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活動鏈接：2016年控制網(wǎng)專題——工業(yè)4.0撬動工業(yè)服務(wù)新發(fā)展

來源：e-works     

2014年11月27日，在e-works數(shù)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(shù)字化國際峰會”上，清華大學(xué)莫欣農(nóng)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(jù)其演講內(nèi)容整理而成。

圖1 清華大學(xué)莫欣農(nóng)教授

蒸汽機(jī)的發(fā)明將工業(yè)帶入了機(jī)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)帶入了自動化時(shí)代，那么如今互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)明將 會將工業(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)品交付給用戶使用階段，是否需要一種計(jì)算機(jī)管理軟件 來支持產(chǎn)品生命中期的數(shù)據(jù)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)新來展開。

一、德國工業(yè)4.0代表智能化時(shí)代

計(jì)算機(jī)發(fā)展到現(xiàn)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(jì)算機(jī)，到了八十年代每個人一臺計(jì)算機(jī)，到了現(xiàn)在一個人可能擁有多臺計(jì)算機(jī)，這種量 的變化帶來了質(zhì)的變化，未來每一款產(chǎn)品或機(jī)器中，都會包含很多智能設(shè)備，這些智能設(shè)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(jì)算機(jī)在人類生活中的應(yīng)用

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

比如成百上千臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，將實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)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(yù)先設(shè)定好的維修策略，通知相關(guān) 部門對其進(jìn)行維修。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)物聯(lián)系統(tǒng)可以隨時(shí)掌握所有網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。每次維修人員驅(qū)車幾百公里到現(xiàn)場處理一個故障的同時(shí)，捎帶處理周邊上百臺 設(shè)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(jī)的聯(lián)網(wǎng)物理系統(tǒng)

每一次工業(yè)革命都會淘汰落后的生產(chǎn)方式，帶來新生的社會變革，比如工業(yè)1.0使我們從農(nóng)業(yè)、手工業(yè)轉(zhuǎn)入工業(yè)化社會，工業(yè)2.0使社會生產(chǎn)出現(xiàn)分工協(xié)作，工業(yè)3.0出現(xiàn)機(jī)器人與自動化生產(chǎn)線，機(jī)械逐步代替人類部分勞動，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(jī)械逐步代替人類進(jìn)行部分管理，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化。

二、智能服務(wù)是制造服務(wù)的新模式

以汽車行業(yè)為例，其利潤來源主要有三部分，設(shè)計(jì)創(chuàng)新、制造銷售和后期維護(hù)。其中制造銷售所占投資最大，但是利潤率卻最低，而后期維修服務(wù)與設(shè)計(jì)創(chuàng)新的利潤不相上下，這是企業(yè)新的利潤增長點(diǎn)。

圖4 汽車制造業(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(nèi)涵是智能工廠和智能制造，其核心是聯(lián)網(wǎng)物理系統(tǒng)，通過傳感網(wǎng)緊密連接現(xiàn)實(shí)世界，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級計(jì)算能力有效運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)世界中，從而在生產(chǎn)制造過程中，與設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)將通過傳感器采集并進(jìn)行分析，形成可自律操作的智能生產(chǎn)系統(tǒng)，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(shù)據(jù)處理等技術(shù)結(jié)合，能改變產(chǎn)品的現(xiàn)有銷售和使用的模式，增加網(wǎng)上租用、自動配送和返還、優(yōu)化保養(yǎng)和維修等新的汽車智能服務(wù)模式。

目前聯(lián)網(wǎng)物理系統(tǒng)將深入社會生活的各個領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)智能服務(wù)。比如工業(yè)領(lǐng)域的智能工廠，根據(jù)一組IT配置規(guī)則，定義一組工廠結(jié)構(gòu)拓?fù)洌瓿梢豁?xiàng)專門項(xiàng)目；能 源領(lǐng)域的智能電網(wǎng)，根據(jù)一組IT配置規(guī)則和使用環(huán)境參數(shù)，完成一組電網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)洌灰苿油ㄓ嶎I(lǐng)域的智能網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)一組IT配置規(guī)則和使用環(huán)境，組建一組移動 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在美國，制造與服務(wù)融合的企業(yè)占制造業(yè)總數(shù)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)動機(jī)公司是波音、空客等大型飛機(jī)制造企業(yè) 的供貨商，現(xiàn)在以“租用服務(wù)時(shí)間”的形式出售發(fā)動機(jī)，而且承擔(dān)一切保養(yǎng)、維修和服務(wù)，其服務(wù)收益占公司總收入55%以上。這些數(shù)據(jù)都是值得中國制造業(yè)深思 的。

總結(jié)起來，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)際性能和用戶需求，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力；

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

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(fèi)；

制造商掌握產(chǎn)品健康信息，合理報(bào)廢回收，在再制造中盈利。

還是以汽車行業(yè)為例，傳統(tǒng)被動的4S店服務(wù)模式中，車主自己將車開進(jìn)4S店，效率不高，維修不合理，服務(wù)店的客戶也不穩(wěn)定，資源不能共享、缺乏整個市場的 宏觀信息。在工業(yè)4.0智能服務(wù)模式中將變?yōu)橹鲃臃?wù)，能實(shí)時(shí)掌握每輛汽車的部分或全部運(yùn)行狀態(tài)，合理制定維修計(jì)劃；通過服務(wù)合同綁定用戶，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；通過數(shù)據(jù)分析和挖掘，提高創(chuàng)新能力；開展自動駕駛汽車的租賃服務(wù)。能實(shí)現(xiàn)這些智能服務(wù)的前提條 件是運(yùn)維服務(wù)信息化系統(tǒng)，每輛汽車增設(shè)狀態(tài)信息發(fā)送裝置，智能服務(wù)店聯(lián)網(wǎng)，制造商統(tǒng)一指導(dǎo)各項(xiàng)維修的標(biāo)準(zhǔn)和價(jià)格，保證用戶、服務(wù)店和制造商共贏。

