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深度解读工业物联网:源起

物联网的概念不仅是一个逐渐形成并明确的过程,还是一个各领域相互借鉴、融合的过程。在不同的信息化领域,各行各业对“物联网”都有自己的认知和构想。即使到今天,各领域对物联网的理解还有很大的差异性。

作者:王峰|2018-05-14 00:05

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一、三种物联网

物联网的概念不仅是一个逐渐形成并明确的过程,还是一个各领域相互借鉴、融合的过程。在不同的信息化领域,各行各业对“物联网”都有自己的认知和构想。即使到今天,各领域对物联网的理解还有很大的差异性。

在对物联网没有形成统一的认识之前,各领域各都有各自的称谓,有三种定义较为明确:“M2M”、“IoT”、“CPS”。

1. M2M(machine to machine)

“M2M”的概念主要是由通信行业提出的。最初M2M主要是指:不具备信息化能力的机械设备通过移动通信网络(无线网络)与其他设备或信息系统(IT系统)进行通信。

通信行业认为:网络在满足了人与人之间的通讯需求后,还可以使得“物与物(machine to machine))”之间进行通信联结,构成更高效的信息化应用。此后,M2M的概念又延伸出了“人与机器(man-to-machine)”或“机器与人”的概念。

总体来说,M2M就是指人、设备、信息系统,三者之间的信息互通和互动。

M2M的概念主要强调的是通信实现,网络在其技术框架中处于核心地位。通过“无线连接”的技术手段,实现“端到端”的可靠连接。在物与物“连接”的基础上,实现资产集中监控、设备远程操作、物流仓储管理、移动支付等应用。

2. IoT(Internet of things)

IT行业内认为,IoT的概念最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机(Networked Coke Machine)。

而后,1999年美国麻省理工学院自动识别中心在RFID技术的基础上提出了一个物联网概念,在其定义中强调了“信息传感设备与互联网连接”的理念。(原RFID物联网定义:把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。)

到如今,IoT是互联网企业、软件企业、乃至整个信息产业力推的物联网概念。在实现了人与人的社交互联后,互联网企业希望物和物之间也能通过互联网进行通信。IoT的基础任然是互联网,是互联网的延伸和发展方向。

IoT的概念主要强调的是互联网交互,互联网的全球化、开放性、互操作性、社交性是支撑IoT理念的基础。智能产品一旦有了“网络身份”,便可以衍生出各种互联网应用:产品租赁(共享智能产品)、信息服务(例如定位服务、电子支付、大数据分析)、可穿戴产品应用等等。

3. CPS(Cyber Physical System)

2006年,美国国家科学基金会的Helen Gill提出了CPS的概念,并将其列为重要的研究项目。由于CPS侧重于研究工业、制造业中嵌入式、自动化的信息系统,所以一开始也被直观地理解为“嵌入式物联网”(从现在的信息行业角度来看,这种理解有些片面)。

在“Cyber Physical System”一词中,“Cyber”指的是信息系统,“Physical”指的是物理系统(设备、环境、产生资料)。

CPS强调的是物理世界和信息世界之间实时的、动态的信息回馈、循环过程。

它深度融合了各类信息技术:传感器、嵌入式计算、云计算、网络通信、软件,使得各种信息化能力(3C:计算-Computer、通信-Communication和控制-Control)高度协同和自治,实现生产应用系统自主、智能、动态、系统化地监视并改变物理世界的性状。

CPS的目标,就是实现信息系统和物理世界、以及各信息系统之间的深度融合:在感知、互联互通(标准的通信、应用协议)、能力开放(互联网服务接口、API-应用编程接口)、安全可控(身份认证、安全加密)、应用计算(数据计算、信息控制)的基础上,构建出一个巨大的、融合的、智能化的生产服务系统。

CPS所涵盖的应用范围十分广阔:从微小的纳米机器人,到庞大的工程基建设备,从城市交通信息提供到远程手术医疗系统,交通、医疗、农业、能源、国防、建筑、制造业流水线都是其涉足的领域。就目前来看,CPS更偏重于科学研究,M2M、IoT则更注重于工程技术的落地。

在工业领域,生产系统在操控机械设备的同时,还接受并处理从物理世界反馈的信息(感知),生产操控中信息的“上传”和“下达”具有高度的实时协同性。在“M2M”、“IoT”、“CPS”这三种概念中,CPS正是为满足这种特性而设计的,也因此,被认定为工业领域的物联网(IIOT),下一代工业体系中的基础信息系统。

