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基于物联网时代的我国制造业信息化发展趋势

时间:2013-02-03    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

制造业信息化是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合,改造提升制造业的全局性、持续性、服务性和基础性的系统工程。物联网(Internet
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Things)通过全面感知、可靠传递、智能处理使信息到达不同目标,实现共享,从而实现“物-物”相联。制造业信息化要实现从产品的设计制造、销售服务到回收再利用的全生命周期的管理,物联网技术正好具有这一优势。互联网、云计算、物联网、数据仓库、信息安全等技术的迅猛发展,并与制造技术、特别是集成协同技术、制造服务技术和智能制造技术融合,形成了制造业信息化的核心使能技术,带动制造业信息化不断迈上新台阶,推动我国制造业持续发展。制造物联技术以嵌入式、RFID、商务智能、虚拟仿真与建模等技术为支撑,实现产品智能化、制造过程自动化、经营管理辅助决策等应用。
如今,众多制造业产品的数字化、网络化、智能化发展趋势越来越明显,先进的信息化技术促进生产过程的自动化与精益化;上游供应链供应与物流更加准时化和精益化;制造业的竞争格局已经从以产品为中心向以服务为中心转变;制造物联正在向全生命周期有效管理拓展。制造物联的实施,对我国制造企业强化精细管控能力、抢占产品售后服务市场、提升市场综合竞争力、打造自主品牌都具有重要的战略意义。“十二五”期间,制造业信息化科技工程将站在一个新的战略高度,为加速制造业转型升级、振兴十大产业、发展高端制造业和战略性新兴产业发挥更重要的作用。云制造、集成协同技术和制造物联技术等给制造业信息化发展注入了新内涵、新活力,并将对制造服务关键技术标准的形态和发展产生重要的影响。

 
  笔者认为加快提升传统制造业的关键之一是要积极地推进制造业的信息化进程,在物联网的崛起与影响下,本研究主要探讨了我国制造业信息化的发展。

 
  1 制造业信息化发展的重要性

 
 
经济全球化促进了大型制造企业引领制造业信息化技术的发展,同时,随着国际制造业格局的变化,加快我国制造业信息化步伐,发挥制造物联技术在制造业信息化中的重要作用,对于推动我国信息化与工业化的融合,实现企业的转型升级至关重要。信息化正在重塑制造业竞争的新格局。

 
  1.1 重构产业价值链

 
 
价值链全过程如图1所示,信息技术的扩散推动了制造过程中隐性知识的显性化。传统制造业工艺过程中有大量的“konw-how”等隐性知识,它决定着企业产品的质量、功能等,是产品差异化的重要来源。信息技术的扩散正在改变这一格局,各种智能化的生产装备(数控机床、贴片机)和先进的管理系统集成(PDM、ERP、SCM)整合了生产的诀窍、成熟的工艺、科学的方法、先进的理念,是先进生产方式的重要体现,是创新管理模式的重要手段,是隐性知识显性化的重要载体。
130038271052993764_new.jpg (376×206)
图1 价值链全过程

图1

    
制造环节的附加值化越来越低。信息技术在制造业各环节的大规模应用,标准化工业制成品大规模、大批量生产越来越容易(山寨机、OEM),传统制造业生产能力急剧膨胀、快速扩张。制造企业越来越难从数量相对过剩且缺乏差异的标准化工业制成品上获取竞争优势,制造环节的低附加值化越来越突出。

   
1.2 创新产品交付形态

 
 
目前工业产品的结构越来越复杂,零配件越来越多,安装要求越来越精密,如发电和能源设备、高精度工作母机、大型航空器、大型船舶和重型运输设备等产品已变得十分复杂。这些设备的安全、稳定运行变得越来越重要,任何机器设备的停工所造成的损失都是巨大的。在这一背景下,提供在线服务支持和维护显得越来越重要。

 
 
产品智能化水平越来越高,为在线监测、实时诊断和维护在技术上提供了重要保障。在制造业多个领域,在线服务越来越普及,并涌现出许多基于在线维护的商业模式,从一次性交易到长期交易,许多制造企业实现了从提供产品到提供“产品+服务”的产品服务系统(PSS)。

 
  1.3 提高产品交易效率

 
 
