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功能型平臺:工業“智”變徒步荒原

發布時間:2021-03-04 瀏覽次數:496

第四次工業革命呼嘯而至,傳統行業借助新一代信息技術應用在其產能、成本、效率上煥發著生機。作為立國之本,我國的制造業也迎來脫胎換骨的機遇。中國制造2025、工業4.0、工業互聯網……成為當今制造業時髦熱詞。GE、西門子、海爾、上汽、華為、富士康等國內外行業龍頭率先完成智能化改造升級,但是在我國制造業廣袤大地上,絕大多數中小型企業還處于工業2.0階段的“智”變荒原。

制造業升級的星星之火迅速蔓延至中國制造業主陣地——上海。2020年,《上海市建設100+智能工廠專項行動方案》發布,啟動實施“10030”工程,未來三年在全市建設100家智能制造示范工廠,打造10家標桿工廠,培育10家世界一流的智能制造系統集成商,搭建10家垂直行業工業互聯網平臺,新增應用10000臺機器人。

東海之濱,滴水湖畔,中國(上海)自由貿易試驗區臨港新片區(以下簡稱臨港新片區)方圓873平方公里的土地上,聚集了特斯拉、上汽、上海電氣、中國商飛、三一重機等國內外大型制造基地,成為制造業轉型升級、新技術應用更新迭代、科技服務平臺體制機制改革的試驗田。

早在2015年,上海市科委試點研發與轉化功能型平臺(以下簡稱功能型平臺),作為上??苿撝行摹八牧喊酥钡闹匾M成部分,功能型平臺支撐產業鏈創新、支撐重大產品研發轉化、支撐創新創業,助力跨越實驗室成果到市場落地“死亡之谷”。如今在臨港新片區已有智能制造、工業互聯網、海洋高端裝備、太赫茲四個功能型平臺掛牌成立。

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臨港新片區海洋一路,工業互聯網功能型平臺和智能制造功能型平臺僅一路之隔。兩大平臺的負責人——工業互聯網創新中心總經理鄭忠斌、智能制造功能型平臺總經理習俊通,也會坐在一起切磋討論。同在制造業領域作技術服務的鄭忠斌深知智能制造平臺需要克服的難點。因為在他眼里,制造業66個門類中垂直細分領域的共性并不多,制造業進行智能化改造需要長期的技術積累。

01 核心技術研發走出象牙塔

幾年前,習俊通赴德國考察Arena2036平臺上的汽車生產線后,顛覆了他對傳統制造業的認知?!皞€性化的訂單產生后,車間內AGV移動平臺上的所有物料、設備、夾具就像長了腿一樣自動進行生產重組,形成一條為個性化訂單產品訂制的生產線?!?/span>

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先進制造業與國內制造業的現狀差距讓他確定了智能制造功能型平臺要攻克的難點:產品供給方式的變化要求生產組織方式達到柔性、重組,設備移載則要求空間定位、位置跟蹤、視覺識別等技術跟得上生產組織方式的變化,而一個企業不可能覆蓋所有的環節,必須通過集成的方式綜合解決。

2015年,上海交通大學組織精干部隊來到臨港,組建上海智能制造研究院,同時也拉開了智能制造功能型平臺的序幕?!把芯吭簛淼脚R港后,我們不希望它簡單成為學校實驗室的搬遷,而是高??蒲谐晒涞剞D化的平臺延伸,把論文寫在車間里”習俊通說到。

5年過去,如今在市科委、市經信委等部門及臨港新片區管委會的指導與支持下,智能制造功能型平臺上的氫燃料電池雙極板、氫燃料電池電堆、微波智能感知、工業視覺檢測等智能制造核心關鍵技術從上海交大校園的實驗室中走出,技術應用落地轉化為產業化成果,并延伸至汽車、輪船、地鐵軌道等重型裝備制造龍頭企業的工廠車間,成為國產智能制造新興力量。

平臺以“明確的應用場景、鮮明的技術特色、清晰的成果形態”為研發工作要求,打造面向行業的智能制造系統方案輸出、技術測試及驗證環境、產業共性技術研發、技術孵化與成果轉化、專業人才培養與培訓、國際合作等六大功能,助力臨港科創中心建設。

