大數(shù)據(jù)推動(dòng)下的工業(yè)4.0

□文/石照耀 、侯晉珊

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大數(shù)據(jù)推動(dòng)下的工業(yè)4.0

□文/石照耀 、侯晉珊

隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，第四次工業(yè)革命悄然來臨，其中大數(shù)據(jù)也扮演著越來越重要的角色。從智能儀器設(shè)備的應(yīng)用、智能工廠的建設(shè)到企業(yè)生產(chǎn)、管理、銷售的變革升級(jí)，大數(shù)據(jù)在其中扮演著重要的角色。

大勢(shì)所趨——人類迎來大數(shù)據(jù)時(shí)代

對(duì)于“數(shù)據(jù)”這個(gè)詞我們并不陌生，那么現(xiàn)在社會(huì)流行的“大數(shù)據(jù)（Big data）”又是什么呢？顧名思義，所謂的“大數(shù)據(jù)”就是對(duì)大量、動(dòng)態(tài)、能持續(xù)的數(shù)據(jù)，通過運(yùn)用新系統(tǒng)、新工具、新模型的挖掘，獲得具有洞察力和新價(jià)值的東西。隨著云時(shí)代的來臨，大數(shù)據(jù)也吸引了越來越多的關(guān)注，悄然并將深刻地改變著我們的工作和生活。一天之中，我們都在與數(shù)據(jù)打交道，我們每天醒來在手機(jī)上的所有操作行為，瀏覽朋友圈、了解新聞熱點(diǎn)、查看股票信息等，都在不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，我們的生活已經(jīng)與數(shù)據(jù)息息相關(guān)。

科技進(jìn)步日新月異的今天，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)深刻改變著人類的思維、生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)方式。以當(dāng)今最熱門的電商軟件之一淘寶為例，網(wǎng)絡(luò)虛擬與現(xiàn)實(shí)購(gòu)物的完美結(jié)合，改變了我們傳統(tǒng)的購(gòu)物方式。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，淘寶也越來越智能化、人性化，例如每天推送的“猜你喜歡”會(huì)根據(jù)我們平時(shí)瀏覽購(gòu)物的數(shù)據(jù)記錄匯總分析出使用者的購(gòu)物喜好。類似的還有很多，例如網(wǎng)易云音樂中的“私人FM”，會(huì)根據(jù)你平時(shí)的聽歌記錄推送你喜歡的歌曲。將大數(shù)據(jù)與先進(jìn)的分析工具結(jié)合，通過對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘并實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)，用戶體驗(yàn)也變得越來越好。

數(shù)據(jù)就像是新的石油。除了給我們的日常生活帶來改變，大數(shù)據(jù)也正悄然改變國(guó)際戰(zhàn)略格局，數(shù)字主權(quán)將成為繼邊防、海防、空防之后另一個(gè)大國(guó)博弈的空間。大數(shù)據(jù)將改變國(guó)家治理架構(gòu)和模式：通過對(duì)海量、動(dòng)態(tài)、高增長(zhǎng)、多元化、多樣化數(shù)據(jù)的高速處理，快速獲得有價(jià)值信息，提高公共決策能力［1］。大數(shù)據(jù)是工業(yè)社會(huì)的“自由”資源，誰掌握了數(shù)據(jù)，誰就掌握了主動(dòng)權(quán)?？梢哉f“大數(shù)據(jù)”是一個(gè)時(shí)代的特征，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

石照耀 博士，博士生導(dǎo)師、教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、國(guó)務(wù)院有突出貢獻(xiàn)專家、科學(xué)中國(guó)人（2010）年度人物、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/ TC60中國(guó)委員、北京市精密測(cè)控技術(shù)及儀器工程技術(shù)研究中心主任

侯晉珊 北京工業(yè)大學(xué)、北京市精密測(cè)控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，在讀碩士研究生

制造發(fā)展——工業(yè)4.0的大數(shù)據(jù)環(huán)境

2013年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)被視為第四次工業(yè)革命的開端，工業(yè)領(lǐng)域幾乎所有的生產(chǎn)與系統(tǒng)正以越來越網(wǎng)絡(luò)化的形式向互聯(lián)網(wǎng)邁進(jìn)。在這一波全球性的產(chǎn)業(yè)革命中，互聯(lián)與高度融合成為工業(yè)4.0的最佳代名詞。它們的范圍非常廣：生產(chǎn)設(shè)備間的互聯(lián)、設(shè)備和產(chǎn)品間的互聯(lián)、虛擬和現(xiàn)實(shí)的互聯(lián)……最終實(shí)現(xiàn)所有人與人、人與物、物與物的相互連接。原本孤立的系統(tǒng)變得不再孤立，生產(chǎn)過程高效透明，進(jìn)而重新構(gòu)建起我們的生活方式，大數(shù)據(jù)環(huán)境也油然而生。

