今天给大家分享的题目是《智造企业机联网云服务方案》，主要从企业角度，探讨如何实现工业自动化的升级改造，涉及机器换人、工业物联网、云服务、大数据等。
下面开始介绍，主要有四部分内容：
第一点：介绍中国工业自动化现状，大家了解一下国内外企业的自动化程度如何，我国相对落后的原因何在。
第二点：介绍我们现在正在做的事情，就是制造企业的机联网，主要是指机器设备的联网，及其管理控制。
第三点：讲基于机联网之上的云计算服务，以及相关的研究课题。
最后：跟大家分享一个能源大数据系统的案例。
一、中国工业自动化现状
关于中国智能化技术的发展，先让我们回到5年半以前。在2009年7月7号，人民网做了一期中国人工智能理事长的访谈节目，邀请中国人工智能学会的主要创始人：钟义信、涂序彦、何华灿三位老教授，针对人工智能如何发展、人工智能如何产业化等话题进行探讨，钟老师坚定地认为“五年后将迎来人工智能大发展，进入智能时代”，到2014年为止，刚好五年，大家公认的智能时代确实已经来了。
智能时代已经来临，从社会发展历程来看，主要经历了三个阶段，第一个阶段是农业社会，人类劳动工具以简单的镰刀、锄头为主。第二个阶段是工业社会，也就是动力机车时代，以蒸汽机、机床为代表的时代。第三个阶段是信息社会，网络时代到来了，电话、电灯、电视，现在的互联网、通信网，这就是目前的信息社会。
我们来看看前面三个时代，从研究者角度来分析，看看它的工具水平、研究的科学问题、及核心基础理论。材料时代主要是简单的材料加工，用树枝就可以获取到一些食物类的东西；能源时代就是动力驱动，主要是蒸汽机为主的；信息时代是信息处理，这个地方加了一个管理，原来认为信息时代是智能工具，现在我们把智能单独拿出来了。到现在为止，我们开发了好多MIS、ERP之类的，但全都是企业信息化的管理系统，其中智能化的程度有没有？有，但确实不高。在这三个时代，从研究的科学问题来看，材料时代更多的是研究物质成分、化学变化及其结构的，认为其基础学科是化学。能源时代更多的是依赖物理，研究蒸汽机、能量的转化、运动状态等，是牛顿的那个时代。信息时代的基础学科是数学与计算科学。
第四个时代，我们认为是智能时代，智能时代干什么，我们有大量的数据，需要进行决策、判断；我们现在有很多的个性化的东西，进行针对性的个性化服务；进行大数据挖掘，从而进行自动决策，这就是智能化的工具，很多工具是软件，但是也有很多是硬件。这个时代研究的科学问题实际上是网络问题，不管是局域网、还是广域网，或者通信网、还是互联网，目前来看已经进入到所谓的物联网时代。在复杂的网络系统中进行分析挖掘和逻辑推理，从而形成智能化的决策和判断，这个时代的核心基础理论是逻辑与网络。
但是，对于处于发展中的中国企业而言，能否把握住智能时代的发展机会，目前各领域人士的观点并不一致。关于中国工业自动化程度如何，我们先看看相关的报道。
2月5日，国际机器人联合会发布报告称，到2017年，中国将成为世界工业机器人拥有量最高的国家。据报道，去年9月，沈阳新松机器人公司投产了中国第一条机器人生产机器人的生产线。该生产线能够达到5000台工业机器人的年产量。然而，这样的成绩却不能掩饰中国机器人工业总体落后的现实。据报道，目前中国制造业中每1万名工人平均仅配有30台机器人，这一数字韩国为437台，日本为323台，德国为282台，美国为152台。
在中国迅猛发展的工业机器人市场中，中国的国产工业机器人仅占有10%的市场份额，其余均被日本、欧洲和美国的工业机器人企业瓜分。哪怕是如此弱势的国产工业机器人，其关键零部件的进口依赖度仍高达90%以上。对此情况，日本《日刊工业新闻》不无自豪地称：“中国国产机器人的主要零件其实大多采用日本产，整体上与日系厂商的技术水准仍差距甚远。”目前，瑞士ABB集团、德国库卡、日本安川电机、发科那等世界著名机器人制造商均已在华设立机器人工厂。而日本的川崎重工、不二越公司等生产机器人的企业，也正对登陆中国设厂跃跃欲试，试图进一步蚕食中国机器人市场。
