制造業(yè)在轉(zhuǎn)型：進(jìn)入一個(gè)全新的數(shù)字世界

作者 / 周萬木 IHS Markit工業(yè)自動(dòng)化組高級(jí)分析師(上海 200122)

周萬木，碩士，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制、新能源汽車、工業(yè)電子等。

摘要：以第四次工業(yè)革命為代表的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0正在發(fā)生，它是原有技術(shù)的大融合，盡管從技術(shù)角度看更像是演化而不是革命，但是從應(yīng)用和商業(yè)模式角度看，這些變化產(chǎn)生的影響卻可能是革命性的。 IT和OT的融合，是大勢(shì)所趨。但無論怎樣進(jìn)步，人是發(fā)展的最主要變量。

編者按：在2017年8月“IHS Markit領(lǐng)先技術(shù)報(bào)告論壇——中國(guó)站”上，IHS Markit高級(jí)分析師周萬木先生分析了題為“正在轉(zhuǎn)型的制造業(yè)：進(jìn)入一個(gè)全新的數(shù)字世界”。以下是周先生的演講內(nèi)容。

四次工業(yè)革命

　　制造業(yè)革命可以分成從1.0到4.0的四個(gè)階段，如圖1。

　　工業(yè)1.0：以蒸汽機(jī)為代表，從手工到機(jī)械化， 從小作坊到工廠概念的引入，代表性的行業(yè)是英國(guó)的紡織制造業(yè)。

　　工業(yè)2.0：從機(jī)械化到電氣化，以福特的T 型車量產(chǎn)為代表，標(biāo)志大規(guī)模制造的開始， 泰羅的勞動(dòng)分工得到運(yùn)用， 代表性的行業(yè)是汽車制造業(yè)。

　　工業(yè)3.0：從電氣化到自動(dòng)化與信息化的融合，自動(dòng)化代表性的產(chǎn)品是工業(yè)機(jī)器人和PLC(可編程邏輯控制器)等自動(dòng)化產(chǎn)品，信息化代表性的方案是ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)和MES(制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng))等。

　　工業(yè)4.0：代表性的概念是CPS(信息物理系統(tǒng))。不管是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0，都在探索未來的發(fā)展路徑，例如從大規(guī)模制造向大規(guī)模定制發(fā)展， 從集中式的制造向分布式制造發(fā)展，還有制造業(yè)的服務(wù)化等等。

　　我們不應(yīng)該被工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義所束縛，凱文.凱利曾說，屬于20年后最偉大的產(chǎn)品還沒有被發(fā)現(xiàn)。同樣，我們目前對(duì)工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的了解估計(jì)也不超過20年后真實(shí)的工業(yè)4.0的5%。

工業(yè)4.0 時(shí)代的特征

　　*更多更智能的傳感器被加裝到設(shè)備上。

　　*更緊密的連接：從工廠現(xiàn)場(chǎng)總線，工業(yè)以太網(wǎng)的連接，到工業(yè)云的連接。

　　*工業(yè)大數(shù)據(jù)：工業(yè)大數(shù)據(jù)比消費(fèi)大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，實(shí)時(shí)性和精確性要求更高。

　　*人機(jī)界面更加友好，更加人性化。很多消費(fèi)電子產(chǎn)品，諸如PAD(平板電腦)、智能手機(jī)和Google眼鏡等智能眼鏡在工廠得到應(yīng)用。

　　*人機(jī)協(xié)作：機(jī)器人從籠子里解放出來，與人一起協(xié)作。

　　前三次工業(yè)革命都是后來人總結(jié)的，而工業(yè)4.0是正在發(fā)生的現(xiàn)實(shí)。從技術(shù)上看，從3.0到4.0更像是進(jìn)化，而不是革命。因?yàn)樵O(shè)備更智能，連接更緊密，數(shù)據(jù)量更大，更加人性化，更加友好等，并沒有殺手級(jí)的應(yīng)用和顛覆性的技術(shù)?！爸痪壣碓诖松街小?，我們對(duì)正在發(fā)生的工業(yè)4.0革命只感受到量變沒感受到質(zhì)變是非常正常的。 工業(yè)3.0向工業(yè)4.0的進(jìn)化，雖然技術(shù)上只是原有技術(shù)的融合和演化，但20年后再回頭看實(shí)際效果，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)工業(yè)4.0是一場(chǎng)正在發(fā)生的革命。

　　我們?cè)賮肀容^一下傳統(tǒng)的工廠架構(gòu)和4.0時(shí)代的工廠架構(gòu)的區(qū)別(如圖2)。

　　1. 傳統(tǒng)自動(dòng)化工廠的架構(gòu)是金字塔架構(gòu);從底層傳感器、執(zhí)行器到各種設(shè)備，再到PLC、分布式控制系統(tǒng)器(DCS)與IPC(進(jìn)程間通信)，再上層是SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控控制)系統(tǒng)，最上層是工廠管理層，包括ERP和生產(chǎn)制造MES系統(tǒng)。

