工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在流程工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

姚 杰，溫懷鳳，張桂花

(重慶川儀軟件有限公司，重慶 401121)

0 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。國務(wù)院發(fā)布的中國制造2025戰(zhàn)略，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強國的必由之路[1]。近年來，制造業(yè)面臨較大下行壓力，加上全球疫情的影響，短期還將面臨企業(yè)招工難、成本負擔(dān)重和市場需求降速等影響。國內(nèi)外行業(yè)巨頭紛紛跨界，搶抓當(dāng)下全球產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈重構(gòu)的關(guān)鍵時期，通過建構(gòu)優(yōu)質(zhì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)布局制造業(yè)。作為21世紀社會發(fā)展的最強動力之一，信息通信技術(shù)已成為促進工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)和公共事務(wù)發(fā)展的重要力量。經(jīng)過近幾年的摸索與發(fā)展，逐漸形成了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為流程工業(yè)智能制造引擎的應(yīng)用模式。

1 流程工業(yè)亟待解決的問題

流程工業(yè)主要包括油氣、煉化、化工、冶金、能源、環(huán)保等，是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)原材料工業(yè)。其生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜、連續(xù)，設(shè)備大型化、自動化程度較高，工藝流程相對固定，屬于資源和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。流程工業(yè)在制造業(yè)以及整個國民經(jīng)濟中占據(jù)著舉足輕重的地位，其生產(chǎn)水平直接影響我國制造業(yè)的強弱和國家的經(jīng)濟基礎(chǔ)[2]。

我國流程工業(yè)經(jīng)過幾十年發(fā)展，取得了顯著進步，但普遍存在生產(chǎn)效率低、能耗物耗高、安全環(huán)保問題突出等現(xiàn)象，系統(tǒng)運行水平也參差不齊。究其原因，是我國流程工業(yè)的經(jīng)營決策、資源與能源的配置計劃、生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制系統(tǒng)指令，以及生產(chǎn)管理與運行仍嚴重依賴知識型工作者的經(jīng)驗，遠遠沒有實現(xiàn)全流程整體運行優(yōu)化；生產(chǎn)工藝研究過程還停留在企業(yè)的生產(chǎn)試驗，遠沒有實現(xiàn)數(shù)字煉鋼、數(shù)字煉油等虛擬制造，嚴重阻礙了流程工業(yè)向高效化、綠色化方向發(fā)展。

與此同時，流程工業(yè)還需要解決一系列核心技術(shù)問題，包括整個制造流程的一體化控制、各類專業(yè)設(shè)備與制造工藝過程的精確建模、工藝參數(shù)與生產(chǎn)指標的數(shù)據(jù)采集技術(shù)與算法分析、原料和能源消耗過程的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、生產(chǎn)運行過程中設(shè)備的故障預(yù)測與診斷等。因此，傳統(tǒng)流程工業(yè)急需依托于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的先進數(shù)字化信息技術(shù)進行有效提升。只有充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、虛擬制造、邊緣計算、數(shù)字孿生等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，結(jié)合企業(yè)自身的生產(chǎn)特點，通過工業(yè)化與信息化深度融合，推進流程工業(yè)的自動化、集中化、集成化、整體化，才能使中國流程工業(yè)由大變強、領(lǐng)先國際流程制造業(yè)。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場和產(chǎn)品架構(gòu)

從中國制造邁向中國智造，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被視為實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級和打造智慧工廠的有力工具。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、感知技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)連接融合的結(jié)果。它廣泛連接人、機、物等各類生產(chǎn)要素，構(gòu)建支撐海量工業(yè)數(shù)據(jù)管理、建模與分析的數(shù)字化平臺，提供端到端的安全保障，以此驅(qū)動制造業(yè)的智能化發(fā)展，引發(fā)制造模式、服務(wù)模式與商業(yè)模式的創(chuàng)新變革[3]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的技術(shù)架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點，面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺[4]。中國工程院院士鄔賀銓指出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在一定程度上是新工業(yè)體系的“操作系統(tǒng)”，向下對接海量工業(yè)裝備、儀器儀表、控制系統(tǒng)，向上支撐工業(yè)智能化應(yīng)用的快速開發(fā)與部署，發(fā)揮著類似于微軟Windows、谷歌安卓系統(tǒng)和蘋果iOS系統(tǒng)的重要作用[5]。

