水泥行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評估

楊恒 高信波 劉柳 唐銳

(中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所，北京100191)

0 引言

我國是世界上最大的建筑材料生產(chǎn)國和消費國，水泥產(chǎn)量約占世界水泥總產(chǎn)量的60%[1]，多年居世界第一位。水泥作為國民經(jīng)濟建設(shè)中重要的基礎(chǔ)性原材料，廣泛應(yīng)用于土木建筑、水利、國防等工程中，具有長期不可替代性。水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是改善人居條件、治理生態(tài)環(huán)境和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要支撐。

我國水泥行業(yè)正處于由高速發(fā)展轉(zhuǎn)為高質(zhì)量發(fā)展的新舊動能更迭的關(guān)鍵階段，自動化、智能化和信息化水平參差不齊，亟需采用融合工藝機理的信息化技術(shù)，推動生產(chǎn)、管理和營銷模式從局部、粗放向全流程、精細化和綠色低碳發(fā)展方向變革，提高生產(chǎn)制造水平和效能，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為第四次工業(yè)革命的重要基石和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐力量，也是水泥經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要突破口[1]。

我國水泥行業(yè)自動化水平較高，信息化、數(shù)字化水平有待提升，水泥企業(yè)工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、信息安全基礎(chǔ)薄弱，系統(tǒng)整體解決方案供給能力不足，急需提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)水平。當前，業(yè)界對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理解不統(tǒng)一，水泥企業(yè)對自身工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的定位、現(xiàn)狀和發(fā)展路徑不明確，缺乏一致的方法論來評判具體實踐。建立水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型評估體系，可助力水泥企業(yè)了解自身工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)水平，發(fā)現(xiàn)存在的問題，了解行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體發(fā)展水平，明確發(fā)展方向和發(fā)展重點。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度研究現(xiàn)狀

德國于2015年提出主要面向離散行業(yè)的工業(yè)4.0就緒度模型，又于2017年發(fā)布《工業(yè)4.0成熟度指數(shù)》[2]。2016年，我國提出智能制造能力成熟度模型，該模型與德國的工業(yè)4.0 就緒度模型的評價等級中，二者的1、3、4、5級分別對應(yīng)[3]。2017年，我國又提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型，該模型主要面向流程和離散兩個行業(yè)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度的研究方向較為多樣，側(cè)重點不同，有面向行業(yè)的模型，如SIMMI 4.0系統(tǒng)集成成熟度模型[4]、國防領(lǐng)域的工業(yè)4.0成熟度評估框架[5]、機床行業(yè)的工業(yè)4.0成熟度模型[6]；也有面向企業(yè)的模型，如制造業(yè)數(shù)字化成熟度模型[7]、數(shù)據(jù)驅(qū)動制造的成熟度模型[8]、工業(yè)4.0成熟度模型[9]，本文對各種模型進行了對比分析。此外，Andreas Schumachera[10]等定義了一個面向離散行業(yè)，擁有9個維度、62個評估項目的工業(yè)4.0成熟度模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種10步法創(chuàng)建企業(yè)特定的實現(xiàn)路徑和路線圖的評價方法。Selim Erol[11]等建立了一種“設(shè)想—使能—制定”三階段流程模型，提出第四次工業(yè)革命需要將通用的工業(yè)4.0概念與企業(yè)特定的愿景和戰(zhàn)略系統(tǒng)地結(jié)合起來，作為生產(chǎn)系統(tǒng)后續(xù)技術(shù)改造的基礎(chǔ)。現(xiàn)有關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度的研究大多側(cè)重于代表國家或整個社會的宏觀層面，以及代表某企業(yè)和組織的微觀層面，很少有研究探討行業(yè)4.0成熟度的模型[12]。Marjan Sarshar[13]等分析得出將能力成熟度模型應(yīng)用于建筑水泥行業(yè)是可行的、有價值的，尤其是在供應(yīng)鏈領(lǐng)域。

前人關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度的研究主要是面向所有行業(yè)、特定行業(yè)以及企業(yè)，面向行業(yè)應(yīng)用的較少，而面向具有流程型特點的水泥行業(yè)的相關(guān)研究尚未有人提出。我國現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評估模型主要是基于專家打分的主觀賦權(quán)，缺乏客觀評價。基于此，本文提出一種如表1所示基于熵權(quán)法和專家打分法的水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型評價指標體系，以期對我國水泥行業(yè)總體和單項能力進行了評價。

