【工業網際網路】漫談“工業網際網路”與“智慧製造”

從德國的“工業4.0”、美國的“先進製造夥伴戰略”到英國的“高價值戰略”，工業網際網路已成為主要工業國家搶佔國際製造業競爭的制高點。作為當前產業變革的核心驅動和戰略焦點，智慧製造與工業網際網路有著緊密的聯絡。

今天，邀請製造專家蔡穎說說工業網際網路與智慧製造的那些事兒。

文章來源：公眾號,高效計劃與智慧排程排程研究會

2011年漢諾威工業博覽會，德國人工智慧研究中心董事兼行政總裁沃爾夫岡•瓦爾斯特爾教授在開幕式中提到，要通過物聯網等媒介來推動第四次工業革命即工業4.0，提高製造業水平。

 

2013年4月漢諾威工業博覽會上正式推出工業4.0，其核心目的是為了提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中佔領先機。

 

幾乎同時，美國在2012年左右提出工業網際網路技術，意在推動製造業資訊化、數字化、智慧化。通過整合流程、資料主線、數字孿生等軟體技術，採集工廠各階段的資料，連線裝置、連線供應鏈上的各種資源，進行工業大資料分析，人工智慧的雲端計算來迎接新的工業革命。工業網際網路與工業4.0從表面論述看各有側重，一個側重工業製造，一個側重工業服務，但究其本質都是實現智慧製造與智慧服務，具體就是個性化定製，服務延伸化。

多品種小批量的按單生產模式已成為常態，但多品種小批量生產模式的企業在實踐中常遇到諸多越來越複雜的問題：需求不確定；研發週期短；多品種並行；資源共享易出現瓶頸；計劃排程應變差；裝置、產線難以柔性應對;質量工藝無法迭代可靠；成本無法大規模化並精確化，監控訂單進度難；物料需求變化多變，導致缺料與採購延遲嚴重……它們導致企業“三高”長期存在，即較高的訂單延遲率、高庫存、居高不下的成本。

製造企業要在這個複雜系統中可持續地盈利，就必須採用各種新思維、新技術、新模式。轉型大規模定製與個性化生產方式，引入工業物聯、大資料、雲端計算及人工智慧等以迎接新時代的到來。

工業4.0是以智慧製造為主導的第四次工業革命，旨在通過充分利用資訊通訊技術和網路空間虛擬系統，資訊物理系統（CPS）相結合的手段，將製造業向智慧化轉型。基於資訊物理系統CPS、物聯網IoT和互聯服務IoTs產生的大資料流（即工業大資料）的採集與分析，雲端計算形成個性化或私人訂製的智慧生產。主要體現在四個方面：1、智慧工廠。2、智慧製造。3、智慧供應鏈。4、智慧服務。

 

當前全球工業市場正面臨著巨大的變革：更新週期縮短、差異不斷變大、產品個性化突出、向服務化延伸，構建的兼具個性化和數字化的產品與服務生產模式，突破了傳統的行業界限，催生出新的活動領域和合作形式，創造新的價值網路，重組產業鏈分工。

透明化工廠

用縱向垂直管理車間裝置整合、產品壽命週期PLM的價值鏈端到端的整合、橫向跨產業鏈的工業網際網路三個方面的高度整合，打破企業存在的資訊化孤島、管理孤島、操作孤島。通過與製造現場的邊緣裝置的視覺化，從而打造一個透明、靈活的工廠。

 

企業深度連線各類經銷商資源、客戶資源、創客資源。瞭解客戶的需求並多方設計協作滿足，同時實現與物流廠商的線上協作跟蹤，實現需求的透明。在製造環節通過智慧終端視覺化等應用實現製造過程的透明，其次移動的應用使上述的透明更加深化。

柔性自動化生產線

自動化線是剛性的，精益Cell線是柔性的，模組化線是智慧的。因為自動化線要麼侷限幾種產品，要麼換線時間太長。精益線包括手工與半自化加上裝置小型化，能應對多個品種。模組化裝置佈局可以靈活地根據個性化訂單靈活組合或重構工藝形成虛擬生產線。而模組化裝置佈局源於模組化產品設計，一旦接受定製化或個性化訂單，模組化裝置佈局就可以柔性的、低成本的組合重構新的虛擬單元線（APS的工藝規劃排產優化），高可靠性的滿足大規模定製或個性化生產。這才是智慧製造所追求的。

