IBM Analytics工业4.0与物联网白皮书

　　一、IBM的观点

　　我们认为，无论是在中国还是世界其它地区(包括欧美发达国家)，工业4.0还处在一个探索阶段。国内外的成熟案例并不多，通常都是针对单一系统或部分相关系统的整合、分析与优化，而大规模地对整个价值链上各系统的有机整合和大数据分析还很少。个别有远见的公司也是刚刚起步开展这种类型的项目。我们欣喜地看到，中国企业并没有输在起跑线上，而是有“弯道超车”的机会。

　　实现工业4.0需要IT业与制造业的跨界合作与创新，共担使命。任何一方想要弥补自己在另一方面的能力和经验都不是短期能够做到的，必将减慢企业迈向业4.0的步伐。在IT能力方面，实现工业4.0所需的核心能力包括大数据分析(包括能够自学习的认知计算)、企业级云平台、复杂系统的管理等。

　　在这些领域，IBM一直专注于企业客户，具备长期的积累与核心竞争力。工业4.0转型是一个渐进的过程，试错和积累不可避免。所以我们认为，工业企业不能等到完美方案出现后再开始，也不必追求大而全，关键是找到一个切入点，从自身的条件出发，开始实践，然后逐渐深入和延伸。但非常重要的是要有一个统一、开放和可扩展的架构设计，使后续渐进的深入和延伸有一个强大的平台持续地提供支撑，从而能够很好地走过工业4.0转型的历程。

　　最后一点，非常重要。我们常常会被问到，今天好多企业连工业3.0甚至2.0都还没做到呢，怎么去做工业4.0?确实，工业4.0还处在探索阶段，还未达到大规模推广的阶段。但作为国家战略和企业未来核心竞争力，有远见有条件的企业，特别是期望在国际舞台上开展竞争、赢得市场的企业，必须通过先期投入快速布局，才能赢得未来的市场。工业4.0是对未来的布局，必须要选择适合的切入点和实施方法。企业2.0、3.0的功课，该补的要继续补，该做的要继续做，并以4.0为目标，以终为始，持续前行。另外先行投入4.0的企业，将来可以开放资源和平台，为价值链上下游更多的企业服务。

　　正如我们上面所说，工业4.0需要跨界的合作与创新。IBM始终以开放的心态，期待与我们一直专注的企业客户一起，布局工业4.0和物联网，共同赢得未来的竞争。

　　二、工业4.0与物联网

　　制造业是国家综合实力的象征，是在全球化竞争中赖以生存的资本和保障。规模雄厚、结构优化、技术创新、质量优异、产业链国际主导地位突出的制造业是国民经济持续发展和繁荣以及国家安全的基础。

　　当今，全球制造业正面临深刻的变革。一方面，随着新生代人群与中产阶级在全球消费者中占据日益重要的地位，其极富个性化的需求主张驱使产品制造商日益关注小批量、个性化生产，争夺快速增长的、以“多样微量”为特征的市场蓝海;另一方面，新技术(如无处不在的传感技术、云计算、大数据、移动、社交、安全技术甚至认知计算等)的飞速发展以及在各个领域的快速渗透，使得制造业传统模式的变革及新型业务模式的创新成为可能;此外，越来越多的制造商正在探索从产品到服务的转型，以获得新的收入来源、提升客户满意度、快速捕获市场需求、加速产品研发与改进。在这场制造业的变革浪潮中，包括中国在内的大国都在积极布局以期把握先机。

　　德国于2013年在汉诺威工业博览会上提出“工业4.0”的概念。预计投资2亿欧元，推动以信息物理系统(CPS)为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的工业革命。通过提升制造业的计算机化、数字化与智能化，建立具有适应性与资源效率的智能工厂(Smart Factory)，并在商业流程及价值流程中整合客户以及商业伙伴，进一步提升德国制造在全球竞争中的优势地位。

　　美国则于2012年发布先进制造业国家战略计划，于2014年提出“工业互联网”，以强化与国家安全相关的关键产业本土制造能力，缩短先进材料从开发到推广应用的时间，投资发展新一代机器人、物联网和大数据分析，通过智能互联的设备来动态提升企业绩效、降低运营成本并提升可靠性，以推动工业转型。2014年3月，IBM、Intel、AT&T、Cisco 和 GE 共同成立了“工业互联网联盟”。截止2015年1月30日，已有130家(包括数十家来自中国的)企业或组织加入该联盟。

　　中国于2015年发布“中国制造2025”计划，结合中国制造业的现状与特点，加速推动信息技术与制造技术的深度融合。重点发展新一代信息技术、机器人、航空航天、先进轨道交通、节能与新能源汽车等十大领域，强调创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展。

　　日本、英国和法国等国家也提出了各自相应的国家战略。在这个世界日益扁平化的时代，以“工业4.0”为代表的新一代工业革命，将是一场在全球化、标准化体系下的制造业转型升级的竞赛

　　1、那么究竟什么是“工业4.0”?

