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1、頂層設計保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展

新冠疫情全球大爆發(fā)給人類(lèi)實(shí)體經(jīng)濟帶來(lái)的巨大沖擊，也為加速發(fā)展數字經(jīng)濟提出迫切而現實(shí)的需求。2020年3月，黨中央提出加快5G網(wǎng)絡(luò )、數據中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎設施建設進(jìn)度的要求。未來(lái)幾年，我國會(huì )持續投入大量資金扶持新基建示范項目和工程。國家層面已出臺的各項指導意見(jiàn)及各省市區為落實(shí)中央精神即將出臺的各項行動(dòng)方案，必將為我國下一階段高質(zhì)量發(fā)展數字經(jīng)濟提供強有力的政策保障。

產(chǎn)業(yè)數字化作為數字經(jīng)濟的主要組成部分，制造業(yè)特別是以航空、航天、軌道交通裝備等為代表的高端裝備業(yè)，是高質(zhì)量發(fā)展數字經(jīng)濟的重要組成部分。高端裝備行業(yè)產(chǎn)值高、供應鏈廣，對產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重要的引領(lǐng)作用，也代表著(zhù)我國工業(yè)高的科學(xué)技術(shù)、工藝水平、質(zhì)量要求。高端裝備制造業(yè)是我國工業(yè)領(lǐng)域實(shí)現創(chuàng )新驅動(dòng)發(fā)展、管理提升和數字化轉型升級的重要領(lǐng)域。

21世紀以來(lái)，美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”與德國“工業(yè)4.0”引起了全球制造業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)模式和制造價(jià)值實(shí)現方式的轉變。德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅是把握未來(lái)信息技術(shù)與工業(yè)、信息化與工業(yè)化融合發(fā)展的“多棱鏡”，而且是信息技術(shù)發(fā)展到深層次階段的一種嶄新的工業(yè)發(fā)展模式，核心在于不斷增強企業(yè)、行業(yè)甚至國家的整體競爭力。隨著(zhù)工業(yè)大數據分析、智能傳感網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)網(wǎng)絡(luò )控制等技術(shù)的發(fā)展和應用推廣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正從初的點(diǎn)對點(diǎn)遠程控制與運維向更深度的網(wǎng)絡(luò )化、智能化、開(kāi)放化和服務(wù)化方向發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，對高端裝備制造業(yè)的數字化轉型產(chǎn)生了巨大的引領(lǐng)和支撐作用。

2、高端裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰

2.1  數字化發(fā)展趨勢

傳統的高端裝備制造企業(yè)往往通過(guò)增加資源投入來(lái)實(shí)現增長(cháng)的外延式發(fā)展，這種粗放模式使其綜合能力提升不大，面臨著(zhù)效益不高的困境。在新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革中，制造業(yè)想獲得可持續發(fā)展的競爭優(yōu)勢，必須依靠信息物理融合系統（CPS）實(shí)現協(xié)同的設計、供應鏈、生產(chǎn)與產(chǎn)品服務(wù)，置身于全球供應鏈的生態(tài)系統之中，應用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現互聯(lián)網(wǎng)+智能工廠(chǎng)[4]。從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟角度看，隨著(zhù)智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的成熟應用，創(chuàng )新驅動(dòng)新增長(cháng)與服務(wù)價(jià)值鏈延伸的發(fā)展模式是高端裝備制造業(yè)發(fā)展的新動(dòng)能，也是其轉型升級的方向。

隨著(zhù)國內制造成本的不斷上升，中國高端裝備制造業(yè)過(guò)去依賴(lài)人力、資源和能源的要素驅動(dòng)式的發(fā)展方式已經(jīng)到達瓶頸，急需向創(chuàng )新驅動(dòng)的發(fā)展方式轉變。重視產(chǎn)品、技術(shù)和管理等方面的創(chuàng )新，是實(shí)現高端裝備制造業(yè)升級，逐步實(shí)現由對標跟隨向自主創(chuàng )新轉變的關(guān)鍵環(huán)節。

