“大數據+工業云”工業4.0時代的人機共融

孟凡勇

摘 要 論述了工業1.0到工業4.0的發展過程，工業4.0的特點，工業4.0的技術支柱，工業4.0的軟硬件解決方案，國際國內工業云的建立及其特點。工業4.0將引發第四次工業革命。

【關鍵詞】大數據 云計算 工業4.0 工業云 物聯網 IOT 萬物互聯 工業互聯網 人工智能 智能制造

1 概述

1.1 工業1.0

機械化，以蒸汽機為標志，用蒸汽動力驅動機器取代人力，從此手工業從農業分離出來，正式進化為工業。

1.2 工業2.0

電氣化，以電力的廣泛應用為標志，用電力驅動機器取代蒸汽動力，從此零部件生產與產品裝配實現分工，工業進入大規模生產時代。

1.3 工業3.0

自動化，以PLC（可編程邏輯控制器）和PC的應用為標志，從此機器不但接管了人的大部分體力勞動，同時也接管了一部分腦力勞動，工業生產能力也自此超越了人類的消費能力，人類進入了產能過剩時代。如圖1所示。

1.4 工業4.0將是整個中國時代性的革命

什么是工業4.0？

“互聯網+制造”就是工業4.0。“工業4.0”是德國推出的概念，美國叫“工業互聯網”，我國叫“中國制造2025”，這三者本質內容是一致的，都指向一個核心，就是智能制造。

2015年中國有幾個概念非常火，第一是大眾創業、萬眾創新，第二就是工業4.0，第三個就是“互聯網+”。“互聯網+”是巨大無比的概念，“互聯網+”里面有“互聯網+金融”叫做互聯網金融、“互聯網+零售”、“互聯網電子商務”，而“互聯網+制造”就是工業4.0。它將推動中國制造向中國創造轉型，所以說，工業4.0是整個中國時代性的革命。如圖2所示。

2 工業4.0有哪些特點

互聯：互聯工業4.0的核心是連接，要把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地聯系在一起。

數據：工業4.0連接和產品數據、設備數據、研發數據、工業鏈數據、運營數據、管理數據、銷售數據、消費者數據。

集成：工業4.0將無處不在的傳感器、嵌入式中端系統、智能控制系統、通信設施通過CPS形成一個智能網絡。通過這個智能網絡，使人與人、人與機器、機器與機器、以及服務與服務之間，能夠形成一個互聯，從而實現橫向、縱向和端到端的高度集成。

創新：工業4.0的實施過程是制造業創新發展的過程，制造技術、產品、模式、業態、組織等方面的創新，將會層出不窮，從技術創新到產品創新，到模式創新，再到液態創新，最后到組織創新。

轉型：對于中國的傳統制造業而言，轉型實際上是從傳統的工廠，從2.0、3.0的工廠轉型到4.0的工廠，整個生產形態上，從大規模生產，轉向個性化定制。實際上整個生產的過程更加柔性化、個性化、定制化。這是工業4.0一個非常重要的特征。如圖3所示。

3 工業4.0有哪些技術支柱

工業4.0九大技術支柱包括工業物聯網、云計算、工業大數據、工業機器人、3D打印、知識工作自動化、工業網絡安全、虛擬現實和人工智能。這九大支柱中會產生無數的商機和上市公司。如圖4所示。

4 哪類公司最有前景

結合中國工業現狀來看，未來十年，中國工業4.0領域將有充足發展的三類公司有：

第一類是智能工廠，分為兩種，第一種是傳統的工廠轉型成智能工廠，第二種是一出生就是智能工廠；

第二類是解決方案公司，為制造業公司提供智能工廠頂層設計、轉型路徑圖、軟硬件一體化實施的工業4.0解決方案公司。

第三類是技術供應商，包括工業物聯網、工業網絡安全、工業大數據、云計算平臺、MES系統、

除這三類以外，虛擬現實、人工智能、知識工作自動化等技術供應商也會面臨巨大的發展前景。如圖5所示。

5 【解決方案】包括軟件硬件

軟件有工業物聯網、工業網絡安全、工業大數據、云計算平臺、MES系統、虛擬現實、人工智能、知識工作自動化等；硬件是工業機器人（包括高端零部件）、傳感器、RFID、3D打印、機器視覺、智能物流（AGV）、 PLC、數據采集器、工業交換機等。如圖6所示。

