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以數(shù)據(jù)驅(qū)動的CPS“信息-物理系統(tǒng)”，促進(jìn)制造價(jià)值轉(zhuǎn)型

3月29日，在由工業(yè)和信息化部指導(dǎo)，中國信息通信研究院和數(shù)據(jù)中心聯(lián)盟主辦的“2017大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)峰會”上，人稱“工業(yè)界花輪”的IMS中心博士生，北京天澤智云科技有限公司研發(fā)副總裁 劉宗長，分享了IMS基于15年技術(shù)積累，在全球超過150多個(gè)工業(yè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提煉出的中國制造智能化最核心的理念和精華的案例，收到現(xiàn)場嘉賓的積極響應(yīng)。

“工業(yè)界花輪”劉宗長，具體都講了什么?

1.制造價(jià)值，是工業(yè)大數(shù)據(jù)的根本

各位同仁和嘉賓們大家下午好!今天我主要的分享內(nèi)容，核心在于制造價(jià)值。制造價(jià)值其實(shí)是我們做工業(yè)大數(shù)據(jù)的根本動力。今天我的分享主要圍繞“制造價(jià)值”有什么樣的外延和內(nèi)涵?外延對于客戶有什么樣樣的價(jià)值?

這個(gè)圖我們非常熟悉，是整個(gè)的工業(yè)革命發(fā)展脈絡(luò)。它每一個(gè)階段都由制造價(jià)值的核心驅(qū)動，最早一次工業(yè)革命到二次工業(yè)革命之間，比拼的是產(chǎn)量驅(qū)動。

第二次工業(yè)革命到第三次工業(yè)革命之間，核心是大家拼質(zhì)量，如何以盡量少的成本，把質(zhì)量和設(shè)計(jì)做好。那個(gè)時(shí)候包括日本制造和德國制造，在這個(gè)方面都脫穎而出。到了下一個(gè)階段其實(shí)是產(chǎn)品的全生命周期管理和服務(wù)。

到了第四次工業(yè)革命，我們的制造業(yè)發(fā)展在什么地方?有兩個(gè)方面。一個(gè)是過程管理生產(chǎn)當(dāng)中的問題，通常包括KPI的績效體系和KPI管理方式。對可見的問題進(jìn)行管理，設(shè)備故障、產(chǎn)品缺陷、加工失效、質(zhì)量偏差等都是管理。所有的可見問題，都是由于隱性問題不斷積累產(chǎn)生的損失，過去將大部分的精力放到這里，問題產(chǎn)生之后如何迅速恢復(fù)和管理它，現(xiàn)在有了大數(shù)據(jù)洞察工具，現(xiàn)在要管理隱性的問題。

2.如何從“大而不強(qiáng)”，到中國制造2025

最近國家提出了“中國制造2025”，核心點(diǎn)是如何改變“大而不強(qiáng)”的問題。其實(shí)2010年左右，中國的工業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)超過了美國。到現(xiàn)在一直連續(xù)六年的時(shí)間，一直是工業(yè)產(chǎn)值老大的位置。如果我們看兩個(gè)指標(biāo)，第一個(gè)指標(biāo)是叫做勞動力生產(chǎn)率，我們只有美國的四分之一左右。第二，高端技術(shù)密集型出口，占整個(gè)出口的比值。我們發(fā)現(xiàn)還跟印度兄弟們在同一個(gè)水平，不到50%。這個(gè)時(shí)候就提出了一個(gè)問題，什么是我們的核心競爭力?這個(gè)里面給出了個(gè)制造競爭力公式，叫做質(zhì)量÷成本×客戶價(jià)值。在制造競爭力方面都要在這幾個(gè)方面提升，具體體現(xiàn)指標(biāo)一個(gè)是單位時(shí)間利潤率，所有的生產(chǎn)系統(tǒng)無論用什么樣的手段，傳統(tǒng)利用經(jīng)營管理模式也好，還是數(shù)據(jù)管理也好，我在單位時(shí)間產(chǎn)生多大的利潤。第二個(gè)是客戶價(jià)值比，客戶花錢購買我們的服務(wù)帶來多大的收益。一方面是制造一方面是品牌價(jià)值，德國和美國在做制造時(shí)，利用的工業(yè)4.0手段更加提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。美國更加偏向于客戶價(jià)值，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，如果在用戶運(yùn)維端為他帶來1%的價(jià)值，15年之后產(chǎn)生多大的回報(bào)?我們看到美國和德國在這兩個(gè)方面不斷加強(qiáng)核心競爭力。

3.以數(shù)據(jù)驅(qū)動的“信息-物理系統(tǒng)”，即CPS系統(tǒng)

