建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新意何在？

來源：控制網(wǎng)，摘自《自動(dòng)化博覽》2020年9月刊

導(dǎo)讀：大型工業(yè)企業(yè)的內(nèi)部是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)在先進(jìn)的大型工業(yè)企業(yè)應(yīng)用和發(fā)展了幾十年的時(shí)間。建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新意何在？與已有系統(tǒng)之間的關(guān)系應(yīng)該如何處置？

1

典型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)回顧

大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)很多，這些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)往往被分成若干級(jí)別。一般分為三級(jí)：即基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（BA）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（ERP）。其中，BA層主要負(fù)責(zé)閥門和設(shè)備的控制；MES主要負(fù)責(zé)車間內(nèi)的生產(chǎn)管理、計(jì)劃調(diào)度等；ERP則負(fù)責(zé)企業(yè)的產(chǎn)供銷計(jì)劃和人財(cái)物的管理。鋼鐵企業(yè)最常見的做法是分成四級(jí)，分別被稱為L(zhǎng)1~L4（Level 1~Level 4）。其中，L1的功能大體與BA系統(tǒng)對(duì)應(yīng)；L2為過程控制級(jí)，主要負(fù)責(zé)大型設(shè)備的協(xié)同控制；L3是車間級(jí)的生產(chǎn)管理、相當(dāng)于MES；L4是公司級(jí)的管理，與ERP大體相當(dāng)。先進(jìn)企業(yè)還有數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)（DW）或商務(wù)智能（BI）系統(tǒng)。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)聯(lián)網(wǎng)。其實(shí)，各層計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間本就有信息聯(lián)系。上級(jí)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)生成生產(chǎn)的目標(biāo)和要求，層層分解下發(fā)到下層計(jì)算機(jī)執(zhí)行。

低層計(jì)算機(jī)的執(zhí)行情況也會(huì)層層上傳到高層的計(jì)算機(jī)，以便于管理者掌握生產(chǎn)的情況。但是，這種上傳是有選擇性的，一般只把生產(chǎn)結(jié)果或特殊問題傳上去供人處理，很少觸發(fā)高層計(jì)算機(jī)的自動(dòng)反饋和調(diào)整。 BA、L1等級(jí)別比較低的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般稱為自動(dòng)化系統(tǒng)，ERP等級(jí)別高的系統(tǒng)常稱為信息系統(tǒng)。事實(shí)上，大型工業(yè)企業(yè)的信息系統(tǒng)遠(yuǎn)不止這些，幾乎各個(gè)部門都有各自的信息系統(tǒng)。比如，設(shè)備管理部門、研發(fā)部門、人事部門、運(yùn)輸部門、安全環(huán)保部門、銷售和采購(gòu)部門都會(huì)有對(duì)應(yīng)的信息系統(tǒng)。 這些系統(tǒng)多數(shù)是部門主導(dǎo)建立的，服務(wù)于自己部門的業(yè)務(wù)，系統(tǒng)之間的聯(lián)系相對(duì)較少。此前推進(jìn)“兩化融合”時(shí)，企業(yè)已開始重視部門之間的聯(lián)網(wǎng)工作。在部分鋼鐵行業(yè)的L4中，就把銷售、設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)、財(cái)務(wù)部門等多個(gè)部門的信息集成到了一起。有些上下游企業(yè)也實(shí)現(xiàn)了企業(yè)之間的ERP系統(tǒng)的對(duì)接。

2

控制與管理的異同

理解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值和定位，需要分析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被劃分成自動(dòng)化和信息化系統(tǒng)的原因，也即兩者之間的差異。在智能化時(shí)代，要用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)兩類系統(tǒng)的融合。為此，要清楚兩者之間共同的基礎(chǔ)是什么。 事實(shí)上，可以從控制論的基本思想出發(fā)，看兩者的一致性：管理和控制的目的都是為了應(yīng)對(duì)變化，都需要感知信息、做出決策并根據(jù)決策采取行動(dòng)。但是，兩者的區(qū)別也是明顯的。例如，管理系統(tǒng)的決策主體往往是人，而控制系統(tǒng)的決策主體則是計(jì)算機(jī)、是算法。從控制論產(chǎn)生的那一天起，人們就希望機(jī)器代替人的決策，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠代替人類的一些工作，但意義卻不僅僅止步于此。例如，自動(dòng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度可以很容易地達(dá)到毫秒級(jí)，而人類的響應(yīng)速度則要低得多。