二、工业物联网(IIOT)

在工业领域中,未来的信息化应用场景和CPS技术构想有着很高的契合度,所以普遍认为CPS是实现工业物联网的核心技术。

虽然通信领域的M2M和互联网领域的IoT已经先入为主,深得人心,在商业系统中和消费市场上已经呈现出了各式各样的应用和产品。但工业领域作为全球经济主动脉,才是未来物联网技术(即CPS)发展的核心领域。

当然M2M、IoT、CPS相互之间并不是孤立的,在它们当中很多技术功能是相互交叉或互补的,它们都代表了重要的物联网领域,只是侧重不同而已。

1. 工业物联网前期发展历史

(1) 工业4.0

“工业4.0”的称谓源自德国。在2011年4月汉诺威工业博览会上,“工业4.0”第一次出现(来自《高技术战略2020》)。在2013年4月德国正式推出了“工业4.0”,并组建了一个由政府、企业、大学以及研究机构共同参与的大项目团队,举国上下共同推动代表着工业4.0的相关工作,明确了工业制造智能化与数字化的发展道路。

项目团队中的合作企业包括西门子、博世、大众汽车、戴姆勒、汉莎航空等等,而研究机构就是神秘而又著名的“弗劳恩霍夫研究所”。弗劳恩霍夫研究所作为主导研究机构,参与了德国工业4.0战略(2013年)的起草,并落实到其下属的多项生产领域的研究中。

2015年4月,德国经济技术部、教育研究部成为了工业4.0平台的指导机构。而后,工会组织也成为了平台成员。

工业4.0随后推出了描述工厂场景的参考架构《Reference Architecture Model Industrie 4.0(RAMI4.0)》,它成了德国举国推动的一场“革命”。

从信息技术的角度来看,德国的工业4.0就是工业领域中面向全球、并基于人工智能的信息物理系统(CPS)。

(2) 工业互联网(Industry Internet)

2012年,GE公司基于自身的“软件梦”(GE期望自己能够转型成为软件业巨头),提出了“工业互联网”的概念。

2014年3月,美国五家顶级企业做为主要代表,发起了工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium,IIC)。这五家企业分别是GE、AT&T、IBM、Intel、思科,一开始由GE主导。在此之前,后四家通信、IT公司都已经有相关的物联网概念提出,AT&T倡导“M2M”,IBM推出“智慧地球”,而思科打造了“IoE(Internet of Everything)”。

各家的概念不同,但愿景一致,其发展方向不仅是像工业4.0那样实现制造业的信息化和智能化,更是希望实现各产业整体的数字化转型。

IIC刚成立时和工业4.0不同,其主要成员集中在电信和IT领域,工业企业相对较少。到了2015年初,工业4.0平台中的西门子、博世、SAP加入了工业互联网联盟。

IIC主要的工作目标是为物联网制定标准,其在2015年6月4日,发布了第一版标准化的参考架构模型:美国工业互联网参考架构(v1.7版)

(3) 平台合作的开始

一些大型企业在跨领域的工业项目合作中,遇到了两种工业物联网标准因存在较大差异而产生的矛盾(工业互联网和工业4.0),于是在2015年11月的瑞士,工业互联网联盟和工业4.0平台开了一场保密的研讨会(之所以保密,是因为担心研谈失败而造成负面影响)。

会中,双方发现两个参考平台之间具有很强的、天然的互补性。

2016年3月,德国工业4.0平台宣布与美国工业互联网联盟展开合作,并随后设立了多个联合任务组(JTG),努力将两种技术架构进行对接和融合,使得两种架构中的元素能够相互映射,使得企业无论采用哪种技术标准,都能够方便地与其他标准的企业系统进行对接。

2017年12月,两个组织联合发布了《IIRA和RAMI 4.0体系结构映射和对接白皮书》,系统性地阐明了两个体系中的异同点和互补性。

2. 两体系非技术面的差异性

(1) 美国与德国不同的历史认知

不同与以往,这场即将爆发的工业产业革命,并不是被事后观察到的,而是第一次被各个国家和组织机构事先预测到的工业革命。(这说明现代信息技术的突飞猛进已经能够对“未来的历史(周期)”进行预测了)

美国和德国都认同新技术创新周期到来,也意识到了信息技术和工业的融合会引发新的工业革命。但是在如何划分“周期”上略有差异。

(2) 德国的历史观:

德国认为历史上发生过三次工业革命,未来的是第四次工业。

这四次工业革命分别是:

  • 第一次工业革命:18世纪末的英国,通过对水的加热(蒸汽)作为机械动力源并加以运用,蒸汽纺织机的发明为这一次革命的标志性事件。
  • 第二次工业革命:20世纪初期的美国,电力作为能源实现了汽车工厂的流水线生产,生产中出现明确的分工(在固定工位进行重复操作),生产效率获得飞跃。
  • 第三次工业革命:20世纪70年代,信息技术被整合进生产流水线,工业机器人、PLC(可编程逻辑控制器)系统的出现,实现了流水线的自动化运作,并进一步提高了生产效率。直到今天,大多数工厂都还在延续应用第三次工业革命所带来的自动化技术。
  • 第四次工业革命:CPS。

德国将新工业革命视为第四次工业革命,以“工业4.0”予以命名,并希望能够以举国之力引领这次工业革命的发展。

(3) 美国的历史观:

美国将工业“革命”称之为“浪潮”,并认为人类历史上已经出现过两次浪潮,第三次则就在当下。

三次工业“浪潮”分别是(参照GE-2012年的《工业互联网白皮书》):

  • 第一次浪潮:18世纪末英国的工业革命。
  • 第二次浪潮:互联网革命。20世纪后半页,在信息计算能力发展下,互联网应用的蓬勃发展,带动产业创新。产业价值从“资源密集型”向“知识/信息密集型”转移。
  • 第三次浪潮:工业互联网。开放的信息系统(分布式信息网络)、传感设备和人工智能的高度融合,助力传统行业技术,增强生产设备自动化的维护、管理、运营能力,提高商业组织对行业趋势的分析预测水平。

从历史观中就能够看出,美国更多关注信息系统的建设和完善,而德国看重的是工业生产流水线的整体发展。

3. 各国工业革命的追求

两国(美国、德国)提出的工业技术框架,是基于各自不同的工业现状,并建立在不同的诉求之上。

(1) 德国的初衷

看着美国IT企业在信息领域一骑绝尘的领先优势,以及新兴的亚洲国家加入到了全球制造业的竞争当中,德国传统制造行业感受到了前所未有的危机感。与此同时,生产的成本在不断攀升:能源和人力成本亦在增加。消费者“口味”的变化(消费者的需求不仅个性化、多样化,而且需求的转变迅速---“市场节奏”加速),也让产品的生产者不知所措。

德国政府和企业都希望能够改变固化的、传统的“硬件式”的生产思维模式,将新一代的信息化技术手段融入工业体系,为“定制化生产”和“个性化服务”创造条件。企业可以通过提供更高附加值的产品,来保持国际竞争力。而原本制造业中一部分“低价+量产”的生产模式需要被无情地淘汰。

很多专家和机构认为工业4.0是德国工业巨头们的游戏。而事实上,创立工业4.0的初衷并不是为了服务于那些行业大佬的。

德国的工业巨头都具有雄厚的资金实力、专业的技术积累和经验、并占据着优质的市场先机。面对新的产业形势,它们完全能够依靠自身实力进行技术创新,完成“自我(工业)革命”。

然而,德国大量的中小企业,则不具备“数字化转型”的能力。虽然在“B2B(企业间的商业交易)”领域中很多德国的中小企业是某些垂直行业领域内的“隐形冠军”,是产业链上下游技术领先的佼佼者。但信息系统和传统技术的深度融合,需要消耗大量资本投入,转型成本(资金、人才、技术积累)成为了中小企业发力工业革命的最大障碍。

在德国政府的牵头下,集结德国各工业巨头,参与“工业4.0”的研究和框架制定,不仅是为了拓展未来的新市场,更是帮助德国中小企业降低数字化转型的成本,以及通过大企业的落地项目,带动产业链上下游的德国中小企业优先发展。

工业4.0的目标是促使德国大、中、小企业共同参与到新的全球化产业格局中。

(2) 美国的追求

美国一直在航空航天、计算芯片制造等先进制造业领域领导全球,软件工业和互联网产业也是遥遥领先。然而,美国现在却面临着许多领域的工业萎缩问题。

美国“产业的空心化”,也就是“人才的空心化”。

美国很多大型企业按照“研发在国内,制造在国外”的思路布局全球化产业,虽然利润丰厚,但也带来了一个无法逃避的问题:各领域的人才衰落。在制造业领域,对于工程师的培养,即使是生产一些低端产品,也需要组建专业团队,并安排“人”进驻到制造车间中,从生产实践中掌握技术和经验。

