世界首台动车组车底检测机器人投入使用,制造业巨头纷纷抢入布局

5月26日,2019中国国际大数据产业博览会在贵阳开幕,全球大数据业界的代表和嘉宾围绕“创新发展·数说未来”的主题,共商大数据产业发展与合作大计。
在2019数博会“工业互联网与智能+”高端对话上,中国信息通信科技集团有限公司党委常委、中国工程院院士余少华在主题演讲中谈及推进工业互联网的原因。他认为,总的来说,发展工业互联网网络、平台、安全三大体系对中国制造的国际地位和转型升级意义重大,未来我们工业互联网要建立两个关联工厂,不仅仅是物理的工厂,更是智能的工厂。从中国制造业来看,中国有超过220个工业品产量是世界第一,我们应该是不折不扣的全球第一制造大国,从趋势上来看,未来十年互联网是由消费领域向制造领域推进。在这个趋势过程中,人、网、物都会发生量级变化。
通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作,实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应,达到资源的高效利用,从而构建服务驱动型的新工业生态体系。
以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础,通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析,实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革。
工业互联网的最早概念来自于美国,是GE公司率先提出来的。我们知道,传统的制造业的生产设备、产品的生产、检修、追溯,大部分都是通过人工来操作,严重依赖老工人的经验判断,而且传承周期很长。
那么工业互联网时代,就是通过万物互联的方法,将生产设备、产品、服务,通过云计算、大数据来分析,最终实现最优化解决方案,这大大增加了制造业的效率,堪称第四次工业革命。因此工业互联网和工业4.0有很多的共同之处。只不过,德国的工业4.0的提法少了云计算和大数据融合,更多的是制造业的智能化。
工业互联网是工业化国家在过去几十年强大的技术积累,以及和互联网结合以后产生的新战略,新的技术布局以及对未来的一种新的愿景。如果我们单从互联网角度去解读这些愿景和战略,是远远不够的。事实上工业互联网有强大的技术支撑。
工业互联网平台参考架构
那么目前工业互联网走到哪一步了呢?很可惜,目前工业互联网是工业的最高阶段,但目前也仅走到工业物联网阶段。也就是未来还有很长的路要走。感知是物联网的先行技术,要确保物联网的稳定运行,离不开众多感知技术的加持,其中最为关键的技术之一便是传感器。
传感器是工业互联网的基础和核心,是自动化智能设备的关键部件,工业互联网的蓬勃发展,将给传感器企业带来巨大的机会。
工业互联网为传感器企业带来巨大市场
参照工业2.0、3.0、4.0,人工智能1.0、2.0等阶段划分,工业互联网可分成三个阶段:工业互联网1.0,通过建设以IP技术为基础的网络连接体系,实现工厂IT网络与OT网络的连接,工厂外部企业与上下游、智能产品、用户的网络联通;工业互联网2.0,通过工业数据采集技术,实现产品、设备、原材料、产业链等详细数据的上传和汇聚,为工业互联网平台和工业APP打下基础;工业互联网3.0,通过人工智能、边缘计算技术,实现物理世界与数字世界的智能无缝连接。
我国大部分的工业企业尚处于工业互联网1.0或向其迈进的过程中,少部分领先性企业在探索实践工业互联网2.0,个别企业开始布局工业互联网3.0的研究。工业互联网发展的不同阶段对传感器要求差别亦不同,传感器及传感系统产业企业同样需要准确定位,不仅要看到工业互联网发展给传感器产业发展带来的蓝海,更要挖掘有效市场,实现最终的产值和利润。
工业互联网一方面给传感器企业带来了机会,另一方面也对传感器提出了新的要求,主要体现在对灵敏度、稳定性、鲁棒性等方面的要求会更高。同时,工业互联网的普及使得传感器无处不在,大量使用对传感器提出轻量化、低功耗、低成本的要求,同时也更多要求网络化、集成化、智能化。