我們怎么理解制造領(lǐng)域核心的制造知識呢?現(xiàn)場在坐從事制造的朋友們，一定非常清楚制造的5M要素包括材料、裝備、維護(hù)、測量、工藝、建模。制造系統(tǒng)當(dāng)中要解決問題，第一個(gè)是發(fā)生問題時(shí)怎么利用模型分析問題，利用模型優(yōu)化調(diào)整5個(gè)要素進(jìn)而解決問題，整個(gè)過程從傳統(tǒng)利用人的經(jīng)驗(yàn)固化成模型知識。另外，模型調(diào)整每次的反饋都可以優(yōu)化知識，然后把模型優(yōu)化下來做大數(shù)據(jù)的挖掘。

如果以整個(gè)的系統(tǒng)核心價(jià)值為導(dǎo)向，可能要回答三個(gè)問題。第一個(gè)是知識怎么產(chǎn)生的?第二個(gè)知識怎么規(guī)?；瘧?yīng)用?第三個(gè)知識怎么傳承?從整個(gè)的制造系統(tǒng)演化過程中分為五個(gè)階段。

第一，全員生產(chǎn)系統(tǒng)，這個(gè)是日本提出來的。應(yīng)該是七八十年代整個(gè)制造系統(tǒng)當(dāng)中引以為核心的標(biāo)準(zhǔn)。這種固化在了組織和對人培訓(xùn)方面。

第二，精益制造和6-Sigma。它的核心價(jià)值是如何以數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)建立管理體系，在這個(gè)基礎(chǔ)下面包括質(zhì)量管理體系、產(chǎn)品全生命周期管理體系等等。這個(gè)時(shí)候數(shù)據(jù)真正在制造使用過程中發(fā)揮作用。

第三，目前處于轉(zhuǎn)型的最重要時(shí)期，我們還沒有完全到達(dá)第三個(gè)階段。這個(gè)是以數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測性建模分析，怎么把隱性的問題顯性化，顯性化之后解決隱性的問題，避免顯性問題的發(fā)生。

第四，以預(yù)測為基礎(chǔ)的資源有效性運(yùn)營決策優(yōu)化。對于過去產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性都能夠建模之后，怎么根據(jù)系統(tǒng)生產(chǎn)、環(huán)境、人員多方要素變化進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)優(yōu)化。

第五，“信息-物理”系統(tǒng)。我們認(rèn)為它是建立在對于所有設(shè)備本身運(yùn)行的環(huán)境、活動目標(biāo)非常精確建?；A(chǔ)上，這個(gè)時(shí)候我們產(chǎn)生知識的應(yīng)用和傳承問題。

智能制造系統(tǒng)的技術(shù)跨越目標(biāo)，是以設(shè)備故障為核心的全員維護(hù)方法，有一個(gè)詞叫Fail And Fix，TPS強(qiáng)調(diào)三現(xiàn)，現(xiàn)場、現(xiàn)時(shí)、現(xiàn)物。將來要做到設(shè)備還沒有發(fā)生故障，預(yù)期到早期戒備，結(jié)合生產(chǎn)工藝把這些風(fēng)險(xiǎn)避免掉，實(shí)現(xiàn)0故障。以績效體系和人的經(jīng)驗(yàn)為核心的決策方式，慢慢轉(zhuǎn)化為以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的綜合優(yōu)化自主決策。第三個(gè)是以依賴人為載體的制造知識訓(xùn)練與應(yīng)用，最終轉(zhuǎn)化為以模型和數(shù)據(jù)為載體的運(yùn)維決策和知識傳承。

對于工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用體系，李杰教授提出了基于“信息-物理系統(tǒng)”(CPS)的5層構(gòu)架，通過構(gòu)建“五個(gè)智能”和“四個(gè)轉(zhuǎn)變“實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的智能化升級。它根據(jù)智能決策優(yōu)化建議，對設(shè)備的控制與企業(yè)資源的優(yōu)化配置進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)“為用戶創(chuàng)造新的價(jià)值”。這個(gè)鏡像模型全是服務(wù)于使用的目的、建模、效能和用戶目標(biāo)等等。在這個(gè)層次上面有不同數(shù)據(jù)匯集起來之后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的挖掘和產(chǎn)生。今年3月1日工信部正式發(fā)布了“信息-物理系統(tǒng)”白皮書，系統(tǒng)性地闡述了CPS與智能裝備、智能制造和智能服務(wù)之間的關(guān)系，對這個(gè)新興技術(shù)方向的應(yīng)用和發(fā)展有很好的指導(dǎo)作用。李杰教授的第三本書，《CPS：新一代工業(yè)智能》也將很快出版，應(yīng)該是國內(nèi)第一本系統(tǒng)介紹CPS技術(shù)理論和應(yīng)用體系的著作。

