大数据推动下的工业4.0

□文/石照耀 、侯晋珊



大数据推动下的工业4.0

□文/石照耀 、侯晋珊

随着信息化与工业化的深度融合，第四次工业革命悄然来临，其中大数据也扮演着越来越重要的角色。从智能仪器设备的应用、智能工厂的建设到企业生产、管理、销售的变革升级，大数据在其中扮演着重要的角色。

大势所趋——人类迎来大数据时代

对于“数据”这个词我们并不陌生，那么现在社会流行的“大数据（Big data）”又是什么呢？顾名思义，所谓的“大数据”就是对大量、动态、能持续的数据，通过运用新系统、新工具、新模型的挖掘，获得具有洞察力和新价值的东西。随着云时代的来临，大数据也吸引了越来越多的关注，悄然并将深刻地改变着我们的工作和生活。一天之中，我们都在与数据打交道，我们每天醒来在手机上的所有操作行为，浏览朋友圈、了解新闻热点、查看股票信息等，都在不断产生数据，我们的生活已经与数据息息相关。

科技进步日新月异的今天，互联网、大数据等现代信息技术深刻改变着人类的思维、生产、生活、学习方式。以当今最热门的电商软件之一淘宝为例，网络虚拟与现实购物的完美结合，改变了我们传统的购物方式。随着大数据的发展，淘宝也越来越智能化、人性化，例如每天推送的“猜你喜欢”会根据我们平时浏览购物的数据记录汇总分析出使用者的购物喜好。类似的还有很多，例如网易云音乐中的“私人FM”，会根据你平时的听歌记录推送你喜欢的歌曲。将大数据与先进的分析工具结合，通过对数据的挖掘并实时分析，实现智能化升级，用户体验也变得越来越好。

数据就像是新的石油。除了给我们的日常生活带来改变，大数据也正悄然改变国际战略格局，数字主权将成为继边防、海防、空防之后另一个大国博弈的空间。大数据将改变国家治理架构和模式：通过对海量、动态、高增长、多元化、多样化数据的高速处理，快速获得有价值信息，提高公共决策能力［1］。大数据是工业社会的“自由”资源，谁掌握了数据，谁就掌握了主动权。可以说“大数据”是一个时代的特征，是社会发展的必然趋势。

石照耀 博士，博士生导师、教育部长江学者特聘教授、国务院有突出贡献专家、科学中国人（2010）年度人物、国际标准化组织ISO/ TC60中国委员、北京市精密测控技术及仪器工程技术研究中心主任

侯晋珊 北京工业大学、北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，在读硕士研究生

制造发展——工业4.0的大数据环境

2013年的汉诺威工业博览会被视为第四次工业革命的开端，工业领域几乎所有的生产与系统正以越来越网络化的形式向互联网迈进。在这一波全球性的产业革命中，互联与高度融合成为工业4.0的最佳代名词。它们的范围非常广：生产设备间的互联、设备和产品间的互联、虚拟和现实的互联……最终实现所有人与人、人与物、物与物的相互连接。原本孤立的系统变得不再孤立，生产过程高效透明，进而重新构建起我们的生活方式，大数据环境也油然而生。

普遍意义上的大数据具有“4V”的特征，包括Volume 、Velocity、Variety、Veracity：

Volume（大量）是指非结构化数据的超大规模和快速增长；

Velocity（高速）是指实时分析而非批量式分析，数据的生产与采集异常频繁，以满足我们的实时性需求；

Variety（多样性）是指大数据的异构与多样，意味着从海量信息中挖掘内在关联并做出处理；

Veracity（真实性）是指避免数据收集和提炼过程中发生的数据质量污染所导致的“虚假”信息。

图1　工业大数据6V定义

而工业大数据除上述“4V”特征之外，它还包括另外两个“V”，即Visibility和Value：

Visibility（可见性）是指通过大数据分析使以往不可见的重要因素和信息变得可见，改变传统的工业视角，从用户端的价值需求出发提供定制化的产品和服务；

Value（价值）是指通过大数据分析得到的信息应该被转换成价值（如图1，工业大数据6V定义）。

大数据助推下的智能仪器设备

贴近我们生活的每台智能仪器设备都有自己标签、代码，像生命体一样被一个大的服务器监控着，一旦出现故障就会迅速反馈给总服务器，并可以快速定位到问题所在位置，继而就有相关人员上门维修。这种服务的理念是我们现在社会所追求的：不仅要有出色的产品，更要有优秀的售后体验。商家销售产品，但销售产品的核心目的是在使用中创造价值。在汽车领域，所有的高科技都可能首先与汽车业挂钩。我们注意到现在越来越多的汽车用一块显示屏代替了传统汽车的按键，不仅画面简洁直观，而且在操作过程中用户也无需记忆功能各异的按键了。在倒车时，显示屏画面直接自动切换到车后方的位置，驾驶者可以清楚直观地看到车后面的情况。2014年12月22日，谷歌宣布已经打造出第一辆全功能无人驾驶汽车原型，这是首款完全自动驾驶的汽车。这款无人驾驶汽车能够在没有驾驶员控制的情况下，通过传感器和车载电脑上的软件系统自动行驶。