此外,工业互联网传感器应用涉及的面更广,对传感器的数量及产业化的需求更大,国内传感器产业目前还存在企业规模小、创新能力不足的问题,完全满足工业互联网的需求还有不少差距。近期爆发的中美贸易摩擦中对核心芯片的禁运,也给我们传感器及应用行业敲响了警钟。传感器和集成电路芯片一样,都属于高技术含量的关键零部件,如果国内企业不加大自主创新力度,未来也会面临类似的局面。
无线传感器网络
随着传感器、计算机、无线通信及微机电等技术的发展和相互融合,产生了无线传感器网络(WSN,wirelesssensornetworks)。无线传感器网络技术与当今主流无线网络技术使用同一个标准——802.15.14,它是一种新型的信息获取和处理技术,是继互联网之后,将对人类社会的生产、生活方式产生重大影响的一项重要技术。无线传感网络综合了嵌入式计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术以及通信技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的不同监测对象的信息。
无线传感器网络系统(WSNS,wirelesssensornetworkssystem)通常由传感器节点、聚节点和管理节点组成。
无线传感器网络通信体系结构图
无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注,被称为二十一世纪最具影响的技术之一;改变世界的10大新技术之一;全球未来的四大高技术产业之一。无线传感器网络技术很快也将进入工业互联网和工业测控领域。伴随未来大多数工业仪表和自动化产品对无线传输功能的集成,从而完成从有线到无线的过渡。
典型的工业用无线传感器网络
工业用无线传感器网络示意图,核心部分是低功耗的传感器节点(可以使用电池长期供电、太阳能电池供电,或风能、机械振动发电等),网络路由器(具有网状网络路由功能)和无线网关(将信息传输到工业以太网和控制中心,或者传输通过互联网联网)。
在工业自动化领域的老牌劲旅,如GE、Honeywell等,都推出了各种工业无线传感器网络产品和系统,国内也有不少研究机构和大型公司在进行相关研究。
传感器网路在工业互联网的应用
工业互联网现在人们普遍理解为使用传感器网络和机到机通信的工业环境自动化。
市场分析公司NanoMarkets在2014年11月发表的“工业互联网用传感器市场”报告就将工厂自动化、楼宇自动化、智能电网和公共交通等作为工业互联网的应用,并预测到2019年之前这一领域每年消费的传感器将超过200亿美元。今后的技术人员和维护人员将越来越多地使用强大的平板电脑收集和处理来自工业机械中集成的传感器发出的信息。
1、工业环境监测
工业环境的监测范围已经涉及到整个生态环境的各个方面,包括日常环境监测,如大气,水,电磁辐射和放射性监测等;同时还存在一些特殊的区域环境监测,如沙漠、高山和存在放射源等区域的监测。这些环境对传感器产品的灵活性、可靠性和安全性提出了高要求。
无线传感器网络产品可以突破传统的监测方法,在满足了灵活性、可靠性和安全性的同时,为工业环境的监测降低了成本,同时也大幅度缩减了传统监测的繁琐流程,为随机性的研究数据获取提供了便利。随着人们对于工业环境的关注程度越来越高,需要采集的环境数据也越来越多,对无线传感器网络产品的需求将逐步扩大。
2、智能电网
当前,全球能源、环境、气候变化等问题日益突出,世界各国纷纷把开发利用清洁能源作为能源发展与变革的重点。智能电网如今已经成为物联网技术的重要应用之一,也是电网发展的必然趋势。智能电网通过先进的传感测量技术、通讯技术、先进的控制方法和决策支持系统技术的应用,确保电力供应的安全性、可靠性和经济性。
为了使智能电网的持续运营,设备安全保障已经成为了关键问题。由于电网设备长期处于高电压、大电流等工作状态,同时面临雷雨等极端自然环境的威胁,对设备实施智能监控显得尤为重要。无线传感器网络产品可对电网设备进行远程的监控,了解设备的工作状态,并将数据传输到控制中心,对设备进行统一管理,同时实时监控也提高了维护效率。随着智能电网计划的推进,对电网设备的智能化监控需求形成了巨大的无线传感器网络产品市场。
