物联网在工业企业的应用与实践 (1) 物联网与工业4.0
本系列文章将分享物联网在工业企业中的应用与实践的经验，包括如下四个部分：
- 物联网与工业4.0
- 智能制造领域物联网应用场景
- 基于AWS的物联网解决方案
- 物联网应用实施建议
物联网与工业4.0
物联网
什么是物联网？
基本定义：“物联网”（The Internet of Things）指的是将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。
物联网的本质
从物联网本质分析，它是信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，是将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用实现人与物对话，创造智慧的世界。被称为信息产业第三次浪潮。
- 第一次：PC机时代
- 第二次：互联网时代
- 第三次：物联网时代
物联网的三个层次
- 感知层
据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术
- 网络层
实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要
- 应用层
应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用
工业4.0
工业革命的发展历程
工业领域从18世纪末起步，发展至今已经有200多年的历史，在这期间经历了多次的工业革命，驱动工业生产的能源从蒸汽变为电力，生产的过程也逐渐实现了自动化和信息化，每一次工业革命，都为生产力带来了翻天覆地的变化。现在，我们正在经历的是第四次工业革命，是通过信息物理系统(CPS)融合所有的物理设备与资源，从而实现智能化的生产。
工业4.0的基础——信息物理系统(CPS)
建立信息物理系统（CPS）后，就可以将物理设备（各类传感器）连接到互联网上，让物理设备具备计算、通信、精确控制、远程协调、自治、数据采集等功能，从而实现虚拟网络世界与现实物理世界的融合。
CPS可以将资源、信息、物体以及人紧密联系在一起，从而创造物联网及相关服务，并将生产工厂转变为一个智能环境。这是实现工业4.0的基础。
工业4.0的驱动要素
在工业4.0时代，企业所关注的将不仅仅是生产的过程、产品以及企业内部的各种流程环节和问题，企业的眼光将放到更广阔的领域。企业需要将内部的资源(设备、产线、产品、库存等)与外部的资源(客户、市场、上下游供应链等)整合起来，利用整合之后的能力，帮助企业来推动企业的发展。而这些内外部的资源就是信息物理系统所要关联和整合的，由此所带来的好处也就是企业采纳工业4.0的驱动要素。
工业4.0的驱动要素包括：
- 满足客户个性化的需求
- 动态的业务与系统工程流程
- 提供透明系统数据供管理层作最佳决策
- 设备产出率和效率
- 创新服务为客户带来更大价值
- 应对人口结构的变化
- 员工有更好的工作及生活平衡
- 高福利的企业仍有利可图
工业4.0关键词
- M2M (Machine to Machine): 以设备通讯控制为核心，实现机器设备之间的自动通讯。从更广义上讲，是非IT机器设备通过通讯技术或移动网络与其他设备或者IT系统之间的通讯，包括设备与设备，设备与系统，设备与人之间的连接与通信，通过这种连接实现设备乃至业务的自动调节。
- 智能世界: 从各类实体设备上获取各种信息，利用这些信息，使用机器学习等智能算法，实现实体世界当中各类业务流程的自动化与智能化，大幅提升实体业务的效率。
- 信息物理系统: 资源、物体、信息、人等的整体结合，使世界万物作为一个整体进行连接与通信，将原本分离的实体(机器设备)与生产流程(企业业务)进行集成，从而更方便的发现实体设备与抽象业务之间的关系与影响，更好的推进企业业务的发展。
- 物联网: 通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网提供了使各类实体设备接入CPS的技术，是工业4.0的基础。
- 社交媒体: 在工业4.0的发展中，企业不仅要关注内部的信息，更要关注外部的信息，而社交媒体是企业外部，包括客户，供应商，经销商等反馈企业产品、服务等信息的重要信息来源，因此在工业4.0当中，社交媒体将会是企业决策的重要信息来源和推广企业产品及服务的重要渠道。
- 移动与云: 快速的市场响应和随时随地的信息获取将是企业在工业4.0时代的一个重要特征，移动平台和云平台将会成为当今时代最适合企业发展的平台。
工业4.0战略的要点
