工业互联网：突破智慧和机器的界限

2016-05-05 16:00:59 来源：华启智能

一、摘要

创新将显著提高航空、铁路运输、发电、石油与天然气开发及保健服务等不同行业的发展速度和效率，推动世界经济增长，为全球创造更多更好的就业机会，不断提高人们的生活水平。在美国与中国如此，在非洲的大城市及哈萨克斯坦的农村地区亦是如此。

随着医疗服务水平的不断提高，成本日益浓缩，大量燃料与能源得以节省，实物资产性能提升和使用寿命拉长，工业互联网将进一步提高效率，促进生产力发展。生产力提升就意味着收入和生活水平的改善。在美国，如果工业互联网推动生产率每年增长1-1.5个百分点，使生产率再一次达到网络革命巅峰水平，在接下来的20年里，平均收入水平将提高25-40%。若其他各国生产力增长水平能维持在美国的一半，工业互联网将为全球GDP创造10—15万亿美元价值，这相当于美国今天的经济总量。在当今充满挑战的经济环境下，确保部分生产率增长能给个体与整体经济带来巨大裨益。

后继浪潮

这能实现吗？工业互联网将整合两大革命性转变之优势：其一是工业革命，伴随着工业革命，出现了无数台机器、设备、机组和工作站；其二则是更为强大的网络革命，在其影响之下，计算、信息与通讯系统应运而生并不断发展。

伴随着这样的发展，三种元素逐渐融合，充分体现出工业互联网之精髓：

智能机器：以崭新的方法将现实世界中的机器、设备、团队和网络通过先进的传感器、控制器和软件应用程序连接起来。

高级分析：使用基于物理的分析法、预测算法、自动化和材料科学，电气工程及其他关键学科的深厚专业知识来理解机器与大型系统的运作方式。

工作人员：建立员工之间的实时连接，连接各种工作场所的人员，以支持更为智能的设计、操作、维护以及高质量的服务与安全保障。

将这些元素融合起来，将为企业与经济体提供新的机遇。例如，传统的统计方法采用历史数据收集技术，这种方式通常将数据、分析和决策分隔开来。伴随着先进的系统监控和信息技术成本的下降，工作能力大大提高，实时数据处理的规模得以大大提升，高频率的实时数据为系统操作提供全新视野。机器分析则为分析流程开辟新维度，各种物理方式之结合、行业特定领域的专业知识、信息流的自动化与预测能力相互结合可与现有的整套“大数据”工具联手合作。最终，工业互联网将涵盖传统方式与新的混合方式，通过先进的特定行业分析，充分利用历史与实时数据。

工业互联网潜力的冰山一角

在最初阶段，工业互联网为各种各样的机器(从简单的到极为复杂的机器)嵌入传感器与其他高级设备，这方便了海量数据的收集与分析，从而改善机器性能与系统及连接网络的效率。数据本身甚至也会变得“智能化”，能够迅速掌握目标用户位置，仅在航空业就蕴藏着无限潜力。据估算，目前有2万架商用飞机，它们配备有4.3万台喷气发动机。

每台喷气发动机由诸多旋转设备组成。针对这些旋转设备，人们可以进行单独监控。若“智能飞机”能与机组人员交流互动，那么发动机维护、燃料消耗、机组人员分配与调度的效率提升将超乎想象。所有这些仍仅是基于当下数据。在未来15年中，随着航空服务不断扩展，陆续将有3万台喷气发动机投入使用。同样，火车头、联合循环发电厂、能源加工厂、工业设施与其他关键设备也颇具潜力。总的来说，今天全球工业基地拥有超过300万台旋转设备，而这仅仅是工业互联网潜力的冰山一角。

1%增长意义非凡

机器与智能分析相互结合将带来诸多裨益。我们预计，工业互联网的技术创新将直接应用于各行各业，并产生32.3万亿美元的经济效益。随着全球经济继续发展，工业互联网的应用潜力也将不断增长。到2025年，工业互联网将创造82万亿美元的经济价值(约为全球经济总量的二分之一)。了解具体行业中工业互联网产生价值的保守估算，具有一定的指导意义。工业互联网效率增长1%，将产生巨大影响。例如，在商用航空领域，每节省1%的燃料意味着将来15年中能节省300亿美元支出。同样，若全球燃气电厂运作相率提升1%，将节省660亿美元能耗支出。此外，工业互联网能提高医疗保健流程效率，有益于该行业的发展。医疗保健行业效率每增长一个百分点，将节省630亿美元。世界铁路网交通运输效率，若提高一个百分点，将节省270亿美元能源支出。这些都还只是工业互联网潜力很小的一部分。