在新能源汽車賽道上,氫燃料電池汽車已經成為國內外汽車廠商供應鏈的重要技術儲備。電堆的生產制造是氫燃料電池整車制造產業鏈的關鍵核心技術。過去十幾年,上海交大科研團隊已在該技術領域完成了從0到1的突破,從1到10的發展,同時正在步入從10到100的產業化量產階段。

上海氫晨新能源科技有限公司致力于高密度燃料電池電堆的研發生產,其核心技術團隊都來自上海交大。氫晨公共關系總監白云飛介紹,一條批量生產電堆的產線會涉及1700多個零部件,單靠人工操作產品的一致性和質量的穩定性難以得到保證。

2020年5月,氫晨從閔行搬到了臨港。在這里,智能制造功能型平臺為其設計打造了一條數字化的產線,通過將平臺上檢測技術、智能裝配等共性關鍵技術導入氫晨的電堆智能生產系統,提高企業自動化生產能力和效率?!白詣踊b配只需要30-40分鐘就能完成主要零部件的組裝,而單憑人工則至少要兩個小時,智能化生產效率比傳統制造提高至少150%-200%。目前,該企業電堆產線產能達到2000臺,明年生產線產能可以達到1萬臺。

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為氫晨氫燃料電池電堆提供金屬雙極板關鍵零部件的上海治臻新能源裝備有限公司,同樣是智能制造平臺支撐的企業。在治臻生產車間,從沖壓、焊接、清洗、涂層、封裝,一天可以產出1000片金屬極板。

“交大的科研成果理論上能做到75微米厚度的薄板材料可成型,但在工藝化實際生產中難度極高?!敝握樾履茉纯偨浝硭{樹槐表示,產業化公司生產需要在面積超過450毫米*200毫米的薄板上制造出深度0.5毫米、寬度在0.8-1.0毫米的流道,實現產品批量化制造,同時保證其可成型、制造精度和一致性,需要在平臺上反復進行技術驗證和優化工藝。

上海交大與臨港集團在氫能燃料電池智能制造產業鏈上已培育出多家混合制股份結構公司。產學研合作中,上海交大提供基礎理論和科學問題研究,上海智能制造功能型平臺提供制造工藝與裝備研究,形成固態儲氫材料、極板與電堆、高效膜電極、系統集成的產業鏈條,向以上汽集團為代表的燃料電池汽車產業鏈提供燃料電池關鍵零部件。

2020年度智能制造功能型平臺聚焦“智能感知、智能作業、智能管控”三個主要方向,形成產品樣機39套,系統解決方案15項,技術服務企業37家,形成銷售額2000萬元,申請發明專利23項、軟著9項,參與2項國際標準制訂、13項國家標準制訂。相關產品與解決方案在外高橋、滬東船廠、華域汽車、上汽通用五菱、國家電網等企業中得到應用投入使用。

02 智能制造如何落地?

“什么是智能制造?”2015年我國發布《中國制造2025》后,智能制造功能型平臺企業咨詢與培訓事業部總監鄭宇被企業問到最多的一個問題。而比智能制造概念解釋更為棘手的是如何保證智能制造落地。

智能制造產業有眾多關鍵技術提升突破,牽涉眾多應用場景,而歸結到各個細分產業鏈條的企業,需要人來統籌規劃。人才是制造業智能化改造的關鍵因素。

《上海市建設100+智能工廠專項行動方案(2020-2022年)》里提出,鼓勵企業設立首席規劃師的崗位。為此,功能平臺已組織了兩期智能制造首席規劃師/咨詢師培訓班。

鄭宇介紹說,自動化和信息化是制造型企業向智能化轉型的兩條腿,兩者缺一不可。而智能制造首席規劃師就像是企業未來工廠總體藍圖的規劃師,可理解為傳統CIO(首席信息官)的升級版,是企業產品的總設計師?!爸悄苤圃焓紫巹潕熕龅木褪墙Y合企業發展戰略、產品定位,作出規劃,制定企業智能化水平目標,更重要的是通過智能化改造,提升產品質量、精細化管理和經濟效益?!?/span>

目前功能平臺通過兩期培訓已圓滿完成200余名智能制造規劃/咨詢師的培訓工作,培訓對象覆蓋汽車、交通、電子信息、化工、高端裝備、航空航天、生物醫藥、鋼鐵、船舶、軌道交通、化工及新材料等行業91家企業。此外,功能平臺還舉辦了2020第八屆先進制造業大會,參與籌建長三角產業促進中心。