3、数字化油田
经济发展与社会需求的不断扩大加速着油井数量的迅速上升,油田开发整体范围也呈扩大趋势。因此,油田生产、管理与经营的智能化成为发展趋势,数字化油田应运而生。
在油田的数字化过程中,无线传感器网络产品可以对油井环境和井口设备实现实时监控,将工作现场的设备状态,环境参数等重要信息传到控制中心,在必要时刻即刻发出警报并安排调度。随着无线传感器网络产品在油田的深入推广和广泛示范,数字化油田的数量也将逐渐增加,无线传感器网络产品的市场需求将呈现高速增长的态势。
4、智能工业
我国工业制造业正面临新一轮产业革命的契机,制造企业利用物联网技术进行改造升级的需求十分迫切,信息技术企业也在积极借助物联网技术,以其为突破口迅速向工业领域渗透。以智能化为核心的工业4.0的提出,契合了物联网技术向工业领域融合的趋势,未来市场发展潜力巨大。智能制造中的核心之一是工业过程的智能监测。
将无线传感器网络技术应用到智能监测中,将有助于工业生产过程工艺的优化,同时可以提高生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平,使得生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。随着物联网的快速发展和工业4.0的进一步推进,以智能化为核心的工业过程控制将得到快速发展,进而拉动对基于无线传感器网络技术的工业过程监测系统解决方案的市场需求。
工业无线传感器网络产品飞速增长的主要原因是随着整个物联网生态环境的成熟,工业物联网也由政府主导开始慢慢发展。中国工业感测终端的数量保持着飞速增长的态势,2014年中国工业感测终端数量为7亿左右,预计伴随着中国制造2025的推行,到2020年,中国工业感测终端将突破20亿个。
同时,无线通信、功耗、极端微型化(驱动力之一是MEMS传感器)以及嵌入式计算方面的发展,也促成了面向苛刻工业环境的无线传感器网络的兴起。工业无线传感器网络产品会随着“中国制造2025”的提出所带动的企业生产线改造和IT设备升级改造一直高速增长到2019年,并一直保持着上升趋势。
工业互联网领域传感器不仅是硬件,更是数据的创造者,同时也是服务的创造者。

通用电气数字部表示,到2030年,全球工业物联网总投资将达60万亿美元。通用电气数字部和日立HitachiInsightGroup不是工业物联网的唯一参与方,他们专注于使工业物联网成为智能环境的核心,在工业物联网投资上更是一掷千金。
制造业巨头纷纷斥资建设工业物联网
至今,要向大众推销物联网并不那么容易,因为不是人人希望自家电器互通对话或交换信息。不过,对于即将到来的联网设备和机器时代,工业行业则垂涎欲滴。
未来十年,全球在工业物联网上的投资预计将达几千亿美元。制造巨头包括德国大众和日本日立公司已经开始斥巨资进行专项研究,建立软件平台,以最大程度上把握好发展机遇。

虽然消费者不希望联网设备泄漏自己的信息,但对机器生成数据的采集、分析和解读是工业物联网是否成功的关键所在。
近日,日立InsightGroup副总裁GregKinsey在接受ARC的访谈中说道:“未来10-15年,预计各个行业都会作相应投资,目的是
利用工业企业端对端价值链上的全部数据,比如,在航空和汽车制造业,对这些端对端价值链进行整合和数字化的潜力仍然巨大。”
工业物联网让工业生产更智能
日本人崇尚社会创新理念,也就是通过技术全方位提高社会智能程度,而制造业即是这个社会创新理念的完美起始点。
Kinsey指出,日立公司把动态调度、智能维护、生产质量划分成需要大力改进的三块领域,而这样工业物联网就可在制造行业内实现上述创新。“动态调度就是减少或解决每个制造过程发生的瓶颈问题。”
工业物联网可以减少设备发生故障的可能性,来自日立的Kinsey对此表示同意。他指出,如果可以预测到设备发生故障的时间,可大大降低停工期成本。