惠及全球

作为创新的关键源泉，美国是工业互联网技术的先锋。伴随全球一体化不断深化，技术转让迅速发展，工业互联网的益处将惠及全球。实际上，随着新兴市场大力投资基础设施，尽早采用并快速部署工业互联网技术将成为发展的强劲助推器。新兴市场国家或许不需要沿袭发达国家曾经走过的道路。例如，无线技术将替代电缆或有线技术；私有、半公共或公共云系统将替代各个孤立系统。这一切都有助于弥补发达国家与发展中国家生产力之间的鸿沟。在该进程中，工业互联网将缓解资源与资金压力，令全球经济社会发展更具有可持续性。

推动力与催化剂

工业互联网需要应用的推动力和催化剂：

我们需要不懈努力推动技术创新，同时加大投资配置必要的传感器、测试设备与用户界面系统。投资将成为加速实现技术转化的基本条件。工业互联网能在多大程度上提高效率，能带来多少便利将取决于其发展步伐。部署工业互联网的成本将因行业与地区而定。然而，对该技术领域的投入，人们普遍认为其成本最终将获得正收益。

坚固的网络安全系统、管理脆弱环节、保护敏感信息与知识产权的有效途径。

建立庞大的人才库，包括新型交叉人才，如机械与工业工程结合形成新的“数字机械工程师”，创建分析平台与算法的数据专家及软件与网络安全专家。培训员工掌握相应技能，有助于确保创新，并创造更多就业机会，促进生产力发展。工业互联网是一项需要投入人力物力的工程，但它将彻底改变我们的工业发展与生活方式，促进人脑与机器的互动与融合。

二、创新和生产力：接下来呢？

在人类历史长河中，大部分时候，生产力增长让人难以察觉，人们生活水平的提高也非常缓慢。然而，大约200年前，人类在创新方面迈出了一大步——工业革命。从此，人和畜类的体力劳动被机械动力替代。工业革命进行了一波又一波，给我们带来了蒸汽机、内燃机，继而是电报、电话和电。生产力水平得到大幅提高，经济实现快速增长。1800年前，西方经济体人均收入翻一番足足花了800年；而在接下来的150年里，却增长了13倍。但到了1970年代，生产力领先的美国，却开始止步不前。

依赖于信息存储、计算和通信技术的突破，计算机和全球互联网兴起，于是人类在创新领域里迈出了第二步。其对于生产力的影响甚至更为深远，但是，貌似才过了十年，到2005年左右，强劲势头就消退了。

一些人断言，故事就此结束。他们认为，过去的几波创新浪潮，虽然极大促进了商业和经济的发展，但对于未来的生产率增长，却派不上用场。他们认为，工业革命带来的转变是一次性的，效益都已经实现；互联网革命也已失去作用，而且就创新普及的范围和对生产力的提升效果，互联网革命比工业革命差远了。

我们将挑战这一观点。在本报告中，我们审视了新一波生产力水平提高的潜在可能性。特别强调将工业革命的成果及其带来的机器、机组和物理网络，与近期的互联网的成果——智能设备、智能网络和智能决策融合到一起。我们将此融合称作“工业互联网”。有证据表明，范围广泛的新创新能给商业和全球经济带来巨大效益。我们相信，怀疑论者过于草率地下了结论。与工业革命非常类似，互联网革命也是动态地、一层层展开的，而现在正处于一个转折点。

