制造业发展新趋势：数字化时代与互联制造业生态系统

在工业4.0的大背景下，全球制造业发展的大趋势是工业数字化和互联化，正在构建数字化市场和互联的制造业生态系统。全球市场制造业面临机遇与挑战，制造业颠覆性创新作为新产品、服务和技术的驱动因素，为制造业和新兴经济体发展提供了良好的发展机遇，包括循环经济和其它颠覆式商业模式。同时制造业企业面临核心竞争力不强、全球化竞争加剧和人才短缺等挑战。2017年6月世界制造论坛上，全球制造业VIP提出了制造业发展趋势，即用户体验经济正在重新塑造制造业，全球知名企业正在加速向全生命周期的数字化企业转型，劳动力资源的新角色和持续教育，即持续优化生产流程、提升产品和服务质量，提升用户体验。

1 用户体验经济正在重新塑造制造业

图1 汽车制造业的用户体验转型[1]

全球制造业制造范式正在转向加速和加强用户在设计制造中的参与，即制造业制造范式正在向体验经济转型。例如汽车制造业从过去的大批量生产向地区化、个性化生产转变，适应不断变化的需求，更具竞争力的产品超出客户期望（见图1）。

从模拟产品到创建用户体验，技术发展趋势为创建用户体验提供了机遇，如IoT/IIoT、大数据、云计算等，促进了智慧医疗、智慧工厂、智慧家居、智慧交通，从而形成了智慧城市。Dassault公司提出了3DEXPE⁃RIENCE制造技术提供了持续的数字化解决方案，其中互联技术的创新提供了所有使用者快速产品交付，用户使用数字化实现数字化工业体验，为用户基于数字模型提供了购买决策支持。目前很多国际上的大公司都在加速、加强用户体验，包括世界500强的PSA,AIRBUS等，财富500强公司中2000年以来消失的公司大部分是因为数字化进程太慢失去了竞争力。数字化增强和提供了企业敏捷产品，快速为用户提供独特的价值。

2 企业正在加速向全生命周期的数字化企业转型

德国Siemens公司在整个制造过程价值链基础上创建了数字孪生，包括产品设计、生产规划、生产工程、批量生产和服务（见图2）。上述价值链是基于云和开放式IOT操作系统，协同平台为Teamcenter。Teamcenter集成了不同阶段使用的软件工具，例如在设计阶段包括CAD/CAE/CAM,开放中需要模拟和认证的嵌入式软件Polarion ALM等,在生产规划阶段，Teamcenter集成了 Manufacturing，Tecnomatix Process Simulate等软件，模拟操作工人的工作条件、模拟机器人操作流程等。Teamcenter是基于统一数据模型，而其开放式的生产操作系统（MindSphere）是Siemens的基于云的物联网开放式操作系统。

企业使用数字化的开放式的生产操作系统的好处：欧洲著名豪华汽车品牌Maserati新产品生产准备时间缩短了30%，生产效率提高了2倍，MindSphere为生产提供了70,000多种技术组合。实现数字化转型必须应用数字企业套件。数字企业套件是Siemens独特的产品组合数字化转型的典范。

图2 Siemens 全价值链数字化协同平台[2]

数字化转型长期以来一直是管理议程的主题之一。而这是一种永恒的趋势，不断受到新一代数字技术的推动而更新。不仅创业公司而且成熟公司正在开发新的、创新的商业模式，以证明其盈利能力和可持续性。

企业数字化转型有四个特征，即数字化转型是不可避免的，不可逆转的，非常快速的和充满不确定性的[3]。这四个特征说明了数字化的转型商业和社会是一个只会因规则而放慢脚步，但不能停止的过程。企业不应该受到诱惑沉迷于现有的商业模式。相反，它是关于不断评估新的数字技术进一步发展潜力的机会,评估现有的商业模式。

3 互联技术促进制造业转型升级

当前信息技术包括云技术、企业数据中心、传统和嵌入式终端以及网络。通过互联性、数据共享和分析以及技术融合，物联网将信息技术和操作运营融合在一起。

未来的5G网络和工业物联网都需要更多分布式计算功能，工业物联网的未来需要更加虚拟化、可扩展、可靠、安全、实时的计算和存储，在边缘、在运营领域雾计算（Fog Computing）的硬件和软件应用会逐步扩大。

图3 Nebbiolo Technologies工业金字塔的新功能层[4]

Nebbiolo Technologies提出了工业金字塔的新功能层（见图3），即采用雾计算（Fog Computation），包括通讯、分析、控制和应用主机及组合控制（Orchestra⁃tion）,基于局部的丰富的分析进行的编辑控制(Orches⁃trated Control)，这是驱动IT和操作层不断融合和未来工业4.0和工业物联网（IIoT）控制的基础。

