工业互联网推动下制造业的转型升级

郭慧+贠晓哲

摘 要：文章以工业4.0为背景，简述了国内外工业互联网平台。由于制造企业在转型升级过程中对工业互联网云平台的需求，对工业互联网推动下、两化融合进程中智能工厂建设的关键要素进行了探析。最后通过对中国现阶段制造业的现状进行分析，提出了企业在转型升级过程中的几点建议。

关键词：工业互联网；两化融合；智能制造；云平台；智能工厂

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）02-0-03

0 引 言

制造业是实现工业化的原动力，亦是一个国家实力的支柱。我国是有“世界工厂”之称的制造大国，但却不是制造强国。生产效率低下、创新不足、科研水平低等仍是制约我国生产力发展的几大因素，与发达国家相比，更存在着不小的差距。近几年随着信息技术的不断发展与革新，世界制造业更是发生了巨大的变化。制造业全球化趋势的压力与机遇，让中国的制造企业亟待转型升级。

1 第四次工业革命来临，工业互联网成为兵家必争之地

由于近年来工业领域全球竞争越来越激烈，各大经济体已把提升制造业竞争力上升为国家战略。如今，机械、电气和信息技术的工业革命已成为过去式，物联网和制造业的融合正宣告着第四次工业革命的到来，这必将从根本上颠覆传统的制造业发展模式，对制造企业的研发、生产、管理和服务等各环节带来深刻变革。

信息化最先进的美国与制造业最强的德国分别提出了“工业互联网”“工业4.0”战略。其他国家如英国的“高价值制造”、法国的“新工业法国”、日本的“机器人新战略”等都是各国在第四次工业革命冲击下的应对之策。信息化也将成为中国加快实现工业化和现代化的必然选择。2015年国务院和工业和信息化部先后出台了《中国制造2025》《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》《工业和信息化部关于贯彻落实<國务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见>的行动计划（2015-2018年）》等一系列指导性文件。《中国制造2025》中也明确提出要通过政府引导、整合资源，实现长期制约制造业发展的关键共性技术突破，全面部署实施制造强国战略。

2 国内外工业互联网平台浅析

当前国内外共计有超过400家物联网平台运营商。其中，大型企业级软件占据了22%的市场份额，服务公司和IoT初创公司占据了约32%。此外，约占市场份额18%的工业方案提供商为了改变其以硬件为主的商业模式，也试图转型成为物联网平台商。剩余份额由互联网及通讯运营商占据（数据来源于物联网智库）。这些平台服务涉及智能制造、智慧城市、智慧能源等生产生活的各个方面。

国外的工业互联网平台如提供了资产性能优化服务的GE Predix云平台、基于云开放式物联网操作系统的西门子MindSphere、提供了产品和服务优势技术解决方案的PTC ThingWorx、提供了全面管理云托管服务的IBM Watson等在业界拥有了标杆性的地位。

我国企业紧跟时代潮流，大力发展“互联网+”，近两年一大批以物联网、云计算、区块链、工业互联网为主旨的公司如雨后春笋般涌现。2017中国两化融合大会上工信部副部长陈肇雄指出，截至2017年6月，我国制造业重点行业骨干企业“双创”平台普及率为60%。中央企业已建成各类互联网“双创”平台110余个，聚集科技服务机构数超过1 200个，实现了仪器设备、技术成果等海量创新资源的在线化。

不过尽管一些企业在平台建设方面进行了大量积极探索，但在技术水平、应用水平、行业覆盖面以及应用开发生态上都与发达国家存在较大差距，仍处于起步阶段。国内工业互联网发展大环境正在加快形成。北京、湖北、湖南、浙江、贵州、上海、深圳等省市都先后出台了促进工业和信息化融合相关的文件资料。阿里巴巴、华为、腾讯等国内龙头企业也都在积极探索与工业互联网相关的解决方案。比较成功的案例有海尔的COSMO平台和三一重工的18号智能工厂。

3 工业互联网推动下智能工厂建设探析

当前，各大经济体都把提升制造业竞争力作为国家战略，我国也明确指出信息化与工业化深度融合的主线。利用工业互联网平台，在设计、供应、制造和服务各环节实现无缝协作的智能工厂建设则是实现我国制造大国向制造强国转变的核心。