普遍意義上的大數(shù)據(jù)具有“4V”的特征，包括Volume 、Velocity、Variety、Veracity：

Volume（大量）是指非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的超大規(guī)模和快速增長(zhǎng)；

Velocity（高速）是指實(shí)時(shí)分析而非批量式分析，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與采集異常頻繁，以滿足我們的實(shí)時(shí)性需求；

Variety（多樣性）是指大數(shù)據(jù)的異構(gòu)與多樣，意味著從海量信息中挖掘內(nèi)在關(guān)聯(lián)并做出處理；

Veracity（真實(shí)性）是指避免數(shù)據(jù)收集和提煉過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量污染所導(dǎo)致的“虛假”信息。

圖1　工業(yè)大數(shù)據(jù)6V定義

而工業(yè)大數(shù)據(jù)除上述“4V”特征之外，它還包括另外兩個(gè)“V”，即Visibility和Value：

Visibility（可見性）是指通過大數(shù)據(jù)分析使以往不可見的重要因素和信息變得可見，改變傳統(tǒng)的工業(yè)視角，從用戶端的價(jià)值需求出發(fā)提供定制化的產(chǎn)品和服務(wù)；

Value（價(jià)值）是指通過大數(shù)據(jù)分析得到的信息應(yīng)該被轉(zhuǎn)換成價(jià)值（如圖1，工業(yè)大數(shù)據(jù)6V定義）。

大數(shù)據(jù)助推下的智能儀器設(shè)備

貼近我們生活的每臺(tái)智能儀器設(shè)備都有自己標(biāo)簽、代碼，像生命體一樣被一個(gè)大的服務(wù)器監(jiān)控著，一旦出現(xiàn)故障就會(huì)迅速反饋給總服務(wù)器，并可以快速定位到問題所在位置，繼而就有相關(guān)人員上門維修。這種服務(wù)的理念是我們現(xiàn)在社會(huì)所追求的：不僅要有出色的產(chǎn)品，更要有優(yōu)秀的售后體驗(yàn)。商家銷售產(chǎn)品，但銷售產(chǎn)品的核心目的是在使用中創(chuàng)造價(jià)值。在汽車領(lǐng)域，所有的高科技都可能首先與汽車業(yè)掛鉤。我們注意到現(xiàn)在越來越多的汽車用一塊顯示屏代替了傳統(tǒng)汽車的按鍵，不僅畫面簡(jiǎn)潔直觀，而且在操作過程中用戶也無需記憶功能各異的按鍵了。在倒車時(shí)，顯示屏畫面直接自動(dòng)切換到車后方的位置，駕駛者可以清楚直觀地看到車后面的情況。2014年12月22日，谷歌宣布已經(jīng)打造出第一輛全功能無人駕駛汽車原型，這是首款完全自動(dòng)駕駛的汽車。這款無人駕駛汽車能夠在沒有駕駛員控制的情況下，通過傳感器和車載電腦上的軟件系統(tǒng)自動(dòng)行駛。