工业运营技术面临很大的挑战，当前企业资源是碎片化的、无序管理和不能实现互联。一个典型的汽车车身车间包含了40个开关、可编程逻辑控制器(PLC)134个、959台机器人、507个焊接控制器、自动化总线I/O模块1333个和其他装置及开关7362个。如此庞大的系统和装置需要很大的边缘计算（Edge Computing）,但是多数企业没有专门的计算能力、这些设备和装置是独立的，没有信息互联，都是手动操作、软件不统一、灵活性差、不开放，不容易容纳创新变革。

多数工业运营面临的另一项挑战是大数据管理与应用，包括在边缘计算数据的获取、分析和可视化。硬件方面，面临着很多硬件处于零散状态，缺乏可融合的模块、大批量、敏捷和可信赖的构架。软件方面，在不同层级上存在不同的编程模型，软件版本落后、不安全的手动更新、需要更现代化的布局。控制系统方面，也是碎片化、不容易实现编程，需要复杂的、协同控制丰富的传感器。网联方面，仍然考手动配置、非标准化的技术、无线连接只在局部实现，很难通过防火墙进行通信。安全方面，多数企业IT与操作（OT）分离，缺乏操作层面的安全保障。

随着5G的发展，企业制造车间会出现新的融合功能，在雾层（Fog Layer）上融合和增强现有的功能，如机器人控制与可视化、可编程逻辑控制器（PLC）系统、机器视觉与扫描阅读器、车间控制、制造执行系统(MES)、ERP/MRP系统，新的系统功能也会增加。

Nebbiolo Technologies提出了未来雾计算平台的发展方向[4]：

IT/OT融合：进入新市场

•将云技术引入工业自动化-打开IT/OT异花授粉的大门，发挥两者优势

•客户最终可以通过云可信技术支持的敏捷性在OT中进行创新

虚拟化融合基础设施：提高效率、降低成本

•在通用计算平台上整合管理分散的资源，便于计算、存储、虚拟化和网络化

•在通用平台上进行实时和非实时集成

•支持现代软件技术，同时支持旧软件和传统软件

边缘数据分析和应用程序基础架构：获得新的洞察

•通过云端学习，获得实时的洞察力，优化机器/工厂操作和质量控制，

•用于敏捷分析和智能应用程序部署的应用程序编排基础架构

机器作为平台：促进新的收益

•机器制造商可以超越传统的零部件制造商的限制，成为用于分析、可视化的集成提供商/解决方案提供商，并提供开放的协作平台。

信息安全可靠的平台：设备、数据隐私和安全的守护者

•云端到边端、到端的安全性（Cloud-to-Edge end-to-end）

•广泛的数据隐私和权利

4 重塑劳动力资源的新角色，持续提升教育水平，为制造业数字化转型升级奠定基础

数字化转型的四大基石是顾客参与、雇员授权、优化操作和产品转型。数字化进程赋予劳动力资源新的角色，需要重新评估劳动力资源:

•需要更全面了解操作层面，更深入的洞察。由于数据、可视化和分析而提高了认识。

•了解更复杂的行为。

•专注于人类更高级的任务，可以比重复活动做得更好，这些重复的活动自然适合机器的事情

■直觉和超越AI的复杂推理与经验

■利用人类未开发的全部潜力，超越重复活动和机械执行的任务。

■这需要更广泛的教育、系统级别和准备更高层的逻辑

■风格、设计、艺术和创意应用于工业环境的各个方面以及工业活动

•扩展、扩大人类和机器的协同工作潜力

•大力加强IT和OT实践教育

•更深入地了解复杂系统、交互和子系统

•能够通过直觉和经验指导数据分析及总结

•能够直接指导参与的工业流程的优化模拟和优化工艺过程，而不仅仅是被动做自动的机器

•参与改进流程的动机

•通过更广泛的教育提升人类的科学和艺术方面的水平，在有利于公司可持续发展的环境中，有足够的动力对公司业务的增长做出贡献

5 结束语与展望

数字化为企业价值链带来了很多好处，但是数字化之路任重道远。企业面临碎片化的软、硬件资源、面临大数据计算与分析、控制系统孤岛和信息安全的挑战，同时随着工业4.0的发展和第4次工业革命的浪潮下，面临着巨大的发展机遇，互联企业+数字化企业是人工智能发展智能工厂的基础。

当前人与机器一起以非常基本的方式在协同工作，展望未来：

•企业会面临更深入的机器人与人类的协同工作；

•未来更丰富的传感器和融合控制架构，使得人机协同工作更安全、更强互动、更具协作性；

•开放更多的协同工作领域；

•更丰富的用户界面（UI）和更多的可穿戴设备，如平板电脑和增强现实（AR）。