美、德、日、中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)發(fā)展

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在美國和歐洲已基本不作區(qū)分地使用，通指互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，也就是計算和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在工業(yè)系統(tǒng)中更加廣泛、更加深入的應(yīng)用，也就是對工業(yè)系統(tǒng)的全面信息化。我個人比較喜歡工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)這個詞，它的涵蓋面更為廣泛些，包括從實體（也就是傳感、執(zhí)行和控制器件、產(chǎn)品和裝備等等）、信息系統(tǒng)、業(yè)務(wù)流程和人員，不至于過分強調(diào)實體物件。雖然對實物的連接在目前很重要，但在若干年后，實物也會變成系統(tǒng)中正常的一部分，其特殊性會降低。

　　美國制造業(yè)創(chuàng)新中心的發(fā)展

　　在美國，奧巴馬總統(tǒng)在其第一任期內(nèi)就開始了一系列的政策舉措，以振興美國制造業(yè)。最顯著的成果是在其第二任期內(nèi)啟動的美國制造業(yè)創(chuàng)新中心（Manufacturing USA）一個通過公共機構(gòu)與私營企業(yè)合作伙伴（Public-Private Partnership）的機制，建立了一系列的制造創(chuàng)新研究院（Manufacturing Innovation Institute），構(gòu)成一張網(wǎng)絡(luò)，分布于全國各地。政府為每個研究院提供總數(shù)為5千萬到1.1億美元之間的資金，周期為5年；其它50%以上的資金則由企業(yè)和其它非政府來源提供。這些創(chuàng)新研究院通過建立一個聚合企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界資源的創(chuàng)新生態(tài)環(huán)境，融合人、意念和技術(shù)，旨在孵化新興產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新、促進技術(shù)轉(zhuǎn)型、支持具有應(yīng)用前景的產(chǎn)品和服務(wù)的早期研發(fā)，推動新產(chǎn)品早日進入市場；在此同時，并著力培訓(xùn)制造業(yè)勞動力和技術(shù)人才。
　　每個創(chuàng)新研究院有專門而具體的課題，聚焦在一些具有潛力的關(guān)鍵制造業(yè)技術(shù)，綜合起來，涵蓋面相當(dāng)廣，目前包括了先進材料（新型纖維和紡織、復(fù)合、輕型、先進碳化硅和氮化鎵半導(dǎo)體材料）、先進工藝和技術(shù)（集成光子器件、添加性制造、寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體電力器件、柔性混成電路板、生物制藥、細(xì)胞組織生物制造、模塊化的化學(xué)過程強化工程）、先進裝備（先進機器人）、節(jié)能減耗技術(shù)（凈能制造、降低體現(xiàn)能源和碳排放量）和信息化制造。而狹義的智能制造——也就是制造業(yè)的信息化，在現(xiàn)有的14個研究院中只占了1.5個（信息化制造和能耗優(yōu)化）。
　　由于市場經(jīng)濟的觀念在美國根深蒂固，政府在技術(shù)和商業(yè)方面的影響力相當(dāng)有限，（除了通過稅務(wù)法規(guī)調(diào)節(jié)之外）難以對其有直接和實際的干預(yù)。如美國制造業(yè)創(chuàng)新中心在其2016年的年度報告中所指出，其工作重點在于縮短技術(shù)發(fā)明從大學(xué)和科研機構(gòu)到工廠車間的距離。聯(lián)邦政府的角色僅限于在美國制造業(yè)所面臨的關(guān)鍵機遇上，創(chuàng)建以企業(yè)為主導(dǎo)的應(yīng)用研究合作空間。這些創(chuàng)新研究院的成果，對推動美國的制造業(yè)的發(fā)展預(yù)期會有一定的貢獻，但這些項目的運作周期為5-7年，其影響力將在在若干年后才能有效地評估。在總體上可以預(yù)測，美國在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造方面，將一如既往，由具有創(chuàng)新能力的企業(yè)，特別是新創(chuàng)企業(yè)，通過對新技術(shù)和新的商業(yè)模式的不斷探索和實踐來推進、靠企業(yè)自身業(yè)務(wù)價值的實現(xiàn)和市場競爭的驅(qū)動而實現(xiàn)。

