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瑞彩祥云

作者:時間:2019-07-01來源:電子産品世界收藏

  ——訪中國工程院院士邬賀铨

本文引用地址:/article/201907/402113.htm

  李健 王莹 (《电子产品世界》,北京 100036)

  摘要:不久前,“产业发展論壇暨北京两化融合服务联盟平台專業委員會成立大會”在京舉行,邬賀铨院士分析了工業的技术市场机会,指出我国工业物聯網总体上处于起步阶段,在物聯網的总产值中比例偏小,未来将有巨大的潜力。

  1 工业物聯網市场

  1.1 物聯網的价值主要体现在工业物聯網

  物聯網的价值主要体现在工业物聯網。的研究报告中指出,物聯網的价值中,70%在工业物聯網。其中,“企业因用户使用而獲得的價值”占69%,“企業購買及服務獲得的價值”占79%,“企業在工作場所裝備产品”占到67%(如表1)。工业物聯網能够为办公室、工厂、工场、零售等带来价值。在表1中,为何家庭也有一定的占比?因为家庭里的部分傳感器信息是与企业相连、由企业进行诊断和维护的。

  不过,中国工业物聯網在物聯網的比例偏小。图1是赛迪顾问的报告,预计2020年,中国工业物聯網在整体物聯網产业中占比将达25%,规模将突破4500亿;由此可见,我国工业物聯網在物聯網中的比例非常小,所以我国当前的发展是很慢的,有很大的增长潜力。

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  1.2 工业物聯網的价值分配

  據预计,2025年全球工业物聯網将创造3.9~11.1万亿美元的价值(如图2),带来的价值主要有三种:技术上的支出、物聯網用户价值、消费者盈余(用户获得的价值)。可见,工业物聯網的价值主要是由物聯網(IoT)用户获得的。

  在物聯網的产业链中,人们通常认为硬件是主导,但实际上,软件、服务和云才是主要支柱。据爱立信2016年的分析报告,感知层占25%,数据传送层占10%,数据处理层占65%(注数据处理层又分为两类:平台服务占10%,软件开发/系统集成/增值服务占55%)。于2015年6月的分析报告指出,软件与服务占物聯網技术支出的60%~85%。具体地,物聯網整个价值链中,据麥肯錫对2015年IoT技术支出的价值分配统计表明,集成服务占20%~40%,软件/应用开发占25%~35%,软件设施占5%~20%,连接占0~10%,硬件占20%~30%(如表2)。

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  2 工业物聯網的潜在经济贡献

  在工厂中,物聯網能带来什么贡献?无论是乐观还是保守估计,都认为最大的是运营优化(如图3),其次是预防维护,之后是库存优化,安全、劳动生产率等。麥肯錫预计在2025年工业物聯網在工厂带来的经济贡献将达到1.2~3.7万亿美元,其中主要是运营优化和预防性维护环节;劳动生产率的提升与AR应用、监控管理及组织設計有关。

  2.1 工业物聯網中的傳感器

  除了手機與汽車外,工業是傳感器應用最多的領域,未來還會成爲傳感器的最重要應用領域之一。工業上使用的傳感器種類繁多,從傳感器種類來看,流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器占據最大的市場份額。

  産業用傳感器的一大特點是品種多、批量少,呈現碎片化現象,因此缺乏規模效應,從而影響成本的快速下降。

  2.2 工业物聯網的位置

  工厂中的网络有三层结构。最底层是DCS/FCS(分布式控制系统/现场总线控制系统)、PLC(可编程逻辑控制器)等,通过物聯網通信/傳感器协议进行控制。再往上,是把物聯網信息收集起来,形成工业以太网/时间敏感网络(TSN)协议等。再上面是企业内网(诸如工业以太网/TSN)或外网(Internet/4G/5G)IP协议等。

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  可见物聯網是工业互联网最底层的基础,所有数据都依赖物聯網。另外很重要的一点是,仅仅是傳感器与设备连接起来是不够的,如果不与外网联系还是不行。麥肯錫认为,40%跨物聯網应用的潜在价值以及某些环境中将近60%的潜在价值需要运用互操作性。即如果物聯網不是对外连接、交互的,其价值是无法体现的。

