姚 杰，張桂花

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的前提條件和物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著國家整體科技和經(jīng)濟(jì)水平[1]。工業(yè)自動化技術(shù)主要解決了制造領(lǐng)域中生產(chǎn)效率與一致性問題，是20世紀(jì)現(xiàn)代制造領(lǐng)域當(dāng)之無愧的重要技術(shù)之一[2]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)利用各種采集和控制傳感器，以及泛在連接、移動通信、智能分析等技術(shù)融入工業(yè)生產(chǎn)和管理各個環(huán)節(jié)，達(dá)到提升制造效率、降低成本和消耗的目的，最終實(shí)現(xiàn)制造智能化[3]。目前，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還處于初級階段，即從工業(yè)設(shè)備上提取運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行多維度的數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果輔助管理者進(jìn)行決策，對設(shè)備可靠性、系統(tǒng)運(yùn)行效率、工藝質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。

1 中國制造業(yè)背景

工業(yè)不斷為國民經(jīng)濟(jì)各部門提供先進(jìn)技術(shù)裝備、能源和原材料、各種消費(fèi)品，它同時也是國家積累資金的主要來源和加強(qiáng)國防建設(shè)的重要條件。因此，工業(yè)是社會經(jīng)濟(jì)的主軸。工業(yè)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個革命性階段。從20世紀(jì)四五十年代以來，人類進(jìn)入了物理學(xué)的黃金時代，各種原子能、電子計算機(jī)、航天技術(shù)、生物學(xué)和遺傳工程等領(lǐng)域突飛猛進(jìn)，引發(fā)了一場基于信息技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)、空間技術(shù)等諸多領(lǐng)域工業(yè)革命。這就是第三次工業(yè)革命[4]。三次工業(yè)革命將人類帶入工業(yè)自動化時代[5]。隨著我國自動化技術(shù)的發(fā)展，無論高速和大批量的流程制造，還是柔性和定制的離散制造，都無一例外地依靠自動化技術(shù)。發(fā)展至今，我國制造業(yè)取得了巨大的成就。國家統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國制造業(yè)增加值為20.2 萬億元，持續(xù)占國內(nèi)生產(chǎn)總值(gross donestic product,GDP)的30%左右，是名副其實(shí)的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)[6]。中國制造業(yè)增加值及占GDP比重如圖1所示。

圖1 中國制造業(yè)增加值及占GDP比重示意圖Fig.1 China’s manufacturing value added share of GDP

近年來，我國的工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)得到了較大發(fā)展，出現(xiàn)了一大批具有國際競爭力的企業(yè)。雖然我國的工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)取得了長足進(jìn)步，但與國際先進(jìn)水平相比，我國企業(yè)從規(guī)模體量、核心技術(shù)、生產(chǎn)模式上來看，都存在較大差距，也不同程度地存在資源浪費(fèi)和效率不高等問題。全球制造業(yè)發(fā)展到今天也有了很大的變化，由工業(yè)經(jīng)濟(jì)時代進(jìn)入到數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代。伴隨著這一發(fā)展趨勢，工業(yè)企業(yè)要實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，就必須發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以為工業(yè)企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的好處。①節(jié)能降本。數(shù)字化轉(zhuǎn)型后，企業(yè)不再是盲人摸象，通過數(shù)據(jù)掌握生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，可以避免很多浪費(fèi)，優(yōu)化生產(chǎn)方式，助力企業(yè)降低成本。②提高生產(chǎn)效率。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了珍貴的生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，在實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)可視化等助力下，可以多方面提升產(chǎn)線的信息化和智能化水平，生產(chǎn)效率能得到大幅提升。③助力企業(yè)從生產(chǎn)到服務(wù)的轉(zhuǎn)型。借助大數(shù)據(jù)分析和個性化定制方案，低端服務(wù)模式的企業(yè)可以完成轉(zhuǎn)型升級，或者是從服務(wù)單一企業(yè)轉(zhuǎn)變成產(chǎn)業(yè)鏈平臺的運(yùn)營商，提升制造企業(yè)附加值。

作為“新基建”的核心領(lǐng)域之一，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被稱作數(shù)字“新基建”的領(lǐng)頭羊，由此可見，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對制造業(yè)的重要性[7]。掌握第四次工業(yè)革命，就必須發(fā)展好工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)?！吨袊圃?025》強(qiáng)調(diào)，“在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)智能工廠/數(shù)字化車間，加快人機(jī)智能交互，工業(yè)機(jī)器人、智能物流管理、增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，促進(jìn)制造工藝的仿真優(yōu)化、數(shù)字化控制、狀態(tài)信息實(shí)時監(jiān)測和自適應(yīng)控制[8]”。因此，如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化及智能化，是實(shí)現(xiàn)本次智能制造革命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。德國工業(yè)4.0的核心是信息物理系統(tǒng)(cyber physical system，CPS)。 CPS包括智能機(jī)器、生產(chǎn)設(shè)備和控制系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)作和協(xié)同交互，推動生產(chǎn)對象直接或借助互聯(lián)網(wǎng)通過機(jī)器對機(jī)器 (machine to machine，M2M)通信自主實(shí)現(xiàn)信息交換、運(yùn)轉(zhuǎn)和互相操控[9]。