 

基於柔性的雲架構背後的“中樞”，其核心是創新開放的APS高階計劃優化演算法模型或機器學習模型進化，其支援多種、多變的計劃與生產模式，支援工序實時感測資料，模組化精益單元裝置佈局，保證各細胞單元根據生產訂單的需要自由拆分和重構，是柔性自動化背後的“智慧擔當”。

 

基於預留、優先順序等JIT/JIS核心創新的物料體系，是保障物料柔性的基礎，使自動化裝置類似神經感測單元控制下行使功能，實現多品小批生產模式。

 

多品小批生產模式使得企業高度柔性應對，而柔性自動化產線可促使企業轉型升級智慧化企業。

數字化、網路化、智慧化

物聯網讓智慧自由地流淌，移動網際網路讓智慧無處不在，大資料蘊藏無限的智慧，雲端計算使智慧快速反應，人和機器人智慧的協同……。那"智"從何來？智慧是建立在一個持續不斷連線，強大的優化演算法引擎和活資料的閉環之上的。

 

智慧主要體現在三個方面:1、在動態複雜環境的感知與理解。2、在動態複雜環境下的自主決策與優化能力。3、基於經驗資料的學習適應能力。尤其是學習能力是典型的智慧行為。

 

資料驅動工廠，演算法控制智造。智慧製造也需從"計算智慧"、"感知智慧"逐步實現"認知智慧"。新一代智慧製造是在基於AI的CPS系統架構下的智慧製造。

 

通過工業大資料，它不僅僅是裝置維修和產品服務，其技術不僅涉及IT還涉及OT工業技術。工業應用大資料對於人才的複合型要求更為突出。行業的資料分析，不僅需要計算機、統計學、數學等知識，還要擁有豐富的行業知識和經驗，通過這些知識經驗進行建模，才能開發出合適的分析方法，找到資料價值。

 

通過行業經驗知識，建立合適智慧工廠、車間、計劃排程控制執行、倉儲模型，對所需的實時資料，動態智慧決策，這應該是工業大資料的關鍵應用。智慧製造也正朝著分散式決策和自主感知（機器學習等）進化。

 

在智慧動態計劃排產基礎上，對倉儲物料進行大資料計算，隨時對物料進行FMR（使用頻率分析）及實時資料、歷史資料分析，通過自動化機器臂自主迴圈的把多頻率的物料智慧的移到貨架最低層，紅綠黃燈提醒優先分揀及AGV小車取貨順序，精確的滿足多品小批量物料的採購、JIT/JIS配送及工位喂料。

 

在智慧層面，革新運營管控的高度，例如多種運營管控模型，啟用組織，創新轉型數字化，全面幫助中國的製造業實現數字化、網路化、智慧化的產業升級。

工業網際網路

工業網際網路包含了網際網路+製造，工業雲平臺，工業物聯網，工業大資料等，實現三網合一（人、物、務），結合分散式邊緣計算智慧實現製造業的產品個性化，生產智慧化，製造服務化，組織分散化和製造資源雲化的新工業正規化。

雲平臺就好像製造業的大後廚，雲端計算是工業智慧的支撐平臺。製造工業與供應鏈的所有大資料可承載在雲中流動並在節點優化決策。在後廚裡有大規模的專業的資料分析師與知識提供者，並解決工業知識共享與智慧演算法的高階性、算雜性、大規模、個性化挖掘等。

圖：來源GE

但是，數控機床的數學插補演算法，機器人的數學齊次變換，定位與同步控制的位置速度的數學協作，物料準時供給、產品的快速組合、產線的迅速重構、車間動態的變化、工廠與人的運籌實時排程協作演算法等等，需要高度實時低延時的響應，一個在雲端計算控制下的邊緣計算的智慧整合平臺即IT與OT的深度融合就是智慧製造的關鍵基礎。

圖：來源金蝶雲

如何架構數字化工廠

數字化製造不等於全自動化，未來十到二十年，主流的製造方式將是人機結合。數字化製造的價值是客戶導向的多品種小批量的柔性生產，是人機高效的融合，偏面追求全自動化與無人化是不明智的。

 

