活動(dòng)鏈接：2016年控制網(wǎng)專(zhuān)題——工業(yè)4.0撬動(dòng)工業(yè)服務(wù)新發(fā)展

來(lái)源：e-works     

2014年11月27日，在e-works數字化企業(yè)網(wǎng)舉辦的“第十屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng )新數字化國際峰會(huì )”上，清華大學(xué)莫欣農教授發(fā)表了題為《工業(yè)4.0時(shí)代制造服務(wù)模式的創(chuàng )新》的演講，本文根據其演講內容整理而成。

圖1 清華大學(xué)莫欣農教授

蒸汽機的發(fā)明將工業(yè)帶入了機械化時(shí)代，電子和電力技術(shù)的發(fā)明將工業(yè)帶入了電氣化時(shí)代，IT技術(shù)的發(fā)明將工業(yè)帶入了自動(dòng)化時(shí)代，那么如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)明將 會(huì )將工業(yè)帶向什么方向呢？這是我近幾年一直在研究思考的問(wèn)題。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，產(chǎn)品生命的中期——即將產(chǎn)品交付給用戶(hù)使用階段，是否需要一種計算機管理軟件 來(lái)支持產(chǎn)品生命中期的數據管理？對此我做了一些探索。今天我的演講就是圍繞在工業(yè)4.0，也就是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，制造業(yè)服務(wù)模式的創(chuàng )新來(lái)展開(kāi)。

一、德國工業(yè)4.0代表智能化時(shí)代

計算機發(fā)展到現在跟以前有什么變化呢？六十年代的時(shí)候，很多人使用一臺計算機，到了八十年代每個(gè)人一臺計算機，到了現在一個(gè)人可能擁有多臺計算機，這種量 的變化帶來(lái)了質(zhì)的變化，未來(lái)每一款產(chǎn)品或機器中，都會(huì )包含很多智能設備，這些智能設備聯(lián)網(wǎng)之后，這形成了我們所處的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

圖2 計算機在人類(lèi)生活中的應用

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò )將很多內嵌計算機的物理設備連接在一起，并在虛擬世界中實(shí)現信息共享，從而形成了物聯(lián)系統（CPS），它最大的特點(diǎn)就是能將現實(shí)物理信息和虛擬計算機信息融匯在一起。

比如成百上千臺風(fēng)力發(fā)電機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，將實(shí)時(shí)運行數據發(fā)送到控制中心，如果其中一臺發(fā)生故障，得知故障代碼之后即刻按照預先設定好的維修策略，通知相關(guān) 部門(mén)對其進(jìn)行維修。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機物聯(lián)系統可以隨時(shí)掌握所有網(wǎng)內設備的狀態(tài)數據。每次維修人員驅車(chē)幾百公里到現場(chǎng)處理一個(gè)故障的同時(shí)，捎帶處理周邊上百臺 設備的亞健康事件。這種互聯(lián)網(wǎng)思維能夠大大提高維修服務(wù)水平，降低維修成本。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機的聯(lián)網(wǎng)物理系統

每一次工業(yè)革命都會(huì )淘汰落后的生產(chǎn)方式，帶來(lái)新生的社會(huì )變革，比如工業(yè)1.0使我們從農業(yè)、手工業(yè)轉入工業(yè)化社會(huì )，工業(yè)2.0使社會(huì )生產(chǎn)出現分工協(xié)作，工業(yè)3.0出現機器人與自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，機械逐步代替人類(lèi)部分勞動(dòng)，工業(yè)4.0則進(jìn)步到分散化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò )化管理、實(shí)時(shí)化控制，機械逐步代替人類(lèi)進(jìn)行部分管理，實(shí)現工業(yè)智能化。

二、智能服務(wù)是制造服務(wù)的新模式

以汽車(chē)行業(yè)為例，其利潤來(lái)源主要有三部分，設計創(chuàng )新、制造銷(xiāo)售和后期維護。其中制造銷(xiāo)售所占投資最大，但是利潤率卻最低，而后期維修服務(wù)與設計創(chuàng )新的利潤不相上下，這是企業(yè)新的利潤增長(cháng)點(diǎn)。

圖4 汽車(chē)制造業(yè)分工比例與利潤率分布圖

德國工業(yè)4.0為制造業(yè)服務(wù)提出了新的模式——智能服務(wù)。工業(yè)4.0的內涵是智能工廠(chǎng)和智能制造，其核心是聯(lián)網(wǎng)物理系統，通過(guò)傳感網(wǎng)緊密連接現實(shí)世界，將網(wǎng)絡(luò )空間的高級計算能力有效運用于現實(shí)世界中，從而在生產(chǎn)制造過(guò)程中，與設計、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數據將通過(guò)傳感器采集并進(jìn)行分析，形成可自律操作的智能生產(chǎn)系統，制造出智能產(chǎn)品。而智能服務(wù)將智能產(chǎn)品與狀態(tài)感知、大數據處理等技術(shù)結合，能改變產(chǎn)品的現有銷(xiāo)售和使用的模式，增加網(wǎng)上租用、自動(dòng)配送和返還、優(yōu)化保養和維修等新的汽車(chē)智能服務(wù)模式。

