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                    《張江科技評論》

                    開博時間:2019-06-06 14:03:00

                    《張江科技評論》是由上??茖W技術出版社與上海市張江高科技園區管理委員聯合創辦的一本科技評論類雜志。該刊報道評價國內外創新性科學技術的發展趨勢及其商業價值,介紹上海在建設全球領先科創中心進程中的制度成果、技術成果、創業成果,推動產學研密切協作,促進科技成果轉化,服務經濟轉型發展。

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                    工業互聯網賦能經濟高質量發展

                    2020-10-14 20:19:00

                      新基建正在驅動各行業數字化和智能化升級。作為新型基礎設施的關鍵組成,工業互聯網將在加速工業技術改革創新、推動產業數字化轉型、釋放經濟發展新動能等方面發揮重要作用。

                      工業互聯網的內涵

                      工業互聯網是互聯網經濟發展的下半場,是制造業高質量發展的重要途徑。因制造業規模全球第一、互聯網經濟全球第二,中國的工業互聯網天賦異稟,自然而然成為數字經濟發展的重要信息基礎設施。工業互聯網作為新一代信息技術與制造業深度融合的產物,本質上是基于跨越三元世界的全面互聯網絡,以制造系統為核心,以數字孿生為載體,以數據為紐帶,以平臺和應用為抓手,實現人、機、物深度融合的智能化發展模式,形成全要素深度互聯、全產業鏈高效協同、全價值鏈融合優化的新型工業生產制造和創新服務體系,總體實現制造業的“質造”和“智造”轉型升級(見圖1)。

                    智造系統

                      企業實施工業互聯網項目的核心訴求可以歸納為提質、增效、降本、減存和健康安全環保(HSE)可持續發展,任何不深刻思考企業核心訴求的建設項目都是不負責的,而工業互聯網在很多方面可以切實幫助企業實現上述目標。在提質方面,企業可以通過基于數字孿生的設計仿真、基于人工智能的質量檢測、基于大數據智能的工藝優化和基于產業鏈協同的質量追溯等技術創新為企業產品提質;在增效方面,企業可以采用基于5G和工業標識解析等的網絡化協同、基于自動化和智能化技術的智能化生產等模式創新實現企業制造過程增效;在降本和減存方面,企業可以采用基于大數據的銷售預測驅動生產排程,可以通過在線新經濟實現制造企業的個性化定制和客戶的動態交互,可以通過產業鏈協同和智能倉儲管理持續優化庫存水平;在HSE可持續發展方面,企業可以基于工業領域知識和大數據智能的預測性運維實現智能運維、基于各種無人系統實現智能巡檢、基于綠色制造技術的“靜脈”等經濟創新提高生產過程中資源的綜合利用水平,幫助企業改善HSE管理水平。

                      企業開展工業互聯網應用創新的切入點

                      隨著萬物互聯、人機物深度融合的智能化時代的來臨,各種模式創新、業務創新、科技創新層出不窮,工業互聯網成為中國企業數字化轉型升級的歷史機遇。企業開展工業互聯網應用創新可以考慮從設備端、生產端和工廠端三個方面進行切入(見圖2)。

                    切入點

                      ●設備端的工業互聯網創新

                      從設備端切入,企業包括對外和對內兩種場景。對內的場景主要針對企業生產過程中用到的各種設備的自動化、智能化提升,它不但可以幫助企業提升生產速度,還可以通過健康管理和運行優化,避免故障風險,提高設備能效,最大化設備綜合效率(OEE)。例如,前幾年很多企業實施的機器人換人戰略,就是企業從設備端切入工業互聯網創新的重要實踐。對外的場景則是企業通過對產品的智能化升級,提升對用戶需求的感知和對產品的服務化延伸。例如,徐工、三一、中聯重科等企業通過對自身產品的智能化升級,提升產品的遠程監管和預測性運維能力,并在此基礎上開展新型融資租賃和分潤的服務模式創新。

