肖琳琳,余婧,夏宜君,黄洁,张梓盟
(国家工业信息安全发展研究中心,北京100040)
近年来,全球工业经济形势发生深刻变化,能源和原材料价格持续攀升,资源环境约束进一步强化,工业竞争格局深度调整,以人工智能、物联网、云计算等新一代信息技术与工业融合为主的第四次工业革命悄然来袭,工业企业同时面临着外部环境变化和传统运营模式难以为继的压力,数字化转型迫在眉睫。
工业互联网平台是赋能企业数字化转型的重要基础设施,也是助力企业创新发展的系统解决方案[1]。然而全球工业互联网正处于起步阶段,受制于商业模式、企业文化、投资收益、技术路线等多方面的挑战,目前工业互联网并没有获得预期的市场认可度。本文从全球选取了77个工业互联网平台企业,针对工业企业数字化转型的需求和痛点,对206个工业企业应用工业互联网平台的案例进行了调查研究,希望了解哪些工业互联网应用在工业企业已落地实施、哪些应用获得企业的认可度最高、解决了什么问题、取得什么成效、哪些行业普及较快、哪些企业现在需要工业互联网。
图1 全球工业互联网平台应用场景分布和主要应用成效
全球工业互联网平台应用场景分布和主要成效如图1所示。
工业互联网平台应用场景主要可分为三大类:第一类主要针对工业设备和工业产品开展资产管理服务;第二类主要通过打通OT数据与IT数据,支持企业传统业务和运营优化;第三类主要融合工业、金融、服务,整合产业链、价值链各方资源,开展企业业务转型、商业模式创新,打造新竞争模式。目前工业互联网平台应用主要集中在第一类和第二类,第三类应用处于起步探索阶段,我国国内初创企业具有较强创新意愿,已经开展了很多新尝试。
目前,还没有出现通用的工业互联网平台绩效评价方法能够精准计算能为企业节省多少成本、提高多少新增业务收入、带来多少新的客户等,工业互联网平台对企业的最终直接价值目前很难评估。但从应用案例分析,工业互联网平台目前给企业带来的成效主要体现在四大方面,分别为:一是成本降低,主要包括降低用工量、减少故障损失、降低运维成本、降低能耗、减少资源浪费、减少安全事故等;二是效率提升,主要包括优化业务流程、减少故障损失、提高资源利用效率、缩短交付周期、提高员工工作效率、提高供应链运作效率等;三是产品和服务能力提升,主要包括缩短研发周期、降低次品率、降低产品故障率、实现产品可追溯、加速产品/服务更新迭代、提升客户满意度等;四是业务和模式创新,主要包括带动投资、数据服务、增加客户生命周期价值、增加客户数量和范围、新的市场营销策略、新商业模式获得的收入增长等[2]。
对大部分工业企业来说,保证设备的正常运行是生产制造的前提,监测设备或产品运行状态数据能够及时有效地发现并解决问题,从而有效地降低因设备故障带来的维护成本和因非计划停机带来的生产损失。在传统工业模式下,设备维护成本高、难度大,工业企业需成立设备维护部门,按照小修、中修、大修的频率定期对设备进行检修,仍然很难保证设备的无障碍运行。同时,从事设备维护的主体分散,有设备制造企业、设备使用企业以及专门进行设备维护的服务企业,导致设备维护知识分散而难以积累。
因此,基于工业互联网平台开展的设备和产品的状态监测应用最普及。调研中83%的案例基于工业互联网平台开展了设备和产品管理应用。大多数企业采集设备数据是为了实现状态监测,虽然传感器技术大幅减少了低数字化水平设备的数据采集成本,但是监测需要对工业知识的深度理解,否则会陷入不知采集什么数据、有数据不知道如何运用的困境。此外,设备和产品是工业互联网的原始数据来源,业务和运营优化、业务转型和模式创新等其他应用都要基于对原始数据的分析和挖掘。
