3.1 物联网

在过去50年间,IT技术曾引发了两次浪潮,深刻影响了企业竞争和战略。如今我们正站在智能互联竞争变革的边缘。在现代信息技术出现之前,产品是机械结构的,价值链中的生产活动通过手工操作、机械运转、纸笔计算和口头沟通完成。在20世纪60年代到70年代,计算机技术带来了第一波浪潮,价值链中的经营活动,从订单接单、物料供应、生产制造、财务记账到货款支付、产品设计、制造工艺规划再到生产计划和排程,都逐渐实现了信息化。生产活动的效率随之大大提高,通过流程的标准化和再造,整个产品设计、生产制造、质量管控以及售后服务,都可以实现数字化和信息化。在20世纪80年代到90年代,价格低廉、无处不在的互联网兴起,引发了信息技术的第二波浪潮。互联网的出现,实现了个体生产活动与外部供应商、渠道和客户之间跨地域的协调与整合。企业甚至可以对全球的供应链系统进行紧密整合。计算机和互联网已经给世界带来了一场互联网革命。最近10年,互联网技术已经深度改变社会、经济及企业的经营模式,美国的Google和中国的百度,让获取信息越来越容易;亚马逊、阿里巴巴、京东深刻地改变了商业业态,苹果手机推动移动互联网,使得信息无处不在。前两次浪潮促成了巨大的生产效率提升和经济发展。在这两次浪潮中,价值链发生了变化,但产品本身并没有受到深刻的冲击。

3.1.1 智能互联经济

在现今的智能互联浪潮中,信息技术正成为产品本身不可分割的一部分。新一代产品通过内嵌系统和传感器感知环境和状态、通过处理器和软件控制产品的运行,并与互联网相连,同时产品数据和应用程序在产品云中储存并运行。海量的产品运行数据让人们可以挖掘深度的以前不为人所知的规律和知识,一方面能够通过优化控制提升产品的功能和效能,另一方面为快速的产品迭代升级提供了足够的决策依据。这些新产品将大大提升企业的经营能力。生产这些产品需要全新的设计、制造、营销和售后服务流程,同时新的业务流程环节,例如数据分析和安全服务将会诞生,这将重塑现有的价值链和业务模式,进而引发设计、制造、营销、销售、物流、服务环节等运营效率的大规模提升。因此,智能互联的物联网经济的规模有可能超越前两次,激发更多创新,实现更大的效率提升。随着智能互联产品数量不断增多,为了阐释随之而来的新机遇,“物联网”一词应运而生。但它的诞生无助于我们理解这一现象及其影响,无论是涉及物或人,互联始终是一种传递信息的机制。智能互联产品的独特之处不在于互联,而在于“物”,产品的新能力和其产生的数据将开创一个新的竞争时代。物联网技术的发展是美国的工业互联网革命、德国人提出工业4.0的最关键的技术基础。

3.1.2 物联网的概念

1991年美国麻省理工学院的Kevin Ashton教授首次提出物联网的概念。2005年11月17日,在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(ITU)发布《ITU互联网报告2005:物联网》,引用了“物联网”的概念。2009年2月24日,2009 IBM论坛上,IBM大中华区首席执行官钱大群公布了名为“智慧的地球”的最新策略。此概念一经提出,即得到美国各界的高度关注,甚至有分析认为IBM公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略,并在世界范围内引起轰动。2011年,德国人工智能研究中心德特勒夫博士提出工业4.0,更提出基于物联网技术的信息物理系统概念。

物联网的概念已经得到了巨大的发展,从开始的感知识别互联,发展到现在已经延展到智能环境、智能产品,如智能穿戴设备、智能家居、智能工厂、智能社区、智能城市等。

今天,已经有100亿台设备联网。据预测,在2020年将有超过500亿台设备联网。设备和产品安装的一批敏感元件,具备了触觉、视觉,能够具备速度、加速度、转速、空气的构成、距离的远近等一系列的智能感知、识别技术与普适计算等技术能力。设备之间、产品与设备之间都可以互通互联,基于既定的业务规则,通过分布式控制规则,来互相控制。这些信号,通过网络上传到数据库及云端。通过构建的虚拟模型,将这些数据场景化,就可以在服务端创建一个虚拟的场景来模拟监控现实场景的运行,并能够用虚拟场景来优化控制现实场景。一个能够检测、控制、优化的系统自然也就具备了自动化的能力,这就构成了信息物理系统。

