□文/石照耀 、侯晉珊

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大數(shù)據(jù)推動下的工業(yè)4.0

□文/石照耀 、侯晉珊

隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，第四次工業(yè)革命悄然來臨，其中大數(shù)據(jù)也扮演著越來越重要的角色。從智能儀器設(shè)備的應用、智能工廠的建設(shè)到企業(yè)生產(chǎn)、管理、銷售的變革升級，大數(shù)據(jù)在其中扮演著重要的角色。

大勢所趨——人類迎來大數(shù)據(jù)時代

對于“數(shù)據(jù)”這個詞我們并不陌生，那么現(xiàn)在社會流行的“大數(shù)據(jù)（Big data）”又是什么呢？顧名思義，所謂的“大數(shù)據(jù)”就是對大量、動態(tài)、能持續(xù)的數(shù)據(jù)，通過運用新系統(tǒng)、新工具、新模型的挖掘，獲得具有洞察力和新價值的東西。隨著云時代的來臨，大數(shù)據(jù)也吸引了越來越多的關(guān)注，悄然并將深刻地改變著我們的工作和生活。一天之中，我們都在與數(shù)據(jù)打交道，我們每天醒來在手機上的所有操作行為，瀏覽朋友圈、了解新聞熱點、查看股票信息等，都在不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，我們的生活已經(jīng)與數(shù)據(jù)息息相關(guān)。

科技進步日新月異的今天，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)深刻改變著人類的思維、生產(chǎn)、生活、學習方式。以當今最熱門的電商軟件之一淘寶為例，網(wǎng)絡(luò)虛擬與現(xiàn)實購物的完美結(jié)合，改變了我們傳統(tǒng)的購物方式。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，淘寶也越來越智能化、人性化，例如每天推送的“猜你喜歡”會根據(jù)我們平時瀏覽購物的數(shù)據(jù)記錄匯總分析出使用者的購物喜好。類似的還有很多，例如網(wǎng)易云音樂中的“私人FM”，會根據(jù)你平時的聽歌記錄推送你喜歡的歌曲。將大數(shù)據(jù)與先進的分析工具結(jié)合，通過對數(shù)據(jù)的挖掘并實時分析，實現(xiàn)智能化升級，用戶體驗也變得越來越好。

數(shù)據(jù)就像是新的石油。除了給我們的日常生活帶來改變，大數(shù)據(jù)也正悄然改變國際戰(zhàn)略格局，數(shù)字主權(quán)將成為繼邊防、海防、空防之后另一個大國博弈的空間。大數(shù)據(jù)將改變國家治理架構(gòu)和模式：通過對海量、動態(tài)、高增長、多元化、多樣化數(shù)據(jù)的高速處理，快速獲得有價值信息，提高公共決策能力［1］。大數(shù)據(jù)是工業(yè)社會的“自由”資源，誰掌握了數(shù)據(jù)，誰就掌握了主動權(quán)?？梢哉f“大數(shù)據(jù)”是一個時代的特征，是社會發(fā)展的必然趨勢。

石照耀 博士，博士生導師、教育部長江學者特聘教授、國務院有突出貢獻專家、科學中國人（2010）年度人物、國際標準化組織ISO/ TC60中國委員、北京市精密測控技術(shù)及儀器工程技術(shù)研究中心主任

侯晉珊 北京工業(yè)大學、北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，在讀碩士研究生

制造發(fā)展——工業(yè)4.0的大數(shù)據(jù)環(huán)境

2013年的漢諾威工業(yè)博覽會被視為第四次工業(yè)革命的開端，工業(yè)領(lǐng)域幾乎所有的生產(chǎn)與系統(tǒng)正以越來越網(wǎng)絡(luò)化的形式向互聯(lián)網(wǎng)邁進。在這一波全球性的產(chǎn)業(yè)革命中，互聯(lián)與高度融合成為工業(yè)4.0的最佳代名詞。它們的范圍非常廣：生產(chǎn)設(shè)備間的互聯(lián)、設(shè)備和產(chǎn)品間的互聯(lián)、虛擬和現(xiàn)實的互聯(lián)……最終實現(xiàn)所有人與人、人與物、物與物的相互連接。原本孤立的系統(tǒng)變得不再孤立，生產(chǎn)過程高效透明，進而重新構(gòu)建起我們的生活方式，大數(shù)據(jù)環(huán)境也油然而生。

