終于有人把智能制造與工業4.0講明白了

卡卡2FM4 2022-04-26

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導讀：工業物聯網的發展和智能制造、工業4.0、OT與IT融合以及企業數字化轉型密切相關，本文重點介紹工業物聯網的發展背景。

作者：胡典鋼

來源：大數據DT（ID：hzdashuju）

01 智能制造與工業4.0

智能制造在國際上尚無公認的定義，通常被認為是新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合。

智能制造的概念始于20世紀80年代末，紐約大學P.K.Wright教授和卡內基梅隆大學D.A.Bourne教授出版了Manufacturing Intelligence一書，首次提出智能制造的概念，并指出智能制造的目的是通過集成知識工程，制造軟件系統、機器視覺和機器控制，對制造技術人員的技能和專家知識進行建模，以使智能機器在沒有人工干預的情況下進行小批量生產。

隨著時代的發展和技術的進步，智能制造也不斷被賦予新的意義，目標變得更加宏大。我國是制造業大國，制造業是國民經濟的主體，當前我國制造業面臨著提高生產制造效率、節能減排、產業結構調整的戰略任務。《智能制造發展規劃（2016—2020年）》指出：

推進智能制造，能夠有效縮短產品研制周期，提高生產效率和產品質量，降低運營成本和資源能源消耗，加快發展智能制造，對于提高制造業供給結構的適應性和靈活性、培育經濟增長新動能都具有十分重要的意義。

制造業從傳統模式向數字化、網絡化、智能化轉變，從粗放型向質量效益型轉變，從高污染、高能耗向綠色制造轉變，從生產型向“生產+服務”型轉變。在此轉變過程中，智能制造是重要手段。

智能制造較為普適的定義是：

面向產品的全生命周期，以新一代信息技術為基礎，以制造系統為載體，在其關鍵環節或過程，具有一定自主感知、學習、分析、決策、通信與協調控制能力，能動態適應制造環境的變化，從而實現某些優化目標。

上述定義對智能制造提出了明確的目標和期望—高效率、低成本和高質量，并對其實現路徑提出了方法論的指導。強調自主感知，通過萬物互聯，連接一切可數字化的事物，利用數據和算法獲得智能。

智能制造不僅要采用新型制造技術和裝備，還要將快速發展的信息通信技術滲透到工廠，在制造領域構建信息物理系統（Cyber Physical System，CPS），改變制造業的生產組織方式和人際關系，帶來研發制造方式和商業模式的創新轉變。

工業4.0是基于工業發展的不同階段做出的劃分。按照目前的共識，工業1.0是蒸汽機時代，工業2.0是電氣化時代，工業3.0是信息化時代，工業4.0是利用信息技術促進產業變革的時代，也就是智能化時代。

這個概念最早由德國政府提出，并在2013年的漢諾威工業博覽會上正式推出。隨著新一輪技術浪潮的到來以及國際科技競爭日益加劇，作為工業化強國，德國敏銳地感覺到新機遇、新挑戰，為此及時制定并推進產業發展創新戰略，其目的是提高德國工業的競爭力，在新一輪工業革命中占領先機。

工業4.0自推出以后，迅速在全球范圍內引發了新一輪的工業轉型競賽。德國學術界和產業界認為，工業4.0概念是以智能制造為主導的第四次工業革命，旨在通過信息通信技術和信息物理系統相結合的手段，推動制造業向智能化轉型。

德國主要從以下幾個方面采取措施，推進工業4.0。

建立指導框架，2013年以來，德國陸續出臺了一系列指導性規劃框架，如《數字化行動議程（2014—2017）》《高技術戰略2025》，支持工業領域新一代革命性技術的研發與創新。
推進數字化進程，數字化是實現工業4.0的基礎條件，通過嵌入式處理器、傳感器和通信模塊，把各要素聯系在一起，使得產品和不同的生產設備能夠互聯互通并交換信息，未來智能工廠能夠自行優化并控制生產過程。工業4.0還將進一步實現工廠、消費者、產品信息數據的互聯，從而重構整個社會的生產方式。它的本質是以萬物互聯為基礎，通過物聯網和互聯網等相關技術，將傳統工廠關注的制造環節向前端設計環節以及后端服務環節不斷延伸。
打造標準，把不同產業領域以及環節之間的隔閡打通，實現關鍵術語、規格標準等語義統一化和標準化。正是通過標準的推廣和應用，技術創新得以迅速擴散，并提升生產力。此外，還包括完善人才培養，強化創新合作等。