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2018年全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模約為8 059.1億美元，年均增長5.51%[6]，重點發(fā)展區(qū)域主要是美國、歐洲和亞太地區(qū)。美國集團優(yōu)勢明顯，GE、微軟、羅克韋爾、亞馬遜等巨頭積極布局前沿技術(shù)創(chuàng)新，工業(yè)知識經(jīng)驗軟件化、平臺化能力處于全球領(lǐng)先地位。歐洲工業(yè)巨頭(如西門子、博世、ABB、SAP等)憑借在制造業(yè)中的優(yōu)勢，在產(chǎn)品研發(fā)、裝備和自動化系統(tǒng)、工業(yè)控制和工藝流程等領(lǐng)域快速發(fā)展應(yīng)用[7]。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)僅提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的企業(yè)就有35家，根據(jù)出身不同和對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理解不同，各自優(yōu)勢和發(fā)展路徑也不同，大致可分為三類：第一類是以航天科工、三一重工、海爾為代表的工業(yè)龍頭企業(yè)，對制造流程輕車熟路，從制造業(yè)視角打造相對實用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但互聯(lián)網(wǎng)基因、云計算技術(shù)能力相對薄弱；第二類是用友、浪潮、華為等信息通信企業(yè)，憑借在企業(yè)級市場的積累，結(jié)合產(chǎn)品技術(shù)和解決方案的積累，從底座產(chǎn)品出發(fā)打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺；第三類是以BAT為代表的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，在互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)領(lǐng)域具有先天優(yōu)勢，但對制造業(yè)痛點和邏輯不夠了解。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是從傳統(tǒng)工業(yè)信息技術(shù)(information technology,IT)架構(gòu)轉(zhuǎn)變而來的。與傳統(tǒng)工業(yè)信息技術(shù)相比，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺解決方案實現(xiàn)了從流程驅(qū)動的業(yè)務(wù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動的平臺應(yīng)用新模式，更易于整合各種信息孤島和集成各種數(shù)據(jù)資源。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺以基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(infrastructure as a service,IaaS)層為基礎(chǔ)，通過云端加邊緣部署的方式，集成各種設(shè)備、數(shù)據(jù)的接入和解析；以平臺即服務(wù)(platform as a service,PaaS)層為核心，一方面將工業(yè)知識解耦為機理模型并固化為平臺核心資源，另一方面通過機器學(xué)習(xí)將不斷積累的數(shù)據(jù)經(jīng)過“訓(xùn)練”以形成新的行業(yè)知識；以軟件即服務(wù)(software as a service,SaaS)層為應(yīng)用，針對不同工業(yè)場景，基于面向?qū)ο蠛头謱釉O(shè)計理念提供開放的應(yīng)用服務(wù)。這些技術(shù)貼近制造業(yè)痛點，能夠解決傳統(tǒng)制造業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型升級問題。

3 化工行業(yè)應(yīng)用需求及成效

智能制造是基于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱[8-9]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是智能制造的關(guān)鍵基礎(chǔ)，為其變革提供了必需的共性基礎(chǔ)設(shè)施和功能，在企業(yè)落地應(yīng)用中取得了不錯的效果。下面以化工行業(yè)的智能制造轉(zhuǎn)型升級為例，介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在企業(yè)實際應(yīng)用中的需求與成效。

3.1 應(yīng)用需求

化工是典型的流程工業(yè)?；ば袠I(yè)的生產(chǎn)過程經(jīng)常在高溫、高壓、易燃、易爆、強腐蝕性的環(huán)境下進行，自動化控制程度非常高，屬于連續(xù)性生產(chǎn)，主要通過計算機集散控制系統(tǒng)采集過程控制與設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)?；て髽I(yè)普遍建設(shè)了企業(yè)信息系統(tǒng)，用于企業(yè)資源計劃、產(chǎn)品生命周期、供應(yīng)鏈、客戶關(guān)系和環(huán)境安全等管理[10-11]。

隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)和運營技術(shù)的不斷發(fā)展，化工行業(yè)也在信息集成、節(jié)能優(yōu)化、安環(huán)保障等方面提出了新的需求。首先，需要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺打通原有的分散的信息系統(tǒng)，完成信息采集、數(shù)據(jù)存儲和檢索分析，從數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、可視化查詢、數(shù)據(jù)報告等方面，為企業(yè)實現(xiàn)決策和生產(chǎn)管理智能化提供數(shù)據(jù)支持；然后，需要挖掘分析平臺積累的海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)并尋求生產(chǎn)規(guī)律，實現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化和降低能耗；最后，需要提供設(shè)備預(yù)測性維護技術(shù)工具，保障生產(chǎn)設(shè)備連續(xù)、長期和穩(wěn)定地運行，并利用平臺實時在線的監(jiān)控數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的安全隱患[12]。

3.2 應(yīng)用成效

面對化工行業(yè)的上述場景需求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在生產(chǎn)領(lǐng)域落地應(yīng)用的價值主要是構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺，形成統(tǒng)一的業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)池，并基于數(shù)據(jù)池和機理模型為主、數(shù)據(jù)模型為輔的工藝分析、優(yōu)化，保障設(shè)備生產(chǎn)的連續(xù)性、經(jīng)濟性。實際應(yīng)用中，平臺滿足了企業(yè)大部分應(yīng)用需求，但也存在不能覆蓋的領(lǐng)域。

