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大数据驱动中国制造:如何实现轨道交通“互联网+”

2015-05-11 来源:《世界轨道交通》杂志 浏览次数:
本文摘要:随着中国版工业4 0--“中国制造2025”的提出,信息化与工业化融合打造智能工厂已成为大势所趋,“互联网+工业”对国家从低端制造向高端“智造”转型,从而保持经济运行速度具有至关重要的作用。本文从各国工业升级的概念辨析出发,首先澄清一些向工业升级迈进的关键原则和思路;然后将云计算、大数据、物联网、移动互联网等相关技术和经济要素整合,提出逐步演进的“互联网+工业”整体技术框架、实施步骤以及投资规模;最后,结合轨道交通行业央企中车股份所属制造企业生产实践需要,探讨可行的升级创新方向。

 

  当前,世界经济正处于深度调整之中,欧美等发达国家纷纷实施“再工业化”和“回归制造业”的发展战略,印度、巴西等新兴技术体与我国在加工制造领域的同质化竞争力度持续加大,我国制造业面临“前后夹击”的双重挑战。从国内来看,我国经济发展正处于增速换档和结构调整的关键节点,加快转变经济发展方式,推进工业转型升级,实施制造强国战略已势在必行。

 

各国工业升级的理念对比

 

  从去年德国提出的“工业4.0”、美国提出的“工业互联网”到今年我国提出的“中国制造2025”、“互联网+工业”,诸多概念让人难以辨别。其实,这四个概念虽外延上有所区别,但目标和内涵基本一致。工信部长苗圩曾这样概括:如出一辙、异曲同工、殊途同归。

 

工业4.0

 

  最早出现在德国,由西门子等领先企业提出,包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变。寄希望以此定义第四次工业革命,目标是建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式,通过智能工厂和智能生产保持本国制造业竞争力,提高资源利用率。工业4.0的主体是CPS(信息物理系统,Cyber-Physical Systems),即生产对象直接或借助互联网通过M2M(机器到机器)通讯自主实现信息交换、运转和相互操控,也就是通俗讲的设备物联网、设备监控等理念。

 

工业互联网

 

  2009年金融危机之后,美国政府很快意识到工业在国家经济中的重要性,是国家竞争力的最重要的组成部分,于是出台一系列国家计划,以实现“再工业化”国家战略。在此情况下,作为美国制造业的先锋,美国GE公司率先提出了“工业互联网”概念,希望通过生产设备与IT相融合,目标是通过高性能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合,大幅提高现有产业的效率并创造新产业。

 

中国制造2025

 

  全称是《中国制造业发展纲要(2015~2025)》,又被称为“中国版工业4.0规划”,由中国政府在2015年初提出并通过国务院批准。立足我国转变经济发展方式实际需要,围绕创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展、人才为本等关键环节,选择高档数控机床和机器人、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车等十大重点领域,将信息技术与制造技术深度融合的数字化、智能化制造作为今后发展主线,以未来十年为发展周期,目标是驱动制造业转型升级,推动中国由制造业大国向制造业强国转型。

 

“互联网+工业”

 

  “互联网+”是当前的一个发展趋势,是以互联网的思维和技术改造甚至颠覆传统行业,提高企业的整体竞争能力。而“互联网+工业”意味着“中国制造2025”将互联网作为当前信息化的核心,推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,在制造环节将带来颠覆性的创新和全新的生产方式。据估算,在未来20年中,中国“互联网+工业”的发展方式至少可带来3万亿美元左右的GDP增量。

 

特点与区别

 

  上述不同国家提出的概念实际上源于各国工业不同的发展形态和阶段,结合各自特点提出的发展思路。

 

  德国采取的是“自下而上、以实加虚”的战略,即从机电设备等德国最强的领域,向上延伸,增加信息化的成分,实现设备与信息的融合,从而提升德国企业的整体竞争力,“确保德国制造的未来”。

 

  美国采取的是典型的自上而下的战略,即从自身擅长的互联网及信息化平台下延至生产优化与设备改造,正与德国自下而上的方式是相反的,但都是充分发挥自己之长,借鉴对方之优点,补己之短,战略目标都是确保“国家制造的未来”。

 