目前,故障诊断(29%)、预测性维护(26%)和远程运维(19%)三类应用相对较少,设备数据利用程度仍待提高。通过远程操作和管理等方式可以满足地理位置偏远、现场运维较为困难或成本过高的工业运维需求;基于历史数据或实时数据也可实现对即将出现的问题的预判。具备高价值、高分散化、高复杂度、高风险隐患特性的核心设备是这三类应用的主要对象,如分布较分散的风电设备的巡检、位置不断移动的工程机械的远程运维,炼铁高炉的生产安全监测等。预测性维护和预防性维护大部分依赖于历史数据的分析,基于实时数据的预测性维护少有成功案例,设备知识和数据分析技术还需进一步融合。另外,远程运维应用案例较少,大多数工业企业出于对生产安全以及网络传输时延的顾虑,对远程运维仍然持保留态度。
对生产过程进行控制和优化(37%)的应用广泛。应用主要集中在提高生产自动化水平、减少人工作业、自动物料选配等,部分应用能够在此基础上做到对工业知识和数据算法的融合应用。如中策橡胶集团基于平台将生产端的各类数据进行深度运算和深度学习,能在短时间内处理分析,匹配最优的合成方案,极大地稳定了混炼胶的性能。
资源调度优化(17%)是工业企业在运营优化环节的另一个重要应用。一是生产能力的调度和优化,既可以在企业内通过产线实时数据分析,对空闲设备进行调度优化,提升设备整体效率(OEE);也可以发生在企业之间,如能源行业支撑电网调度优化。二是技术人员的灵活调度,如某商务空调企业通过定位问题空调和最近维护人员,优化人员安排,缩短维护人员的旅途时间。
能耗优化(16%)是电力、石化、钢铁、建材等能源密集型行业企业的普遍应用需求。这类企业中支撑设备运行的电能和燃料消耗在成本构成中占比较大,节约能源消耗的需求迫切。此外,在火电站、水泥厂、炼铁厂这类环境外部性较强的企业,废气废水的排放会带来负面的社会影响,政策管控压力也成为企业节能减排的需求动力之一。
技术密集型企业在工业知识数字化、模块化方面围绕非生产过程的决策、仿真设计和知识管理开展应用。对于作业环境和工作流程都具有高度复杂性、随机性和无序性的大型设备,如交通设备、机械设备、盾构设备等,作业过程需要高技能水平人员进行实时判断,如Rolls-Royce公司收集汇总来自世界各地的引擎性能快照、技术日志、航班飞行计划、气象数据等,帮助飞行员规划相关行动,提高飞行的燃油效率和减少地面停留时间。
设计仿真环节聚焦复杂系统设计和快速市场响应。高铁、船舶、飞机等大型交通设备制造行业,总体设计技术要求高、难度大、参与单位多,仿真的重要性不断提升。如中国商用飞机有限责任公司通过设计工具的互联互通和集成,实现了外形、布置、重量、气动、性能、操稳、载荷、气弹等不同专业的协同,提高了总体方案设计、建模和分析的效率,降低系统使用门槛,加快了总体方案设计、更改和迭代的速度[3]。
工业知识管理依托大数据技术,成为平台规模化应用的切入点。当工业知识不仅在某一企业应用,还可以被推广至同行业企业中,甚至可以跨行业应用时,就出现了工业知识的管理、知识产权的保护和新价值模式的探索。平台变革了传统“传帮带”模式,通过经验和知识的模块化、软件化,能够降低专业技能培养成本,并且能够通过知识管理帮助员工进行技能培训和作业指导。如空中客车集团将操作手册软件化、智能化,并利用智能眼镜帮助操作员标记操作位置和操作信息,将失误减少到零,提高生产率的同时减少了培训成本。
离散行业工业互联网应用覆盖了所有类型,包括在附加值较高的研发设计和市场服务环节。工程机械、大型交通设备制造等行业设备制造的工序更多,人员参与率、产品复杂度、蕴含的工艺知识复杂度也更高,为工业互联网带来了更加丰富的应用场景。离散行业销售决策应用普遍,获取的消费数据能够直接反馈到设计、生产、销售环节,从而影响企业决策。另外,离散行业产品数字化、智能化的创新趋势明显[4]。
