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整合两大革命优势 工业互联网将如何实现?

供稿:中国工控网 2016/8/16 11:29:22

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  创新将显著提高航空、铁路运输、发电、石油与天然气开发及保健服务等不同行业的发展速度和效率,推动世界经济增长,为全球创造更多更好的就业机会,不断提高人们的生活水平。在美国与中国如此,在非洲的大城市及哈萨克斯坦的农村地区亦是如此。

  随着医疗服务水平的不断提高,成本日益浓缩,大量燃料与能源得以节省,实物资产性能提升和使用寿命拉长,工业互联网将进一步提高效率,促进生产力发展。生产力提升就意味着收入和生活水平的改善。在美国,如果工业互联网推动生产率每年增长1-1.5个百分点,使生产率再一次达到网络革命巅峰水平,在接下来的20年里,平均收入水平将提高25-40%。若其他各国生产力增长水平能维持在美国的一半,工业互联网将为全球GDP创造10—15万亿美元价值,这相当于美国今天的经济总量。在当今充满挑战的经济环境下,确保部分生产率增长能给个体与整体经济带来巨大裨益。

  后继浪潮

  这能实现吗?工业互联网将整合两大革命性转变之优势:其一是工业革命,伴随着工业革命,出现了无数台机器、设备、机组和工作站;其二则是更为强大的网络革命,在其影响之下,计算、信息与通讯系统应运而生并不断发展。

  伴随着这样的发展,三种元素逐渐融合,充分体现出工业互联网之精髓:

  智能机器:以崭新的方法将现实世界中的机器、设备、团队和网络通过先进的传感器、控制器和软件应用程序连接起来。

  高级分析:使用基于物理的分析法、预测算法、自动化和材料科学,电气工程及其他关键学科的深厚专业知识来理解机器与大型系统的运作方式。

  工作人员:建立员工之间的实时连接,连接各种工作场所的人员,以支持更为智能的设计、操作、维护以及高质量的服务与安全保障。

  将这些元素融合起来,将为企业与经济体提供新的机遇。例如,传统的统计方法采用历史数据收集技术,这种方式通常将数据、分析和决策分隔开来。伴随着先进的系统监控和信息技术成本的下降,工作能力大大提高,实时数据处理的规模得以大大提升,高频率的实时数据为系统操作提供全新视野。机器分析则为分析流程开辟新维度,各种物理方式之结合、行业特定领域的专业知识、信息流的自动化与预测能力相互结合可与现有的整套“大数据”工具联手合作。最终,工业互联网将涵盖传统方式与新的混合方式,通过先进的特定行业分析,充分利用历史与实时数据。

  工业互联网潜力的冰山一角

  在最初阶段,工业互联网为各种各样的机器(从简单的到极为复杂的机器)嵌入传感器与其他高级设备,这方便了海量数据的收集与分析,从而改善机器性能与系统及连接网络的效率。数据本身甚至也会变得“智能化”,能够迅速掌握目标用户位置,仅在航空业就蕴藏着无限潜力。据估算,目前有2万架商用飞机,它们配备有4.3万台喷气发动机。

  每台喷气发动机由诸多旋转设备组成。针对这些旋转设备,人们可以进行单独监控。若“智能飞机”能与机组人员交流互动,那么发动机维护、燃料消耗、机组人员分配与调度的效率提升将超乎想象。所有这些仍仅是基于当下数据。在未来15年中,随着航空服务不断扩展,陆续将有3万台喷气发动机投入使用。同样,火车头、联合循环发电厂、能源加工厂、工业设施与其他关键设备也颇具潜力。总的来说,今天全球工业基地拥有超过300万台旋转设备,而这仅仅是工业互联网潜力的冰山一角。

  1%增长意义非凡

  机器与智能分析相互结合将带来诸多裨益。我们预计,工业互联网的技术创新将直接应用于各行各业,并产生32.3万亿美元的经济效益。随着全球经济继续发展,工业互联网的应用潜力也将不断增长。到2025年,工业互联网将创造82万亿美元的经济价值(约为全球经济总量的二分之一)。了解具体行业中工业互联网产生价值的保守估算,具有一定的指导意义。工业互联网效率增长1%,将产生巨大影响。例如,在商用航空领域,每节省1%的燃料意味着将来15年中能节省300亿美元支出。同样,若全球燃气电厂运作相率提升1%,将节省660亿美元能耗支出。此外,工业互联网能提高医疗保健流程效率,有益于该行业的发展。医疗保健行业效率每增长一个百分点,将节省630亿美元。世界铁路网交通运输效率,若提高一个百分点,将节省270亿美元能源支出。这些都还只是工业互联网潜力很小的一部分。

