工业互联网：打破智慧与机器的边界

　　随着工业互联网的崛起，世界正处在通向新的创新与变革时代的门口，这要归功于全球工业系统与先进的计算、分析、低成本传感技术以及全新互联网连接融合。数字世界与机器世界的更深层次融合有潜力给全球产业带来深刻的变革，这些创新有望为航空、铁路运输、电力、石油和天然气开发以及医疗等各个行业带来更快的发展速度和更高的效率。无论是在美国还是中国，无论是在非洲的大城市还是哈萨克斯坦的乡村地区，工业互联网有望推动更强劲的经济增长，提供更好、更多的就业机会，并提高人们的生活水平。

　　通过使用更低的成本带来更好的医疗效果，大量节约燃料和能源，以及使用性能更好、寿命更长的硬件设施，工业互联网将进一步提高效率，就像工业革命和互联网革命那样加快生产力增长。生产力的提高意味着更快地提高人们的收入和生活水平。在美国，如果工业互联网能够使生产率每年提高1％-1.5％，使其重回互联网革命时期的峰值水平，那么未来20年，它将使平均收入比当前水平提高25％-40％。随着创新意识在全球范围的扩散，如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半，那么工业互联网在此期间会为全球GDP增加相当可观的10万亿-15万亿美元——几乎相当于当今美国经济的规模。在当今富有挑战性的经济环境中，即使确保实现一小部分生产力提高，也能在个人层面和整个经济层面带来极大的益处。

　　下一波浪潮

　　工业互联网汇集了两大革命的进步：工业革命带来的无数机器、设备组、设施和系统网络，以及互联网革命中涌现的计算、信息与通信系统。

　　结合起来，这些发展汇集了三大元素，它们充分体现了工业互联网的精髓：

　　1.智能设备。广泛的仪器仪表是工业互联网崛起的一个必要条件。为工业设备提供数字仪器仪表是工业互联网革命的第一步。几个因素让工业机器仪器仪表的广泛应用成为可能，并且在经济上可行。

　　第一，部署成本：仪器仪表的成本已经大幅下滑，使得以更经济的方式装配和监测工业机器成为可能。第二，计算能力：微处理器芯片的持续进步已经达到临界点，使得利用数字智能增强机器成为可能。第三，高级分析：“大数据”软件工具和分析技术的进步提供了理解智能设备产生的海量数据的方法。

　　这些因素正在改变收集和分析数据（理论上存在，但在实践中尚未得到充分利用）并采取行动的成本和价值。

　　利用智能设备产生的海量数据是工业互联网的一个重要功能。如图1所示，工业互联网可以被看作是数据、硬件、软件和智能的流通与互动。从智能设备和网络中获取数据，然后利用大数据和分析工具进行存储、分析和可视化。最终的“智能信息”可以供决策者（在必要时实时）使用，或者作为各工业系统中更广泛的工业资产优化或战略决策流程的一部分。

　　智能信息也可以在机器、系统网络、个人或群体之间分享，以推动智能协作和更好地制定决策。这让更广泛的利益相关者能够参与到资产维护、管理和优化之中。它还确保在合适的时间引入本地和远程拥有相关机器专业知识的人。智能信息还可以返回至最初的机器。这不仅包括该机器产生的数据，还包括可以加强机器、设施和更大系统运营或维护的外部数据。这种数据反馈循环让机器能够从历史中“学习”，并通过板载控制系统表现得更智能。

　　每个安装仪器仪表的设备将产生大量的数据，可以通过工业互联网传输到远程机器和用户。实施工业互联网的一个重要部分将涉及确定哪些数据仍保留在设备上以及哪些数据被传输到远程地点进行分析和存储。确定本地数据的保留程度是确保工业互联网以及多种与之相关的公司的安全的重要因素之一。这里的重点是新的创新可以让安装仪器仪表的设备所生成的敏感数据保留在本地。其他数据流将被远程传输，以便在工作或移动中的人实现可视化、可分析、可增强并能采取行动。

