工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的主要價值體現(xiàn)，我國應用潛力巨大

　　——訪中國工程院院士鄔賀銓

　　李健 王瑩 （《電子產(chǎn)品世界》，北京 100036）

　　摘要：不久前，“物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇暨北京兩化融合服務聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)平臺專業(yè)委員會成立大會”在京舉行，鄔賀銓院士分析了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術市場機會，指出我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)總體上處于起步階段，在物聯(lián)網(wǎng)的總產(chǎn)值中比例偏小，未來將有巨大的潛力。

　　1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場

　　1.1 物聯(lián)網(wǎng)的價值主要體現(xiàn)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　物聯(lián)網(wǎng)的價值主要體現(xiàn)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。麥肯錫的研究報告中指出，物聯(lián)網(wǎng)的價值中，70%在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。其中，“企業(yè)因用戶使用IoT而獲得的價值”占69%，“企業(yè)購買IoT及服務獲得的價值”占79%，“企業(yè)在工作場所裝備IoT產(chǎn)品”占到67%（如表1）。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠為辦公室、工廠、工場、零售等帶來價值。在表1中，為何家庭也有一定的占比？因為家庭里的部分傳感器信息是與企業(yè)相連、由企業(yè)進行診斷和維護的。

　　不過，中國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)的比例偏小。圖1是賽迪顧問的報告，預計2020年，中國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在整體物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中占比將達25%，規(guī)模將突破4500億；由此可見，我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的比例非常小，所以我國當前的發(fā)展是很慢的，有很大的增長潛力。

　　1.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的價值分配

　　據(jù)麥肯錫預計，2025年全球工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將創(chuàng)造3.9~11.1萬億美元的價值（如圖2），帶來的價值主要有三種：技術上的支出、物聯(lián)網(wǎng)用戶價值、消費者盈余（用戶獲得的價值）?？梢?，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的價值主要是由物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用戶獲得的。

　　在物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈中，人們通常認為硬件是主導，但實際上，軟件、服務和云才是主要支柱。據(jù)愛立信2016年的分析報告，感知層占25%，數(shù)據(jù)傳送層占10%，數(shù)據(jù)處理層占65%（注數(shù)據(jù)處理層又分為兩類：平臺服務占10%，軟件開發(fā)/系統(tǒng)集成/增值服務占55%）。麥肯錫于2015年6月的分析報告指出，軟件與服務占物聯(lián)網(wǎng)技術支出的60%~85%。具體地，物聯(lián)網(wǎng)整個價值鏈中，據(jù)麥肯錫對2015年IoT技術支出的價值分配統(tǒng)計表明，集成服務占20%~40%，軟件/應用開發(fā)占25%~35%，軟件設施占5%~20%，連接占0~10%，硬件占20%~30%（如表2）。

　　2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的潛在經(jīng)濟貢獻

　　在工廠中，物聯(lián)網(wǎng)能帶來什么貢獻？無論是樂觀還是保守估計，都認為最大的是運營優(yōu)化（如圖3），其次是預防維護，之后是庫存優(yōu)化，安全、勞動生產(chǎn)率等。麥肯錫預計在2025年工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在工廠帶來的經(jīng)濟貢獻將達到1.2~3.7萬億美元，其中主要是運營優(yōu)化和預防性維護環(huán)節(jié)；勞動生產(chǎn)率的提升與AR應用、監(jiān)控管理及組織設計有關。

　　2.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器

　　除了手機與汽車外，工業(yè)是傳感器應用最多的領域，未來還會成為傳感器的最重要應用領域之一。工業(yè)上使用的傳感器種類繁多，從傳感器種類來看，流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器占據(jù)最大的市場份額。