　　制造業(yè)企業(yè)的信息化過程

　　對于制造業(yè)企業(yè)的信息化過程，簡單而言，完善對各個業(yè)務(wù)和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化是第一步，如在以EPR為主線的價值鏈各個環(huán)節(jié)，還有對以PLM為主的產(chǎn)品鏈各個環(huán)節(jié)部署和使用相應(yīng)的工業(yè)軟件，還有在這兩條鏈的交叉點上的生產(chǎn)環(huán)境里實施MES，這些都是基礎(chǔ)。第二步是要將這些環(huán)節(jié)的信息化模塊（專門工業(yè)軟件）互聯(lián)互通，在價值鏈和產(chǎn)品鏈上逐步實現(xiàn)流程的自動化，并使能對生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的收集。在此同時，作為第三步，對設(shè)備進行連接，收集設(shè)備運營和產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化生產(chǎn)過程。第四步，在對產(chǎn)品、設(shè)備以及生產(chǎn)和業(yè)務(wù)流程中收集了足夠的數(shù)據(jù)后，可以進行不同周期和跨越生產(chǎn)和業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的綜合性的大數(shù)據(jù)分析，識別和消除效率和績效瓶頸，對整個生產(chǎn)和業(yè)務(wù)過程進行宏觀性的優(yōu)化。最后第五步，打通在生態(tài)圈內(nèi)企業(yè)之間的信息系統(tǒng)的互聯(lián)，實現(xiàn)企業(yè)之間的業(yè)務(wù)和生產(chǎn)的協(xié)同，把優(yōu)化的范疇擴展到生態(tài)圈，以及對客戶部署了的產(chǎn)品實行連接，通過對產(chǎn)品的全生命周期的管理實現(xiàn)服務(wù)延伸，為企業(yè)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型開拓機遇。

圖 | 數(shù)字化的制造管理流程

　　這些步驟可作為制造業(yè)企業(yè)信息化的總體路線的一個基本參考，但沒有必要按部就班地實施。在起步時應(yīng)該首先根據(jù)每家企業(yè)獨特的核心價值的訴求,制定企業(yè)信息化和智能化的戰(zhàn)略愿景。在具體的實施中，以戰(zhàn)略愿景為指導(dǎo)，以業(yè)務(wù)價值為驅(qū)動，以先進技術(shù)為手段，以當(dāng)務(wù)之急要解決的業(yè)務(wù)問題為突破口，通過一個從小到大，從簡單到復(fù)雜的迭代發(fā)展進程來實現(xiàn)價值和戰(zhàn)略愿景。

　　美國企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的策略

　　美國的企業(yè)對于產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化日益重視，特別是當(dāng)華爾街的分析家已經(jīng)開始向上市公司的CEO詢問企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或數(shù)字化策略之后。美國的企業(yè)在信息化的程度也是參差不齊，國防、航天及大型高價值裝備制造商的信息化比較完善，高流量產(chǎn)品如汽車和其零配件的廠商的信息化也會相對完善，但其它的企業(yè)，特別是一些低流量的工程產(chǎn)品的廠商的信息化也還在發(fā)展過程中。一些在信息化起步早的企業(yè)面臨著一些很不一樣的挑戰(zhàn)，像如何規(guī)范化企業(yè)內(nèi)部五花八門同類型但出于不同供應(yīng)商的工業(yè)軟件，或如何更新部署了多年但現(xiàn)在還在大型機上運行的老舊工業(yè)軟件。
　　不同的企業(yè)在其數(shù)字化的策略也很不同。有像GE和卡特彼勒這些企業(yè)，他們把深厚的工業(yè)知識與數(shù)字化結(jié)合起來，充分利用新型裝備的數(shù)字化和連接性，在為客戶提供設(shè)備的維護方面切入，推動商業(yè)模式的轉(zhuǎn)型，從銷售設(shè)備，到銷售服務(wù)，最終到銷售成效，在這些過程中不斷地增加軟件在其產(chǎn)品總體價值結(jié)構(gòu)的比例，也就是愈來愈多地利用軟件創(chuàng)造價值。一些這樣的企業(yè)，如GE，更進一步把他們的這種能力和經(jīng)驗，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的方式，提供給其它的產(chǎn)業(yè)客戶，從而成為工業(yè)軟件服務(wù)平臺的提供商。而其它更多的企業(yè)，在不動聲色地增強和完善企業(yè)內(nèi)部的信息化，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程，提高設(shè)備的使用效益和降低成本（如在開始實施預(yù)測性維護）的同時，十分注重如何利用產(chǎn)品的連接性，收集數(shù)據(jù)，為客戶提供更多和更好的服務(wù)，為客戶創(chuàng)造更高的價值，從而也為企業(yè)開拓新的營業(yè)收入。
　　最近有些調(diào)查報告表明，絕大部分都美國制造業(yè)企業(yè)高度重視并大力推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對生產(chǎn)資源和流程進行數(shù)字化的改造而從中實現(xiàn)優(yōu)化。有四分之三以上的企業(yè)已經(jīng)部署了一定的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案，而且他們之中的98%表示這些部署對企業(yè)是重要或很重要的。而那些還沒有部署的，超過85%有計劃在一年內(nèi)開始部署。
　　在另一方面，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)者的GE近期在市場表現(xiàn)不佳，引起了一些行內(nèi)人士的關(guān)注，擔(dān)心是否是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個挫折。我個人的看法是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基本理念、方向和路徑是符合技術(shù)發(fā)展的趨勢的和業(yè)務(wù)價值的需求的。GE的市場表現(xiàn)在我看來，主要是與業(yè)務(wù)經(jīng)營和市場的消長有關(guān)，前些年GE對其結(jié)構(gòu)的改造，旨在成為一家更純粹的工業(yè)企業(yè)，把注意力放在具有高增長潛力的包括數(shù)字化在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)，作了不少的投資，但這些投資需要一定的時間才能產(chǎn)生的相應(yīng)的效益，不可能馬上提供的足夠經(jīng)濟回報。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或產(chǎn)業(yè)數(shù)字化剛起步，其進程所需要的時間會很長。