大數(shù)據(jù)助推下的智能工廠

在大數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析操控下，制造企業(yè)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品的運(yùn)作狀態(tài)，對(duì)所有客戶細(xì)分并優(yōu)化生產(chǎn)流程，還能根據(jù)客戶需要定制產(chǎn)品等。德國(guó)著名企業(yè)之一——博世公司，在建設(shè)智能工廠方面取得了突出的成績(jī)。區(qū)別于傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)線，在博世的洪堡物流中心，所有的零部件都有一個(gè)唯一的射頻識(shí)別碼，通過每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)將識(shí)別信息讀取并反饋到總服務(wù)器，各條生產(chǎn)線可以井然有序地高效運(yùn)行，就像產(chǎn)品具有了生命并且還能使用身份證一樣。雖然有了“身份證”，但因?yàn)槊糠N零部件都不盡相同，所以產(chǎn)品的智能標(biāo)簽也并非只有一種，例如條形碼、二維碼、射頻碼和傳感器，每種標(biāo)簽都有不同的應(yīng)用特點(diǎn)和功能：條形碼和二維碼必須近距離掃描，如果零部件由不同的供應(yīng)商提供，那么每個(gè)產(chǎn)品在出廠時(shí)都要標(biāo)貼一個(gè)能夠識(shí)別供應(yīng)商的二維碼；射頻碼可以穿透各種介質(zhì)被迅速讀取，在射頻碼使用以前都是需要人工手動(dòng)在電腦前輸入零件相關(guān)信息，效率低下且容易出錯(cuò)。智能化之后，工廠庫(kù)存減少了30％，生產(chǎn)效率提高了10％，由此節(jié)約的資金達(dá)幾千萬歐元，相比之下，新系統(tǒng)投入花費(fèi)的幾十萬歐元還是非常值得的。另外這種給零件貼標(biāo)簽的智能化方式使得整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)控制更加透明化、實(shí)時(shí)化。

大數(shù)據(jù)助推下的企業(yè)發(fā)展

在傳統(tǒng)制造企業(yè)，大量的數(shù)據(jù)分散在各個(gè)部門，如果想在整個(gè)企業(yè)及時(shí)、迅速地提煉出相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)很困難，而有了工業(yè)大數(shù)據(jù)，就可以利用相關(guān)技術(shù)將所有數(shù)據(jù)集成在一起，進(jìn)而分析得到我們所需要的東西?，F(xiàn)在許多企業(yè)順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，將大數(shù)據(jù)應(yīng)用其中，積極進(jìn)行改革升級(jí)，生產(chǎn)出富有“生命”的智能產(chǎn)品。例如SAP企業(yè)，研、產(chǎn)、供、銷、服五個(gè)維度已經(jīng)不是獨(dú)立的系統(tǒng)，而是通過數(shù)據(jù)傳輸集成在一起（如圖2，SAP企業(yè)5維度集成）。

圖2　SAP企業(yè)5維度集成

第一個(gè)維度是在企業(yè)內(nèi)部，通過SAP ERP、SAP執(zhí)行方案、SAP數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視以及到設(shè)備層的集成完成企業(yè)內(nèi)部運(yùn)營(yíng)；

第二個(gè)維度是設(shè)備機(jī)器之間的鏈接；

第三個(gè)維度是可變式的產(chǎn)品從電商到生產(chǎn)系統(tǒng)的集成；

第四個(gè)維度是生產(chǎn)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可視化、可追溯、質(zhì)量控制等功能；

第五個(gè)維度是企業(yè)可以利用云端優(yōu)勢(shì)來優(yōu)化全球服務(wù)。

這些集成都離不開大數(shù)據(jù)的分析，所以是什么承載了SAP企業(yè)大數(shù)據(jù)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)呢？答案是SAP HANA（SAP high-performance analytic appliance）即SAP高性能分析設(shè)備，它是一個(gè)軟硬件結(jié)合體，專注于實(shí)施大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的內(nèi)存計(jì)算機(jī)平臺(tái)。就像蘋果把郵件、電話、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、文檔處理以及個(gè)人娛樂集成在iPhone一樣，SAP HANA也集成了大數(shù)據(jù)分析所需的功能：它能夠加速處理在線交易，同時(shí)可以作為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析；它能夠加速傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)，又能鏈接外部的Hadoop進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理［3］，將企業(yè)日常所需的數(shù)據(jù)需求全部集中在一個(gè)平臺(tái)上。SAP HANA分析處理數(shù)據(jù)的速度非?？欤鐚⒃撓到y(tǒng)用于醫(yī)學(xué)基因分析，原本需要4到5天才能得出結(jié)果的報(bào)告將來只需20分鐘就可以了！不僅速度快，SAP HANA通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析挖掘還可預(yù)測(cè)未來，并幫助用戶做出正確的判斷，從而預(yù)防疾病的發(fā)生。