                      ●生產端的工業互聯網創新

                      從生產端切入,企業開始關注基于數字孿生的智能化產線建設,以制造執行系統(MES)為核心的各種生產系統開始互聯互通,企業資源計劃(ERP)系統源源不斷地把客戶訂單信息推送給MES,MES自動完成排產后指揮整條產線開始生產過程,同時指揮倉儲管理系統(WMS)通過無人小車送來所需要的各種原材料。在整個生產過程中,集散控制系統(DCS)實時感知產線的生產數據,并將其準確地反饋給MES。例如,海爾公司通過實現柔性生產,能讓50多種型號的“私人訂制”的洗衣機產品同時開工,有條不紊地進行產品的自動化生產。

                      ●工廠端的工業互聯網創新

                      從工廠端切入,企業會更加關注面向產業鏈和價值鏈整合的網絡化協同、個性化定制和在線新經濟,通過提升與產業鏈上下游企業的協同能力,提升資源的最優配置和效益的最大化。例如中微匯鏈科技(上海)有限公司的半導體生態鏈平臺,將區塊鏈應用于泛半導體行業全球協同與質量追溯,基于智能合約,實現交易流程全程跟蹤、同步,變更高效傳達,節省溝通環節。該平臺借助區塊鏈的共識機制,實現質量追溯,對設備、原材料、產品等實現全程質量跟蹤、追溯、防篡改,避免責任推諉,減少合同糾紛,避免經濟損失。更重要的是,該平臺可以幫助整合半導體行業上游供應商資源和下游客戶資源,實現企業與企業之間的供應鏈協同效應,讓企業從單打獨斗走向產業協同,從而增強整體競爭力。海爾中央空調產品通過開展產品個性化定制應用創新,提升用戶訂制的比例將近100%,定制產品生產出來后不用入庫直送客戶,可以將訂單周期縮短一半。阿里巴巴集團依靠自己強大的電商平臺,主動嫁接制造企業,形成一種“電商+制造業”的“工廠電商”模式:一頭連接著消費者,了解用戶的深層需求,提升消費品質;一頭連接著優質代工企業,全生命周期管理產品的設計、生產、質檢和物流的品質。2017年,阿里1688批發平臺上誕生一筆1.06億元超級大訂單,它由2 000個SKU(庫存量單位)、170頁子類目組成,僅分單、拆單、對單的工作量都超乎想象。但是,連接中國一半以上制造企業的阿里1688批發平臺,僅用1天就完成了數字化拆分,將訂單分派到不計其數的企業。當前,可以看到越來越多的企業開始擁抱在線新經濟。

                      工業互聯網發展過程中的重要趨勢

                      工業互聯網最早于2012年由美國通用電氣公司提出,經過近8年的培育發展,中國的工業互聯網不但繼承了工業化、信息化兩化融合的基因,而且通過創新發展,逐步形成了推動中國經濟數字化轉型和智能化提升的重要體系。當前,中國的工業互聯網正呈現出數字孿生、智能化和質量型等典型特征(見圖3)。

                    典型特征

                      ●數字孿生

                      數字孿生(Digital twin)是指采用數字化方式映射一個物理對象,通過模擬物理對象在物理世界中的行為,實現其整個行為過程的數字化。其中,物理對象既可以是一臺設備、一個產品,也可以是一條生產線、一個工廠,甚至是一個園區或一個城市。當物理對象執行各種行為時,通過傳感器和各種數據采集設備,在信息世界中基于物理對象的靜態數據和動態感知數據可以重構物理對象的數字模型,通過數據挖掘和知識發現方法,可以發現各種隱含在現象背后的知識和機理,并形成知識圖譜和機理模型,解決過去無法解決的問題或精準預測未來,持續改善物理對象的行為。

                      有了數字孿生,我們不但可以通過傳感器反映物理對象的狀態,通過模型優化的信息指導物理世界中的物理對象,還擁有了一個能夠穿梭物理世界的“時光機”,可以幫助相關領域專家透過各種物理現象去認知規律、獲取新的知識,并可以基于知識和數據進一步預測生產系統的運作情況或可能的故障原因。例如,上?;^公共管廊公司基于數字孿生打造智慧管廊綜合服務系統,實現基于大數據和移動計算技術的智能巡檢,將管道檢測效率提高了10%,將數百萬工時傷害率降低到0.8以下,項目成果獲2019年中國設備管理創新成果一等獎。由此可見,數字孿生既是一種工業互聯網建設的思想,也是一個指導各個層面開展工業互聯網創新實踐的方法論。