2 水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評價指標體系的構(gòu)建

2.1 評價指標體系的構(gòu)建原則

為了能夠全面、準確地反映水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要素的發(fā)展程度，在指標的構(gòu)建過程中應(yīng)遵循：系統(tǒng)性原則、一致性原則、客觀性原則、易評估可量化原則。

2.2 評價指標的選取

本文通過政策研究、文獻研究、專家咨詢、現(xiàn)場調(diào)研、研討會等方式，確立指標范圍。筆者曾從事建材發(fā)展規(guī)劃研究的一些經(jīng)驗可以運用于水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型的建設(shè)中，如對數(shù)十家水泥企業(yè)進行了兩化融合的貫標咨詢，進行了為期一周的實地調(diào)研，收集了企業(yè)信息化建設(shè)現(xiàn)狀信息；通過舉辦2019年建材行業(yè)智能制造大會，收集了192家建材企業(yè)、40家供應(yīng)商的交流信息，專家發(fā)言信息，企業(yè)分享信息。本文在整理上述信息后形成了初步的評價指標體系，并與行業(yè)智能制造專家進行了多輪訪談、交流，以使體系不斷完善、意見達成一致。

水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型劃分為3個層級。一級指標為互聯(lián)互通(X1)、綜合集成(X2)、數(shù)據(jù)分析利用(X3)。二級指標如表1所示，互聯(lián)互通(X1)分為智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)(X11)、信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施(X12)；綜合集成(X2)分為縱向集成(X21)、端到端集成(X22)、橫向集成(X23)；數(shù)據(jù)分析利用(X3)分為供應(yīng)鏈優(yōu)化(X31)、生產(chǎn)智能管理(X32)、能耗與安全管理優(yōu)化(X33)、運營智能決策(X34)、服務(wù)化延伸(X35)。水泥作為特定領(lǐng)域應(yīng)在基礎(chǔ)共性能力建設(shè)的基礎(chǔ)上，滿足兩方面額為要求，一是打通關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如研發(fā)設(shè)計、物料采購、生產(chǎn)制造、運營管理、倉儲物流、產(chǎn)品服務(wù)等產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)；二是優(yōu)化構(gòu)建關(guān)鍵領(lǐng)域，如設(shè)備預測性維護、產(chǎn)品質(zhì)量智能檢測、倉儲與物流優(yōu)化等領(lǐng)域[3]，結(jié)合水泥企業(yè)實際發(fā)展情況確立如表1所示三級指標。

2.3 指標解釋

2.3.1 互聯(lián)互通

互聯(lián)互通(X1)指標是面向設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和信息化基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋率的定量指標(見表2)。

2.3.2 綜合集成

綜合集成(X2)指標中各層級定義如下(見表3)。

L1：未實現(xiàn)。

L2：企業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、交互、共享程度非常有限；嘗試建立仿真模型。

L3：企業(yè)核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交互，并建立仿真模型；建立關(guān)鍵環(huán)節(jié)仿真模型。

L4：利用郵件等半自動化式進行數(shù)據(jù)共享與交互；多層級仿真模型基本建立；具備企業(yè)內(nèi)部開發(fā)能力。

L5：利用數(shù)據(jù)接口、共享數(shù)據(jù)庫、文件傳輸?shù)确绞綄崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動傳輸與共享；具備企業(yè)外部開發(fā)能力。

表1 水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型評價指標體系

表2 互聯(lián)互通(X1)指標

表3 綜合集成(X2)指標

L6：利用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享與交互協(xié)作；實現(xiàn)各層次仿真信息交互；建立可復用的組件，能夠直接調(diào)用。

2.3.3 數(shù)據(jù)分析利用

數(shù)據(jù)分析利用(X3)指標中各層級定義如下(見表4)。

L1：未實現(xiàn)。

L2：企業(yè)開始規(guī)劃和投資，部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交互。

L3：能夠進行海量數(shù)據(jù)清洗、集成、可視化等更深層次的數(shù)據(jù)處理工作。

L4：能夠?qū)崿F(xiàn)核心業(yè)務(wù)的集成。

L5：能夠通過數(shù)據(jù)分析建模，對核心業(yè)務(wù)流程進行優(yōu)化。

L6：能夠?qū)崿F(xiàn)預測、預警、自反饋、自調(diào)節(jié)。

2.4 指標鑒別力分析

利用變異系數(shù)法，分析指標的分辨能力，變異系數(shù)越大，說明指標分辨力越強，反之越小。一般刪除變異系數(shù)小于0.15的指標。第j個指標的變異系數(shù)公式為

(1)