為了更廣泛地指導不同行業開展工業4.0實踐，2015年德國提出了工業4.0參考架構模型（Reference Architecture Model Industrie 4.0，RAMI 4.0），對工業4.0理念進行了進一步的明確和闡述。RAMI 4.0采用三維模型表達工業4.0的空間，從3個維度進行描述，每個維度均不同程度地對已有工業標準體系進行了擴展和延伸，如圖1-1所示。

▲圖1-1 工業4.0參考架構模型（經德國工業4.0組織授權引用）

第一個維度（橫軸）功能層，參考了IEC 62264企業信息集成標準。該標準定義了由現場設備到運營管理系統的層級劃分，界定了企業控制系統、管理系統等的集成化標準。

RAMI 4.0在其基礎上，在底層增加了“產品”，在頂層增加了“跨企業互聯”，由個體工廠拓展至連接世界，從而體現工業4.0針對產品服務和企業協同的要求，形成“產品-現場設備-控制與監控網絡-車間-工廠-企業-跨企業互聯”的完整鏈條。

第二個維度（橫軸）為生命周期和價值鏈，參照IEC 62890標準體現的從虛擬原型到實物制造的產品全生命周期理念，描述了產品、機械裝備和工廠的生命周期與增值過程緊密結合在一起的過程。

第三個維度（縱軸）是信息物理系統的核心功能，資產處于底層，可以是機器、設備、零部件及人等各種實體對象，連同其上層集成一起被用來對各種資產進行數字化的虛擬表達；通信層用于處理通信協議；信息層對數據進行分析處理；功能層是企業運營管理的集成化平臺；業務層是指各類商業模式和業務流程，體現制造企業的各類業務活動。

資產構成工業4.0基本單元（物理的/非物理的）的實體部分，RAMI 4.0提出資產管理殼（Administrative Shell）的概念，每個實體資產在數字空間均有對應的管理殼（即數字映射），管理殼構成工業4.0基本單元的虛擬部分，實體通過管理殼接入工業4.0體系。

02 OT與IT融合之路

長期以來，操作運營技術（Operation Technology，OT）和信息技術（Information Techno-logy，IT）是相互隔離的，各自有著不同的目標，沿著不同的路徑發展，彼此之間的鴻溝阻礙了工廠充分利用已掌握且尚未發掘的重要信息。

關于OT與IT融合的爭論一直不斷，主要體現在兩個方面：一是圍繞概念，要求澄清OT和IT的概念、界線；二是在公司組織和規劃實施層面，由哪個部門組織牽頭，在多大范圍內實施融合，預期產生什么收益。

維基百科對OT的定義如下：專門用于直接監控或控制物理設備（諸如閥門、泵等）來檢測物理過程，或使物理過程發生變化的硬件和軟件。

例如現場控制、檢測相關的技術，包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）、數據采集與監控系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA），以及各種儀器儀表、傳感器、機器設備等，也包括背后隱含的生產過程、生產工藝與知識。

OT直接面對工業生產的物理設備和過程，保證其安全、穩定地運行，首要目標是保質保量完成產品生產，長期以來采用專用的系統、網絡和軟件。從這個意義上，與IT相比，OT的開放性和標準化有待改善和提升。IT主要指用于管理和處理信息所采用的各種技術，它應用計算機科學和通信技術來設計、開發、安裝和實施信息系統及應用軟件。

IT代表了計算機業，例如計算、存儲、網絡、云計算、數據庫等，像企業資源計劃系統（Enterprise Resource Planning，ERP）、產品生命周期管理系統（Product Lifecycle Management，PLM）、客戶關系管理系統（Customer Relationship Management，CRM）、供應鏈管理系統（Supply Chain Management，SCM）等常用的企業運營管理系統，均屬于IT范疇。圖1-2列舉了常見的OT與IT。

