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内附PPT下载 | 丁险峰:工业 4.0 中国之路探索

简介: 与美日欧的“先进制造”不同,中国的制造业主要是“性价比制造”。在中国的性价比制造的基础上,如何做工业4.0,如何做柔性制造?中国的工业4.0要走的这条路跟美日欧这些国家的工业4.0之路到底有什么不同?

与美日欧的“先进制造”不同,中国的制造业主要是“性价比制造”。在中国的性价比制造的基础上,如何做工业4.0,如何做柔性制造?中国的工业4.0要走的这条路跟美日欧这些国家的工业4.0之路到底有什么不同?
为了回答以上问题,阿里CIO学院请到了拥有20年的物联网与人工智能领域经验的阿里云首席智联网科学家、感知与认知专家丁险峰进行了分享。

本文根据丁险峰老师2月25日在攻“疫”技术公益培训中的直播内容整理:

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从Smart1.0到Smart5.0

我们先来看一看工业4.0几个重要的里程碑。智能制造大概可以分为几个等级,从Smart1.0到Smart5.0。第一个等级是S0级,就是全人工的;然后是S1级,设备自动化,把料放进去,设备就可以自动开始工作了;然后是S2级,设备自动化加搬送自动化,大幅度地提高了效率。到了这一级,工厂就初步具备了柔性的能力。到S3级又多了一个派工自动化,整个工厂已经基本可以达到无人化,每个机台知道材料什么时候来,用什么样的工艺。S4级实现了工艺自调整,之前每个机台是不能改工艺的,做的始终是相同的工作。而现在可以根据派的工自动调整工艺,就能够实现柔性制造,可以小批量多批次,混线的进行排布了。
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S5级叫做自愈可优化,当工厂的某个工序出了问题,可以把整个工厂重新优化产能,智能排产。通过FDC、R2R、APC这样的智能化系统实现设备自动加工的纠错自愈能力,以及使用大数据、人工智能的深度学习、卷积神经网络等技术实现智能制造系统的自我进化能力,这时你的制造系统就是一个智能的可演进的制造系统,从而逐步逼近良率、效率、成本的极限,为企业带来更好的效益。
我相信未来我们将会利用大数据和深度学习,开启更多应用创新,比如产量预测,故障预防,还有虚拟计量学,智能测试等等。
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物流、作业流、信息流

说到这里大家要问了,工业4.0的公司到底是什么样的?它其实需要三个最重要的能力,首先是物流的能力,其次是作业流的能力,最后是信息流的能力。其实已经有一个最接近工业4.0的公司,就是台积电。台积电是估值最高的柔性制造企业,目前市值大概是在2800亿美元。在台积电的晶圆厂,每一批货都知道它下一站要去哪里,每个机台都知道下一批货要来的是什么,整个流程顺畅以外,重点是必须紧凑。整个制程主要有三种状态,分别是等待、暂停和运行,前两种状态已经被缩到极小化。2011年台积电开始智慧化探索,几千种产品在几十条流水线上的混合排产能力已经非常强了,从自动化的流水线制造变成了柔性制造。2016年它又再进一步,进入AI化时代。
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设备自动化和物流自动化是智能制造必要的能力。自动化制造必然需要在大量关键岗位用机器人替代人,来提高效率。还需要大量移动机器人去替代物流搬运人员,这就要用到我们前面讲的定位技术。智能立体仓库也将成为自动化能力的具体表现。
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还有自动排产能力,比如说订单物料、生产进度、人均产能,通过高级计划与排程系统(APS)把这些数据放到一起,就能够有更好的排产解决方案,快速制定合理、优化的生产计划,比如缺少某种原料的时候,不需要靠人去判断是否要暂时停产,就先做别的排程。还有我们刚才讲到智能制造要更快地响应消费者的需求,那么高级的排程系统就需要能够处理紧急插单的需求。
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做了自动排程之后,还可以产生各种各样的电子看板系统和各类报表系统,比如工艺看板、质量看板、设备看板、维保看板等等,管理人员就能够看到实时客观的数据,让生产制造更为透明化,信息化。这些数据能够和集团的财务指标、供应链、市场销售等数据打通,从而实现数字化运营。
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未来智能制造的目的,除了柔性制造,还要在此基础上追求每一个制造指标的优化。柔性制造不是说牺牲效率,而是在保证原来的质量、交期的情况下,还能够混线排产,插入不同的订单,这样来快速响应。柔性制造和卓越制造应该是共同前进的。

讲完了智能制造的等级,智能制造需要的能力,我们再来看台积电。它的物流、作业流和信息流,组成几个重要的板块,最底层就是机器操作,自动装载、自动生产。上面一层是生产流程控制,比如物流管理系统,执行系统等等。再上面一层是自动搬运,自动装载。最上面一层是AI,要能够自动的产生报表,自动分析和决策。这些融合在一起,形成了台积电快速响应客户需求的能力。
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我们以台积电为样板来解释工业4.0,其他行业比如五金家电行业、机械加工行业、汽车行业,钢铁行业等等,都可以用这样的一个方法论,提高柔性的能力,从而能够实现混线部署,快速响应客户需求。

