内刊访谈

[特别策划] 工业互联网发展的十年周期律

发表时间:2020-04-06 17:27:35

文/赵罡 肖文磊
 

  赵罡:北京航空航天大学副书记、教授

  肖文磊:北京航空航天大学机械工程及自动化学院副教授

 

  提话:工业互联网不是被发明的,而是互联网嫁接而来的,所以要理解工业互联网,就需要从工业和互联网两方面来理解。由于十年周期律的影响,今天的工业互联网是由十年前的互联网技术发展所决定的。

 

  从计算机发明开始,制造业与IT技术的跟随就遵循了十年周期律:在IT行业引发的某一项大革命,几乎都会在10年后引发制造业的小革命。今天我们看到的制造业智能化,无论是我们将之称为工业4.0,抑或是工业互联网,也都在默默遵循这一规律。其核心无非是在工业领域如何将机器变成智能终端,再把这些智能终端连成网络,从而实现10年前IT互联网领域智能手机革命的异曲同工之效。

 

  从智能制造开始谈起
 

  工业互联网的概念是伴随着智能制造的发展而兴起的。事实上,工业互联网也只是智能制造的浪潮在国内外(尤其是国内)掀起来以后,产生的众多概念之一。所以,要深入理解工业互联网的概念,就不得不从智能制造的发展历史说起。

  智能制造的概念,在德国人工智能研究中心在2012年发布的一个著名报告《Industry 4.0: From Smart Factories to Smart Products》里出现之后,国内外逐渐掀起对其的研究热潮。自此,赛博物理系统(CPS)、工业互联网、工业物联网、工业大数据、3D打印、VR/AR、人工智能、云制造、数字孪生、区块链、工业5G等概念如雨后春笋般产生,层出不穷,有虚有实,互相交错,令人应接不暇,难窥其深意。
 


图1 工业4.0的提出
 

  对比一下前三次工业革命:工业1.0是以蒸汽机的发明为标志而产生的;工业2.0是以电机的发明为标志而产生的;工业3.0是以自动化设备(数控机床、机器人等)的发明为标志而产生的。工业4.0却比较奇怪,很难认清是以发明何种事物为标志而产生的。首先,工业4.0的概念较前三次空前之多,而且许多概念都试图“一统天下”(例如,这两年比较火的“数字孪生”),但似乎都缺乏标志性的发明作为支撑;其次,工业4.0的很多概念几乎都在工业界没有落地或难以落地(工业自动化行业厂商在兜售的智能制造解决方案,其实几乎都还只是自动化方案),但是在研究学界却俨然已经实现,甚至开始制定行业标准;最后,工业4.0的许多概念与十几年前的计算机集成制造(CIMS)的概念难以相互区分,甚至有新概念试图包含/取代老概念的趋势。这些区别直接导致了工业4.0较前三次工业革命更难理解的后果。

  其实,我们冷静思考一下,工业4.0并没有创造什么新东西,所以难以形成什么标志性的发明,但它确实能够通过与IT技术的组合形成制造业新的希望。这个模糊的新希望与各种其他的概念混杂在一起,使其很难被正面定义或解释清楚。但是,这种不清楚其实却是在每一次工业革命进程中十分正常的存在。

  我曾经听说过一个有意思的故事,可以用来解释这一点:有人说,协作机器人是智能的,因为它一碰就会自动停下。乍一听,似乎有点道理,但仔细一想又感觉哪里不对,更不好解释为何不对?直到另一个人说,电梯是智能的,因为它一碰就会自动停下。此言一出,所有人都会心一笑。自自动电梯发明以来,我们从来没认为它是智能的!这个故事其实很像一个古老的寓言——盲人摸象。肚子大的就是大象,结果猪不答应了;腿粗的就是大象,结果河马不答应了;一碰就停的就是智能机器人,结果电梯不答应了!是的,智能制造就是一头大象,而我们就是盲人,原因是我们正处于工业4.0的发展过程中,而这场革命并未结束。正如瓦特定义的是蒸汽机,而并没有定义工业1.0一样,我们也不应该试图去定义每一个新概念。与其说这些由智能制造衍生出来的新名词是一些新的概念,还不如说这些概念是一些新的方向。我们并不需要也不可能在一开始就看清楚新方向上所有的路线图,也不知道有些概念在未来是进一步发展还是被淘汰。这些概念的优胜劣汰的过程有时是漫长的,我们需要耐住寂寞,而不应当在刚提出一个概念时就开始“狂欢”。只要我们脚踏实地,大胆假设,小心求证,不断地解决新的问题,最终就可以到达智能制造的终点。
 