這是一次巨大的產業革命，錯過了工業4.0也就錯過了這個時代！誰最終贏得第四次工業革命主導權？第四次工業革命以2013年德國漢諾威為標志，宣布這一輪工作革命以智能制造為核心。如圖7所示。

德國政府所定義的德國工業4.0，由一個信息，一個網絡，四大主題、三項集成、八項計劃組成的框架機構。德國政府提出工業4.0整體框架有很多地方和中國的實際國情不同，操作上面還有一定的距離。如圖8所示。

第四次工業革命延續時間大概為30到40年，所以說工業4.0、移動互聯網對中國工業的顛覆、再造和融合，才剛剛開始。第四次工業革命的本質是主導這個世界未來的工業標準之爭，是由德國和美國按照自己的邏輯路徑、表述方法來進行推進。

美國提出了工業互聯網標準，希望關注設備互聯、數據分析、以及數據基礎上對業務的洞察，他們對傳統工業互聯網互聯互通，其關注點在大數據和云計算。

德國提出工業4.0，擁有強大的機械制造技術，嵌入式以及控制設備的先進設備和能力，德國很關注生產過程智能化和虛擬化的深刻改變。

可以看到，美國工業互聯網和德國工業4.0，實施路徑和邏輯相反，但是目標一致。美國是以GE公司、IBM這些公司為支持，側重于從軟件出發打通硬件；德國是以西門子、庫卡、SAP這些公司為主導，希望可以從硬件打通到軟件。無論從軟到硬，還是從硬到軟，兩者的目標是一致的，就是實現智能制造，實現移動互聯網和工業的融合。

中國為什么選擇德國標準？

（1）中國政府認為，德國路徑比美國路徑更容易實現；

（2）美國的工業空心化嚴重。IT公司出現工業4.0挑戰大，缺少基礎設施的落地，德國工業技術雄厚，是生產制造基地，生產設備供應商加IT業務解決方案提供商。在第四次工業革命的戰略選擇上，中國政府的策略是，緊盯新一輪產業發展的潮流，選擇工業4.0，推出中國版的中國制造2025，尋找機會彎道超車，后發先制。

工業4.0是一個全新的時代，一期剛剛開始，預計要30到50年的時間發展引進，按照國家工信部部長所說：德國是從工業3.0串聯到工業4.0，中國是2.0、3.0一起并聯到4.0。

工信部和中國工程院把中國版的工業4.0的核心目標定義為智能制造，這個詞表述非常準確。由智能制造再延伸到具體的工廠而言，就是智能工廠。智能制造、智能工廠是工業4.0的兩大目標。

在未來的工業4.0時代，軟件重要還是硬件重要，這個答案非常簡單：軟件決定一切，軟件定義機器。所有的工廠都是軟件企業，都是數據企業，所有工業軟件在工業4.0時代，是至關重要的，所以說軟件定義一切。

工業時代4.0這條路剛剛開始，但給了我們大概的方向，未來企業會變成數據的企業、創新的企業、集成的企業、不斷快速變化的企業。對于整個制造業來說，這是一個巨大的顛覆，稱之為工業革命，是毫不為過的。

6 國際國內工業云的建立

GE公司建立的Predix云，一個專為收集與分析工業數據而開發設計的云解決方案。Predix云也是“平臺即服務”（PaaS），將在高度安全的工業級云環境中捕捉和分析海量高速運行、類型多樣的各種機器產生的數據。Predix云將推動工業互聯網的下一階段增長，可以幫助開發者為行業快速開發、部署和管理應用與服務。