大数据助推下的智能工厂

在大数据平台的分析操控下，制造企业可以实时监控产品的运作状态，对所有客户细分并优化生产流程，还能根据客户需要定制产品等。德国著名企业之一——博世公司，在建设智能工厂方面取得了突出的成绩。区别于传统的工厂生产线，在博世的洪堡物流中心，所有的零部件都有一个唯一的射频识别码，通过每个生产环节将识别信息读取并反馈到总服务器，各条生产线可以井然有序地高效运行，就像产品具有了生命并且还能使用身份证一样。虽然有了“身份证”，但因为每种零部件都不尽相同，所以产品的智能标签也并非只有一种，例如条形码、二维码、射频码和传感器，每种标签都有不同的应用特点和功能：条形码和二维码必须近距离扫描，如果零部件由不同的供应商提供，那么每个产品在出厂时都要标贴一个能够识别供应商的二维码；射频码可以穿透各种介质被迅速读取，在射频码使用以前都是需要人工手动在电脑前输入零件相关信息，效率低下且容易出错。智能化之后，工厂库存减少了30％，生产效率提高了10％，由此节约的资金达几千万欧元，相比之下，新系统投入花费的几十万欧元还是非常值得的。另外这种给零件贴标签的智能化方式使得整个产品生产控制更加透明化、实时化。

大数据助推下的企业发展

在传统制造企业，大量的数据分散在各个部门，如果想在整个企业及时、迅速地提炼出相关数据会很困难，而有了工业大数据，就可以利用相关技术将所有数据集成在一起，进而分析得到我们所需要的东西。现在许多企业顺应时代的发展，将大数据应用其中，积极进行改革升级，生产出富有“生命”的智能产品。例如SAP企业，研、产、供、销、服五个维度已经不是独立的系统，而是通过数据传输集成在一起（如图2，SAP企业5维度集成）。

图2　SAP企业5维度集成

第一个维度是在企业内部，通过SAP ERP、SAP执行方案、SAP数据采集与监视以及到设备层的集成完成企业内部运营；

第二个维度是设备机器之间的链接；

第三个维度是可变式的产品从电商到生产系统的集成；

第四个维度是生产协同，实现产品的可视化、可追溯、质量控制等功能；

第五个维度是企业可以利用云端优势来优化全球服务。

这些集成都离不开大数据的分析，所以是什么承载了SAP企业大数据的高效运转呢？答案是SAP HANA（SAP high-performance analytic appliance）即SAP高性能分析设备，它是一个软硬件结合体，专注于实施大数据分析和应用的内存计算机平台。就像苹果把邮件、电话、网络浏览、文档处理以及个人娱乐集成在iPhone一样，SAP HANA也集成了大数据分析所需的功能：它能够加速处理在线交易，同时可以作为数据仓库进行海量数据分析；它能够加速传统的关系型数据，又能链接外部的Hadoop进行非结构化数据处理［3］，将企业日常所需的数据需求全部集中在一个平台上。SAP HANA分析处理数据的速度非常快，例如将该系统用于医学基因分析，原本需要4到5天才能得出结果的报告将来只需20分钟就可以了！不仅速度快，SAP HANA通过对历史数据的分析挖掘还可预测未来，并帮助用户做出正确的判断，从而预防疾病的发生。

防患未然——大数据发展有待解决的问题

互联网的普及使得累积的用户网络行为数据也异常庞大，以至于已经不能用G或T来衡量。 截止到2012年，数据量已经从TB级别跃升到PB、EB乃至ZB级别。国际数据公司（IDC）的研究结果表明，2008年全球产生的数据量为0.49ZB，2009年的数据量为0.8ZB，2010年增长为1.2ZB，2011年的数量更是高达1.82ZB，相当于全球每人产生200GB以上的数据［4］。而到2012年为止，人类生产的所有印刷材料的数据量也不过200PB，全人类历史上说过的所有话的数据量大约是5EB。IBM的研究称，整个人类文明所获得的全部数据中，有90％是过去两年内产生的。而到了2020年，全世界所产生的数据规模将是今天的44倍。

首先，庞大的数据迫使人们开发容量大、速度快的服务器。不仅如此，随着社会的智能化、网络化，远程无线移动控制系统也成为智能设备的主流之一。要让机器像人一样拥有“智慧”，就必须赋予它像人一样的“大脑”，即用分析处理数据的服务器，挖掘数据潜在的商业价值，为客户做出最佳预计决策，达到运营商与客户互利共赢的效果。那么如何向服务器传输信息呢？人体有眼睛，嘴巴，耳朵等感官系统，类比之下，智能仪器来也需要大量的传感器。传统的传感器由于布线和通信装置繁多，缺点也随之暴露。而在大数据爆炸的年代，这种有线传输再也不能行得通，我们要用数据来反映最多的信息，就必须发展无线传感器。

