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活動鏈接：2016年控制網專題——工業4.0撬動工業服務新發展

來源：e-works     

2014年11月27日，在e-works數字化企業網舉辦的“第十屆中國制造業產品創新數字化國際峰會”上，清華大學莫欣農教授發表了題為《工業4.0時代制造服務模式的創新》的演講，本文根據其演講內容整理而成。

圖1 清華大學莫欣農教授

蒸汽機的發明將工業帶入了機械化時代，電子和電力技術的發明將工業帶入了電氣化時代，IT技術的發明將工業帶入了自動化時代，那么如今互聯網技術的發明將 會將工業帶向什么方向呢？這是我近幾年一直在研究思考的問題。在互聯網時代，產品生命的中期——即將產品交付給用戶使用階段，是否需要一種計算機管理軟件 來支持產品生命中期的數據管理？對此我做了一些探索。今天我的演講就是圍繞在工業4.0，也就是互聯網時代，制造業服務模式的創新來展開。

一、德國工業4.0代表智能化時代

計算機發展到現在跟以前有什么變化呢？六十年代的時候，很多人使用一臺計算機，到了八十年代每個人一臺計算機，到了現在一個人可能擁有多臺計算機，這種量 的變化帶來了質的變化，未來每一款產品或機器中，都會包含很多智能設備，這些智能設備聯網之后，這形成了我們所處的互聯網時代。

圖2 計算機在人類生活中的應用

在互聯網時代，網絡將很多內嵌計算機的物理設備連接在一起，并在虛擬世界中實現信息共享，從而形成了物聯系統（CPS），它最大的特點就是能將現實物理信息和虛擬計算機信息融匯在一起。

比如成百上千臺風力發電機通過網絡互聯，將實時運行數據發送到控制中心，如果其中一臺發生故障，得知故障代碼之后即刻按照預先設定好的維修策略，通知相關 部門對其進行維修。通過風力發電機物聯系統可以隨時掌握所有網內設備的狀態數據。每次維修人員驅車幾百公里到現場處理一個故障的同時，捎帶處理周邊上百臺 設備的亞健康事件。這種互聯網思維能夠大大提高維修服務水平，降低維修成本。

圖3 風力發電機的聯網物理系統

每一次工業革命都會淘汰落后的生產方式，帶來新生的社會變革，比如工業1.0使我們從農業、手工業轉入工業化社會，工業2.0使社會生產出現分工協作，工業3.0出現機器人與自動化生產線，機械逐步代替人類部分勞動，工業4.0則進步到分散化生產、網絡化管理、實時化控制，機械逐步代替人類進行部分管理，實現工業智能化。

二、智能服務是制造服務的新模式

以汽車行業為例，其利潤來源主要有三部分，設計創新、制造銷售和后期維護。其中制造銷售所占投資最大，但是利潤率卻最低，而后期維修服務與設計創新的利潤不相上下，這是企業新的利潤增長點。

圖4 汽車制造業分工比例與利潤率分布圖

德國工業4.0為制造業服務提出了新的模式——智能服務。工業4.0的內涵是智能工廠和智能制造，其核心是聯網物理系統，通過傳感網緊密連接現實世界，將網絡空間的高級計算能力有效運用于現實世界中，從而在生產制造過程中，與設計、開發、生產有關的所有數據將通過傳感器采集并進行分析，形成可自律操作的智能生產系統，制造出智能產品。而智能服務將智能產品與狀態感知、大數據處理等技術結合，能改變產品的現有銷售和使用的模式，增加網上租用、自動配送和返還、優化保養和維修等新的汽車智能服務模式。

目前聯網物理系統將深入社會生活的各個領域，實現智能服務。比如工業領域的智能工廠，根據一組IT配置規則，定義一組工廠結構拓撲，完成一項專門項目；能 源領域的智能電網，根據一組IT配置規則和使用環境參數，完成一組電網結構拓撲；移動通訊領域的智能網絡，根據一組IT配置規則和使用環境，組建一組移動 通訊網絡結構。

在美國，制造與服務融合的企業占制造業總數比例約為58%，而在中國這一比例僅僅只是2.2%。英國的勞斯萊斯發動機公司是波音、空客等大型飛機制造企業 的供貨商，現在以“租用服務時間”的形式出售發動機，而且承擔一切保養、維修和服務，其服務收益占公司總收入55%以上。這些數據都是值得中國制造業深思 的。

總結起來，工業4.0時代的維修服務具有以下特點：

制造商掌握產品核心技術，降低維修成本，提高產品完好率；

制造商掌握產品實際性能和用戶需求，提高產品創新能力；

通過服務合同降低用戶維修成本，提高產品利用率，綁定用戶；

制造商掌握產品使用狀況，合理生產和配送備件，減少浪費；

制造商掌握產品健康信息，合理報廢回收，在再制造中盈利。

還是以汽車行業為例，傳統被動的4S店服務模式中，車主自己將車開進4S店，效率不高，維修不合理，服務店的客戶也不穩定，資源不能共享、缺乏整個市場的 宏觀信息。在工業4.0智能服務模式中將變為主動服務，能實時掌握每輛汽車的部分或全部運行狀態，合理制定維修計劃；通過服務合同綁定用戶，避免維修業務 流失；資源共享，改善服務質量、降低維修成本、提高完好率；通過數據分析和挖掘，提高創新能力；開展自動駕駛汽車的租賃服務。能實現這些智能服務的前提條 件是運維服務信息化系統，每輛汽車增設狀態信息發送裝置，智能服務店聯網，制造商統一指導各項維修的標準和價格，保證用戶、服務店和制造商共贏。