普遍意義上的大數(shù)據(jù)具有“4V”的特征，包括Volume 、Velocity、Variety、Veracity：

Volume（大量）是指非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的超大規(guī)模和快速增長；

Velocity（高速）是指實時分析而非批量式分析，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)與采集異常頻繁，以滿足我們的實時性需求；

Variety（多樣性）是指大數(shù)據(jù)的異構(gòu)與多樣，意味著從海量信息中挖掘內(nèi)在關(guān)聯(lián)并做出處理；

Veracity（真實性）是指避免數(shù)據(jù)收集和提煉過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)質(zhì)量污染所導致的“虛假”信息。

圖1　工業(yè)大數(shù)據(jù)6V定義

而工業(yè)大數(shù)據(jù)除上述“4V”特征之外，它還包括另外兩個“V”，即Visibility和Value：

Visibility（可見性）是指通過大數(shù)據(jù)分析使以往不可見的重要因素和信息變得可見，改變傳統(tǒng)的工業(yè)視角，從用戶端的價值需求出發(fā)提供定制化的產(chǎn)品和服務；

Value（價值）是指通過大數(shù)據(jù)分析得到的信息應該被轉(zhuǎn)換成價值（如圖1，工業(yè)大數(shù)據(jù)6V定義）。

大數(shù)據(jù)助推下的智能儀器設(shè)備

貼近我們生活的每臺智能儀器設(shè)備都有自己標簽、代碼，像生命體一樣被一個大的服務器監(jiān)控著，一旦出現(xiàn)故障就會迅速反饋給總服務器，并可以快速定位到問題所在位置，繼而就有相關(guān)人員上門維修。這種服務的理念是我們現(xiàn)在社會所追求的：不僅要有出色的產(chǎn)品，更要有優(yōu)秀的售后體驗。商家銷售產(chǎn)品，但銷售產(chǎn)品的核心目的是在使用中創(chuàng)造價值。在汽車領(lǐng)域，所有的高科技都可能首先與汽車業(yè)掛鉤。我們注意到現(xiàn)在越來越多的汽車用一塊顯示屏代替了傳統(tǒng)汽車的按鍵，不僅畫面簡潔直觀，而且在操作過程中用戶也無需記憶功能各異的按鍵了。在倒車時，顯示屏畫面直接自動切換到車后方的位置，駕駛者可以清楚直觀地看到車后面的情況。2014年12月22日，谷歌宣布已經(jīng)打造出第一輛全功能無人駕駛汽車原型，這是首款完全自動駕駛的汽車。這款無人駕駛汽車能夠在沒有駕駛員控制的情況下，通過傳感器和車載電腦上的軟件系統(tǒng)自動行駛。