现在基于智能内嵌系统的物联网技术将是正在发生的又一次深度的技术革命。物联网就是物物互联,在制造业典型的是拥有智能内嵌系统的设备可以实现设备间联网、设备和物料间联网;在消费领域的智能家居、智能穿戴设备;范围更广的应用是智能社区、智能城市。

物联网是由智能互联产品构成。智能互联产品不但性能更强、可靠性更佳、利用率更高,而且能提供跨界乃至超越传统产品的新功能,它们带来的机遇将帮助企业实现指数级增长。这些截然不同的产品将颠覆现有的企业价值链,迫使企业重新思考自身的方方面面,甚至重构组织架构。智能互联产品还将改变现有的产业结构、业务模式,但在带来新机遇的同时,也将企业暴露在新威胁之下。现有行业版图将被重塑,全新行业将会诞生,智能互联产品将迫使很多公司自问一个最基本的问题:“我们从事的业务到底是什么?”在智能互联产品时代,如何创造和捕捉价值?产品产生的(高度敏感的)海量数据应该如何被利用和管理?如何改进与传统业务伙伴,例如渠道商之间的关系?随着行业边界的极大拓展,公司在其中应该扮演什么样的角色?企业将面临上述一系列新的战略抉择。因此,企业不应再局限于技术本身,而应聚焦于竞争本质的变化。

有人预言,物联网将会“改变一切”,这种言论过于武断。如同互联网的出现,智能互联产品代表了一系列新的技术。然而,竞争和竞争优势理论并未随之发生变化。要抓住智能互联产品的浪潮,公司要更好地理解这些竞争规则。

3.1.3 智能互联产品

智能互联产品包含3个核心元素:物理部件、智能部件和连接部件。智能部件能加强物理部件的功能和价值,而连接部件进一步强化智能部件的功能和价值,并让部分价值和功能脱离物理产品本身存在。这就使得价值提升形成了良性循环。以智能手机为例,玻璃屏幕、摄像镜头、扬声器、电池、耳机、麦克风和机壳等构成物理部件;芯片、软件、重力仪和陀螺仪等敏感元件和内存等构成智能部件;GPS、无线网、移动网连接模块构成连接部件。软件、芯片和内存决定了物理部件的大部分价值,如打游戏、看书、看电影、听音乐等。再加上能够定位、连接互联网,以及移动网络,我们可以随时看新闻、上网购物、做金融业务、看网上电影等,加之微信等社交应用,手机的功能和价值又得到大幅提升。如果把用户手机使用习惯的数据进行存储、挖掘、我们就可以推出深度的客户服务,这部分价值已经完全脱离了手机的物理部件。连接部件还包含接口、天线以及有线或无线连接协议。

智能互联产品正在各个领域涌现。在重工业领域,施耐德的PORT技术最多可将电梯等待时间缩短50%。该技术可以判断电梯的使用状态,计算到达目的楼层的最快时间,并指派最合适的轿厢快速运送客人。在机械领域,隧道钻孔机上安装了智能监控系统,实时监控全球在地下工作的每台设备的运行状态,一旦出现异常,马上能够给客户预警。同时可以进行远程诊断,并为客户提供快速精准的维修服务。在能源领域,ABB公司的智能电网可以对发电、变压和输电设备产生的大量数据进行分析,例如变压器和次级变电站的温度变化。公共设施可以通过这些数据预测可能的过载现象,在断电前及时调整。在消费电子领域,Big Ass智能电扇可以侦测有人进入房间并自动打开,而且可以根据温度和湿度调节电扇转速。此外,电扇可以记录用户的偏好,并进行相应的调整。