工业互联网为何能在当今实现？有很多原因。机器的性能还没有完全发挥，效率低下问题更加严重。此问题并非出现在单个机器层面，而是系统层面，复杂程度之高让操作人员无法识别并减少低效率情况的发生。由于这些因素，使用传统方法来寻求改善越来越困难。但是，它们却鞭策人们，利用基于互联网创新的方法来解决问题。计算、信息和通讯系统支持广泛的仪表化、监控和分析，仪表价格大幅降低，大范围配备和监控工业机器得以实现。运算能力稳步提高，已达到用数码智能增强物理机器性能的程度。远程数据存储、大数据集以及运算巨量信息的更先进的分析工具，逐渐成熟，应用范围更加广阔。如果把这些改变一起用于机器、机组和网络，那么令人兴奋的新机会就会诞生。

仪器价格的急剧降低也受到了云计算的影响，云计算使得我们收集分析的信息量比以前更大，成本更低。价格下跌的趋势，会加速工业互联网的发展。正如1990年代后半叶，此趋势激发了人们对信息通讯技术(ICT)仪器的迅速采用。移动革命也将加速这种价格下跌趋势，让信息资源的高效分享更加实惠，并实现了分散优化和个性化优化。远程监控工业设备、分布式操作电源的实现，就是最有力的证明。

要了解工业互联网的潜力，关键要考虑到全球工业系统的庞大规模。现在有数百万的机器遍布世界，小到简单的电动机，大到卫生保健中用到的高端计算机断层扫描仪(CT)。机组数以万计，从发电厂到载人载物横跨世界的飞机，还有成千上万的复杂网络，从电网到铁路系统，实现了机器与机组的配合运作。

工业互联网将有助于工业系统各层面更好的运转。通过优化检查、维护和修理过程，资产的可靠性得以提高。工业互联网还将改善运行效率，无论是在机组层面，还是更大的网络层面。

工业互联网的产生条件已经成熟。早期证据表明，新一波的创新已经来临。接下来，我们将向大家展示工业互联网将如何逐层展开的框架，并举了几个例子，说明其为商业，甚至全球经济体带来的利益。

三、创新与变革浪潮

在过去的200年里，全球经历了数次的创新浪潮，成功的企业学会以这些浪潮为导向来适应不断变化的环境。今天，我们处于有望改变商业方式和全球工业机械互动的风口浪尖。为了充分理解今天发生的一切，弄明白我们是如何一步步走到今天，过去的所有革新是如何为下一场革新“工业互联网”做准备的，非常有必要。

第一次浪潮：工业革命

工业革命对社会、经济和世界文化产生了深远的影响。这是一场从1750年到1900年，跨越了150年的漫长革新。在此期间，新技术应用到制造业、能源生产业、交通运输业和农业后，确实在一段时间内迎来了经济增长和转型。随着蒸汽机的商业化，十八世纪中叶率先在欧洲开始了第一阶段的工业革命，之后传播到铁路业占据经济增长主导地位的美国。第二阶段虽稍晚一点，但却来势汹汹，1870年，给我们带来内燃机，电力以及一系列实用机。

工业革命带来的深刻变革改变了我们的生活：运输业(从马车，帆船到铁路，轮船和卡车)；通信业(电话和电报)，在商贸中心(电力，自来水，卫生和医疗)。它极大地改变了生活品质和卫生条件。

这个时期有几个主要特征，它的特点是从纺织业到钢铁再到电力生产不断跨越新产业的大型工业企业的崛起。它创造了显著的规模经济、降低了生产设备的成本、扩大了企业的规模，同时使产量得到了增加。它利用了集中控制下的分层结构的效率。全球化的专用厂房和设备大幅增加。这种创新开始被认为在中心实验室和研发中心的出现下以一种系统的方式进行。无论大小企业，都努力进行创新以期在新市场中获利。

尽管工业革命促进了社会进步和经济大发展，但同样带来了负面影响。全球经济体系变得更加高度资源密集型；资源开采和工业废物对环境造成了严重的污染。此外，在这一时期，发生了自工业革命以来的渐进式创新，企业开始专注于提高效率，减少浪费，改善工作环境。

第二次浪潮：互联网革命

20世纪末，互联网革命改变了世界。互联网革命呈现的时间较短，呈现了50年而非150年，但像工业革命一样，互联网革命也是阶段性展开的。第一阶段始于1950年的大型主机电脑、软件和“数据信息包”的发明，使计算机可以彼此沟通。这一阶段主要是政府资助的计算机网络实验。在20世纪70年代，这些封闭的政府和私人网络让位给了开放的网络，就是我们现在所称的“万维网”。在互联网发展的第一阶段，与同类的封闭型网络相比，开放的网络形式更加多样化。其中一个重要特征是，明确制定了标准和协议，允许不同用户、不同位置、不兼容的机器相互连接和交流信息。

