清華大學(xué)王晨：工業(yè)大數(shù)據(jù)—從智能制造到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

ZZvvh2vjnmrpl4 2019-10-27

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清華大學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室總工程師、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)王晨在由清華大學(xué)全球私募股權(quán)研究院舉辦的“‘智能 ’時(shí)代新機(jī)遇”論壇上發(fā)表了以《工業(yè)大數(shù)據(jù)：從智能制造到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)》為題的演講。他所在的清華大學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，是2017年由國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)、清華大學(xué)唯一一個(gè)在大數(shù)據(jù)方面的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室。在演講中，他介紹了實(shí)驗(yàn)室對(duì)于工業(yè)大數(shù)據(jù)的理解，工業(yè)大數(shù)據(jù)如何賦能智能制造，以及如何在智能制造的基礎(chǔ)上未來(lái)走向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

王晨

清華大學(xué)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室總工程師、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)

工業(yè)產(chǎn)生轉(zhuǎn)型升級(jí)作用的路徑

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室將工業(yè)產(chǎn)生轉(zhuǎn)型升級(jí)的作用的路徑，總結(jié)為加減乘除四個(gè)象限。

所謂加和減就是智能制造。智能制造更關(guān)注于企業(yè)內(nèi)部的事情，狹義的智能制造關(guān)注制造，即生產(chǎn)環(huán)節(jié)，廣義的智能制造則包含企業(yè)的全壽生命周期，從研發(fā)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造再到運(yùn)維服務(wù)。智能制造不外乎在在現(xiàn)有流程上加了一些東西、減了一些東西，它基本可以被總結(jié)為八個(gè)字：提質(zhì)、增效、降本、控險(xiǎn)。今天，智能制造做的事情就是加法和減法。

但在這個(gè)時(shí)代光做加減法是不夠的，比如私募股權(quán)機(jī)構(gòu)投資一個(gè)企業(yè)，企業(yè)每年做一點(diǎn)加法，投資人可能不會(huì)滿意，而是希望企業(yè)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。如何實(shí)現(xiàn)？工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可能就是實(shí)現(xiàn)乘法和除法的路徑。乘法就是平臺(tái)效應(yīng)。比如淘寶，容納無(wú)數(shù)的商店在它的平臺(tái)上開店掙錢，就是一個(gè)案例。但是在工業(yè)領(lǐng)域，是否可以構(gòu)建一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)？以服裝行業(yè)為案例。傳統(tǒng)的第一代的服裝企業(yè)，比如雅戈?duì)枺凶约旱脑O(shè)計(jì)、工廠、店面，即完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。第二代服裝企業(yè)，比如海瀾之家，舍棄工廠選擇全代工生產(chǎn)，轉(zhuǎn)為做營(yíng)銷，以門店為資產(chǎn)?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代的服裝企業(yè)，比如韓都衣舍，既沒有工廠也沒有店面，成本幾乎為零，所有的店面依賴淘寶，只負(fù)責(zé)快速設(shè)計(jì)、把控供應(yīng)鏈，最后的“總盤子”雖然不一定有傳統(tǒng)企業(yè)那么大，但是利潤(rùn)率高。因此除法就是企業(yè)聚焦自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力。輕資產(chǎn)高利潤(rùn)運(yùn)營(yíng)，這是未來(lái)中國(guó)中小企業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)之道。打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)生態(tài)，不是說(shuō)只有這個(gè)平臺(tái)才能掙錢，但平臺(tái)上的每個(gè)人都有可能掙錢。

三個(gè)層次：工業(yè)大數(shù)據(jù)行業(yè)的分類

實(shí)驗(yàn)室接觸了也做了很多與工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，并將其分為了三個(gè)層次。

第一個(gè)層次是單元級(jí)。即針對(duì)工業(yè)設(shè)備，不僅限于設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)維，還包括對(duì)設(shè)備故障的提前預(yù)警、故障分析，以及設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行、資產(chǎn)管理等等。首先我們需要將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確的數(shù)字化測(cè)量，這種測(cè)量手段其實(shí)是將工業(yè)大數(shù)據(jù)的連續(xù)空間離散化。這個(gè)連續(xù)空間很復(fù)雜，而能測(cè)量的物理量、精度、傳感器數(shù)量都是有限的，所以全空間采樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但隨著數(shù)字化水平提高、信息化進(jìn)程推進(jìn)、智能化應(yīng)用迭代，未來(lái)的測(cè)量過(guò)程也會(huì)升級(jí)。