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其實,這種由政府、高校與產業界之間的平臺合作模式在國際上有過先例。成立于1949年的德國弗勞恩霍夫協會是歐洲最大的應用科學科研機構,也是德國工業4.0技術體系的核心研究單位。

智能制造功能平臺副總經理趙勇表示,弗勞恩霍夫協會研發與轉化模式有值得借鑒的地方,比如其資金來源的三分之一由政府提供,其余三分之二的資金則來自于企業服務費用;協會與優勢學科大學高校合作成立研究所,所長大多由各高校校長及教授擔任。

鑒于該協會在技術研發應用轉化的成功模式,智能制造功能平臺上的很多項目技術研發也都由上海交大牽頭,可以充分發揮上海交大在智能制造領域關鍵技術前期研發的技術人才智力資源優勢。

2019年3月,上海交通大學弗勞恩霍夫協會智能制造項目中心在臨港新片區成立,標志著弗勞恩霍夫協會在中國的第一個科研機構、全球第10個弗勞恩霍夫項目中心落成。在體制機制上,項目中心充分借鑒德國弗勞恩霍夫協會體制機制,同步在上海市智能制造研發與轉化功能型平臺組建中德合作事業部,形成了高校企業兩兼顧、中德共聯合的研究團隊。

弗勞恩霍夫智能制造項目中心自成立以來,著重于加強中德雙方的交流融合,幫助中德雙方企業對接,共同推進技術攻關,并引入華為、SAP等知名企業在臨港建立聯合實驗室,充分發揮了項目中心國際引智、人才交流的重要功能。此外,功能平臺還引進英國皇家工程院院士蔣向前爵士團隊,在臨港建立精密測試服務中心,目前已完成前期初步建設,設備投入到位,已具備基本服務能力。

在借鑒運作模式基礎上,智能制造功能平臺有更多市場推廣、企業孵化的功能延伸。趙勇介紹說,功能平臺進行技術研發與轉化中更加注重發揮注重研發團隊的主體作用,平臺參與其中支撐其共性技術研發,從而凝聚更多的資源,也會吸引更多的社會資本加入。團隊本身以技術人員為主,平臺會為其引入職業經理人讓技術從單純的項目轉化為公司化運行的方式進入產業化服務。


自平臺成立到2020年底,智能制造功能平臺已孵化17家企業,其中6家為高新企業,撬動2億元社會資本融資,IPO輔導2家。還有源源不斷的企業孵化團隊在這里萌芽生長。目前,功能平臺與雷尼紹、上海電氣、商發、上汽、國核、西門子等國內外頭龍頭企業建立戰略合作,確定產學研合作關系,共計14項。

03 智能制造與工業互聯網的邊界

智能制造功能平臺依托上海交大技術和人才優勢,讓關鍵核心技術走出象牙塔,鍛造智能制造的殺手锏。在她的對面,工業互聯網功能平臺也在臨港智造的荒原上承擔共性關鍵技術研發等產業化服務。

工業互聯網創新中心是工業互聯網功能型平臺的承擔單位,是中國信通院的全資子公司,是中國工業互聯網創新發展的重要推動者。工業互聯網功能型平臺以工業互聯網創新中心為平臺公司,采取商業化治理模式。

在人們眼里,工業互聯網與智能制造共同致力于制造業信息化、數字化、智能化改造,兩大平臺之間的界線并非涇渭分明。兩者要解決的核心問題都是在優化制造資源的配置效率,采取的途徑邏輯都是通過數據結合模型,將產品轉化為一種服務。但是數據的來源、歸屬,到模型的部署、再到資源優化的廣度和深度都有所區別。

而從消費互聯網到工業互聯網,其連接載體、網絡屬性、技術效應、參與主體都不可同日而語。其中最明顯的差異在于其主體。消費互聯網的主體是京東、阿里、騰訊等互聯網巨頭,而工業互聯網的主體則是散落在各個垂直細分行業的制造型企業。起步環境上,工業互聯網基礎產業被國外廠商壟斷,平臺向國內滲透。

