制造業(yè)在轉(zhuǎn)型：進入一個全新的數(shù)字世界

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

周萬木，碩士，研究方向：工業(yè)自動化、電機和驅(qū)動、運動控制、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，是大勢所趨。但無論怎樣進步，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)報告論壇——中國站”上，IHS Markit高級分析師周萬木先生分析了題為“正在轉(zhuǎn)型的制造業(yè)：進入一個全新的數(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的四個階段，如圖1。

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

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

　　工業(yè)3.0：從電氣化到自動化與信息化的融合，自動化代表性的產(chǎn)品是工業(yè)機器人和PLC(可編程邏輯控制器)等自動化產(chǎn)品，信息化代表性的方案是ERP(企業(yè)資源計劃)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)的服務化等等。

　　我們不應該被工業(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，我們目前對工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的了解估計也不超過20年后真實的工業(yè)4.0的5%。

工業(yè)4.0 時代的特征

　　*更多更智能的傳感器被加裝到設備上。

　　*更緊密的連接：從工廠現(xiàn)場總線，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)比消費大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更復雜，實時性和精確性要求更高。

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

　　*人機協(xié)作：機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。從技術(shù)上看，從3.0到4.0更像是進化，而不是革命。因為設備更智能，連接更緊密，數(shù)據(jù)量更大，更加人性化，更加友好等，并沒有殺手級的應用和顛覆性的技術(shù)?！爸痪壣碓诖松街小保覀儗φ诎l(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年后再回頭看實際效果，我們可能會發(fā)現(xiàn)工業(yè)4.0是一場正在發(fā)生的革命。

　　我們再來比較一下傳統(tǒng)的工廠架構(gòu)和4.0時代的工廠架構(gòu)的區(qū)別(如圖2)。

　　1. 傳統(tǒng)自動化工廠的架構(gòu)是金字塔架構(gòu);從底層傳感器、執(zhí)行器到各種設備，再到PLC、分布式控制系統(tǒng)器(DCS)與IPC(進程間通信)，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. 簡化來看，工業(yè)自動化可以分為三層架構(gòu)：現(xiàn)場設備層、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、傳輸層和應用層其實是類似的。在這個金字塔架構(gòu)中，各種器件通過PLC進行控制， PLC再通過現(xiàn)場總線和工業(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，第一個變化是傳統(tǒng)的金字塔架構(gòu)正在網(wǎng)絡化和云化，一些功能諸如SCADA已經(jīng)開始被集成到云端，這就是云計算在工業(yè)上的應用。另外一個變化是邊緣計算，越來越多的終端設備具備更強的計算能力;一些開放的協(xié)議，諸如OPCUA和IO-LINK等也開始大量運用。

　　再對比一下工業(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)場設備是：工業(yè)3.0時代，現(xiàn)場設備層計算資源有限，主要的計算資源集中在控制器端和工廠管理端。而工業(yè)4.0時代采用分布式控制的嵌入式系統(tǒng)，CPS系統(tǒng)有了更多的智能計算資源和邊緣計算能力。

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

　　3.工廠管理: 3.0時代數(shù)據(jù)收集上來需要人再做判斷和決策，而4.0時代，數(shù)據(jù)收集上來后，因為設備和系統(tǒng)具備自適應、自決策、自判斷等能力，人工智能可以對數(shù)據(jù)信息進行分析判斷。工業(yè)3.0時代的IT和OT是分開的，很難連接的，設備之間是信息孤島，工序之間的數(shù)據(jù)流動有斷層。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\營投入。

　　IHS對于工業(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)絡安全，客戶一定會問公司的生產(chǎn)制造等重要數(shù)據(jù)信息放在第三方會安全嗎?這里舉個可能不恰當?shù)睦?，假設你有幾百萬的現(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、生物識別等也使工業(yè)云和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更加安全。

　　客戶擔心的第二個問題是新瓶裝舊酒?？蛻魰J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、賣設備、賣解決方案而已。 這樣的想法有一定道理，對于我們正在進行的智能制造項目和所謂的示范工程我們的確需要三思而后行。

　　在進行工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型升級這個問題上，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。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)略是客戶導向的，為用戶提供增值服務或者定制化的服務，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準元件，那么做好精益生產(chǎn)，提高自動化水平在現(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，那么自動化生產(chǎn)可能有損公司的市場戰(zhàn)略，并不值得做。所以實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略需要公司領(lǐng)導層的參與。

　　從工業(yè)4.0或者工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參與者來看，整個產(chǎn)業(yè)鏈比較長(如圖6)。這么長的產(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和Know-how(訣竅)。 最近幾年的漢諾威工業(yè)展專門設置了數(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運營中來也越來越多， 例如海爾就在打造自己的工業(yè)制造解決方案。

　　另外一個明顯的趨勢就是很多公司都想打造平臺，預計制造業(yè)也將像手機一樣誕生為制造業(yè)服務的的操作系統(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)設施的平臺，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)設施即服務)服務的。

　　2.工業(yè)云平臺，主要做工業(yè)制造業(yè)的設備運營維護、數(shù)據(jù)信息管理等，例如GE Predix和西門子MindShpere。國內(nèi)還有徐工工業(yè)云和三一根云。這些工業(yè)云平臺主要提供垂直行業(yè)的設備維護運維等PaaS(平臺即服務)服務。

　　3.物聯(lián)網(wǎng)平臺， 主要提供工具、SDK(軟件開發(fā)包)、API(應用程序接口)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，又是物聯(lián)網(wǎng)平臺。

　　除了以上三類，其實還有一些底層算法平臺和技術(shù)平臺。

　　和手機行業(yè)一樣，平臺市場一定會整合，市場上容納不了這么多的平臺，但由于工業(yè)制造行業(yè)種類眾多，不同的細分行業(yè)一定會有一些細分的行業(yè)平臺。

　　西門子和GE兩家工業(yè)巨頭接近80%的業(yè)務都是直接競爭的，工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這兩個概念在某種意義上也可以看作是兩大陣營的競爭，而在工業(yè)平臺方面同樣如此，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應用開發(fā)商、自動化企業(yè)和管理咨詢企業(yè)等。

　　微軟作為一家云服務商，既與西門子合作又和GE合作。對于GE和西門子，與微軟的合作，可以讓Predix和Mind Sphere在一個主流的云平臺上提供服務，微軟云平臺相當于是GE和西門子的基礎(chǔ)設施，增加了一個分銷渠道，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、更復雜的功能，使微軟擁有了更深的工業(yè)知識，微軟也能夠拓展自己的云平臺到工業(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)云平臺的格局。

　　大型的高價值的設備既有一次性的資本性投入，又有設備的運行維護的費用。例如半導體設備和液晶顯示生產(chǎn)設備，購買設備的支出非常高，同時做overhaul(徹底檢查)的維護成本也非常高。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。通過提供專業(yè)的服務，廠商和客戶的關(guān)系更加緊密。