　　產(chǎn)業(yè)用傳感器的一大特點是品種多、批量少，呈現(xiàn)碎片化現(xiàn)象，因此缺乏規(guī)模效應，從而影響成本的快速下降。

　　2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的位置

　　工廠中的網(wǎng)絡有三層結構。最底層是DCS/FCS（分布式控制系統(tǒng)/現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）、PLC（可編程邏輯控制器）等，通過物聯(lián)網(wǎng)通信/傳感器協(xié)議進行控制。再往上，是把物聯(lián)網(wǎng)信息收集起來，形成工業(yè)以太網(wǎng)/時間敏感網(wǎng)絡（TSN）協(xié)議等。再上面是企業(yè)內(nèi)網(wǎng)（諸如工業(yè)以太網(wǎng)/TSN）或外網(wǎng)（Internet/4G/5G）IP協(xié)議等。

　　可見物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最底層的基礎，所有數(shù)據(jù)都依賴物聯(lián)網(wǎng)。另外很重要的一點是，僅僅是傳感器與設備連接起來是不夠的，如果不與外網(wǎng)聯(lián)系還是不行。麥肯錫認為，40%跨物聯(lián)網(wǎng)應用的潛在價值以及某些環(huán)境中將近60%的潛在價值需要運用互操作性。即如果物聯(lián)網(wǎng)不是對外連接、交互的，其價值是無法體現(xiàn)的。

　　2.3 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算的關系

　　市場調(diào)查公司IDC把邊緣計算看作是物聯(lián)網(wǎng)的基礎設施，與物聯(lián)網(wǎng)密切關聯(lián)。據(jù)IDC預測，未來將有超過50%的數(shù)據(jù)在邊緣側處理，到2020年邊緣計算支出將占物聯(lián)網(wǎng)基礎設施總支出18%，成本僅為單獨使用云計算的39%。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算是緊密聯(lián)系的。大企業(yè)往往自建云平臺，但越是大企業(yè)內(nèi)部層次越多，需要同時配備邊緣計算、本地緩存和過濾數(shù)據(jù)，提供實時響應，從而降低了到中心云的帶寬壓力，另外，數(shù)據(jù)就近處理也減少了敏感數(shù)據(jù)泄漏的風險。

　　中小企業(yè)可以接入到公有云，與其他企業(yè)通過VPN（虛擬專用網(wǎng)絡）方式共享第三方的云資源，節(jié)省投資與運維成本。但當企業(yè)與公有云間距離較遠時，還是需要企業(yè)自建邊緣計算平臺。

　　2.4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的標準

　　對于大企業(yè)，可使用非許可頻率的LoRa來建內(nèi)部物聯(lián)網(wǎng)。對于大量中小企業(yè)，自建物聯(lián)網(wǎng)不經(jīng)濟，NB-IoT為企業(yè)提供一個承載在公眾通信網(wǎng) 上 的 專 用 物 聯(lián)網(wǎng)。但NB-IoT傳感器是固定位置，且業(yè)務帶寬只有20和250 kbps，是窄帶的。

　　工業(yè)應用的工件、機器人及網(wǎng)聯(lián)車的傳感器是移動的，5G能支持傳感器移動及可與人對話的多種窄帶物聯(lián)網(wǎng)標準。

　　2.5 5G與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的連接

　　新工廠可以用光纖連起來，但老工廠布設光纖很麻煩，因此希望通過無線連接。Wi-Fi因穩(wěn)定性、擴展性、低速率、不適合強電子干擾等問題，在工業(yè)領域的利用率僅為4%，無法連接。

　　5G非常適應工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求。但工業(yè)5G主要是本地專網(wǎng)應用，未來希望有專用頻譜。ETSI（歐洲電信標準化協(xié)會）通過對企業(yè)調(diào)研，測算提出工廠內(nèi)網(wǎng)需要76MHz專用頻率。

　　5G主要有四種部署辦法。

　　?非公網(wǎng)（NPN）與公網(wǎng)（PN）隔離。工業(yè)5G主要是本地專網(wǎng)應用，工廠直接建無線基站，有專用的信道。

　　?NPN與PN共享無線接入網(wǎng)（RAN）。也可以是基站由無線運營商來建，控制部分是企業(yè)本身的。

　　?NPN與PN共享無線接入網(wǎng)（RAN）與控制面。甚至基站也不建在工廠里，通過控制信道連到運營商那里，把控制管理能力放在運營商那里。

　　?在PN內(nèi)部署NPN。即還可以把NPN全部放入PN，等于把工廠內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)放在一起。