　　从工业发展的历程来看，蒸汽机技术推动机械化生产的普及，使人类社会进入工业1.0时代;电力的出现推动规模化生产，从此工业进入2.0时代;信息化技术的应用，使得自动化生产成为可能，工业进入3.0时代;而物联网等新技术与工业技术的深度融合，使得工业进入智慧化的时代，即工业4.0。工业4.0是在个性化智能产品的需求驱使下，并在以物联网、大数据等新技术的有力支撑下，出现的新一代变革趋势。

　　新的变革具备三个特征：

　　垂直整合

　　各机器及生产线的自控系统、工厂的制造执行系统(MES)、以及ERP等系统的整合，打破信息化系统与自动化系统之间的历史鸿沟，使工厂与企业的生产制造能力得以优化。

　　水平整合

　　企业内部及跨企业边界的各业务系统之间的整合，使得信息的共享、业务功能的组合可以跨越组织的边界，使价值链的整体竞争力得以提升。

　　端到端价值链的数字化整合

　　这是实现“智能制造云”的愿景，用户只要提交需求，就可以获得所需的产品，而云端相关价值链各企业的制造与业务能力都以API的方式发布，使得快速柔性组合与安全调度执行成为可能，最大化发挥生态系统的设计、制造、服务等多方面的综合能力

　　2、工业4.0是一个复杂的命题，从关键的用户需求—工业4.0产品的角度切入，有助于理解其要义与精髓。

　　工业产品经历了从传统产品(包括机械与电气部分)，到智能产品(增加了电控、传感、软件与用户交互界面部分)，再到当下个性化、软件定义、智能互联的产品(增加了网络连接，并得到后端产品平台强大计算分析能力的支撑)的演变。特斯拉就是工业4.0产品的一个典型代表，其精致的工业设计、创新的电池动力系统、以及强大丰富的车载软件系统，为用户提供极致的个性化(大多通过软件体现)使用体验。而其后端所连接的强大软件平台则提供了丰富的内容、服务、分析、应用等支持，是特斯拉汽车产品不可或缺的组成部分。从特斯拉的成功可以看出工业4.0产品是工业化与信息化深度融合的结晶。

　　3、工业4.0意味着产品全生命周期乃至全价值链、全生态系统的变革

　　工业4.0产品，推动了设计、生产、销售与服务等各个环节以及相关价值链、生态系统的变革与重塑。在生产的环节，需要通过物联网的实施及从生产系统到ERP系统的垂直整合，以及与CRM，SCM等系统的水平整合，实现生产的自动化、柔性化、智能化。使得整个生产的体系(包括上游材料与部件供应商)能够针对“多批微量”的订单灵活组合各种材料、部件、能力与流程，高效、大规模地完成个性化生产的任务，并联动下游的客户服务及上游的研发，使得客户得到最佳的产品体验与服务，并基于实时收集的客户反馈与使用数据，实现产品的快速演进与创新，不断提升竞争优势。

　　我们认为，工业4.0转型，不是3.0时代MES，ERP，SCM，PLM，CRM等系统的简单集成或更新换代，而是借助新技术(物联网、大数据等)在多个维度对企业及价值链的革命性整合、重塑与创新。工厂不再是“黑盒子”，而是清晰透明的服务提供方。不只是工厂，整个产业链的参与者(研发、供货、销售、服务等)的各种能力都用API的方式来发布、被调用、接受监管，形成一个“Manufacturing as a Service”的开放、灵活、自主、优化的合作体系，这将使企业及其价值链具备核心竞争优势。

　　4、工业4.0示例

　　智慧工厂

　　在工业4.0的趋势之下，现有工厂将面临四大业务挑战和五大管理要求。

　　四大业务挑战

　　1. 质量成本压力;

　　2. 产量及获利的不可预见性;

　　3. 生产设备的管理与维护费用压力;

　　4. 生产流程与设备的自动化需求。

　　五大管理要求

　　1. 工厂信息必须完整且实时可视，以支持智能制造的多阶段分析需求;

　　2. 设备自动化，具备接受控制指令修改设备属性能力;

　　3. 设备维护由3.0时代的定期维护进化成4.0所要求的主动性维护;

　　4. 工厂耗能的智慧管理，增加对环境的绿色责任;

　　5. 互联的供应链，必须支持端到端的全面物联网相联。

　　而支撑以上挑战与要求的手段，除了完善互联机器自动化(Connected Machine Automation)及制造执行系统(MES)之外，还需配合大数据分析、云计算、移动设备和信息安全体系，以实现诸如生产线优化排程、产品质量早期预警、生产设备预测性维护等竞争优势。

