工業互聯網：巨大利益與機會

編譯/夏溦

工業互聯網：巨大利益與機會

編譯/夏溦

工業互聯網到底能夠帶來多大的機會？發展工業互聯網有哪些推動因素及支持條件？本文將為中國發展工業互聯網提供借鑒

作為早期的先行者和關鍵創新的來源，美國處在工業互聯網的前沿。鑒于全球一體化日益加深，以及更加迅速的技術轉移，利益好處都應該是全球性的。工業互聯網技術的潛在影響幾乎跨越了一半的全球經濟和一半以上的能源流。在許多行業，連接的智能設備、設施、機組和網絡與工作中和移動中的人，將共同為流程優化、提高生產力和效率提供新的可能性。

工業互聯網的作用

據估計，工業互聯網的技術創新在行業各部門的直接應用將在經濟活動中占超過32.3萬億美元。隨著全球經濟的增長，工業互聯網的潛在應用也將擴大。到2025年，它將產生約82萬億美元的產出，或者說大約占全球經濟的一半。

工業互聯網承諾要給機器、設施、機組和工業網絡帶來一系列的好處，并反過來又影響到更廣泛的經濟。工業互聯網就是要優化系統，最大限度地提高資產和企業的績效。比如智能儀表能夠讓單個機器實現優化，從而有更好的性能、更低的成本和更高的可靠性；智能網絡能夠優化整個互連機器；智能決策將使智能軟件鎖定機器和系統級的好處；而持續學習是更好的產品和服務設計的關鍵，可以導致一個更高效率與更低成本的越來越好的產品與服務的良性循環。另一方面，企業管理軟件和解決方案已經被廣泛采用，以推動公司層面的組織效率。這些努力帶來的好處是能夠對分布在廣泛地域和產品線上的勞動力、供應鏈、質量、合規性和銷售與分布有更好的跟蹤與協調。

帶給行業部門的利益

保守的看工業互聯網對具體行業的作用非常具有啟發意義。工業互聯網帶給行業中各部門的利益也會有所不同，并側重不同的方面。然而，共同的主題就是減少風險、燃油效率、更高的勞動生產率，以及降低成本。

全球工業系統相當龐大，即使是部門層面上相對較小的效率改進，哪怕是只有百分之一的改進，當擴大到整個經濟系統中時，都會帶來相當可觀的利益。例如，僅在商業航空工業中，如果燃料節省能夠提高1%，那么在15年中，總節省將達到300億美元。與此類似的各類節省可以見表1中的總結。

比如以商業航空為例。與其他商業交通運輸系統一樣，航空業由于工業互聯網的部署而受益匪淺。通過專注于優化業務和資產，同時改善航空業務每個階段的安全，工業互聯網應用甚至有可能改變整個航空業。工業互聯網有潛力既改善航空公司的運營，又改善資產管理。運營改善可以通過減少燃油使用、提高機組人員效率、減少延誤與取消、更高效的維護計劃和備件庫存，以及最優飛行計劃等來實現。而航空公司的資產可以通過改進預防性維護，從而延長發動機的壽命并限制計劃外中斷來實現。

要探討工業互聯網如何影響航空業，關于飛機維護和庫存管理是一個方面。智能飛機會告訴維護人員哪些零件在何時可能需要更換。這將能讓商業航空公司從當前基于周期的維護時間表，轉變成為基于實際需要的維護時間表。在正確的時間更換零件，而不是根據一定的周期來更換零件，可以還來可觀的效率利益。假設所有的安全措施都可以得到滿足或改進，那么零件庫存將會減少，飛機使用率相傳增加，成本會隨之降低。而運營商可以檢測到問題，并方便、準備、簡潔地找到問題出在哪兒。

另外，人與機器之間傳感器、數據分析和數據共享的組合，預計將降低航空公司成本，并提高維護效率。這些系統就像虛擬的主動維護團隊，確定飛機及其子系統的狀態，提供實時、可操作的信息，以幫助飛機運營商在故障發生前預測故障，并提供快速準確的飛機健康整體計劃。