對工業互聯網,鄭忠斌有著自己的理解:“工業互聯網不是一項技術,不是一張網,更像是一個方法論,是制造業轉型升級的路徑和方法,其融合了工業網絡、標識解析、工業大數據、網絡安全等多種新興技術?!?/span>

工業互聯網最初來源于2012年GE高調發布的Predix平臺。2018年前后,工業互聯網之風吹進中國,在中國政府《工業互聯網發展行動計劃(2018-2020)》以及“新基建”等一系列頂層政策的推進下,工業互聯網的關注度、資本量都在快速增加。在此之前,工業自動化、工業信息化、工業軟件甚至較為新興的工業物聯網都已經為了滿足工業領域的需求努力了很多年。

與智能制造一樣,工業互聯網的基礎同樣也是信息化和自動化。在鄭忠斌看來,從技術角度工業互聯網是數據科學與行業知識的結合,數據驅動與自動化、信息化的結合。

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其中,數據科學與行業知識的結合,需要大量制造型行業垂直細分領域經驗豐富的人員,深刻理解生產工藝的痛點難點。數據驅動+自動化,即工廠、車間內部工藝的流拍、物料的調度與供應鏈打通——“這不是簡單的管理理念就能改變的,而是靠大量的數據驅動。比如物流,廠區的物流、車間的物流,用信息化手段、智能化工具,形成一定的生產節拍?!睌祿寗?信息化,是物料、物流全產業要素,產品設備運輸、使用、維修等全生命周期環節的信息打通。

有人說,工業互聯網帶來的價值就好比瓶子里先裝滿了大石頭,但仍然有空間可以裝進沙子,沙子裝滿了仍然可以裝進水。傳統的信息化系統就是大石頭,數字化是沙子,而工業互聯網就是水,它可以暴露出更多尚未發現的優化空間。

鄭忠斌更愿意將工業互聯網的技術比作軸承中的潤滑油或者一個小小的滾圈,看似不起眼,但是卻承受了行業巨大的壓力,在整個行業各個環節起到非常強大的連接作用。

美國通用電氣曾作過估算:全球運轉的機器數量超過400億臺的基礎上,只要將機器運轉效率提高1%,那么在15年內,航空公司燃油開支將減少300億美元,燃氣發電廠將減少能耗支出660億美元,鐵路交通將減少能耗支出270億美元。

在我國種類齊全的的工業生產中,工業互聯網無疑是個藍海。有數據顯示,2020年中國工業互聯網體系市場規模為8304億元,其中以工業網絡、工業傳感、工業軟件、工業云以及工業互聯網安全為主的核心領域達到2810億元市場規模,并整體有望在2022年突破萬億大關。

2017年,工業互聯網功能平臺曾為一家提供二次供水的傳統設備廠商進行工業互聯網技術提升。一年多以后,這家公司從一家單純依靠出售設備的傳統制造型企業,變為一家提高水資源利用率、提供水資源管理服務型企業。

04 工業互聯網從個性化走向標準化

國內工業互聯網、智能化工廠的案例很多,但鄭忠斌坦言,我國的工業互聯網仍處于初期階段?!胺浅2怀墒?,”他解釋說:“所謂初期階段是說,無論是個性化定制方案,還是機械設備的遠程運維,都只是工業互聯網某一領域的某一部分。工業互聯網成熟階段一定是可以規?;瘡椭?,應該有相當一部分的標準化解決方案,絕不是當前個性化定制方案?!?/span>

因為個性化定制方案成本比較高,尤其是實體經濟企業需要投入一定資金。我國很多企業,特別是中小企業仍然處于低價同質化競爭階段,企業利潤薄弱,信息化投入的能力有限。工業互聯網產生的實際效益往往難以短期內的明顯展現出來,使得工業互聯網難以進行大規模推廣。

目前中國工業互聯網仍然處在早起階段。除了政策推動,工業互聯網發展的動力更來源于其帶來的工業場景價值,工業互聯網場景價值的體現將由點到面,從單點場景價值向上突破至管理流程價值,再突破滲透至產業協同價值,這使得未來具備場景和行業Know-How的服務商更具有發展潛力。