高端裝備制造企業(yè)過(guò)去往往處于價(jià)值鏈的底端，設備場(chǎng)地投資重，投資經(jīng)濟效益不高。隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，高端裝備制造業(yè)的未來(lái)經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)將是綜合保障增值服務(wù)模式，形成服務(wù)型制造。通過(guò)先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集智能裝備產(chǎn)品的海量運行數據，應用工業(yè)大數據技術(shù)，提升產(chǎn)品性能，并對產(chǎn)品全生命周期的健康狀態(tài)進(jìn)行管控。通過(guò)制造、服務(wù)一體化，實(shí)現由生產(chǎn)型企業(yè)向服務(wù)型企業(yè)的價(jià)值鏈延伸轉變。

2.2  企業(yè)面臨的挑戰

隨著(zhù)客戶(hù)對產(chǎn)品功能、性能和質(zhì)量的需求越來(lái)越高，研制和生產(chǎn)周期要求越來(lái)越短，產(chǎn)品價(jià)格要求越來(lái)越低，高端裝備產(chǎn)品的復雜度、制造工藝的難度和高定制化的程度成為企業(yè)的巨大挑戰。面對隨之而來(lái)的“多品種、小批量、高復雜”的制造特征與“高質(zhì)量、短周期、低成本”的矛盾，高端裝備制造企業(yè)面臨著(zhù)貫穿于高端裝備的全生命周期的為復雜的制造問(wèn)題——如何實(shí)現全生命周期的高效率和充分柔性。

3、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與管理模式創(chuàng )新實(shí)現內涵式發(fā)展

近年來(lái)，隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在傳統行業(yè)中的快速滲透，傳統行業(yè)在多方面能力得以提升的同時(shí)也對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提出了更高的要求，跨界合作、融合創(chuàng )新已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的共識。智能傳感技術(shù)、移動(dòng)嵌入式系統、工業(yè)大數據分析等新興技術(shù)在此過(guò)程中也得以與傳統行業(yè)快速融合發(fā)展。

在產(chǎn)品的全生命周期中，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與管理創(chuàng )新相融合，以提升產(chǎn)品智能化水平，并利用大數據技術(shù)延展產(chǎn)品增值服務(wù)，實(shí)現產(chǎn)品全生命周期的數字化。典型應用涵蓋了產(chǎn)品的銷(xiāo)售、研發(fā)、運營(yíng)和產(chǎn)品服務(wù)各個(gè)環(huán)節，包括利用嵌入物聯(lián)技術(shù)和工業(yè)大數據實(shí)現產(chǎn)品創(chuàng )新、通過(guò)“端—管—云”形式實(shí)現智能產(chǎn)品遠程運維、基于知識工程的智慧創(chuàng )成技術(shù)、基于MBD（模型定義）的設計研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程復雜的人工智能決策、自適應的柔性制造系統等。

3.1  基于嵌入式物聯(lián)技術(shù)與工業(yè)大數據的產(chǎn)品創(chuàng )新

把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于產(chǎn)品，實(shí)現產(chǎn)品在運行過(guò)程中對自身狀態(tài)及周邊環(huán)境的自感知，可實(shí)現故障的預警、診斷等功能。通過(guò)標準和開(kāi)放的數據接口，能夠對產(chǎn)品在運行中的數據進(jìn)行分析與挖掘，實(shí)現創(chuàng )新性應用等。各種數據挖掘的智能方法可以用于發(fā)現這些信息中所隱含的設計提升需求，使設計概念的創(chuàng )新提升到一個(gè)新的層次。