网络的开放性和灵活性是网络加速发展的关键因素。互联网的发展速度是惊人的。1981年8月，当时只有不到300台电脑可以连接到互联网。15年后，这个数字已经上升到1900万，而今则数以亿计。信息传输的速度和数量大幅增长。1985年，最好的调制解调器最快的传输速度也只有9.6千比特每秒(Kbps)。相比之下，第一代苹果快了将近400倍，能够提供3.6兆比特每秒(Mbps)信息传输速度。

速度和数量的结合，并通过压低成本的商业交易和社会互动，为商业和社会交换创造了强大的新平台。企业从只进行实体销售到通过网络进行大型高效的市场销售，在某种情况下，这使企业转入新的数据平台。尽管如此，绝大多数的创新和革命集中在新公司品牌的创造力和能力。当eBay在1995年创立时，将近有4.1万的用户完成价值720万美元的商品交易。而到2006年，有2200万用户完成价值525亿美元的商品交易。社交网络也有类似的轨迹。Facebook于2004年2月推出，在不到一年的时间活跃用户就达到100万。到2008年8月，Facebook已经拥有1亿的活跃用户。8年来，Facebook被启用的朋友连接超过140亿，有2650亿张照片被上传，有超过6200万首歌曲被播放了220亿次。

互联网革命与工业革命有很大不同。互联网数据处理和发送、接受大量数据的能力，是基于网络建设和其使用价值、横向结构和分布式智能，通过允许进一步深层集成和灵活操作改变生产系统的处理方式。此外，互联网的并行革新不仅仅在于用顺序线性方法进行研究发展。迅速交换信息和分散决策能力产生了更多的协同工作环境，而这个工作环境不受地理限制。结果，集中内部改革的模式逐渐为已经开始并且更加开放的创新模式让步，而这种开放模式基于更加广义的知识面作为其创新模式。因此，互联网革命不是资源密集型的，而是信息和知识密集型的。它凸显了网络价值和创新平台，同时开辟了减少环境污染的新途径，并且更加支持环保产品和服务。

第三次浪潮：工业互联网

在二十一世纪的今天，工业互联网将再次改变我们的世界。将全球工业系统融合，发展开放的计算和通信系统，开辟了新的领域以加快提高效率，减少低效和浪费，加强人的工作经验。

事实上，工业互联网革命已经展开。在过去的十年中，企业开始逐步将互联网技术应用到工业生产。尽管如此，我们目前还远低于工业互联网的应用极限：基于互联网的数字技术还没有将全部潜力充分实现于全球产业体系。智能设备、智能系统和智能决策代表着物理学在机器、设备、机组和网络的主要应用方式，而这些应用把数据传输、多数据、数据分析很好地融合到一起。

智能设备

为工业机器提供数字化仪表是工业互联网革命的第一步。仪器仪表的普及是工业互联网崛起的必要条件，如下几个因素促使仪表在工业机器得经济合理地加以普及，并使机器和机器交互更加智能化。

部署成本：仪器仪表的成本已大幅下降，从而有可能以一个比过去更经济的方式装备和监测工业机器。

微处理器芯片的计算能力：微处理器芯片持续发展已经达到了一个转折点，即使得机器拥有数字智能成为可能。

高级分析：“大数据”软件工具和分析技术的进展为了解由智能设备产生的大规模数据提供了手段。

总之，这些影响改变着数据收集的成本和价值，以及分析处理在实际中并不合理但是已经存在的理论数据的能力。

理解工业设备生成的数据流，是工业的重要组成部分之一。如图3所示，可以认为，工业互联网是数据流、硬件、软件和智能的交互。由智能设备和网络收集的数据存储之后，利用大数据分析工具进行数据分析和可视化。由此产生的“智能信息”可以由决策者必要时进行实时判断处理，或者成为大范围工业系统中工业资产优化战略决策过程的一部分。