　　随着时间的流逝，这些数据流提供了运营和性能的历史信息，让操作员可以更好地了解工厂关键设备的状况。操作员可以了解某个具体设备已经运行了多长时间及其运行状况。分析工具可以比较其他工厂中类似设备的运行历史，以便可靠地估计该设备出现故障的可能性以及时间。以这种方式可以把运行数据和预测分析相结合，从而避免意外停机并使得维护成本最小化。

　　所有这些收益都来自机器仪器仪表，其通过使用现有信息技术并以这样的方式来提高人们的工作效率。这就是为什么广泛部署智能设备有如此大的威力。在高性能机器，如高性能的飞机发动机，越来越难以提高生产力的情况下，广泛部署智能设备有望释放额外的性能和运营效率。

　　2.智能系统。智能系统的潜在利益非常庞大。智能系统包括各种传统的联网系统，但其定义更加宽泛，包括整合广泛的机器仪器仪表与设施和系统网络上部署的软件。随着越来越多的机器和设备进入工业互联网，广泛的机器仪器仪表的整合效应可以在设施和系统网络上实现。

　　智能系统包括多种形式：

　　网络优化：在一个系统中，互联机器的运营可以协调，以便在网络层面提高运营效率。例如，在医疗领域，不同资产可以连接起来以帮助医生和护士更快速地把患者引导至恰当的设备。信息可以无缝传输给医护工作者和患者，从而减少等待时间、提高设备利用率并提高医护质量。智能系统还适用于交通网络中的路线优化。联网中的车辆会知道它们的位置和目的地，也能知道系统内其他车辆的位置和目的地，这样，可以实现路线优化以找到最高效的系统层面解决方案。

　　维护优化：通过智能系统可以实现最优化、低成本，并有利于整个机组的维护。将机器、组件和单个零部件整合起来的观点提供了一个可以监测这些设备状态的方式，从而实现了在合适的时间向合适的地点提供恰当数量的零部件。这使零部件的库存需求和维护成本最小化，并增强了机器的可靠性。智能系统维护优化可以与网络学习和预测分析相结合，并且预测分析允许工程师来实施预防性维修计划，这样有可能使机器的可靠性达到前所未有的水平。

　　系统恢复：建立广泛的系统级智能也有助于在发生重大故障后更快速、高效地恢复系统。例如，在暴风雨、地震或其他自然灾难发生时，智能仪器仪表、传感器以及其他智能设备和系统构成的网络可被用于快速检测和隔离最大的问题，以便它们不会联合在一起造成更大的灾难，也可以整合地理和运营信息来支持实用的恢复工作。

　　网络学习：网络学习效应是机器与系统互联的另外一项收益。每个机器的运行情况可以汇集到一个单独的信息系统中，让机器群能够以一种单个机器无法实现的方式快速学习。例如，飞机中收集到的数据可以与位置和飞行历史信息相结合，提供有关飞机在各种环境中的性能的丰富信息。来自这些数据的洞察力是可行的，并能够用于让整个系统更加智能，从而促进知识积累和增强洞察力。

　　建设智能系统可以充分发挥广泛部署智能设备的优势。一旦一个系统内连接更多的机器，就会形成一个持续扩展的自学系统，随着时间的积累而变得更加智能。

　　3.智能决策。工业互联网的全部威力将通过第三个元素——智能决策实现。当从智能设备和系统收集到足够的信息以促进数据驱动的学习时，智能决策就出现了，这反过来让一个小机组网络层的操作功能从运营商传输到数字安全系统。工业互联网的这个要素对于应对互联网机器、设备组、设施和系统网络越来越高的复杂性至关重要。考虑到可以大范围检测网络的设备或机组，操作员需要快速做出成千上万个决策以保持最优的系统性能。

　　通过让系统在人的同意下执行指定的操作可以克服这种复杂性挑战。复杂性带来的负担被转移到数字系统。例如，在智能系统中，提高发电厂产出的信号不必发送给每个单个发电厂的操作员；相反，智能自动化可以直接根据风能和太阳能、电力需求的变化以及其他发电厂的情况而直接联合调度灵活的发电厂。这些功能将有助于人和机构更高效地完成工作。