  中国是制造大国但不是强国,工业基础弱,不少产业仍处在工业2.0阶段,如机器人、增材制造等核心技术还有待提高,技术路线和标准也有待制定统一。因此,《中国制造业发展纲要(2015~2025)》中的十大重点发展领域是根据我国制造业现有情况和优势确定的,可以推动我国急需的技术和领域发展,同时,互联网和移动互联网的商业应用在中国已经具备良好的基础,以“互联网+工业”为结合点可以带动中国制造的全面升级和未来的竞争力。

 

“互联网+工业”的要素、技术框架、实施路线和投资规模

 

  不论是工业4.0还是“互联网+工业”,都是围绕工业企业设计与制造、市场销售及运营维护等环节,以大数据采集、存储、分析、服务为核心驱动的新技术与不同业务跨界深度融合,从而产生管理创新和商业模式创新。

 

技术和业务要素

 

  其中,新技术主要包括:物联网、3D打印、智能设备、传感器、过程协同、云平台、虚拟化、大数据、移动互联网。而管理创新和商业模式创新主要包括:精益运营、工厂到个人、智能工厂、智能生产、智能物流、电子商务、精准营销。

 

  下图列出了主要的新技术和业务要素以及他们的分类:

 

 

 

 

 

图1  互联网+下的各种新技术和业务要素以及分类

 

技术框架

 

  为实现上述技术和业务要素,核心是建立厂内的云计算数据中心,并以云计算的设计思想和基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)以及软件即服务(SaaS)三个层次的架构搭建整个信息化平台,实现灵活、高可用和资源整合。下图是一个信息化技术框架的简要示意图,供读者参考:

 

 

图2 信息化技术框架示意图

 

实施路线

 

  如此庞杂的软硬件及服务一体化系统显然不是一蹴而就的,建议按如下步骤实施:

 

  ·创新业务方向,制定总体规划,做好顶层设计;

 

  ·无线网络覆盖,增加接入设备,形成自动控制;

 

  ·建立数据中心,搭云管理平台,提供资源保障;

 

  ·数据资源共享,各项应用集成,海量数据分析;

 

  ·优化生产过程,智能柔性制造,个性客户定制;

 

  ·增加产业协同,打通上游下游,创新商业服务。

 

  通过以上六步,可以覆盖从业务到管理的各个层面,形成完整的“互联网+工业”新体系。当然,步骤之间可能有迭代,系统之间不会是完全分离解耦的,总会有互相影响的,应灵活机动,不应墨守成规。

 

投资规模

 

  世界工业强国与众科技巨头在制造业尤其是数字化制造技术发展中的投入可谓空前。德国政府提供2亿欧元资金利用公共研究机构帮助企业进行工业4.0新技术的研发;美国政府仅在2013年就拨款超过22亿美元支持全美制造业的发展;包括通用电气、AT&T、思科、英特尔和IBM在内的多家科技巨头在2014年成立了工业互联网联盟,为企业和高校研究人员创建互联网工业应用的标准提供架构支持。

 

  全球数字化智能制造市场充满了机遇,根据CIMdata的预测,目前全球数字化制造每年有超过5亿美金的市场容量,其中中国地区持续保持强劲增长,远高于日本、印度、美国等国家,中国制造企业对数字化制造技术需求强烈,近年来,越来越多的中国企业开始进行数字化制造解决方案的布局。

 

  我国对数字化工厂的投资建设仍处于初步探索阶段,各大型制造行业已陆续建成标杆型的数字化工厂,考虑各行业的不同特点,投资规模都在亿级甚至十亿级以上。以下列举几个国内数字化工厂的投资建设实例,供读者参考:

 

  长春奥迪总装车间。2009年,投资10亿人民币的“全数字化”新奥迪总装车间在长春正式建成投产,车间占地81610平方米,是国内首个汽车制造业全数字化工厂。新奥迪总装车间采用了大量与德国同步的计算机技术,生产全线使用了数字化控制和管理,具有更高的生产精度和生产效率,并真正实现了100%的柔性化生产。

 

  欧曼重卡。欧曼GTL数字化工厂是中国第一座实现世界标准制造水准的重卡全球样板工厂,项目投资26亿元,年产能达到20万台,主线自动化率达到60%,平均每4分钟生产一台重卡,与传统工厂相比全面提升了生产效率与产品质量。

 

  五洋纺机。2015年,五洋纺机与南京理工大学合作开发数字化工厂项目,总投资1.5亿,建成后将成为业内首个数字化工厂,该工厂占地35000平方米,按照德国工业4.0要求规划布局,五洋纺机将采购世界一流的生产装备,将彻底改变传统车间“一人一机”的生产模式。