　　2. 簡(jiǎn)化來看，工業(yè)自動(dòng)化可以分為三層架構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制通訊層和工廠管理層，這種三層架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層和應(yīng)用層其實(shí)是類似的。在這個(gè)金字塔架構(gòu)中，各種器件通過PLC進(jìn)行控制， PLC再通過現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)，將信息和數(shù)據(jù)傳到云端。

　　目前，這樣的傳統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生變化。如圖3，第一個(gè)變化是傳統(tǒng)的金字塔架構(gòu)正在網(wǎng)絡(luò)化和云化，一些功能諸如SCADA已經(jīng)開始被集成到云端，這就是云計(jì)算在工業(yè)上的應(yīng)用。另外一個(gè)變化是邊緣計(jì)算，越來越多的終端設(shè)備具備更強(qiáng)的計(jì)算能力;一些開放的協(xié)議，諸如OPCUA和IO-LINK等也開始大量運(yùn)用。

　　再對(duì)比一下工業(yè)的工廠架構(gòu)從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0的變化：

　　1.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是：工業(yè)3.0時(shí)代，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層計(jì)算資源有限，主要的計(jì)算資源集中在控制器端和工廠管理端。而工業(yè)4.0時(shí)代采用分布式控制的嵌入式系統(tǒng)，CPS系統(tǒng)有了更多的智能計(jì)算資源和邊緣計(jì)算能力。

　　2.控制層：3.0時(shí)代，流程工業(yè)由中央集中控制型的SCADA控制，而不同設(shè)備有廠商專屬的通訊協(xié)議，設(shè)備之間有不同陣營(yíng)的通訊協(xié)議，設(shè)備之間、產(chǎn)線之間的互操作性很差;工業(yè)4.0時(shí)代有更加開放的總線協(xié)議，諸如OPC UA和IO-Link，支持實(shí)時(shí)、互操作性更強(qiáng)、更加安全的傳感器和云連接。

　　3.工廠管理: 3.0時(shí)代數(shù)據(jù)收集上來需要人再做判斷和決策，而4.0時(shí)代，數(shù)據(jù)收集上來后，因?yàn)樵O(shè)備和系統(tǒng)具備自適應(yīng)、自決策、自判斷等能力，人工智能可以對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷。工業(yè)3.0時(shí)代的IT和OT是分開的，很難連接的，設(shè)備之間是信息孤島，工序之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)有斷層。從投入方式來看，工業(yè)3.0主要是固定資產(chǎn)投入，工業(yè)4.0轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)營(yíng)投入。

　　IHS對(duì)于工業(yè)云和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在用戶端的使用情況作了一些調(diào)查，如圖4。

　　客戶最大的憂慮是網(wǎng)絡(luò)安全，客戶一定會(huì)問公司的生產(chǎn)制造等重要數(shù)據(jù)信息放在第三方會(huì)安全嗎?這里舉個(gè)可能不恰當(dāng)?shù)睦?，假設(shè)你有幾百萬的現(xiàn)金，是放在銀行更安全還是放在床底下，大多數(shù)人可能會(huì)選擇放在銀行而不是床底下。 如果說數(shù)字信息也是資產(chǎn)的話，這些數(shù)字信息可能放在第三方的權(quán)威機(jī)構(gòu)更加安全，而且正在出現(xiàn)的新技術(shù)手段，諸如區(qū)塊鏈、生物識(shí)別等也使工業(yè)云和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更加安全。

　　客戶擔(dān)心的第二個(gè)問題是新瓶裝舊酒。客戶會(huì)認(rèn)為所謂的工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和產(chǎn)品都是舊的，只是換了一個(gè)吸引眼球的新詞匯而已。廠商的目的只是換一種方式賣產(chǎn)品、賣設(shè)備、賣解決方案而已。 這樣的想法有一定道理，對(duì)于我們正在進(jìn)行的智能制造項(xiàng)目和所謂的示范工程我們的確需要三思而后行。

　　在進(jìn)行工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型升級(jí)這個(gè)問題上，主要面臨的問題是IT和OT部門缺乏溝通，缺乏管理層的領(lǐng)導(dǎo)。制造業(yè)轉(zhuǎn)型不僅是技術(shù)問題和工程問題，更是公司戰(zhàn)略問題，如果公司的戰(zhàn)略是客戶導(dǎo)向的，為用戶提供增值服務(wù)或者定制化的服務(wù)，那么工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)型必不可少。但如果公司的定位只是做標(biāo)準(zhǔn)元件，那么做好精益生產(chǎn)，提高自動(dòng)化水平在現(xiàn)階段就已經(jīng)足夠。如果公司的戰(zhàn)略是做高端的純手工產(chǎn)品，那么自動(dòng)化生產(chǎn)可能有損公司的市場(chǎng)戰(zhàn)略，并不值得做。所以實(shí)施工業(yè)4.0戰(zhàn)略需要公司領(lǐng)導(dǎo)層的參與。

