制造业与互联网融合背景下工业设备“上云”的现状、问题与路径研究

2018-11-02邱君降

制造业自动化 2018年10期

邱君降，李君，成雨，柳杨，文莎

（国家工业信息安全发展研究中心，北京 100040）

0 引言

当前，互联网创新发展与新一轮工业革命形成历史性交汇，工业互联网日益成为新工业革命的关键支撑和深化“互联网+先进制造业”的重要基石。2017年11月，国务院发布关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见，提出构建网络、平台、安全三大功能体系。工业互联网平台作为面向制造业数字化、网络化、智能化需求，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台，是工业互联网创新发展的关键，可推动制造体系从封闭走向开放，正在加速构建制造业新生态[1,2]。

工业设备上云是指通过加快设备数字化、网络化改造升级，将其接入各类工业互联网平台，基于平台开展设备数据的全面采集、汇聚、分析，实现设备状态监测、预测预警、性能优化和能力交易。通过推动设备上云，可降低能耗、提升设备能效和安全水平、促进制造能力在线交易和服务模式创新，可有效带动工业互联网平台规模化应用[3]。

当前，我国工业互联网平台发展总体处于起步阶段，设备上云率偏低是制约工业互联网平台发展的重要瓶颈之一。因此，加快推动有基础、有条件、有需求、有优化潜力的工业设备上云，并通过这些设备的示范性应用，加快平台技术进步、商业模式创新和规模化应用，对加快发展工业互联网平台具有重要意义[4]。

1 工业设备上云现状

纵观现今各类工业设备，有基础、有条件、有需求、有上云潜力的工业设备主要有：以炼铁高炉、工业锅炉为代表的高能耗设备，以发动机、大中型电机、大型空压机为代表的通用动力设备，以风电、光伏设备为代表的新能源设备和以工程机械、远洋船舶、数控机床为代表的高价值智能设备。

1.1 高耗能设备上云现状

炼铁高炉、工业锅炉等高耗能工业设备广泛应用于我国工业生产。其中，高炉是炼铁的主反应器，具有巨型、密闭、高温、高压、24小时连续生产的“黑箱”特性，而且其内部存在着气、固、液、粉的多相流复杂的物理化学反应。受制于行业整体智能化水平不高、相关云平台尚未全面普及，以及不同炼铁厂设备、原燃料条件差异大等现状，当前高炉炼铁普遍存在“唯经验论”操作，各炼铁厂技术经济指标参差不齐、安全事故屡有发生[5]。据测算，2017年，我国炼铁高炉近1000座、年消耗标准煤约3.4亿吨，炼铁高炉总体上云率约20%。炼铁高度亟需接入各类云平台，对生产过程进行实时监控、故障诊断、远程维护，以提升安全水平，实现降本增效、节能减排。

工业锅炉作为重要的热能动力设备，广泛应用于工业生产、市政供热或者发电。我国是生产和使用工业锅炉最多的国家，存在地理分布广、管理分散、工艺设计改进缺乏协同、日常运营质量良莠不齐、产业创新乏力等问题[6]。据测算，2017年，我国在役燃煤锅炉47万余台、年消耗标准煤近4亿吨，工业锅炉上云还处于起步阶段，总体上云数量估计不超过2000台。亟需通过推动工业锅炉上云，将不同地点的工业锅炉的生产数据进行实时共享，实现远程诊断与维护，提高设备运行效率，提升安全水平，降低能耗，并基于大数据积累提升产业整体创新水平。

1.2 通用动力设备上云现状

内燃柴油发动机、大中型电机、大型空压机等通用动力设备为多种设备和产品提供动力源，是企业关键基础设施。通用动力设备的高效、安全、稳定运行对于所服务行业的安全、高效运转起着关键作用[7]。我国通用动力设备存量大，普遍存在停机时间长、维护成本高、安全风险高等问题。以空压机为例，据测算，2017年我国大中型空压机存量大于30万台，平均设备负载率不足60%。将这些通用动力设备连接到云端，进行在线监测、预测性维保，可有效提升设备安全可靠与稳定高效运行水平。

当前，我国通用动力设备总体上云率偏低，总体上云率不足5%。尽管总体上云率较低，但面向通用动力设备的云服务平台处于加速探索阶段，上海电机系统工程技术研究中心加快“电机及系统节能技术公共云服务平台”研究与建设，东方国信空压机云服务平台已初具规模[8,9]。

1.3 新能源设备上云现状

发展新能源是促进我国能源结构绿色化转型的核心，随着我国电力体制改革、能源转型，风电、光伏等新能源发电设备以及其互联形成能源互联网快速发展[9]。2017年我国风电、光伏领域的发电量占新能源总发电量的比例分别达到18.0%、7.0%。将风电设备连接到云端，一方面可提升风电设备的生产和使用效率、风场实际投资收益，实现以清洁能源为核心的智能微网和能源自给，使得清洁能源可以进行跨区域能源消费和能源生产分配；另一方面可有效降低风电波动性对电网安全稳定运行影响，降低电力需求增长放缓背景下的可再生能源限发[8]。