如今,各个技术领域都取得了突破性发展:传感器和电池在性能、迷你化和能源效率上的提高;高度集成且低功耗的处理器和数据存储装置(微型计算机放入产品之中成为可能);价格低廉的网络接口和无线连接;快速软件开发工具;大数据分析技术;新的IPv6互联网地址注册系统给物联网预留了3400乘以百万的6次方个新网址。这些创新相互融合,使智能互联产品的技术可行性和经济可行性得到大幅提升,智能互联的物联网经济正呼之欲出。要抓住智能互联产品的浪潮,企业需要构建一套全新的技术能力平台,它包含3个水平层级:产品内置的硬件、软件应用和操作系统;用于互联的网络通信系统以及产品云(软件运行在自己的或第三方服务器上),这又包含产品数据库、软件应用开放平台、规则引擎和分析平台以及脱离产品运行的智能应用。纵贯水平层的是垂直层技术,它们包括身份认证和安全架构;与其他业务系统连接的工具(例如ERP、MES和CRM系统)。有了这些技术,企业不但能实现快速的应用操作和开发,更能收集、分析和分享产品内外各个环节产生的大量数据。要建立并支持这样的技术能力平台,企业需要大量投资并获取新的能力,例如软件开发、系统工程设计、数据分析以及网络安全技术,但掌握上述能力的传统制造企业可谓凤毛麟角。

智能互联产品能做什么?“智能”和“互联”将赋予产品一系列新的功能和能力,主要分为4类:监测、控制、优化和自动。理论上,一个产品可兼具上述4类功能。每一类功能都有自身的意义,并为下一阶段的功能打好基础,例如监测功能是控制、优化和自动的基础。要实现客户价值和战略定位,公司必须选择要发展的产品功能。下面我们对每一类功能进行分析。

(1)监测。通过传感器和外部数据源,对产品的状态、运行和外部环境进行全面监测。在数据的帮助下,一旦环境和运行状态发生变化,产品就会向用户或相关方发出警告。监测功能还能让公司或客户追踪产品的运行状态和历史,更好地了解产品的使用状况。监测数据对产品设计(减少过度开发)、市场分层(通过分析和使用模式对客户进行分类)和售后服务(更准确地诊断故障部件,提高首次维修率)都有极重要的意义。这些数据还可以减少售后服务纠纷;此外,通过发现产能饱和以及产品利用率过高等现象,公司得以开拓新的商机。在一些产品中,例如医疗仪器,监测功能是产品价值的核心要素。美敦力公司(Medtronic)的数字血糖仪通过植入患者皮下的传感器,可以测量组织液中的血糖水平,并可通过无线连接向患者或医生发出警告。在患者血糖达到危险水平前,血糖仪可以提前最多30分钟发出警告,让患者接受及时的治疗。有时,监测功能可以在远距离跨越多个产品。德国MTS盾构机公司在美国公司的产品上部署了大量的传感器,来监控设备的运行,包括环境、设备状态、运行参数、仪器仪表等,数据不间断地发送回公司的数据库。MTS基于此实时监控全球各地的设备运行状况,并为客户提供远程服务和及时服务,确保客户的设备处于良好的运行状态。

(2)控制。人们可以通过产品内置或产品云中的命令和算法进行远程控制。算法可以让产品对条件和环境的特定变化做出反应。例如当压力过高时,自动关闭阀门;当车库流量表达到一定级别时,打开指示灯。通过内置或云搭载的软件对产品进行控制,产品可以实现高度定制化,这在以前是成本很高或难以实现的。如今用户可以通过多种新的方式控制或定制与产品的互动。例如飞利浦照明的多彩灯,用户可以通过智能手机进行开关,还可以设置程序,当有人闯入时发出红色闪光。Doorbot门禁系统可以让用户用智能手机对访客进行扫描,远距离控制房门的开关。

(3)优化。有了丰富的监测数据流和控制产品运行的能力,公司就可以用多种方法优化产品,过去这些方法大多无法实现。如今我们可以对实时数据或历史记录进行分析,植入算法,从而大幅提高产品的产出比、利用率和生产效率。以风力发电涡轮为例,内置的微型控制器可以在每一次旋转中控制扇叶的角度,从而最大限度地捕捉风能。人们还可以控制每一台涡轮,在能效最大化的同时,减少对邻近涡轮的影响。此外,基于实时监测数据和控制功能,公司可以在故障发生前提供维护,远程完成服务,这样不仅缩短了产品停机时间,更省去了派遣维修人员的成本。即便需要实地修理,这些产品也可以提供维修信息,包括哪些部分受损,需要的部件以及修理的方法,这降低了维修成本,提高了一次维修率。迪堡公司能检测多台自动取款机的使用状况,一旦侦测到早期故障预警信号,公司就会对取款机的状态进行评估,进行远程修理。如果需要实地修理,公司会向维修人员提供详细的故障诊断、维修流程建议和需要替换的部件。和其他智能互联产品一样,公司的自动取款机也可以通过升级来提高性能,通常升级都是通过远程软件更新完成。

