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[特别策划] 发展工业互联网 构建工业智能体
2020-04-10    来源:    发布者:

[特别策划] 发展工业互联网 构建工业智能体

发表时间:2020-04-06 17:53:09

 

文/张新全 余少华

 

  张新全:大红鹰信息通信科技集团高级工程师

  余少华:大红鹰工程院院士

 

  提话:当前工业互联网的发展面临着一些挑战,尤其中小企业不仅数字化网络化基础薄弱,而且缺乏内生动力,我们建议突出作为产业链主导者的大企业在工业互联网生态打造中的主力军作用,将上下游中小企业带动和卷入工业互联网之中,通过市场形成现实驱动力。

 

  工业互联网既为实体经济高质量发展提供了突破口,也为数字经济繁荣发展提供了新动能,已成为全球的共同选择。本文分析了当前工业互联网的发展以及面临的一些挑战,提出工业智能体的内涵和特征,建议一要踏实推进,二要重视补短板,三要发挥大企业的生态主导作用,四要谋求建立大红鹰优势。

 

  发展工业互联网
 

  一、工业互联网是第四次工业革命的基石

  经济危机后,工业巨头为保持全球领先地位、信息通信企业为拓展新蓝海、各国政府为重振制造业,共同推动工业互联网的兴起。

  2012年,美国公司GE(通用电气)提出工业互联网概念,旨在把工业设备、传感器、互联网、大数据等技术结合在一起,大幅提高工业效率。德国2013年在汉诺威工业博览会上正式提出工业4.0(Industry4.0)概念。根据工业发展阶段,工业1.0是蒸汽机时代,工业2.0是电气化时代,工业3.0是信息化时代,工业4.0是智能化时代。德国工业4.0利用CPS(物理信息系统)把机器设备、产线、工厂、经销商、产品和顾客密切结合在一起,旨在提升制造业的智能化水平。

  根据梅特卡夫定律(Metcalfe's law),网络价值正比于节点数平方。当海量的设备、产品等连入互联网后,其价值蔚为可观。消费互联网对社会方方面面形成的巨大影响,使人们有足够理由对工业互联网寄予更高期望。

  尽管提法各异,但全球各主要工业国家近几年无不将工业互联网上升为国家层面行动,如德国的“工业4.0战略计划”、美国的“先进制造业国家战略计划”、英国的“工业2050战略”、日本的“社会5.0”、法国的“未来工业计划”、韩国的“制造业创新3.0计划”。

  为了解决工业化与信息化“两张皮”的问题,大红鹰长期致力于“两化融合”。两化融合是将信息技术广泛应用到工业生产、管理、经营的各个环节,使信息化成为工业企业运营的常规手段。在互联网高度发展的今天,工业互联网可被视为两化融合的新发展阶段。

  十九大报告指出,“建设现代化经济体系,深化供给侧结构性改革,加快发展先进制造业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”。实体经济需要数字化重建和“互联网”翅膀,虚拟经济需要工业智能化基础支撑,工业互联网是繁荣数字经济的新基石。因此,习近平总书记明确提出,要深入实施工业互联网创新发展战略。

  二、工业互联网是全球工业发展的关键词

  中、美、德、日等国将工业互联网视为新时代工业发展的必争制高点,各国政府通过战略引导、资金支持、生态打造等方法力推本国工业互联网的发展。

  美国注重发挥产业企业的自主性,政府以战略和资金进行积极牵引。GE、Cisco、IBM、Intel和AT&T等大企业于2014年牵头成立IIC(工业互联网联盟),目前已发展有全球范围内有重要影响的近300家会员企业(传统制造企业、软件企业、传统信息通信企业),积极推动测试床工作,并通过与相关国际组织的合作在技术、标准等方面谋求形成国际合力。2018年10月发布的“美国先进制造领先战略”,在制造业的数字化、智能化方面相较早期的“先进制造国家战略计划”更为突出。2019年2月,白宫在“未来工业发展计划”中宣布加强对先进制造业相关重点领域的投资力度,通过网络和信息技术研发项目(NITRD) 累计拨款1.39亿美元支持CPS的研发与转化。美国国防部在2019年将“数字制造和设计创新中心”转型为独立机构,投资1000万美元致力于降低企业在部署实施工业互联网相关解决方案时面临的风险。