机械行业中高端设备的应用最成熟,服务化转型需求是推动力量。重型机械行业进入门槛较高,行业市场饱和度逐年增长,面临服务化转型的需求最强烈。复杂、沉重、巨大的设备本身价格不菲,设备出厂后,围绕设备维护仍需投入大量的人力成本和零部件的周转成本,服务需求持续整个设备寿命周期,成为服务化转型的重要契机。一方面,新技术使得设备管理从高成本的人工处理向远程智能化处理过渡,状态监测、故障警报、远程运维、预测性维护成为应用热点,为设备制造商带来新增值点;另一方面,金融模式不断渗透进工业领域,基于工业设备运行数据的融资租赁、以租代买等模式开始应用于大型工业设备领域。例如,十堰某公司使用生产力租赁平台,探索设备租赁模式,小微企业可以在交易平台承接订单,并租赁机床进行生产。
流程行业的产品同质化程度较高,过程控制优化成效明显。流程行业通常处于产业链上游,产品同质化程度较高,市场复杂度、不确定性都相对较低;同时,生产过程自动化水平较高,应用需求较为传统,集中在减少生产过程中的物料浪费和提升产品质量。如流程行业反应器等关键环节,存在工业知识积累的空白,操作仍然依靠经验判断,如何通过数据分析来实现工序之间的有效衔接,通过工序控制来保证以最少物料消耗达到最优质量和产量是当前的主要难点[5]。
安全管理是流程行业关注的重点。电力、冶金、石化、采矿等行业,由于其工序不间断,对设备运行期间不发生事故的要求极高。设备一旦出现损坏,不仅会影响企业盈利,还会带来一定的社会影响,如发电机停机、空压机爆炸、高炉损坏等都会造成巨大的生命和财产损失。基于安全生产的需求,如力拓集团(Rio Tinto Group)针对Kennecott矿场连续、可靠生产的迫切需求,整合仪表阀门数据,更新操作人员轮岗流程,开发了以可靠性为中心的维护方法(RCM),降低了设备故障率,减少了安全隐患。
能源行业应用集中、资源配置优化潜力巨大。能源行业具备一定的公共属性,尤其是电力行业,发电端市场集中度和垂直管控力度高于其他行业,产品标准化程度高而复杂度低;同时,消费端分布分散,尤其是在偏僻郊区和不发达地区,管控难度大,维护的人工成本高,存在较大配置优化空间[6]。电力新定价模式是能源行业应用的聚焦点,由于能源使用的用量、时间不同,发电厂、电网、用户三者之间的信息一旦能够共通共享,就能带来更优的资源配置方案,从而改善各方的生产计划。
新能源发电企业聚焦电网调度问题,正在探索内外部资源协作的新方向,最典型的是风电、光伏等新能源发电企业通过收集外部环境数据,如地理信息、气候信息等,对企业与其他组织的资源调度进行优化。经过数据分析计算,能够有效提高功率预测准确度,从而支持电网调度决策,降低弃风弃光率,如电力公司针对可再生能源的间歇性、不稳定性导致并网率较低的行业痛点,建立机器学习模型,分析市场、发电能力、需求、天气和定价等影响因素,优化发电和交易计划。
大企业打通数据孤岛、实现系统之间的数据流动需求迫切,是应用工业互联网平台的主力军。大企业信息化程度通常较高,采集数据并非其应用发展的障碍,但是数据被封锁在各个系统、各个部门、各个子公司中,形成信息孤岛,数据不能得到有效利用。打通大企业各设备、系统、层级、部门之间的信息流是当前应用的焦点,通过建立统一的数据标准,能够低成本、高效率地实现大企业的工业应用,并能够在此过程中节约大量人力、物力、财力成本。
龙头企业转型需求迫在眉睫,平台化战略成为行业领导者的选择。面对产业结构调整、转型升级等压力,作为市场领导者的龙头企业在业务和盈利决策之外,还肩负带领整个行业发展、探索转型新方向的责任。龙头企业积累了大量的行业knowhow,这一服务优势需要通过软件化、平台化的方式来转换成可复制、可推广的经验和方法,并通过平台来为中小微企业赋能。因此,龙头企业向软件商、服务商转型的趋势明显,工业互联网平台也成为帮助其转型的重要推动力量。