总体来看，我国风电、光伏设备数字化、网络化水平高，具备良好上云基础。2017年底，风电、光伏设备装机量分别为1.64亿千瓦、1.3亿千瓦，上云率分别约达60%、30%。国内现有新能源设备云平台主要包括金风科技“线上的智慧运营系统”、上海电气“风云系统”、远景能源“格林威治云平台”与“阿波罗光伏云平台”、国家电网“光伏云平台”、阿里巴巴“智慧光伏云”等。

1.4 智能设备上云现状

工程机械、远洋船舶、数控机床等智能化水平较高的设备上下游覆盖行业众多，是国民经济运行的重要支撑。近年来，我国智能装备保有量不断增长，2017年工程机械、大型远洋船舶、数控机床的保有量分别达300万台、3000艘、1400万台。但普遍存在复杂程度高、运行工况复杂、设备利用率低、管理维护粗放等问题[11～13]。数控机床总体利用率不足40%，工程机械与远洋船舶设备受宏观经济波动影响较大，产能不平衡问题同样不容乐观，亟需加快设备上云用云，构建社会化制造资源池，基于平台开展设备健康性监测、设备运营优化、设备安全操作等服务，促进产能优化调度与在线交易，培育协同制造、供应链金融、设备租赁等新模式。

总体看来，工程机械、远洋船舶、数控机床等智能设备均具有良好的上云基础，龙头设备制造商，如徐工、三一、中联重科，纷纷加快推动其产品上云用云，行业总体上云率可达15%～20%。

以上四类设备上云现状总结如表1所示。

2 工业设备上云存在的问题及分析

当前，企业通过推动设备上云拓展市场、提升能力、加速转型、重塑竞争力的需求虽然迫切，但由于多方面原因，我国工业设备总体上云率仍偏低，推动工业设备上云仍面临不少问题。

2.1 高能耗设备上云问题分析

炼铁高炉结构复杂，实现精准感知、边缘智能难度大。此外由于企业在数据安全和保密方面的顾虑，加之设备个性化特征（炉龄、自动化程度等）明显，机理模型构建难度大，目前高炉云平台主要还是企业内部私有云，难以上升到公有云。且对钢铁企业而言，一方面对降低信息化建设成本重视度不足，另一方面担心上云打破内部利益格局。以上诸多问题成为了限制高炉云平台建设发展的瓶颈。

我国中小型锅炉众多，目前存量约60万台，小型锅炉实际运行效率在50%以下，由于蒸汽、导热炉、热风集中处理的困难，短期内无法大规模集中；且小型锅炉进行智能升级的基础差，可实现自动采集数据的设备少，出于成本等因素，企业主动加装设备数据采集装置的难度大；此外锅炉行业也缺少产业链、全流程的标准体系。以上诸多因素，均造成了工业锅炉云平台推广的障碍。

表1 我国工业设备上云现状（2017年）

2.2 通用动力设备上云问题分析

发动机产品广泛配套在其他产品中，作为中间产品要实现互联，需要与主机厂合作，与主机厂的沟通以及主机厂的积极性很大程度上影响发动机云平台的建设与运营。但发动机上云仍面临，设备复杂度，服役工况复杂，相关机理模型构建难度大，高质量宽频带实时数据采集难，远程监测带宽窄数据远程传输难，用户安全顾虑高，上云见效周期长等系列障碍。

电机通常涉及生产核心，出于对生产数据的安全顾虑，企业上云动力不足；与电机在线运行状态相关的数据类型多、数据量大，非结构化数据实时采集难度大；系统复杂度高，面向故障诊断、能效优化、运行控制的机理模型构建难度大。以上因素，限制了电机云平台的建设和发展。

在通用动力设备中，空压机上云条件相对较好，大型空压机组具备云平台接口。但由于空压机品牌众多，缺少统一标准，制约了云平台的应用。此外，上云的价值回报需要一定周期，得到空压机大数据后能给企业带来何种价值也成了大多空压机企业观望不前的原因。

2.3 新能源设备上云问题分析

风电、光伏等新能源设备上云基础相对较好，但进一步提升上云水平仍面临困难。其中，设备标准化程度低是制约风电设备上云的主要瓶颈。目前，全国40余家风机制造企业中，现行风机型号400余种，风电设备上云面临运行数据结构、采集、安全传输等标准定义不清或无参考标准可循等困难。

而光伏设备上云则主要面临如下问题：光伏设备数量大、分布分散、数字化程度低、产品质量良莠不齐、生产运维管理相对粗放；监控设备成本过高，面板级数据采集还未实现，采集数据的广度、深度都有待提升。

