工业互联网的兴起及要素

编译/辛妍

工业互联网的兴起及要素

编译/辛妍

本文从三波创新浪潮阐述工业互联网的兴起，并介绍工业互联网的要素，以便从发展、创新的角度了解工业互联网

随着工业互联网的崛起，世界正在进入一个新的创新与变化的时代。在这一时代，全球工业体系与由互联网促成的先进计算、分析、低成本传感和新水平的连接相互融合接轨。数字世界与机器世界的更深层次的啮合有可能带来深刻的全球产业转型，并在触及日常生活的许多方面，包括我们很多人的工作方式。

如同工业革命和互联网革命一样，工业互联网将给众多行业带来更高的速度和效率，如航空、铁路运输、发电、石油和天然气开发，以及医疗保健服务等。它能加速生产率增长，给全球带来更强劲的经济增长，比如以较低的成本获得更好的健康成效，在燃料和能源方面的大量节省，以及更好更长期的有形资产等。它能给全球带来更多更好的就业，和不断提高的生活水平，不论是在美国还是在中国，在特大城市还是在边远农村。

工业互联网的兴起——三波创新浪潮

在过去的200年中，世界经历了几次创新浪潮。成功的公司学会了驾驭这些浪潮，并适应变化的环境。今天，我们正处在另一波创新浪潮——工业互联网的尖端，它承诺要改变我们工作的方式，改变我们与机器世界互动的方式。

第一波:工业革命

工业革命是一个长期的创新过程，历经150年。在此期间，技术上的创新被应用到制造、能源生产、运输和农业等，迎来了一段时期的经济增长和转型，对社会、经济和世界文化都产生了深远的影响。

工业革命改变了我们的生活方式，给各个方面带来了深刻的变革：在交通运输上，从马车和帆船转变到了铁路、轮船和卡车；在通讯方面，出现了电话和电报；在城市中心，有了电、水、卫生设施和医疗。可以说，工业革命大大改变了人们的生活标准和健康状况。在这一时期，有几个关键特点：首先是新产业中大公司兴起；其次，随着机器和机组变大，产量增加，产生了规模经济，从而降低了成本；另外，它在集中控制下，利用了分层结构的效率。

随着中央实验室和研发中心的兴起，人们开始以系统的方式考虑创新。各类企业，不论是大型还是小型，都致力于利用新发明来创造在新市场中的利润。尽管工业革命给经济和社会带来了巨大的收益，但它也有自身的缺点。比如全球经济体系变得更加资源密集，随着对资源的开采和工业废物的流出，对外部环境造成了重大的负面影响。此外，这一时代的工作条件也有巨大的改进。自工业革命以来，许多增量创新的重点是放在改进效率、减少浪费和改善工作环境。

第二波 : 互联网革命

二十世纪末期，互联网革命又一次改变了世界。与工业革命的150年不同，互联网革命的时间要短得多，仅仅有大概50多年。互联网革命始于能够让计算机之间相互通信的大型主框架计算机、软件和“数据信息包”。而网络的开放性和灵活性是为革命的爆炸性增长奠定基础的关键要素。

速度与容量相结合，通过推动降低商业交易和社交的成本，创建了新的功能强大的商务和社交平台。公司从在互联网上不卖任何东西，转变为在互联网上创造了巨大的、新的有效交易市场。比如1995年当eBay刚刚成立的时候，当年仅有4.1万用户，交易额为720万美元。到 2006年,它已经拥有超过2200万用户，交易额高达525亿美元。同样，社交网络的发展也有类似的轨迹。Facebook于2004年2月启动，不到一年就发展到100万活跃用户。到2008年8月, Facebook已经拥有1亿活跃用户，而现在，其活跃用户数已经远超10亿。

互联网革命的性质与工业革命有很大的不同。互联网、计算能力，以及发送和接收大量数据的能力，是建立在网络的创建和价值、水平结构以及分布式智能之上的。通过允许更深入的一体化和更为灵活的操作，互联网革命改变了对生产体系的思考。此外，互联网启用的是并行式创新，而不是有序的线性方式的研发。迅速交换信息和分散决策的能力衍生出更加协作的不受地理限制的工作环境。因此，集中化内部创新的旧模式给初创企业和更开放的创新模式让路，因为它们能够利用具有更丰富的知识的环境。