3 評價指標綜合權(quán)重的確立

目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評估模型權(quán)重的確定僅采用了專家、企業(yè)打分的主觀賦權(quán)法，權(quán)重面向全流程行業(yè)，未結(jié)合水泥行業(yè)的客觀實際，本文在主觀賦權(quán)的基礎(chǔ)上，采用熵權(quán)法進行了客觀權(quán)重計算，最后將主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相結(jié)合得到了一個綜合權(quán)重作為指標體系的權(quán)重。

3.1 專家打分法確定主觀權(quán)重

本文借鑒《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評估白皮書》確定一、二級指標的主觀權(quán)重aj，三級指標采用均權(quán)處理，具體見表5。

3.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

熵值法是利用熵值判斷指標的離散程度，一個指標的離散程度越大，該指標對綜合評價的影響程度也就越大。假設(shè)有n個樣本，每個樣本存在m項評價指標，xij表示第i個樣本的第j個指標的值，形成原始指標數(shù)據(jù)矩陣X=(Xij)n×m。

(1)建立原始指標數(shù)據(jù)矩陣

(2)

(2)數(shù)據(jù)歸一化處理

定性、定量指標進行標準化處理，絕對數(shù)值轉(zhuǎn)化為相對數(shù)值使指標具有可比性。所有指標都屬于正向指標，采用正向指標處理方法進行標準化處理。yij表示第i個樣本，第j項指標的標準化數(shù)值。

(3)

(3)計算第j個指標下第i個樣本占該指標的比重

(4)

(4)計算第j項指標的熵值

(5)

其中，k為常數(shù)。

表4 數(shù)據(jù)分析利用(X3)指標

(5)計算第j項指標的差異系數(shù)

差異系數(shù)越大，評價作用越大，熵值就越小。

gj=1-ej

(6)

(6)計算熵權(quán)

(7)

3.3 綜合權(quán)重

綜合權(quán)重采用主客觀組合賦權(quán)，計算公式為

(8)

4 評價模型的構(gòu)建

4.1 指標量化采集

借鑒工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型、工業(yè)4.0成熟度模型和智能制造能力成熟度模型對指標進行打分，指標的每個層級對應(yīng)一定的分值，打分原則如表6所示。

4.2 綜合評價得分計算

將計算得出的各級指標綜合權(quán)重結(jié)合表5計算各級指標得分，應(yīng)用公式(9)中的加權(quán)平均模型來計算綜合評價得分。

(9)

θ為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)水平的綜合評價得分，αg為第g個一級指標的權(quán)重系數(shù)，βh為第h個二級指標的權(quán)重系數(shù)，χj為第j個三級指標的權(quán)重系數(shù)，xj為該企業(yè)第j個三級指標的得分；g= (1…k) ，h= (1…l) ，j= (1…m) 。

5 實證研究

5.1 評價對象

本文的研究對象為水泥行業(yè)具有代表性的大型企業(yè)，代表性體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)根據(jù)國家統(tǒng)計局的劃分標準選取大型企業(yè)，年營業(yè)收入≥4億元，員工人數(shù)≥1 000人。

(2)選取的9家水泥企業(yè)市場份額占我國水泥市場總份額的30%，具有一定的市場占有率和影響力。

(3)企業(yè)數(shù)據(jù)容易獲取且具有較高的可靠性。

表6 定量指標表和定性指標的量化采集打分原則

表5 綜合權(quán)重

5.2 數(shù)據(jù)來源

本文調(diào)研了9家分布于全國各地的大型水泥企業(yè)，通過實地調(diào)研、電話訪談以及向企業(yè)管理層發(fā)放電子調(diào)研問卷的形式，獲取其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度數(shù)據(jù)。答卷者為企業(yè)中高層管理人員、信息化負責人、項目主管等，他們長年參與信息化工作，均十分熟悉公司整體以及各部門信息化建設(shè)情況，確保了問卷的信度。

5.3 指標鑒別力分析

根據(jù)企業(yè)調(diào)研結(jié)果，按照表3對所有指標進行量化采集得出各個指標得分。通過公式(1)計算各個指標的變異系數(shù)均>0.15，具有一定的分辨能力，因此保留。

5.4 權(quán)重計算

選取上述9家企業(yè)中的8家進行權(quán)重計算，根據(jù)其得分，利用公式(2)～(7)計算各個指標的客觀權(quán)重，利用公式(8)計算得出各個指標最后的綜合權(quán)重，結(jié)果見表5。

