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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(shù)字化企業(yè)網(wǎng)舉辦的“第十屆中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì)”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(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(jì)算機(jī)管理軟件 來(lái)支持產(chǎn)品生命中期的數(shù)據(jù)管理？對(duì)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(guó)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(tái)計(jì)算機(jī)，到了八十年代每個(gè)人一臺(tái)計(jì)算機(jī)，到了現(xiàn)在一個(gè)人可能擁有多臺(tái)計(jì)算機(jī)，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(jī)器中，都會(huì)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(lèi)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(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)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(tái)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(mén)對(duì)其進(jìn)行維修。通過(guò)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(chē)幾百公里到現(xiàn)場(chǎng)處理一個(gè)故障的同時(shí)，捎帶處理周邊上百臺(tái) 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(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(nóng)業(yè)、手工業(yè)轉(zhuǎn)入工業(yè)化社會(huì)，工業(yè)2.0使社會(huì)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(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，機(jī)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(jī)械逐步代替人類(lèi)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(chē)行業(yè)為例，其利潤(rùn)來(lái)源主要有三部分，設(shè)計(jì)創(chuàng)新、制造銷(xiāo)售和后期維護(hù)。其中制造銷(xiāo)售所占投資最大，但是利潤(rùn)率卻最低，而后期維修服務(wù)與設(shè)計(jì)創(chuàng)新的利潤(rùn)不相上下，這是企業(yè)新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

圖4 汽車(chē)制造業(yè)分工比例與利潤(rùn)率分布圖

德國(guó)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(chǎng)和智能制造，其核心是聯(lián)網(wǎng)物理系統(tǒng)，通過(guò)傳感網(wǎng)緊密連接現(xiàn)實(shí)世界，將網(wǎng)絡(luò)空間的高級(jí)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(guò)程中，與設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)有關(guān)的所有數(shù)據(jù)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(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(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(yǎng)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(tǒng)將深入社會(huì)生活的各個(gè)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(chǎng)，根據(jù)一組IT配置規(guī)則，定義一組工廠(chǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)洌瓿梢豁?xiàng)專(zhuān)門(mén)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?dòng)通訊領(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(dòng) 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在美國(guó)，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(guó)這一比例僅僅只是2.2%。英國(guó)的勞斯萊斯發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guó)制造業(yè)深思 的。

總結(jié)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(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(chē)行業(yè)為例，傳統(tǒng)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(wěn)定，資源不能共享、缺乏整個(gè)市場(chǎng)的 宏觀信息。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(yùn)行狀態(tài)，合理制定維修計(jì)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(shù)據(jù)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(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(chē)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(hù)、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(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(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(cè)等數(shù)據(jù)，不斷自動(dòng)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(cè)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(jiàn)，成百上千萬(wàn)的傳感器時(shí)時(shí)刻刻提供大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳到工業(yè)大數(shù)據(jù)管理中心，經(jīng)過(guò)分析處理，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)則需要“制造+服務(wù)”的信息化平臺(tái)。

“制造+服務(wù)”信息化平臺(tái)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(guò)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(guò)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(shí)：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(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(shí)。

真正的產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）平臺(tái)。

實(shí)現(xiàn)“制造+服務(wù)”信息化平臺(tái)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(wàn)個(gè)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(wàn)條記錄/每秒，甚至更高；成千上萬(wàn)臺(tái)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(kù)無(wú)法承受；高價(jià)值知識(shí)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(dòng)發(fā)送以外，還有不可避免的人工在外場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)；相同型號(hào)不同批次產(chǎn)品的性能、維修標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有差異。同一個(gè)設(shè)備 在長(zhǎng)期使用和維修中，性能和維修標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)發(fā)生變化；為了提高管理水平，必須加強(qiáng)維修服務(wù)過(guò)程的監(jiān)督和考核，要克服人工執(zhí)行過(guò)程管理的難題；大數(shù)據(jù)涉及到眾 多專(zhuān)業(yè)知識(shí)，需要集成各種專(zhuān)業(yè)分析工具，實(shí)現(xiàn)有效的挖掘；數(shù)據(jù)反饋過(guò)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(tái)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(shí)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(shí)與服務(wù)保障知識(shí)的橋梁，引入了中性 BOM，可以將設(shè)計(jì)制造階段的功能說(shuō)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(shí)管理框架

第二是用自由表代替關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shí)為行鍵的單列族工況數(shù)據(jù)自由表存儲(chǔ)邏輯模型

第三是“制造”+“服務(wù)”信息化平臺(tái)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(cè)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(guò)程監(jiān)控、產(chǎn)品維修資源調(diào)度和產(chǎn)品維修質(zhì)量評(píng)價(jià)與反饋。

圖7 “制造”+“服務(wù)”信息化平臺(tái)框架

四、典型應(yīng)用

新型制造服務(wù)業(yè)務(wù)流程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，對(duì)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(gè)特點(diǎn)是狀態(tài)信息透明化、狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(shí)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(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(guó)的幾十萬(wàn)臺(tái)機(jī)械，每一臺(tái)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(tái)機(jī)器出現(xiàn)故障，就可以在地圖上定位這臺(tái)機(jī)械所處位置，并找到附近服務(wù)車(chē)對(duì)其進(jìn)行維修。這套信息系統(tǒng)能保證用戶(hù)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(hù)門(mén)戶(hù)—主動(dòng)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(guó)制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì)”上的發(fā)言整理而成，已經(jīng)本人確認(rèn)。