全球化的數字制造的熱潮洶涌，工業大數據以前所未有的速度和巨量被釋放出來，如何將這些數據與人、機器相連接，成為一個嶄新的命題。而制造業巨擘GE在回歸工業根基的轉型之路上，推出了工業互聯網這一廣為傳播的概念，而Predix正是GE承載新工業帝國夢想的核心平臺。Predix是GE面向行業推出的一個工業云平臺。不同的組織，能在上面控制數據的連接，并使用第三方開發者的分析軟件。 一方面Predix為大量開發者提供便利，開發各種工業級APP。開發者只需關注如何解決問題，而無須關心如何獲取以及連接數據；另一方面用戶作為數據托管方，則可以使用這些APP，進行設備管理、運營維護等。

Predix的起源傳統意義上OT技術是用于對機器設備的監視和控制，但GE眼中的OT技術已經超越這些概念，將機器設備與云服務連接，通過數據的分析可以幫助進行設備故障預測和整體健康程度的評估。通過融合IT和OT技術，GE正在重新定義工業自動化。

GE通過內置的傳感器對機器設備的數據采集已有多年，但這些物聯網前的傳感器主要用于對設備運行實時性能的監測，比如顯示某一特定測點的壓力值，設備專家通過監視各測點的數值從而推斷設備的性能，然后這些實時數據就被丟棄，不再進行收集存儲。

機器設備產生的海量時間序列數據與社交數據和交易數據差別很大，針對工業數據的存儲、分析必須針對性地進行優化，以幫助理解機器設備的行為表現。為了處理這些海量的數據集，GE需要一個新的平臺來安全連接設備并分析數據，就這樣在2013年，一個基于云計算的軟件平臺Predix被開發出來。不僅僅通過運營數據分析降低設備的服務成本，也通過這些運營數據有效指導產品研發的改進。

如圖9所示，工業數據湖受到Amazon提供S3、EC2等云服務的啟發， GE的管理層逐漸意識到他們也可以將Predix以云服務的形式推向市場，從而開啟設備運營的聯接、分析服務市場。

Predix正式誕生。

Predix的構成Predix是GE推出的全球第一個專為工業數據與分析開發的云服務平臺，負責將各種工業資產設備和供應商相互連接并接入云端，并提供資產性能管理（APM）和運營優化服務。Predix承擔的角色類似個人電腦中的Windows和智能手機中的IOS、Android操作系統。對于紛繁復雜的工業設備和工業數據類型來講，Predix與其說是通過操作系統來運營工業互聯網，不如說是為海量的工業數據找到了一種相對標準和統一的承載和呈現形式。

如圖10所示，Predix的架構傳承于GE工業化基因，Predix提供標準的方式來運行工業級的分析能力，連接機器、數據和人，提供分布式計算、大數據分析、資產數據管理、機器和機器通信和應用移動性，“端到端”的安全訪問機制確保數據、設備、網絡和系統的授權訪問。

GE為何要推行Predix其實是一個面向云應用的軟件平臺，負責將各種工業資產設備和供應商相互連接并接入云端，并提供資產性能管理（APM）和運營優化服務。所以，Predix的功能是統籌各種APM系統、承載行業用戶的工業互聯網應用，從這個意義上，GE把它稱為“操作系統”。

APM系統一般包括企業資產管理（EAM）、預防性維護（PM）、預見性維護（PdM）、工廠資產管理（PAM）、環境健康和安全（EH&S）等方面。GE的APM系統，是GE為了提升自身的資產管理績效而特別研發，并已在內部應用多年的，一整套綜合了云計算和物聯網技術的解決方案。

實際上沒有APM系統的Predix是沒有靈魂的。所以即使GE開放了Predix，用戶也需要使用GE的APM來實現遠程監控、診斷、智能運行設備。所不同的是用戶基于Predix二次開發出來的是以GE APM系統為核心的、適合自己的資產績效管理方案，因為不同行業的資產績效管理方案，必須要寫入該行業的特性和參數。