  2.3 工业物聯網与边缘计算的关系

  市场调查公司IDC把边缘计算看作是物聯網的基础设施,与物聯網密切关联。据IDC预测,未来将有超过50%的数据在边缘侧处理,到2020年边缘计算支出将占物聯網基础设施总支出18%,成本仅为单独使用云计算的39%。

  工业物聯網与边缘计算是紧密联系的。大企业往往自建云平台,但越是大企业内部层次越多,需要同时配备边缘计算、本地缓存和过滤数据,提供实时响应,从而降低了到中心云的带宽压力,另外,数据就近处理也减少了敏感数据泄漏的风险。

  中小企業可以接入到公有雲,與其他企業通過VPN(虛擬專用網絡)方式共享第三方的雲資源,節省投資與運維成本。但當企業與公有雲間距離較遠時,還是需要企業自建邊緣計算平台。

  2.4 工业物聯網的标准

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  对于大企业,可使用非许可频率的LoRa来建内部物聯網。对于大量中小企业,自建物聯網不经济,NB-IoT为企业提供一个承载在公众通信网 上 的 专 用 物 联网。但NB-IoT傳感器是固定位置,且业务带宽只有20和250 kbps,是窄带的。

  工业应用的工件、机器人及网联车的傳感器是移动的,5G能支持傳感器移动及可与人对话的多种窄带物聯網标准。

  2.5 5G与工业物聯網系统的连接

  新工廠可以用光纖連起來,但老工廠布設光纖很麻煩,因此希望通過無線連接。Wi-Fi因穩定性、擴展性、低速率、不適合強電子幹擾等問題,在工業領域的利用率僅爲4%,無法連接。

  5G非常適應工業互聯網要求。但工業5G主要是本地專網應用,未來希望有專用頻譜。ETSI(歐洲電信標准化協會)通過對企業調研,測算提出工廠內網需要76MHz專用頻率。

  5G主要有四種部署辦法。

  ?非公網(NPN)與公網(PN)隔離。工業5G主要是本地專網應用,工廠直接建無線基站,有專用的信道。

  ?NPN與PN共享無線接入網(RAN)。也可以是基站由無線運營商來建,控制部分是企業本身的。

  ?NPN與PN共享無線接入網(RAN)與控制面。甚至基站也不建在工廠裏,通過控制信道連到運營商那裏,把控制管理能力放在運營商那裏。

  ?在PN內部署NPN。即還可以把NPN全部放入PN,等于把工廠內網和外網放在一起。

  可见,物聯網不是直接连接到5G的,要经过工业的通信网络。原来是现场总线、以太网,现在是工业以太网,未来是时间敏感网络(TSN),即物聯網通过TSN连接到5G网络上。

  2.6 工业互联网的平台

  因为需要信息收集和分析,就需要SaaS(软件即服务)和PaaS(平台即服务)平台。SaaS需要公共软件。过去大企业管理得好,其ERP(企业资源计划)主要基于Excel表。传统上,ERP Excel表做得很精细,可以把生产流程精确到分钟。但缺点是一点小的流程变化也不得不开生产调度会,来调整Excel表。因为Excel是静态的,所以调整起来很麻烦。随着物聯網的兴起,需要公共软件与物聯網连起来,利用AI、云计算等来动态调节Excel表。

  3 AI与物聯網结合的应用案例

  據统计,全世界工业数据目前的利用率只有1%。物聯網建立后,如果不能和大数据、AI结合,物聯網还是不完整的。以下有几个利用工业物聯網和AI产生效益的案例。

  3.1 在生产工艺优化中应用

  苏州协鑫公司在全球光伏切片市场占有率达1/3),利用阿里开发的工业大脑,分析0.2 mm的硅片生产中上千个生产参数,找出60个关键参数,优化生产流程,良品率提升1%,每年可增加上亿元利润。

  杭州中策公司年産5000多萬條輪胎,全球橡膠生産位列前三,每天從全球采購上千噸橡膠塊。引入阿裏的工業大腦後,提升混煉膠平均合格率3%~5%,年增千萬元級的利潤。

  3.2 在生产质量监控中的应用

  浦项钢铁公司通过使用AI涂层重量生产模型,精确控制连续镀锌生产线,实时预测涂层重量,将涂层重量偏差从人工控制的7 g/m?减少到0.5 g/m?。

  普锐特公司与宝钢合作,在1580热轧机上的热轧板卷宽度通常由粗轧机中的立式机架以及精轧机张力和压下量的关系来控制,通过AI 实现精轧机动态宽度控制,消除或减少宽度偏差以提高成品率。