目前中小企业主要有两类应用。一类是基于平台的应用:一方面是行业龙头企业带领领域内的中小企业应用,如利用生产力租赁平台在沈阳、盐城、十堰等地为小微企业提供生产力租赁服务;另一方面是平台服务商针对小微企业开展业务创新,如针对服装卖家找工厂难、小单试单难、翻单备料难、新品开发难等问题,中小服装企业应用柔性供应链协同服务平台,提升柔性生产与订单快速响应能力,通过平台为服装店匹配工厂、跟进订单、确保交期并控制品质。另一类是在产业聚集区的应用,政府政策在产业聚集区的应用能够产生积极作用。
我国工业互联网平台应用呈现大规模大投入、创新多元化特点,而国外则更有针对性、创新聚焦在新产品和新服务。我国平台企业多为各行业巨头或其剥离孵化的企业;国外多为专业服务提供商,且积极开展全球化业务。
近年来,我国工业企业对信息化的重视度越来越高。当前,工业企业的信息化体系的构建较为封闭、割裂,形成大量的信息孤岛,无法及时、准确、全面反映出企业生产运营的真实情况,不利于企业管理层做出最优的判断和决策。系统云化和数据集成是中国大型工业企业非常主流的一种工业互联网应用,通常在有一定信息化基础的大企业中实施,且涉及企业多个不同部门,呈现出规模大、投入大的特点。
相较于国内企业“大手笔”的复杂应用,国外企业的应用显得更加小巧、简单。国外企业通过准确把脉,找出自身的痛点,并找准工业互联网的切入点,锁定最合适自己的应用,实现OT和IT的结合,做到以最小的投入获得最大的收益。例如New England Biolabs(NEB)通过给存放产品的冰箱加入IoT模块,实现对产品使用情况的实时交互,并达到了超预期的成效:一方面,NEB能让客户了解实验材料的库存状况,帮助其加快实验速度;另一方面,NEB可实现供应链优化,同时推出有针对性的营销策略,并有效规划未来产品路线图,形成用户和企业双赢的局面。
我国企业的创新应用呈现出百花齐放的态势,各个模式都有涉及。例如:
按需制造+协同研发设计:荣成康派斯新能源车辆有限公司通过工业互联网平台直接连接用户,了解房车用户的需求和痛点,实现房车的按需制造;同时与模块商共同开发房车,实现协同研发设计,使得产品更好满足用户。
协同制造:一汽集团通过工业互联网平台实现与近百家供应商的生产制造协同,生产效率提升8%。制造协同体现在三个方面:客户与制造企业协同(客户化订单生产与实时互动);制造企业内部及外部供应商协同(精细化高效运营);人与装备协同(数据驱动智能决策)。
分享制造+产融合作:淘工厂连接有加工需求的淘宝卖家和工厂,集合了15000家海量工厂,为小微电商卖家提供生产加工服务。同时淘工厂为交易提供金融授信加担保交易,淘宝卖家支付货款使用授信额度,大笔交易全款支付,不用再担心资金问题[7]。
创新定价模式+数字化产品:北京大豪科技股份有限公司对绣花机等纺织设备进行改造,通过平台帮助其实现从硬件收入到按服务效果收取服务费的模式创新。
产品即服务:某水泵厂商通过大型水泵远程监控平台打造设备监控、远程运维与预测性维护能力。该水泵厂商通过提供备件、保养、故障诊断等服务,优化营业收入结构,售后服务收入占总收入比重达40%。
国外企业在创新方面的应用不如中国企业丰富,全部集中在基于物联网模块开发的新产品或新服务,比如:
新产品:Waterous推出了行业内第一款在消防车上使用的数字化水泵,可通过消防车内的可触摸屏控制面板进行远程操控,大大缩短了新产品的研发时间和成本。
产品即服务:某天然气/柴油发动机制造商利用平台,充分挖掘机器数据,实现故障诊断、预测性维护等功能,在项目实施后的前三年创收1.2亿美元。
不同类别的平台企业比较优势不同,在工业互联网领域的切入点不同,提供的服务类型也有所不同[8]。我国工业互联网平台企业有一个较为显著的特点,即绝大部分为各行业的领军企业,或领军企业剥离出的技术公司。而国外企业,细分领域的专业服务提供商与初创企业的数量和力量均不容小觑。国内有关企业情况见表1。
表1 国内工业互联网平台企业举例