4.從應(yīng)用案例看價(jià)值

怎么利用數(shù)據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)價(jià)值呢?我們覺得有兩個(gè)方向，第一個(gè)方向是無論各個(gè)因素怎么變化?都要達(dá)到最優(yōu)的變化，這是我們定義的所謂無憂。

給大家分享兩個(gè)例子，第一個(gè)是中國船舶工業(yè)集團(tuán)與IMS聯(lián)合成立了海洋智能技術(shù)創(chuàng)新中心，從2013年IMS配合中船集團(tuán)進(jìn)行以客戶價(jià)值為核心的智慧海洋5S工程。它的背景是大家可能知道，2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)之后，2009年-2012年之間船市市場非常不好，有大量的船企倒閉，那個(gè)時(shí)候一艘船的價(jià)格幾乎砍到一半，這個(gè)時(shí)候他們想從長期來看船舶市場很難恢復(fù)，所以他們想怎么實(shí)現(xiàn)持續(xù)盈利?他們把眼光放在第一個(gè)是環(huán)境，第二個(gè)是對船舶的服務(wù)，系統(tǒng)和智能優(yōu)化，最后是怎么從技術(shù)創(chuàng)新面向客戶使用的創(chuàng)值。

中船集團(tuán)用了三年時(shí)間開發(fā)了SOMS系統(tǒng)，因?yàn)榇懊看纬龊Ｖ螅瑬|運(yùn)營部門都不知道它的狀態(tài)，那個(gè)時(shí)候做了兩個(gè)分析，一個(gè)是有一部分?jǐn)?shù)據(jù)在運(yùn)營方面的，大量分析算法所用的模型都是放在船上分析的，船在運(yùn)行過程中對一些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析完的結(jié)果會不定期傳到大數(shù)據(jù)中心去，大數(shù)據(jù)中心再做進(jìn)一步模型優(yōu)化，一艘船舶每天的需求。

每船兩百兆數(shù)據(jù)是一千美元，我們叫平臺級的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，核心是大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用開發(fā)平臺。在運(yùn)營過程中需求是多樣化的，怎么樣把一些算法模塊化，功能應(yīng)用以船為核心(船本身也是傳感器)在海上運(yùn)行時(shí)可以搜集水紋、氣象的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以給船務(wù)公司提供氣象服務(wù)。還可以給船運(yùn)公司、碼頭等等這些提供什么樣的服務(wù)。

中船集團(tuán)開發(fā)的SOMS產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了試運(yùn)營階段，并正在與勞式船級社等國際組織積極推動智能船標(biāo)準(zhǔn)的建立。

第二個(gè)是大數(shù)據(jù)在制造場景當(dāng)中的應(yīng)用。這個(gè)是的在PCB電子制造行業(yè)，整個(gè)制造方面大概有20多個(gè)不同上百種設(shè)備，制造系統(tǒng)當(dāng)中很多的問題是碎片化的。剛剛袁總提到一個(gè)問題，一開始平臺搭建好，整個(gè)前端的應(yīng)用怎么去部署?最大的問題是每次運(yùn)用產(chǎn)生大量成本是解決碎片化的問題，因?yàn)檫@樣的難度成本會非常大。

我們建立以數(shù)據(jù)驅(qū)動的“信息-物理制造系統(tǒng)”智能管理生產(chǎn)制造系統(tǒng)中的隱性問題，在賽博端形成實(shí)體端的映射，形成部件、設(shè)備、制造過程、產(chǎn)品和生產(chǎn)線的賽博鏡像模型，經(jīng)過該CPS系統(tǒng)分析實(shí)現(xiàn)運(yùn)維決策協(xié)同優(yōu)化。

這個(gè)是UV鐳射的鉆孔，這個(gè)設(shè)備在整個(gè)工廠里面大概有近百臺。近百臺里面鐳射頭是耗材，平均停機(jī)周期為一個(gè)月，因此對于過去41個(gè)鐳射的全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，開發(fā)了整個(gè)的衰退過程建模，用健康值定量0~1，1是完全健康，0是故障，我們可以看到潛在故障預(yù)警。

剛剛講了很多碎片化的問題，以點(diǎn)代面的方式給PCB制造部門做了一個(gè)面向不同應(yīng)用的智能運(yùn)維系統(tǒng)。這個(gè)流程是說無論是前面裝備的管理部門還是質(zhì)量管理部門提出需求，根據(jù)定義好的需求，我們可以把數(shù)據(jù)的目標(biāo)和采集方式進(jìn)行匯總，可以在向他們提供的Watchdog Agent®工具箱上面快速開發(fā)平臺，生成定制化應(yīng)用，連接到工廠系統(tǒng)當(dāng)中去。這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到鐳射頭、電機(jī)、鍋爐泵等等一系列設(shè)備的在線智能監(jiān)控和運(yùn)維。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)上線一年后平均每個(gè)月減少53.7個(gè)小時(shí)宕機(jī)。