GE的終極目標每一家工業企業都要成為一家數字公司，這是GE對未來的看法。而GE同時希望，Predix能成為這些數字公司的駐足之地。

因此，GE加大推廣APP開發的力度。2016年GE計劃開設4個創新坊，加大企業對于開發類似工業APP的扶持，從而孵化出完整的生態群。

市場的同類掘金者為了在數字化領域挖掘新的商業機會，西門子正在以“西門子數字服務”為平臺，努力發展相關服務。西門子2015年底宣布將增加研發投入3億歐元搭建跨業務新數字化服務平臺Sinalytics。這一平臺與Predix非常類似，整合了遠程維護、數據分析及網絡安全等技術。繼成功完成內部測試之后，2016年西門子正式面向市場推出“MindSphere工業云平臺”。MindSphere被設計為一個開放的生態系統，工業企業可將數據服務作為預防性維護、能源數據管理以及工廠資源優化的基礎。

除此之外，前段時間與美的達成股權收購的機器人制造商KUKA和Infosys宣布聯手開發支持企業迎接工業4.0的解決方案，合作目標是開發一個可讓客戶采集、評估和利用數據以提高自身生產過程的軟件平臺，KUKA將通過建立工業4.0云平臺擴展設備與云系統之間的連接。

PTC2014年宣布收購物聯網平臺創建者ThingWorx，并致力于建立和運營物聯網應用。經過一系列的收購和運作，2016年6月，PTC宣布新版物聯網平臺ThingWorx 7上市，包括進階的聯網產品管理工具組、強大的新分析功能、公有云支持、簡化的平臺元件等。

當然，對IBM、SAP、微軟這些虎視眈眈的市場巨鱷，同樣不能忽視他們對工業云的狂熱。

總結中國企業具有廣泛的工業云應用需求，如風電、飛機發動機、汽車、工程機械、家電等保有量居世界前列。因此，呼喚中國自己的工業云生態圈，是一種合情合理的想法，正如GPS之于中國的北斗導航系統。

然而，這樣的云平臺的搭建，在中國，已經幾乎可以斷定無法由一個公司之力來建設的。這么龐大的一個生態圈，絕非當下中國制造業任何一個企業的工業技術體系可以承擔，一個合適的制造業共同體，迫在眉睫。

然而以GE為代表的企業已經開始布局工業云，在海爾、在華為這些優秀的制造業都已經結為聯盟。徐工集團與阿里云公司共同打造的“工業云”平臺瞄準工業互聯網領域的全球標桿—美國GE公司打造的Predix工業云平臺，應用顛覆式思維、借助新一代信息技術，將徐工數字化工業能力輸出打造成開放、共享的全球云平臺，力爭成為中國工業領域的“Predix”。

7 結論

工業物聯網正在推動第四輪工業革命，它將大大改變制造、能源、交通運輸、城市、醫療以及其他工業行業，并幫助企業從傳感器聚集數據，從而最大限度地提高機器效率以及整個工作的吞吐量。具體應用包括運動控制、機器與機器通信、預防性維護、大數據分析以及互聯醫療系統等。

工業云平臺由于能夠靈活實現跨區域工業信息服務的部署和交付，已經成為國際巨頭們投入的重點。如果說傳統信息技術領域是美國企業占據優勢地位，那么工業領域的信息服務發展正迎來群雄逐鹿的時代。誰能率先確立在全球的工業云服務覆蓋，便能在智能制造時代掌握產業生態的制高點，并取得掌控工業物聯網的先機。

參考文獻

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[2]維克托·邁爾-舍恩伯格 肯尼思·庫克耶.大數據時代[M].浙江人民出版社，2012.

[3]劉云浩.物聯網導論[M].科學出版社，2010.

作者單位

上海立源水處理技術有限責任公司 上海市 201100