当面临产业变革时,不论技术含量的高低,产品创新与技术融合,都需要大量的工程师参与其中,群策群力、贡献智慧。光有局部的高科技制造业,显然无法面对即将到来的工业革命。虽然美国在信息技术方面遥遥领先,但通过数字化的虚拟世界并不能掌控现实世界的全球化产业。

社会整体的技术发展和服务业的繁荣,都需要一个整体健硕的工业生态作为坚实的基础。美国在产业结构上存在不平衡的状况,中低端产品需要依赖国外生产,从而导致了产业发展受到掣肘。所以,美国希望重新获得工业领域全盘的掌控力。

相比较德国的工业4.0,美国的制造业实力稍显薄弱,所以美国希望能从擅长的信息领域入手,突破现有的产业格局(从工业互联网初创的五家企业就能看出-四家IT企业)。此外,后知后觉的页岩气革命在美国引发(能源革命),也更坚定了美国让制造业回归的决心。

(3) 殊途同归的工业信息化道路

德国和美国对工业的展望,都是一条工业信息化、互联网化的道路。工业4.0和工业互联网,它们架设在CPS的信息化系统之上,使得新的生产模式面向市场,更具有“柔性”:将各类“硬件”(设备、环境、物料、人机交互端)映射在信息系统中,并由“软件”来发挥人和团队的创造力,满足个性化的市场需求。基于CPS的工业物联网,简称为“IIOT”(工业物联网,Industrial Internet of Things)。

两国从各自擅长的部分入手,按不同的路线走向产业变革。

德国的长处就在于强大的工业技术实力。因此工业4.0是以生产车间为核心的信息化革命,工厂的数字化和智能化是产业升级的核心部分,互联网、大数据、(公有)云计算、以及大众消费市场的服务,都处于体系的边缘位置。德国工业4.0主要关注的是复杂生产场景中的工业自动化、软/硬件的融合和内部信息系统的智能化。正因为工业4.0更关注工厂内部的制造环节,对大数据和互联网并不特别关注,所以被理解为是“硬件式”的改革路线。

工业互联网在工业领域没有德国那么强势的实力,他们从信息系统出发,去触动产业链整体的智能化。工业互联网意在通过提供互联网和计算服务,提升传统工业企业的IT和软件实力,在面向工业领域企业的服务中获取价值,并实现产业升级。工业互联网中的IT企业通常会从自身擅长的互联网、云计算等信息技术领域入手,将大数据和人工智能注入进工业领域的企业系统中,触发产业创新和升级。工业互联网的主旨是提供信息化服务,与工业结合并创造价值,所以也称为“软件化”的改革道路。

从整体来看,德国的工业4.0和美国的工业互联网各有优势和短板,并且整体架构之间有一定的映射关系。工业4.0钻研于对制造业的价值链重新构建,工业互联网则聚焦在跨领域的工业互联架构。所以,鉴于他们之间存在互通、互补的效应,合作与融合便水到渠成。其实在工业4.0提出之前,很多德国工业企业就已经在使用美国IT企业的软件服务,部署云计算平台和商业系统了。

(4) 后知后觉的日本

看到德国和美国大力发展工业物联网,各大工业国也不甘落后、纷纷响应,着手相关标准的研究和推广。作为现代工业强国,日本经过了一段犹豫、彷徨的时期。

日本有着很强的工业实力,拥有很多高端制造业技术(世界市场份额50%的工业机器人技术)。当看到德国和美国开始着手发力工业物联网的时候,日本以为这不过是工业自动化的一次升级。而随着德国和美国不断推进全球化的工业物联网标准落地,日本终于意识到工业革命要到来了。

日本将德国4.0和美国工业互联网的携手共进,称之为“南侧路线”(即面朝太阳的一面),对于日本独自发展工业物联网的路线就称为“北侧路线”(山阴一侧)。在启动工业数字化进程之前,日本工业领域原本很纠结,对于要走哪一侧路线(南北两侧),争论一直不小。但很快日本工业整体上认识到只有融身到全球产业网络中才能“提速奔跑”,才是最好的路线。其实这条路线就是美国和德国合作的路线。

在2015年,组织成立“工业价值链倡议” (IVI: Industrial Value Chain Initiative),并于2016年12月8日,推出了智能工厂的基本架构《工业价值链参考架构(Industrial Value Chain Reference Architecture ,IVRA)》。日本面对落后的局面,正努力着争取迎头赶上。

【本文是51CTO专栏作者王峰的原创文章,转载请联系作者本人获取授权】

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