3.2  通過(guò)“端—管—云”形式，實(shí)現智能產(chǎn)品遠程運維

遠程運維服務(wù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中往往以“端—管—云”形式出現，隨著(zhù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，遠程運維服務(wù)也正在向更多的領(lǐng)域滲透。遠程安全讀取工業(yè)機器人數據，分析生產(chǎn)現場(chǎng)的運行狀態(tài)，提供了一個(gè)非常安全的網(wǎng)絡(luò )通道，使人可以在任何地方讀取生產(chǎn)現場(chǎng)工業(yè)機器人的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)信息，為運維和性能優(yōu)化工作提供支撐。

3.3  基于知識工程的智慧創(chuàng )成技術(shù)

產(chǎn)品研發(fā)設計過(guò)程的智能化實(shí)現，主要體現在客戶(hù)需求經(jīng)過(guò)設計轉化為概念方案的階段，這一階段在融入人工智能技術(shù)和系統工程方法后將更加智能化、科學(xué)化?；谥R工程的大部分研究都集中在知識的智能化獲取與結構化表達兩方面，其中包括基于規則的方法、知識流分析方法、基于語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò )的方法等。將這些基于知識工程的方法應用到設計需求轉化為概念方案的過(guò)程，再借助自然語(yǔ)言識別、語(yǔ)義檢索和人工檢索等技術(shù)，利用效應庫、庫及專(zhuān)利庫等外部知識，分析當前技術(shù)趨勢，可幫助設計員識別問(wèn)題、快速找到優(yōu)解決方案，進(jìn)而實(shí)現概念設計的智能化。

3.4  基于MBD（模型定義）的設計研發(fā)

隨著(zhù)VR、計算機網(wǎng)絡(luò )、大數據等前沿技術(shù)的不斷成熟，采用面向產(chǎn)品全生命周期的數字化設計系統，可在數字孿生的CPS系統中實(shí)現產(chǎn)品的全數字化設計。近年來(lái)花費較高的物理性能試驗被高性能仿真取代，這不但可以縮短研發(fā)周期，同時(shí)也有效降低了成本。企業(yè)在面對越來(lái)越高的產(chǎn)品性能要求的客戶(hù)時(shí)，仿真數據優(yōu)化、高效試驗設計、智能優(yōu)化等技術(shù)將被越來(lái)越多地用于提高產(chǎn)品性能上。

3.5  生產(chǎn)過(guò)程復雜問(wèn)題的人工智能決策

在先進(jìn)的計劃與調度、圖像識別、過(guò)程質(zhì)量控制等領(lǐng)域，智能設備的計算能力要比人類(lèi)更高，與人類(lèi)主要依賴(lài)經(jīng)驗進(jìn)行判斷相比，其可更快地給出更準確的解決方案。智能設備通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集生產(chǎn)過(guò)程中的人員、設備、物料等數據，再通過(guò)大數據分析形成預測模型和決策支持。例如，通過(guò)對生產(chǎn)狀態(tài)的預測分析，可提前預警設備停工、質(zhì)量事故、設備效率下降等狀況，提醒相關(guān)人員及時(shí)糾正，避免問(wèn)題對生產(chǎn)計劃的影響。

3.6  自適應的柔性制造系統

單件小批量生產(chǎn)是當今制造業(yè)面臨的主要挑戰，其需要在一次性且產(chǎn)量較小的生產(chǎn)中仍能保持高生產(chǎn)效率、高產(chǎn)品質(zhì)量及優(yōu)化的制造周期。因此，在成本可控的前提下，通過(guò)柔性線(xiàn)、機器人、AGV等智能制造裝備的應用提高生產(chǎn)的柔性，可滿(mǎn)足越來(lái)越復雜的市場(chǎng)環(huán)境；通過(guò)快速的產(chǎn)線(xiàn)調整、資源重組搭建自適應的柔性制造系統可應對這種挑戰。

智能工具是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中的基本組成單元，也是形態(tài)豐富、技術(shù)集成度高的產(chǎn)品之一。在生產(chǎn)過(guò)程中，智能工具可通過(guò)內部集成的軟硬件系統對生產(chǎn)環(huán)境和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，并可隨時(shí)與操作者進(jìn)行人機交互，以促進(jìn)生產(chǎn)全過(guò)程的提質(zhì)增效。