大數(shù)據(jù)助推下的智能工廠

在大數(shù)據(jù)平臺的分析操控下，制造企業(yè)可以實時監(jiān)控產(chǎn)品的運作狀態(tài)，對所有客戶細分并優(yōu)化生產(chǎn)流程，還能根據(jù)客戶需要定制產(chǎn)品等。德國著名企業(yè)之一——博世公司，在建設(shè)智能工廠方面取得了突出的成績。區(qū)別于傳統(tǒng)的工廠生產(chǎn)線，在博世的洪堡物流中心，所有的零部件都有一個唯一的射頻識別碼，通過每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)將識別信息讀取并反饋到總服務器，各條生產(chǎn)線可以井然有序地高效運行，就像產(chǎn)品具有了生命并且還能使用身份證一樣。雖然有了“身份證”，但因為每種零部件都不盡相同，所以產(chǎn)品的智能標簽也并非只有一種，例如條形碼、二維碼、射頻碼和傳感器，每種標簽都有不同的應用特點和功能：條形碼和二維碼必須近距離掃描，如果零部件由不同的供應商提供，那么每個產(chǎn)品在出廠時都要標貼一個能夠識別供應商的二維碼；射頻碼可以穿透各種介質(zhì)被迅速讀取，在射頻碼使用以前都是需要人工手動在電腦前輸入零件相關(guān)信息，效率低下且容易出錯。智能化之后，工廠庫存減少了30％，生產(chǎn)效率提高了10％，由此節(jié)約的資金達幾千萬歐元，相比之下，新系統(tǒng)投入花費的幾十萬歐元還是非常值得的。另外這種給零件貼標簽的智能化方式使得整個產(chǎn)品生產(chǎn)控制更加透明化、實時化。

大數(shù)據(jù)助推下的企業(yè)發(fā)展

在傳統(tǒng)制造企業(yè)，大量的數(shù)據(jù)分散在各個部門，如果想在整個企業(yè)及時、迅速地提煉出相關(guān)數(shù)據(jù)會很困難，而有了工業(yè)大數(shù)據(jù)，就可以利用相關(guān)技術(shù)將所有數(shù)據(jù)集成在一起，進而分析得到我們所需要的東西?，F(xiàn)在許多企業(yè)順應時代的發(fā)展，將大數(shù)據(jù)應用其中，積極進行改革升級，生產(chǎn)出富有“生命”的智能產(chǎn)品。例如SAP企業(yè)，研、產(chǎn)、供、銷、服五個維度已經(jīng)不是獨立的系統(tǒng)，而是通過數(shù)據(jù)傳輸集成在一起（如圖2，SAP企業(yè)5維度集成）。

圖2　SAP企業(yè)5維度集成

第一個維度是在企業(yè)內(nèi)部，通過SAP ERP、SAP執(zhí)行方案、SAP數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視以及到設(shè)備層的集成完成企業(yè)內(nèi)部運營；

第二個維度是設(shè)備機器之間的鏈接；

第三個維度是可變式的產(chǎn)品從電商到生產(chǎn)系統(tǒng)的集成；

第四個維度是生產(chǎn)協(xié)同，實現(xiàn)產(chǎn)品的可視化、可追溯、質(zhì)量控制等功能；

第五個維度是企業(yè)可以利用云端優(yōu)勢來優(yōu)化全球服務。

這些集成都離不開大數(shù)據(jù)的分析，所以是什么承載了SAP企業(yè)大數(shù)據(jù)的高效運轉(zhuǎn)呢？答案是SAP HANA（SAP high-performance analytic appliance）即SAP高性能分析設(shè)備，它是一個軟硬件結(jié)合體，專注于實施大數(shù)據(jù)分析和應用的內(nèi)存計算機平臺。就像蘋果把郵件、電話、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、文檔處理以及個人娛樂集成在iPhone一樣，SAP HANA也集成了大數(shù)據(jù)分析所需的功能：它能夠加速處理在線交易，同時可以作為數(shù)據(jù)倉庫進行海量數(shù)據(jù)分析；它能夠加速傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)，又能鏈接外部的Hadoop進行非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理［3］，將企業(yè)日常所需的數(shù)據(jù)需求全部集中在一個平臺上。SAP HANA分析處理數(shù)據(jù)的速度非常快，例如將該系統(tǒng)用于醫(yī)學基因分析，原本需要4到5天才能得出結(jié)果的報告將來只需20分鐘就可以了！不僅速度快，SAP HANA通過對歷史數(shù)據(jù)的分析挖掘還可預測未來，并幫助用戶做出正確的判斷，從而預防疾病的發(fā)生。