　　可見，物聯(lián)網(wǎng)不是直接連接到5G的，要經(jīng)過工業(yè)的通信網(wǎng)絡。原來是現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)，現(xiàn)在是工業(yè)以太網(wǎng)，未來是時間敏感網(wǎng)絡（TSN），即物聯(lián)網(wǎng)通過TSN連接到5G網(wǎng)絡上。

　　2.6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺

　　因為需要信息收集和分析，就需要SaaS（軟件即服務）和PaaS（平臺即服務）平臺。SaaS需要公共軟件。過去大企業(yè)管理得好，其ERP（企業(yè)資源計劃）主要基于Excel表。傳統(tǒng)上，ERP Excel表做得很精細，可以把生產(chǎn)流程精確到分鐘。但缺點是一點小的流程變化也不得不開生產(chǎn)調(diào)度會，來調(diào)整Excel表。因為Excel是靜態(tài)的，所以調(diào)整起來很麻煩。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，需要公共軟件與物聯(lián)網(wǎng)連起來，利用AI、云計算等來動態(tài)調(diào)節(jié)Excel表。

　　3 AI與物聯(lián)網(wǎng)結合的應用案例

　　據(jù)統(tǒng)計，全世界工業(yè)數(shù)據(jù)目前的利用率只有1%。物聯(lián)網(wǎng)建立后，如果不能和大數(shù)據(jù)、AI結合，物聯(lián)網(wǎng)還是不完整的。以下有幾個利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和AI產(chǎn)生效益的案例。

　　3.1 在生產(chǎn)工藝優(yōu)化中應用

　　蘇州協(xié)鑫公司在全球光伏切片市場占有率達1/3），利用阿里開發(fā)的工業(yè)大腦，分析0.2 mm的硅片生產(chǎn)中上千個生產(chǎn)參數(shù)，找出60個關鍵參數(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)流程，良品率提升1%，每年可增加上億元利潤。

　　杭州中策公司年產(chǎn)5000多萬條輪胎，全球橡膠生產(chǎn)位列前三，每天從全球采購上千噸橡膠塊。引入阿里的工業(yè)大腦后，提升混煉膠平均合格率3%~5%，年增千萬元級的利潤。

　　3.2 在生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控中的應用

　　浦項鋼鐵公司通過使用AI涂層重量生產(chǎn)模型，精確控制連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線，實時預測涂層重量，將涂層重量偏差從人工控制的7 g/m2減少到0.5 g/m2。

　　普銳特公司與寶鋼合作，在1580熱軋機上的熱軋板卷寬度通常由粗軋機中的立式機架以及精軋機張力和壓下量的關系來控制，通過AI 實現(xiàn)精軋機動態(tài)寬度控制，消除或減少寬度偏差以提高成品率。

　　印度塔塔鋼鐵公司使用AI來發(fā)現(xiàn)汽車用帶鋼上的表面缺陷。

　　清華大學與英業(yè)達集團合作，發(fā)現(xiàn)PCB（印制板）故障近14%，每年效益近億元。

　　華星光電公司與騰訊合作，對面板海量圖片進行快速學習與訓練，建立高精度模型，實現(xiàn)機器自主質(zhì)檢，分類識別準確率88.9%，節(jié)省人力60%。

　　3.3 從機器人到智能機器人

　　現(xiàn)在有更多的企業(yè)采用了機器人，不過買回去后要自己編程。利用AI技術，可以實現(xiàn)自動編程。

　　對于多關節(jié)工業(yè)機器人，同一個操作可以有多個不同的運動軌跡方案，利用AI技術，通過比較可以得出最優(yōu)解。

　　AI技術融入機器人后，程序指令不再由人下達，而是由機器人系統(tǒng)自主完成編程并執(zhí)行。例如，沈陽新松公司開發(fā)智能焊接系統(tǒng)，首先感知工件并對其進行測量，自主生成程序，根據(jù)不同的焊接工藝調(diào)取不同的焊接技術。