  惠及全球

  作为创新的关键源泉,美国是工业互联网技术的先锋。伴随全球一体化不断深化,技术转让迅速发展,工业互联网的益处将惠及全球。实际上,随着新兴市场大力投资基础设施,尽早采用并快速部署工业互联网技术将成为发展的强劲助推器。新兴市场国家或许不需要沿袭发达国家曾经走过的道路。例如,无线技术将替代电缆或有线技术;私有、半公共或公共云系统将替代各个孤立系统。这一切都有助于弥补发达国家与发展中国家生产力之间的鸿沟。在该进程中,工业互联网将缓解资源与资金压力,令全球经济社会发展更具有可持续性。

  推动力与催化剂

  工业互联网需要应用的推动力和催化剂:

  我们需要不懈努力推动技术创新,同时加大投资配置必要的传感器、测试设备与用户界面系统。投资将成为加速实现技术转化的基本条件。工业互联网能在多大程度上提高效率,能带来多少便利将取决于其发展步伐。部署工业互联网的成本将因行业与地区而定。然而,对该技术领域的投入,人们普遍认为其成本最终将获得正收益。

  坚固的网络安全系统、管理脆弱环节、保护敏感信息与知识产权的有效途径。

  建立庞大的人才库,包括新型交叉人才,如机械与工业工程结合形成新的“数字机械工程师”,创建分析平台与算法的数据专家及软件与网络安全专家。培训员工掌握相应技能,有助于确保创新,并创造更多就业机会,促进生产力发展。工业互联网是一项需要投入人力物力的工程,但它将彻底改变我们的工业发展与生活方式,促进人脑与机器的互动与融合。

  创新和生产力:接下来呢?

  在人类历史长河中,大部分时候,生产力增长让人难以察觉,人们生活水平的提高也非常缓慢。然而,大约200年前,人类在创新方面迈出了一大步——工业革命。从此,人和畜类的体力劳动被机械动力替代。工业革命进行了一波又一波,给我们带来了蒸汽机、内燃机,继而是电报、电话和电。生产力水平得到大幅提高,经济实现快速增长。1800年前,西方经济体人均收入翻一番足足花了800年;而在接下来的150年里,却增长了13倍。但到了1970年代,生产力领先的美国,却开始止步不前。

  依赖于信息存储、计算和通信技术的突破,计算机和全球互联网兴起,于是人类在创新领域里迈出了第二步。其对于生产力的影响甚至更为深远,但是,貌似才过了十年,到2005年左右,强劲势头就消退了。

  一些人断言,故事就此结束。他们认为,过去的几波创新浪潮,虽然极大促进了商业和经济的发展,但对于未来的生产率增长,却派不上用场。他们认为,工业革命带来的转变是一次性的,效益都已经实现;互联网革命也已失去作用,而且就创新普及的范围和对生产力的提升效果,互联网革命比工业革命差远了。

  我们将挑战这一观点。在本报告中,我们审视了新一波生产力水平提高的潜在可能性。特别强调将工业革命的成果及其带来的机器、机组和物理网络,与近期的互联网的成果——智能设备、智能网络和智能决策融合到一起。我们将此融合称作“工业互联网”。有证据表明,范围广泛的新创新能给商业和全球经济带来巨大效益。我们相信,怀疑论者过于草率地下了结论。与工业革命非常类似,互联网革命也是动态地、一层层展开的,而现在正处于一个转折点。

  工业互联网为何能在当今实现?有很多原因。机器的性能还没有完全发挥,效率低下问题更加严重。此问题并非出现在单个机器层面,而是系统层面,复杂程度之高让操作人员无法识别并减少低效率情况的发生。由于这些因素,使用传统方法来寻求改善越来越困难。但是,它们却鞭策人们,利用基于互联网创新的方法来解决问题。计算、信息和通讯系统支持广泛的仪表化、监控和分析,仪表价格大幅降低,大范围配备和监控工业机器得以实现。运算能力稳步提高,已达到用数码智能增强物理机器性能的程度。远程数据存储、大数据集以及运算巨量信息的更先进的分析工具,逐渐成熟,应用范围更加广阔。如果把这些改变一起用于机器、机组和网络,那么令人兴奋的新机会就会诞生。