防患未然——大數(shù)據(jù)發(fā)展有待解決的問題

互聯(lián)網(wǎng)的普及使得累積的用戶網(wǎng)絡(luò)行為數(shù)據(jù)也異常龐大，以至于已經(jīng)不能用G或T來衡量。 截止到2012年，數(shù)據(jù)量已經(jīng)從TB級別躍升到PB、EB乃至ZB級別。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）的研究結(jié)果表明，2008年全球產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為0.49ZB，2009年的數(shù)據(jù)量為0.8ZB，2010年增長為1.2ZB，2011年的數(shù)量更是高達1.82ZB，相當于全球每人產(chǎn)生200GB以上的數(shù)據(jù)［4］。而到2012年為止，人類生產(chǎn)的所有印刷材料的數(shù)據(jù)量也不過200PB，全人類歷史上說過的所有話的數(shù)據(jù)量大約是5EB。IBM的研究稱，整個人類文明所獲得的全部數(shù)據(jù)中，有90％是過去兩年內(nèi)產(chǎn)生的。而到了2020年，全世界所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模將是今天的44倍。

首先，龐大的數(shù)據(jù)迫使人們開發(fā)容量大、速度快的服務器。不僅如此，隨著社會的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，遠程無線移動控制系統(tǒng)也成為智能設(shè)備的主流之一。要讓機器像人一樣擁有“智慧”，就必須賦予它像人一樣的“大腦”，即用分析處理數(shù)據(jù)的服務器，挖掘數(shù)據(jù)潛在的商業(yè)價值，為客戶做出最佳預計決策，達到運營商與客戶互利共贏的效果。那么如何向服務器傳輸信息呢？人體有眼睛，嘴巴，耳朵等感官系統(tǒng)，類比之下，智能儀器來也需要大量的傳感器。傳統(tǒng)的傳感器由于布線和通信裝置繁多，缺點也隨之暴露。而在大數(shù)據(jù)爆炸的年代，這種有線傳輸再也不能行得通，我們要用數(shù)據(jù)來反映最多的信息，就必須發(fā)展無線傳感器。

其次，隨著全球大數(shù)據(jù)信息的發(fā)展，世界各國實現(xiàn)互聯(lián)互通，懲治網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽、信息濫用等不法行為，維護網(wǎng)絡(luò)安全將會是國際社會的共同責任。我國寬帶網(wǎng)絡(luò)也要加強建設(shè)，預計2020年，中國的寬帶網(wǎng)將基本覆蓋所有的行政村。由于我們生活在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時代，自己的隱私容易泄露，還有一些不法分子發(fā)布虛假信息欺騙消費者等問題，所以我國要加強完善立法，推進大數(shù)據(jù)開放、共享以及安全方面的相關(guān)立法與標準制定，讓網(wǎng)絡(luò)在法治的軌道上健康的運行。