工业4.0战略对于企业来说是一个全面的战略，不仅仅聚焦去某一项或者一点业务，它依托于信息物理系统网络(CPS)，通过CPS连接企业内部外部业务以及上下游的所有相关资源，为企业实现生产、工厂、物流、服务四个主要业务层面的智能化。为了实现这四大业务主题的智能化，企业通过CPS要实现企业业务的纵向集成(从设备到业务的打通)，横向集成(企业与上下游合作伙伴之间的集成)以及端到端的集成(企业内部业务流程的集成与贯通)。在推进上述三项集成的时候，企业要建立好标准化和参考架构用于指导平台的建设；要具备管理复杂系统的能力，因为在整个平台中，企业面对的是多种系统、资源、设备和人融合的一个极其复杂的平台；要建立工业宽带基础，用于支持平台中不同组件之间的通讯；要有强有力的安全和保障，来保证平台的正常运行；企业的组织架构和流程要符合新的融合平台的要求；企业的员工要进行充分的培训和教育以适应新的工业革命的需要；企业需要有效的监管架构，对整个平台及业务有力的把控；要对企业所使用的资源高效的应用。
互联的工业
在工业4.0时代，企业实现的是人、工厂、设备、产品之间的万物互联。
通过这种互联，打通企业内部、企业之间以及企业与市场和客户之间的信息交互，从而使企业的业务范围突破原有的界限，以图更大的发展；让企业和客户之间交互的更加频繁，使自己的产品和服务更符合市场的需要；企业与合作伙伴之间的关联更加紧密，工作效率大幅提升；企业也会更专注于自己所擅长的领域，避免了资源的浪费。 通过这种万物互联的模式，形成完整的业务生态，谋取更大的生长空间。
工业4.0驱动业务发展方向的5个维度
通过CPS连接并集成企业内外的各类资源之后，工业4.0能够从5个维度帮助驱动企业业务的发展。
- 网络化制造纵向集成: 从设备网络到生产管理网络到业务运营网络的集成，打通企业生产制造、生产管理和企业运营之间的逻辑壁垒，帮助企业提升生产效率和生产计划、决策的能力，减少生产环节的浪费，更好的对企业进行运营。
- 业务网络横向集成: 实现企业与企业上下游之间合作伙伴的集成，打通企业之间的业务壁垒，加强企业上下游业务之间的合作，构建业务生态圈，更好的发挥企业的专长。
- 价值链端到端数字化集成: 实现企业中原有的无形的端到端业务价值链集成，使其由松散的集成转变为自动化、智能化的集成，将端到端的业务形成一个逻辑整体，各个业务环节之间的关联与影响能够实现自动的触发与追踪，从而提升企业内部运作的效率。
- 新的业务模式: 帮助工业企业实现从以生产为中心到以服务为中心的转变，从新的业务形态和业务模式中，挖掘新的价值增长点，提升企业的收入。
- 新的社交经济: 充分利用移动应用、社交网络的渠道和数据，帮助企业拓宽经营渠道，获取市场信息和客户反馈。
工业4.0的五大特点
从上述对工业4.0的描述中，我们总结出工业4.0的五大特点：
- 互联: 互联是基础
- 数据: 数据是依据
- 集成: 集成是手段
- 创新: 创新是结果
- 转型: 转型是目的
工业企业的数字化转型思维
因此，工业4.0就是要帮助企业实现数字化转型。而在这个过程当中，企业要具备数字化转型的思维，这种思维包括互联网思维、协同合作思维和大数据思维。
- 企业要把产业链上供应商、企业自身、客户全部互联互通，重塑企业整个价值链
- 数字化转型过程中，没有个人英雄，有的只是协同合作，充分利用不同资源为我所用
- 企业必须建立自己的大数采集、分析系统，通过分析采集的大数据来为企业作预测和决策
制造业行业发展趋势
以制造业行业为例，在工业4.0时代，制造业行业的发展有如下趋势：
- 数据的价值: 企业中各项业务都会依赖于数据，不论是企业管理的措施，市场营销的决策，还是产品设计与生产的规划，这些都是依赖于各种数据做出的，因此数据将会是企业新的石油，充分并且合理利用数据的制造业企业才会占得先机。
- 数字化制造: 处于工业3.0的制造业企业，大都已经实现了生产制造过程中自动化和信息化，在工业4.0时代，生产制造的过程将实现智能化，生产的排产、执行将会与产线设备的运行状态和性能相关，从而能够智能化的帮助企业在生产过程中更好的发挥产线的能力，提升生产效率，减少浪费，并且更加全面的掌控生产的情况，。
- 服务即产品: 工业4.0时代的企业重心将会从产品转到服务，通过服务帮助企业挖掘更多的市场机会，并通过服务获得市场与客户对产品的反馈，来对自身的业务和能力进行优化与升级，寻求更长远的发展。
- 互联的产品: 制造企业的产品销售之后，它的运行状况，客户的使用状况将会成为企业非常关心的，而互联的产品不仅能够将这些信息传输会企业，一方面帮助企业提供更好的服务，另一方面帮助企业对产品进行优化。此外，互联的产品也能够帮助企业形成产品生态圈，帮助企业发展更多的周边产品，获得更多的市场机会。
- 可持续发展: 绿色环保，节约能源，持续创新，持续发展。
制造业转型方向
在工业4.0时代，制造业企业要实现智能制造，可以重点发展如下几个转型方向：
- 智能化设计：融合企业内外部数据实现产品持续改进、新品立项模拟、文档搜索优化、人员资质能力图谱。
- 个性化定制：用户需求和习惯数据进行挖掘、分析，打造个性化产品数据库并引导模块化设计，提供个性化的定制产品或服务。
- 协同制造：数据在企业纵向、横向充分集成、顺畅流动，打破地域，企业局限，实现协同设 计，制造。