图2 对智能机器人的辩证思考
 

  所以,我们对于工业互联网的理解同样应该是基于问题而不是基于概念的。本文并不试图去解释清楚什么是工业互联网的定义,而是深入阐明工业互联网需要解决的智能制造的问题是什么。

 

  十年周期律
 

  20世纪末期,在计算机技术的爆发伊始,就产生了著名的“摩尔定理”:每18个月计算机的性能提高一倍,价格降低一倍。凭借IT技术几何级发展的优势,它迅速占据了高科技产业的技术发展最高维。这种高维的优势对其他行业也产生了巨大的冲击。在这种冲击下,很多行业都难以坚守阵地,进而使得IT行业的精英们能够在不同领域不断创造奇迹。

  下面这张图讲述了8年前(也就是智能制造方兴未艾之时)的一个IT行业的总结:在短短20年之间,电子书、录像机、笔记本电脑、移动电话、传呼机、照相机、手表、随声听,都被智能手机取代了。在IT行业大举进攻的浪潮中,一系列声名赫赫的传统大企业,如乐凯、诺基亚、索尼等都在不经意间被瞬间打败。如果说20世纪的后20年是PC技术逐渐走向前台的辉煌历史,那么在21世纪的头20年就是吹响IT技术降维打击号角的残酷战场。
 


图3 IT技术降维打击下的产业革命
 

  奇怪的是,制造业却能够在这个“血腥”的狂潮中坚守住阵地,不但屹立不倒,反而能够不断汲取IT技术的营养,和谐共存。西门子、ABB等百年老店不但不被淘汰,反而能在智能制造新浪潮中引领风骚,FANUC、倍福等后来者也能在与PC技术和IT技术的融合过程中发展壮大。我们见证过苹果做手机、特斯拉做汽车、小米做电视等奇迹,但从来没见过哪个IT大佬直接降维做数控机床、工业机器人、自动化产线的。究其原因:首先,得益于其第二产业特性,制造业能够获得足够的喘息时间;其次,这个宝贵的时间差又使得制造业能够不断从IT技术的发展中汲取营养,不断增强自身;最后,由于机器与人的需求具有天然的区别,使得IT技术往往需要特性化改造才能稳定应用于工业现场。这就是为何我们往往需要在某一项工业自动化技术之前必须加上“工业”两个字的原因(工业计算机、工业以太网、工业互联网等)。

  从1942年计算机的发明开始,制造业与IT技术的跟随时间差几乎都固定在10年左右,从而催生了制造业的十年周期律:在IT行业引发的某一项大革命,几乎都会在十年后引发制造业的小革命。下面梳理一下重要的工控技术跟随发展历史,来说明这个十年滞后周期律:

  1942年,世界上第一台电子计算机“Atanasoff-Berry Computer(ABC)”在美国爱荷华州立大学被发明出来。1952年,美国帕森斯公司在麻省理工学院(MIT)伺服机构研究室的协助下,试制成功了第一台可进行仿形加工的数控机床。

  1946年,世界上第一台可编程的通用计算机“ENIAC”出现。1955年,人们开始用G代码对加工零件进行编程。三年后,人们开始开发世界上第一个CAD软件系统。

  1975年,乔布斯和沃兹尼亚克发明了世界上第一台个人电脑(PC)。1986年左右,工业界开始推出基于PC的设备控制器。

  需要指出的是,在这之后的很长一段时间内,工控行业一直存在着PC和NC的争论。NC派(保守派)认为工业控制器的稳定性和实时性是面向办公室桌面应用的PC机所无法比拟的。PC派(激进派)则认为,PC机的强大功能和性价比具有绝对优势。在两方争论下,发展出各种解决方案:

  (1) NC+PC:在NC单板机上插入PC模块,代表产品:日本FANUC的0数控系统;