表1：工業互聯網：一個百分點的力量

在過去的幾十年里，全球商業航空業的增長速度比全球經濟的增長速度快2到3倍。今天，全球商業航空公司的年收入約為5600億美元。但是，對該行業而言，在利潤率和資本投資回報率上仍然存在著巨大的挑戰，這些挑戰突出了對燃油的側重，因為燃油占據了整個行業約30%的成本，并且在提高資產利用率方面有潛在好處。美國聯邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）進行的一項研究表明，在8年的時間里，飛行低效率讓成本平均提高了8%~22%。這意味著，如果可以有更高的生產率，將存在著巨大的節約潛力。全球商業航空公司每年用于燃油的費用大約為1700億美元。業內估計，更好的飛行計劃和經營變化將能讓燃油成本降低5%，即每年節約80億美元。如果工業互聯網技術可以實現1%的成本降低，那就意味著每年節省約20億美元的燃油成本。從運行的角度來看，雙引擎寬體商業噴氣式飛機每飛行一小時的平均維護成本約為1200美元。以2011年為例，商業噴氣式飛機總共飛行了50萬小時，轉換為維護成本就是600億美元。其中，僅引擎維護就占據總成本的43%。這意味著，如果工業互聯網能夠提高1%的引擎維護效率，年維護成本就可以節省高達2.5億美元。

又比如醫療保健行業。醫療保健數字化承諾可以通過為世界各地的人們提供更高質量的生活來改變我們的生活。由于對于降低成本和提高性能的迫切、強烈的需求，全球醫療保健行業成為工業互聯網應用的一個主要部門。醫療保健幾乎是現在每個國家都面臨的優先挑戰：大多數發達經濟體需要提高效率和控制成本來面對迅速的老齡化人口；同時，許多新興市場需要將醫療保健服務的范圍延伸到新興的城市中心和邊遠的農村。全球醫療保健行業相當寵大，其中效率提高的范圍也同樣很大。據估計，超過10%的醫療費用源自于系統低效造成的浪費，這意味著全球醫療保健的低效成本每年至少高達7310億美元。據估計，部署的工業互聯網可以幫助推動下降大約25%的成本，或者說每年大約節約1000億美元。在這種情況下，成本下降一個百分點，就相當于每年節省42億美元。

醫院由成千上萬的關鍵設備組成，其中大部分是移動的。關鍵是要了解它們都駐留在哪里，并有系統可以提醒醫生、護士和技術人員狀態變化，同時提供指標，以提高資源利用率、患者療效和業務成果。今天，已經開始部署這些類型的系統，這代表了工業互聯網在醫療保健方面的應用已經開始。GE醫療估計，這些創新可以轉化為15%~30%的醫院設備成本降低，讓醫護人員在每個班次增加一小時的生產力。這些方法還可以提高資產利用率，改善工作流和醫院病床管理，從而增加15%~20%的患者處理量。此外，在運營效率、減少開支和提高生產力方面，工業互聯網也能帶來巨大的好處。

圖1：工業互聯網數據環路

工業互聯網的機會

經濟的角度

在發達經濟體中，工業大約占產出的24%；在發展中經濟體，工業大概占國內生產總值產出的37%。其中，制造業在發達國家和發展中國家中，分別占工業的15%和25%。因此，按照傳統的經濟核算方法，工業活動大約占經濟活動總量的1/3，雖然存在著一定的國家間差異。

盡管全球經濟的1/3已經非常寵大，但這仍不足以表示工業互聯網的全部潛力。工業互聯網所包括的部門比傳統經濟類別更多。例如在醫療保健中，不夸張地說，在大批量的安全數據中找到關鍵的共性和相似之處，是個生死攸關的問題。在這里，工業互聯網的重點就從優化貨物流，轉變成了優化個人的信息流和工作流，即得到正確的信息，在正確的時間，交給正確的人。當傳統產業與交通和衛生服務部門相結合的時候，全球經濟大約有46%會受益于工業互聯網。隨著全球經濟的增長和產業的發展,這一數字也將會增長。到2025年，估計工業部門（廣義的）會占在全球經濟的50%。

能源消耗的角度

更智慧的技術與強大的網絡集成在一起的關鍵好處之一就是有能力創造節能效率并降低成本。資源稀缺，需要更好的環境可持續性，以及基礎設施缺乏等是全世界都面臨的問題。因此，要看工業互聯網的規模，了解與全球工業體系相關的能源足跡是一個很有意義的視角。要生產全世界所需要的商品和服務，需要巨大的能源資源。如果除了制造業和交通運輸行業，也考慮能源生產和轉換，那么工業互聯網的利益范圍將包括一半以上的世界能源消耗。

