制造業發展新趨勢：數字化時代與互聯制造業生態系統

在工業4.0的大背景下，全球制造業發展的大趨勢是工業數字化和互聯化，正在構建數字化市場和互聯的制造業生態系統。全球市場制造業面臨機遇與挑戰，制造業顛覆性創新作為新產品、服務和技術的驅動因素，為制造業和新興經濟體發展提供了良好的發展機遇，包括循環經濟和其它顛覆式商業模式。同時制造業企業面臨核心競爭力不強、全球化競爭加劇和人才短缺等挑戰。2017年6月世界制造論壇上，全球制造業VIP提出了制造業發展趨勢，即用戶體驗經濟正在重新塑造制造業，全球知名企業正在加速向全生命周期的數字化企業轉型，勞動力資源的新角色和持續教育，即持續優化生產流程、提升產品和服務質量，提升用戶體驗。

1 用戶體驗經濟正在重新塑造制造業

圖1 汽車制造業的用戶體驗轉型[1]

全球制造業制造范式正在轉向加速和加強用戶在設計制造中的參與，即制造業制造范式正在向體驗經濟轉型。例如汽車制造業從過去的大批量生產向地區化、個性化生產轉變，適應不斷變化的需求，更具競爭力的產品超出客戶期望（見圖1）。

從模擬產品到創建用戶體驗，技術發展趨勢為創建用戶體驗提供了機遇，如IoT/IIoT、大數據、云計算等，促進了智慧醫療、智慧工廠、智慧家居、智慧交通，從而形成了智慧城市。Dassault公司提出了3DEXPE?RIENCE制造技術提供了持續的數字化解決方案，其中互聯技術的創新提供了所有使用者快速產品交付，用戶使用數字化實現數字化工業體驗，為用戶基于數字模型提供了購買決策支持。目前很多國際上的大公司都在加速、加強用戶體驗，包括世界500強的PSA,AIRBUS等，財富500強公司中2000年以來消失的公司大部分是因為數字化進程太慢失去了競爭力。數字化增強和提供了企業敏捷產品，快速為用戶提供獨特的價值。

2 企業正在加速向全生命周期的數字化企業轉型

德國Siemens公司在整個制造過程價值鏈基礎上創建了數字孿生，包括產品設計、生產規劃、生產工程、批量生產和服務（見圖2）。上述價值鏈是基于云和開放式IOT操作系統，協同平臺為Teamcenter。Teamcenter集成了不同階段使用的軟件工具，例如在設計階段包括CAD/CAE/CAM,開放中需要模擬和認證的嵌入式軟件Polarion ALM等,在生產規劃階段，Teamcenter集成了 Manufacturing，Tecnomatix Process Simulate等軟件，模擬操作工人的工作條件、模擬機器人操作流程等。Teamcenter是基于統一數據模型，而其開放式的生產操作系統（MindSphere）是Siemens的基于云的物聯網開放式操作系統。

企業使用數字化的開放式的生產操作系統的好處：歐洲著名豪華汽車品牌Maserati新產品生產準備時間縮短了30%，生產效率提高了2倍，MindSphere為生產提供了70,000多種技術組合。實現數字化轉型必須應用數字企業套件。數字企業套件是Siemens獨特的產品組合數字化轉型的典范。

圖2 Siemens 全價值鏈數字化協同平臺[2]

數字化轉型長期以來一直是管理議程的主題之一。而這是一種永恒的趨勢，不斷受到新一代數字技術的推動而更新。不僅創業公司而且成熟公司正在開發新的、創新的商業模式，以證明其盈利能力和可持續性。

企業數字化轉型有四個特征，即數字化轉型是不可避免的，不可逆轉的，非常快速的和充滿不確定性的[3]。這四個特征說明了數字化的轉型商業和社會是一個只會因規則而放慢腳步，但不能停止的過程。企業不應該受到誘惑沉迷于現有的商業模式。相反，它是關于不斷評估新的數字技術進一步發展潛力的機會,評估現有的商業模式。

3 互聯技術促進制造業轉型升級

當前信息技術包括云技術、企業數據中心、傳統和嵌入式終端以及網絡。通過互聯性、數據共享和分析以及技術融合，物聯網將信息技術和操作運營融合在一起。

未來的5G網絡和工業物聯網都需要更多分布式計算功能，工業物聯網的未來需要更加虛擬化、可擴展、可靠、安全、實時的計算和存儲，在邊緣、在運營領域霧計算（Fog Computing）的硬件和軟件應用會逐步擴大。

圖3 Nebbiolo Technologies工業金字塔的新功能層[4]

Nebbiolo Technologies提出了工業金字塔的新功能層（見圖3），即采用霧計算（Fog Computation），包括通訊、分析、控制和應用主機及組合控制（Orchestra?tion）,基于局部的豐富的分析進行的編輯控制(Orches?trated Control)，這是驅動IT和操作層不斷融合和未來工業4.0和工業物聯網（IIoT）控制的基礎。

