图1 清华大学莫欣农教授
蒸汽机的发明将工业带入了机械化时代，电子和电力技术的发明将工业带入了电气化时代，IT技术的发明将工业带入了自动化时代，那么如今互联网技术的发明将会将工业带向什么方向呢？这是我近几年一直在研究思考的问题。在互联网时代，产品生命的中期——即将产品交付给用户使用阶段，是否需要一种计算机管理软件来支持产品生命中期的数据管理？对此我做了一些探索。今天我的演讲就是围绕在工业4.0，也就是互联网时代，制造业服务模式的创新来展开。
一、德国工业4.0代表智能化时代
计算机发展到现在跟以前有什么变化呢？六十年代的时候，很多人使用一台计算机，到了八十年代每个人一台计算机，到了现在一个人可能拥有多台计算机，这种量的变化带来了质的变化，未来每一款产品或机器中，都会包含很多智能设备，这些智能设备联网之后，这形成了我们所处的互联网时代。
图2 计算机在人类生活中的应用
在互联网时代，网络将很多内嵌计算机的物理设备连接在一起，并在虚拟世界中实现信息共享，从而形成了物联系统（CPS），它最大的特点就是能将现实物理信息和虚拟计算机信息融汇在一起。
比如成百上千台风力发电机通过网络互联，将实时运行数据发送到控制中心，如果其中一台发生故障，得知故障代码之后即刻按照预先设定好的维修策略，通知相关部门对其进行维修。通过风力发电机物联系统可以随时掌握所有网内设备的状态数据。每次维修人员驱车几百公里到现场处理一个故障的同时，捎带处理周边上百台设备的亚健康事件。这种互联网思维能够大大提高维修服务水平，降低维修成本。
图3 风力发电机的联网物理系统
每一次工业革命都会淘汰落后的生产方式，带来新生的社会变革，比如工业1.0使我们从农业、手工业转入工业化社会，工业2.0使社会生产出现分工协作，工业3.0出现机器人与自动化生产线，机械逐步代替人类部分劳动，工业4.0则进步到分散化生产、网络化管理、实时化控制，机械逐步代替人类进行部分管理，实现工业智能化。
二、智能服务是制造服务的新模式
以汽车行业为例，其利润来源主要有三部分，设计创新、制造销售和后期维护。其中制造销售所占投资最大，但是利润率却最低，而后期维修服务与设计创新的利润不相上下，这是企业新的利润增长点。
图4 汽车制造业分工比例与利润率分布图
德国工业4.0为制造业服务提出了新的模式——智能服务。工业4.0的内涵是智能工厂和智能制造，其核心是联网物理系统，通过传感网紧密连接现实世界，将网络空间的高级计算能力有效运用于现实世界中，从而在生产制造过程中，与设计、开发、生产有关的所有数据将通过传感器采集并进行分析，形成可自律操作的智能生产系统，制造出智能产品。而智能服务将智能产品与状态感知、大数据处理等技术结合，能改变产品的现有销售和使用的模式，增加网上租用、自动配送和返还、优化保养和维修等新的汽车智能服务模式。
目前联网物理系统将深入社会生活的各个领域，实现智能服务。比如工业领域的智能工厂，根据一组IT配置规则，定义一组工厂结构拓扑，完成一项专门项目；能源领域的智能电网，根据一组IT配置规则和使用环境参数，完成一组电网结构拓扑；移动通讯领域的智能网络，根据一组IT配置规则和使用环境，组建一组移动通讯网络结构。
在美国，制造与服务融合的企业占制造业总数比例约为58%，而在中国这一比例仅仅只是2.2%。英国的劳斯莱斯发动机公司是波音、空客等大型飞机制造企业的供货商，现在以“租用服务时间”的形式出售发动机，而且承担一切保养、维修和服务，其服务收益占公司总收入55%以上。这些数据都是值得中国制造业深思的。
总结起来，工业4.0时代的维修服务具有以下特点：
★制造商掌握产品核心技术，降低维修成本，提高产品完好率；
★制造商掌握产品实际性能和用户需求，提高产品创新能力；
★通过服务合同降低用户维修成本，提高产品利用率，绑定用户；
★制造商掌握产品使用状况，合理生产和配送备件，减少浪费；
★制造商掌握产品健康信息，合理报废回收，在再制造中盈利。
还是以汽车行业为例，传统被动的4S店服务模式中，车主自己将车开进4S店，效率不高，维修不合理，服务店的客户也不稳定，资源不能共享、缺乏整个市场的宏观信息。在工业4.0智能服务模式中将变为主动服务，能实时掌握每辆汽车的部分或全部运行状态，合理制定维修计划；通过服务合同绑定用户，避免维修业务流失；资源共享，改善服务质量、降低维修成本、提高完好率；通过数据分析和挖掘，提高创新能力；开展自动驾驶汽车的租赁服务。能实现这些智能服务的前提条件是运维服务信息化系统，每辆汽车增设状态信息发送装置，智能服务店联网，制造商统一指导各项维修的标准和价格，保证用户、服务店和制造商共赢。