Kinsey说:“工业企业的目的是赚钱,如果他们能够改进客服方式,降低运营成本,将资本设备成本转成运营成本,并提升生产质量,那这就直接正中了他们的痛点。”
以一家工厂为例,这家工厂配备有1930年的老机器,也有安装不到三个月的新机器。制造商可以利用现有IT系统,和专有软件应用程序相衔接,而该应用程序同时与数据源和可用机器相连。
“任何工业企业都有一个异构型设备环境,如配有计算机、APP软件等,这是事实,而且有些还非常老旧”,Kinsey说。
工业物联网的核心是设备
工业设备事关通用电气公司的生计。在过去150年,始终把设备和机器摆在第一位的想法,帮助了通用电气赢得了良好声誉。通用电气始终坚信,设备的生命
周期(从设备购买至设备退役)从一开始就可得到优化。通用电气数字部工业物联网应用程序工程负责人VishSoaji在接受ARC的采访时说:“主要有三
件事在发挥了重要的作用。即,机器学习、传感器采集数据、大数据分析”
通用电气于2012年倡导“工业互联网”,在无数场合声称工业界已做好数字化的准备。作为领先的工业设备制造商,有必要重视Soaji建议的将多个事项变成智能、可用的环境。
如何改进设备性能,如何实现产出多而花费少?途径之一就是在工具上进行投入,提高设备效率和生产力。比如,通用电气数字部认为其基于云的Predix
平台服务和母公司当前所做的所有事项相符。据华尔街日报报道,通用电气今年计划在软件业务方面投入14亿美元,这充分表明了通用电气对新兴市场的信心。
Soaji指出,物联网最难之处在于没有人愿意分享数据,而通用电气无需担心这一点。
通用电气数字部表示,到2030年,工业物联网总投资将达60万亿美元,这一预测是合理的,因为依靠大机器创造收益的行业部门数量庞大。
我们如何利用现有基础设施?我们是否可以将现有基础设施转变成某种数据采集和分析机制?对于后者,答案是肯定的。
比如发电厂,像涡轮机这样的大型设备需要持续高效地运行,这就意味着涡轮机每天产生的数据极为重要,数据可帮助了解机器发生故障的原因及信号。涡轮机
一旦出现故障,就会损失巨大。如果设备可以通过联网设备进行实时分析,当数据异常时及时查看收到警报,这样的损失就可避免。
“工业物联网的核心是设备,如飞机发动机、机车引擎、炼油厂等”,Soaji说,“围绕这些设备,我们有很多事情可做,延长设备使用寿命,在事故发生前做好预测分析。通过物联网我们还可准确预测飞机引擎维护时间,无论是一个月还是一周。”

物联网的工业价值潜力巨大
工业物联网是一个大好机会,有助于在源头上提高工业和制造企业的效率。
据《投资者商业日报》报道,通用电气数字总监人BillRuh在圣拉蒙厂区举行的一次活动中向投资者表示,未来四年工业互联网市场价值可达2250亿美元,其中软件应程序市场价值为1250亿美元。
未来三年,日立将投入28亿美元,为客户群提供预测性解决方案。Kinsey表示,采用大数据和预测分析的工厂,日常运营中提高了10%的生产力。从事物的宏观角度来说,10%的提高看起来不算多,但这种效应最后会传递给终端消费者,而显得意义重大。
目前消费者还未看到物联网的价值所在,但对于工业界物联网的潜力巨大。通用电气数字部和日立InsightGroup不是工业物联网的唯一参与方,但他们专注于使工业物联网成为智能环境的核心,让人人都参与进来。
通用电气数字部的Soaji说:“我认为时机刚刚好,从现在开始的十年内,你将看不到本地应用软件,而是云端应用软件。我保证,所有事物都将与云有关,都将与软件有关,一切即将发生。

附加:工业物联网关键技术和应用
尽管社会各界对传感网、物联网、泛在网的概念众说纷纭,但人们普遍认为,物联网是指通过各类传感器实现物与物、物与人、人与人之间按需的信息获取、传递、储存、认知、分析和使用。
物联网的关键环节可以归纳为全面感知、可靠传送、智能处理。全面感知是指利用射频识别、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕
获、测量的技术手段,随时随地对物体进行信息采集和获取。可靠传送是指通过各种通信网络、互联网随时随地进行可靠的信息交互和共享。智能处理是指对海量的