所以，自動(dòng)化系統(tǒng)的控制效果往往比人要好，對(duì)提高質(zhì)量、降低成本的價(jià)值很大。 既然自動(dòng)化的效果很好，信息系統(tǒng)的決策為什么不能自動(dòng)化呢？一個(gè)重要的原因是：信息系統(tǒng)面臨的問題往往要比自動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)雜很多。 一般來說，自動(dòng)控制針對(duì)的是小系統(tǒng)。在實(shí)施控制的過程中，系統(tǒng)的參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生大的變化。這往往是自動(dòng)化系統(tǒng)默認(rèn)的“邊界”。而管理系統(tǒng)針對(duì)的是大系統(tǒng)，意外（如設(shè)備故障）會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化。這種級(jí)別的變化種類繁多、影響千差萬別，一般需要人的智慧來靈活應(yīng)對(duì)。 人類的計(jì)算能力雖然不及自動(dòng)控制系統(tǒng)，卻具備管控復(fù)雜大系統(tǒng)的靈活性。人類的這種靈活性恰恰是傳統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)無法取代的。由于人類的響應(yīng)速度不是很快，管理系統(tǒng)處理的問題一般也不是實(shí)時(shí)性特別強(qiáng)的工作。人類的大腦難以成功處理成千上萬個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送過來的秒級(jí)、毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)。 總之，自動(dòng)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，但控制的范圍比較小；信息系統(tǒng)的反應(yīng)速度相對(duì)較慢、實(shí)時(shí)性差，但管理的范圍卻較大。這是一個(gè)矛盾，從某種意義上說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是用來解決這個(gè)矛盾：實(shí)時(shí)性要求高且管理范圍大的問題，就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的立足點(diǎn)。

3

設(shè)備信息聯(lián)網(wǎng)的問題

設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要起因。在GE公司的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書中提出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)關(guān)鍵因素：智能的機(jī)器、高級(jí)分析（算法）、（在線）工作的人。所以，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念提出后，人們對(duì)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的重視程度提高了。 如前所述，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的事情很早就開始了，但重視程度不夠、數(shù)據(jù)的完整性不高。許多年前，就有人希望將設(shè)備信息全面聯(lián)網(wǎng)，以便于設(shè)備點(diǎn)檢和維護(hù)人員在辦公室了解設(shè)備狀態(tài)。但企業(yè)對(duì)這種做法的興趣卻不大：工廠里有專人實(shí)地點(diǎn)檢、維護(hù)設(shè)備。這種做法在一定程度上降低點(diǎn)檢人員的工作量，但卻不一定能帶來經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 事實(shí)上，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型案例中，兩類設(shè)備比較突出：第一類是點(diǎn)檢維護(hù)不太方便的設(shè)備，如移動(dòng)設(shè)備（飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等）或廠區(qū)外的設(shè)備（風(fēng)力發(fā)電機(jī)等）。第二類是為了便于維護(hù)外包的設(shè)備。但這兩類設(shè)備在大企業(yè)內(nèi)部都不是主流，影響不是特別大。若干年后再回顧這段歷史，這些應(yīng)用可能只是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的序幕。 總之，從技術(shù)角度看，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的困難并不大。真正的難點(diǎn)是找到合適的價(jià)值點(diǎn)。這是大企業(yè)推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)最棘手的問題。