　　智慧工厂影响延伸至相关价值链的各个方面

　　当工业4.0的平台充分运行的时候，其影响如草地自动洒水机一般，全方位地改变了周遭领域。

　　例如：

　　· 由社交媒体接触客户，感知客户;并由电子商务的方式活化营销手段、价格优化管理;再由具备360度客户画像的呼叫中心支撑售后服务，提升客户体验。这些影响提升了销售服务。

　　· 客户分析依赖大数据的手段深入了解客户，并预测进一步的产品需求;使用产品生命周期管理的方式，以市场为导向开发下一系列产品。这些影响提升了产品的研发设计。

　　· 通过产品分析，早期发现并解决质量问题。一方面可以降低保修成本，同时提升客户对产品、品牌的体验;通过诊断维修分析，避免不必要的维护停机并提

　　高首次响应完成的比例。这些影响优化生产运营的效率。

　　这些提升、优化将直接影响业务层，不但增加产品的销售，也增加了质保与服务合同的延伸，甚至相关其他产品的销售。

　　5、全球许多标杆企业早已制定工业4.0的变革战略，开始实施并已取得相当成果。

　　常见的工业4.0转型变革战略实施路线图包括如下三个阶段。

　　第一阶段：M2M(厂内与企业内厂际互联)

　　工厂内系统、设备与机器间在物联网的基础上互联互通。逐步达到全企业内所有工厂间运营、监控和管理决策的完整联系。由此激发主要生产力的提升，并增强运营决策灵活性。

　　第二阶段：B2B(价值链上所有企业互联)

　　实现企业全方位供应链的互联互通。包含上游所有各级供应商的相关系统(系统内包含相关设备的物联网信息)以及下游各渠道的系统终端或设备。以此增加生产力，提升效率与灵活性。

　　第三阶段：C2M(消费者与相关工厂间互联)

　　此一阶段又称为“以软件定义产品与制造”阶段。在这阶段中，产品方面的求、设计、测试、上市，以及制造方面的工厂、制造、物流、服务，都在企业安全的架构体系之下全面地在云端互联互通。从而产生新的商机、新的业务模式和新的盈利模型。

　　6、物联网支撑下的工业4.0变革，为企业带来全面的业务价值与能力提升

　　工业4.0的转型主要需要三大核心支柱的支撑：

　　·全面物联网建设—透过传感器、RFID、网关等技术的配置与建设，为全面自动化、智能化打好基础。

　　·工业4.0转型途径(Industry 4.0 Approaches)—工业4.0转型途径泛指公司管理文化的升级与改变。要以务实、严谨的管理态度，科学及数据分析的方法决策，精简流程，快速反应。

　　·构建新的生态系统—全面C2M的环境建设，新的生态系统的搭建，为企业创新提供新的业务环境。此时企业凭借新的能力、新的市场环境(包含产业市场、人力市场、资本市场等)创造新的企业商业和服务模型。

　　工业4.0的转型，将为企业带来全面的业务价值与能力提升，主要集中在加速产品创新，优化生产运营及交付全新服务三个方面。具体而言：

　　·企业具备生产制造的高灵活性和更能适应市场的生产流程。

　　·在完善全面产品生命周期管理，企业生产价值链互联互动之后，企业已经具备针对特定用户需求的专业化聚焦能力。

　　·提升以价值链为单位的整体竞争能力。欧美标杆产业通常由本身最具竞争力的产品线开始，稳定的掌握市场优势。

　　·通过新的服务与业务模型开创新市场。例如美国通用电器，由制造业已经开拓了金融业，现正进军软件业。中国华为由制造业进入软件业与咨询业等。

　　IBM的工业4.0与物联网战略、能力、成功案例

　　在工业4.0及物联网研究、创新和实现的联盟和组织中，IBM一直发挥着核心作用

　　1999年，IBM发明了MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)技术。MQTT协议是为大量的计算能力有限、且工作在低带宽、不可靠网络下的远程传感器和控制设备通讯而设计的即时通讯协议。2013年，结构化信息标准促进组织OASIS成立MQTT技术规范委员会，2014年MQTT正式成为推荐的物联网消息传递协议标准。

　　2013年，IBM积极参与由德国机械设备制造业联合会、德国电气电子行业协会和德国联邦信息产业、电信和新媒体联合会主导的工业4.0平台组织，目的是就“工业4.0”技术、标准、商业模式等展开跨行业交流。目前主要集中在无线技术和标准格局的设定及工业4.0标准路线图的实施。