跨部门、跨行业、跨地域的数据和信息进行分析处理,提升对物理世界、经济社会各种活动的洞察力,实现智能化的决策和控制。相比互联网具有的全球互联互通的
特征,物联网具有局域性和行业性特征。
工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节,可大幅提高制造效率,改善产品质量,降低产品成本和资源消耗,将传统工业提升到智能工业的新阶段。
物联网在工业领域的几方面应用
从当前技术发展和应用前景来看,物联网在工业领域的应用主要集中在以下几个方面。
制造业供应链管理物联网应用于企业原材料采购、库存、销售等领域,通过完善和优化供应链管理体系,提高了供应链效率,降低了成本。空中客车通过在供应链体系中应用传感网络技术,构建了全球制造业中规模最大、效率最高的供应链体系。
生产过程工艺优化物联网技术的应用提高了生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平。生产过程的智能监控、智能控制、智
能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。钢铁企业应用各种传感器和通信网络,在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控,从而提高了产品
质量,优化了生产流程。
产品设备监控管理各种传感技术与制造技术融合,实现了对产品设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。
环保监测及能源管理物联网与环保设备的融合实现了对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标的实时监控。在重点排污企业排污口安装无
线传感设备,不仅可以实时监测企业排污数据,而且可以远程关闭排污口,防止突发性环境污染事故的发生。电信运营商已开始推广基于物联网的污染治理实时监测
解决方案。
工业安全生产管理把感应器嵌入和装备到矿山设备、油气管道、矿工设备中,可以感知危险环境中工作人员、设备机器、周边环境等方面的安全状态信息,将现
有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台,实现实时感知、准确辨识、快捷响应、有效控制。
物联网与先进制造技术结合
与未来先进制造技术相结合是物联网应用的生命力所在。
物联网是信息通信技术发展的新一轮制高点,正在工业领域广泛渗透和应用,并与未来先进制造技术相结合,形成新的智能化的制造体系。这一制造体系仍在不断发展和完善之中。概括起来,物联网与先进制造技术的结合主要体现在8个领域。
泛在感知网络技术建立服务于智能制造的泛在网络技术体系,为制造中的设计、设备、过程、管理和商务提供无处不在的网络服务。目前,面向未来智能制造的泛在网络技术发展还处于初始阶段。
泛在制造信息处理技术建立以泛在信息处理为基础的新型制造模式,提升制造行业的整体实力和水平。目前,泛在信息制造及泛在信息处理尚处于概念和实验阶段,各国政府均将此列入国家发展计划,大力推动实施。
虚拟现实技术采用真三维显示与人机自然交互的方式进行工业生产,进一步提高制造业的效率。目前,虚拟环境已经在许多重大工程领域得到了广泛的应用和研究。未来,虚拟现实技术的发展方向是三维数字产品设计、数字产品生产过程仿真、真三维显示和装配维修等。
人机交互技术传感技术、传感器网、工业无线网以及新材料的发展,提高了人机交互的效率和水平。目前制造业处在一个信息有限的时代,人要服从和服务于机器。随着人机交互技术的不断发展,我们将逐步进入基于泛在感知的信息化制造人机交互时代。
空间协同技术空间协同技术的发展目标是以泛在网络、人机交互、泛在信息处理和制造系统集成为基础,突破现有制造系统在信息获取、监控、控制、人机交互和管理方面集成度差、协同能力弱的局限,提高制造系统的敏捷性、适应性、高效性。