第二個(gè)層次是工廠層次。這個(gè)層次不是關(guān)注單體設(shè)備，而關(guān)注整個(gè)工廠的運(yùn)營(yíng)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全、環(huán)保問(wèn)題。工業(yè)講求的是包括人、物料、工藝、設(shè)備、環(huán)境在內(nèi)的因素，在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中能夠協(xié)同作用。假設(shè)把全中國(guó)都看作一個(gè)大工廠，怎么在產(chǎn)業(yè)鏈條上提升自己的效率？我們今天做工業(yè)大數(shù)據(jù)，做“智能 ”，就是這個(gè)用途。首先要回答數(shù)據(jù)在哪里，其實(shí)數(shù)據(jù)在任何一個(gè)地方。以前工業(yè)上管數(shù)據(jù)管的相對(duì)粗糙，傳統(tǒng)在信息化領(lǐng)域做的相對(duì)較好的是管理信息化，而現(xiàn)在很多工業(yè)數(shù)據(jù)只是用來(lái)做監(jiān)控以及做故障發(fā)生時(shí)做數(shù)據(jù)的回放。這些數(shù)據(jù)拿來(lái)怎么做兩化融合（信息化和自動(dòng)化的數(shù)據(jù)融合）沒有做。

第三層次是怎么拿到其他人的數(shù)據(jù)？比如說(shuō)挖掘機(jī)要自動(dòng)化施工，需要了解GIS數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，但這些都不是傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)擁有的數(shù)據(jù)。這說(shuō)明今天工業(yè)大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵，比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)內(nèi)涵要大得多。自動(dòng)化以及跨界整體的數(shù)據(jù)，構(gòu)成工業(yè)大數(shù)據(jù)的體系。

工業(yè)大數(shù)據(jù)的分類和挑戰(zhàn)

實(shí)際上，工業(yè)數(shù)據(jù)有三個(gè)特點(diǎn)。第一個(gè)特點(diǎn)是多模態(tài)。過(guò)去很簡(jiǎn)單粗暴地將數(shù)據(jù)分成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，但工業(yè)企業(yè)不是這樣。今天看到的很多好像格式不一樣的、非結(jié)構(gòu)化的工程數(shù)據(jù)，真正把它打開的時(shí)候是不一樣的。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的使用效率取決于結(jié)構(gòu)化的程度，只有結(jié)構(gòu)化才可以被高效利用；第二個(gè)特點(diǎn)是高通量，很多設(shè)備是不停機(jī)的，所有的數(shù)據(jù)是7*24小時(shí)連續(xù)產(chǎn)生的，量非常大；第三個(gè)特點(diǎn)是強(qiáng)關(guān)聯(lián)，在工業(yè)的不同行業(yè)，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)遵循不同的規(guī)律而非簡(jiǎn)單的聚合。

所以工業(yè)大數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)帶來(lái)了非常多的挑戰(zhàn)。除了數(shù)據(jù)獲取的挑戰(zhàn)，隨之而來(lái)的就是數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用的挑戰(zhàn)。這里邊最大的限制是因果關(guān)系，即數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法只能告訴我們關(guān)聯(lián)性，而無(wú)法不能告訴我們因果性。比如淘寶推薦商品，只知道推薦相關(guān)商品，卻不關(guān)心這個(gè)事情的因果——為什么用戶是這樣的人。但這在工業(yè)上是行不通的，尤其是控制方面，因此模型需要長(zhǎng)時(shí)間的分析和驗(yàn)證。