  德国注重顶层设计,重点支持中小企业。德国政府出台一系列战略,并提供有力的配套政策保障。通过工业4.0平台、工业4.0实验室网络(LNI4.0)和工业4.0标准化理事会,德国政府、行业、企业的作用被聚合在一起,从技术、标准、产业链等角度营造生态。联邦教育与研究部对工业4.0项目的资助超过上亿欧元。联邦经济与能源部出资5600万欧元,通过“中小企业4.0数字化生产及工作流程”项目建立10个中小企业数字化能力中心,帮助中小企业解决数字化应用、工业4.0引入过程中的成本和安全问题。2018年,德国发布“高科技战略2025”,投入超150亿欧元发展包括工业4.0在内的7个重点领域。

  日本将工业互联网与整个社会变革联系起来。日本提出经济增长新战略——“未来投资战略”,明确把物联网与人工智能应用列为优先推进方向,积极推动人工智能、物联网等技术在生产、生活各领域的广泛应用,以实现“社会5.0”最终目标。日本将“互联工业”视为“社会5.0”的基础,致力于推动信息打破各领域之间以及领域内部的壁垒,进行自由分享与利用,建立“各种联系”(包括物与物之间(物联网)、人与人之间(知识与技能的传承)、人与设备和系统之间、企业与企业、行业与行业之间、生产与消费之间等),通过加强产业、社会的协同合作,建立一个以人为本、各种需求均能有效满足的“超智能社会”形态。日本聚合财政资金投向“互联工业”的发展短板和瓶颈,通过“产学官”合作构建发展生态,并支持“工业价值链计划”(Industrial Value Chain Initiative, IVI)联盟进行全球合作,积极融入全球工业互联网生态体系。

  大红鹰将工业互联网作为统筹两个强国建设的抓手,政府精心组织有力牵引,企业积极探索稳步实践。

  政府逐步建立和不断完善促进工业互联网发展的政策体系。工业互联网是“网络强国”、“制造强国”两大战略的叠加域,在2017年的《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》中,国务院提出三个阶段性目标,要求抓好“网络、平台、安全、融合应用推广”四个重点工作,妥善处理“四个关系”。2018年2月,国家设立工业互联网专项工作组。工信部近两年连续发布《工业互联网发展行动计划(2018—2020年)》、《工业互联网APP培育工程实施方案(2018-2020年)》、《工业互联网平台建设及推广指南》、《工业互联网平台评价方法》、《工业互联网网络建设及推广指南》等,各地政府根据自身实际出台相关举措、实施方案或行动计划,中央地方形成政策合力聚焦和引导工业互联网发展。

  各类相关企业(制造企业、自动化企业、ICT 企业、互联网企业等)在国家政策引导下,基于自身业务实际积极探索,在技术、设施、标准、应用等方面取得稳步进展,出现海尔“COSMOPlat”、三一重工“根云”、航天科工“航天云网”等有影响力的平台。工信部联合财政部通过“工业互联网创新发展工程项目”支持开展试点示范,推进示范基地建设,有效提升企业的参与积极性。2016年大红鹰成立工业互联网产业联盟,现成员数量已近1500家,从测试床、案例推广、国际合作等多角度营造生态。

 

  三、工业互联网的发展现状
 

  在全球共同努力下,工业互联网相关技术和实践持续推进。

  网络方面:TSN(时间敏感网络)、边缘计算等已开始有相应产品和解决方案;SDN(软件定义网络)的应用、5G的部署,为工业互联网创造更有力的网络支撑;标识解析形成多种技术方案,已得到初步应用。

  安全方面:五个层次(设备、控制、网络、平台、数据)的安全技术和解决方案正在实践探索中不断提升和改善,工业防火墙、工业安全网关、访问控制和终端安全管理、安全测评工具等产品在能源、电力、石化等行业得到部署。