防患未然——大數(shù)據(jù)發(fā)展有待解決的問題

互聯(lián)網(wǎng)的普及使得累積的用戶網(wǎng)絡(luò)行為數(shù)據(jù)也異常龐大，以至于已經(jīng)不能用G或T來衡量。 截止到2012年，數(shù)據(jù)量已經(jīng)從TB級(jí)別躍升到PB、EB乃至ZB級(jí)別。國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）的研究結(jié)果表明，2008年全球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為0.49ZB，2009年的數(shù)據(jù)量為0.8ZB，2010年增長(zhǎng)為1.2ZB，2011年的數(shù)量更是高達(dá)1.82ZB，相當(dāng)于全球每人產(chǎn)生200GB以上的數(shù)據(jù)［4］。而到2012年為止，人類生產(chǎn)的所有印刷材料的數(shù)據(jù)量也不過200PB，全人類歷史上說過的所有話的數(shù)據(jù)量大約是5EB。IBM的研究稱，整個(gè)人類文明所獲得的全部數(shù)據(jù)中，有90％是過去兩年內(nèi)產(chǎn)生的。而到了2020年，全世界所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模將是今天的44倍。

首先，龐大的數(shù)據(jù)迫使人們開發(fā)容量大、速度快的服務(wù)器。不僅如此，隨著社會(huì)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，遠(yuǎn)程無線移動(dòng)控制系統(tǒng)也成為智能設(shè)備的主流之一。要讓機(jī)器像人一樣擁有“智慧”，就必須賦予它像人一樣的“大腦”，即用分析處理數(shù)據(jù)的服務(wù)器，挖掘數(shù)據(jù)潛在的商業(yè)價(jià)值，為客戶做出最佳預(yù)計(jì)決策，達(dá)到運(yùn)營(yíng)商與客戶互利共贏的效果。那么如何向服務(wù)器傳輸信息呢？人體有眼睛，嘴巴，耳朵等感官系統(tǒng)，類比之下，智能儀器來也需要大量的傳感器。傳統(tǒng)的傳感器由于布線和通信裝置繁多，缺點(diǎn)也隨之暴露。而在大數(shù)據(jù)爆炸的年代，這種有線傳輸再也不能行得通，我們要用數(shù)據(jù)來反映最多的信息，就必須發(fā)展無線傳感器。

其次，隨著全球大數(shù)據(jù)信息的發(fā)展，世界各國(guó)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，懲治網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、信息濫用等不法行為，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全將會(huì)是國(guó)際社會(huì)的共同責(zé)任。我國(guó)寬帶網(wǎng)絡(luò)也要加強(qiáng)建設(shè)，預(yù)計(jì)2020年，中國(guó)的寬帶網(wǎng)將基本覆蓋所有的行政村。由于我們生活在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，自己的隱私容易泄露，還有一些不法分子發(fā)布虛假信息欺騙消費(fèi)者等問題，所以我國(guó)要加強(qiáng)完善立法，推進(jìn)大數(shù)據(jù)開放、共享以及安全方面的相關(guān)立法與標(biāo)準(zhǔn)制定，讓網(wǎng)絡(luò)在法治的軌道上健康的運(yùn)行。