2 智能制造應(yīng)用

智能制造是將貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等制造、運(yùn)維管理活動的各個環(huán)節(jié)，與先進(jìn)信息、通信技術(shù)等深度融合的新型生產(chǎn)方式[10]。智能制造的推進(jìn)離不開使能技術(shù)的支撐，主要涉及通信技術(shù)(communication technology，CT)、信息技術(shù)(information technology，IT)、運(yùn)維技術(shù)(operation technology，OT)的融合發(fā)展。智能制造核心內(nèi)容與典型應(yīng)用場景又可分為智能研發(fā)、智能裝備、智能產(chǎn)線、智能車間、智能工廠、智能管理、智能服務(wù)和智能決策等。

2.1 海量網(wǎng)絡(luò)地址管理

在制造業(yè)行業(yè)中，要實(shí)現(xiàn)從自動化向智能化方向轉(zhuǎn)變，就必須先解決設(shè)備之間數(shù)據(jù)相互共享的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的互通，解決數(shù)據(jù)孤島的問題，這是實(shí)現(xiàn)智能制造的前提條件。解決設(shè)備數(shù)據(jù)傳遞問題，首先需要給每個設(shè)備分配一個IP地址。IP地址是設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的依據(jù)，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中不可缺少的資源[11]。設(shè)備IP地址就相當(dāng)于人的身份識別標(biāo)志。如果一個設(shè)備不能夠分配一個IP地址，則該設(shè)備就無法聯(lián)網(wǎng)，那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就失去了基礎(chǔ)。

制造業(yè)現(xiàn)場工藝復(fù)雜、設(shè)備種類繁多。據(jù)2019年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)有378 440家。如京東的無人倉，“亞洲一號”在貨物存儲、挑選、包裝、運(yùn)輸和分揀等環(huán)節(jié)都使用了大規(guī)模的自動化設(shè)備?，F(xiàn)在京東已經(jīng)投入使用的“亞洲一號”已經(jīng)有16座，且層級不同的無人倉的數(shù)量已經(jīng)有50個。倉內(nèi)使用了10多種自動化設(shè)備，如分揀自引導(dǎo)小車(automatic guided car,AGV)搬運(yùn)車、AGV叉車、天狼、機(jī)械臂、交叉帶分揀機(jī)、地狼等設(shè)備[12]。但是隨著信息技術(shù)的發(fā)展，不僅是工控機(jī)、移動設(shè)備、嵌入式終端，如現(xiàn)場儀器儀表、傳感器、網(wǎng)關(guān)、機(jī)械臂、穿戴設(shè)備，甚至是流水線上的零配件也都需要IP地址。但是在以往使用的IPv4體系中，IP地址的數(shù)量是有限的，40多億個IP地址已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。因此，為了解決海量IP地址需求的問題，推出了IPv6，也就是第6版網(wǎng)絡(luò)IP協(xié)議。IPv6地址結(jié)構(gòu)經(jīng)過了多次修改，最后形成了現(xiàn)在的地址結(jié)構(gòu)版本[13]。其地址采用8個16位數(shù)表示，理論上可以分配約3.4×1038個IP地址。與IPv4相比,IPv6最大的特點(diǎn)就是地址數(shù)量非常多，并且IPv6的地址比IPv4長，能夠為設(shè)備提供更詳細(xì)的信息；同時，地址結(jié)構(gòu)更加安全。因此，IPv6可以為無數(shù)的工業(yè)品提供各種編碼，讓萬物互聯(lián)能夠更早到來。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片和低延時技術(shù)

進(jìn)入5G時代，面臨的是分屬不同工業(yè)領(lǐng)域的大量設(shè)備接入，它們對于網(wǎng)絡(luò)的移動性、安全性、時延性、可靠性甚至計費(fèi)方式都有不同的特點(diǎn)和需求，因此，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)必須功能多樣和靈活方便。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)通過將物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間，包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入、傳輸和核心網(wǎng)都是邏輯獨(dú)立的，任何一個虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會影響其他虛擬網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)[14]。為每個制造企業(yè)分配一個這樣的虛擬網(wǎng)絡(luò)，并按需提供個性化的服務(wù)和性能，就可以滿足企業(yè)在網(wǎng)絡(luò)方面的差異化需求。