圖1 平陰山水泥各類權(quán)重計算得分

5.5 最終得分

選取上述剩下的一家企業(yè)：平陰山水泥公司，根據(jù)上文提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度模型指標和評價方法進行評估，根據(jù)公式(9)可計算該企業(yè)的各項得分，結(jié)果見圖1。可見，相比于主觀權(quán)重得分，考慮客觀權(quán)重的綜合權(quán)重得分，有效平衡了主客觀得分的差距。本文根據(jù)計算得分再次分別跟企業(yè)的管理人員、長期參與水泥企業(yè)信息化相關(guān)評選和課題研究的專家進行了意見交流，最終結(jié)果得其認同。

由于上述9家企業(yè)均屬于水泥行業(yè)的大型企業(yè)，在一定程度上反映了水泥行業(yè)的整體發(fā)展情況，因此本文對這9家企業(yè)進行了整體評估，并根據(jù)公式(9)計算出各單項和總體得分，結(jié)果見表7。從表7可以看出，這9家企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的整體發(fā)展水平參差不齊，與中國水泥協(xié)會的統(tǒng)計結(jié)果相吻合[1]。其中，寧夏建材各項得分最高，華新水泥次之，福建水泥最低。

圖2中3個一級指標的單項能力星級評價除去華新水泥，其他水泥企業(yè)都呈現(xiàn)互聯(lián)互通單項能力最高，數(shù)據(jù)分析利用能力次之，綜合集成能力最低的趨勢，與過去水泥行業(yè)統(tǒng)計的發(fā)展趨勢相一致[19]。

為了分析水泥行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各項指標的總體發(fā)展情況，將上述9家企業(yè)二級指標得分取平均值，得到如圖3所示得分分布圖。分析圖3可以得出以下結(jié)論。

(1)智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)和信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施均分在70分以上，說明我國水泥行業(yè)企業(yè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況較好。目前，我國絕大部分水泥企業(yè)都已實現(xiàn)辦公和生產(chǎn)區(qū)域IT主干網(wǎng)覆蓋，近半數(shù)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)對生產(chǎn)單元的覆蓋。較高的自動化水平使得我國水泥企業(yè)智能傳感與控制裝備的應(yīng)用也很普遍，溫度、物位、流量、質(zhì)量等傳感裝置/智能儀表應(yīng)用率超過80%[20]。

(2)綜合集成下的縱向集成、端到端集成、橫向集成均分在60分以下，說明我國水泥行業(yè)企業(yè)集成應(yīng)用水平較低。橫向集成得分介于50～60分之間，相對較高。目前，我國62.17%的企業(yè)實現(xiàn)了部分環(huán)節(jié)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動傳遞，18.64%的企業(yè)實現(xiàn)了全環(huán)節(jié)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動傳遞[20]。縱向集成和端到端集成得分相對較低。我國約50%的企業(yè)僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和儲存，集成應(yīng)用水平仍停留在初級階段；僅10.17%的企業(yè)能夠在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進行數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)云邊協(xié)同[20]。

表7 企業(yè)總體與單項的最終得分

圖2 水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度總體和單項能力得分

圖3 水泥企業(yè)各項二級指標平均得分分布

(3)數(shù)據(jù)分析利用中除生產(chǎn)智能管理均分低于50分，其他如供應(yīng)鏈優(yōu)化、能耗與安全管理優(yōu)化、運營智能決策、服務(wù)化延伸得分均介于50～60分之間，說明我國水泥企業(yè)對數(shù)據(jù)的分析利用仍處于初步探索狀態(tài)[20]。

6 結(jié)束語

水泥行業(yè)是重要的原材料行業(yè)，長期面臨產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品以低端為主的困境。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是水泥行業(yè)轉(zhuǎn)型升級，經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要引擎。水泥行業(yè)企業(yè)對自身工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展階段與提升路徑的認知，對自身工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)水平的提升顯得尤為重要。本文結(jié)合水泥行業(yè)企業(yè)實際情況，建立了水泥行業(yè)企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評價指標體系，選取了9家企業(yè)作為研究樣本，進行了主客觀綜合賦權(quán)，建立了水泥行業(yè)企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度評價方法。通過對樣本企業(yè)的評價研究可知，我國大型水泥企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成熟度總體參差不齊，單項能力中互聯(lián)互通能力最高，數(shù)據(jù)分析利用能力次之，綜合集成能力最低。本文的研究尚存的不足在于：未考慮人力資源要素[11]，評價模型還不夠全面；標識解析作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其發(fā)展程度在評價模型中沒有得到充分體現(xiàn)，評價指標體系還有待完善。