▲圖1-2 OT與IT

界定完概念，再來看公司組織、規劃、實施層面，即在多大范圍內實施融合，預期產生什么收益。對效率、質量與成本等方面的關注，倒逼企業開始升級改造，企業IT運營管理系統對于現場工藝過程數據和設備運行數據有著強烈的需求，制造系統進行信息化升級，OT和IT由分開的兩條路徑逐漸走向融合。

OT和IT融合并非易事，OT和IT在企業中完全是兩撥人，彼此的知識面、看待問題的思維差別很大。OT人員偏好PLC、DCS、SCADA、HMI、RTU、數據采集以及嵌入式計算技術，而IT人員擅長互聯網技術，非常熟悉快速擴展網絡規模、云計算基礎架構、基于Web的部署和諸如SQL、Java、大數據等技術。

舉個例子，OT部門收到IT部門的通知，將升級網絡并在工廠中實現全新的網絡安全措施，OT部門需要配合其工作。當IT人員看到現場設備上裝了Windows XP系統，并且還要繼續使用兩三年，他們會覺得不可思議并建議立即對系統進行升級，而OT部門表示這臺設備不能升級，因為設備上安裝了軟件許可證，并且軟件不支持新的操作系統。

OT技術發展相對緩慢，更強調穩定性與可靠性，對于運行中的系統，OT人員傾向于系統保持更長時間不做變更。而IT專注于數字環境，主要考慮數據處理速度、系統可靠性和安全性等問題，IT必須接受快速創新和變革，以跟上技術的不斷發展。

再舉個例子，IT部門有專門的系統運維團隊，在企業里屬于基礎設施支撐團隊，離業務本身有一定距離，系統運維團隊承接需求時，通常只需對方說明安裝什么操作系統，要什么數據庫，是否必須安裝殺毒軟件、部署企業策略以及IT系統歸屬網絡等。

突然某一天老板要求生產控制系統的計算機和網絡也歸屬系統運維團隊，于是現場反饋的問題如工業組態軟件無法連接實時數據庫、PLC網絡無法連接遠程I/O站等問題也要運維團隊去處理。對傳統IT運維來說，一下子丈二和尚摸不著頭腦，怎一個苦字了得。

即使存在這些差異，在智能制造和工業4.0時代，IT與OT融合也是必經之路，這依賴于在業務層面和技術層面進行頂層設計和組織設計乃至重組。通過提升各自的能力，從而形成一種真正具有顛覆性的技術，這正是工業物聯網發揮作用的地方，它是OT與IT融合的具體實現。

技術方面，OT與IT融合仍面臨著一些實際問題。首先是數據的傳輸接口與標準統一問題，OT常用現場總線和工業以太網（也在嘗試標準以太網），對數據實時性（毫秒級或微秒級）和傳輸確定性要求很高，網絡傳輸低抖動，而IT通常是非實時的，秒級響應就足夠了，網絡主要采用標準以太網，OT與IT融合首先要解決網絡互聯、數據互通的問題。

其次，以一座中等規模的典型工廠為例，它通常擁有多臺購置于不同時期、來自不同供應商的設備，而不同供應商的自動化水平、軟硬件平臺以及通信協議均不同，導致數據的收集、整合以及場景標準化非常困難，有些設備制造商甚至將數據分析洞見作為增值服務，工廠須付費才可使用，這進一步阻礙了數據的獲取。

除了差異性之外，出于工藝保密性以及安全隔離性方面的考慮，很多OT系統在設計時并未考慮對數據開放，有些制造現場在沒有IT系統參與時也運營得很好，迫切性并非想象的那么高，此時需要綜合考慮經濟性和企業長遠戰略，只有對數據驅動的價值有了充分認識，才能下決心推動OT與IT融合。

03 企業數字化轉型

企業數字化轉型是一個更大的議題，新冠疫情加速了社會數字化的進程。什么是數字化轉型？有些人認為把線下活動通過互聯網搬到線上，就是數字化轉型了。這個認知過于粗淺。有些人將數字化轉型理解為一種管理理念和數字化意識。這樣說雖然沒錯，但比較抽象。

