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5G下的工业物联网

大数据 发表时间:2019/4/22 7:41:42  作者:ttym  

工业物联网技术始于美国,兴于德国,成于5G。


2011年,德国率先提出了工业物联网的概念;2013年,德国正式确立了依靠CPS系统来打造“工业物联网”目标,并将这个方案称为“工业4.0”。      


CPS全称Cyber-Physical Systems,中文翻译为“信息物理系统”,是发源于3G时期的一个全球物联网技术解决方案。按照技术规划,包括CPS物联网芯片和CPS对芯片数据的操作终端。


CPS技术诞生后,2005年美国国会在一份研究报告上着重介绍了CPS方案;2006年2月,《美国竞争力计划》将CPS列为了重要的研究项目;2007年7月,美国总统科学技术顾问委员会,又再次把CPS列为了影响未来十大关键技术的第一名。


于是,这个诞生在3G网络时期的物联网技术,在2013年随着4G网络普及,终于被德国这个有钱的主子看上。并由此掀起了一阵“覆盖全球的工业物联网运动,并称其为工业4.0”。


从2013年过去6年后,全球媒体已经少有提及的“工业4.0”究竟进展如何?


在2019年,随着5G技术与NB-IoT物联网方案的成熟,4G时代的“工业物联网”解决方案,在今天又能给5G时代的中国“工业物联网”带来哪些启示?


如果实现“工业物联网”,对我们普通人来说,生活还将产生哪些变化?


 德国的工业4.0 


2013年是中国通信发展史上的一个特殊年份,那时中国刚刚开始建设4G网络,年底时也不过16个城市拥有4G网络。而在中国大搞4G网络基础建设的同时,德国却在4G网络的建设开始,就早早的提出了以CPS系统建设4G工业物联网的构想。


当时的欧洲虽然刚刚经历2008年金融危机后不久,欧盟成员国也已经开始有债务危机显现。但德国却罕见的在2012年创造了近20年最低失业率,经济方面可谓一片大好。


于是,这个欧盟的经济引擎,为了持续保持自身的工业竞争力,便在欧洲大陆“自顾自”的搞起了一场“4G网络时代的工业物联网”行动,代号“工业4.0”。

       

工业4.0也被世界各国称为第四次工业革命,根据维基百科资料显示:


最初的蒸汽动力被视为第一次工业革命;后来的电力和大规模生产装配技术是第二次工业革命的标志;工业3.0则让机器人和计算机走入了工厂;而工业4.0则把所有东西组合成一个自我学习,自我纠正的系统。


所以,在德国工业4.0的规划路线中,升级为“工业4.0”后的工厂,可以通过CPS系统组成一个智慧工厂联盟。


按照德国在工业4.0里的规划,所有的工厂设备数据都在CPS系统上进行汇聚,所以CPS系统除了可以预测每台机器需要维护的工作时长,也能通过给机器设备安排合适的工作任务,来保证CPS体系下各大工厂产出产品的最优质量和速度。


在德国“工业4.0”的规划中,CPS工业物联网方案,除了资源配置优化和数据监控等功能外,其最终的愿景是取代大部分工人的人力工作,实现工厂的“机器自治”。


 5G前的试验场,CPS的失利 


承载了如此宏大的技术愿景,并能让德国举国梭哈的CPS技术自然不是“等闲之辈”。


在2013年,除了2005年到2007年美国各大机构的吹捧,CPS技术在实际应用中也能找到些许落地的影子,比如波音、空客、奥迪和奔驰等超现代化工厂中,都有内嵌式的阉割版CPS系统。


之所以被称为阉割版,是因为这些工厂的CPS应用都是与机械设备关联在一起的小型硬件系统,这种硬件系统往往只处理这台机器的运作数据。而德国所要押注的CPS,则是无数机器互通互联所搭成的一个“工业物联网”。

       

和嵌入式CPS系统不同的是,“工业物联网”版的CPS除了知道所有工厂的机器情况外,还能自动分析和调配工厂机器的工作内容,使得整个系统内的机器实现运作效率上的最大化,所以其复杂程度是原有嵌入式CPS系统的数千倍不止。


基于CPS系统的复杂性,CPS的实践案例只存在于麻省理工学院的一个分布式机器人花园中,并无大规模的工业性落地应用。


但有钱任性的德国,为了在5G到来前,先于世界其他国家获得工业物联网的红利,德国机械协会和制造商协会(VDMA)还为CPS系统的构建设立了“工业4.0平台”。


而后不久,德国电气电子及信息技术协会发布了德国首个工业4.0标准化路线图,让整个围绕CPS的“工业物联网”建设看上去颇为正式。


但敢为人先的冒进,终归还是败在了时代技术的革新上。


2015年,英特尔、高通、德州仪器和华为等IC领域的一线公司,在物联网领域推出了可以接入5G网络的NB-IoT物联网技术。2016年,随着支持NB-IoT物联网技术的企业增多,世界基本已经抛弃了只在学术期刊上谈论的CPS物联网方案。