阿里云如何理解工业互联网平台

我们认为,工业4.0必须基于工业互联网。工业互联网首先它不是先进制造,而是对现有能力的优化提升。其次工业互联网不是大企业的专利,而是所有企业的普惠制造。最后,工业互联网是工业物联网+互联网的深度融合,其中工业物联网把工厂里的设备连在一起,形成信息流的自由流通;互联网则是打通工厂到集团的IT,让工厂里面的作业流能够自动地响应其他部门的需求。
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工业互联网有三个重要的工作,也就是三大集成,来把物流、作业流和信息流打通。第一个是纵向集成,打通工厂内部的人、机、料、法、环,以及把工厂的设备和ERP(企业资源规划)系统打通。

第二个是横向集成,把上游的供应链和下游的销售之间打通。上游的供应链数据在你的MIS(信息管理系统)和排产系统里面,你就能够更为敏捷和快速地优化你的制造系统。

第三个是端到端集成。比如说电饭锅,到了消费者的手上,会产生一些关键性的数据返回到工厂里面。这样对下一次的产品迭代就有很大的帮助了,你能够做出更高性价比的产品来服务你的消费者。
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工业互联网是工业的一个重要的基础设施。工业互联网平台,是各个行业都需要的一个东西。我们阿里巴巴在工业互联网的平台上面,不仅仅是提供了刚才讲到的三大集成,而且提供了一些类似物流服务平台,金融服务平台,创新创业平台等等,以及电商平台,帮助企业打通上游的供应链和下游的消费者,从而服务各个产业。
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传统制造的IT流程实际上是非常复杂的,我们希望把复杂的流程变得更为短平快。具体怎么做?首先是用工业物联网平台,把所有的人、机、料、法、环,用一个物联网的设备比如说RFID,都连在一起,成为数字化工厂的一个物理世界抽象层。就是说用物联网的手段,把工厂抽象成为一个数字工厂,从物理世界变成了一个数字世界。在这个数字世界的工厂上面,就可以做各种各样的应用了。
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工业物联网的关键任务是实现工业软件的APP化。如何把CIM、ERP、MES这些软件,从原来传统的IT架构,映射到现在的云的架构?把所有的设备模型化,所有的流程服务化,所有软件APP化,这样的话我们就可以把工业系统映射到工业互联网的云边端。
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工业物联网平台本身是一个可扩展的工业操作系统。向下它能够实现对各种软硬件资源的接入、控制和管理;它自身能够承载各种工业知识、算法、模型、微服务;向上它能够提供开发接口及存储计算、工具资源等支持。
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改造传统制造企业

我们来具体的讲一下,怎么改造一个传统的IT架构。第一步,把原来的五层模型,包括设备数据、MES数据、ERP数据、CAx数据、SCM数据解构;第二步是构建一个云上的微服务池;第三步是进行调用;最后一步是构建面向角色的APP。

这样的话就等于是用云计算的理念完整的改造了一个工业企业的软件,让其变成一个基于微服务的体系。从原来的工业软件和工业知识,变成了一堆微服务的组件库,然后再固化成工业APP,比如设计APP、管理APP、分析APP,这样就形成了一个大中台小前台的工业互联网平台。一个企业基于这个工业互联网平台,能够变得更加的敏捷,更加的柔性,而不是僵硬的流程化的作业。
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下面我们通过一张图来看一下阿里云工业互联网平台的整体概况。最下层是工厂互联,主要是在边缘侧和设备侧。然后中间一层是物联网的基础PaaS,主要是基于云的弹性计算、数据存储、微服务框架,来建立一个连接管理平台和设备管理平台、数据分析平台。

再上面一层提供一个工业的PaaS平台,比如供应链、研发的、销售的PaaS平台,各种CAD软件,MES软件等等,就是说把工业软件都微服务化。基础PaaS加工业PaaS合在一起,我们叫做工业行业平台。