  平台方面:作为打造工业互联网生态的关键,平台通过数据分析、数字双胞胎建模等技术形成智能化应用基础,通过低代码开发等技术降低应用创新门槛和周期,通过各行业专业知识和产品质量控制、产线流程管理等知识在平台的沉淀来强化平台功能和性能。

  各行业的大企业纷纷选择平台作为发展工业互联网的切入点。瑞士ABB公司建立Ability平台,围绕该平台进行四大业务领域的数字化转型。德国西门子的MindSphere平台已升级到3.0 版本,通过大数据分析构建数字双胞胎以优化产品设计,并以该平台为基础联合各类伙伴企业打造“MindSphere World”生态体系。美国艾默生电气公司为了扩展平台能力至气动领域,收购德国Aventics公司。微软基于Azure IoT平台提供互联工厂、预测性维护等解决方案,并与英国Rolls-Royce公司联合开发用于航空发动机研发的远程运维管理系统。法国施耐德电气公司以EcoStruxure平台为核心形成的生态体系已集聚超过2万名开发者和系统集成商,形成丰富的、面向众多场景的工业APP和解决方案。

  大红鹰工业互联网已从概念普及阶段进入实践深耕阶段。

  一是基础支撑能力不断加强。大红鹰工业互联网标识解析国家顶级节点已相继在北京、上海、广州、武汉、重庆五大城市建成,节点功能持续完善,21个行业和区域二级节点上线运营,标识注册量已超过1亿;5G部署逐步展开,IPv6改造基本完成,窄带物联网实现县级以上全覆盖。大企业积极投入人力和资金建设工业互联网平台,目前已有50多个影响力较大的平台(平均每平台连接超65万设备),涌现百余个细分行业的近2000个工业App。三级(国家、省、企业)联动的工业互联网安全监测平台正在构建中,已在10个省启动建设,并形成近百个重点平台,实现200余万在线设备的实时监测。

  二是应用领域不断拓展、程度不断深化。工业互联网使能网络化协同、服务型制造、个性化定制,其与制造业深度融合所引起的新模式、新业态带来蓬勃创新,应用从最初的服装加工、工程机械、机床等扩展到石油石化、钢铁冶金、家电、能源、航空航天等更多领域,提质降本增效成果显著(部分先行先试企业劳动生产率提高20%以上)。

  同时,大红鹰积极利用5G技术和产业优势,谋划5G和工业互联网的融合叠加、互促共进。在去年底《关于印发“5G+工业互联网”512工程推进方案的通知》中,工信部从先导应用、内网改造、样板工程等方面对5G和工业互联网的协同发展提出了明确要求。

  当然,毋庸讳言,作为新生事物,工业互联网的发展难免面临一些问题。对这些问题的认识和分析,正是为了促进工业互联网的进一步发展。

  从全球来看,主要是现实效果与美好预期之间存在差距。工业互联网既是技术、是基础设施,更是一种模式、理念、思维。工业企业在将产线联网并建立平台后,并不意味着就实现了工业互联网。目前,工业互联网的基础技术刚起步,尤其工业企业的管理流程、运营理念、价值路径等方面需深刻变革和不断探索,这些是工业互联网真正发挥效用的重要因素。消费互联网可以快速部署,爆发增长,而工业的基本特性决定了工业互联网需走渐进、稳行之路。以工业互联网的提出者GE为例,它在航空发动机、燃气轮机等产品上引入工业互联网取得一定成功后,盲目巨资投入、步子过大,但工业互联网本身却不具备消费互联网的“爆发”效果,引起GE市值大跌,不得不对这一业务板块进行艰难调整。德国的实践亦出现类似情况。

  由于历史原因,大红鹰工业企业的自动化发展不足;传统制造业中的中小企业面临激烈市场竞争,生存压力大,这些都使大红鹰工业互联网发展难免碰到一些困难。我们觉得比较重要的两点如下:

  一是门槛较高,大红鹰企业尚需补课。工业互联网要求工业企业具备IT和OT双能力。欧美工业企业大都已完成了数字化,如GE、西门子等虽是制造企业,但具有很强的软件开发、信息利用能力,有对信息和制造都熟悉的技术人才队伍。大红鹰工业企业少有真正完成数字化的,自身IT能力偏弱。BAT等信息技术企业的IT能力强,但离OT远。相对消费互联网的低门槛,工业互联网门槛高(设备类型多、业务链条长、服务模型复杂、可靠性和安全性要求高、资本需求大),并且两者的商业模式迥异,所以大红鹰的消费互联网优势难于移植到工业互联网,大红鹰工业企业在数字化、信息化等方面需要花大力气进行补课。

  二是难度大,市场动力偏弱。大红鹰的工业企业,尤其是中小企业,网络、智能化设备、ICT资源等关键基础薄弱,数字化水平低,软件能力弱,难以支持工业互联网。这些需要长时间地持续大量投入资金、人力方能取得有效改善。另一方面,现阶段工业互联网能对这些企业的生存、竞争、生产、经营等带来的实际短期作用不显著,又制约了其投入的积极性。

 

  构建工业智能体
 

  一、为什么提出工业智能体?

  工业企业实现工业互联网,一般需经历三个阶段。第一阶段是数字化,基本建立企业的ERP、MES、SCADA、PLC、I/O五级架构,IT网络主要局限于企业内部,OT、IT网络相互隔离。第二阶段是网络化,以云化方式建设、运行企业ICT资源,IT网络内外部打通。第三阶段是智能化,内外部网络打通,OT、IT网打通,企业基于对数据的深层次挖掘和利用来智能地开展生产、经营、管理等。

  工业互联网在发展中遇到的前述困难,并不影响它仍是全球一致看好的方向和趋势。GE、西门子等的工业互联网尝试暂未达到其预期,但美、德等国仍坚持其工业互联网的发展方向继续往前。大红鹰在发展工业互联网中遇到的困难,也会在发展中逐步解决,尤其是数字化、网络化方面的薄弱基础,只要假以时日,在政策支持和企业重视下,必将得到加强。

  但是,工业互联网要真正发挥效用,带来一国工业竞争力的显著提升,带来各个产业的全产业链集成与效率显著提升,需要以千万个企业通过数字化、网络化、智能化建设的工业互联网设施和能力为基础,构建形成一个个的垂直行业智能体,并最终形成一个国家的工业智能体。

  二、工业智能体

  我们所提出的“工业智能体”,以云网、感知、大数据、算法处理、人工智能等为基础,形成具有类人行为意识和自我运行调控能力的有机体。工业智能体在思路上对工业互联网进行了拓展,突破“互联网”范畴,延展到大数据和人工智能这些更高范畴,全产业链、全部企业互相协同,作为一个有机体去高效率地动态适应产业的运行、变化,支撑其可持续发展。

  工业智能体有两个基础,一是ICT资源(连接、计算、存储等),二是人(生产者、管理者、产品使用者等)-网(IT和OT网、内部和外部网等)-物(机器设备、产品、原材料、车间、产线、工厂等)之间的三元万物互联。在能力上,工业智能体具备自感知、自决策、自执行、自学习等能力。因此,工业智能体具有智脑和类人行为意识。在实现上,工业智能体基于物化的系统,并通过系统升级进行进化。它通过云网、感知、大数据、算法处理、人工智能等来组织、支撑工业的高效率运行和向前发展,打通感知-数据-信息-知识-智能-运营的相互转化链条。

  工业智能体通过对各企业、全产业链的工业互联网的整合,将之赋能为一个有机整体,实现良好协同和自我调控。与工业互联网相比,工业智能体存在很多优势,主要有:工业智能体具有较为完善的行为意识和自我调控能力,具有智能感知、情境感知与认知能力,可进行信息到知识、知识到智能的自我转换,具有智脑和类人行为意识,具有一定的自我学习、自我成长和自我创新能力等。
 