3.1 智能化进程中的挑战

智能工厂的建设需从全局出发，顾及传统产业的转型升级和整个产业创新能力的提升，最大限度提升企业的生产效率和管理水平。但智能工厂的建设不是一蹴而就的，我国制造企业智能化进程中还面临着以下挑战：

（1）厂内生产数据基础不完善，现场设备互联难度较大，无法实时获取设备运行数据；MES与ERP，PLM等系统集成度低，数据流无法贯通，更无法与现场设备进行数据交互，设备巡检等维护工序依赖人工介入，无法实现数字化管理。

（2）厂内预防和分析数据缺乏：缺乏故障分析模型，不能很好地开展现场设备的预测性维护工作；物料、生产设备、人工等生产资源利用率较低；订单执行的全过程无法实现跟踪与管控。

（3）研发与生产、市场脱节：整机运行数据的采集工作尚处于起步阶段，无法满足后续研发需求；由于无法获取整机实际运行数据，导致研发人员无法根据使用场景，有针对性地提升产品质量、性能；无法实时监控全网整机运行状态，导致无法预测备品备件的使用量，尚未实现精准投放。

（4）服务管理能力需要提升：缺乏信息化管理流程，导致售后服务体系较为松散，缺乏远程通讯技术保障，现场维修时间较长。

3.2 智能工厂建设关键要素

3.2.1 自动化设备建设及改造

智能工厂的构建首先要保证硬件设备的完善。

自动化传送设备：自动化流水线/装配线通过轨道/传动装置、相关传感器及执行部件实现加工产品的自动流转；endprint

物料配送自动化设备：AGV自动搬运车根据物料标识自动定位识别，进行物料产品的自动运输，可以减少使用人员，提高搬运效率；

各种监控及采集模块设备：SCADA监控及采集模块可实现感知层的数据采集、传输和特定功能驱动控制，并对生产信息进行动态显示；

各种传感及检测设备：Sensor&Switch通过各种传感器识别工厂状态，由开关实现动作控制以及条码读写等。

通过利用智能装备实现生产过程自动化、机器换人，提升生产效率，实现从设计到制造的全过程端对端集成，统一工程语言与数据源，确保产品制造的一致性。

3.2.2 网络互联

网络互联的实施主要是解决工业互联网各种设备、系统之间的互联互通问题，涉及现场级、车间级、企业级设备和系统之间的互联，以及企业信息系统、产品、用户与云平台之间不同的互联场景。

通过M2M（Machine to Machine）通信模式，可實时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程等信息，从而实现设备与设备间的通信。同时，应满足用户的个性化需求，对接云端数据存储、数据分析和智能服务平台，帮助用户实现商业模式创新。

3.2.3 MES数据集成

通过对现场设备的物联集成（如检测设备、生产设备及物流设备等）实时采集设备运行参数。工业云将数据传送至MES，同时接收MES下发的控制命令，最终反馈至相应设备，从而实现对现场设备的数字化管理。通过对现场设备运行数据的实时分析处理，可更好地进行生产过程控制与工艺优化。集成工业大数据，覆盖工业生产的全流程和产品的全寿命周期，主要包括如下几项：

（1）现场设备数据主要来源于与平台连接的传感器、设备仪器仪表及工业控制系统采集的工业生产线设备、机器、产品等方面的数据，包括设备的运行数据和生产环境数据等；

（2）生产管理数据主要来源于传统流程信息化系统中产生的业务数据，包括SCM，CRM，ERP，MES等；

（3）外部数据主要来源于互联网的市场、客户、供应链等外部环境的信息和数据。

3.2.4 工业互联网平台构建

打造基于混合云的工业物联网平台，满足各类设备的远端互联需求，并以设备互联互通为基础，将生产数据、设备数据、产品实时工况数据等进行有机集成，为工业大数据的集成和应用提供IaaS，PaaS服务能力，包括设备接入和管理，大数据存储、处理和分析等。

设备接入服务支持基于平台标准物联协议设备、标准工业协议设备以及私有协议设备的接入、数据采集和控制；

设备管理服务提供设备快照、设备历史数据查询、设备用户绑定、设备数据呈现及远程控制等功能，并支持设备级的权限粒度，确保设备的安全；

通过建立基于Hadoop的大数据存储与分析平台，使其具备对工业级各类型大数据的存储与分析能力。

3.2.5 安全保证

对车间工控安全及网络安全加强监管与加固，对网络接入及互联网出入口的监控等安全体系建设势在必行。

网络安全保障包括基础网络环境安全、工业设备NB-IoT接入安全及工业大数据分析平台的安全。

工控安全贯穿工控系统全生命周期，建立安全监测与攻防研究服务体系势在必行。并应从工业和互联网两个视角分析、构建设备安全、网络安全、控制安全、应用安全和数据安全的安全保障体系。