　　國內(nèi)外架構(gòu)的異同與側(cè)重點

　　目前在國際上有美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA、德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0、和日本工業(yè)價值鏈計劃IVI等。國內(nèi)也有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（版本1.0）》。這幾個工業(yè)信息化的參考架構(gòu)，盡管它們的出發(fā)點、思考問題的角度和所關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域各有差異，但它們都是共享著對產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)全面的信息化的核心理念和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　IIRA注重跨行業(yè)的通用性和互操作性，提供一套方法論和模型，以業(yè)務(wù)價值推動系統(tǒng)的設(shè)計，把數(shù)據(jù)分析作為核心，驅(qū)動工業(yè)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從設(shè)備到業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的端到端的全面優(yōu)化。

圖 | 美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)? （來源：IIRA1.8）

　　RAMI4.0則深度聚焦于制造過程和價值鏈的生命周期，為其建立了一個比較完整的三維模型。這個模型在對在制造環(huán)境里不同環(huán)節(jié)單元的功能的分析、它們之間的互操作性的需求的辨認(rèn)，以及對相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)制定和采用，都十分有價值。更值得關(guān)注的是與其相關(guān)的工業(yè)4.0部件模型，對包括數(shù)字化的零部件、設(shè)備、產(chǎn)線、車間、工廠、甚至信息化系統(tǒng)在內(nèi)的所有資產(chǎn)提供一個統(tǒng)一的CPS模型，描述其功能、性能和狀態(tài)，并為它們之間的交互，從通訊協(xié)議、句法和語義，提供統(tǒng)一的界面。其廣泛實施，對推動制造環(huán)境各個系統(tǒng)的全面互聯(lián)互通，將會起著非常大的作用。

圖 | 工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI 4.0

　　最近發(fā)布的IVI，從制造業(yè)一直追求的質(zhì)量、成本和效率（產(chǎn)出）傳統(tǒng)要素加上環(huán)保要求的管理角度出發(fā)，結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境的資產(chǎn)（人、流程、產(chǎn)品和工廠）角度和作業(yè)流程（計劃、執(zhí)行、查驗和反應(yīng)）角度，細(xì)分出智能制造單元，對信息化在生產(chǎn)過程的優(yōu)化，作了細(xì)致的分析，進而提出了智能制造的總體功能模塊架構(gòu)，在不同的（設(shè)備、車間、部門和企業(yè)）層次上，分析知識/工程流程（相當(dāng)于產(chǎn)品鏈）和供給流程（相當(dāng)于價值鏈）的各個環(huán)節(jié)的具體功能構(gòu)成，頗具有獨到之處。

圖 | 日本工業(yè)價值鏈計劃中智能制造單元的三維視圖

　　中國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年初發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（版本1.0）》把網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和安全作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的三大核心體系，對其現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，特別是針對制造業(yè)，進行了深度剖析，并提出實施建議。這個體系架構(gòu)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐的應(yīng)用也作了分類和分析，從產(chǎn)業(yè)到互聯(lián)網(wǎng)的視角，歸納為四大類，包括企業(yè)內(nèi)的智能化生產(chǎn)、企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、企業(yè)與用戶間的個性化定制、和企業(yè)與產(chǎn)品間的服務(wù)化延伸。這些對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展都具有指導(dǎo)性的作用。

圖 | 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)（版本1.0）

　　最近美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)同盟與德國工業(yè)4.0的機構(gòu)共同發(fā)布了一份關(guān)于IIRA與RAMI4.0對接分析的白皮書，指出IIRA與RAMI4.0在概念、方法和模型等方面有不少相互對應(yīng)和相似之處，而差異之處則互補性很強，相互之間可以取長補短。這個結(jié)論在對降低由于多個架構(gòu)的存在所帶來的不確定性有一定的良好作用。相信這個結(jié)論，在這幾個架構(gòu)之間都是適用的。所以，在這個方面加強國際合作，對國內(nèi)和國際上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的發(fā)展都是會有益的。