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以應(yīng)用到三類場景：移動寬帶、海量物聯(lián)網(wǎng)和任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景Tab.1 5G network application scenarios

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的先決條件，也就是將網(wǎng)絡(luò)中專用設(shè)備的軟硬件功能轉(zhuǎn)移到虛擬主機(jī)(virtual machines，VMs)。虛擬主機(jī)是基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的商用服務(wù)器，成本低且安裝簡便。經(jīng)過虛擬化的網(wǎng)絡(luò)，其無線接入網(wǎng)部分稱為邊緣云，核心網(wǎng)部分稱為核心云。將工業(yè)自動化中對時延要求很高的業(yè)務(wù)，從原本的核心網(wǎng)和相關(guān)服務(wù)器先劃轉(zhuǎn)到任務(wù)關(guān)鍵性網(wǎng)絡(luò)，再結(jié)合自動化現(xiàn)場的計算控制設(shè)備組成虛擬自有網(wǎng)絡(luò)，俗稱“邊緣云”。在這部分網(wǎng)絡(luò)中，5G可提供極低時延、高可靠、海量連接的網(wǎng)絡(luò)，使得現(xiàn)場各種采集、控制設(shè)備可通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，滿足端到端的最小時延。

2.3 區(qū)塊鏈的安全技術(shù)

伴隨我國城市化進(jìn)程加快，工業(yè)化程度不斷提高，水務(wù)行業(yè)將迎來新的擴(kuò)張。我國現(xiàn)有自來水廠4 000多家，污水處理廠3 500多座，水務(wù)企業(yè)眾多。但水務(wù)行業(yè)集中度低，最大的供水企業(yè)市場占有率未超過5%，最大的污水處理企業(yè)市場占有率也未超過10%。水務(wù)行業(yè)互聯(lián)但不互通，數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象明顯，統(tǒng)一監(jiān)管系統(tǒng)缺失，不能全時段保證水務(wù)指數(shù)的合規(guī)性和合法性。從本質(zhì)上講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€共享數(shù)據(jù)庫，基于“數(shù)據(jù)安全”的特征[15]，在需要可靠合作的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

區(qū)塊鏈技術(shù)可以將全水務(wù)的運(yùn)行數(shù)據(jù)上鏈，構(gòu)建可證可溯的電子證據(jù)存證[16]，并促進(jìn)水務(wù)涉及的機(jī)構(gòu)間信息橫向流動和多方協(xié)作。區(qū)塊鏈技術(shù)還可以支持給定流域內(nèi)水權(quán)的點(diǎn)對點(diǎn)交易，給予用戶足夠的，或者是愿意與該地區(qū)其他用戶共享超額資源的權(quán)利，讓水務(wù)相關(guān)方都可以對生態(tài)圈進(jìn)行數(shù)字輸入，而無需全天候依賴中心化的結(jié)果。同一流域中的用戶根據(jù)最新的天氣信息、產(chǎn)品價格、市場趨勢和長期氣候變化趨勢就可決定用水策略[17]。個人消費(fèi)者、工業(yè)用戶、水務(wù)公司和政府管理部門都可以使用這些信息來決定水資源的使用策略。與此同時，通過區(qū)塊鏈分布式賬本技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)互通，加強(qiáng)各供應(yīng)商與水務(wù)公司的互動，從而抓住生態(tài)圈的核心群體。

區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和智能分析，將在水務(wù)管理的自動化、智能化方面產(chǎn)生更廣泛的影響。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，不僅是簡單優(yōu)化現(xiàn)有人工管理模式，而是對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行優(yōu)化和重組。這一過程也是制造企業(yè)改革、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化管理的過程，其最終結(jié)果必將使城市水資源管理系統(tǒng)更智能、安全和高效[18]。

2.4 云計算在制造業(yè)的應(yīng)用

云計算是分布式計算的一種，具有分布式和大規(guī)模、虛擬化、高可用性和擴(kuò)展性、按需服務(wù)、安全可靠等特點(diǎn)[19]?；谶@些特點(diǎn)，越來越多的制造企業(yè)開始將云計算應(yīng)用到生產(chǎn)過程和業(yè)務(wù)流程。云計算在提升制造業(yè)的系統(tǒng)高效、資源共享以及部署靈活等方面的應(yīng)用優(yōu)勢是顯而易見的[20]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)利用邊緣云實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同示意圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)利用邊緣云實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同示意圖Fig.2 Chart of industrial internet uses edge cloud to achieve cloud-side collaboration