目前机器人时代已经来临，但是中国的机器人产业整体上还比较落后，分析其关键症结、或者说根本原因，我们可以归纳为 5个字：晚、少、小、慢、离。
首先，晚：相比于德国、美国、以及日本，尽管我国是制造业大国，但是我国的工业行业起步较晚，尽管部分领域发展较快，比较先进，但整体工业水平落后于发达国家至少10-20年。在先进制造领域，中国整体上还处于CAD/CAM以及CMOS集成制造时代，以机器人为代表的智能制造时代的来临，目前刚刚开始。个别行业可能相对领先，但还有很多工业企业落后发达国家大约40年左右。
第二，少：由于整体工业技术水平落后，我国目前所采用的机器人设备主要是从国外引进，致使我国对机器人研发、生产、制造、以及应用等若干方面的关键技术掌握甚少，核心零部件生产极少。尤其是在：多轴运动控制器、伺服电机系统、减速器三个方面，当绝大多数依赖国外进口。
第三，小：我国从事机器人产业研发生产的企业都规模不大，由于机器人领域是典型的三高一低（高技术、高人才、高投入，低附加值回报）行业，尽管目前有很多的机器人企业，但是行业分散，都没有形成规模化效应，缺乏龙头企业。
第四，慢：今天来看包括中国在内的全球各国都在讨论机器人时代来临了，但是我们应该看到，这是在德国把工业4.0作为国家战略提出后，中国才跟进的。其实早在2004年的时候，由中国人工智能学会提议，在北京大学等高校就开始开办智能科学与技术的专业，2009年7月，人民网专访中国人工智能学会理事长钟义信教授、何华灿教授、涂序彦教授时，钟老师等就明确强调我国要重视发展智能机器人，当时预测5年之后将迎来“智能时代”。
现在来看，从2009至2014年，刚好5年，智能时代确实来了，但是我们似乎并没有准备好，很显然，包括政府、企业、民众，这方面的思维转型比较慢。在这5年期间，尽管机器人销量保持着较高的增长率，但政府并没有做全局性整体性的顶层设计，大多数企业也是小富即安，并没有意识到即将发生的生产方式的转变，只是当前人口红利消失了，所以才意识到需要提高生产效率，只有走智能制造、引进机器人这条路了。民众则认为机器人成本太高，以实际应用还比较遥远，因此也并不看好。
第五，离：尽管企业思维转变缓慢，但是我国在科研院所和高校，也还是有不少的课题在研究，但是总体而言，在实验室的研究较多，真正走向实际应用的少。技术转化效果不明显，高校研究与企业需求相分离，这也使得我国在机器人产业方面发展滞后。
以上是中国工业自动化程度的概括，下面介绍第二部分内容。
二、智造企业机联网工程
现在回过头来看，德国提出工业4.0，中国怎么办？工业4.0本身是智能制造，能自动焊接的机器人80年代就有了，哈工大的焊接是非常先进的。德国工业4.0的核心词主要是CPS (Cyber-Physical Systems)，信息物理系统、或网络物理系统，认为CPS是实现工业4.0的基础。
最近我们也还在想，把德国的东西是不是照搬引进来，如何消化吸收？目前主要体现在“机器换人”和“设备机器联网”方面，这是浙江省和广东省重点实施工程，在2013年的时候，浙江省明确下达文件，经信委、科技厅下达的文件，这里介绍其中与机联网相关的一些内容，供大家参考。
机联网就是机器联网，指应用物联网、云计算、现代通信技术，对企业制造设备、工艺流程，空调、照明、仓储等辅助设备进行统一的改造升级管理，形成集中管理、资源共享的现代化智能制造模式，以提高生产效率，改善产品质量，促进节能减排，提高企业综合能力。机联网重要的实现途径是机器换人，江浙一带，长三角、珠三角，人力成本提高了，很多工厂倒闭了，这是现实情况，很多企业需要自动化升级改造。浙江省拿出五千个亿，五年之内每年支持五千个机器换人项目，实施企业的升级改造。