造成这一显著区别的主要原因是国内外工业企业信息化水平的差距。发达国家的工业企业自工业革命以来,在自动化-信息化-智能化这条道路上走得很顺,目前已经完成了自动化部署,信息化也处于较高的水平,开始向智能化方向迈进。所以现阶段国外企业更需要的是深耕在某一领域的专业服务提供商,或是能提供人工智能、区块链等新兴技术的初创企业,帮助他们打好基础,逐步实现智能化。
相比之下,我国企业信息化整体水平较低,且信息化水平参差不齐。自上世纪90年代末到21世纪初,国外IT服务商进军中国,掀起一波信息化浪潮,我国各行业大型企业核心业务板块的信息化改造已基本完成,核心系统如ERP、PLM、SCM、MES、WMS等也基本搭建完成,信息化水平远超国内同行业其他企业。在与国外IT服务商的合作中,我国大型企业的IT部门充分吸收了国外的理念和技术,并能够逐渐脱离国外IT服务商,独立为企业提供信息服务。同时,与国外IT服务商相比,我国大型企业有丰富的行业经验,能开发出更具行业特点的信息化解决方案。近年来,我国很多大型工业企业将信息化部门独立出来,为同行业的其他企业提供IT服务。这也是我国工业互联网平台企业在制造业企业中所占比重较大的原因。
我国工业互联网平台企业的客户基本是国内企业,或者是在中国运营的跨国企业,鲜有国外客户。而国外工业互联网平台企业,不管是大企业、专业服务提供商,还是初创企业,国外客户占有不可忽视的地位。比如加拿大老牌物联网企业Sierra Wireless为巴基斯坦最大的石油公司United Energy Pakistan提供关键生产设备喷射泵实时监控的解决方案;美国物联网企业Aeris为德国水泵生产商LORENTZ提供产品监控与报警的解决方案;法国物联网初创企业Actility为斯洛文尼亚最大的水泥生产商Salonit Anhovo提供能源管理解决方案;印度一家提供人工智能解决方案的初创企业Flutura为一家总部在美国休斯顿的大型设备制造商提供针对其产品监控、预测性维护的解决方案。
积极服务海外客户是国外工业互联网平台企业拓展国外市场的一个重要方式[9]。与此同时,国外平台企业,不管是大企业还是初创企业,都在通过不同模式积极布局全球市场,如表2所示。
表2 国外工业互联网平台企业全球布局举例
目前,我国工业互联网平台企业更倾向于与本国平台企业合作,与国外平台企业合作的项目较少,且大多跨国合作的内容是针对某项技术,或某个具体解决方案,没有涉及海外市场拓展的内容。我国工业互联网平台企业多为各行业的领军企业,主营业务均是全球布局。然而我国的平台企业似乎没有很好利用已有的国外渠道进军海外,仍专注于国内市场。主要原因如下:
一是我国工业市场规模巨大、企业数量众多,工业互联网应用的潜在需求非常旺盛。据IDC预测,中国工业互联网市场在2020年可达到1275亿美元,年均复合增速约为14.7%。在工业互联网发展初期,我国平台企业集中资源在国内市场发力,可更好地控制风险,并在全球最有潜力的市场中获得先发优势。而国外平台企业受制于本国应用市场规模(如欧盟国家)或企业信息化程度较低的现状(如印度),只能转向国外更广阔的市场寻求发展。
二是我国平台企业的技术与国内市场需求更适配。我国平台企业多为信息化水平相对较高的制造业企业或其孵化的IT企业,这类企业的目标客户主要是同行业信息化水平相对低一点的企业,可将自身使用的解决方案低成本地推广给客户,能较好地满足客户需求。但发达国家的工业企业已经基本完成了信息化改造,开始向智能化发展,上述的低成本扩张模式显然不适用。
正值工业互联网发展初期,我国平台企业聚集资源驻足国内市场的策略无可厚非。但从长远来看,我国平台企业应尽早进行全球布局,在全球范围内占据有利地位,有助于我国争夺工业互联网的话语权。我国各类平台企业可巧借自身和合作伙伴的优势,逐步开展海外业务。