數字化轉型是指利用現代技術和通信手段，改變企業為客戶創造價值的方式。它將數字化技術融入企業產品、服務和流程當中，涉及核心業務流程、員工以及與上下游供應商合作伙伴交流方式的變革。

數字化轉型至少有3個層次。

一是信息的數字化，例如模擬信號到數字信號的轉換，從手工記賬變為Word文檔，本質上是將信息以二進制數字化的形式進行讀寫、存儲和傳遞。
二是數字化提升流程效率或流程數字化，例如企業資源計劃系統、客戶關系管理系統、供應鏈管理系統和倉庫管理系統等都是將工作流程進行數字化，從而提升工作協同效率、資源利用效率，為企業創造信息化價值。在這兩個階段，企業業務模式可能未發生根本性變化，例如一個汽車制造企業，它雖然實現了信息化，但仍然以銷售汽車為主。
三是數字化轉型，著力于實現“業務的數字化”，使公司獲得新的商業模式和核心競爭力。例如借助數字化技術，汽車銷售商可能變為以汽車為載體的出行服務商。大型工程機械企業為尋求新的利潤增長點，提供裝備租賃服務，利用工業物聯網遠程實時監控裝備的運行狀況和位置，確保租賃服務模式安全有效。在此之前，企業需要投入大量人力管理租賃設備。

進行數字化轉型的原因是多方面的，這其中有來自市場、監管的壓力等。市場瞬息萬變，包括已經存在的或即將到來的壓力，企業為應對這種變化和競爭，需要不斷提升內部流程效率、加速產品創新并提供增值服務，形成持續競爭力。

對于研發制造企業，雖然數字化轉型以數字化技術為支撐，但數字化技術本身不是目標，它的本質是業務轉型，而業務轉型須以企業戰略為主導，是戰略主導下的業務變革。

數字化轉型應以客戶需求為指引，以組織變革、流程優化、人員能力為保障，由企業文化和環境機遇來促成。它是數據驅動、智能助力的研發、生產、運營和服務改善，是OT和IT的融合，是數字化、網絡化、智能化等數字化技術的應用。互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能、5G通信等，均屬于數字化技術。圖1-3反映了這種層級關系。

▲圖1-3 數字化轉型體系

2020年9月，國務院國有資產監督管理委員會正式印發《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》，明確國有企業數字化轉型的基礎、方向、重點和舉措，促進國有企業數字化、網絡化、智能化發展，增強競爭力、創新力、控制力、影響力、抗風險能力，提升產業基礎能力和產業鏈現代化水平，推動數字經濟和實體經濟融合發展。

國有企業應將數字化轉型作為改造、提升傳統動能，培育、發展新動能的重要手段，進一步強化數據驅動、集成創新、合作共贏等數字化轉型理念，同時加快推進產業數字化創新，實現產品創新數字化、生產運營制造化、用戶服務敏捷化以及產業體系生態化。

美國工業互聯網聯盟（Industrial Internet Consortium，IIC）在2020年首次發布的《工業數字化轉型白皮書》中，針對工業領域，提出工業數字化轉型的定義：工業數字化轉型是利用物聯網改進流程及運營并獲得更好的結果，其特點在于IT與OT的融合。

在工業數字化轉型中，基于傳感器的數據以及由數據驅動的創新性應用，將影響人員、運營、業務以及物理環境，并創造更好的商業成效。《重構：數字化轉型的邏輯》一書提出了數字化轉型的本質在于數據+算法定義的世界中，以數據的自動流動化解復雜系統的不確定性，優化資源配置效率，構建企業新型競爭優勢。

梳理一下其中的脈絡，數字化轉型將改變企業為客戶創造價值的方式，數字化技術將降低業務轉型或發展的阻力。智能制造和工業4.0是面向工業的數字化轉型戰略，要求OT與IT緊密融合，而工業物聯網是智能制造和工業4.0的重要使能技術和關鍵實現路徑。

關于作者：胡典鋼，資深工業物聯網專家，順豐物聯網平臺負責人，兼任順豐集團職業發展評審委員和ZETA聯盟工業物聯網高級顧問，負責順豐物聯網平臺建設及產品化工作。在物聯網、邊緣計算、工業大數據領域從業10余年，有豐富的實踐經驗。

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