机联网到底做哪些事情呢？从政府企业综合来分析，包含如下六个方面的要点。
第一点，还是要加强顶层设计。听起来有点虚，实际上因为中国，包括江浙一带和广东一带，尽管政府拿了很多钱做这件事情，但在很多方面还是不清楚的，需要专家们帮助他们做整体设计，到底国内国外有哪些自动化的设备，国外有哪些自动化设备可以引进，不少企业领导并不是很了解，必须要有专家帮他们进行具体分析，这样的设备，这样一个工艺流程，哪些是可以用机器代替人工的，帮他设计方案。从省里面的角度，国家战略层面的角度，也需要一些设计，这部分工作还是少不了。
第二点，是推动机器联网。这是核心内容，企业(工厂)车间内外的机器设备都需要连接起来，实现远程统一的自动化管理控制。
第三点，是系统集成。这里面包含了各种企业计划系统、信息管理系统、生产执行系统、产品生命周期管理系统等的集成。
第四点，是加强技术创新。技术创新主要是电子设备和自动化传感器、以及平台软件等关键技术方面的创新，有些需要引进国外的，同时也需要国内的企业参与研发我们自己需要的设备。
第五点，是标准化。标准化不可忽略，很重要，机联网也会涉及到若干标准。
第六点，加强安全保障。这是重点提了，尤其是涉及国计民生的重点领域。我们想想，车间里面都是机器人，数据都是可以传到后台服务器上的，斯诺登对美国的监控事件曝光之后，中国很担忧。
我们从日本引进来机器人以后，是不是通信协议是私有的，如果不公开，我们想修改就不行；从欧洲买来一个机器设备之后，数据传到哪些地方都不知道，甚至我们生产过程当中的数据、参数、故障，保存在机器里面，等维修的时候给我们取走了，我们也不知道。这需要我们现在制定这方面的安全许可，网络检测手段，包括现在的底层系统安全，进网入口安全，很可能以后买机器人不是像今天这样想买就能买了，以后可能像手机一样，需要入网许可，否则，你的设备就不能联网。
目前来看，机联网设备主要分四种类型：
第一类：是数控机床联网。这是众多工厂的设备。
第二类：是行业专用设备联网。义乌做服装和织布的厂，都有自动化生产线，跟他们进行交流，织布参数怎么检测，线断了之后能否自动接上，现在线断了就报警和停机，需要人工接上后再继续运行，是不是可以做一些自动化的设备来实现自动接线、取线轴等。
第三类：是工厂大型生产机器设备联网。这里面包括了户外的工程机械，挖掘机，也做一些GPS定位，故障检测。
第四类：是工厂辅助设备。如空调和灯怎么节能等，可以通过网络进行控制。
这四大类型设备都需要联网。
上面主要讲了“机器设备联网”的出台背景和政策。下面讲第三部分。
三、机联网云服务解决方案
针对这些需求，我们看看如何把机联网具体实施起来，我们设计了一套云计算、云服务平台的解决方案，这个方案当中，跟通用物联网的方案基本差不多，但是细节不完全一样，内容也不完全一样，因为把物联网大概念具体化到工业4.0了。
工业企业中的机器机床都要进行联网，这其中有些标准需要统一，有些新的传感器需要研发，有些新的网络协议需要制定；还有户外的挖掘机，其他的一些工程机械设备也需要联网，可能自己也有一些专用的传感器或者网关控制器；后台是云服务系统；最上面是应用终端设备，这是整体网络结构。
在整个方案中，分成三层，物联网的底层是数据采集，这里具体化就是机联网层，是机器设备的联网，设备的联网细化到工业流程当中，也可能细化到机床设备当中的一个点上，包括了摄像头和各种传感器；也可能还有一些协议不是通用的，也可能利用WIFI，也可能是Zigbee，目前各种协议都有，这是机器联网中最复杂的一块。