　　3.4 5G+AR提高勞動生產(chǎn)率

　　通過戴上AR（增強現(xiàn)實）眼鏡，工人可以根據(jù)眼鏡上的提示信息裝配和維修設備，方法是通過5G連到云端，這樣可以實時得到云端/指揮中心的信息。這樣提高了生產(chǎn)效率，過去只有熟練工人才知道怎么做的工作，現(xiàn)在新手也可以做了。

　　3.5 預防性維護

　　數(shù)字雙胞胎(Digital Twin)借助安裝在物理對象上的傳感器數(shù)據(jù)和仿真手段來映射產(chǎn)品實時狀態(tài)、工作條件或位置，獲得物理對象的屬性及狀態(tài)的最新和準確的鏡像，可用于預防性維護。

　　據(jù)IDC預測，到2020年，全球2000強企業(yè)中的30%將利用數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力和企業(yè)生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)25%的收益率。例如，GE（通用電氣公司）將數(shù)字孿生技術用于風力發(fā)電管理，獲得20%效率提升。

　　3.6 物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈支持產(chǎn)品溯源

　　據(jù)世界經(jīng)濟論壇預計，到2025年全球GDP總量的10%將存儲匯聚在區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)中。應用案例有：美國高盛公司將利用區(qū)塊鏈技術消除額外成本，在2020年大約可以節(jié)省60億美元。沃爾瑪從農(nóng)場、工廠到商店建立食品區(qū)塊鏈，溯源沙門氏菌源頭時間從7天縮短到2秒。杭州萬向集團建立區(qū)塊鏈+汽車物流供應鏈，應用到貿(mào)易金融、零部件、整車物流供應鏈及汽車后裝。

　　3.7 “物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”解決中小微企業(yè)貸款難問題

　　我國政府關注中小企業(yè)，在我國小微企業(yè)的資產(chǎn)中不動產(chǎn)占比不到30%，而成品或半成品等動產(chǎn)因難以監(jiān)管而無法作為質(zhì)押物。走民間借貸利率高達15%，托盤利率也高達12%，企業(yè)不堪重負。

　　利用物聯(lián)網(wǎng)對入庫動產(chǎn)監(jiān)管（例如攝像頭對應電視屏監(jiān)管流動資產(chǎn)，可把流動資產(chǎn)變?yōu)椴粍淤Y產(chǎn)），實現(xiàn)物流、資金流和信息流的協(xié)同，配以區(qū)塊鏈管理，適應企業(yè)短小頻急的用款需求，隨借隨還。利率7.1%（其中銀行5.6%，監(jiān)管等費用1.5%）。

　　4 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有可能將企業(yè)的生產(chǎn)線暴露到外網(wǎng)，即便無需連到公眾互聯(lián)網(wǎng)，但物理隔離也可能因管理疏忽而感染外網(wǎng)病毒。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使用大量傳感器，而傳感器的安全防護能力較弱，很容易感染木馬，而成為DDOS攻擊的跳板。

　　因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要更嚴的安全防護技術：包括實時網(wǎng)絡性能監(jiān)視預警技術；工業(yè)數(shù)據(jù)的分布式管理技術；阻止非授權實體的識別、跟蹤和訪問；非集中式的認證和信任模型；高效的加密和數(shù)據(jù)保護；異構設備間的隱私保護技術。

　　除了在企業(yè)內(nèi)部建立IT（信息技術）與OT（操作技術）統(tǒng)一的安全團隊和企業(yè)安全運營中心外，還要與企業(yè)的上下游實現(xiàn)威脅情報共享和安全防護的協(xié)同聯(lián)動，從政府獲得安全態(tài)勢感知信息。

　　參考文獻：

　　[1]賽迪顧問.2020年工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將在整體物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中占比25%將突破4500億元！[R/OL].（2018-1-23）.http://m.sohu.com/a/218399404_378413

　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第7期第1頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處