①針對例如濃度、純度、密度、黏度等需要公式換算的軟測量，受天氣、原料、環(huán)境、工況等影響且影響原理比較清楚的運行狀況，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，取得了較好的測量效果。但在未知原理的情況下，由于樣本還不夠豐富，基于大數(shù)據(jù)的機器學(xué)習(xí)對化工裝置的操作優(yōu)化所起的作用有限，尚處于試用階段。

②在設(shè)備預(yù)測性維護方面，主要是面向如泵、壓縮機等動設(shè)備，開展電流、溫度、轉(zhuǎn)速、振動等全參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)測，通過實時在線狀態(tài)監(jiān)測，結(jié)合設(shè)備故障機理模型，識別故障類別、確定故障位置和明確故障原因，進行預(yù)測性維護?，F(xiàn)階段主要依靠設(shè)備廠商負責(zé)設(shè)備的監(jiān)測、維護、診斷、維修和優(yōu)化，完全由生產(chǎn)企業(yè)獨立運維的案例還比較少。

③在安全、環(huán)保等應(yīng)用領(lǐng)域，利用平臺強大的物物相聯(lián)能力，打通企業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境、能耗、設(shè)備等的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、歸納、推理，實現(xiàn)預(yù)測報警和應(yīng)急處理等功能。

④在供應(yīng)鏈領(lǐng)域，主要是通過射頻識別(radio frequency indentification,RFID)等電子標志、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，幫助企業(yè)優(yōu)化批量化工產(chǎn)品供應(yīng)鏈配送體系，掌握不同地域的銷售需求，提高配送和倉儲效能[13]。

4 發(fā)展趨勢研究

縱觀近年來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在流程工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，雖取得了巨大進步，但在數(shù)量眾多的中小企業(yè)中的推廣卻仍存在諸多障礙。對此，應(yīng)該從企業(yè)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新和人才儲備等多方面共同建設(shè)，以提升推廣效果。

4.1 企業(yè)發(fā)展

目前，流程工業(yè)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺需求存在“雷聲大雨點小”的矛盾，需求急迫卻又不愿買單，原因大致可以分為供、需兩方面。

一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺企業(yè)屬于知識密集型，各種前沿技術(shù)的研發(fā)和運營均需要投入大量資金，而由于工業(yè)自身的復(fù)雜性、差異性，項目定制化程度高、實施周期長，回款速度慢，導(dǎo)致企業(yè)面臨較大生存壓力。平臺作為軟件產(chǎn)品，盈利模式基于用戶規(guī)模效應(yīng)。這意味著平臺企業(yè)需要在短期內(nèi)積累大量用戶，才能實現(xiàn)營收上爆發(fā)式的增長。因此，有必要采取國家政策扶持和社會資本投資等手段，例如國家對平臺企業(yè)提供各種稅收優(yōu)惠政策、在相關(guān)重大工程項目研發(fā)和示范應(yīng)用階段提供項目資金支持；同時，為擁有核心技術(shù)和經(jīng)營良好的平臺企業(yè)提供便捷的上市融資渠道，實現(xiàn)供血。

另一方面，對很多中小型流程制造企業(yè)主來說，長期在工業(yè)自動化領(lǐng)域的實踐和探索，使其對生產(chǎn)過程、倉儲物流了如指掌。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一個虛擬的概念，企業(yè)主對它究竟能帶來哪些革新、投資回報率是多少、如何選擇平臺等問題往往一知半解。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵是行業(yè)知識的數(shù)字化，應(yīng)用的是生產(chǎn)大數(shù)據(jù)，并直接提升企業(yè)生產(chǎn)效率。如果平臺對工業(yè)理解不深，觸及不到工業(yè)實質(zhì)，再先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也發(fā)揮不出應(yīng)用的價值。這也在一定程度上影響了企業(yè)主進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的積極性。因此，可以利用“先富帶動后富”的策略，加快政府引導(dǎo)示范應(yīng)用項目落地實施，廣泛宣傳和組織參觀，通過轉(zhuǎn)型成功企業(yè)的實際案例和現(xiàn)身說法，給廣大中小型企業(yè)以信心，為它們提供可借鑒的道路。

4.2 技術(shù)創(chuàng)新

除了市場和資金方面，平臺在標準化、發(fā)展方向、應(yīng)用定位等技術(shù)方面也存在不足。

平臺應(yīng)用要標準先行，針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)跨行業(yè)、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的技術(shù)特點，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，加強頂層的標準設(shè)計，立足行業(yè)需求，兼顧國際體系，建立涵蓋術(shù)語定義、通用需求、架構(gòu)、測試與評估、管理等基礎(chǔ)共性標準，網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)接、標識解析、邊緣計算、平臺與數(shù)據(jù)、工業(yè)APP、安全等總體標準，以及典型應(yīng)用和垂直行業(yè)等應(yīng)用標準的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系，提升標準對制造業(yè)的整體支撐作用，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護航[14]。如果沒有數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范與標準，就需要大量的數(shù)據(jù)讀寫操作和工程量投入，難以建立穩(wěn)定的盈利模式。