因此，互联网革命是信息和知识密集型，而不是资源密集型。它突出强调了网络的价值和平台的创建。同时，它也为减少环境足迹和支持更环保型的产品和服务开辟了新途径。

第三波 : 工业互联网

在二十一世纪的今天，工业互联网承诺将再次改变我们的世界。由工业革命带来的全球工业系统，与部分发展于互联网革命的开放计算和通信系统相融合，为加快生产力，减少低效和浪费，以及改善人类工作经验开辟了新的领域。

事实上，工业互联网革命已经开始。在过去十年间，公司已经将基于互联网的技术应用于工业中。但是，我们目前的状况远远低于可能的前沿：基于互联网的数字技术的全部潜力仍有待在全球的工业系统中得到充分实现。

智能设备、智能系统和智能决策代表了工业互联网的主要方法，它们能让物理世界中的机器、设施、机组和网络更深入地与数字世界中的连接、大数据和分析法相融合。

智能设备

智能设备向工业机器提供数字仪器是工业互联网革命的第一步。多种因素已经共同使得广泛的工业机器仪表化不仅是可能的，而且在经济上是可行的，而广泛的仪表化是工业互联网崛起的一项必要条件。在发展过程中，多方面的力量都在共同努力，使机器和机器集更加智能化。

部署的成本：仪器仪表化的成本大幅下降，从而能够用比过去更经济的方式装备和监控工业机器。

计算能力：微处理器芯片的持续改进已经达到了能够增加物理机器的数字智能的拐点。

高级分析法：“大数据”软件工具和分析技术的进展为理解智能设备产生的大量数据提供了手段。同时，这些力量也正在改变收集、分析和处理那些已经在理论上存在，但在实践中并没有被充分利用的数据的成本和价值。

让那些产生于智能设备的数据流有意义是工业互联网的关键组件之一。如图2所示，工业互联网可以被看作是数据、硬件、软件和智能的流动与相互作用。

数据来自于智能设备和网络，并使用大数据和分析工具进行存储、分析和可视化。由此产生的“智能信息”可以被决策者用来采取行动，必要时甚至可以实时使用。另外，这些智能信息可以作为跨不同工业体系的更广泛的工业资产优化或者战略决定流程的一部分。智能信息也可以在计算机、网络、个人或团体间共享，以促进智能协作和更好的做出决策。智能信息还可以被反馈到原始机器上。这不仅包括产生于原始机器的数据，还包括能够提高机器、机组和较大系统的操作与维护的外部数据。数据反馈回路能让机器从它自身的历史中“学习”，并通过机载控制系统表现得更智能。

每台仪表化的设备都会产生大量的数据，这些数据可以通过工业互联网网络传输到远程机器和用户。工业互联网实施的一个重要部分就涉及确定哪些数据仍然驻留在设备上，哪些数据被传输到远程位置进行分析和存储。确定驻留本地数据的程度是确保工业互联网安全的关键之一，许多不同的公司也将作为其中的一员而受益。

智能系统

智能系统有巨大的潜在好处。随着越来越多的机器和设备加入工业互联网，可以跨机组和网络实现广泛的机器仪表化。智能系统以多种不同的形式存在：

网络优化：系统中相互连接的机器的操作可以进行协调，以实现网络层级的运营效率。例如智能系统可以用于交通网络中的路线优化。相互关联的车辆可以知道它们自己的位置和目的地，而且也能知道系统中其他车辆的位置和目的地，从而能够优化行车路线，找到最有效的系统级解决方案。

维护优化：智能系统可以促进跨机组的最佳低成本机器维护。对机器、组件和单个零件的综合总体视图能够让最优数量的零件在正确的时间运送到正确的位置。这将最大限度地减少零件库存需求和维护成本，并提供更高水平的机器可靠性。

系统恢复：建立广泛的全系统智能可以协助更快、更有效的在遭受重大创伤后恢复系统。例如在大风暴、地震或其他自然灾害发生后，智能仪表、传感器和其他智能设备和系统的网络可用于快速检测和隔离最大的问题，从而防止级联并导致中断。

学习：与系统中的机器互连的好处之一就是网络学习效应。各台机器的操作经验都可以被整合到单一的信息系统中，从而加速机器组合的学习，而这仅在一台机器上是无法实现的。例如，从飞机上收集的数据加上位置信息和飞行历史，就可以提供关于飞机在各种不同的环境中的性能的丰富信息。这一来自数据的见解是可操作的，它可以使整个系统更智慧，从而推动持续的知识积累并洞察实施过程。当越来越多的机器连接到系统中时，结果会不断扩展，从而使得自学习系统随着时间的推移成长得更智慧。

