新信息技术对制造新模式演化过程的影响
2021-08-24 来源： 智造苑
在我国制造业紧跟世界发展趋势、实现转型升级的过程中，新信息技术对制造新模式的演化发展起到了重要的推动作用。在本文中，我们主要讨论的新信息技术为大数据技术、物联网技术及云计算技术。
这三类技术各成体系，在各自的框架下有丰富的技术内涵。大数据技术包括了大数据采集技术（如分布式高速高可靠数据提取、高速数据解析、转换与装载等）、大数据治理技术（如分布式文件系统、计算融入存储、异构数据等）及分析挖掘技术（如模型预测、分类与归纳学习、回归分析、判别分析、聚类分析、关联规则挖掘、模式识别、语义分析等）。物联网技术包括了感知层技术（如RFID技术、传感器网络、机器智能环境感知、遥测遥感技术等）、传输层技术（如无线传感网络技术、网络通信技术、信息安全技术等）及应用层技术（包括增强型人机交互服务与数据融合技术、建立知识库及专家系统、搭建数据驱动的业务智能与决策优化模型等）。云计算技术包括了基础设施层技术（如Web技术、分布式编程技术、分布式存储技术等）、平台层技术（如多源异构数据治理技术、云平台资源动态优化调度管理方法等）及应用层技术（如虚拟分拆技术、虚拟整合技术、虚拟迁移技术等）。在实际应用过程中，这三类技术互相交融，相辅相成，协同发挥作用。比如，在构建智能工厂时，就需要物联网技术对生产设备进行实时数据采集和控制，同时利用大数据技术对采集的数据进行分析、挖掘，帮助企业进行智能化决策。而云计算技术使得企业可以更低的部署成本及更高的效率获取计算资源，并且便捷地实现数据集成与信息共享，进行协同优化决策。
在本文中，我们将首先介绍大数据技术、物联网技术及云计算技术在近些年的发展情况及路线；其次，我们将分别阐述这三项技术在满足制造新模式面临的新需求挑战起到的关键作用和对制造新模式的演化过程的正面影响；最后，我们将同样指出新技术给制造领域带来的负面影响。
「 1. 新信息技术发展路线 」
新信息技术在这十几年的发展历程大致可分为两个阶段：
第一阶段为2008年及以前的基础技术发展期。在该阶段中，新信息技术的关键基础技术得以发展。例如，在2003年及2008年，谷歌发表著作《The Google file system》与《MapReduce: simplified data processing on large clusters》，介绍了多项分布式计算及存储相关关键技术，为新信息技术的应用奠定了基础。
第二阶段为2009年至今的技术应用阶段。在各项基础技术较为成熟后，学术界与企业界纷纷进行了新信息技术在政府、教育、经济、交通、生产等领域的应用尝试。比如，美国政府在2009年启动了Data.gov网站，向公众开放了政府大数据，鼓励大众对大数据进行创新应用。各信息技术的专利申请数量也正反映了这一发展历程。如图1所示，三种技术的专利申请数量趋势基本相同，在2008年及以前，申请专利数量较为平稳，这是因为这些技术的基础技术尚在发展，应用尚不多见；而在2009年及以后，技术发展成熟后，专利申请量持续上升并保持较高的增长率，这对应了技术应用阶段，各技术在各行各业遍地开花，导致专利申请数量持续上涨。
图1 2005—2017年新信息技术领域的专利申请数量
「 2. 新信息技术对演化过程的促进作用 」
1）大数据
大数据技术自发展以来被广泛应用至各行各业。在本文中讨论的大数据主要是工业大数据，即在工业领域中，围绕着产品的全生命周期，包括销售、设计、制造、配送、售后等环节在内的各个环节中产生的数据及其相关技术和应用的总和。
大数据可以帮助企业更好地满足能耗低碳化需求。能耗低碳化要求企业在生产过程中，持续优化资源利用，降低能源消耗，减少排放，这是一个涉及人员、机器、物料、方法、环境、管理的综合工程。在传统制造模式中，存在着获取、存储并分析生产运营数据难的问题，难以对生产效率与能源利用效率进行全面优化。而大数据及其相关的技术可以帮助企业轻松地获取、存储在制造周转等过程中产生的大量数据，并通过回归模型、深度学习等多种方法进行数据的分析与挖掘，一来可以对生产过程进行监控和优化决策，提高生产效率；二来可以对需求进行恰当的预测，从而合理管理库存，避免资源浪费；三来可以优化配置生产经营过程中所需资源，提高资源利用率。通过这一系列的实践，能够降低企业的总能耗，践行国家倡导的绿色战略，实现能耗低碳化，从而完成从传统制造模式向制造新模式演化。
现阶段，已有一些企业进行了利用大数据来满足能耗低碳化需求的尝试。如风力涡轮机制造商Vestas收集了天气数据及涡轮仪表数据，并使用大数据技术进行挖掘分析，对风力涡轮机资源布局进行合理的优化配置，从而提高了风力涡轮机的电力输出效率。再如索菲亚衣柜，它是一家家具制造企业，但却拥有超过300人的数据加工团队。大数据技术应用在了从前端需求到后端生产及采购的整个系统中，提高了企业的生产效率，降低了库存水平，从而实现能耗低碳化。
2）物联网
物联网技术是指按照某种协议将物理设备与互联网连接与整合，并通过信息的采集、通信与处理，实现包括识别、追踪、监测、控制在内的多种功能。