　　2014年，IBM、AT&T、思科、通用电气和英特尔在美国波士顿宣布成立工业互联网联盟 (IIC) ，以期打破技术壁垒，促进物理世界和数字世界的融合。工业互联网联盟是一个开放性的会员组织，该联盟将有助于相关机构更便利地连接和优化资产、操作及数据，提高灵活性，促进智能分析，以释放所涉及工业领域的商业价值。

　　2015年3月，IBM宣布投资30亿美元成立物联网事业部，进一步整合全球资源，专注于协助企业客户与合作伙伴针对工业4.0等重要领域进行物联网技术、应用与业务创新。基于IBM Bluemix云平台的新型物联网服务使得各领域应用开发商可以快速地将包括物联网在内的多源数据集成到基于云的应用开发和运行环境中，加速实现工业4.0的进程。

　　工业4.0的主要应用领域体现在从智慧研发到智慧工厂、智慧生产、智慧物流以及智慧服务的整个周期，IBM融合了先进信息技术的智能物联平台为建设工业4.0提供了全面的支撑。

　　IBM智能物联平台通过连接ERP、MES、CRM、SCM等工业3.0阶段所建设的典型信息化系统，将其能力以开放接口的形式发布于云平台，从而更好的支持按需调用，并通过大数据分析等技术提升现有系统组合的价值。工厂本身不再是自主体系的黑盒，而是整个产业生态系统的一个环节，生产不再是以工厂或企业为中心，而是真正的以客户为中心。

　　IBM智能物联平台融合了连接与整合、云计算与平台服务、大数据、安全等核心技术，在设计、制造、运营和交付的不同环节提供了全方位的解决方案。通过持续工程、设计思考等方法设计和构建新型的互联且数据丰富的产品和设备;通过内嵌智能分析优化能力到制造运营等环节中，可以促进智慧工厂的发展, 节能减排，优化运营;通过互联网用户洞察能力，充分利用移动社交能力跟客户和员工进行交互。

　　IBM的智能物联平台拥有4大核心能力：

　　·强大的物联网连接与整合能力

　　·丰富的物联网大数据分析能力

　　·推动价值链整合与业务创新的PaaS能力

　　·完备的物联网安全保障能力

　　1、强大的物联网连接与整合能力

　　IBM智能物联平台支持海量、多样的物联网数据的接入、集成与分发，是物联网应用支撑平台的入口。基于MQTT协议实现的IBM MessageSight能够在不同的网络环境下，极其稳定、高效地完成物联网数据的网络传输，使得物联网的大数据分析成为可能。智能物联平台针对大量的物联设备产生的不同形式的大数据，提供特定的有效的存储方式，具备高度的安全性、规范性、整合性和可扩展性。此外，该平台还提供相应的能力，实现物联网系统与现有系统及数据的整合。

　　2、丰富的物联网大数据分析能力

　　物联网真正的价值来自对海量数据的分析洞察，由大数据驱动的物联网才是有价值的物联网。IBM智能互联平台集成了IBM全频谱的大数据分析能力，包括实时流式计算(Streaming Computing)、指导性分析(Prescriptive Analytics)、业务智能分析(Business Intelligence)，和最新的认知计算(Cognitive Computing)等。从而帮助制造业客户从多种数据源中获取洞察、支撑整个企业甚至价值链的相关业务决策。

　　3、推动价值链整合与业务创新的PaaS(平台即服务)能力

　　IBM Bluemix 是IBM基于开放式技术构建的PaaS (Platform As A Service,平台即服务)平台。Bluemix通过提供多种技术与业务服务以及托管功能来实现快速、组装式、规模化应用开发，从而简化应用程序的交付过程，使得开发者能够轻松地进行应用程序开发。在IBM智能物联平台上，物联网基础服务(IoT Foundation) 提供了对物联网设备和数据的应用程序访问，可以简单方便地注册与管理物联网设备。

　　4、完备的物联网安全保障能力

　　IBM智能物联平台不仅高效地保护其上的应用与数据免受各种安全威胁，并使其符合法规要求，同时也简化了云应用程序的管理。12个分布全球的IBM安全运营中心 (SOC) 每天都会帮助遍及130多个国家和地区的IBM 客户解决数以亿计的安全事件问题。IBM拥有世界上最大的威胁和漏洞数据库，对各种安全威胁进行近乎实时的分析和历史分析，能够为客户所面对的安全威胁和事件做好充分准备并做出更为快速的响应。

　　5、基于数十年与工业界深度合作经验，IBM正在帮助客户实现新的工业革命的转型

　　从智慧研发、智慧工厂、智慧生产、智慧物流到智慧服务，工业产业链的每个环节都在经历着转型。数十年深耕于工业界，IBM凭借其全面、成熟和完善的IT解决方案提供能力，已经在帮助全球的客户完成新的工业革命的转型。

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