 

轨道交通行业“互联网+”方向探讨

 

  中国南北车的合并是在全球竞争格局下的中国轨道交通装备产业发展的必然选择,通过中国轨道交通装备产业的合并重组,有利于让我国高端装备制造业提高价值链、增强技术创新链,打造中国高端产业集团,服务中国制造2025。对于轨道交通行业,随着南车和北车合并成为一家中车股份公司,资源整合势在必行,借此机会用“互联网+”的思路升级创新正当其时,是绝好的机遇。

 

  如果将“互联网+”的思路与中车股份所属的实体制造企业(如机车车辆制造厂)在建设定位、生产制造、运营维护三个环节上进行结合打造智能工厂,应当能产生如下四个方面的创新:

 

建设定位

 

  传统自动化一般是在规范的环境下做重复性的工作。当外部环境或工作任务发生变化时,可能需要对系统重新进行人工干预、设定甚至改造,可见传统自动化的柔性较小。而智能化就是用来解决这个矛盾的,让机器智能地完成运输、机器切换与诊断、调度等工作,由系统智能地设定自动化系统的工作方式。也就是说“互联网+工业”不仅涉及生产过程,还涉及研发、服务、采购、销售等诸多环节的智能化改造。要实现数字化工厂的集成,首先需要明确工厂的建设定位并制定智能改造的范围。以某机车车辆企业为例,对其现有业务分厂及主要指标进行如下分析:

 

表1 某机车车辆企业现有业务分厂及主要指标分析

 

 

  以转向架为试点,开展自动化产线建设、物流智能配送、在线监测应用,完成数控设备改造、工艺装备改造,通过现场工业互联网建设,实现数据自动采集、自动化设备集成等。涉及设备98台,其中改造设备53台。

 

表2 以转向架为试点的改造清单

 

 

  另外,通过云计算虚拟桌面和分布式任务管理技术,可以在组装厂云数据中心为各外协厂设计人员提供安全的设计和仿真平台,各厂设计人员在同一个平台上进行设计和即时仿真,既加快了设计速度、提高了设计质量,还避免了重复投资和知识产权泄露。

 

智能生产

 

  智能化工厂以MES为核心,对工厂内的制造资源、计划、流程等进行管控。智能制造与产品设计层又紧密关联,是设计意图的物化环节。通过系统集成,可以从以下7个方面着手,打造适合企业自己的智能工厂:智能计划排产、智能生产协同、智能工业机器人、智能产品追溯、智能的设备互联互通、智能资源管理以及智能决策支持(基于大数据分析的决策支持,形成管理的闭环),通过实时交换数据,形成制造决策、执行和控制等信息流的闭环,实现可视化、个性化、智能化的高效生产模式。智能化工厂典型应用场景如下图:

 

 

图3 智能化工厂典型应用场景图

 

  未来,还可以通过价值链以及信息网络,进行信息资源整合,能够实现产业链上各企业间的研发、设计、生产制造、供应链管理、服务等方面的无缝合作和综合集成,为龙头企业建设智能工厂发挥产业链示范带动效应提供了基础。

 

智能运维

 

  通过大数据的方法,建立数据仓库,对销售出去的机车车辆和零部件结合历史数据、运行地的自然环境、天气及气候原因进行智能分析判断和可视化展示,预测机车车辆及零部件损坏情况,及时调整维修计划,变被动运维为主动运维,既帮助用户减少故障率,提高安全运行指标,又减少了运维损耗,通过合理备件和检修,降低了运维成本。下图为某机车车辆企业对整车及关键零部件进行全生命周期动态管理图示。

 

 

图4 某机车车辆企业对整车及关键零部件进行全生命周期动态管理图

 

  综上所述,“互联网+工业”的主旨是在利用新的互联网技术建立起人、物、设备之间的超级互联通道,打通产业链上下游从产品研发、设计、生产、物流到服务的全信息流管理,实现全部环节的无缝衔接和信息集成,然后围绕采集到的大数据,进行分析和优化,进而产生新的商业模式。对于铁路、城铁、高铁等轨道交通厂家来说,“互联网+”设计、生产和运维,可以激发出无限创新的可能,认准方向,立即行动,中国制造2025将不再遥远。

 

作者 宋冠蕾 中国南车股份有限公司战略和发展部

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