物联网技术能够帮助企业更好地满足生产透明化需求。生产透明化指的是将生产过程中的不确定进行拆解与量化，从而精准、客观地估计制造能力与可用性。制造过程中存在大量无法量化的不确定性，比如设备精度的降低，这些不确定性带来的负面影响将延伸至供应链，表现为产能及质量的波动，市场及客户需求波动等，但这些难以通过传统制造模式来解决。而物联网技术使得企业得以将生产制造中的设备，如图2所示的控制器、传感器等，依据相应的协议及网络接入物联网中。它们一方面能够实时地将生产运行过程采集到的数据传输至平台，平台可以通过统计分析来进行生产监控、设备故障诊断与健康管理；同时平台也能远程地反向控制这些物联网设备，如下达生产或停止生产指令、更新或修复设备的操作等。这样一来，企业将能够提前了解制造系统的健康状况并提前做出反应，如提前维护以避免设备突然失效，检修性能出现问题的设备以减少次品率，从而实现生产透明化。
图2 工厂物联网示意图
在实际生产中，已有一些企业采用物联网技术来提高生产透明化程度。如德国的倍福公司与英特尔合作，开发了TwinCAT Vision质控系统，将生产线上的设备接入物联网，从而实时采集生产线上的信息。该系统一方面能够实时检测机械故障以便及时处理，减少宕机时间；另一方面可以更好地监控生产设施并对潜在的质量风险做出应对，降低产品不合格率。卡塔尔的液化天然气（LNG）供应商RasGas在通用电气公司的帮助下，在其目前经营的7条LNG生产线（LNG工厂的液化和净化设施）上安装了物联网设备以便进行优化。通用电气公司的数字产品管理总经理表示，他们采用传感器监测整条生产线的性能，诊断出某些阀门设置出现问题，节省了RasGas大约三天的产量，价值高达800万美元。
3）云计算
云计算是一种基于大量网络资源的服务交付和使用模式，提供可用和便捷的网络访问，进入可配置的计算资源共享池，使得用户可以按需使用易于扩展的、虚拟化的资源并获得优质的服务。
云计算可以帮助企业更好地满足合作全球化需求。全球化意味着位于全球各地多公司的融合与协作。通过云计算及其相关技术，能够搭建一个集成化、高效的集管理、监控、计算、分析、决策等功能于一身的平台。各企业能够通过统一接口，便捷高效地接入云平台，快速实现企业管理解决方案的部署。一方面，云平台可以发挥集约效应，能够以较低的成本与较高的效率令各企业完成信息化部署，企业可以通过直接使用成熟的企业管理方案，提高生产效率，降低运营成本；另一方面，云平台使得全球不同企业得以在同一个平台上统一管理与配置资源与能力，方便地进行数据集成与共享信息，促进全球协同化的生产网络的形成，实现全球多主体参与的产品服务设计、制造及运作管理。
在实际生产中，有大量企业加入云计算的浪潮中，促进合作全球化，向制造新模式转变。如中国海洋石油总公司携手新华三集团共同推进海油云地落地和建设，利用9大海内外数据中心，覆盖亚洲、美洲、澳洲、非洲等地区，实现了多数据中心计算、存储等IT资源的统一调度和分配。云计算打破了存在于传统模式中相对孤立的业务系统之间的限制，使不同的系统之间也能共享相同组件，促进业务协同；同时云平台自身强大的计算能力使得单一业务系统难以支撑的大数据分析成为可能，是跨系统决策分析应用的有力支撑。
「 3. 新信息技术对演化过程的潜在风险 」
尽管新信息技术能够帮助解决传统制造模式所不能解决的新兴需求问题，促进其向制造新模式进行演化。但必须承认的是，新信息技术是一把双刃剑，它同样也会对制造新模式的演化带来负面影响。
首先，工业大数据技术可以帮助企业了解企业经营状况，管理设备、产品、客户、资源、环境等，但同时，它也让企业面临着数据泄露的风险。数据泄露给竞争者或是不法分子以可乘之机。比如，淘宝平台上的某些店家就发生过大面积信息泄露的情况，不法分子打电话给消费者，准确地说出消费者的购物信息，以商品有质量问题需要给其退款等理由诈骗钱财。这对企业的声誉也是一次重创。
其次，物联网可以帮助企业监控与控制生产设备，但同样将设备置于巨大的风险之下。攻击者可能可以通过网络漏洞来非法操控这些物联网设备，使其异常运行，或是利用这些物联网设备去攻击其他网络。美国在2016年10月21日发生的一起规模极大的互联网瘫痪事故，就是攻击者控制了大量智能摄像头这一物联网设备，对推特、亚马逊等知名网站发动DDoS网络攻击。而Check Point研究人员表示LG智能家居设备存在漏洞，黑客可以利用该漏洞完全控制一个用户账户，然后远程劫持LG SmartThinQ家用电器，包括冰箱，干衣机，洗碗机，微波炉以及吸尘机器人，利用安装在设备内的集成摄像头，使其变成实时监控设备，非法窥视使用者的家庭。如果在工厂中，如果控制器或传感器被攻击，就极有可能对生产运营造成严重影响，比如非法切断电力供应等。
最后，云计算虽然提供了成熟、低价且优质的信息管理服务和计算资源，但使用它的企业将极度依靠云提供商，如果网络出现问题，或云提供商出现问题，就会对企业运营造成不可控、难以挽回的影响。同时，企业对上传至云的数据将缺乏控制，企业需要承担数据泄露的风险。此外，数据可用性也相对降低了，不同云系统之间数据很难移植与互相操作。
引自：《未来制造新模式——理论、模式及实践》（作者：江志斌，林文进，王康周，李乐飞，涂金）
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