4、開(kāi)展基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數字化轉型的建議

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在高端裝備制造企業(yè)落地是一個(gè)復雜的系統工程，為實(shí)現高端裝備制造企業(yè)的數字化轉型升級，建議從以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作。

4.1  建立智能制造聯(lián)合應用開(kāi)發(fā)創(chuàng )新中心

依托中立的第三方科研機構建立跨行業(yè)的智能制造聯(lián)合應用開(kāi)發(fā)創(chuàng )新中心，集中解決智能制造過(guò)程中的共性問(wèn)題，提供公益性質(zhì)的公共開(kāi)發(fā)、測試與驗證環(huán)境。制定統一的行業(yè)標準與測試驗證方法，為政府相關(guān)部門(mén)提供決策支撐，為企業(yè)提供各類(lèi)服務(wù)，起到產(chǎn)業(yè)孵化器的推動(dòng)作用。

4.2  企業(yè)全面開(kāi)展精益管控體系搭建與系統的智能制造規劃

智能制造的建設不能一蹴而就，需要在建設前開(kāi)展大量前置工作。前置工作主要有：一是擁有一套完整的目標導向的精益管控體系，使用精益方法以實(shí)現制造體系的全面協(xié)同；二是對工藝過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，并對制造裝備改造升級，使制造裝備具有智能化特點(diǎn)，使大部分生產(chǎn)過(guò)程不再依賴(lài)人工，保證生產(chǎn)效率與質(zhì)量的一致性，以適應產(chǎn)品定制化、制造服務(wù)化的發(fā)展方向。

工廠(chǎng)規劃有完整的、基于系統工程理論并以精益思想為原則。整個(gè)規劃以企業(yè)業(yè)務(wù)需求為出發(fā)點(diǎn)，配備適度的自動(dòng)化，并使用的工廠(chǎng)仿真軟件對建設效果進(jìn)行驗證，以保證規劃效果。系統的工廠(chǎng)規劃方法是業(yè)務(wù)目標實(shí)現的基礎，也是實(shí)現靈活高效、柔性化、智能化生產(chǎn)模式的基本條件?？茖W(xué)的規劃不但能夠滿(mǎn)足發(fā)展需求，也能優(yōu)化資源配置、提高投資效果、優(yōu)化發(fā)展方式。

4.3  開(kāi)展高端裝備工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范實(shí)踐

高端裝備企業(yè)想要切實(shí)有效地智能制造投資建設、推動(dòng)內涵式發(fā)展轉變,需要通過(guò)建設精益體系、規劃智能制造體系、工藝改善和智能車(chē)間示范實(shí)踐幾個(gè)階段。以產(chǎn)品制造全生命周期為對象，以產(chǎn)品制造過(guò)程與生產(chǎn)環(huán)境融合為目標，開(kāi)展基于數字孿生技術(shù)的車(chē)間規劃、基于數據的分析與決策、基于IT驅動(dòng)的質(zhì)量管理、基于動(dòng)態(tài)混流精準管控的制造執行、基于先進(jìn)的項目管理和計劃排程功能的企業(yè)資源計劃、基于統一和結構化數據源的產(chǎn)品生命周期管理、基于知識驅動(dòng)的結構化工藝設計，實(shí)現高效協(xié)同的精準管控。通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中各生產(chǎn)要素間的互聯(lián)與數據采集，并與信息系統進(jìn)行數據集成，實(shí)現對制造過(guò)程工藝參數實(shí)時(shí)優(yōu)化、誤差自動(dòng)補償、智能監控等應用，終形成虛擬世界與物理世界融合的智能車(chē)間系統。

來(lái)源：信息通信技術(shù)與政策

原創(chuàng )：中國信息通信研究院融合創(chuàng )新研究中心工程師楊菠、華業(yè)長(cháng)青（北京）科技有限公司總經(jīng)理趙雄飛等