能源部門涉及創造用于最終消費能源所需的一系列活動，包括提取燃料（如石油、天然氣、煤炭、鈾）或者利用水能、風能、太陽能等，也包括將原始燃料提煉和加工成可交付的最終產品（如汽油、液化天然氣），還包括將這些燃料轉換成電力。

重要的是，要認識到與能源生產的巨大成本。為了維持和發展能源供應，全球能源行業包括煤炭、天然氣、石油和電力，每年平均需要約1.9萬億美元（約占全球國內生產總值的3%）的新資本開支。巨大的數量和成本為繼續部署工業互聯網技術創造了巨大的空間。

顯然，要讓全球能源消費產生真正的變化，還要考慮很多層面，面對很多挑戰。需要評估每個系統和子系統在系統內的執行情況，以及它如何與更大的能源網絡進行交互。過去二十年在流利管理和自動化方面的進展基本上是成功的。雖然能源系統的有些部分正在優化，并且新的努力也正在進行中，但是通過工業互聯網的成長，所有的能源生產和轉換中所涉及的機器、設施、機組、和網絡效率低下都可以得到改善。

有形資產的角度

看工業互聯網機會到底有多大的第三個角度是看工業系統的各個部分所涉及的有形資產。工業系統由大量的機器和關鍵系統組成。現在，全世界有數以百萬的機器，從簡單的電動馬達到用于醫療保健的高度先進的計算機斷層掃描（computed tomography，CT）掃描儀。所有這些設備都與信息（溫度、壓力、振動和其他關鍵指標）相連，從而有助于了解自身性能，以及與其他機器和系統的關系。

雖然可能并不能準確地知道在全世界日益擴大的工業系統中，到底有多少機器、設備、機組和網絡，但是卻可以通過看某些特定部門來感受工業系統的規模。以煉油廠為例。煉油廠和石化廠多年來一直以先進的監測和控制為目標。回轉機械（如往復式和離心式壓縮機）以及數以百計的泵，是能源加工廠（包括煉油廠）的重要組成部分。今天，隨著工廠的總體優化，運營商為預防性維護和安全對這些設備進行監測和建模。管理這些工廠的效率、安全性和提高的生產力，是目前工業互聯網在此的工作。

要想在規模上有個大體的認識，可以看如下的數字。目前全世界大約有600多家煉油廠，每天的原油輸入能力達到8800萬桶，大概相當于全世界一天的石油消耗。每個現代煉油廠的各種關鍵的煉油流程中大約有40個大型回轉系統，包括原油減壓蒸餾、焦化、加氫裂化、加氫處理和異構化等。由于每個煉油廠都是根據自身的情況定制的，因此有的會比較小，而有的會更復雜，但大多數煉油廠的關鍵設備都包括離心式充電泵、干濕壓縮機組、動力渦輪機和空氣冷卻器等。如果只考慮主要系統的話，一個煉油廠中大約有3萬個大型設備在運轉，除此之外還有數百個泵和更小的設備用于系統監控。在未來15年，全球可能需要超過100個新的煉油廠，以及對現有煉油廠的較大擴張，以滿足日益增加的新興市場需求。光是煉油廠，這就意味著在超過4500個大型回轉系統中對過程管理和自動化的漸進需求。

工業互聯網的推動因素和支持條件

創新

工業互聯網是創新的產物，其中有些是技術創新，有些是系統、網絡和流程創新。發展工業互聯網，尤其需要來自以下幾方面的更高層次的創新。

設備：包括在新的工業設備設計中以及對現有設備的改造中融入并部署傳感器，同時也包括高效收集信息和高速傳輸信息等所需要的硬件。

高級分析：能夠實現更深入地集成來不同的原始設備制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM），或不同的資產類別中的相似資產的數據的新的數據標準；能夠實現讓數據迅速轉換為能夠進行整合和分析的信息資產的技術架構等。