  仪器价格的急剧降低也受到了云计算的影响,云计算使得我们收集分析的信息量比以前更大,成本更低。价格下跌的趋势,会加速工业互联网的发展。正如1990年代后半叶,此趋势激发了人们对信息通讯技术(ICT)仪器的迅速采用。移动革命也将加速这种价格下跌趋势,让信息资源的高效分享更加实惠,并实现了分散优化和个性化优化。远程监控工业设备、分布式操作电源的实现,就是最有力的证明。

  要了解工业互联网的潜力,关键要考虑到全球工业系统的庞大规模。现在有数百万的机器遍布世界,小到简单的电动机,大到卫生保健中用到的高端计算机断层扫描仪(CT)。机组数以万计,从发电厂到载人载物横跨世界的飞机,还有成千上万的复杂网络,从电网到铁路系统,实现了机器与机组的配合运作。

  工业互联网将有助于工业系统各层面更好的运转。通过优化检查、维护和修理过程,资产的可靠性得以提高。工业互联网还将改善运行效率,无论是在机组层面,还是更大的网络层面。

  工业互联网的产生条件已经成熟。早期证据表明,新一波的创新已经来临。接下来,我们将向大家展示工业互联网将如何逐层展开的框架,并举了几个例子,说明其为商业,甚至全球经济体带来的利益。

  推动力、催化剂和条件

  实现工业互联网并不是预期中必定发生的,需要借助数据和分析能力等关键的推动力、催化剂和辅助性条件对机械的物理环境进行交互连接,以充分发掘其潜能。一些最重要的元素无疑将会贯穿创新和网络安全管理系统的发展过程,从而促使基础设施以及核心人才的发展。

  创新

  工业互联网是已在进行的创新成果,一些是技术的创新,另一些则是系统、网络和程序的创新。虽然所需的具体创新成果还未知,但可以清楚的是,他们代表了一系列至关重要的催化剂和推动力。

  以下是工业互联网发展所需的一些高级别创新要素:

  设备:传感器的集成和资源配置以及改装现有设备的方案融入到新工业设备的设计中,并需硬件使信息高效集成和更快传输等。

  高级分析方法:可使来自不同设备制造商的相似资产或不同资产种类的数据实现深度融合的新数据标准;能使数据更快转换成信息资产并为集成和分析做准备的技术构架,等等。

  系统平台:在技术标准和协议之上,新的系统平台能使资源管理系统在共享框架或结构之上建立具体应用;供应商、设备制造商和消费者之间的新关系可以维持平台的可持续性。

  作业流程:充分整合信息到决策流程的新业务实践;用以监控机械数据质量的流程;能协调各资源管理系统安排的先进法律程序,等等。这些创新需要在部分资源管理系统、产业集群、政府和教育机构上进行投资,并能从投资中获得相应的收益--产业希望获得销售额和客户关系;政府希望获得就业率、税收以及运作所带来的效率收益;教育机构则希望在创新带来的复杂挑战中吸引学生和经费。幸运的是,他们的投资范围有些不同,这对于多元化创新成果创建环境的优化大有裨益。

  此外,现有技术还需达到渗透和配置的更高级别,比如在传感器和监控器方面已存在这类技术。

  基础设施

  工业互联网需要一个适宜的主干网。数据中心、宽带频谱和光纤网络都是信息通信技术基础设施的一部分,他们需要进一步发展,并用以连接行业和地域之间不同的机器、系统和网络。这需要国家基础设施之间以及内部的结合,以便支持工业互联网数据流的快速发展。对数据中心日益增长的需求是这方面的典型例证。目前,可处理2025年全球数据的数据中心尚未建立。一个关键的原因是,对数据处理的需求正以每年一倍以上的速度增长。若按照这个趋势发展,我们可以预测,到2025年数据处理需求将会增长20倍。虽然更多的模块设计和效率改进将会减少数据中心运行的能量需求,但对高质量电力的需求将会显著增长。目前,全球数据中心每年消耗将近130千兆瓦时的电力,相当于世界最大的城市纽约市用电量的2.6倍。到2025年,数据中心需要的电量将会增长至一个大都市用电量的9-14倍。这将使数据中心在相关的资本支出有显著增长。到2015年,全球资本开销可能达到1000亿美元,到2025年将会翻一番超过2000亿美元。很明显,高效、节能、有弹性的数据中心对工业互联网的发展具有重要影响。