解決上述制造業(yè)問題的方案就是“云計算”。諸如三一重工與騰訊云相結(jié)合，利用云計算和大數(shù)據(jù)，把分布全球的30萬臺設(shè)備接入平臺，實(shí)時采集近1萬個運(yùn)行參數(shù)[21]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理龐大設(shè)備群的運(yùn)行狀況。這樣不僅提升了故障維修率，還減輕了備件的庫存壓力，通過生產(chǎn)制造過程的智能化，助力商業(yè)模式轉(zhuǎn)變。其次，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，結(jié)合企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)品全生命周期的實(shí)時管理和優(yōu)化的新型制造系統(tǒng)，推動生產(chǎn)方式向個性化和柔性化轉(zhuǎn)變，滿足制造業(yè)的定制化趨勢，并加速智能制造升級。再次，隨著國內(nèi)云計算服務(wù)商在全球化云計算基礎(chǔ)設(shè)施的布局，中國企業(yè)可以使用云服務(wù)來支撐全球的業(yè)務(wù)發(fā)展，助力制造業(yè)的海外戰(zhàn)略。

3 展望

新一輪工業(yè)革命不僅是IT與OT的融合，更是通過CT的加入，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)和實(shí)體的全面聯(lián)接，有效帶動服務(wù)與數(shù)據(jù)創(chuàng)新，使中國制造業(yè)從自動化邁向智能化成為可能。

3.1 虛實(shí)結(jié)合和互聯(lián)互通

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心架構(gòu)是以數(shù)據(jù)創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新為軸心，以滿足客戶需求為依據(jù)。而在傳統(tǒng)價值鏈中扮演中間媒介角色的代理商、零售商等，將可能因為去中間化效應(yīng)而消失，屆時制造業(yè)者必須懂得善用IT、OT和CT等技術(shù)，依賴IT、OT與CT三者的融合，直接為最終用戶提供服務(wù)。IT是包括供應(yīng)鏈管理、客戶關(guān)系管理、產(chǎn)品全生命周期管理、企業(yè)資源規(guī)劃、電子商務(wù)以及辦公自動化等系統(tǒng)。OT泛指與工廠營運(yùn)相關(guān)的技術(shù)，主要涵蓋三類：①單體自動化；②整合自動化和操作流程；③整合工廠自動化與信息化，如控制系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)、監(jiān)視與集中控制等工廠信息系統(tǒng)。CT是包含各種不同載體和距離的通信相關(guān)技術(shù)，如WiFi、Bluetooth、4G/5G以及工業(yè)總線通信技術(shù)等。

要將生產(chǎn)制造端的實(shí)體世界，與利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的虛擬世界相結(jié)合，就意味著制造企業(yè)必須跳出意識藩籬，將工廠現(xiàn)有設(shè)備連接到云端，把各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到云端數(shù)據(jù)中心進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提高生產(chǎn)效率，提升營運(yùn)效能。同時，借助物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等中介解決設(shè)備與設(shè)備，或設(shè)備與工控網(wǎng)絡(luò)之間無法互聯(lián)互通的現(xiàn)狀，否則就無法實(shí)現(xiàn)智能制造。

3.2 結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法與工業(yè)機(jī)理知識

智能制造是融合了IT、OT和CT的先進(jìn)制造，其定義包含數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化四個遞進(jìn)的內(nèi)涵。首先是自動化。然而自動化要想進(jìn)入智能制造的范圍，就必須建立在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品設(shè)計、工藝到過程控制和檢測，并延伸到過程的管理，通過數(shù)字化控制達(dá)到智能制造的目標(biāo)。因此，智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)字化。完成數(shù)字化基礎(chǔ)上的自動化后，需要通過網(wǎng)絡(luò)化來提升設(shè)計制造管理的效率,實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備，以及設(shè)備與人的集成。最后，通過網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，對整個制造進(jìn)行智能輔助決策，實(shí)現(xiàn)智能化制造過程。

智能制造的核心是制造，基礎(chǔ)是數(shù)字化，目標(biāo)是人工智能，但靈魂和難點(diǎn)卻是工藝，其表現(xiàn)形式則是專業(yè)軟件+裝備。因為所有先進(jìn)制造技術(shù)都只是手段，都只是服務(wù)于制造工藝的。工藝就是行業(yè)知識。沒有良好的行業(yè)知識，任何大數(shù)據(jù)和人工智能都是紙上談兵。只重視表象而忽視了靈魂，絕對無法實(shí)現(xiàn)真正的智能制造。深度挖掘復(fù)雜工業(yè)數(shù)據(jù)，對中國工業(yè)極其重要，數(shù)據(jù)分析方法與工業(yè)機(jī)理知識的結(jié)合，仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

市場競爭的加劇和市場需求的變革是不會停止的，未來的制造業(yè)也將面臨更多不確定的挑戰(zhàn)。這種趨勢將推動制造業(yè)從業(yè)者更加緊密地結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，提出更多、更優(yōu)的解決方案，助力智能制造內(nèi)涵和應(yīng)用的不斷豐富與深化，并最終引領(lǐng)制造業(yè)不斷向前發(fā)展。