系統平臺：除了技術標準和協議，還有新的平臺，它讓公司能夠在共享架構/體系結構之中構建具體的應用；支持平臺的可持續發展的供貨商、原始設備制造商和客戶之間的新關系。

業務流程：將機器信息充分納入到決策中的新的業務實踐；監控機器數據質量的流程；法律過程中的進展，從而能夠實現合作公司間更快、更靈活的安排，等。

除了創新，還有些現有技術需要實現更高水平的滲透、普及和部署，例如傳感器和顯示器。

基礎設施

工業互聯網需要能夠勝任的支柱。信息通信技術中的數據中心、寬帶頻譜和光纖網絡等都需要進一步發展，以連接跨行業和地域的各種機器、系統和網絡。這將需要國家內部和國家間基礎設施的組合，以支持工業互聯網中涉及的數據流的巨大增長。對數據中心的需求的日益增長就是規模方面的挑戰的實例。高效、清潔和富有彈性的未來的數據中心，對工業互聯網顯然具有重要影響。

網絡空間安全管理

實現工業互聯網的愿景需要有效的互聯網安全制度。網絡空間安全應考慮兩個方面，一是網絡的安全（特別是針對云的防御戰略），另一方面是與網絡相連的尖端設備的安全。尤其值得關注的是，維護受保護的IT基礎設施至關重要。

安全管理的最前沿是對敏感和有價值信息的保護。無論是在企業對企業還是在企業對個人中，發展和維護網絡信任至關重要。信息安全和隱私是建立這一信任的基礎。確保受限制數據的安全非常關鍵，比如知識產權、專有信息和個人可識別信息（personally identifiable information，PII）等。

工業互聯網的擴展將需要所有的利益相關者積極參與安全管理，它們都在促進網絡安全方面發揮著自己的作用。比如：

技術供應商：重點是供應鏈安全，以及產品設計和產品性能。產品（備和軟件）應包含嵌入式的安全功能，以最大限制地實現多層級防御網絡威脅。

資產所有者/運營商：優先保護設施和網絡安全。與監管機構、執法和情報部門合作，將有助于提高威脅發展中的知名度。行動包括分享威脅信息和減輕災害的努力等。

監管機構/決策者：有效的網絡安全管理制度應該促進創新，鼓勵教育所有利益攸關者，并支持發展有能力的員工隊伍。要建立穩定的基礎，政府應該發展并廣泛采用網絡空間安全自愿的行業標準和最佳實踐。目前有幾個標準機構，但它們都是分散的。要促進和采用共同一致的數據結構、加密、傳輸機制和適當使用數據的標準，從而大大有助于推動網絡安全。

國際機構：雖然各國都會制訂國家準則，但也需要發展國際規范和標準。重點應放在發展與知識產權保護、國際數據流（例如服務器的本地化要求）和“武器化”互聯網相關的規范。

學術界：要進一步進行數據安全和隱私方面的研究，包括加強IT安全的計量、對不敏感數據的推理，以及數據集成中關于隱私的法律基礎等方面的研究。追求有凝聚力的網絡安全戰略將會實現風險最小化，并讓社會利用與工業互聯網相關的各種機會。

人才發展

沒有專業人才，就不可能有創新。工業互聯網的興起需要創建和發展新的人才庫。除了機械或電子工程的技術技能外，還需要一批新的交叉學科的技術、分析、和領導人才。下列人才都將推動工業互聯網的發展：

下一代工程師：將需要有越來越多的跨部門交叉角色，將信息和計算能力與傳統的工程學科（比如機械工程）相結合，創建所謂的“數字機械”工程師。

數據科學家：將創建分析平臺和算法、軟件和網絡安全工程師，包括統計、數據工程、模式識別與學習、先進計算、不確定性建模、數據管理和可視化等。

用戶界面專家：工業設計領域的人機交互，有效地融合所需的硬件和軟件組件，以支持用最少的投入來實現所需的輸出，而且該機器最大限度地減少人類不期望得到的輸出。

同時，發展工業互聯網也需要必要的支持條件，而投資就是其中最重要的條件之一。投資是將新技術迅速轉變為資本存量的一個基本條件。工業互聯網的增長速度最終將會被它們相對于現有實踐的成本有效性和益處來驅動。部署工業互聯網的成本可能會各部門、各區域不同，但是部署的共同假設都是，部署的成本將會產生正而把技術投資回報。

工業互聯網的早期采用者已經制定了一些路線并前進，為工業互聯網奠定了基礎。未來，工業互聯網技術的更廣泛采用將推動工業成本結構發生更深層次的有益轉變。這將改變競爭的平衡，并迫使其他行業迅速采用工業互聯網技術以求得生存。顯然，在不同的行業，前進的步伐會大不相同。但是，隨著越來越廣泛地采用，在整個經濟中的影響會日益顯著。