自動化改造、裝置的感測連線、精益生產改善、供應鏈優化、業務流程的重組、數字化工廠、機器人和機器學習、大資料戰略、高階演算法與人工智慧等，讓我們企業目不暇接。這是因為每個專家、供應商或個別企業站在自身的角度來詮釋這場新工業革命。每個企業切忌盲目衝動，應保持清醒的頭腦，根據自身的情況，科學的、系統地規劃實現新工業革命的升級。精益化、數字化、自動化、網路化、智慧化，逐步實現中國製造2025的戰略目標。

 

實際上，智慧製造屬於複雜系統，是人工智慧與大系統理論的結合，屬於第三代控制論，不過還在進化。隨著物聯網、大資料、雲端計算的技術出現，CPS嵌入式人機物協同控制是智慧製造的基礎。所以，實現智慧製造必須做好頂層設計。

 

頂層設計的“頂層”是決策者、系統化、系統工程。“設計”是策略、謀劃、規劃。我們在IT建設、數字化工廠、智慧企業的過程中，需做好頂層設計、系統工程、企業架構-資料、流程、系統、平臺架構規劃。但複雜系統又很難設計。所以在頂層設計時候留有空間，允許自然選擇迭代進化。

 

數字化工廠的規劃設計與落地，需要通過三個維度來頂層設計，首先是從供應鏈優化的維度，其次是研發製造服務一體化維度，即研發的產品要智慧化。最後是生產現場精益生產整合自動化維度。生產運作從四個維度即生產執行、質量執行、裝置執行、庫存執行。工業控制實現SCADA/HMI/DCS數字網路控制實現IT與OT的深度融合。

圖：來源APSS協會

 

智慧製造不是萬能的，但可以確定——它是企業轉型升級的突破口之一！這關係到連線與整合的能力、數字化與透明化能力、自動化與智慧化演進能力、產品與技術創新和管理創新的能力等。

 

對於未來新模式、新技術下的製造業轉型升級，要注意以下幾點：一是商業模式，即拉平價值微笑曲線底部並延伸價值鏈到服務；二是管理模式，即打造工業網際網路平臺生態、構建C2B、C2M模式、多品種、小批量按單定製生產；三是技術創新，智慧研發創新平臺；四是品牌，網際網路全渠道營銷；五是成本，通過精益管理來降低成本；六是資金，即網際網路金融、眾籌資金；七是質量，可以通過工業大資料提升監控質量；八是工藝，即數字化聯網、知識庫、模擬模擬工藝、機器人等；九是人才，即對新型符合型高階人才的培養。

蔡穎

APSS高階計劃與排程協會會長、中國工程物理研究院（九院）客座研究員、青島大學客座教授、國家863計劃專案企業資源協同管理專案成員。具有三十多年資深生產製造，物料計劃，工業工程，成本控制的管理實踐經驗。著有《APS-走向實踐》、《ERP高階計劃-APS供應鏈優化引擎》、《精益實踐與資訊化》等專著。

主持和參與實施過近百個企業的ERP及資訊化專案。服務的主要客戶：中車（南車）集團，中聯重科、美的集團、南通中集集團、徐州卡特比勒、中國工程物理研究院（九院）、上海天納克、偉士通亞太、大連索尼、蘇州日立、一汽大眾、中石化、航嘉電子、利奧集團、技研新陽等。

人工智慧賽博物理作業系統

AI-CPS OS

“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧）分支用來的今天，企業領導者必須瞭解如何將“技術”全面滲入整個公司、產品等“商業”場景中，利用AI-CPS OS形成數字化+智慧化力量，實現行業的重新佈局、企業的重新構建和自我的煥然新生。

AI-CPS OS的真正價值並不來自構成技術或功能，而是要以一種傳遞獨特競爭優勢的方式將自動化+資訊化、智造+產品+服務和資料+分析一體化，這種整合方式能夠釋放新的業務和運營模式。如果不能實現跨功能的更大規模融合，沒有顛覆現狀的意願，這些將不可能實現。

領導者無法依靠某種單一戰略方法來應對多維度的數字化變革。面對新一代技術+商業作業系統AI-CPS OS顛覆性的數字化+智慧化力量，領導者必須在行業、企業與個人這三個層面都保持領先地位：