- 智能化生产：基于实时数据的自适应优化控 制和自动化、精细化管理生产。
- 智能化服务：通过传感器、嵌入式系统的应用打造智能产品，并接入到云端，收集产品运行数据，建立数据仓库，数据湖，挖掘数据价值并向用户提供个性化增值服务。
从上述描述中不难看出，这些转型方向都是依托于CPS，通过企业内外的纵向、横向以及端到端的集成，依据各个业务环节中所产生的数据，结合新的业务渠道和业务模式所形成的业务创新，来帮助企业挖掘新的业务增长点。
在这些新的转型方向中，企业所提供的服务将会成为这些业务增长的重点方向，制造业企业通过向市场和客户提供的服务，可以挖掘更多的销售机会，比如配件、维修、升级等；企业也可以通过服务从市场或者客户那里获得更多的对于其产品反馈的信息，用于对产品的更新和优化，从而使自己立于不败之地。
工业互联网
为了满足制造业数字化转型的需求，以互联网为代表的新一代信息技术与制造系统深度融合，形成的工业互联网应运而生。工业互联网融合大数据、互联网通讯等过去几年在互联网行业当中成功实践的技术，结合传统工业企业所拥有的ERP、MES等生产制造管理系统，并通过物联网技术将物理设备与信息化系统进行对接，形成了信息与生产深度融合的工业互联网。通过工业互联网为企业提供强大的数据分析能力，协同合作能力和智能的生产制造能力。
工业互联网是互联的工业系统，它着眼于从智能制造维度，工业互联网不是一张网，是互联的工业系统。工业系统的互联其最终目的是为智能决策提供支撑，进而实现工业过程的运行优化，在这期间亟需大量与工业过程相关机理、运行、优化知识的高效获取、融合、处理与应用。
在企业内部工业互联网实现制造系统的互联，即各类制造设备互联，并且对管理系统(业务系统)和控制系统进行互联。在企业之间，工业互联网实现产业链上下游企业互联，构成制造网络。
工业互联网平台功能架构
工业互联网平台功能架构分为如下几个层次：
第一层是基础层，这一层是整个工业互联网的地基，即物联网接入层，通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础。一是通过各类通信手段接入不同设备、系统和产品，采集海量数据；二是依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；三是利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，并实现数据向云端平台的集成。
第二层是平台层，提供基于行业属性的大数据处理、工业数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的开放式云操作系统，是工业互联网的核心。一是提供工业数据管理能力，将数据科学与工业机理结合，帮助制造企业构建工业数据分析能力，实现数据价值挖掘；二是把技术、知识、经验等资源固化为可移植、可复用的工业微服务组件库，供开发者调用；三是构建应用开发环境，借助微服务组件和工业应用开发工具，帮助用户快速构建定制化的工业APP。
第三层是应用层，是为满足不同行业、不同场景业务所提供的工业SaaS和工业APP，形成工业互联网平台的最终价值，是工业互联网落地的关键。一是提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用。二是构建了良好的工业APP 创新环境，使开发者基于平台数据及微服务功能实现应用创新。
除此之外，工业互联网平台还包括IaaS 基础设施，以及涵盖整个工业系统的安全管理体系，这些构成了工业互联网平台的基础支撑和重要保障。
因为工业互联网所具备的广泛连接、大量知识(数据)的积累和应用创新的特性，基于这种特性当前的云计算(云服务)是非常适合工业互联网构建的平台，既能够为工业互联网平台提供广泛的连接能力(各类技术对接接口与服务)，也能够提供近乎无限帮助企业存储并且处理各类数据(可灵活扩充的存储能力和计算能力)，以及能够提供随时随地接入广泛渠道和应用支撑(公有云服务面向互联网渠道的服务能力和开发技术)。
智能化运营工厂
基于工业互联网构建的智能化运营工厂参考如下：
- 智能互联: 信息互联共享生产信息，接口集成实现系统间信息共享
- 智能可视化: 综合了解全面生产情况，实时生产异常报警功能
- 智能控制: 实时感知质量问题并通知报警，有效利用设备实现生产自动化
- 智能生产: 防止操作失误，提高生产率，提供物料与生产的灵活衔接
- 智能调度: 准确的计划及调度管理，构建反映生产变化情况的计划体系
综上所述，在工业4.0时代，在工业互联网被广大工业企业所接受的过程当中，物联网及物联网相关应用的建设将成为企业为实现业务创新和数字化转型关键，它将为企业后期的发展打下基础。接下来，对于企业来说，选择合适的应用场景开始企业的物联网之旅非常关键，既能够帮助企业从物联网应用中获益，也能够为将来的大规模应用积累下适合本企业的经验。