制造業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)：數(shù)字化時(shí)代與互聯(lián)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)

在工業(yè)4.0的大背景下，全球制造業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)是工業(yè)數(shù)字化和互聯(lián)化，正在構(gòu)建數(shù)字化市場(chǎng)和互聯(lián)的制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。全球市場(chǎng)制造業(yè)面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)，制造業(yè)顛覆性創(chuàng)新作為新產(chǎn)品、服務(wù)和技術(shù)的驅(qū)動(dòng)因素，為制造業(yè)和新興經(jīng)濟(jì)體發(fā)展提供了良好的發(fā)展機(jī)遇，包括循環(huán)經(jīng)濟(jì)和其它顛覆式商業(yè)模式。同時(shí)制造業(yè)企業(yè)面臨核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)、全球化競(jìng)爭(zhēng)加劇和人才短缺等挑戰(zhàn)。2017年6月世界制造論壇上，全球制造業(yè)VIP提出了制造業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，即用戶體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)正在重新塑造制造業(yè)，全球知名企業(yè)正在加速向全生命周期的數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)型，勞動(dòng)力資源的新角色和持續(xù)教育，即持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)流程、提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量，提升用戶體驗(yàn)。

1 用戶體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)正在重新塑造制造業(yè)

圖1 汽車制造業(yè)的用戶體驗(yàn)轉(zhuǎn)型[1]

全球制造業(yè)制造范式正在轉(zhuǎn)向加速和加強(qiáng)用戶在設(shè)計(jì)制造中的參與，即制造業(yè)制造范式正在向體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。例如汽車制造業(yè)從過(guò)去的大批量生產(chǎn)向地區(qū)化、個(gè)性化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，適應(yīng)不斷變化的需求，更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品超出客戶期望（見(jiàn)圖1）。

從模擬產(chǎn)品到創(chuàng)建用戶體驗(yàn)，技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)為創(chuàng)建用戶體驗(yàn)提供了機(jī)遇，如IoT/IIoT、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等，促進(jìn)了智慧醫(yī)療、智慧工廠、智慧家居、智慧交通，從而形成了智慧城市。Dassault公司提出了3DEXPE?RIENCE制造技術(shù)提供了持續(xù)的數(shù)字化解決方案，其中互聯(lián)技術(shù)的創(chuàng)新提供了所有使用者快速產(chǎn)品交付，用戶使用數(shù)字化實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工業(yè)體驗(yàn)，為用戶基于數(shù)字模型提供了購(gòu)買決策支持。目前很多國(guó)際上的大公司都在加速、加強(qiáng)用戶體驗(yàn)，包括世界500強(qiáng)的PSA,AIRBUS等，財(cái)富500強(qiáng)公司中2000年以來(lái)消失的公司大部分是因?yàn)閿?shù)字化進(jìn)程太慢失去了競(jìng)爭(zhēng)力。數(shù)字化增強(qiáng)和提供了企業(yè)敏捷產(chǎn)品，快速為用戶提供獨(dú)特的價(jià)值。

2 企業(yè)正在加速向全生命周期的數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)型

德國(guó)Siemens公司在整個(gè)制造過(guò)程價(jià)值鏈基礎(chǔ)上創(chuàng)建了數(shù)字孿生，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、批量生產(chǎn)和服務(wù)（見(jiàn)圖2）。上述價(jià)值鏈?zhǔn)腔谠坪烷_(kāi)放式IOT操作系統(tǒng)，協(xié)同平臺(tái)為Teamcenter。Teamcenter集成了不同階段使用的軟件工具，例如在設(shè)計(jì)階段包括CAD/CAE/CAM,開(kāi)放中需要模擬和認(rèn)證的嵌入式軟件Polarion ALM等,在生產(chǎn)規(guī)劃階段，Teamcenter集成了 Manufacturing，Tecnomatix Process Simulate等軟件，模擬操作工人的工作條件、模擬機(jī)器人操作流程等。Teamcenter是基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，而其開(kāi)放式的生產(chǎn)操作系統(tǒng)（MindSphere）是Siemens的基于云的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放式操作系統(tǒng)。

企業(yè)使用數(shù)字化的開(kāi)放式的生產(chǎn)操作系統(tǒng)的好處：歐洲著名豪華汽車品牌Maserati新產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間縮短了30%，生產(chǎn)效率提高了2倍，MindSphere為生產(chǎn)提供了70,000多種技術(shù)組合。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型必須應(yīng)用數(shù)字企業(yè)套件。數(shù)字企業(yè)套件是Siemens獨(dú)特的產(chǎn)品組合數(shù)字化轉(zhuǎn)型的典范。

圖2 Siemens 全價(jià)值鏈數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)[2]