  (2) PC+NC:在PC机上嵌入NC控制模块,代表产品:Delta Tau公司的PMAC控制卡;

  (3) IPC:工业级纯PC架构,代表产品:德国倍福公司的TwinCAT。

  这些解决方案到今天还在某些方面有应用,工业控制技术也在这种理念对撞中不断发展。到今天为止,尽管相关的争论还没有完全得出定论,但是工控技术发展却悄然进入到了另一个阶段:与IT技术的融合。在这一阶段中,工控技术又往往在保守派的一次又一次的失败中,不断涅槃重生,得到蓬勃的发展,从而孕育出当前工业互联网和智能制造的美好前景。在这个进程中,十年滞后周期律又开始发挥作用了:

  1980年初串口开始在PC机上出现,初期是为了连接外设以及实现两台计算机之间的互联。几乎同时,德国BOSCH公司为了连接汽车上的传感器,发明了CAN总线。十年后的1990年代,以串口为基础发展而来的RS232/422/485和CAN总线也成为了工业控制连接外设(电机、传感器)的主流总线。这两种总线其实代表了PC派和NC派的典型观点:串口来源于PC理念,通用且价格低廉,但是实时性、可靠性和灵活性差;CAN总线来源于NC理念,实时性、可靠性和灵活性都较高,但是专用且价格更为昂贵。

  1995年以后,随着PC机操作系统的发展成熟(标志性产品Win95、Win98),以太网技术开始普及,进而得到蓬勃的发展。十年后的2005年,工程师们突然发现以太网技术已经发展到足够稳定和便宜,只要少量改变以太网的物理硬件,修改通信层协议,以及嫁接工业总线的应用层协议,就可以综合利用PC理念和NC理念的各自优点。从此以后,实时的工业以太网应用开始在工业中普及。迄今为止,工控行业主流的现场总线都是基于工业以太网实现的(ProfiNet、EtherCAT、Powerlink等)。

  尽管如此,对稳定性和实时性近乎严苛的需求使得工控技术对IT技术的跟随永远保持着谨慎的冷静。当PC机上Win10是主流时,工业操作系统的主流是Win7;当PC机的CPU开始采用多核时,工业计算机的CPU还是奔4;当IT的标准网速是千兆时,工业以太网还在使用百兆。

  终于,我们可以谈到本文的正题了,那么工业互联网是什么呢?为什么需要它,又如何理解它呢?其实,与其他技术一样,工业互联网同样逃不过十年周期律,我们可以先抛开各种繁杂的定义,从以下两点来理解:

  第一,工业互联网不是被发明的,而是互联网嫁接而来,所以要理解工业互联网,就需要从工业和互联网两方面来理解;

  第二,由于十年周期律的影响,今天的工业互联网是由十年前的互联网技术发展所决定的。

 

  十年前的互联网
 

  如上所述,如果我们看不明白今天的工业互联网,就需要回顾到十年前的互联网。十年前,2010年以前的互联网发生了什么大事?2007年,苹果手机诞生;紧接着2008年Andriod系统也发布了。从此以后,互联网生态发生了巨大的变化。人们开始不用QQ改用微信,各种APP盛行其道,甚至游戏界的主战场都从桌游转成了手游。互联网服务器端也发生了巨大的变革。静态网页迅速变得过时,宣传模式由浏览变成了推送,一切皆服务(XaaS)的理念开始盛行。我们亲切地送给引发这些IT技术革命的iPhone和Andriod手机一个好听的名字“智能手机”,这是因为无时无刻不在的智能手机俨然已成了人们智力的拓展,更为重要的是人类的日常智力活动首次形成了自动关联服务的能力。为此,我们非常清楚也丝毫不怀疑“智能手机是智能的”这一定义。

  何为智能?我们可以简单地解释,智能就是能够自主提出需求或者响应需求。在我们使用地图APP导航,使用外卖APP叫餐,使用出行APP叫车的时候,不自觉的智能手机就把我们的需求发出去了(尽管他并不知道答案)。有了需求的发出,就必然有需求的响应,即服务。需求的海量暴增使得解耦的软件框架和智能的算法受到越来越热烈的追捧,进而催化了XaaS和AI技术的发展。简而言之,XaaS就是为了解决原来强耦合的宏系统能力不足的难题,转而变成了“你提供你的服务,我提供我的服务”的松耦合合作模式;AI就是为了解决原来服务端对人力(脑力)过度依赖的问题,而采取全部或部分取代人的策略。