信息技术不仅提高了生产效率,更提高了交易效率,便捷的电子商务、精准的供应链管理以及复杂产品的总集成、总承包、总服务已成为发展趋势。服务正成为企业难以模仿、难以复制、不可完全转移的独特资源和能力,成为企业培育竞争优势、实施差异化发展、提升客户满意度的重要途径,因此服务正成为产业竞争的重要领域和产品差异化的重要来源。

 
  2 物联网技术发展带来的变革

 
 
物联网是新一代信息技术的重要组成部分,其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(RFID)、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等技术手段,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。

 
  物联网可视为一个由感知层、网络层和应用层组成的3层体系,如图2所示。


 
130038271218893253_new.jpg (793×391)图2 物联网体系结构简图



 
 
1)感知层主要包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器以及M2M终端、传感器网络和传感器网关等,在这一层次要解决的重点问题是感知、识别物体,采集、捕获信息。感知层要突破的方向是具备更敏感、更全面的感知能力,解决低功耗、小型化和低成本的问题。

 
 
2)网络层首先包括各种通信网络与互联网形成的融合网络,除此之外还包括物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分,也就是说网络层不但要具备网络运营的能力,还要提升信息运营的能力。网络层是物联网成为普遍服务的基础设施,有待突破的方向是向下与感知层的结合,向上与应用层的结合。

 
 
3)应用层是将物联网技术与行业专业领域技术相结合,实现广泛智能化应用的解决方案集。物联网通过应用层最终实现信息技术与行业专业技术的深度融合,对国民经济和社会发展具有广泛影响。应用层的关键问题在于信息的社会化共享,以及信息安全的保障。

 
  2.1 物联网技术在我国的发展

 
 
对于汽车制造业这样的流程制造业而言,信息化对其发展起到重要的支撑作用,诸如条码技术、红外扫瞄、RFID技术等已经得到较多的应用,然而,目前距离物联网还很远。物品条码只是被动的条码,其记录与处理过程仅存在于生产线、库房与销售网络中,仍缺乏实时跟踪的机制,如果能够有效地引入物联网的机制,可以帮助企业实时掌握销售情况,辅以顾客信息、地理位置信息、运输与仓储信息等,帮助企业更实时、科学地安排采购、生产、仓储、配送、调拨与销售等工作。

 
 
国家宏观政策的支持与引导是我国物联网发展不可或缺的政策优势。我国政府对物联网发展给予了高度重视。早在1999年中国科学院就开始研究传感网,2011年物联网列入了“十二五”国家重点专项规划,将在5年内拨放50亿元专项资金以补助企业物联网建设,同时,针对物联网企业减免税收等优惠政策也将在后续工作中体现出来。总之,国家重视发展工业物联网,有很强的政策支持力度。

 
 
我国发展物联网技术与国外基本同步,已形成基本齐全的物联网产业体系。由于起步较早,目前我国对物联网应用领域的研究与美国、德国等欧美国家基本处于同一起跑线上,中国成为国际传感网领域标准制定的主导国家之一。我国自主研发的用于工业过程自动化的无线网络标准WIA-PA和HART基金会标准Wireless
HART,经过IEC成员国投票认定,已进入国际IEC标准体系,和行业较为知名的美国仪器仪表协会标准ISA100,并列成为国际上3个主流的工业无线技术标准,在此基础上,我国还在积极推进面向离散制造业的工业无线网络技术(WIA-FA)的研究和标准制定工作。另外,目前国际上已成立一个物联网标准研究组,中国在其中成为较重要的角色,而且中国向国际标准化组织提交的多项标准提案也被采纳。

 
  2.2 物联网在制造业信息化中的应用

 
 
物联网的本质其实就是深度的信息化,物联网的发展将会极大地促进各行业的信息化进程,对于制造业而言,信息化正对其发展起到重要的支撑作用。物联网技术在制造业中的应用优势可归纳为以下几点:

 
 
1)产品智能化。产品中加入大量电子技术,实现产品功能的智能化。在产品中植入RFID芯片,记录产品的静态信息,通过各种传感器,模数转换,检测设备的运行状态,使设备“能说会道”。

 
  2)售后服务。通过无线网络获取产品运行状态信息,实施在线的售后服务,提高服务水平。

 
  3)设备监控。企业的生产设备可以通过以太网或现场总线采集设备运行状态数据,实施生产控制和设备维护。

 
  4)物流管理。厂内外物流植入RFID,实现物品位置、数量、交接的管理和控制。

 
 
