导,上云企业积极性不高,且有诸多顾虑。

  面对平台诸侯割据,面对技术鸿沟,面对商业利益分割,政府可以发挥独特的作用。

 

  我国发展工业互联网需要关注的几个问题
 

  (1) 实施工业互联网的目的是企业升级、产业升级,提高劳动生产率(人均)、提高发展质量,这是我国当前经济发展的主要任务。我国制造业大而不强,明显表现是企业人均产值一般只是国外同类企业的1/2到1/3。人均不高是我国发展质量不高的主要表现,而高质量发展的集中体现就是人均提高。工业互联网是有力的使能技术,但是技术的使用不能忘了初心:高质量发展,提高人均产值。

  (2)当前工业互联网较多关注于如何实现机器与机器的互联,对机器与人,特别是机器与业务流程之间的连接关注度不够。实际上,工业互联网要取得效益,需要十分清楚业务流程以及流程之间的连接。目前,单一供方的垂直系统连接问题基本能解决,若要满足全局性业务流转,必须实现广泛连接,即要让不同供方的孤立系统数据开放,使得这些封闭的组件和子系统之间能够互联互通互操作,这就需要解决标准问题,也需要经过验证的、高可靠的、高性能的、大规模的跨垂直行业的连接技术。

  (3)工业互联网平台应避免追求“大而全”,从面向行业(特别是细分行业)做起是更为可行的。

  (4)国外工业系统只考虑safety, 基本不考虑security。在网络化时代,把工业系统的安全问题(云、网、端)全交给云、网是不够的,应该关注工业控制端(控制装备)的security。

 

  后记
 

  100多年前,清政府首位驻外公使郭嵩焘在英国看到了闻所未闻、见所未见的机器,感触很深。他在《使西记程》中赞叹:“一部机器兼四十人之力,而神速复倍之。”这是中国人首次见识第一次工业革命。如今,我们与西方共同站在第四次工业革命的起跑线上,相信我们这次不会错失工业互联网助力中国跨入世界强国行列的机会。