其次，随着全球大数据信息的发展，世界各国实现互联互通，惩治网络监听、信息滥用等不法行为，维护网络安全将会是国际社会的共同责任。我国宽带网络也要加强建设，预计2020年，中国的宽带网将基本覆盖所有的行政村。由于我们生活在高速发展的互联网时代，自己的隐私容易泄露，还有一些不法分子发布虚假信息欺骗消费者等问题，所以我国要加强完善立法，推进大数据开放、共享以及安全方面的相关立法与标准制定，让网络在法治的轨道上健康的运行。

图3　2008-2011年全球数据量变化情况（单位：ZB）

不断创新——畅想未来

回顾前三次工业革命，实际上是应用机械、电气和信息技术等越来越先进的生产工具将人力从繁重的生产活动中解放出来，从而提高生产效率降低生产成本的过程。而目前进行的第四次工业革命，其本质是互联网深度参与生产活动，将制造业对劳动力的依赖和生产成本优化到一个新高度。在机器大生产的蒸汽时代，英国迅速崛起成为当时的日不落帝国，实现了人的双手的解放。在如今的二十一世纪，则要通过全民创新解放人的大脑。我国政府在经济发展新形势下提出了“大众创业、万众创新”的重要指导思想，发展“新经济”促进中国经济转型。不仅仅指“互联网+”、物联网、云计算、电子商务等新兴产业和业态，也包括工业制造当中的智能制造、大规模的定制化生产等等。中国要推动涉及到重化工企业去产能，就需要把富余的员工转岗，而新动能发展起来就可以提供更多的就业岗位。“大众创业、万众创新”将亿万群众的创造力、积极性调动起来，形成一股强大的势力促进经济的转型。亿万民众的参与，不但可以实现人的全面发展，更可以促进国家的繁荣进步。一个很典型的例子，现在越来越多的人做了微商，借助网络的平台分享自己的经验、产品，相隔万里的人也可以交流交易，“远亲不如近邻”的时代一去不复返了。我们正处于第四次工业革命的初期，大数据作为基础，互联网作为支撑，虚拟与现实的结合使我们的生活更加便利。在这一波全球性的产业革命中，中国切实抓住机遇，将大力实施网络强国战略，国家大数据战略，“互联网+”行动计划，推进“数字中国”建设，发展积极向上的网络文化。根据产业趋势，集成电路及专用设备、信息通信设备、操作系统与工业软件、智能制造核心信息、新一代网络、高性能计算机与服务器等17个细分领域，成为未来我国中长期产业发展的重点领域。

2007年，史蒂夫・乔布斯发布了第一代iPhone时，便划时代地改变了手机，超越了当时所有的手机用户体验，创新性地将手机实体按键取消，扩大了手机显示屏，开创了手机触屏时代，将音乐、互联网、电话等功能集成在一部手机上，让手机变得智能。如今，更多的智能设备诞生并方便我们的生活，例如智能电视，它既可以联网看视频，还可以当作KTV点播歌曲，取代了传统VCD播放器；再比如智能马桶，除了马桶盖随时温热，还具有自动清洁、自动感应冲水等许多功能；还有智能手表，可以同步手机中的电话、短信、邮件、照片、音乐等。总之，我们可以感觉到所有的东西都在向互联互通发展：电视不仅仅是电视，而是一个大型的网络生态系统，手机不仅仅是手机，而是一个可移动的互联网……在正在发生的未来中，信息技术以物联网、云计算、移动互联和大数据等新兴热点技术为核心和代表，以信息技术应用为主线的我们所生活的智慧城市，是城市信息化的高级阶段。信息化与城市化高度融合，彰显着以人为本的可持续创新。

参考资料

［1］ 华商网，“国家大数据战略”，http：// news.hsw.cn/system/2015/1112/325266_4.shtml

［2］ Jay Lee【美】李杰著. 邱伯华译. 工业大数据工业4.0时代的工业转型与价值创造［M］. 北京：机械工业出版社， 2015.

［3］ 夏妍娜. 赵胜. 工业4.0正在发生的未来［M］. 北京：机械工业出版社， 2015.

［4］ 新华财经网，“大数据有多大”，http：//news.xinhuanet.com/fortune/2015-04/30/ c_127753550.htm

在计算机信息技术科学中，字节（Byte，简写为B）是最小的数据存储单位，每8个二进制位（0或1）为1个字节，不同数量级之间的换算关系如下：

1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

1PB=1024TB

1EB=1024PB

1ZB=1024EB