工業運營技術面臨很大的挑戰，當前企業資源是碎片化的、無序管理和不能實現互聯。一個典型的汽車車身車間包含了40個開關、可編程邏輯控制器(PLC)134個、959臺機器人、507個焊接控制器、自動化總線I/O模塊1333個和其他裝置及開關7362個。如此龐大的系統和裝置需要很大的邊緣計算（Edge Computing）,但是多數企業沒有專門的計算能力、這些設備和裝置是獨立的，沒有信息互聯，都是手動操作、軟件不統一、靈活性差、不開放，不容易容納創新變革。

多數工業運營面臨的另一項挑戰是大數據管理與應用，包括在邊緣計算數據的獲取、分析和可視化。硬件方面，面臨著很多硬件處于零散狀態，缺乏可融合的模塊、大批量、敏捷和可信賴的構架。軟件方面，在不同層級上存在不同的編程模型，軟件版本落后、不安全的手動更新、需要更現代化的布局。控制系統方面，也是碎片化、不容易實現編程，需要復雜的、協同控制豐富的傳感器。網聯方面，仍然考手動配置、非標準化的技術、無線連接只在局部實現，很難通過防火墻進行通信。安全方面，多數企業IT與操作（OT）分離，缺乏操作層面的安全保障。

隨著5G的發展，企業制造車間會出現新的融合功能，在霧層（Fog Layer）上融合和增強現有的功能，如機器人控制與可視化、可編程邏輯控制器（PLC）系統、機器視覺與掃描閱讀器、車間控制、制造執行系統(MES)、ERP/MRP系統，新的系統功能也會增加。

Nebbiolo Technologies提出了未來霧計算平臺的發展方向[4]：

IT/OT融合：進入新市場

?將云技術引入工業自動化-打開IT/OT異花授粉的大門，發揮兩者優勢

?客戶最終可以通過云可信技術支持的敏捷性在OT中進行創新

虛擬化融合基礎設施：提高效率、降低成本

?在通用計算平臺上整合管理分散的資源，便于計算、存儲、虛擬化和網絡化

?在通用平臺上進行實時和非實時集成

?支持現代軟件技術，同時支持舊軟件和傳統軟件

邊緣數據分析和應用程序基礎架構：獲得新的洞察

?通過云端學習，獲得實時的洞察力，優化機器/工廠操作和質量控制，

?用于敏捷分析和智能應用程序部署的應用程序編排基礎架構

機器作為平臺：促進新的收益

?機器制造商可以超越傳統的零部件制造商的限制，成為用于分析、可視化的集成提供商/解決方案提供商，并提供開放的協作平臺。

信息安全可靠的平臺：設備、數據隱私和安全的守護者

?云端到邊端、到端的安全性（Cloud-to-Edge end-to-end）

?廣泛的數據隱私和權利

4 重塑勞動力資源的新角色，持續提升教育水平，為制造業數字化轉型升級奠定基礎

數字化轉型的四大基石是顧客參與、雇員授權、優化操作和產品轉型。數字化進程賦予勞動力資源新的角色，需要重新評估勞動力資源:

?需要更全面了解操作層面，更深入的洞察。由于數據、可視化和分析而提高了認識。

?了解更復雜的行為。

?專注于人類更高級的任務，可以比重復活動做得更好，這些重復的活動自然適合機器的事情

■直覺和超越AI的復雜推理與經驗

■利用人類未開發的全部潛力，超越重復活動和機械執行的任務。

■這需要更廣泛的教育、系統級別和準備更高層的邏輯

■風格、設計、藝術和創意應用于工業環境的各個方面以及工業活動

?擴展、擴大人類和機器的協同工作潛力

?大力加強IT和OT實踐教育

?更深入地了解復雜系統、交互和子系統

?能夠通過直覺和經驗指導數據分析及總結

?能夠直接指導參與的工業流程的優化模擬和優化工藝過程，而不僅僅是被動做自動的機器

?參與改進流程的動機

?通過更廣泛的教育提升人類的科學和藝術方面的水平，在有利于公司可持續發展的環境中，有足夠的動力對公司業務的增長做出貢獻

5 結束語與展望

數字化為企業價值鏈帶來了很多好處，但是數字化之路任重道遠。企業面臨碎片化的軟、硬件資源、面臨大數據計算與分析、控制系統孤島和信息安全的挑戰，同時隨著工業4.0的發展和第4次工業革命的浪潮下，面臨著巨大的發展機遇，互聯企業+數字化企業是人工智能發展智能工廠的基礎。

當前人與機器一起以非常基本的方式在協同工作，展望未來：

?企業會面臨更深入的機器人與人類的協同工作；

?未來更豐富的傳感器和融合控制架構，使得人機協同工作更安全、更強互動、更具協作性；

?開放更多的協同工作領域；

?更豐富的用戶界面（UI）和更多的可穿戴設備，如平板電腦和增強現實（AR）。