  印度塔塔鋼鐵公司使用AI來發現汽車用帶鋼上的表面缺陷。

  清華大學與英業達集團合作,發現PCB(印制板)故障近14%,每年效益近億元。

  華星光電公司與騰訊合作,對面板海量圖片進行快速學習與訓練,建立高精度模型,實現機器自主質檢,分類識別准確率88.9%,節省人力60%。

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  3.3 从机器人到智能机器人

  現在有更多的企業采用了機器人,不過買回去後要自己編程。利用AI技術,可以實現自動編程。

  對于多關節工業機器人,同一個操作可以有多個不同的運動軌迹方案,利用AI技術,通過比較可以得出最優解。

  AI技術融入機器人後,程序指令不再由人下達,而是由機器人系統自主完成編程並執行。例如,沈陽新松公司開發智能焊接系統,首先感知工件並對其進行測量,自主生成程序,根據不同的焊接工藝調取不同的焊接技術。

  3.4 5G+AR提高劳动生产率

  通過戴上AR(增強現實)眼鏡,工人可以根據眼鏡上的提示信息裝配和維修設備,方法是通過5G連到雲端,這樣可以實時得到雲端/指揮中心的信息。這樣提高了生産效率,過去只有熟練工人才知道怎麽做的工作,現在新手也可以做了。

  3.5 预防性维护

  数字双胞胎(Digital Twin)借助安装在物理对象上的傳感器数据和仿真手段来映射产品实时状态、工作条件或位置,获得物理对象的属性及状态的最新和准确的镜像,可用于预防性维护。

  據IDC预测,到2020年,全球2000强企业中的30%将利用数字孪生数据,提高产品创新能力和企业生产效率,从而提高企业25%的收益率。例如,GE(通用电气公司)将数字孪生技术用于风力发电管理,获得20%效率提升。

  3.6 物聯網+区块链支持产品溯源

  據世界经济論壇预计,到2025年全球GDP总量的10%将存储汇聚在区块链产业中。应用案例有:美国高盛公司将利用区块链技术消除额外成本,在2020年大约可以节省60亿美元。沃尔玛从农场、工厂到商店建立食品区块链,溯源沙门氏菌源头时间从7天缩短到2秒。杭州万向集团建立区块链+汽車物流供应链,应用到贸易金融、零部件、整车物流供应链及汽車后装。

  3.7 “物聯網+区块链”解决中小微企业贷款难问题

  我國政府關注中小企業,在我國小微企業的資産中不動産占比不到30%,而成品或半成品等動産因難以監管而無法作爲質押物。走民間借貸利率高達15%,托盤利率也高達12%,企業不堪重負。

  利用物聯網对入库动产监管(例如摄像头对应电视屏监管流动资产,可把流动资产变为不动资产),实现物流、资金流和信息流的协同,配以区块链管理,适应企业短小频急的用款需求,随借随还。利率7.1%(其中银行5.6%,监管等费用1.5%)。

  4 工业物聯網的安全

  工業互聯網有可能將企業的生産線暴露到外網,即便無需連到公衆互聯網,但物理隔離也可能因管理疏忽而感染外網病毒。工業互聯網使用大量傳感器,而傳感器的安全防護能力較弱,很容易感染木馬,而成爲DDOS攻擊的跳板。

  因此,工業互聯網需要更嚴的安全防護技術:包括實時網絡性能監視預警技術;工業數據的分布式管理技術;阻止非授權實體的識別、跟蹤和訪問;非集中式的認證和信任模型;高效的加密和數據保護;異構設備間的隱私保護技術。

  除了在企業內部建立IT(信息技術)與OT(操作技術)統一的安全團隊和企業安全運營中心外,還要與企業的上下遊實現威脅情報共享和安全防護的協同聯動,從政府獲得安全態勢感知信息。

  參考文獻:

  [1]赛迪顾问.2020年工业物聯網将在整体物聯網产业中占比25%将突破4500亿元![R/OL].(2018-1-23).http://m.sohu.com/a/218399404_378413

  本文來源于科技期刊《電子産品世界》2019年第7期第1頁,歡迎您寫論文時引用,並注明出處



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