　　從工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參與者來看，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈比較長(zhǎng)(如圖6)。這么長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)并不是一兩家大公司就玩得起的，需要行業(yè)上下游大大小小公司的參與。從上游的芯片廠商到自動(dòng)化產(chǎn)品廠商，再到OT廠商和IT廠商，每一家企業(yè)都能提供專門的知識(shí)和Know-how(訣竅)。 最近幾年的漢諾威工業(yè)展專門設(shè)置了數(shù)字工廠展廳，有很多IT和軟件企業(yè)參展，例如微軟、SAP、亞馬遜、PTC、Oracle等。 另外，客戶參與到上游的軟硬件甚至平臺(tái)運(yùn)營(yíng)中來也越來越多， 例如海爾就在打造自己的工業(yè)制造解決方案。

　　另外一個(gè)明顯的趨勢(shì)就是很多公司都想打造平臺(tái)，預(yù)計(jì)制造業(yè)也將像手機(jī)一樣誕生為制造業(yè)服務(wù)的的操作系統(tǒng)iOS和安卓(Android)。

　　目前宣稱自己正在打造工業(yè)云或者制造業(yè)的操作系統(tǒng)的公司很多，主要有以下幾種：

　　1.基礎(chǔ)設(shè)施的平臺(tái)，諸如微軟的Azure、 Amazon的AWS、阿里巴巴的阿里云，他們基本上是提供IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))服務(wù)的。

　　2.工業(yè)云平臺(tái)，主要做工業(yè)制造業(yè)的設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)、數(shù)據(jù)信息管理等，例如GE Predix和西門子MindShpere。國(guó)內(nèi)還有徐工工業(yè)云和三一根云。這些工業(yè)云平臺(tái)主要提供垂直行業(yè)的設(shè)備維護(hù)運(yùn)維等PaaS(平臺(tái)即服務(wù))服務(wù)。

　　3.物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)， 主要提供工具、SDK(軟件開發(fā)包)、API(應(yīng)用程序接口)等，可以幫助客戶建立自己的工業(yè)云，例如PTC Thingworx、機(jī)智云等。

　　第2種和第3種的界限比較模糊，例如西門子MindShpere既是工業(yè)云平臺(tái)，又是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

　　除了以上三類，其實(shí)還有一些底層算法平臺(tái)和技術(shù)平臺(tái)。

　　和手機(jī)行業(yè)一樣，平臺(tái)市場(chǎng)一定會(huì)整合，市場(chǎng)上容納不了這么多的平臺(tái)，但由于工業(yè)制造行業(yè)種類眾多，不同的細(xì)分行業(yè)一定會(huì)有一些細(xì)分的行業(yè)平臺(tái)。

　　西門子和GE兩家工業(yè)巨頭接近80%的業(yè)務(wù)都是直接競(jìng)爭(zhēng)的，工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這兩個(gè)概念在某種意義上也可以看作是兩大陣營(yíng)的競(jìng)爭(zhēng)，而在工業(yè)平臺(tái)方面同樣如此，西門子的MindSphere和GE的Predix都在與自己的小伙伴一起打造自己的生態(tài)系統(tǒng)(如圖8)，各自的合作伙伴包括電信巨頭、軟件巨頭、APP應(yīng)用開發(fā)商、自動(dòng)化企業(yè)和管理咨詢企業(yè)等。

　　微軟作為一家云服務(wù)商，既與西門子合作又和GE合作。對(duì)于GE和西門子，與微軟的合作，可以讓Predix和Mind Sphere在一個(gè)主流的云平臺(tái)上提供服務(wù)，微軟云平臺(tái)相當(dāng)于是GE和西門子的基礎(chǔ)設(shè)施，增加了一個(gè)分銷渠道，通過微軟Azure立刻就擁有了很大的企業(yè)軟件開發(fā)者社群和系統(tǒng)集成商。對(duì)于微軟，與GE Predix和西門子MindSphere合作也使微軟的Azure有了更多、更復(fù)雜的功能，使微軟擁有了更深的工業(yè)知識(shí)，微軟也能夠拓展自己的云平臺(tái)到工業(yè)制造領(lǐng)域，微軟正在打造的Azure IoT在將來也有可能影響工業(yè)云平臺(tái)的格局。

　　大型的高價(jià)值的設(shè)備既有一次性的資本性投入，又有設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用。例如半導(dǎo)體設(shè)備和液晶顯示生產(chǎn)設(shè)備，購(gòu)買設(shè)備的支出非常高，同時(shí)做overhaul(徹底檢查)的維護(hù)成本也非常高。制造業(yè)的商業(yè)模式正在從賣產(chǎn)品過渡到賣方案、賣服務(wù)。通過提供專業(yè)的服務(wù)，廠商和客戶的關(guān)系更加緊密。