智能信息还可以在机器、网络、个人或团体之间实现共享促进智能协作，以做出更好的决策。这可以使更多的利益相关者参与到资产维护、管理和优化过程中，也可以确保在恰当的时候将那些本地和远程拥有机器专业知识的人们整合起来。智能信息还可以反馈到主机。这不仅包括由主机产生的数据，而且包括那些能够增强运行或维护机器、机组及更大系统能力的外部数据。这个数据反馈回路，使机器能够从它的历史数据中得到启示并且通过机载控制系统更加智能地运转。

每个检测装置都会产生大量可以通过工业互联网传输给远程机器和用户的数据。确定哪些数据仍然保留在设备上，哪些数据需要传输到远程位置进行分析和存储，是实现工业互联网的重要部分。确定本地数据保留的程度是保证工业互联网安全的关键之一，很多不同的公司会因为参与到其中而获益。重要的一点是，创新可以使由检验装置产生的敏感数据准确无误。其他数据流将远程传输给那些正在工作或者旅途中的人们，使他们可以可视化、分析处理数据，并视情况采取相应行动。

随着时间的推移，这些数据流提供的操作和性能的历史记录使运营商能更好地了解工厂设备关键部件的状态。

运营商可以了解一个特定的组件在何种条件下运行了多长时间。分析工具可以将这些信息和其他工厂类似部件的操作历史进行对比，对于部件发生故障的可能性和时间提供可靠的估计。在这种方式下，操作数据和预测分析可以结合起来避免运行中断同时降低维护成本。

所有这些好处源自利用现有的信息技术使机器仪表化，这使得人们工作效率更高，这是对智能设备广泛部署的强有力支持。在这个正不断从高性能机器上挑战更高生产力的时代，智能设备的广泛部署在发掘额外的性能并提高运营效率方面具有潜力。

智能系统

智能系统的潜在利益巨大。智能系统包括各种传统的网络系统，但广义的定义包括了部署在机组和网络中并广泛结合的机器仪表和软件。随着越来越多的机器和设备加入工业互联网，可以实现跨越整个机组和网络的机器仪表的协同效应。智能系统有多种形式：

网络优化：在一个系统内实现互联的机器，可以在网络上相互协作提高运营效率。例如，在医疗保健方面，医疗信息可以链接到医生和护士，更迅速地帮助病人使用正确的设备。信息可以无缝地传输给医疗机构和病人，等待的时间将会更短，设备利用率更高，医疗质量更高。智能系统也非常适合在交通网络中实现路径优化。实现互联的车辆会知道自己的位置和目的地，同时能够了解到系统内其他车辆的位置和目的地，允许优化路由来寻找到最有效的系统级解决方案。

维护优化：通过智能系统可以实现最优化、低成本，并有利于整个机组的维护。将机器、组件和各部分整合起来的观点提供了一个可以监测这些设备状态的方式，使得可以在正确的时间将最优数量的零件交付到正确的位置。这将减少零件库存需求和维护成本，机器的可靠性也会更高。智能系统的维护优化可以与网络学习相结合，并且预测分析允许工程师来实施预防性维修计划，这样有可能使机器的可靠性达到前所未有的水平。

系统恢复：建立广泛的系统范围内的情报，可以帮助系统在经历大冲击之后更加快速、有效的恢复。例如，当大的暴风雨、地震或其他自然灾害发生时，可以用一个由智能电表、传感器和其他智能设备和系统组成的网络来进行快速检测，将最严重的问题隔离，这样也不会串联而导致停电。地理和操作信息可以结合起来，支持公共设施恢复工作。

学习：网络学习效果是系统内机器联网的另一个好处。每台机器的操作经验可以聚合为一个信息系统，以使得整个机器组合加速学习，而这种加速学习的方式是不可能在单个机器上来实现的。例如，从飞机上收集的数据加上位置和飞行的历史信息可以提供大量有关各种环境下飞机性能的信息。

源自于这些数据的观点是可行的，用这些数据可使整个系统更聪明，从而推动一个持续的知识积累和提高洞察力的过程。

智能系统的构建整合了广泛部署智能设备的好处。当越来越多的机器连接在一个系统中，久而久之，结果将是系统不断扩大并能自主学习，而且越来越智能化。