不同企业的协议不同，标准不同，基本处于混沌状态。我们需要做网关控制器，各个分厂区域中的数据采集出来之后，通过网关往上传，网关不是一般的家里上网那样简单的网关，后面可以看到有好几个功能。机联网层上面是云计算平台层，有些数据在机联网层直接处理了，还有一些数据到后台服务器上，进行数据分析、挖掘之后再处理。最后是应用，应用这一层大家比较容易理解，不多解释。
云服务平台层，有很多工作需要做，这里面分了几大部分。一个是云基础设施服务，在相关的服装行业或者钢铁厂，可以统一建立一个大的云平台，这个服装厂那个服装厂的数据都会传到这里来，政府和企业拿钱建一个平台，也可能这个服装厂不想要服务器，就是远程服务，数据传过来就可以。广东省2014年7月18号进行了一个能源管理系统的项目招标，就是全省的管控系统，各个能耗企业需要实时或定期上传相关数据。
解决方案中，除了物联网的三层，还有两个循环控制：
第一个是小循环，就是有些信息需要本地实时处理，比如说，车间设备出了故障，会立马进行反馈，反馈当场处理掉，不需要人工干预，比如说空调温度到26度以上，超出了节能控制阈值，控制器就可以自动降温，大型的生产设备当中，也是要进行设定它的一些阈值条件，基本上不需要人工。
第二个是大的循环，实际上是大数据分析，当数据传到后台服务器，经过远程分析之后发现某一个流程有异常，比如特别耗能、或太耽误时间(耗时)，这时就需要优化，要进行重新设计这个流程，提一些优化改进方案。如果数据显示，这个流程花一个小时，那个流程花三个小时，下一个工序等着上面的工序很久，这就需要优化。把数据统一传上来，采用大数据分析来实现的，这是流程的优化管控，这是大的循环。所以，该方案中分两级控制，很好地解决了实时监控和远程优化监控。
在具体实施中，涉及到哪些研发内容呢？主要包含两个方案，一个是机联网方案，要有效连接机器设备；一个是云服务方案，可以与通用的IAAS、PAAS的云服务相结合，生产企业需要哪些内容，平台放哪些内容进去就可以提供服务。
在总体内容中，包含两个解决方案、七项关键技术、三项行业标准，这里有三方面的硬件开发，软件系统有六个。这是一个大系统，是系统的系统，大系统包含若干子系统。
这里的关键技术中，机器设备联网协议，这可能是一个难题，我们经常讨论这个问题，很难有一个很好的解决方案。还有就是云计算技术、大数据技术、还有空间信息技术、多维呈现技术，移动终端技术等。比如车载设备都在移动，车上的人也在移动，怎么做一个移动终端，可能是手机，也可能配单独的终端设备，比如给医院医生配单独的Pad，上面有相应的软件，有一个传感器可以检测，不同岗位配不同的终端设备，如果能及时传到手机上更好，由于安全原因，手机平时是私人的，不能完全依赖，多数工厂可能需要给相关人员单独配备终端设备。
硬件的开发包含三大部分：
第一类硬件是新型传感器。根据某些行业的需求研发新型传感器，并不是一个摄像头就能解决，有些传感器，比如温度、湿度、压力传感等可能还有特殊的需求，现在已经碰到了这样的需求。
第二类硬件是新型融合通信网关。这里的网关，与一般家庭里上网的路由器不太一样，我们列出了三大功能：第一是支持多重协议的网关，WIFI也好，RFID也好，红外也好，工业总线也好，有线无线等等都要支持，我们也在想是不是分开研发，这个盒子就是支持WIFI的，另外一个盒子就是支持Zigbee的，单独做不同的小盒子，但是我们分析之后发现成本并不低，因为设备里面可能放好几个盒子，所以最终很可能是融合通信的网关，需要同时支持多种连接方式，有好几份协议。第二是具备反馈控制的智能控制终端，不仅仅是路由器，还要反馈控制，需要有一套控制策略算法和操作系统的。第三是支持必要的本地化软件服务，实际上是指的前面讲的小循环的本地反馈控制，在大的循环没有的时候，在一定条件下，小循环可以提供监控服务。