4

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定位

設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和傳遞可能是秒級(jí)、毫秒級(jí)的，如果網(wǎng)絡(luò)連接著成千上萬的設(shè)備，人力很難處理。所以，高層計(jì)算機(jī)，尤其是管理機(jī)很少保存或者處理這樣的數(shù)據(jù)。 但是，這種高頻度信息可以通過算法進(jìn)行處理。情況正常時(shí)，不必推送給人類的管理者。只是在發(fā)現(xiàn)問題或者人類需要時(shí)，才會(huì)把處理結(jié)果或者發(fā)現(xiàn)的問題傳給人類，供人類做出決策。這樣，在算法的幫助下，人們就有能力利用這些高頻、海量數(shù)據(jù)了。事實(shí)上，GE工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書的副標(biāo)題是Pushing the Boundariesof Minds and Machines，可以理解為“重構(gòu)人和機(jī)器的界面”，體現(xiàn)的就是人和機(jī)器的協(xié)同。 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)最直接的作用是實(shí)現(xiàn)設(shè)備點(diǎn)檢的遠(yuǎn)程化、集約化，幫助人類遠(yuǎn)程操控或者檢查設(shè)備的狀態(tài)。這些工作的直接價(jià)值在當(dāng)前可能不大。但是，在此基礎(chǔ)上，可以衍生出更多的功能，產(chǎn)生可觀的“附加值”。例如，通過設(shè)備信息，人們可以檢測(cè)質(zhì)量情況、判斷人的操作是否存在問題、生產(chǎn)過程是否有優(yōu)化的空間。所以，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)只是基礎(chǔ)，很多技術(shù)要以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來。這樣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值就體現(xiàn)出來了，其獨(dú)立的地位和用途也就顯現(xiàn)出來了。

在蘇州有家電子企業(yè)，合格率經(jīng)常急劇下降，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。質(zhì)量問題涉及到工藝、操作、設(shè)備、原料等多個(gè)方面的因素，涉及到幾十個(gè)工序、成千上萬組數(shù)據(jù)。過去，這些數(shù)據(jù)分布在不同的計(jì)算機(jī)中。而這些機(jī)器分布在不同的車間、由不同的人管理。查找問題時(shí)經(jīng)常需要從一個(gè)系統(tǒng)切換到另外一個(gè)系統(tǒng)，有時(shí)還要把多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，需要多個(gè)部門的人一起工作。出現(xiàn)問題時(shí)，經(jīng)常要花費(fèi)一周的時(shí)間才能把問題找出來。 后來，這家公司通過互聯(lián)網(wǎng)把相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地集中在一起，按照工程師查找問題的邏輯讓機(jī)器去判斷，十幾分鐘就找到了問題的根源，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。傳統(tǒng)工廠操作人員關(guān)注的是工藝信息而不是設(shè)備信息。設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是設(shè)備工程師來保證的，然而，設(shè)備信息其實(shí)會(huì)從側(cè)面反映質(zhì)量情況、效率情況和操作情況。通過合適的算法，可以把這些信息挖掘出來，提供給人類管理者參考，從而讓生產(chǎn)管理水平顯著地提高。而管理水平的提高，又會(huì)帶動(dòng)質(zhì)量、成本、效率等多種指標(biāo)的優(yōu)化，從而對(duì)制造企業(yè)有著極大的好處。

5

應(yīng)用案例與附加值分析

如前所述，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在大企業(yè)內(nèi)部的推進(jìn)，關(guān)鍵是要找到設(shè)備維護(hù)之外的“附加值”，提升經(jīng)濟(jì)效益。在筆者看來，這些“附加值”往往與企業(yè)管理水平上升有關(guān)。下面的這些案例，就說明了這一問題。 5.1管線遠(yuǎn)程巡檢 運(yùn)輸氣體或液體的管線本質(zhì)是一種簡(jiǎn)單的設(shè)備。在大型化工廠里，管線總長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百公里。為了保證生產(chǎn)安全，工人需要進(jìn)行徒步巡察，巡察一圈需要兩個(gè)小時(shí)，甚至在特殊的氣候條件下，兩個(gè)小時(shí)也很難完成。有些故障是在巡察人員離開后發(fā)生的，要等到下次巡察時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，從而成為隱患。 為了解決這個(gè)問題，某企業(yè)把與管線巡檢有關(guān)的信息采集出來，通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞到監(jiān)控中心。工人可以在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控管線的狀態(tài)，從而提高設(shè)備維護(hù)的水平。同時(shí)，一個(gè)工人可以監(jiān)控更多的管道，減少了巡檢的人數(shù)，提高了勞動(dòng)效率。 5.2生產(chǎn)操作的集約化 某鋼鐵集團(tuán)公司的一個(gè)生產(chǎn)基地內(nèi)有四座高爐，每座高爐由一組工人操作。高爐的運(yùn)行節(jié)奏慢，工作相對(duì)清閑，但工作環(huán)境差，年輕人不喜歡在這種環(huán)境下工作。于是，企業(yè)通過聯(lián)網(wǎng)的方式，把高爐操作室的數(shù)據(jù)集中在一起。這樣，一組工人可以操作4臺(tái)高爐，還可以把操作室安排在環(huán)境相對(duì)較好的地方，改善工作環(huán)境。該公司還計(jì)劃把國(guó)內(nèi)多個(gè)生產(chǎn)基地的高爐信息進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。這樣，當(dāng)某地高爐出現(xiàn)問題時(shí)，可以讓全國(guó)優(yōu)秀的專家進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和指導(dǎo)，能更好地保證生產(chǎn)的順行、減少事故損失。