图1 工业互联网的兴起

智能决策

工业互联网的力量将会通过智能决策来实现。当已经从智能设备和系统中收集到了足够的信息来协助数据驱动的学习时，才会产生智能决策。反过来，智能决策能够让一个子集的机器和网络层级的操作功能从运营商转移到安全的数字系统中。要解决互联机器、设施、机组和网络的日益增加的复杂性问题，智能决策是必要元素。

智能决策是工业互联网的长期愿景。如果实现的话，可以大大提高生产率和降低运营成本，其规模可以与工业革命和互联网革命产生的结果类似。当三个主要数据方法（智能设备，智能系统和智能决策）与物理机器、设施、机组及网络完全融合在一起的时候，才能充分体会到工业互联网的潜力。而到那时，提高生产效率、降低成本和减少浪费将会传播到整个工业经济中。

许多在起作用的力量都能够解释为什么工业互联网会在今天发生。机器的能力并没有被充分地实现。不同于以往的单个机器级别，在现在的系统级别下，持续的低效率变得更加严重。并且，其复杂性已经让人类操作员的能力不足以识别和减少这些低效率。虽然这些因素使得通过传统手段已经难以实现改进，但同时它们也创造了激励措施，来应用产生自基于互联网创新的解决方案。计算技术、信息和通信系统现在可以支持广泛的仪器仪表、监测和分析。仪器仪表的成本急剧下降，使得大规模的装备和监测工业机器成为可能。过程收益继续有增无减，并且已经达到了一个可以增加物理机器的数字智能化的拐点。可以处理大量信息的远程数据存储、大数据集和更先进的分析工具都变得越来越成熟，应用也日益广泛。当应用到机器、机组和网络上时，这些变化正在共同创造令人兴奋的新机会。

仪器仪表成本的迅速下降与云计算的影响是相匹配的，它能让我们以较低的成本收集和分析大量的数据，这在以往任何时候都是不可能的。这将创建一个成本通货紧缩的趋势，类似于20世纪90年代后半期刺激信息和通信技术的快速采用，而这一次的趋势，可以促进并加快工业互联网的发展。另外，移动革命也将加速这一通货紧缩趋势，使得能够更经济且高效地共享信息，并导致分散优化和个性化优化。对工业设施的远程监测和控制、分布式电源以及个性化和便携式的医疗都只是一些最有力的实例。

全球的工业系统相当庞大。现在全世界有数百万的机器，从简单的电动马达到用于医疗保健的高度先进的计算机断层扫描（computed tomography，CT）扫描仪；有数以万计的机组，从用于发电的发电厂，到将人和货物运往世界各地的飞机；有数千个复杂的网络，从电网到铁路系统，它们将机器和机组紧密结合。工业互联网将有助于让工业体系的每个层次都做得更好。通过优化检查、维护和维修流程，工业互联网能够提高资产的可靠性。不论是在机组级，还是在更大的网络级，它都能提高运营效率。

图2 :工业互联网的应用

工业互联网的关键要素

工业互联网汇集了两个革命性变革的进展：一是产生于工业革命的无数的机器、设备、机组和网络，另一个是互联网革命带来的最新的计算、信息和通信系统的强大进步。这些发展汇集在一起便带来了体现工业互联网本质的三个要素。

第一是智能机器。它是将世界上无数的机器、设备、机组和网络用先进的传感器、控制器和软件应用程序连接起来的新方式。

第二是先进分析。它利用基于物理的分析学、预测算法和自动化的能力，以及要了解机器和更大的系统如何运作所需的材料科学、电气工程和其他重点学科的深厚的专业知识。

第三是工作中的人。在工业互联网中，人是被随时连接的，无论他们是在工业设施、办公室、医院中工作，还是在移动中，用以支持更智能化的设计、操作、维护，以及更高的服务质量和安全。

将这些要素连接并组合在一起，将会给各企业和经济体提供新的机会。工业互联网始于将传感器和其他先进的检测仪器嵌入到机器阵列中，从简单到高度复杂。这就使得可以收集和分析大量的数据，用于改善机器的性能，同时不可避免地提高了与之相连的网络和系统的效率。即使是数据本身，也可以变得“智能化”，即能够立刻知道它需要到达哪些用户处。

许多工业互联网的实践都证明，各种各样的新的创新能够给企业和全球经济带来巨大利益。就像工业革命一样，互联网革命正在以动态的方式展开，而我们现在正处在转折点上。工业互联网的条件已经成熟。早期的证据表明，新的创新浪潮——工业互联网已经来临。