其次，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的四個層級中，核心是PaaS層。PaaS層又分成了上、下兩部分。下部分是PaaS層的通用部分，包括設(shè)備管理、資源管理、運維管理和故障恢復(fù)等。上部分是PaaS中的核心，包括應(yīng)用開發(fā)、微服務(wù)和模型三部分。微服務(wù)指的是數(shù)字化架構(gòu)。模型指的是技術(shù)原理、基礎(chǔ)工藝經(jīng)驗形成的算法。工業(yè)領(lǐng)域中，有機理模型和數(shù)據(jù)模型兩種不同技術(shù)方向的模型：機理模型是對原理的數(shù)學(xué)建模，用數(shù)學(xué)公式來進行原理的描述；數(shù)據(jù)模型最核心的不是算法，而是數(shù)據(jù)。雖然現(xiàn)在人工智能、機器學(xué)習(xí)很熱門，大有替代機理模型的趨勢，但工業(yè)領(lǐng)域與互聯(lián)網(wǎng)不同的是“小數(shù)據(jù)大問題”，如果無法解釋潛在的風(fēng)險，即使只有0.1%的不確定，也是不可接受的。所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺要應(yīng)用落地，繞不開行業(yè)工藝經(jīng)驗知識的沉淀。

最后是IaaS層的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)APP。這是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，承載工業(yè)知識和經(jīng)驗，滿足特定需求的工業(yè)應(yīng)用軟件，是工業(yè)技術(shù)化的重要成果。如果說流程工業(yè)需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺解決“降本、增效、提質(zhì)、減存、綠色、低碳”等需求痛點的話，那首要發(fā)展的就應(yīng)該是工業(yè)APP，以此解決不同企業(yè)不同細分行業(yè)的各種問題。

4.3 人才儲備

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在流程工業(yè)中的深入部署和應(yīng)用，培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)未來智能制造的工程科技人才顯得更為迫切，流程工業(yè)智能化發(fā)展要求未來的制造業(yè)人才具有多學(xué)科知識，跨界整合、解決現(xiàn)實工程技術(shù)和管理問題的能力[15]。對此，全國政協(xié)委員錢鋒提出了幾點建議：重視制造業(yè)與人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的深度融合，將新知識、新技術(shù)盡快融入工程學(xué)科和人才培養(yǎng)方案，建設(shè)適應(yīng)制造業(yè)智能化發(fā)展的人才培養(yǎng)體系，培養(yǎng)將新技術(shù)融入制造業(yè)的能力；提升面向制造業(yè)的師資隊伍綜合能力，組建跨學(xué)科的研究平臺和項目，組建企業(yè)實踐團，鼓勵教師深入生產(chǎn)一線幫助企業(yè)解決工程實際問題，在實踐中提高工程科技素質(zhì)與能力；探索多元化的制造業(yè)工程科技人員培養(yǎng)模式，除了傳統(tǒng)的“技術(shù)員”“工程師”“總工程師”等科技人才，也需要培養(yǎng)掌握工業(yè)生產(chǎn)、工藝、研發(fā)、質(zhì)檢等專業(yè)知識，以及了解法律、環(huán)保、項目管理等多學(xué)科知識的復(fù)合型人才[16]。

綜上所述，必須從企業(yè)發(fā)展角度，處理好供需兩端的矛盾，平衡各自利益點的訴求；從技術(shù)創(chuàng)新角度，夯實平臺標準和規(guī)范，豐富工業(yè)APP，進而充實工業(yè)平臺；從人才儲備角度，完善人才培養(yǎng)、使用的體系和通道。這樣才能解決好工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在流程工業(yè)中加快落地和提升效果的問題。

5 結(jié)論

既然制造領(lǐng)域存在“術(shù)業(yè)有專攻”，那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的踐行過程必然會“聞道有先后”。目前智能制造水平較高的，大概率也是較早實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域，一般處于資金密集型、設(shè)備更新快、競爭激烈、利潤率高的行業(yè)[17]。其發(fā)展過程必然是從點到面、從量到質(zhì)、從分散到集中的，遵循優(yōu)勝劣汰的叢林法則。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地之路任重而道遠。一方面，我國完整的工業(yè)體系潛藏著巨大的應(yīng)用需求和市場，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的培育和壯大提供了土壤。另一方面，我國的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展理念、應(yīng)用實踐都較成熟，有覆蓋全社會的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)[18]。因此，必須堅定目標并持續(xù)改進，以實現(xiàn)工業(yè)和信息化的深度融合。