                      ●智能化

                      智能化一直是人類持之以恒的追求?;ヂ摼W的本質是在線連接,它通過消滅人類目前的信息不對稱和實現信息的低成本流動,完成了各種各樣的“互聯網+”的模式創新。工業互聯網的本質則是以數據要素實現人、機、物的全面在線連接,圍繞著萬物互聯環境中的各種制造系統生產活動,形成跨越三元世界自然流動的數據,通過狀態感知、實時分析、科學決策和準確執行過程,形成螺旋上升的智能提升循環,實現資源的最優配置。因此,站在工業互聯網的視角,智能化的本質就是基于工業系統的數字孿生,將數據、模型、應用三大要素在多個層次形成優化閉環,持續實現生產運營過程的提質增效和價值創造。在此過程中,數據是智能化的基礎,算法模型是優化的核心,應用是智能化的場景實現。

                      因此,在智能化時代,各種智能系統建設的主要目標就是打通、形成面向不同領域的智能環,通過圍繞自然流動的數據流訓練智能算法,基于數據和算法支持智能化場景,賦能資源優化配置和業務模式創新能力,形成各種智能系統。智能系統既可以是連接信息和物理世界的信息物理系統(CPS),也可能是連通物理世界、信息世界和人類社會的社會技術系統。在智能系統之上,隨著數據、算法和知識的積累,將會出現支持整個智能工廠持續卓越的數字“工廠大腦”,它可以站在整個企業產品、過程、資源、計劃等維度運籌帷幄,實現企業整體運作的智能化、資源配置的最優化和效益的最大化。

                      ●質量型

                      工業互聯網作為賦能經濟高質量發展的重要抓手,使命決定了其質量型發展的特點。從企業的視角來看,質量型對外不但意味著通過工業互聯網實現產業鏈整合、產品全生命周期追溯、提升產品的質量,還包括通過工業互聯網個性化定制、網絡化協同、服務化延伸等模式創新,讓客戶參與到產品的定義和運維服務中,不斷提升用戶的獲得感。例如:光明乳業通過實現致優牛奶和莫斯利安酸奶兩款產品的全生命周期一碼追溯,不但實現了質量和管控的雙提升,還提升了客戶對產品的滿意度和品牌的美譽度;中國商飛公司通過統一的協同研發平臺,實現了幾十家設計單位的網絡化協同設計,提高了飛機設計研發效率,同時,通過采集飛機適航過程的各種數據,提升飛機的運行維護能力和安全管理能力。對企業內部而言,質量型不僅包括利用工業互聯網的網絡、平臺、數據各種要素創新,實現產品生產制造過程的提質增效,還包括通過各種應用集成創新、智能化生產和工業大數據的應用創新,達到提質增效或提升企業HSE可持續發展的目的。例如,上海數道信息科技有限公司通過大數據智能技術,基于熱電聯供企業DCS、廠級監控信息系統(SIS)、管理信息系統(MIS)等系統中每天產生的上千萬條熱電聯供機組運行數據、客戶用熱數據和計量儀表數據,使用基于注意力機制的CNN+LSTM算法和多通道時序CNN算法,建立了需求預測模型、優化調節模型、異常識別模型等,幫助企業提高近10%的高壓蒸汽供應量,降低5%的供熱成本,達到節能減排的目標,提高客戶服務質量和熱能供應穩定性。

                      展望未來,工業互聯網將以數字孿生為基本思路、以智能化為核心訴求、以質量型為建設目標,全面推動中國經濟的高質量轉型升級和智能化創新發展。

                      寧德軍,教授級高級工程師,中國科學院高等研究院智慧城市研究中心主任。

                      文/寧德軍

                    本文來自《張江科技評論》

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