三、智能服務(wù)信息化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

各種智能產(chǎn)品通過互聯(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(shè)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(shù)據(jù)，不斷自動調(diào)整設(shè) 備，周而復(fù)始，最終使設(shè)備、產(chǎn)品一直保持在高品質(zhì)的狀態(tài)。采集運(yùn)行設(shè)備性能數(shù)據(jù)、預(yù)測故障、優(yōu)化維修計(jì)劃，保證設(shè)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，成百上千萬的傳感器時(shí)時(shí)刻刻提供大量的數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)傳到工業(yè)大數(shù)據(jù)管理中心，經(jīng)過分析處理，實(shí)現(xiàn)一場新的工 業(yè)革命——“制造”和“服務(wù)”融為一體。而處理工業(yè)大數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)和制造階段的數(shù)據(jù)和過程：傳統(tǒng)的PDM管理設(shè)計(jì)階段；傳統(tǒng)的MPM和MES管理制造階段。

管理使用和維修階段的數(shù)據(jù)和過程：傳統(tǒng)的EAM管理使用階段；傳統(tǒng)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(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，正確指導(dǎo)維修政策；根據(jù)設(shè)計(jì)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(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造：統(tǒng)計(jì)和分析不同環(huán)境、地域的使用性能，發(fā)掘差距和潛力；統(tǒng)計(jì)和分析各類故障，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(xiàn)“制造+服務(wù)”信息化平臺也有諸多難點(diǎn)。比如多種設(shè)備和不同傳感器傳遞數(shù)據(jù)的協(xié)議各不相同，保密要求相差很大；成百上千萬個運(yùn)行參數(shù)按照不同頻率發(fā) 送，瞬時(shí)密度達(dá)到10萬條記錄/每秒，甚至更高；成千上萬臺設(shè)備持續(xù)幾年到幾十年的使用和維修數(shù)據(jù)非常龐大，現(xiàn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫無法承受；高價(jià)值知識的數(shù)量 極少，且隱藏在大量的低價(jià)值數(shù)據(jù)中；除了自動發(fā)送以外，還有不可避免的人工在外場采集的數(shù)據(jù)；相同型號不同批次產(chǎn)品的性能、維修標(biāo)準(zhǔn)會有差異。同一個設(shè)備 在長期使用和維修中，性能和維修標(biāo)準(zhǔn)也會發(fā)生變化；為了提高管理水平，必須加強(qiáng)維修服務(wù)過程的監(jiān)督和考核，要克服人工執(zhí)行過程管理的難題；大數(shù)據(jù)涉及到眾 多專業(yè)知識，需要集成各種專業(yè)分析工具，實(shí)現(xiàn)有效的挖掘；數(shù)據(jù)反饋過程的控制和權(quán)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(shè)計(jì)制造階段有功能BOM、設(shè)計(jì)BOM和制造BOM，產(chǎn)品使用維護(hù)階段有實(shí)例BOM。為了搭建連接設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)制造階段的功能說明、維修標(biāo)準(zhǔn)、維修工藝等正向傳遞到維護(hù)階段，也可以將維護(hù)階段的故障描述、使用需求逆向反饋到產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)庫，采用自由表的格式可以大大減少數(shù)據(jù)量。

圖6 以裝備標(biāo)識為行鍵的單列族工況數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析挖掘系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和運(yùn)維服務(wù)系統(tǒng)三部分。基于狀態(tài)監(jiān)測的維修策略、數(shù)據(jù)挖掘發(fā)現(xiàn)故障征兆模式和狀態(tài)匹配的維修計(jì)劃優(yōu)化，保證了產(chǎn)品維修過程監(jiān)控、產(chǎn)品維修資源調(diào)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(yīng)用

新型制造服務(wù)業(yè)務(wù)流程中，通過監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，對其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，從而決策運(yùn)維服務(wù)計(jì)劃的執(zhí)行。這種流程下體現(xiàn)出的幾個特點(diǎn)是狀態(tài)信息透明化、狀態(tài)監(jiān)測集中化、服務(wù)內(nèi)容綜合化、狀態(tài)分析智能化、運(yùn)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(tuán)建立了一個全球客戶門戶進(jìn)行主動服務(wù)，通過這個門戶管理分布在全國的幾十萬臺機(jī)械，每一臺機(jī)械上裝有GPS和工況數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回到中央控制室。如果某一臺機(jī)器出現(xiàn)故障，就可以在地圖上定位這臺機(jī)械所處位置，并找到附近服務(wù)車對其進(jìn)行維修。這套信息系統(tǒng)能保證用戶放心使用機(jī)械，也大大降低了三一集團(tuán)的維修成本。

圖9 三一集團(tuán)全球客戶門戶—主動服務(wù)網(wǎng)站

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