工业互联网平台自身能力不足、工业企业应用意愿不足、平台落地实施方法路径缺乏等原因,导致了我国工业互联网平台应用推广没有达到预期的效果。因此,我们从平台、工业企业、项目实施等三个方面罗列了制约平台应用推广的常见问题,详见表3。这些因素有些对平台发展、项目实施能否成功可能会产生致命的影响,有些因素可能只会成为阻碍。
表3 工业互联网平台应用推广常见的问题
工业互联网平台部署实施并不是一件容易的事情,实际情况并不像市场上某些人宣传炒作的那样简单。需要着重强调的是发展工业互联网平台不是简单的技术问题,任何新技术、新产品、新产业、新模式都是依靠市场需求推动。工业互联网平台必须要专注于商业挑战、文化挑战、技术挑战,以应用价值为牵引推动平台服务能力建设。
全球正处于工业经济向数字经济转型的变革时代,新一代信息技术不断推动传统制造业向数据驱动型制造业转变。企业必须要顺应时代发展需求,重新审视企业战略布局、管理模式、组织架构、业务模式、产品和服务,开展持续性创新和变革,才能在瞬息万变的竞争格局中立足。工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物,日益成为新工业革命的关键支撑和深化“互联网+先进制造业”的重要基石。纵然工业互联网平台在发展初期面临着许多挑战,但这是所有新生事物发展的必然规律,新技术、新产业、新模式、新业态的发展和成熟都需要经历一个逐步迭代完善的周期,而且还需要管理、金融、基础设施等其他条件与之共同演进发展,才能真正产生实际效果。
工业互联网将从生产方式、组织管理和商业模式等多维度重塑制造业,发展工业互联网平台有利于实现产业上下游、跨领域的广泛互联互通,从而更大范围、更高效率、更加精准地优化生产和服务资源配置,加速智能制造发展,促进传统产业转型升级,为制造强国建设提供新动能。逐步破除上一章节提到的问题和障碍的过程,也势必将推动工业互联网配套产业的发展和工业互联网平台的成熟演进。当下,工业互联网平台也正在不断催生新技术、新业态、新模式,改变正在进行中。
工业互联网处于起步阶段,制约其快速发展的最重要瓶颈之一是缺乏大量复合型人才。未来需要大量同时掌握工业知识和IT能力的人才以及工业大数据分析处理相关人才。由于工业技术和信息技术长期处于分割的两个领域,跨界复合型人才极度稀缺,未来无论是让技术工人学习IT技术,或是让IT人员了解工业知识,都将催生复合型人才培养训练需求。
无论工业企业选择拥抱还是远离,云都在改变着世界,工业企业的技术架构也将从封闭的技术体系转向开放的技术体系。由于工业数据的安全需求、应用需求不同,公有云、私有云、混合云并存将持续很长一段时间。为了满足工业应用需求,边缘计算、工业无线网、数字孪生、智能终端等技术和产品将加速发展,形成新的“云+端”协同技术架构。
数字化转型正推动工业企业服务收入成为新的盈利点,工业企业与用户的关系从一次性商品买卖模式转变为更紧密的“产品+服务”模式。新型服务模式的出现化解了中小企业的资金难题,如基于服务成效收费、基于使用情况和占用资源情况收费等新定价模式,将降低企业的初期投入,使得应用的投入变得相对平滑,会吸引更多有活力、有创新能力的中小微企业参与其中。
工业互联网开放、互联、跨域的特点,打破了以往相对明晰的责任边界,带来了更加多元、复杂的信息安全挑战,原来简单的物理隔离已不能满足企业发展的需求。随着国家倡导建立涵盖设备安全、控制安全、网络安全、平台安全和数据安全的工业互联网多层次安全保障体系,未来,我国也将培育出一大批安全可靠的技术、产品和企业,安全行业发展空间巨大。
近年来全球产业发展的实践表明,开源技术体系已成为软件产业创新发展的主流载体和拓展市场的重要渠道。要想基于工业互联网平台构建开放的价值生态,就必须先打破传统工业封闭技术体系和价值壁垒,让参与构建生态的人都能获益,而开源技术体系和开源技术生态则是一条可以选择的道路,以技术开源的形式赋能产业、共享智慧、分享利益,同时也能加速弥补我国工业软件的短板。