圖3　2008-2011年全球數(shù)據(jù)量變化情況（單位：ZB）

不斷創(chuàng)新——暢想未來

回顧前三次工業(yè)革命，實(shí)際上是應(yīng)用機(jī)械、電氣和信息技術(shù)等越來越先進(jìn)的生產(chǎn)工具將人力從繁重的生產(chǎn)活動(dòng)中解放出來，從而提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本的過程。而目前進(jìn)行的第四次工業(yè)革命，其本質(zhì)是互聯(lián)網(wǎng)深度參與生產(chǎn)活動(dòng)，將制造業(yè)對(duì)勞動(dòng)力的依賴和生產(chǎn)成本優(yōu)化到一個(gè)新高度。在機(jī)器大生產(chǎn)的蒸汽時(shí)代，英國(guó)迅速崛起成為當(dāng)時(shí)的日不落帝國(guó)，實(shí)現(xiàn)了人的雙手的解放。在如今的二十一世紀(jì)，則要通過全民創(chuàng)新解放人的大腦。我國(guó)政府在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形勢(shì)下提出了“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的重要指導(dǎo)思想，發(fā)展“新經(jīng)濟(jì)”促進(jìn)中國(guó)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。不僅僅指“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、電子商務(wù)等新興產(chǎn)業(yè)和業(yè)態(tài)，也包括工業(yè)制造當(dāng)中的智能制造、大規(guī)模的定制化生產(chǎn)等等。中國(guó)要推動(dòng)涉及到重化工企業(yè)去產(chǎn)能，就需要把富余的員工轉(zhuǎn)崗，而新動(dòng)能發(fā)展起來就可以提供更多的就業(yè)崗位?！按蟊妱?chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”將億萬群眾的創(chuàng)造力、積極性調(diào)動(dòng)起來，形成一股強(qiáng)大的勢(shì)力促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型。億萬民眾的參與，不但可以實(shí)現(xiàn)人的全面發(fā)展，更可以促進(jìn)國(guó)家的繁榮進(jìn)步。一個(gè)很典型的例子，現(xiàn)在越來越多的人做了微商，借助網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)分享自己的經(jīng)驗(yàn)、產(chǎn)品，相隔萬里的人也可以交流交易，“遠(yuǎn)親不如近鄰”的時(shí)代一去不復(fù)返了。我們正處于第四次工業(yè)革命的初期，大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)作為支撐，虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合使我們的生活更加便利。在這一波全球性的產(chǎn)業(yè)革命中，中國(guó)切實(shí)抓住機(jī)遇，將大力實(shí)施網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，推進(jìn)“數(shù)字中國(guó)”建設(shè)，發(fā)展積極向上的網(wǎng)絡(luò)文化。根據(jù)產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，集成電路及專用設(shè)備、信息通信設(shè)備、操作系統(tǒng)與工業(yè)軟件、智能制造核心信息、新一代網(wǎng)絡(luò)、高性能計(jì)算機(jī)與服務(wù)器等17個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，成為未來我國(guó)中長(zhǎng)期產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。

2007年，史蒂夫?喬布斯發(fā)布了第一代iPhone時(shí)，便劃時(shí)代地改變了手機(jī)，超越了當(dāng)時(shí)所有的手機(jī)用戶體驗(yàn)，創(chuàng)新性地將手機(jī)實(shí)體按鍵取消，擴(kuò)大了手機(jī)顯示屏，開創(chuàng)了手機(jī)觸屏?xí)r代，將音樂、互聯(lián)網(wǎng)、電話等功能集成在一部手機(jī)上，讓手機(jī)變得智能。如今，更多的智能設(shè)備誕生并方便我們的生活，例如智能電視，它既可以聯(lián)網(wǎng)看視頻，還可以當(dāng)作KTV點(diǎn)播歌曲，取代了傳統(tǒng)VCD播放器；再比如智能馬桶，除了馬桶蓋隨時(shí)溫?zé)?，還具有自動(dòng)清潔、自動(dòng)感應(yīng)沖水等許多功能；還有智能手表，可以同步手機(jī)中的電話、短信、郵件、照片、音樂等。總之，我們可以感覺到所有的東西都在向互聯(lián)互通發(fā)展：電視不僅僅是電視，而是一個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，手機(jī)不僅僅是手機(jī)，而是一個(gè)可移動(dòng)的互聯(lián)網(wǎng)……在正在發(fā)生的未來中，信息技術(shù)以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)和大數(shù)據(jù)等新興熱點(diǎn)技術(shù)為核心和代表，以信息技術(shù)應(yīng)用為主線的我們所生活的智慧城市，是城市信息化的高級(jí)階段。信息化與城市化高度融合，彰顯著以人為本的可持續(xù)創(chuàng)新。

參考資料

［1］ 華商網(wǎng)，“國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”，http：// news.hsw.cn/system/2015/1112/325266_4.shtml

［2］ Jay Lee【美】李杰著. 邱伯華譯. 工業(yè)大數(shù)據(jù)工業(yè)4.0時(shí)代的工業(yè)轉(zhuǎn)型與價(jià)值創(chuàng)造［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2015.

［3］ 夏妍娜. 趙勝. 工業(yè)4.0正在發(fā)生的未來［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2015.

［4］ 新華財(cái)經(jīng)網(wǎng)，“大數(shù)據(jù)有多大”，http：//news.xinhuanet.com/fortune/2015-04/30/ c_127753550.htm

在計(jì)算機(jī)信息技術(shù)科學(xué)中，字節(jié)（Byte，簡(jiǎn)寫為B）是最小的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單位，每8個(gè)二進(jìn)制位（0或1）為1個(gè)字節(jié)，不同數(shù)量級(jí)之間的換算關(guān)系如下：

1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

1PB=1024TB

1EB=1024PB

1ZB=1024EB