工控网由管理层、安全数据交换层、监控层和控制层构成。其中，管理层的设备通常包括建立在以太网连接之上的MES（制造执行系统）服务器、工艺客户端、设计客户端等。

监控层包含DNC服务器、 MDC服务器、OPC服务器、工程师站、视频监控平台等，负责采集控制层的数据和对控制层发出指令。

控制层的控制和执行部分构成了生产单元，典型配置包括与通信信道相连接的工业交换机；通过工业以太网连接的控制设备机床可编程逻辑控制器PLC、现场终端等。与PLC通过现场总线相连的设备包括现场控制设备（如现场PLC）和现场执行设备，含有工业阀门和机械手及与其他控制子项相连的串口服务器，其他控制子项包括小型PLC和负责称重、检测、扫码等执行设备。

当前的网络存在诸多安全隐患，如缺乏边界防护、对外接口缺乏保护和监控等，需要采取诸如工业防火墙、网络隔离设备、终端防护设备等软硬件系统及工控安全管理制度以确保网络安全。

4 中国现阶段发展需求及建设启示

4.1 我国制造业发展现状

我国制造业虽然已经建立了雄厚的基础，取得了长足的发展。但一直徘徊在价值链底端，只在加工、生产环节建立起了成本优势。主要为代理品牌加工，附加价值低，不仅能源消耗与环境污染问题突出，企业更无法形成自己的核心竞争力，利润低下。故提高低端产品（低科技产品）的技术含量和附加值，获得持续发展，由低科技、价值链底端向价值链高端挺进的脚步刻不容缓。在智能制造、绿色制造、个性化定制等生产方式和理念上突破创新，才是企业持续发展的有效动力。

4.2 中国制造业转型升级的启示与建议

4.2.1 工业4.0带动下的制造业革命，我国仍处于萌芽阶段

西方有着深厚的工业化基础。1911年泰勒便提出并完善了科学管理体系。美国在50年代便有了工业工程的阐述，日本丰田在上述基础上形成了丰田生产方式，德国的工业4.0是企业在学习了日本精益生产25年的基础上，与信息化、自动化结合后提出的理念。工业化的管理基础，是制造企业无法绕过的“门槛”。硬件、软件、管理、人才等的前置投资必不可少。

在“中国制造2025”提出后，许多传统制造企业纷纷试水，有些企业实现了质的飞跃，然而有的却在互联网+的浪潮中奄奄一息。没能正视企业在生产制造过程中的弱点、痛点，忽视生产设备的工业化程度，只是盲目跟风互联网炒作，成为智能化进程中的牺牲品乃意料之中。endprint

4.2.2 企业的转型升级离不开政府支持、人才建设以及内部的管理调控

（1）人才建设

人才的竞争永远是制胜的关键。企业应扩大制造业重大基础研究、科研攻关方向的研究生人才招募规模，提高重点领域专业学位研究生培养比例。政府也应该积极引导高校招生计划向机械、电子信息类等对应制造业重点领域的专业倾斜。

（2）加强企业培训

在制造业领域推进学习型企业建设，坚持并完善企业职工全员培训制度。开展实施职工教育培训，像海尔设立的海尔大学，加强企业大学、培训中心等企业培训机构的建设。不仅要提高员工的专业技能，更要提高员工的责任感、归属感。

（3）知识产权保护

由于缺少自我保护意识，近年来因知识产权产生的国内外纠纷屡见不鲜。虽然我国高科技整体水平与世界工业强国之间还存在一定差距，但仍具有处于世界前沿的技术领域，对此应该予以重视。

（4）政府引导

中国工业互联网发展可谓任重道远，亟需加强政府引导。政府应该做好产业规划，激发产业链上游创新的活力，从而把握住当前工业互联网发展的关键时点与历史机遇，发挥国内市场优势，积极培育新模式新业态，强化应用创新，逐步实现我国工业面向网络化、智能化的整体突破。

5 结 语

通过对制约我国生产力因素的分析，提出了行之有效的解决方案，旨在实现长期制约制造业发展的关键共性技术突破，加速产业转型升级。

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