三、智能服务信息化系统的关键技术
各种智能产品通过互联网相互连在一起形成工业互联网。工业互联网中，采集加工设备的健康情况、加工精度和难点、环境变化、质量检测等数据，不断自动调整设备，周而复始，最终使设备、产品一直保持在高品质的状态。采集运行设备性能数据、预测故障、优化维修计划，保证设备一直处于良好的使用状态，提高利用率，降低维修成本和提供改进的方向。由此可见，成百上千万的传感器时时刻刻提供大量的数据，通过互联网传到工业大数据管理中心，经过分析处理，实现一场新的工业革命——“制造”和“服务”融为一体。而处理工业大数据则需要“制造+服务”的信息化平台。
“制造+服务”信息化平台的基本要求有以下几点：
★管理设计和制造阶段的数据和过程：传统的PDM管理设计阶段；传统的MPM和MES管理制造阶段。
★管理使用和维修阶段的数据和过程：传统的EAM管理使用阶段；传统的MRO管理维修阶段。
★跨阶段提供有关使用和维修的最新知识：根据设计技术指标，正确指导维修政策；根据设计和制造图纸与工艺，正确完成维修任务。
★跨阶段反馈使用和维修阶段的经验，优化设计和制造：统计和分析不同环境、地域的使用性能，发掘差距和潜力；统计和分析各类故障，发掘不断完善和提高的措施；收集使用和维修中的新需求，开发新功能、新产品；提供其它领域的知识。
★真正的产品全生命周期管理（PLM）平台。
实现“制造+服务”信息化平台也有诸多难点。比如多种设备和不同传感器传递数据的协议各不相同，保密要求相差很大；成百上千万个运行参数按照不同频率发送，瞬时密度达到10万条记录/每秒，甚至更高；成千上万台设备持续几年到几十年的使用和维修数据非常庞大，现行关系型数据库无法承受；高价值知识的数量极少，且隐藏在大量的低价值数据中；除了自动发送以外，还有不可避免的人工在外场采集的数据；相同型号不同批次产品的性能、维修标准会有差异。同一个设备在长期使用和维修中，性能和维修标准也会发生变化；为了提高管理水平，必须加强维修服务过程的监督和考核，要克服人工执行过程管理的难题；大数据涉及到众多专业知识，需要集成各种专业分析工具，实现有效的挖掘；数据反馈过程的控制和权限管理……
为了解决这些难题，“制造+服务”信息化平台需要具备一些核心技术。第一就是以中性BOM为核心的维修知识管理框架。产品设计制造阶段有功能BOM、设计BOM和制造BOM，产品使用维护阶段有实例BOM。为了搭建连接设计制造知识与服务保障知识的桥梁，引入了中性BOM，可以将设计制造阶段的功能说明、维修标准、维修工艺等正向传递到维护阶段，也可以将维护阶段的故障描述、使用需求逆向反馈到产品设计制造。
图5 中性BOM为核心的维修知识管理框架
第二是用自由表代替关系型数据库，采用自由表的格式可以大大减少数据量。
图6 以装备标识为行键的单列族工况数据自由表存储逻辑模型
第三是“制造”+“服务”信息化平台框架，包含数据分析挖掘系统、状态监控系统和运维服务系统三部分。基于状态监测的维修策略、数据挖掘发现故障征兆模式和状态匹配的维修计划优化，保证了产品维修过程监控、产品维修资源调度和产品维修质量评价与反馈。
图7 “制造”+“服务”信息化平台框架
四、典型应用
新型制造服务业务流程中，通过监测设备运行的状态，对其运行状态数据进行收集分析，从而决策运维服务计划的执行。这种流程下体现出的几个特点是状态信息透明化、状态监测集中化、服务内容综合化、状态分析智能化、运维知识集成化等。
图8 新型维修服务业务流程
在三一集团建立了一个全球客户门户进行主动服务，通过这个门户管理分布在全国的几十万台机械，每一台机械上装有GPS和工况数据采集设备，将数据实时传回到中央控制室。如果某一台机器出现故障，就可以在地图上定位这台机械所处位置，并找到附近服务车对其进行维修。这套信息系统能保证用户放心使用机械，也大大降低了三一集团的维修成本。
图9 三一集团全球客户门户—主动服务网站
本文根据清华大学莫欣农教授在“第十届中国制造业产品创新数字化国际峰会”上的发言整理而成，已经本人确认。
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本文标题：工业4.0时代制造服务模式的创新
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