三一重型装备有限公司(简称三一重装)是专业从事煤炭掘进、采煤、运输成套设备研发、制造及销售的大型装备制造企业。三一重装十分重视利用信息化技术提升企业三大核心竞争力,在企业研发、制造和服务等领域积极探索“两化”深度融合,取得了显著效果。三一重装以ERP为核心,集成人力资源与财务两大平台以管控企业核心资源,集成协同研发、在线采购、精益制造、集成销售与智能服务五大平台以建设与支持企业从研发至服务的核心价值链及其卓越流程,使其在产品设计、寿命、质量、服务等多方面取得竞争优势,其掘进机产品国内市场占有率达到50%。例如,三一重装的协同研发平台可以实现全球不同地理位置(美、德、印、巴等)、不同专业(机、电、液、工艺、工程设计等)、不同产品版本(通用、欧版、美版等)的研发人员于同一虚拟样机、同一设计流程、同一数据平台的安全协同研发设计,全面支撑企业研发核心能力培育;精益制造平台依托制造资源库,构建产能规划和生产调度平台,形成以数字化工厂(DF)与制造执行系统为核心,含工艺规划、生产调度、质量管理等十大板块的生产控制平台,支撑企业制造过程的规划、计划、执行与决策;智能服务平台以客户需求拉动,通过创新服务模式,充分应用远程诊断、3G、导航等现代信息技术,实现客户、一二三线服务工程师、服务管理人员之间的协同,提升服务的品质与效率,进而提升服务核心能力。

 
 
从单一产品制造企业,到解决方案和服务提供商,在不断进行的整合中,陕西鼓风机(集团)有限公司(下称“陕鼓”)找到了制造价值链上的制高点——服务,使艰难转型因信息化技术的发展成为可能。在2002年,陕鼓就开始涉足物联网应用,成功建设了陕鼓的旋转机械远程在线监测及故障诊断系统。因为风机设备的稳定运行对客户整体系统的正常运转具有重要的作用,而专业的远程状态服务能够发现并记录入眼难以察觉的微小变化,防患于未然,所以把信息技术与传统产业进行嫁接,研发一套远程监测系统,这样,技术专家就可以通过数据,全天24h为用户提供在线技术支持和故障诊断,降低了用户的维护检修成本,保证了机组安全运行。通过使用该系统,客户可以减少非计划停机次数,降低故障率,缩短停机检修时间,延长检修周期,延长机组连续运行时间,减少维修费用,也为流程系统提供了安全保障。陕鼓也因此可以及时掌握现场机组运行情况,这些信息通过陕鼓的内外专家队伍分析处理和在线观察预测,能为陕鼓的营销队伍提供许多超前、准确的客户维修改造和备品备件需求信息,为快速的市场响应奠定了基础。

 
  3 基于物联网的制造业信息化发展趋势

 
 
从发展方向上来讲,国家提出的信息化和工业化融合,特别是如何通过信息化渗透到制造业的各个环节中,如何打造新兴产业体系,走出一条新型工业化道路,仍然是未来面临的一个发展上的重大前提。

 
 
全球企业实现跨国的产品开发、营销和服务,对信息系统提出了支持多语种、多工厂、多个企业实体的开发与管理需求,以及全球协作开发的需求。工业发达国家许多企业将信息化技术综合集成并应用服务于研发、管理、财务运作、营销、服务等核心业务,实现了产品研制、采购、销售等在全球范围内的协作,在全球范围进行资源的优化配置。例如,空客A380四国五地的研制生产基地信息共享集成与研制流程协同,30个国家的1500家零部件生产商和供应商之间的网络协同。洛克希德·马丁公司在联合攻击战斗机(JSF)研制过程中,以项目为龙头,以数字样机为核心,以Internet和协同产品商务系统为综合集成平台,实现了CAD/CAE/CAM/MRP/SCM/MRO的集成,建立了全球30个国家、50家公司、50000用户参与研发的数字化集成协同环境,充分发挥各合作伙伴的优势能力,使设计时间减少50%,制造时间减少66%,备件减少50%。

 
 
实时感知、网络交互和应用平台的可控可用,使物联网实现了信息在真实世界和虚拟空间之间的智能化流动。物联网与先进制造技术相结合产生的新的智能化制造体系,概括起来主要体现在8个方面:①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;②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;③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;④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,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;⑤空间协同技术,它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;⑥平行管理技术;⑦电子商务技术;⑧系统集成制造技术。