  网络安全管理

  为实现工业互联网预期的愿景,还需要一个高效的网络安全制度。网络安全应该从具体到云技术防御策略的网络安全和连接到网络的尖端设备安全两方面考虑。

  维护受保护的IT基础设施是一个至关重要的需求。安全流程和控制应设计为多层次的防御。戴尔安全工作的反威胁部门/研究组主任巴里?汉斯莱说:“安全流程和控制应包括漏洞生命周期管理、端点保护、入侵检测/预防系统、防火墙日志的可见性、网络的可见性,以及安全培训。”预防策略应贯穿于各层,从网络顶层到用户层。对敏感和有价信息的保护是最前沿的安全管理。它对于开发和维护企业与企业间以及企业和消费者之间的网络信任十分必要。信息安全和隐私是建立这种信任的支柱。保证受限数据(包括知识产权、有产权的资料和身份识别信息)安全的措施是关键的,包括在设备上加密数据以及加密这些上传到云的数据传输。其中一些数据保护措施已在企业级实施,这对促使其扩张、部署到工业网络奠定基础。

  工业互联网的兴起要求所有的利益相关者主动成为安全管理的参与者。每一个参与者在促进网络安全方面都扮演着某个角色。下面列出一些潜在的责任:

  技术供应商:其重点在于保证供应链,以及产品设计、产品性能方面的安全。产品(包括设备和软件)要具有足够的抵御网络风险的能力。

  资产所有者/操作者:需优先考虑加固设施和网络。与监管机构、执法部门以及情报界合作可有效提高对潜在威胁的预见性。行动方案包括共享威胁信息和弱化影响。

  监管机构/政策制定者:一个有效的网络安全管理制度应倡导创新,鼓励对各利益相关者进行教育并支持精干职工队伍的发展壮大。要建立一个稳固的基础,政府应重视网络安全自主产业标准和最佳实践的发展与广泛接受。这就需要基于工业的性能和技术工艺来推广“安全理念”。目前已经有一些标准机构,但并不成体系。在发展网络安全的过程中,推动和接受关于数据结构、加密、传动机制和数据合理运用等方面通用的标准仍任重道远。

  国际性组织:尽管国家将会出台国家指导意见,但国际惯例和标准的出台也迫切需要。应注重完善IP保护和国际数据流(如服务器定位要求)的相关规范,以及网络的“攻击性”。

  学术界:关于数据安全和保密的研究应当继续,包括优化信息技术安全测度、推断非敏感数据相关性以及数据集成隐私性的合法基础等方面的相关研究。

  营造一个完善的网络安全策略将使风险降到最低,并使社会受益于工业互联网带来的机遇。

  人才开发

  创新离不开专业人才。工业互联网的兴起需要发现和培育新的储备人才。除机械和电子工程的显著技术能力以外,也需要一大批新生的技术、分析和领导等明显的跨学科人才。随着时间的推移,一定程度上通过初期人才库的自我定义凸现出来,而且不同的宽松认可标准也得到发展。

  以下是助力于工业互联网发展的不同工作类型的设置:

  下一代工程学:对于跨学科人才的需求将不断增长,这类人才能将机械工程这样的传统工程学科和信息化处理能力融会贯通,成为所谓的“数字机械工程师”。

  数据科学家:未来将建立分析平台,培养算法、软件和网络安全方面的工程师,运用统计学、数据工程学、模式识别和学习、高级计算机、随机理论、数据管理以及可视化技术。

  用户界面专家:工业设计领域的人机交互,有效融合硬件和软件成分,以满足最低的投入得到预期的产出,并且使机器对人造成的意外影响降到最低。

  这些人才来自哪里?目前在许多地理区域存在潜在的基础功能短缺,尤其是网络安全保障,软件工程师,分析专家等。人才市场最终将要重组,但公司层面应利用好他们最有才干甚至是最有胆识的员工建立属于自己的人才库。不论是从文化还是制度方面考虑都处境更为尴尬的劳动力市场,将越来越难以满足这些新的需求。