三、智能服務信息化系統的關鍵技術

各種智能產品通過互聯網相互連在一起形成工業互聯網。工業互聯網中，采集加工設備的健康情況、加工精度和難點、環境變化、質量檢測等數據，不斷自動調整設 備，周而復始，最終使設備、產品一直保持在高品質的狀態。采集運行設備性能數據、預測故障、優化維修計劃，保證設備一直處于良好的使用狀態，提高利用率， 降低維修成本和提供改進的方向。由此可見，成百上千萬的傳感器時時刻刻提供大量的數據，通過互聯網傳到工業大數據管理中心，經過分析處理，實現一場新的工 業革命——“制造”和“服務”融為一體。而處理工業大數據則需要“制造+服務”的信息化平臺。

“制造+服務”信息化平臺的基本要求有以下幾點：

管理設計和制造階段的數據和過程：傳統的PDM管理設計階段；傳統的MPM和MES管理制造階段。

管理使用和維修階段的數據和過程：傳統的EAM管理使用階段；傳統的MRO管理維修階段。

跨階段提供有關使用和維修的最新知識：根據設計技術指標，正確指導維修政策；根據設計和制造圖紙與工藝，正確完成維修任務。

跨階段反饋使用和維修階段的經驗，優化設計和制造：統計和分析不同環境、地域的使用性能，發掘差距和潛力；統計和分析各類故障，發掘不斷完善和提高的措施；收集使用和維修中的新需求，開發新功能、新產品；提供其它領域的知識。

真正的產品全生命周期管理（PLM）平臺。

實現“制造+服務”信息化平臺也有諸多難點。比如多種設備和不同傳感器傳遞數據的協議各不相同，保密要求相差很大；成百上千萬個運行參數按照不同頻率發 送，瞬時密度達到10萬條記錄/每秒，甚至更高；成千上萬臺設備持續幾年到幾十年的使用和維修數據非常龐大，現行關系型數據庫無法承受；高價值知識的數量 極少，且隱藏在大量的低價值數據中；除了自動發送以外，還有不可避免的人工在外場采集的數據；相同型號不同批次產品的性能、維修標準會有差異。同一個設備 在長期使用和維修中，性能和維修標準也會發生變化；為了提高管理水平，必須加強維修服務過程的監督和考核，要克服人工執行過程管理的難題；大數據涉及到眾 多專業知識，需要集成各種專業分析工具，實現有效的挖掘；數據反饋過程的控制和權限管理……

為了解決這些難題，“制造+服務”信息化平臺需要具備一些核心技術。第一就是以中性BOM為核心的維修知識管理框 架。產品設計制造階段有功能BOM、設計BOM和制造BOM，產品使用維護階段有實例BOM。為了搭建連接設計制造知識與服務保障知識的橋梁，引入了中性 BOM，可以將設計制造階段的功能說明、維修標準、維修工藝等正向傳遞到維護階段，也可以將維護階段的故障描述、使用需求逆向反饋到產品設計制造。

圖5 中性BOM為核心的維修知識管理框架

第二是用自由表代替關系型數據庫，采用自由表的格式可以大大減少數據量。

圖6 以裝備標識為行鍵的單列族工況數據自由表存儲邏輯模型

第三是“制造”+“服務”信息化平臺框架，包含數據分析挖掘系統、狀態監控系統和運維服務系統三部分。基于狀態監測的維修策略、數據挖掘發現故障征兆模式和狀態匹配的維修計劃優化，保證了產品維修過程監控、產品維修資源調度和產品維修質量評價與反饋。

圖7 “制造”+“服務”信息化平臺框架

四、典型應用

新型制造服務業務流程中，通過監測設備運行的狀態，對其運行狀態數據進行收集分析，從而決策運維服務計劃的執行。這種流程下體現出的幾個特點是狀態信息透明化、狀態監測集中化、服務內容綜合化、狀態分析智能化、運維知識集成化等。

圖8 新型維修服務業務流程

在三一集團建立了一個全球客戶門戶進行主動服務，通過這個門戶管理分布在全國的幾十萬臺機械，每一臺機械上裝有GPS和工況數據采集設備，將數據實時傳回到中央控制室。如果某一臺機器出現故障，就可以在地圖上定位這臺機械所處位置，并找到附近服務車對其進行維修。這套信息系統能保證用戶放心使用機械，也大大降低了三一集團的維修成本。

圖9 三一集團全球客戶門戶—主動服務網站

本文根據清華大學莫欣農教授在“第十屆中國制造業產品創新數字化國際峰會”上的發言整理而成，已經本人確認。