平行管理技术未来的制造系统将由某一个实际制造系统和对应的一个或多个虚拟的人工制造系统所组成。平行管理技术就是要实现制造系统与虚拟系统的有机融合,不断提升企业认识和预防非正常状态的能力,提高企业的智能决策和应急管理水平。
电子商务技术目前制造与商务过程一体化特征日趋明显,整体呈现出纵向整合和横向联合两种趋势。未来要建立健全先进制造业中的电子商务技术框架,发展电子商务以提高制造企业在动态市场中的决策与适应能力,构建和谐、可持续发展的先进制造业。
系统集成制造技术系统集成制造是由智能机器人和专家共同组成的人机共存、协同合作的工业制造系统。它集自动化、集成化、网络化和智能化于一身,使制造具有修正或重构自身结构和参数的能力,具有自组织和协调能力,可满足瞬息万变的市场需求,应对激烈的市场竞争。

工业物联网关键技术问题
从整体上来看,物联网还处于起步阶段。物联网在工业领域的大规模应用还面临一些关键技术问题,概括起来主要有以下几个方面。
工业用传感器工业用传感器是一种检测装置,能够测量或感知特定物体的状态和变化,并转化为可传输、可处理、可存储的电子信号或其他形式信息。工业用传
感器是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正
常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。可以说,没有众多质优价廉的工业传感器,就没有现代化工业生产体系。
工业无线网络技术工业无线网络是一种由大量随机分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状网络,综合了传感器技术、嵌入式
计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,具有低耗自组、泛在协同、异构互连的特点。工业无线网络技术是继现场总线之后工业控制系统领域
的又一热点技术,是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术,也是未来几年工业自动化产品新的增长点,已经引起许多国家学术界和工业
界的高度重视。
工业过程建模没有模型就不可能实施先进有效的控制,传统的集中式、封闭式的仿真系统结构已不能满足现代工业发展的需要。工业过程建模是系统设计、分析、仿真和先进控制必不可少的基础。
此外,物联网在工业领域的大规模应用还面临工业集成服务代理总线技术、工业语义中间件平台等关键技术问题。
找准工业领域关键环节的切入点
我国工业领域行业众多,推进物联网应用必须坚持以业务驱动为主,找准工业领域关键环节的切入点。
当前,可在部分需求迫切、技术成熟、效益明显、带动性强的工业领域,围绕关键环节开展物联网的应用试点,催生和推进中国智能工业的发展。
装备制造业供应链管理借助射频识别等物联网技术实现对装备产品的数字化物流管理,推动上下游协作厂商共同应用先进物流管理技术,建设一个相互支持的装备制造现代物流群,提高整个供应链的协调性,实现现代物流与装备制造的联动发展。
食品安全追溯体系发挥物联网在货物追踪、识别、查询、信息等方面的作用,推进物联网技术在农业养殖、收购、屠宰、加工、运输、销售等各个环节的应用,实现对食品生产全过程关键信息的采集和管理,保障食品安全追溯,实现对问题产品的准确召回。
石化设备智能测控将物联网技术推广应用到石油勘探、开采、运输等环节,建立油井生产智能远程测控系统,实现对石化生产设备的智能测控和管理,促进化工企业的安全生产和科学管理。
煤矿安全生产管理重点应用传感器、无线射频识别、移动通信等技术实现水、火、顶板、瓦斯等煤矿重大危险源的识别与监测,建设和完善安全监测网络系统,提升煤矿安全生产过程的监控和应急响应水平。
工业排污实时监控在化工、轻工等部分高污染行业,支持其智能排污监控系统的建立与完善,实现智能排污自动监控装置、水质数据监控装置、水质参数检测仪等设备的集成应用,对重点排污监控企业实行实时监测、自动报警,远程关闭排污口,防止突发性环境污染事故的发生。

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