  招揽跨学科人才可以另辟道路,不妨通过双赢的方法来开发本公司中现存的原有资源。不用去引进技术全面的人才,而是营造氛围提升专长不同的员工的能力,来相互交流和共同进步。从更大的范围来看,像众包这样的方法可能会避免某些能力欠缺的发生。

  如连锁反应一般,企业和大学之间越来越密切的合作迫使教育系统顺势改变。迫切需要推进不同教育项目来使知识基础更加体系化,以满足数据人才的需求。当今,管理大数据系统或者运营高级分析的人们已经通过自发的专业化开发了特有的人才群体,而不是通过建立了一系列标准化的技能或法则的项目。共同开发课程,科研人员融入工厂等各种方法必须确保工业互联网的人才需求没有超越教育系统(的现有供给水平)。部分项目已经启动,出现在这些领域中,但是仍旧供不应求。

  发掘和推广工业互联网的前景,如它的价值和应用,最终将是领导者的任务。有远见的人需要来自公司管理层的支持来维系整个投资过程,这一过程将贯穿整个商业周期以及相应工厂的高峰期和低谷期。革新伴随着风险,并且工业互联网的诸多方面可能会使企业越过它们的固有领域而需要新的合作伙伴。企业需要新一代的领导者,他们必须形成并坚守这一远见,相应的完善所需的组织建设、文化建设以及人才需求等。

  总之,工业互联网的发展将依赖于重要的关键推动者,催化载体和支持条件。其中的关键在于拥有持续动力的创新,有效的互联网安全体制,配套的信息技术基础设施以及合适的人才、技能和专业技术。

  结论

  经济和社会中业已产生的创新和演化的长周期很好理解。当新技术从提出到规模化应用的时候,变革与瓦解的惊人巨浪被释放出来。当传统工业体系与智能技术整合到一起的时候,变革周期再次发生,不仅作用于工业体系的外围,而且影响到新一代机器的设计和功能。当处于这个过程的早期,工业世界与互联网及其相关技术的融合与先前历史上的创新和变化一样具有革命性。

  变革的范围是巨大的。工业互联网技术的潜在影响渗透到了几乎一半的全球经济和一半还要多的世界能量流动。在许多产业,智能设备、工具、机组和网络与工作中或旅途中的人们的连接将为工艺优化、提高生产力和效率提供新的可能性。早期使用者已经提前绘制了一些路径,打下了工业互联网技术的根基。展望未来,人们期待工业互联网技术的更广泛采用,将驱动工业成本结构中更深层次的有利变化。它将打破竞争平衡,迫使其他产业快速采用新技术,以求生存。在不同产业,它肯定会以不同的速度发展,但是随着采用的增加,它对经济的影响将更为广泛。

  全球范围内各产业的效率哪怕是相对小的变化的混合作用也不应被忽略。正如我们所注意到的,当多个产业和地区的作用累积起来的时候,即便是成本下降1%也能明显导致资金的节约。如果工业互联网的节支增效作用能促进美国生产力提升1-1.5个百分点,那么在经济增长方面的促进作用可能是很大的,也许可以转化成当前人均GDP 25%-40%的增长。根据本文阐述的证据,工业革命每十年提升了1.5个百分点的生产力,我们相信工业互联网也有相似的收益潜力,并持续更长时间。

  相对而言,美国当前在推动技术前沿的同时,工业互联网的效益将为全世界共享。基础设施建设是保证快速增长的生产和收入水平的优先领域,新兴市场仍然有增加其投资的巨大需求。如果他们成为了新技术的早期使用者,工业互联网革命将对全球经济发挥强大的作用。如果美国能保证1.5个百分点的生产力增长速度,其它国家实现其一半的增长,那么接下来的20年,工业互联网将使全球经济增产15万亿美元――几近于美国今天的经济总量。

  在最发达的经济体正在增长乏力的泥潭中挣扎,高失业率,收入增加不乐观的背景下,这样的生产力和发展提速的好处是巨大的。此外,工业互联网将在减少商品消费、降低经济对环境的影响、实现可持续发展方面扮演重要角色。

  创新一直以来都是最强有力的推手,为我们以更少的投入获取更多的产出,减轻发展约束,提高越来越多的人的生活水准服务。工业互联网具有驱动全球下一波创新,将思想和机器边界推到更远的潜力。 

审核编辑(王静)
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