工業(yè)領(lǐng)域存在白盒模型和灰盒模型，白盒模型即工業(yè)機(jī)理，企業(yè)會(huì)根據(jù)工業(yè)機(jī)理設(shè)計(jì)工序、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝，這是第一步。當(dāng)它們被設(shè)計(jì)完之后，運(yùn)行中又會(huì)出現(xiàn)大量的不確定性，這些不確定性的消除靠的就是專家、工匠的經(jīng)驗(yàn)，讓整個(gè)流程生產(chǎn)變得更加穩(wěn)定和高效，這是灰盒態(tài)。不再對(duì)機(jī)理和知識(shí)本身進(jìn)行分析和理解的數(shù)據(jù)模型，是一種黑盒模型。工業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)智能的本質(zhì)就是，將這些經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)量化學(xué)習(xí)出來(lái)，挖掘心中有口中無(wú)的隱性知識(shí)，或者嘗試通過(guò)數(shù)據(jù)方法把統(tǒng)計(jì)關(guān)系找到，再交還給工匠分析。工業(yè)就是工業(yè)，它存在的時(shí)間比信息化時(shí)間長(zhǎng)，積淀比信息化多，而大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)只是給工業(yè)上帶來(lái)小的變化，嘗試幫它去消除不確定性。

大數(shù)據(jù)、人工智能在工業(yè)中的應(yīng)用

首先是智能制造。比如某個(gè)機(jī)床的良品率下降，那么機(jī)床可以猜到刀具可能磨損了，主動(dòng)提出要換刀，或者爐溫過(guò)熱，就自主將溫度往下調(diào)兩度。如果設(shè)備可以自主告知、自主變化，而不是按照事先設(shè)定的邏輯來(lái)操作，這才是智能化。真正的數(shù)字化車間應(yīng)該是什么樣的？分了三個(gè)層次：第一層是大數(shù)據(jù)集成。以攀鋼為例，它做鋼軌最大的問(wèn)題是產(chǎn)品質(zhì)量，很多鋼軌表面不平整，必須要修正。如果發(fā)現(xiàn)表面不平整會(huì)怎么辦？調(diào)整工會(huì)猜測(cè)原因、調(diào)試、再生產(chǎn)，經(jīng)過(guò)很多迭代之后調(diào)穩(wěn)。而大數(shù)據(jù)能夠建立數(shù)據(jù)集成體系，讓決策者看到每個(gè)鋼軌發(fā)生了什么、控制參數(shù)是什么、檢測(cè)參數(shù)是什么。這樣一個(gè)以物料為中心、以工序流程為軸的數(shù)據(jù)集成體系，能夠?yàn)檎{(diào)整工提供更多更好的決策信息；第二層是大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。能不能將好的批次的數(shù)據(jù)和差的批次的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加對(duì)比，看控制參數(shù)的差異？大數(shù)據(jù)可以猜測(cè)造成問(wèn)題的原因，至少可以排序，讓調(diào)整工按照排序來(lái)做檢查和調(diào)整；第三層是機(jī)理模型。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)和反饋，工業(yè)企業(yè)可以構(gòu)建一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確、正向的仿真模型，并在數(shù)字孿生體、數(shù)字空間進(jìn)行調(diào)試，最后在工廠里進(jìn)行測(cè)試，這就是數(shù)字孿生帶來(lái)的智能化體系。

那么工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邏輯對(duì)于智能制造來(lái)說(shuō)改變了什么？從業(yè)務(wù)的角度來(lái)講，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更多關(guān)注產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊界，而不關(guān)注企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，它可以被總結(jié)成三個(gè)融合跨界：一是業(yè)務(wù)融合跨界，通過(guò)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上下游業(yè)務(wù)邊界的拓展，企業(yè)可以嘗試整合上游的上游，也可以服務(wù)于下游的下游，我們是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同視角下的大工廠；二是數(shù)據(jù)鏈條融合跨界，業(yè)務(wù)的拓展帶來(lái)了數(shù)據(jù)邊界的拓展，今天的數(shù)據(jù)不局限于企業(yè)原有的數(shù)據(jù)。比如說(shuō)要服務(wù)于建造商，需要環(huán)境數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)；三最根本的是技術(shù)改變，相比IT技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)軟件和IT產(chǎn)業(yè)不在一條發(fā)展曲線，但現(xiàn)在通過(guò)云計(jì)算技術(shù)可以輕量級(jí)地讓用戶做這樣的開發(fā)，對(duì)于激勵(lì)、知識(shí)的沉淀，可以在很多領(lǐng)域產(chǎn)生了技術(shù)溢出機(jī)會(huì)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的出現(xiàn)，讓工業(yè)企業(yè)能將花大量時(shí)間研發(fā)的仿真模型有可能沉淀成小而精的新形態(tài)工業(yè)軟件。

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