數(shù)字化轉(zhuǎn)型長(zhǎng)期以來(lái)一直是管理議程的主題之一。而這是一種永恒的趨勢(shì)，不斷受到新一代數(shù)字技術(shù)的推動(dòng)而更新。不僅創(chuàng)業(yè)公司而且成熟公司正在開(kāi)發(fā)新的、創(chuàng)新的商業(yè)模式，以證明其盈利能力和可持續(xù)性。

企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型有四個(gè)特征，即數(shù)字化轉(zhuǎn)型是不可避免的，不可逆轉(zhuǎn)的，非?？焖俚暮统錆M不確定性的[3]。這四個(gè)特征說(shuō)明了數(shù)字化的轉(zhuǎn)型商業(yè)和社會(huì)是一個(gè)只會(huì)因規(guī)則而放慢腳步，但不能停止的過(guò)程。企業(yè)不應(yīng)該受到誘惑沉迷于現(xiàn)有的商業(yè)模式。相反，它是關(guān)于不斷評(píng)估新的數(shù)字技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)會(huì),評(píng)估現(xiàn)有的商業(yè)模式。

3 互聯(lián)技術(shù)促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)

當(dāng)前信息技術(shù)包括云技術(shù)、企業(yè)數(shù)據(jù)中心、傳統(tǒng)和嵌入式終端以及網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)互聯(lián)性、數(shù)據(jù)共享和分析以及技術(shù)融合，物聯(lián)網(wǎng)將信息技術(shù)和操作運(yùn)營(yíng)融合在一起。

未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)都需要更多分布式計(jì)算功能，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)需要更加虛擬化、可擴(kuò)展、可靠、安全、實(shí)時(shí)的計(jì)算和存儲(chǔ)，在邊緣、在運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域霧計(jì)算（Fog Computing）的硬件和軟件應(yīng)用會(huì)逐步擴(kuò)大。

圖3 Nebbiolo Technologies工業(yè)金字塔的新功能層[4]

Nebbiolo Technologies提出了工業(yè)金字塔的新功能層（見(jiàn)圖3），即采用霧計(jì)算（Fog Computation），包括通訊、分析、控制和應(yīng)用主機(jī)及組合控制（Orchestra?tion）,基于局部的豐富的分析進(jìn)行的編輯控制(Orches?trated Control)，這是驅(qū)動(dòng)IT和操作層不斷融合和未來(lái)工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）控制的基礎(chǔ)。

工業(yè)運(yùn)營(yíng)技術(shù)面臨很大的挑戰(zhàn)，當(dāng)前企業(yè)資源是碎片化的、無(wú)序管理和不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。一個(gè)典型的汽車車身車間包含了40個(gè)開(kāi)關(guān)、可編程邏輯控制器(PLC)134個(gè)、959臺(tái)機(jī)器人、507個(gè)焊接控制器、自動(dòng)化總線I/O模塊1333個(gè)和其他裝置及開(kāi)關(guān)7362個(gè)。如此龐大的系統(tǒng)和裝置需要很大的邊緣計(jì)算（Edge Computing）,但是多數(shù)企業(yè)沒(méi)有專門的計(jì)算能力、這些設(shè)備和裝置是獨(dú)立的，沒(méi)有信息互聯(lián)，都是手動(dòng)操作、軟件不統(tǒng)一、靈活性差、不開(kāi)放，不容易容納創(chuàng)新變革。

多數(shù)工業(yè)運(yùn)營(yíng)面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是大數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用，包括在邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)的獲取、分析和可視化。硬件方面，面臨著很多硬件處于零散狀態(tài)，缺乏可融合的模塊、大批量、敏捷和可信賴的構(gòu)架。軟件方面，在不同層級(jí)上存在不同的編程模型，軟件版本落后、不安全的手動(dòng)更新、需要更現(xiàn)代化的布局。控制系統(tǒng)方面，也是碎片化、不容易實(shí)現(xiàn)編程，需要復(fù)雜的、協(xié)同控制豐富的傳感器。網(wǎng)聯(lián)方面，仍然考手動(dòng)配置、非標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)、無(wú)線連接只在局部實(shí)現(xiàn)，很難通過(guò)防火墻進(jìn)行通信。安全方面，多數(shù)企業(yè)IT與操作（OT）分離，缺乏操作層面的安全保障。

隨著5G的發(fā)展，企業(yè)制造車間會(huì)出現(xiàn)新的融合功能，在霧層（Fog Layer）上融合和增強(qiáng)現(xiàn)有的功能，如機(jī)器人控制與可視化、可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)與掃描閱讀器、車間控制、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、ERP/MRP系統(tǒng)，新的系統(tǒng)功能也會(huì)增加。

Nebbiolo Technologies提出了未來(lái)霧計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展方向[4]：

IT/OT融合：進(jìn)入新市場(chǎng)

?將云技術(shù)引入工業(yè)自動(dòng)化-打開(kāi)IT/OT異花授粉的大門，發(fā)揮兩者優(yōu)勢(shì)