最上面一层是SaaS应用,把各行各业的各种垂直行业软件进行微服务化,变成一个微服务池,构建一个数据中台。
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所以一个数字智能工厂的整体架构是基于一平台(基础云平台),三中台(AIoT中台、数据中台、业务中台)。我们认为,这种基于中台的整体架构是实现企业数字化转型的最佳方案。数据中台的数据中心包括订单中心、库存中心、物流中心、原料中心、商品中心等等,基于数据可以做很多的应用,比如说能耗优化、生产调度、故障预测、工艺优化等等。在数字化工厂上叠加数据中台,再打通企业的业务中台,从而让一个制造企业变成基于精准数据驱动的智能型公司,和更为高效的网络化协同公司。
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企业数字化转型会带来很多好处,能够提高产品质量,降低成本,增加效益,以及帮助企业提供更好的产品,更好的服务,提升品牌力,让企业更有竞争力。
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企业数字化转型可以分为五步走。第一步是企业数据上云;第二步是企业内部协同,纵向集成,比如IT和OT的协同;第三步是外部生产协同,横向集成,上游供应链和下游销售的协同;第四步是外部产销协同,端到端集成,按需生产,以销定产;最后一步是产业整体协同,在to B制造业,整个产业链的高效协同,我觉得能够迸发的可能性是非常非常大的。
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阿里云工业互联网平台的三种模式

阿里云工业互联网平台目前有将近600家生态合作伙伴,包括硬件供应商和软件供应商,形成一个数字化产业,来服务1300家企业的数字化转型升级,从而实现产业数字化。所以我们是采用“平台+生态”双轮驱动的模式,来助力产业升级。
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同时,我们采用“技术+商业”赋能,来打造数字经济的闭环。也就是说,我们不仅为企业提供软件和硬件,同时也给企业一些商业上的帮助。比如线上营销,线下营销,帮助你做品牌,甚至帮助你拉动资本,来帮助企业进行数字化转型升级。技术和商业相互迭代,不断螺旋性上升,让企业得到数字化转型升级的商业结果,比如说真正实现了产品卖得更多了,开源节流了。
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基于阿里云工业互联网平台,我们现在主要有三种合作共建的模式。
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第一种模式是企业级工业互联网平台,携手生态伙伴,为企业提供数字化改造“一站式服务”。我们用这种模式帮助了很多企业实现数字化转型升级,包括浙江电力、中国烟草、旭阳集团、长飞光纤、乐惠国际、蓝宝石仪表等等。
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以阿里云工业互联网平台如何帮助横店东磁在磁性材料生产上进行平台化建设为例。我们帮助它打通多个厂区的数据,和不同的应用系统,从而洞察生产过程中的更多信息,减少等待时间,提高效率。传统的IT模式需要购买大量硬件,而我们的工业互联网是一个SARS的模式,这个商业模式是微服务的而不是买断的,从而让企业能够大幅度的降低信息化和数字化的成本。

同时,因为横店东磁是行业龙头企业,所以它可以通过自己的软件,比如磁性行业的资源管理软件、材料管理软件、设计管理软件等等,能够为同行业的工厂提供服务,同行业的工厂也成为它的虚拟工厂,从而实现双赢。我们帮助它接入了大概50多家磁性材料工厂,形成了规模效应,让企业管理效能提升了30%。

第二种模式是行业级工业互联网平台,通过整合行业资源,实现规模赋能,从而实现行业整体的数字化转型升级。
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以阿里云工业互联网平台如何帮助德恩精工转型行业平台运营商为例。中国的产业,尤其是中小企业,其实更多的是以产业带的形式聚集,而不是说有一个像宝马、奔驰这样的龙头企业,上下游都以它为中心。在中国的产业带里,龙头企业没有那么高的垄断性。

德恩精工有很多定制化的机加工件订单,我们帮助它接入了300多家机械加工厂,能够加工各种各样的机加工件,那么小批量定制化的单子,可以发给这些工厂。同时我们也帮它做了一个线上电商系统,让这种小批量的单子能够一键发送到德恩精工的行业平台上。这样的话,获客成本大幅度下降,买家的成本也大幅度下降。就是说把制造系统和快速的响应客户需求打通了。

第三种模式是区域级工业互联网平台,根据区域产业的特征,建立区域内企业通用的平台,比如区域内统一的ERP、CIM、财务系统等等。这种区域内部的协调,如果是一个产业链的话,会更加具象化,有可能延伸出产业带。
如果地方政府,希望辖区内的企业能够充分利用工业互联网平台的能力,快速地实现数字化转型升级,从而让辖区内的数字化经济快速提升。这个时候政府会根据区域内的情况,把多个行业的行业级工业互联网平台整合在一起,产生化学反应。具体的案例有浙江supET“1+N”区域级工业互联网平台体系、山东聊城智慧谷产业基地等。
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结语

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阿里云物联网+互联网平台不管是在技术方面、生态方面、产业方面还是市场方面,都有非常大的优势。比如技术方面,我们的云计算、IoT、ET大脑、物联网安全等技术都很强。产业方面,我们有蚂蚁金服、淘宝的to C端、1688的to B端、钉钉OA系统等等。同时阿里云是一家非常注重信息安全和数据安全的公司,我们为所有工业企业和服务商提供了全方面的安全保障。我们是技术和商业双轮驱动的一个企业。

感谢AICUG 人工智能社区协助整理本文

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