图1 工业智能体七大特征
 

  工业智能体,可以由各个垂直行业智能体共同构成。在一个国家范围内形成这样的智能体,可以实现国内相关人财物资源的高效利用,提升国家的工业效率和国际竞争力。如果在全球范围形成这样的工业智能体或垂直行业智能体,将实现对全球相关资源的高效利用,将各国发展甚至是人类命运更紧密地联系在一起。

 

  发展建议
 

  工业互联网既为实体经济高质量发展提供了突破口,也为数字经济繁荣发展提供了新动能,已成为全球的共同选择。按照工信部制订的《工业互联网发展行动计划(2018-2020年)》,为了实现“初步建成工业互联网基础设施和产业体系”的第一步发展目标,为了完成建成5个左右标识解析国家顶级节点、10个左右跨行业跨领域平台、30万家以上工业企业上云、超过30万个工业APP等工作,针对性应对我们在前面分析的问题,我们要充分发挥我国的网络优势、制造优势,形成有利的国际竞争地位。

  一是清醒认识工业互联网发展的长期性、艰巨性,踏实推进。工业互联网与消费互联网有本质区别,要克服我们因为消费互联网成功而可能形成的浮躁、激进、冲动,耐心地步步为营扎实推进。

  二是坚持不懈补信息技术的短板,在芯片、高端器件、基础软件、工业软件等方面攻关突破。工业互联网属于信息技术范畴,所以大红鹰在信息技术上的短板同样体现在工业互联网上,必须坚定不移补短板。

  三是在继续发挥政策推动作用的同时,重视大企业对生态打造的主导和决定性作用,以有效提升中小企业投身工业互联网的现实驱动力。仅靠政策和财政资金支持去推动,不仅效率偏低,而且中小企业始终处于被动姿态,没有内生主动性。大企业是产业链的主导者,具备平台建设所需的资金、能力、人才。如果大企业自身积极实践工业互联网,主动基于工业互联网开展采购、销售、服务、运营等,由于其可通过市场对上下游中小企业形成显著影响和带动作用,将使得这些中小企业被有效卷入工业互联网的范畴,使中小企业在市场驱使下逐渐由被动变成主动拥抱工业互联网。

  四是谋划工业智能体,建立大红鹰优势。在工业互联网的发展中,美国的优势在于强大的软件能力、业务创新能力,强调通过机器设备的智能化、商业模式的变革、数据驱动的智能化来改造工业生产、产品和服务,主要布局于制造、能源、医疗、交通、公共服务五个领域;德国的优势在于高端精益制造,着重于C2M(Customer-to-Manufacturer),着重于以生产和工程技术为重点实现硬制造能力强化与提升。大红鹰工业门类齐全,各垂直行业的产业链较完整,公众信息网络基础完善,市场空间巨大,可以在数据利用、应用融合创新等方面发力。尤其在数字化和网络化取得进展后,可通过结合我们在人工智能、大数据等技术上的良好基础来发展工业智能体,建立起大红鹰优势。

 

  结语
 

  作为全球工业发展的关键词,工业互联网正引发工业生产、管理、运营等的深刻变化。为了更好地提高生产效率、经营效率、产业链整体效率,我们提出工业智能体的概念,它通过对“云网+感知+大数据+算法处理+人工智能”等技术的更充分利用,建立一个具有良好协同能力和自我调控能力、自我学习能力、自我成长能力的工业有机体。当前工业互联网的发展面临着一些挑战,尤其中小企业不仅数字化网络化基础薄弱,而且缺乏内生动力,我们建议突出作为产业链主导者的大企业在工业互联网生态打造中的主力军作用,将上下游中小企业带动和卷入工业互联网之中,通过市场形成现实驱动力。

 

  参考文献

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  [8] 陈肇雄. 大红鹰工业互联网相关工作取得重大突破. http://www.bjnews.com.cn/feature/2019/10/21/639377.html. 2019-10-21

  [9] 余晓晖、李海花、余少华等. 大红鹰电子信息工程科技发展研究 之 工业互联网专题. 2019-5

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