 
 
基于物联技术的发展,高度的信息共享促使企业可以通过优化业务流程和资源配置,强化运行细节管理和过程管理,追求持续改进,推动企业不断适应内外环境的变化,提高核心竞争力和创效能力,达到精益管理,从而提高制造业生产力。例如精益生产造就了洛克希德·马丁的军机生产霸主地位。在JSF研制中,工装减少90%,生产时间减少66%,制造成本减少50%,需要的零件数减少50%,需要的紧固件减少50%以上。通过这一系列的数字可以看出来,它的成本降低了,效率提高了。精益研发第一次系统地以质量数据总线整合各种产品质量信息,把物理世界与数字世界充分关联起来,两者之间的精确映射,为企业提供一种企业级的产品数字化样机开发环境,预期可实现顶层牵引、系统表达的质量设计思路,让一个复杂产品的研发质量,系统、清晰、稳定、动态、完整地掌握在设计者的手里,让产品的质量与可靠性有了系统的保障,让产品创新有了质的飞跃和效率的提升。由此看出,精益化也是我们向全球高端制造业发展的必由之路。

 
 
融入物联技术的制造业信息化支撑并推动了制造业服务化转变。当今国际形势下的高端制造业都将服务看作发展重点,我们同样希望站在附加值更高的微笑曲线的两端。中国是制造业大国,要提高就要向“中国智造”发展。很多重复性或者不是核心主导业务的,可以通过外包的形式实现成本最小化;同样如果是为自身的企业提供服务的机构,达到一定的程度,也可以对外展开服务,也可以把卖商品进一步演化到提供一些成套、集成的方案,从而提高附加值。比
如罗·罗公司,它不直接出售发动机,而是以“租用服务时间”的形式出售,在租用时间段内承担一切保养、维修和服务。

 
 
基于物联技术的泛在信息系统将实现专业分工更加细化、明确,同时,物联网通过全面感知、可靠传递、智能处理使信息到达不同目标,实现共享,因而高度共享的信息资源、高度细化的专业化分工极大地提高了工作效率,帮助企业节约成本,提高竞争力。

 
 
另外,物联网在中国制造、在发展绿色低碳经济中占据着重要的战略性地位。在物联网的推进策略上,应充分考虑到中国制造的产业基础和优势,将物联网相关技术作为进一步提升中国制造技术含量和服务品质含量的关键手段。随着物联网技术的成熟和商业模式的不断丰富完善,嵌入了“物联网”新应用和服务的中国制造产品将不断涌现,同时,要把物联网和发展“绿色、环保、节能、低碳经济”相结合,充分利用物联网能够实现更精细、更简单、更高效管理的特性,通过重点领域的应用示范效应,促进物联网创造更大的经济效益和社会效益。

 
  综上所述,本研究分析并归纳了我国未来制造业信息化的发展趋势,主要体现在6个方面:

 
  1)全球化,要求制造企业面向全球资源配置销售服务网络;

 
  2)智能化,指充分利用制造物联技术,实现产品和制造过程智能化;

 
  3)精益化,要求构建集团管控模式、优化资源配置,实现精益运作;

 
4)服务化,是从生产型制造向服务型制造转变,占据价值链高端;

 
5)专业化,是通过供应链和企业集群的分工协作,提升竞争力;

 
6)绿色化,是从高能耗向低能高效转变,实现绿色设计与绿色制造。

 
  4 结束语

 
 
本研究主要介绍了我国建设制造业信息化的重要性,在物联网兴起的新时期,探讨了制造业信息化的发展,以物联网技术为基础的制造业信息化将为我国发展现代制造业带来创新的服务理念。分析了物联网技术的发展,详细阐述了物联网在制造业信息化发展中的应用及其带来的重要影响,提出了基于物联技术的我国制造业信息化发展趋势。制造物联技术以嵌入式、RFID、商务智能、虚拟仿真与建模等技术为支撑,实现了产品智能化、制造过程自动化、经营管理辅助决策等应用。云制造、集成协同技术和制造物联技术等给制造业信息化发展注入了新内涵、新活力,必将对制造服务关键技术标准的形态和发展产生重要的影响。

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