智能手机与非智能机床的比较

  然而,回到智能制造(如前所述),我们却充满了迷惑:为何智能手机是智能的,而数控机床却不是智能的?为了回答这一问题,我们需要理解一下智能手机带来的启发:“所谓智能,就是把智能终端连成网络”。互联网的作用是连起来,但是如果缺乏智能终端的支持,也不能构成智能化的网络。因为,没有智能终端的网络是一个缺乏需求也就缺乏服务的网络,这种情况就如同十多年前的互联网世界一般。苹果手机对诺基亚手机的革命就在于此。那么,为什么数控机床不是智能的?因为它不是智能终端!尽管软硬件水平得到了提升,但其智能水平至多相当于十多年前诺基亚的水平。这个时候,如果我们生搬硬套互联网新模式,往往会有摸不着头脑的感觉,尽管能够解决智能制造的一些边缘问题,但是难以突破到智能制造的核心关键,从而容易坠入“画虎类犬”的境地。

 

  工业互联网的实施关键
 

  有了前面的基础,我们基本理解了,工业互联网的本质其实就是想嫁接互联网十年前智能化革命的红利,从而引发制造业的智能化革命。但是,如在工业自动化领域耕耘的无数前辈一样,我们在怀揣着这个美好的愿望的同时,要注意以下两个关键问题:

  (1) 工业互联网确实要复制互联网技术的红利,但是它复制的不是现在的互联网热点,而是十年前的互联网热点;

  (2) 工业互联网同样需要考虑工业的特殊需求,从而才能在保持工业特点的同时融合互联网的优点,而不是简单的被互联网降维技术吞噬。

  从第一个关键问题出发,我们发现工业互联网(或智能制造)当前最迫切需要解决的问题就是智能终端问题。我们现在的数控机床、工业机器人还远谈不上智能,还处于简单的动作执行层面。即使有些先进的自动化设备已经具备了一定的自适应决策能力,其仍然不具备提出需求和响应需求的能力。为了实现这一目的,就必须智能化升级自动装备和控制系统。所谓的智能化,主要指的并不是在控制程序中加入“人工智能”,也不是“自适应控制”算法,而是赋予机器能够自主提出需求并服务需求的能力。很显然,当前的工业控制系统的主要任务在于实现对物理器件的控制,并不关注这样的功能,而且在很长的一段时间内都很难改变现状。为此,数字孪生软件的作用就可以理解了:一方面实时连接工业控制器,另一方面为控制器补充了一个提出需求和服务需求的智能代理。在此基础之上,就有可能实现“把智能终端连成网络”的目标。一旦实现了这一框架,必然催生出大量的需求-服务场景,从而再现互联网前十年间的辉煌。

  从第二个关键问题出发,我们又必须关注工业互联网与互联网的区别。在工业PC和工业以太网的历史上,工业这两个字往往代表了实时和稳定。工业互联网是不是在延续这个故事呢?其实不然。在设备内部为了达到控制的要求,必须满足实时性和稳定性。但是我们不应该把这样的诉求照搬到工业互联网中,因为工业互联网已经开始关注到设备间的通信问题了。简单来说,互联网与工业互联网的主要区别在于:互联网主要解决的是人与人的联通问题,而工业互联网不但需要解决人与人的问题,还需要解决人与机器、机器与机器的联通问题。这种新型的联通网络,将会提供大量的需求-服务场景,从而赋予机器一定的决策能力,实现智能制造的终极目标:取代或减轻人的脑力劳动。自工业革命以来,我们从来就是把机器当做无生命力的事物看待,机器一直在忠实而生硬地执行人的指令。在一个机器与人可以平等对话的智能化网络中,我们会突然发现机器的加入会给我们人类熟知的社交网络带来不一样的诉求。不但人可以指挥机器,机器也可以“指挥”机器,机器甚至可以“指挥”人。工业互联网在这个模式下,除了必须具备的新的服务业务外,还将必然面临着沟通、协同、安全等新的挑战和难题。