5.3磅秤的集約化與操檢一體 工廠進(jìn)料、出貨一般要經(jīng)過磅秤稱重。在有些企業(yè)，司磅是腐敗的高發(fā)崗位。于是，有些企業(yè)利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)手段，將司磅崗位從現(xiàn)場(chǎng)移開，隔絕了內(nèi)、外部人員的直接接觸。數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)以后，便于對(duì)司磅崗位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督，從而大大降低了腐敗的可能性。另外，多臺(tái)磅秤的數(shù)據(jù)聚集在一起，一個(gè)人可以操作多臺(tái)磅秤，降低了勞動(dòng)成本。 5.4煤氣的協(xié)同管理 鋼鐵廠中煤氣的生產(chǎn)和使用需要做到動(dòng)態(tài)平衡。傳統(tǒng)做法是：各個(gè)生產(chǎn)廠分別制定各自的生產(chǎn)計(jì)劃，使得能源的產(chǎn)供基本平衡。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中總會(huì)產(chǎn)生各種問題，產(chǎn)供平衡就會(huì)被破壞。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以在全廠范圍內(nèi)獲得相關(guān)設(shè)備信息以及生產(chǎn)的計(jì)劃執(zhí)行信息。一旦生產(chǎn)發(fā)生變化，就能預(yù)知未來的煤氣產(chǎn)供情況。在此基礎(chǔ)上，稍微調(diào)整某些生產(chǎn)工序的計(jì)劃，就可以更好地平衡煤氣的生產(chǎn)和使用。優(yōu)也公司在一家中等規(guī)模的鋼鐵企業(yè)中采用這種做法，一年創(chuàng)造了4200萬元的價(jià)值。

6

總結(jié)與展望

受技術(shù)條件等因素的限制，自動(dòng)化系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的聯(lián)系并不密切。人類難以實(shí)時(shí)處理大批量的數(shù)字化信息，而機(jī)器難以靈活處理大系統(tǒng)中的復(fù)雜問題。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，可以通過算法來改變?nèi)伺c機(jī)器的協(xié)同工作方式，從而解決這一對(duì)矛盾，并顯著提高企業(yè)的管理能力。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能與傳統(tǒng)的自動(dòng)化和信息系統(tǒng)是有區(qū)別的。在短期內(nèi)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)或許應(yīng)該與企業(yè)已有的系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行、分工協(xié)作，有利于降低系統(tǒng)更新?lián)Q代的風(fēng)險(xiǎn)。在條件成熟時(shí)，用統(tǒng)一的系統(tǒng)來集成各個(gè)系統(tǒng)的功能也是可以期待的。

作者簡(jiǎn)介

郭朝暉，教授級(jí)高工，工學(xué)博士，現(xiàn)任優(yōu)也信息科技有限公司首席科學(xué)家、走向智能研究院大數(shù)據(jù)首席研究員、中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟大數(shù)據(jù)組副主席，曾任寶鋼研究院首席研究員。

原文標(biāo)題：郭朝暉：淺議工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的關(guān)系

文章出處：【微信公眾號(hào)：工業(yè)IoT】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq