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功能型平台:工业“智”变徒步荒原

发布时间:2021-03-04 浏览次数:36

第四次工业革命呼啸而至,传统行业借助新一代信息技术应用在其产能、成本、效率上焕发着生机。作为立国之本,我国的制造业也迎来脱胎换骨的机遇。中国制造2025、工业4.0、工业互联网……成为当今制造业时髦热词。GE、西门子、海尔、上汽、华为、富士康等国内外行业龙头率先完成智能化改造升级,但是在我国制造业广袤大地上,绝大多数中小型企业还处于工业2.0阶段的“智”变荒原。

制造业升级的星星之火迅速蔓延至中国制造业主阵地——上海。2020年,《上海市建设100+智能工厂专项行动方案》发布,启动实施“10030”工程,未来三年在全市建设100家智能制造示范工厂,打造10家标杆工厂,培育10家世界一流的智能制造系统集成商,搭建10家垂直行业工业互联网平台,新增应用10000台机器人。

东海之滨,滴水湖畔,中国(上海)自由贸易试验区临港新片区(以下简称临港新片区)方圆873平方公里的土地上,聚集了特斯拉、上汽、上海电气、中国商飞、三一重机等国内外大型制造基地,成为制造业转型升级、新技术应用更新迭代、科技服务平台体制机制改革的试验田。

早在2015年,上海市科委试点研发与转化功能型平台(以下简称功能型平台),作为上海科创中心“四梁八柱”的重要组成部分,功能型平台支撑产业链创新、支撑重大产品研发转化、支撑创新创业,助力跨越实验室成果到市场落地“死亡之谷”。如今在临港新片区已有智能制造、工业互联网、海洋高端装备、太赫兹四个功能型平台挂牌成立。

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临港新片区海洋一路,工业互联网功能型平台和智能制造功能型平台仅一路之隔。两大平台的负责人——工业互联网创新中心总经理郑忠斌、智能制造功能型平台总经理习俊通,也会坐在一起切磋讨论。同在制造业领域作技术服务的郑忠斌深知智能制造平台需要克服的难点。因为在他眼里,制造业66个门类中垂直细分领域的共性并不多,制造业进行智能化改造需要长期的技术积累。

01 核心技术研发走出象牙塔

几年前,习俊通赴德国考察Arena2036平台上的汽车生产线后,颠覆了他对传统制造业的认知。“个性化的订单产生后,车间内AGV移动平台上的所有物料、设备、夹具就像长了腿一样自动进行生产重组,形成一条为个性化订单产品订制的生产线。”

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先进制造业与国内制造业的现状差距让他确定了智能制造功能型平台要攻克的难点:产品供给方式的变化要求生产组织方式达到柔性、重组,设备移载则要求空间定位、位置跟踪、视觉识别等技术跟得上生产组织方式的变化,而一个企业不可能覆盖所有的环节,必须通过集成的方式综合解决。

2015年,上海交通大学组织精干部队来到临港,组建上海智能制造研究院,同时也拉开了智能制造功能型平台的序幕。“研究院来到临港后,我们不希望它简单成为学校实验室的搬迁,而是高校科研成果落地转化的平台延伸,把论文写在车间里”习俊通说到。

5年过去,如今在市科委、市经信委等部门及临港新片区管委会的指导与支持下,智能制造功能型平台上的氢燃料电池双极板、氢燃料电池电堆、微波智能感知、工业视觉检测等智能制造核心关键技术从上海交大校园的实验室中走出,技术应用落地转化为产业化成果,并延伸至汽车、轮船、地铁轨道等重型装备制造龙头企业的工厂车间,成为国产智能制造新兴力量。

平台以“明确的应用场景、鲜明的技术特色、清晰的成果形态”为研发工作要求,打造面向行业的智能制造系统方案输出、技术测试及验证环境、产业共性技术研发、技术孵化与成果转化、专业人才培养与培训、国际合作等六大功能,助力临港科创中心建设。

在新能源汽车赛道上,氢燃料电池汽车已经成为国内外汽车厂商供应链的重要技术储备。电堆的生产制造是氢燃料电池整车制造产业链的关键核心技术。过去十几年,上海交大科研团队已在该技术领域完成了从0到1的突破,从1到10的发展,同时正在步入从10到100的产业化量产阶段。

上海氢晨新能源科技有限公司致力于高密度燃料电池电堆的研发生产,其核心技术团队都来自上海交大。氢晨公共关系总监白云飞介绍,一条批量生产电堆的产线会涉及1700多个零部件,单靠人工操作产品的一致性和质量的稳定性难以得到保证。

2020年5月,氢晨从闵行搬到了临港。在这里,智能制造功能型平台为其设计打造了一条数字化的产线,通过将平台上检测技术、智能装配等共性关键技术导入氢晨的电堆智能生产系统,提高企业自动化生产能力和效率。“自动化装配只需要30-40分钟就能完成主要零部件的组装,而单凭人工则至少要两个小时,智能化生产效率比传统制造提高至少150%-200%。目前,该企业电堆产线产能达到2000台,明年生产线产能可以达到1万台。

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为氢晨氢燃料电池电堆提供金属双极板关键零部件的上海治臻新能源装备有限公司,同样是智能制造平台支撑的企业。在治臻生产车间,从冲压、焊接、清洗、涂层、封装,一天可以产出1000片金属极板。

“交大的科研成果理论上能做到75微米厚度的薄板材料可成型,但在工艺化实际生产中难度极高。”治臻新能源总经理蓝树槐表示,产业化公司生产需要在面积超过450毫米*200毫米的薄板上制造出深度0.5毫米、宽度在0.8-1.0毫米的流道,实现产品批量化制造,同时保证其可成型、制造精度和一致性,需要在平台上反复进行技术验证和优化工艺。

上海交大与临港集团在氢能燃料电池智能制造产业链上已培育出多家混合制股份结构公司。产学研合作中,上海交大提供基础理论和科学问题研究,上海智能制造功能型平台提供制造工艺与装备研究,形成固态储氢材料、极板与电堆、高效膜电极、系统集成的产业链条,向以上汽集团为代表的燃料电池汽车产业链提供燃料电池关键零部件。

2020年度智能制造功能型平台聚焦“智能感知、智能作业、智能管控”三个主要方向,形成产品样机39套,系统解决方案15项,技术服务企业37家,形成销售额2000万元,申请发明专利23项、软著9项,参与2项国际标准制订、13项国家标准制订。相关产品与解决方案在外高桥、沪东船厂、华域汽车、上汽通用五菱、国家电网等企业中得到应用投入使用。

02 智能制造如何落地?

“什么是智能制造?”2015年我国发布《中国制造2025》后,智能制造功能型平台企业咨询与培训事业部总监郑宇被企业问到最多的一个问题。而比智能制造概念解释更为棘手的是如何保证智能制造落地。

智能制造产业有众多关键技术提升突破,牵涉众多应用场景,而归结到各个细分产业链条的企业,需要人来统筹规划。人才是制造业智能化改造的关键因素。

《上海市建设100+智能工厂专项行动方案(2020-2022年)》里提出,鼓励企业设立首席规划师的岗位。为此,功能平台已组织了两期智能制造首席规划师/咨询师培训班。

郑宇介绍说,自动化和信息化是制造型企业向智能化转型的两条腿,两者缺一不可。而智能制造首席规划师就像是企业未来工厂总体蓝图的规划师,可理解为传统CIO(首席信息官)的升级版,是企业产品的总设计师。“智能制造首席规划师所要做的就是结合企业发展战略、产品定位,作出规划,制定企业智能化水平目标,更重要的是通过智能化改造,提升产品质量、精细化管理和经济效益。”

目前功能平台通过两期培训已圆满完成200余名智能制造规划/咨询师的培训工作,培训对象覆盖汽车、交通、电子信息、化工、高端装备、航空航天、生物医药、钢铁、船舶、轨道交通、化工及新材料等行业91家企业。此外,功能平台还举办了2020第八届先进制造业大会,参与筹建长三角产业促进中心。

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其实,这种由政府、高校与产业界之间的平台合作模式在国际上有过先例。成立于1949年的德国弗劳恩霍夫协会是欧洲最大的应用科学科研机构,也是德国工业4.0技术体系的核心研究单位。

智能制造功能平台副总经理赵勇表示,弗劳恩霍夫协会研发与转化模式有值得借鉴的地方,比如其资金来源的三分之一由政府提供,其余三分之二的资金则来自于企业服务费用;协会与优势学科大学高校合作成立研究所,所长大多由各高校校长及教授担任。

鉴于该协会在技术研发应用转化的成功模式,智能制造功能平台上的很多项目技术研发也都由上海交大牵头,可以充分发挥上海交大在智能制造领域关键技术前期研发的技术人才智力资源优势。

2019年3月,上海交通大学弗劳恩霍夫协会智能制造项目中心在临港新片区成立,标志着弗劳恩霍夫协会在中国的第一个科研机构、全球第10个弗劳恩霍夫项目中心落成。在体制机制上,项目中心充分借鉴德国弗劳恩霍夫协会体制机制,同步在上海市智能制造研发与转化功能型平台组建中德合作事业部,形成了高校企业两兼顾、中德共联合的研究团队。

弗劳恩霍夫智能制造项目中心自成立以来,着重于加强中德双方的交流融合,帮助中德双方企业对接,共同推进技术攻关,并引入华为、SAP等知名企业在临港建立联合实验室,充分发挥了项目中心国际引智、人才交流的重要功能。此外,功能平台还引进英国皇家工程院院士蒋向前爵士团队,在临港建立精密测试服务中心,目前已完成前期初步建设,设备投入到位,已具备基本服务能力。

在借鉴运作模式基础上,智能制造功能平台有更多市场推广、企业孵化的功能延伸。赵勇介绍说,功能平台进行技术研发与转化中更加注重发挥注重研发团队的主体作用,平台参与其中支撑其共性技术研发,从而凝聚更多的资源,也会吸引更多的社会资本加入。团队本身以技术人员为主,平台会为其引入职业经理人让技术从单纯的项目转化为公司化运行的方式进入产业化服务。


自平台成立到2020年底,智能制造功能平台已孵化17家企业,其中6家为高新企业,撬动2亿元社会资本融资,IPO辅导2家。还有源源不断的企业孵化团队在这里萌芽生长。目前,功能平台与雷尼绍、上海电气、商发、上汽、国核、西门子等国内外头龙头企业建立战略合作,确定产学研合作关系,共计14项。

03 智能制造与工业互联网的边界

智能制造功能平台依托上海交大技术和人才优势,让关键核心技术走出象牙塔,锻造智能制造的杀手锏。在她的对面,工业互联网功能平台也在临港智造的荒原上承担共性关键技术研发等产业化服务。

工业互联网创新中心是工业互联网功能型平台的承担单位,是中国信通院的全资子公司,是中国工业互联网创新发展的重要推动者。工业互联网功能型平台以工业互联网创新中心为平台公司,采取商业化治理模式。

在人们眼里,工业互联网与智能制造共同致力于制造业信息化、数字化、智能化改造,两大平台之间的界线并非泾渭分明。两者要解决的核心问题都是在优化制造资源的配置效率,采取的途径逻辑都是通过数据结合模型,将产品转化为一种服务。但是数据的来源、归属,到模型的部署、再到资源优化的广度和深度都有所区别。

而从消费互联网到工业互联网,其连接载体、网络属性、技术效应、参与主体都不可同日而语。其中最明显的差异在于其主体。消费互联网的主体是京东、阿里、腾讯等互联网巨头,而工业互联网的主体则是散落在各个垂直细分行业的制造型企业。起步环境上,工业互联网基础产业被国外厂商垄断,平台向国内渗透。

对工业互联网,郑忠斌有着自己的理解:“工业互联网不是一项技术,不是一张网,更像是一个方法论,是制造业转型升级的路径和方法,其融合了工业网络、标识解析、工业大数据、网络安全等多种新兴技术。”

工业互联网最初来源于2012年GE高调发布的Predix平台。2018年前后,工业互联网之风吹进中国,在中国政府《工业互联网发展行动计划(2018-2020)》以及“新基建”等一系列顶层政策的推进下,工业互联网的关注度、资本量都在快速增加。在此之前,工业自动化、工业信息化、工业软件甚至较为新兴的工业物联网都已经为了满足工业领域的需求努力了很多年。

与智能制造一样,工业互联网的基础同样也是信息化和自动化。在郑忠斌看来,从技术角度工业互联网是数据科学与行业知识的结合,数据驱动与自动化、信息化的结合。

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其中,数据科学与行业知识的结合,需要大量制造型行业垂直细分领域经验丰富的人员,深刻理解生产工艺的痛点难点。数据驱动+自动化,即工厂、车间内部工艺的流拍、物料的调度与供应链打通——“这不是简单的管理理念就能改变的,而是靠大量的数据驱动。比如物流,厂区的物流、车间的物流,用信息化手段、智能化工具,形成一定的生产节拍。”数据驱动+信息化,是物料、物流全产业要素,产品设备运输、使用、维修等全生命周期环节的信息打通。

有人说,工业互联网带来的价值就好比瓶子里先装满了大石头,但仍然有空间可以装进沙子,沙子装满了仍然可以装进水。传统的信息化系统就是大石头,数字化是沙子,而工业互联网就是水,它可以暴露出更多尚未发现的优化空间。

郑忠斌更愿意将工业互联网的技术比作轴承中的润滑油或者一个小小的滚圈,看似不起眼,但是却承受了行业巨大的压力,在整个行业各个环节起到非常强大的连接作用。

美国通用电气曾作过估算:全球运转的机器数量超过400亿台的基础上,只要将机器运转效率提高1%,那么在15年内,航空公司燃油开支将减少300亿美元,燃气发电厂将减少能耗支出660亿美元,铁路交通将减少能耗支出270亿美元。

在我国种类齐全的的工业生产中,工业互联网无疑是个蓝海。有数据显示,2020年中国工业互联网体系市场规模为8304亿元,其中以工业网络、工业传感、工业软件、工业云以及工业互联网安全为主的核心领域达到2810亿元市场规模,并整体有望在2022年突破万亿大关。

2017年,工业互联网功能平台曾为一家提供二次供水的传统设备厂商进行工业互联网技术提升。一年多以后,这家公司从一家单纯依靠出售设备的传统制造型企业,变为一家提高水资源利用率、提供水资源管理服务型企业。

04 工业互联网从个性化走向标准化

国内工业互联网、智能化工厂的案例很多,但郑忠斌坦言,我国的工业互联网仍处于初期阶段。“非常不成熟,”他解释说:“所谓初期阶段是说,无论是个性化定制方案,还是机械设备的远程运维,都只是工业互联网某一领域的某一部分。工业互联网成熟阶段一定是可以规模化复制,应该有相当一部分的标准化解决方案,绝不是当前个性化定制方案。”

因为个性化定制方案成本比较高,尤其是实体经济企业需要投入一定资金。我国很多企业,特别是中小企业仍然处于低价同质化竞争阶段,企业利润薄弱,信息化投入的能力有限。工业互联网产生的实际效益往往难以短期内的明显展现出来,使得工业互联网难以进行大规模推广。

目前中国工业互联网仍然处在早起阶段。除了政策推动,工业互联网发展的动力更来源于其带来的工业场景价值,工业互联网场景价值的体现将由点到面,从单点场景价值向上突破至管理流程价值,再突破渗透至产业协同价值,这使得未来具备场景和行业Know-How的服务商更具有发展潜力。

郑忠斌认为,工业互联网功能平台服务模式应该类似于国际上知名咨询公司——埃森哲。据悉,埃森哲提供战略、咨询、数字、技术和运营等五大领域的咨询服务。与大众熟知的麦肯锡等战略咨询公司有所差别,埃森哲主要集中在技术信息咨询领域,大量的人员是负责咨询项目的落地,数字化人员、技术人员和外包业务人员占比最大,更注重战略的实施和应用。

借鉴埃森哲的模式经验,工业互联网功能平台也在行业内积累大量行业Know-How,并与各个领域拥有行业知识占据优势力量的研究机构和龙头企业合作。

我国制造业“大而不全”,软硬件领域皆有不同程度的技术瓶颈,也是工业互联网前进路上的现实阻力。在制造业智能化技术变革中,基础算法和模型仍然需要长时间慢慢积累。硬件方面,应用于特殊领域的高精度传感器也与国外存在差距。此外,边缘设备接入、数据分析、工业机理建模和工业应用开发方面,工业互联网的软硬件基础设施都存在着急需突破的技术瓶颈。

边缘设备接入方面,国外厂商设备数据不开放、接口不统一,因此设备的数据兼容性差、采集门槛高、采集难度大,80%的平台连接的设备协议种类不足20种。

数据分析方面,标准化、低成本的解决方案缺乏,数据分析方案成本高,开发周期长,复制推广难,83%的平台提供的分析工具不足20个。

工业机理建模方面,缺乏通用方法、基础工具、开放接口等标准,工业机理转换成可供开发者调用的微服务组件还有很长的路要走,行业机理沉淀能力也比较薄弱,68%的平台提供的工业机理模型不足20个。

工业APP开发方面,我国工业APP标准制定滞后,工业APP微服务组件颗粒度难以界定,工业APP开发进程缓慢,我国工业APP数量也不多,尤其是杀手级工业APP更是少之又少,远远难以满足企业上云的需求。

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目前,工业互联网功能平台以产业链条上龙头企业作为示范应用,带动下游企业的路径模式进行技术的推广与应用,累计了多个成功案例。围绕临港地区制造业的实际需求,工业互联网功能平台从工业网络、标识解析、平台和安全等方向进行核心技术攻关和产业服务。

网络方面,功能型平台为商飞热处理车间建设了热处理设备的数字孪生模型,打造了具有自主知识产权的热处理车间智能管控系统;在上海电气核电设备有限公司部署了覆盖现场作业的工业网络,实现了数十种数控机床、焊机等设备的联网、数据采集与分析,建立了焊接质量过程管理系统;为上海三一重机股份有限公司建设了5G+AR/VR的应用场景……

标识解析方面,为航空、核电、新材料、机加工、医疗器械等领域,合作建设了标识解析二级节点;安全方向,为振华重工、上港集装箱码头等企业提供安全技术和咨询服务;平台方向联合树根互联,开展工程机械行业异构数据融合的技术攻关。同时,还为上海地区的其他企业提供了服务,比如航天八院、翔港包装、国核工程等。

工业互联网功能型平台依托其技术成果,已经为30多家企业提供技术和咨询服务,累计产生效益5000余万,孵化1家企业,并引入科创企业近10家。

同时,5G时代的到来加速了工业互联网和智能制造进程。目前,工业互联网功能型平台联合上海移动产业研究院进行了5G技术研发与试验验证,在上海三一重机、交大智邦、上海烟机、喜临门家具、中天射频电缆等企业建设了5G+工业互联网的应用验证场景,同时也开发了5G终端产品。

作为科技服务平台领域的新生事物,智能制造和工业互联网功能平台在组织架构、服务模式、路径方法处于摸索阶段。功能平台体制机制管理的探索仍然是戴着镣铐跳舞。

“功能平台应该以结果为导向,但实际上,平台仍然按照传统专项管理方法模式。”郑忠斌表示,在科技公共平台管理上,临港管委会对科创平台以结果为导向的管理方法值得借鉴。创新意味着要给予其更大的试错空间,这种以结果为导向的管理方法在人才、团队、设备、试验等方面给予平台更多的自由度。