目前聯(lián)網(wǎng)物理系統將深入社會(huì )生活的各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現智能服務(wù)。比如工業(yè)領(lǐng)域的智能工廠(chǎng)，根據一組IT配置規則，定義一組工廠(chǎng)結構拓撲，完成一項專(zhuān)門(mén)項目；能 源領(lǐng)域的智能電網(wǎng)，根據一組IT配置規則和使用環(huán)境參數，完成一組電網(wǎng)結構拓撲；移動(dòng)通訊領(lǐng)域的智能網(wǎng)絡(luò )，根據一組IT配置規則和使用環(huán)境，組建一組移動(dòng) 通訊網(wǎng)絡(luò )結構。

在美國，制造與服務(wù)融合的企業(yè)占制造業(yè)總數比例約為58%，而在中國這一比例僅僅只是2.2%。英國的勞斯萊斯發(fā)動(dòng)機公司是波音、空客等大型飛機制造企業(yè) 的供貨商，現在以“租用服務(wù)時(shí)間”的形式出售發(fā)動(dòng)機，而且承擔一切保養、維修和服務(wù)，其服務(wù)收益占公司總收入55%以上。這些數據都是值得中國制造業(yè)深思 的。

總結起來(lái)，工業(yè)4.0時(shí)代的維修服務(wù)具有以下特點(diǎn)：

制造商掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，降低維修成本，提高產(chǎn)品完好率；

制造商掌握產(chǎn)品實(shí)際性能和用戶(hù)需求，提高產(chǎn)品創(chuàng )新能力；

通過(guò)服務(wù)合同降低用戶(hù)維修成本，提高產(chǎn)品利用率，綁定用戶(hù)；

制造商掌握產(chǎn)品使用狀況，合理生產(chǎn)和配送備件，減少浪費；

制造商掌握產(chǎn)品健康信息，合理報廢回收，在再制造中盈利。

還是以汽車(chē)行業(yè)為例，傳統被動(dòng)的4S店服務(wù)模式中，車(chē)主自己將車(chē)開(kāi)進(jìn)4S店，效率不高，維修不合理，服務(wù)店的客戶(hù)也不穩定，資源不能共享、缺乏整個(gè)市場(chǎng)的 宏觀(guān)信息。在工業(yè)4.0智能服務(wù)模式中將變?yōu)橹鲃?dòng)服務(wù)，能實(shí)時(shí)掌握每輛汽車(chē)的部分或全部運行狀態(tài)，合理制定維修計劃；通過(guò)服務(wù)合同綁定用戶(hù)，避免維修業(yè)務(wù) 流失；資源共享，改善服務(wù)質(zhì)量、降低維修成本、提高完好率；通過(guò)數據分析和挖掘，提高創(chuàng )新能力；開(kāi)展自動(dòng)駕駛汽車(chē)的租賃服務(wù)。能實(shí)現這些智能服務(wù)的前提條 件是運維服務(wù)信息化系統，每輛汽車(chē)增設狀態(tài)信息發(fā)送裝置，智能服務(wù)店聯(lián)網(wǎng)，制造商統一指導各項維修的標準和價(jià)格，保證用戶(hù)、服務(wù)店和制造商共贏(yíng)。

三、智能服務(wù)信息化系統的關(guān)鍵技術(shù)

各種智能產(chǎn)品通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相互連在一起形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，采集加工設備的健康情況、加工精度和難點(diǎn)、環(huán)境變化、質(zhì)量檢測等數據，不斷自動(dòng)調整設 備，周而復始，最終使設備、產(chǎn)品一直保持在高品質(zhì)的狀態(tài)。采集運行設備性能數據、預測故障、優(yōu)化維修計劃，保證設備一直處于良好的使用狀態(tài)，提高利用率， 降低維修成本和提供改進(jìn)的方向。由此可見(jiàn)，成百上千萬(wàn)的傳感器時(shí)時(shí)刻刻提供大量的數據，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳到工業(yè)大數據管理中心，經(jīng)過(guò)分析處理，實(shí)現一場(chǎng)新的工 業(yè)革命——“制造”和“服務(wù)”融為一體。而處理工業(yè)大數據則需要“制造+服務(wù)”的信息化平臺。

“制造+服務(wù)”信息化平臺的基本要求有以下幾點(diǎn)：

管理設計和制造階段的數據和過(guò)程：傳統的PDM管理設計階段；傳統的MPM和MES管理制造階段。

管理使用和維修階段的數據和過(guò)程：傳統的EAM管理使用階段；傳統的MRO管理維修階段。

跨階段提供有關(guān)使用和維修的最新知識：根據設計技術(shù)指標，正確指導維修政策；根據設計和制造圖紙與工藝，正確完成維修任務(wù)。

跨階段反饋使用和維修階段的經(jīng)驗，優(yōu)化設計和制造：統計和分析不同環(huán)境、地域的使用性能，發(fā)掘差距和潛力；統計和分析各類(lèi)故障，發(fā)掘不斷完善和提高的措施；收集使用和維修中的新需求，開(kāi)發(fā)新功能、新產(chǎn)品；提供其它領(lǐng)域的知識。

真正的產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）平臺。

實(shí)現“制造+服務(wù)”信息化平臺也有諸多難點(diǎn)。比如多種設備和不同傳感器傳遞數據的協(xié)議各不相同，保密要求相差很大；成百上千萬(wàn)個(gè)運行參數按照不同頻率發(fā) 送，瞬時(shí)密度達到10萬(wàn)條記錄/每秒，甚至更高；成千上萬(wàn)臺設備持續幾年到幾十年的使用和維修數據非常龐大，現行關(guān)系型數據庫無(wú)法承受；高價(jià)值知識的數量 極少，且隱藏在大量的低價(jià)值數據中；除了自動(dòng)發(fā)送以外，還有不可避免的人工在外場(chǎng)采集的數據；相同型號不同批次產(chǎn)品的性能、維修標準會(huì )有差異。同一個(gè)設備 在長(cháng)期使用和維修中，性能和維修標準也會(huì )發(fā)生變化；為了提高管理水平，必須加強維修服務(wù)過(guò)程的監督和考核，要克服人工執行過(guò)程管理的難題；大數據涉及到眾 多專(zhuān)業(yè)知識，需要集成各種專(zhuān)業(yè)分析工具，實(shí)現有效的挖掘；數據反饋過(guò)程的控制和權限管理……

為了解決這些難題，“制造+服務(wù)”信息化平臺需要具備一些核心技術(shù)。第一就是以中性BOM為核心的維修知識管理框 架。產(chǎn)品設計制造階段有功能BOM、設計BOM和制造BOM，產(chǎn)品使用維護階段有實(shí)例BOM。為了搭建連接設計制造知識與服務(wù)保障知識的橋梁，引入了中性 BOM，可以將設計制造階段的功能說(shuō)明、維修標準、維修工藝等正向傳遞到維護階段，也可以將維護階段的故障描述、使用需求逆向反饋到產(chǎn)品設計制造。

圖5 中性BOM為核心的維修知識管理框架

第二是用自由表代替關(guān)系型數據庫，采用自由表的格式可以大大減少數據量。

圖6 以裝備標識為行鍵的單列族工況數據自由表存儲邏輯模型

第三是“制造”+“服務(wù)”信息化平臺框架，包含數據分析挖掘系統、狀態(tài)監控系統和運維服務(wù)系統三部分?；跔顟B(tài)監測的維修策略、數據挖掘發(fā)現故障征兆模式和狀態(tài)匹配的維修計劃優(yōu)化，保證了產(chǎn)品維修過(guò)程監控、產(chǎn)品維修資源調度和產(chǎn)品維修質(zhì)量評價(jià)與反饋。

圖7 “制造”+“服務(wù)”信息化平臺框架

四、典型應用

新型制造服務(wù)業(yè)務(wù)流程中，通過(guò)監測設備運行的狀態(tài)，對其運行狀態(tài)數據進(jìn)行收集分析，從而決策運維服務(wù)計劃的執行。這種流程下體現出的幾個(gè)特點(diǎn)是狀態(tài)信息透明化、狀態(tài)監測集中化、服務(wù)內容綜合化、狀態(tài)分析智能化、運維知識集成化等。

圖8 新型維修服務(wù)業(yè)務(wù)流程

在三一集團建立了一個(gè)全球客戶(hù)門(mén)戶(hù)進(jìn)行主動(dòng)服務(wù)，通過(guò)這個(gè)門(mén)戶(hù)管理分布在全國的幾十萬(wàn)臺機械，每一臺機械上裝有GPS和工況數據采集設備，將數據實(shí)時(shí)傳回到中央控制室。如果某一臺機器出現故障，就可以在地圖上定位這臺機械所處位置，并找到附近服務(wù)車(chē)對其進(jìn)行維修。這套信息系統能保證用戶(hù)放心使用機械，也大大降低了三一集團的維修成本。

圖9 三一集團全球客戶(hù)門(mén)戶(hù)—主動(dòng)服務(wù)網(wǎng)站

本文根據清華大學(xué)莫欣農教授在“第十屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng )新數字化國際峰會(huì )”上的發(fā)言整理而成，已經(jīng)本人確認。