(4)自动。将检测、控制和优化功能融合到一起,产品就能实现前所未有的自动化程度。最简单的产品有iRobot公司的真空扫地机器人Roomba,它内置软件和传感器,能对不同结构的地面进行扫描和清扫。更先进的产品则具备学习能力,能根据周边环境分析产品的服务需求,并根据用户的偏好调整。自动功能不仅能减少产品对人工操作的依赖,更能实现偏远地区的远程作业,提升危险环境下的工作安全性。此外,自动产品还能和其他产品或系统配合。随着越来越多的产品实现互联,这些功能的价值将呈指数级增长。例如,随着智能电表入网数量增多,电网的能效就可不断提高,发电厂就能更好地了解用户的用电习惯,并随之调整、优化。基于自身运行以及周边环境(包括系统中其他的产品)数据,以及和其他产品的沟通能力,产品最终将实现完全自动运行。操作人员只需要检测成果或整个系统,不必再关注单个产品。久益公司的Longwall采矿系统就可以实现地下自动化运行,位于地表的控制中心只需进行远程监测。系统对设备的运行和故障进行持续性监控,只在发生故障时派技术人员到地下进行修理。

对于制造业来说,除了产品智能互联外,还有一个维度是制造体系中的设备、物料、产品和人的互联互通和智能化。目前基于物联网,物料可以按照设定好的规则,通知物流设备:我是谁,我要到那里去。物流设备把它送到指定的工位,设备可以通过物料的连接,了解这个物料在此工位的加工工艺,需要的工装夹具,需要安装的其他物料种类等,并在人的确认下或自动开始加工。所有的加工工序结束后,送终检工序,确认产品合格后直接通知客户和物流,产品已经准备好发货了。智能制造体系中的产品、设备都需要具备智能互联的能力。智能互联的制造系统让生产效率提升30%以上,同时赋予制造体系快速交货,零缺陷、高柔性的能力将赋予企业巨大的竞争优势和颠覆行业传统商业模式的能力。

3.1.4 物联网是智能制造的基石

智能制造以物理信息系统为基础。物料、设备、产品智能化,实现人、设备、产品、物料的互联,通过分布式控制使生产运营效率提高30%以上,同时做到高柔性、高质量。

生产过程的物料通过RFID芯片、二维码、条码等识别技术手段,内置如下信息:我是谁,我什么时间要到那里去,要在哪类(个)设备上做什么加工。物料和物流设备互联,告诉物流设备:“我在哪里,我要到哪里去。”物料到加工工位,会和设备互联,把加工工艺要求、需要和哪些物料组装在一起等信息传递给智能设备,设备按着指令进行加工或组装。物料经过质量检验设备,设备会自动判断合格、返工还是报废。如果质检确认报废,质量检验工序会自动生成补单信息,传递给库房和物流。这个过程中也可能需要人的确认或调整。

物流设备、加工设备需要智能化互联数控设备。其中涉及业务规则的制定、信息传输协议,当然还有重要的一点是信息安全,本章后面会单独讨论。

也有的工厂设备不可能一次做到智能化互联,红领服饰在大多数工位安装具有RFID识别功能的小电脑,和物料上的RFID卡互联,读取工位的加工工艺信息,由人来按照工艺要求操作设备,完成加工和报工。

物联网技术基于高稳定和高可靠性的内嵌式系统,德国在内嵌式系统方面有着极强的竞争优势,在这方面有百万技术人员从业。基于此优势,德国在自动化和机械制造方面在全世界具备独有的竞争优势。内嵌式系统成本低廉、性能可靠,可以支持互联。

基于智能内嵌系统的物联网技术日趋成熟,硬件和软件的成本越来越低,软件工具和应用环境越来越成熟。现在国内、美国、欧洲都涌现一批物联网工厂的供应商。很多的设备供应商开始成为工业4.0解决方案的提供商。