1. 重新行業佈局：你的世界觀要怎樣改變才算足夠？你必須對行業典範進行怎樣的反思？

2. 重新構建企業：你的企業需要做出什麼樣的變化？你準備如何重新定義你的公司？

3. 重新打造自己：你需要成為怎樣的人？要重塑自己並在數字化+智慧化時代保有領先地位，你必須如何去做？

AI-CPS OS是數字化智慧化創新平臺，設計思路是將大資料、物聯網、區塊鏈和人工智慧等無縫整合在雲端，可以幫助企業將創新成果融入自身業務體系，實現各個前沿技術在雲端的優勢協同。AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量與行業、企業及個人三個層面的交叉，形成了領導力模式，使數字化融入到領導者所在企業與領導方式的核心位置：

1. 精細：這種力量能夠使人在更加真實、細緻的層面觀察與感知現實世界和數字化世界正在發生的一切，進而理解和更加精細地進行產品個性化控制、微觀業務場景事件和結果控制。

2. 智慧：模型隨著時間（資料）的變化而變化，整個系統就具備了智慧（自學習）的能力。

3. 高效：企業需要建立實時或者準實時的資料採集傳輸、模型預測和響應決策能力，這樣智慧就從批量性、階段性的行為變成一個可以實時觸達的行為。

4. 不確定性：數字化變更顛覆和改變了領導者曾經仰仗的思維方式、結構和實踐經驗，其結果就是形成了複合不確定性這種顛覆性力量。主要的不確定性蘊含於三個領域：技術、文化、制度。

5. 邊界模糊：數字世界與現實世界的不斷融合成CPS不僅讓人們所知行業的核心產品、經濟學定理和可能性都產生了變化，還模糊了不同行業間的界限。這種效應正在向生態系統、企業、客戶、產品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量通過三個方式激發經濟增長：

1. 創造虛擬勞動力，承擔需要適應性和敏捷性的複雜任務，即“智慧自動化”，以區別於傳統的自動化解決方案；

2. 對現有勞動力和實物資產進行有利的補充和提升，提高資本效率；

3. 人工智慧的普及，將推動多行業的相關創新，開闢嶄新的經濟增長空間。

給決策制定者和商業領袖的建議：

1. 超越自動化，開啟新創新模式：利用具有自主學習和自我控制能力的動態機器智慧，為企業創造新商機；

2. 迎接新一代資訊科技，迎接人工智慧：無縫整合人類智慧與機器智慧，重新

   評估未來的知識和技能型別；

3. 制定道德規範：切實為人工智慧生態系統制定道德準則，並在智慧機器的開

   發過程中確定更加明晰的標準和最佳實踐；

4. 重視再分配效應：對人工智慧可能帶來的衝擊做好準備，制定戰略幫助面臨

   較高失業風險的人群；

5. 開發數字化+智慧化企業所需新能力：員工團隊需要積極掌握判斷、溝通及想象力和創造力等人類所特有的重要能力。對於中國企業來說，創造兼具包容性和多樣性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《論語·子路》雲端計算、大資料、物聯網、區塊鏈和 人工智慧，像君子一般融合，一起體現科技就是生產力。

如果說上一次哥倫布地理大發現，擴充的是人類的物理空間。那麼這一次地理大發現，擴充的就是人們的數字空間。在數學空間，建立新的商業文明，從而發現新的創富模式，為人類社會帶來新的財富空間。雲端計算，大資料、物聯網和區塊鏈，是進入這個數字空間的船，而人工智慧就是那船上的帆，哥倫布之帆！

新一代技術+商業的人工智慧賽博物理作業系統AI-CPS OS作為新一輪產業變革的核心驅動力，將進一步釋放歷次科技革命和產業變革積蓄的巨大能量，並創造新的強大引擎。重構生產、分配、交換、消費等經濟活動各環節，形成從巨集觀到微觀各領域的智慧化新需求，催生新技術、新產品、新產業、新業態、新模式。引發經濟結構重大變革，深刻改變人類生產生活方式和思維模式，實現社會生產力的整體躍升。

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產業智慧官  AI-CPS

用“人工智慧賽博物理作業系統”（新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”：雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧），在場景中構建狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升的認知計算和機器智慧；實現產業轉型升級、DT驅動業務、價值創新創造的產業互聯生態鏈。

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新技術：“雲端計算”、“大資料”、“物聯網”、“區塊鏈”、“人工智慧”；新產業：“智慧製造”、“智慧金融”、“智慧零售”、“智慧駕駛”、“智慧城市”；新模式：“財富空間”、“工業網際網路”、“資料科學家”、“賽博物理系統CPS”、“供應鏈金融”。

官方網站：AI-CPS.NET

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