至此,与CPS系统有关的CPS物联网芯片,随着IC巨头的转身瞬间成了技术探索上的孤立之物。


而杀死CPS技术的,除了在成本优势碾压CPS芯片的NB-IoT物联网方案外,也和意识到未来5G时代云计算重要性的亚马逊、IBM、微软和谷歌等一线巨头有关。


早期的云计算功能简单,只能与CPS形成互补。但随着云计算的技术进步以及与NB-IoT物联网方案的融合,云计算开始逐步替代了CPS系统在未来规划中的数据分析能力。


其中,2014年,8位机械自动化的技术研究专家,通过著作《Industrial Cloud-Based Cyber-Physical Systems》一书,预言了“基于云的物理联网方案”会为未来物联网操作系统的事实。


在这本书出版后,诸多工业云取代CPS工业物联网方案的文章开始大量涌现,2015年,一位学者更是通过系统推演,从技术角度判定了CPS系统的死亡。


所以即便德国再不聪明,也能后知后觉的感知到:“CPS的工业物联网和物联网方案,已经被世界遗弃”。


此时,德国自己坚持做下去的结果,无外乎两个,一是自己费了九牛二虎之力做了个5G时代的古董型工业物联网方案;二是做到一半时因巨额成本半途而废,上百亿美元买个“闭门造车”的教训。


2017年,思科曾公布了一份针对德国工厂的调查,其调查结果显示:有76%的德国工厂认为“工业4.0计划”已经失败,因为他们从未参与“工业4.0”的任何组织。


2018年7月,Gartner发布的2018年工业物联网报告中,诸如运输,制造,公用事业和自然资源等领域的企业,几乎没有没有任何公司参与“工业4.0”的标准。


所以,曾经那场裹挟着“大数据、智慧工业和第四次工业革命”的龙卷风,也便随着时间的流逝,而被人们渐渐遗忘。


直到,最近两年5G标准初步确立,人们这才想起,原来在3G和4G时代,还有着一个名为CPS的工业物联网技术解决方案。


 中国在5G前的工业物联网进程 


在德国和美国的各大企业都大搞“工业物联网”的同时,既然大家都没5G技术,中国的企业自然也没闲着。


不过,和德国相比,我们在提出“工业物联网”时,更多只是采用了“产业园”的探索模式。


这种折中的跟随,一方面源于中国的地大物博,另一方面则源于中国的企业现状。


2016年随着国家在“中国制造2025”中提出工业物联网的目标,那一年基本也是国内对“工业物联网”讨论最热烈的时间,其讨论的频次和报道丝毫不亚于2019年的5G网络。


其中,知乎网友在"工业物联网和工业4.0在国内前景”的回答中,据多位网友(观点总结)介绍:


中国制造业目前不能大规模承载工业物联网的原因,是中国工厂与德国工厂相比,目前依然以中低端制造业为主的现状。


CPS系统的建设成本很高,所以德国可以基于自己高端制造业的丰厚利润以及十分完善的工业标准化,来全国性的探索“工业4.0”。


而对于中国当下的工业现状来说,需要企业自掏腰包的CPS系统,首先在成本问题上就注定不会成为普及全国的工业物联网方案。


强行推动CPS系统下的工业物联网建设,只会让本就处于红海市场的中国工业产品,额外增加新的生产成本,当企业生存依然是主要问题,中国的大多数企业又哪里来的心思,去做技术探索上的尝试。


所以,产业园式的工业物联网探索,虽然让我们避免了德国在“工业4.0”上遇到的CPS大坑,但如果没有新的低成本物联网解决方案出现,中国的工业企业也将长时间处于被德国"工业4.0"的技术碾压上。


当然,值得庆幸的是,这种碾压随着低成本NB-IoT物联网方案的诞生,并没有成为5G前夜正在发生或已经发生的事实。


因为随着5G普及,工业物联网将走出实验室的成本制约,成为万物互联下的时代红利。


 5G成了工业物联网的转折关键 


5G能够推动工业物联网的普及的原因,有两个:一是技术原因,二是成本原因。


从技术角度而言,5G生态目前已经可以替代CPS物联网方案。


CPS系统诞生之初,只是一个承载了4G网络的物联网技术解决方案,这个技术方案因为集成了“5C(连接、转换、网络、认知和配置)的所有”功能,所以即便有着完整的搭建模型,基于技术复杂性至今也少有落地案例。


事实上早在2015年3月,美国国家医学图书馆国立卫生研究院,就曾收录了一篇关于CPS系统综合论述的学术文献,在这篇被无数引用的专业技术文献上,文献作者就直接用模型论证了CPS系统在数据冲突和技术搭建上不可行性。


而在我们与腾讯合作的另一篇《5G时代,谁将会是物联网芯片的最大赢家》的文章中,5G生态包括:物联网、云计算与人工智能。


与CPS将5C全部集成的做法不同,5G生态的物联网承载了链接功能,云计算则承载了转换和网络功能,最后的人工智能承载了认知和配置功能,且三个技术方向自成产业的同时,又通过5G技术相互贴合。