　　智能决策是工业互联网的长期愿景。随着工业互联网的元素在设备之间和系统之间逐步组装，这将是所收集知识的极致。这是一个大胆的目标，如果能够实现，将带来堪比工业革命和互联网革命规模的生产力提升和运营成本降低。

　　随着智能元素汇集到一起，工业互联网通过机器分析带来“大数据”的威力。传统的统计方法使用的是历史数据收集技术，这种方式往往在数据、分析和做出决策之间存在孤立性。由于系统监测已得到改进并且信息技术的成本有所下降，支持越来越多实时数据的能力得到了提高。更好地管理和分析高频率实时数据让人们在全新的高度了解系统运行情况。基于机器的分析为分析流程带来了另一种维度。物理方法、深厚的特定行业领域专业知识、更多的信息流自动化以及预测功能的整合，可加入现有的“大数据”工具套件。其结果就是，工业互联网将传统方法和最新方法相结合，以便通过特定行业的高级分析来充分利用历史数据和实时数据。

　　只有当工业互联网的上述三大要素与机器、设备组、设施和系统网络全面融合之后，才能发挥工业互联网的全部潜力。这样，整个工业经济都能享受到提高生产力、降低成本和减少废物排放的收益。

　　构建模块和“旋转设备”

　　工业互联网最开始是将传感器和其他先进的仪器仪表（从简单到复杂）嵌入各种机器。这能够收集并分析海量数据，改进机器性能，并且自然提高将其连接在一起的系统和网络的效率。甚至数据本身都能够变得“智能”，能立即知道自己需要抵达哪些用户。

　　比如，仅在航空领域，其潜力就是巨大的。目前，全球约有20000架商用飞机，其中包含43000个商用喷气发动机。每个喷气发动机包含3个分别装有仪器仪表和监测的主要旋转设备。试想一下当“智能飞机”可以与操作员进行通信时，发动机维护、燃料消耗、机组分配和调度的效率提升存在多大空间？这还只是当前的情况。未来15年，随着全球范围对航空服务的需求不断提高，将有30000个新的喷气发动机投入服务。

　　机车、联合循环发电厂、能源加工厂、工业设施及其他关键设备中也有类似的安装仪器仪表的机会。总体来说，当今全球工业资产库中约有超过300万台主要的“旋转设备”。所有这些只是工业互联网可支持设备的一小部分。

　　1％的威力

　　机器与分析相结合的收益是多方面的，也是显著的。我们估计，工业互联网的技术创新将在规模超过32.3万亿美元的经济活动的领域内得到直接应用。随着全球经济增长，工业互联网的潜在应用也将扩大，预计到2025年，工业互联网的应用领域将达82万亿美元规模的产出，或占全球经济的一半。

　　保守地看，特定行业的收益是有益的。即使工业互联网只能让效率提高1％，其效益也将是巨大的。例如，仅在商用航空领域，未来15年，节约1％的燃料就意味着节约300亿美元的成本。同样，全球所有天然气火力发电厂的效率提高1％，就意味着节约价值660亿美元的燃料。通过提高流程的效率，全球医疗行业也将受益于工业互联网：全球医疗效率提高1％，就意味着节约超过630亿美元的医疗成本。在全球铁路货运行业，效率提高1％，则意味着节约270亿美元的燃料。最后，产业上游的石油与天然气勘探与开发的资本利用率提高1％，就可避免或推迟900亿美元的资本支出。这些还仅仅是几个有可能实现的例子。

　　广泛的全球收益

　　作为重要创新的发起者和先行者，美国位于工业互联网发展的前沿。鉴于越来越深入的全球一体化以及更快速的技术转移，其带来的收益将是全球性的。事实上，由于新兴市场投资建设了大量基础设施，尽早快速采用工业互联网技术会对经济起到一个强劲的助推器作用，可能有机会避免发达国家所经历的某些发展阶段。例如，通过直接使用无线技术，可能会避免使用电缆或有线技术；或者，目前提供的私有、半公共或公共云系统将有可能替代各个孤立系统。这将更快地缩短发达国家和发展中国家之间生产力的差距。在这个过程中，工业互联网将缓解资源和资金压力，使全球经济社会进一步实现可持续发展。

　　文/通用电气公司（GE）