第三类硬件是云服务安全认证设备。云服务在提供服务的时候，需要根据工业4.0并结合企业、政府的要求，采用一些指纹等生物特征的识别技术，把可穿戴的技术加进去，提供一些远程服务或者远程的控制，比如说企业的领导，你在外面出差要查看一下公司的运行状况，车间运转是否正常，可能简单的一个密码就可以了；而针对有特殊安全要求场景，查看时则需要进行生物特征识别，这是才可以查看企业的信息。
下面讲软件这方面的研发内容。
软件研发内容分为六大子系统：机联网管理控制子系统、云基础设施服务子系统、设备万滚落管理子系统、应用集成子系统、大数据分析子系统、终端服务子系统，主要有这六个方面的子系统。
在标准方面，首先是机联网的协议，要求不同设备能进行统一的协作，需要有方案来实现设备的自识别、自适应。还要做一些数据传输的标准，这个数据怎么组织，怎么去访问，这块要进行考虑。省里面要求上报哪些数据，上报之后有哪些可以进行识别，数据怎么设计的，这方面有哪些标准也需要研究。还有云服务，为政府提供数据服务，政府怎么访问平台的接口，这块也需要制定标准。
把这些问题都讨论清楚，我们可以给出技术路线和一些步骤来具体实施：先进行总体规划，然后研发关键技术和平台，最后集成应用。智造企业的机联网云服务方案，基本内容就这些，这是目前正在做的。通过这些工作，最终把机器设备连成一体，为智能制造奠定基础。
至此，把智造企业在升级改造过程中的解决方案，需要研发的软硬件内容、标准等都梳理清楚，然后就是立项申请，进行经费预算，招标评估和实施了。
在上面所讲的方案中，至于具体哪个环节的哪个子系统，采用那种软硬件系统，不同企业可以制定目标指标，然后招标进行。其中，也有一部分是自己研发的。
具体实施细节，在此不深入讨论。下面举个能源方面的案例。
四、能源大数据系统案例
最后，给大家分享一个案例，这是能源大数据管控的一个项目，是广东盈嘉公司承担的国家物联网专项课题，就是把中国移动机房里面的用电设备，包括主机服务器和辅助空调设备等进行监控管理起来，同时进行大数据分析。
项目在相关设备中安装传感器，通过网关把数据传送上来，可以查看设备动态运行状况，实现了设备运行状态的多角度模拟展示。也可以通过大数据分析，实时或定期查看数据分析图表，并根据结果进行系统的管理控制、优化改进。
通过图表，可以把各个地域、各个机房、各个服务器设备的能耗情况用多种方式直观的表现出来。
除了电信领域之外，在高能耗的工业企业中，比如钢铁厂、水泥厂等，也都面临着升级改造的问题，基于物联网的能源大数据控制与管理系统，可谓是我们在工业4.0时代的一个先行示范。
最后，在思考工业4.0的大产业中，我们具体能做些什么呢？大家关注的工业4.0，不管德国怎么做，中国作为生产制造大国，在这4.0时代还是想做点事的，不管是机联网还是其他项目，结合工业4.0，可能最终落地点还是三个方面：
好了，由于时间有限，今天晚上的主要内容分享到此，感谢相关合作企业、及领导专家。谢谢大家！
作者介绍：
作者介绍：
陈志成，清华大学计算机系博士后，英国访问学者。主要研究领域为：工业4.0 与智能制造、人工智能系统、物联网与云计算。先后担任北京邮电大学世纪学院计算机学科带头人、教授；华为技术有限公司高级技术专家、软件飞虎队队长；主持和参与多项课题，发表多篇论文。现任中关村大数据产业联盟工业大数据专业委员会主任，中国人工智能学会基础专业委员会常务委员，中国通信学会云计算专家委员会委员，中国信息协会大数据分会理事，北京格分维科技有限公司总经理。
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本文标题：陈志成：智造企业机联网云服务方案
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