这让智慧型物联网的落地,比起CPS技术要精简和方便许多。


而基于这两种技术的差异性,目前众巨头押注的物联网芯片技术,不是CPS芯片,而是在2015年由华为、高通和爱立信主导的NB-IoT芯片方案。所以,从技术角度而言,能够融入5G网络的NB-IoT芯片方案盛行本身,已经将CPS系统的未来打入冷宫。


从成本角度考虑,尽管NB-IoT物联网方案整体投入并不比CPS更少,但因为NB-IoT设备未来会并入全球电信运营商的5G网络,这让电信运营商直接成为了NB-IoT的物联网方案的推动者。


所以,和CPS方案则需要企业单独投资、独立组网相比,不仅硬件建设电信运营商帮工业企业出大头,就连与之配套的云计算服务也有科技巨头帮忙建设。


其中,随着NB-IoT物联网设备的普及,建设NB-IoT物联网硬件的价格也将逐渐降低。这让5G生态建设后期的制造业企业,可以在未来零成本使用5G生态带来的工业物联网技术。


而这种对比背后,对于广大企业而言,两者“工业物联网方案”的孰优孰劣,一眼便知。


 5G下的工业物联网 


在现在的工业体系中,因为我们不能明确具体物料数量,以及无法确定物料生产中的误差范围,所以很多时候的“仓储浪费”、“时间浪费”以及“人力浪费”,往往只因为少生产了一个螺丝或一个无关紧要的零件。       


当5G时代的物联网系统,将现有工业体系中诸多“一个螺丝”的误差问题,通过物联网系统解决掉。


当所有的工厂机器设备都因工业云服务的调配而形成利润共享的工业联盟,可预见的一个事实是:我们网上2小时前下达的产品订单,可以在工厂用半小时生产,再用1小时送达。


那时的京东产品页面,打出的标签不再是“当日达”,而是“当日即产即达”。


除了快,因为物流、仓储和生产成本的降低,你买到的非奢侈类物品还将获得更好品质和更低价格。


而随着工厂界限的被打破,所有工厂的机器都并入一个物联网体系,未来的工业产品将走向模块化。


比如,所有消费者下单前的复杂型电子产品,先在主工厂完成了60%的组装 ,剩余的40%工作,将会在你下单后距离你最近的标准化工厂进行完成。


这样,即便最后物料有所剩余,也能在下一代的产品更新中将既有60%可用的部件,进行灵活组合。


而这种组合背后,对我们消费者的感受便是:


你买的到属于自己一个人的定制品将无限增多。诸如在你体重上升时,你买到食物会提前减少糖分含量,买到的新餐具,提前缩减了食物承载体积。


而买到的红黑色衣服,提前调配了你喜欢的蓝黑和丹红,当所有的一切都以消费者的个人喜好为中心,企业、社会和经济组织的方式都将改写。


只是,这个过程并非一蹴而就。


当工业的“物联网体系”进化至此:企业主的投资将变成“工业物联网”联盟的股份参与,企业的管理人员将从工人管理,转向数据开发管理。那时,做企业最值钱的可抵押财产不是硬件,而是数据的所有权和使用权。


为了调和这种矛盾,CPS系统曾对加入“工业物联网”的企业,设置了投票系统;而5G时代下,这种数据所有权的处理正在随着工业云的进化,向着分布式数据中心进行演进。


 中国向德国工业4.0的取经之路 


2019年4月,在一切工业变局都看似与我们无关的当下,尽管德国在梭哈CPS技术的“工业4.0”上遇到了阻碍,中国也可以通过5G普及来实现“工业物联网”。


但与德国在工业4.0上这场运动相比,中国的企业无论是管理模式、还是财务模型,至今仍有很多“非工业物联网上的改进空间”值得向德国企业看齐。


比如,中国的很多企业至今连基础的“企业资源计划ERP“都还未曾使用,即便有了EPR,又不知多少企业是在为了EPR而EPR。


这让中国的大部分企业都处于一种私人离线模式,各个企业不仅缺乏可以让数据互联的标准化,随着地区文化差异的增加,企业在管理模式和应对信息化的差异程度上也在增加。


而这种个体的落后,也许会在5G时代的风暴裹挟中得到标准化上的提升,但技术只能拯救技术,却无法优化每个处在时代前沿的企业核心——人。


所以,国内企业在管理知识和企业经营人才上的空缺,应是远比“工业物联网”更值得向德国学习的重心。


反观德国的工业4.0计划,与其冷眼旁观的用“搁置”下个定论,不若说:“有钱任性,有技术任性、有人才任性,才是德国敢于在工业世界步步为先的入底气所在。”


而这些,除了当下的臆想外,我们何时又能有机会去进行前沿技术的跟进呢?(文章来源/微信公众号kejiwuju)