鄭忠斌認為,工業互聯網功能平臺服務模式應該類似于國際上知名咨詢公司——埃森哲。據悉,埃森哲提供戰略、咨詢、數字、技術和運營等五大領域的咨詢服務。與大眾熟知的麥肯錫等戰略咨詢公司有所差別,埃森哲主要集中在技術信息咨詢領域,大量的人員是負責咨詢項目的落地,數字化人員、技術人員和外包業務人員占比最大,更注重戰略的實施和應用。

借鑒埃森哲的模式經驗,工業互聯網功能平臺也在行業內積累大量行業Know-How,并與各個領域擁有行業知識占據優勢力量的研究機構和龍頭企業合作。

我國制造業“大而不全”,軟硬件領域皆有不同程度的技術瓶頸,也是工業互聯網前進路上的現實阻力。在制造業智能化技術變革中,基礎算法和模型仍然需要長時間慢慢積累。硬件方面,應用于特殊領域的高精度傳感器也與國外存在差距。此外,邊緣設備接入、數據分析、工業機理建模和工業應用開發方面,工業互聯網的軟硬件基礎設施都存在著急需突破的技術瓶頸。

邊緣設備接入方面,國外廠商設備數據不開放、接口不統一,因此設備的數據兼容性差、采集門檻高、采集難度大,80%的平臺連接的設備協議種類不足20種。

數據分析方面,標準化、低成本的解決方案缺乏,數據分析方案成本高,開發周期長,復制推廣難,83%的平臺提供的分析工具不足20個。

工業機理建模方面,缺乏通用方法、基礎工具、開放接口等標準,工業機理轉換成可供開發者調用的微服務組件還有很長的路要走,行業機理沉淀能力也比較薄弱,68%的平臺提供的工業機理模型不足20個。

工業APP開發方面,我國工業APP標準制定滯后,工業APP微服務組件顆粒度難以界定,工業APP開發進程緩慢,我國工業APP數量也不多,尤其是殺手級工業APP更是少之又少,遠遠難以滿足企業上云的需求。

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目前,工業互聯網功能平臺以產業鏈條上龍頭企業作為示范應用,帶動下游企業的路徑模式進行技術的推廣與應用,累計了多個成功案例。圍繞臨港地區制造業的實際需求,工業互聯網功能平臺從工業網絡、標識解析、平臺和安全等方向進行核心技術攻關和產業服務。

網絡方面,功能型平臺為商飛熱處理車間建設了熱處理設備的數字孿生模型,打造了具有自主知識產權的熱處理車間智能管控系統;在上海電氣核電設備有限公司部署了覆蓋現場作業的工業網絡,實現了數十種數控機床、焊機等設備的聯網、數據采集與分析,建立了焊接質量過程管理系統;為上海三一重機股份有限公司建設了5G+AR/VR的應用場景……

標識解析方面,為航空、核電、新材料、機加工、醫療器械等領域,合作建設了標識解析二級節點;安全方向,為振華重工、上港集裝箱碼頭等企業提供安全技術和咨詢服務;平臺方向聯合樹根互聯,開展工程機械行業異構數據融合的技術攻關。同時,還為上海地區的其他企業提供了服務,比如航天八院、翔港包裝、國核工程等。

工業互聯網功能型平臺依托其技術成果,已經為30多家企業提供技術和咨詢服務,累計產生效益5000余萬,孵化1家企業,并引入科創企業近10家。

同時,5G時代的到來加速了工業互聯網和智能制造進程。目前,工業互聯網功能型平臺聯合上海移動產業研究院進行了5G技術研發與試驗驗證,在上海三一重機、交大智邦、上海煙機、喜臨門家具、中天射頻電纜等企業建設了5G+工業互聯網的應用驗證場景,同時也開發了5G終端產品。

作為科技服務平臺領域的新生事物,智能制造和工業互聯網功能平臺在組織架構、服務模式、路徑方法處于摸索階段。功能平臺體制機制管理的探索仍然是戴著鐐銬跳舞。

“功能平臺應該以結果為導向,但實際上,平臺仍然按照傳統專項管理方法模式?!编嵵冶蟊硎?,在科技公共平臺管理上,臨港管委會對科創平臺以結果為導向的管理方法值得借鑒。創新意味著要給予其更大的試錯空間,這種以結果為導向的管理方法在人才、團隊、設備、試驗等方面給予平臺更多的自由度。

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