?客戶最終可以通過(guò)云可信技術(shù)支持的敏捷性在OT中進(jìn)行創(chuàng)新

虛擬化融合基礎(chǔ)設(shè)施：提高效率、降低成本

?在通用計(jì)算平臺(tái)上整合管理分散的資源，便于計(jì)算、存儲(chǔ)、虛擬化和網(wǎng)絡(luò)化

?在通用平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)集成

?支持現(xiàn)代軟件技術(shù)，同時(shí)支持舊軟件和傳統(tǒng)軟件

邊緣數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用程序基礎(chǔ)架構(gòu)：獲得新的洞察

?通過(guò)云端學(xué)習(xí)，獲得實(shí)時(shí)的洞察力，優(yōu)化機(jī)器/工廠操作和質(zhì)量控制，

?用于敏捷分析和智能應(yīng)用程序部署的應(yīng)用程序編排基礎(chǔ)架構(gòu)

機(jī)器作為平臺(tái)：促進(jìn)新的收益

?機(jī)器制造商可以超越傳統(tǒng)的零部件制造商的限制，成為用于分析、可視化的集成提供商/解決方案提供商，并提供開(kāi)放的協(xié)作平臺(tái)。

信息安全可靠的平臺(tái)：設(shè)備、數(shù)據(jù)隱私和安全的守護(hù)者

?云端到邊端、到端的安全性（Cloud-to-Edge end-to-end）

?廣泛的數(shù)據(jù)隱私和權(quán)利

4 重塑勞動(dòng)力資源的新角色，持續(xù)提升教育水平，為制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)奠定基礎(chǔ)

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的四大基石是顧客參與、雇員授權(quán)、優(yōu)化操作和產(chǎn)品轉(zhuǎn)型。數(shù)字化進(jìn)程賦予勞動(dòng)力資源新的角色，需要重新評(píng)估勞動(dòng)力資源:

?需要更全面了解操作層面，更深入的洞察。由于數(shù)據(jù)、可視化和分析而提高了認(rèn)識(shí)。

?了解更復(fù)雜的行為。

?專注于人類更高級(jí)的任務(wù)，可以比重復(fù)活動(dòng)做得更好，這些重復(fù)的活動(dòng)自然適合機(jī)器的事情

■直覺(jué)和超越AI的復(fù)雜推理與經(jīng)驗(yàn)

■利用人類未開(kāi)發(fā)的全部潛力，超越重復(fù)活動(dòng)和機(jī)械執(zhí)行的任務(wù)。

■這需要更廣泛的教育、系統(tǒng)級(jí)別和準(zhǔn)備更高層的邏輯

■風(fēng)格、設(shè)計(jì)、藝術(shù)和創(chuàng)意應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的各個(gè)方面以及工業(yè)活動(dòng)

?擴(kuò)展、擴(kuò)大人類和機(jī)器的協(xié)同工作潛力

?大力加強(qiáng)IT和OT實(shí)踐教育

?更深入地了解復(fù)雜系統(tǒng)、交互和子系統(tǒng)

?能夠通過(guò)直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)數(shù)據(jù)分析及總結(jié)

?能夠直接指導(dǎo)參與的工業(yè)流程的優(yōu)化模擬和優(yōu)化工藝過(guò)程，而不僅僅是被動(dòng)做自動(dòng)的機(jī)器

?參與改進(jìn)流程的動(dòng)機(jī)

?通過(guò)更廣泛的教育提升人類的科學(xué)和藝術(shù)方面的水平，在有利于公司可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境中，有足夠的動(dòng)力對(duì)公司業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)做出貢獻(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)與展望

數(shù)字化為企業(yè)價(jià)值鏈帶來(lái)了很多好處，但是數(shù)字化之路任重道遠(yuǎn)。企業(yè)面臨碎片化的軟、硬件資源、面臨大數(shù)據(jù)計(jì)算與分析、控制系統(tǒng)孤島和信息安全的挑戰(zhàn)，同時(shí)隨著工業(yè)4.0的發(fā)展和第4次工業(yè)革命的浪潮下，面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇，互聯(lián)企業(yè)+數(shù)字化企業(yè)是人工智能發(fā)展智能工廠的基礎(chǔ)。

當(dāng)前人與機(jī)器一起以非?；镜姆绞皆趨f(xié)同工作，展望未來(lái)：

?企業(yè)會(huì)面臨更深入的機(jī)器人與人類的協(xié)同工作；

?未來(lái)更豐富的傳感器和融合控制架構(gòu)，使得人機(jī)協(xié)同工作更安全、更強(qiáng)互動(dòng)、更具協(xié)作性；

?開(kāi)放更多的協(xié)同工作領(lǐng)域；

?更豐富的用戶界面（UI）和更多的可穿戴設(shè)備，如平板電腦和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）。