2.4 智能设备上云问题分析

工程机械上云主要面临以下问题：工程机械设备复杂度高，造成上云成本高昂、改造周期长、难度大；数据处理难度高，利用率低，难以挖掘出真正价值；信息交换协议不统一，各系统缺少统一的接口；工控安全保护技术亟待突破，诸多核心安全问题将长期伴随产业发展。

远洋船舶也类似存在零部件复杂度高的问题，数据类型多样，对终端感知和数据采集的标准化程度要求较高。要实现船舶云连接需要解决能耗、安全性、维护成本等瓶颈问题，此外上云的方向、经费的投入以及船企上云的积极性也是加快上云的难点。

数控机床上云则面临以下问题：数控系统产品众多，开放性不足，以国外系统为主的数控系统高档功能与内部数据接口有限制，上云难度大；数控系统缺少适合互联网环境的通讯协议标准，没有统一的上云数据接口标准；机床数据安全涉及安全生产、核心工艺与技术，设备上云的工控安全保护技术等都是数控机床上云的瓶颈。

总结以上四大类设备上云的问题，提取共性，各类设备上云面临的为题可归结为以下五点：

1）大量设备尤其是中小企业设备自动化、数字化、网络化水平较低，需要通过加装传感器、通信模块、控制部件等实现设备联网和数据联接，改造难度大、成本高。另外，由于平台商业模式不清晰、设备上云价值回报预期不足等原因，也在客观上造成设备联网动力不足、设备联网率不高的问题。根据两化融合服务联盟数据，2017年，我国企业设备数字化率为44.8%、数字化设备联网率为39.0%，总体联网率偏低。

2）存量设备的生产厂家分布广、出厂年份跨度大，不同型号和版本的数据采集点、数据采集方式、参数定义和边界不同，数据接口不统一，信息交换协议不统一。

表2 制约工业设备上云的瓶颈

3）存量设备的技术标准差异大、质量良莠不齐、数据管理精细化程度不一，基于标准化设备接口的边缘端处理困难，设备的快速链接、实时采集、数据优化、安全与隐私保护等均是难点。

4）多数工业设备内部运行机理较为复杂、系统变量多且相互耦合，难以形成有效的工业机理模型，无法在云端对设备进行全要素重建，并实现设备的状态监测、故障预警、预测性维护、运行优化等服务。以高炉为例，据不完全统计其主要化学反应多达108种，且由于炉内环境高温高压、内部状态无法直接监测，生产过程具备高度复杂、难建模、难检测、难控制等特点，业界尚无法构建完备的炉况模型。

5）炼铁高炉、大中型电机、大型发动机等生产设备大多涉及到企业的业务核心，相关设备向云端迁移意味着设备的系统升级、工艺优化、流程调度均需与云端互动完成，关键的技术工艺、能源消耗、安全生产、环保排放乃至财务信息均需在云端存储，这对云平台提出了较高的安全要求。目前，尚缺乏具备公信力的第三方云平台、可控的信息共享机制、安全统一的通信传输标准，设备用户安全顾虑高，抑制了企业设备上云的动力。

3 加快工业设备上云的基本路径

加快推动工业设备上云，应抢当前抓工业互联网平台发展的战略机遇，充分发挥政府、行业、平台企业等多方面力量，坚持多路径并举，围绕节能降耗、精准运维、高效发电、效益提升等需求，优先推动一批有基础、有条件、有需求、有潜力的设备上云用云具体来说，有以下三条基本路径：

1）加快设备改造升级，推动存量设备上云。政府应通过政策支持、资金补助、金融服务等多种方式，引导工业企业联合设备提供商、系统集成商等对存量设备进行云化改造，重点针对工业锅炉、大型空压机等自动化程度较低、上云基础较为薄弱的设备，通过加装传感器、通信模块、控制器等部件，提升设备数字化水平；针对风电、光伏、工程机械、数控机床等已初步具备数字化条件的设备，统一通信标准和数据接口，实现数据可采集、状态可监控、工序可优化，夯实上云基础。

2）加强解决方案创新，推动增量设备上云。应以科研水平好、产业能力强的本土设备提供商、服务商等为主导，聚合产学研用各方力量，聚焦安全可控、信息交互、标准接口等设备上云的共性问题，加快技术突破与产品创新，推动智能化成套设备的研发和产业化，着力突破嵌入式技术，为增量设备加装工控软件、添加数据采集点、统一内外部通信协议，提升设备的数字化程度与联网能力，推动增量设备上云全覆盖。

3）创新平台运营机制，以有效应用牵引设备上云。应以制造业龙头企业、ICT领军企业、互联网巨头等平台企业为主导，引导各类平台通过完善运营机制、共享数据资源、构建开放生态，围绕服务企业数字化转型开发海量、易用、好用的个性化应用，让用户企业有更多获得感。通过政府和市场共同发力，推动平台在产业聚集区、工业园区、重点行业实现规模化应用，通过形成示范效应，引导更广范围内的各类设备上云。