圖3　2008-2011年全球數(shù)據(jù)量變化情況（單位：ZB）

不斷創(chuàng)新——暢想未來

回顧前三次工業(yè)革命，實際上是應用機械、電氣和信息技術(shù)等越來越先進的生產(chǎn)工具將人力從繁重的生產(chǎn)活動中解放出來，從而提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本的過程。而目前進行的第四次工業(yè)革命，其本質(zhì)是互聯(lián)網(wǎng)深度參與生產(chǎn)活動，將制造業(yè)對勞動力的依賴和生產(chǎn)成本優(yōu)化到一個新高度。在機器大生產(chǎn)的蒸汽時代，英國迅速崛起成為當時的日不落帝國，實現(xiàn)了人的雙手的解放。在如今的二十一世紀，則要通過全民創(chuàng)新解放人的大腦。我國政府在經(jīng)濟發(fā)展新形勢下提出了“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的重要指導思想，發(fā)展“新經(jīng)濟”促進中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。不僅僅指“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、電子商務等新興產(chǎn)業(yè)和業(yè)態(tài)，也包括工業(yè)制造當中的智能制造、大規(guī)模的定制化生產(chǎn)等等。中國要推動涉及到重化工企業(yè)去產(chǎn)能，就需要把富余的員工轉(zhuǎn)崗，而新動能發(fā)展起來就可以提供更多的就業(yè)崗位。“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”將億萬群眾的創(chuàng)造力、積極性調(diào)動起來，形成一股強大的勢力促進經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型。億萬民眾的參與，不但可以實現(xiàn)人的全面發(fā)展，更可以促進國家的繁榮進步。一個很典型的例子，現(xiàn)在越來越多的人做了微商，借助網(wǎng)絡(luò)的平臺分享自己的經(jīng)驗、產(chǎn)品，相隔萬里的人也可以交流交易，“遠親不如近鄰”的時代一去不復返了。我們正處于第四次工業(yè)革命的初期，大數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，互聯(lián)網(wǎng)作為支撐，虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合使我們的生活更加便利。在這一波全球性的產(chǎn)業(yè)革命中，中國切實抓住機遇，將大力實施網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略，國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，推進“數(shù)字中國”建設(shè)，發(fā)展積極向上的網(wǎng)絡(luò)文化。根據(jù)產(chǎn)業(yè)趨勢，集成電路及專用設(shè)備、信息通信設(shè)備、操作系統(tǒng)與工業(yè)軟件、智能制造核心信息、新一代網(wǎng)絡(luò)、高性能計算機與服務器等17個細分領(lǐng)域，成為未來我國中長期產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點領(lǐng)域。

2007年，史蒂夫?喬布斯發(fā)布了第一代iPhone時，便劃時代地改變了手機，超越了當時所有的手機用戶體驗，創(chuàng)新性地將手機實體按鍵取消，擴大了手機顯示屏，開創(chuàng)了手機觸屏時代，將音樂、互聯(lián)網(wǎng)、電話等功能集成在一部手機上，讓手機變得智能。如今，更多的智能設(shè)備誕生并方便我們的生活，例如智能電視，它既可以聯(lián)網(wǎng)看視頻，還可以當作KTV點播歌曲，取代了傳統(tǒng)VCD播放器；再比如智能馬桶，除了馬桶蓋隨時溫熱，還具有自動清潔、自動感應沖水等許多功能；還有智能手表，可以同步手機中的電話、短信、郵件、照片、音樂等?？傊?，我們可以感覺到所有的東西都在向互聯(lián)互通發(fā)展：電視不僅僅是電視，而是一個大型的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，手機不僅僅是手機，而是一個可移動的互聯(lián)網(wǎng)……在正在發(fā)生的未來中，信息技術(shù)以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)和大數(shù)據(jù)等新興熱點技術(shù)為核心和代表，以信息技術(shù)應用為主線的我們所生活的智慧城市，是城市信息化的高級階段。信息化與城市化高度融合，彰顯著以人為本的可持續(xù)創(chuàng)新。

參考資料

［1］ 華商網(wǎng)，“國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略”，http：// news.hsw.cn/system/2015/1112/325266_4.shtml

［2］ Jay Lee【美】李杰著. 邱伯華譯. 工業(yè)大數(shù)據(jù)工業(yè)4.0時代的工業(yè)轉(zhuǎn)型與價值創(chuàng)造［M］. 北京：機械工業(yè)出版社， 2015.

［3］ 夏妍娜. 趙勝. 工業(yè)4.0正在發(fā)生的未來［M］. 北京：機械工業(yè)出版社， 2015.

［4］ 新華財經(jīng)網(wǎng)，“大數(shù)據(jù)有多大”，http：//news.xinhuanet.com/fortune/2015-04/30/ c_127753550.htm

在計算機信息技術(shù)科學中，字節(jié)（Byte，簡寫為B）是最小的數(shù)據(jù)存儲單位，每8個二進制位（0或1）為1個字節(jié)，不同數(shù)量級之間的換算關(guān)系如下：

1KB=1024B

1MB=1024KB

1GB=1024MB

1TB=1024GB

1PB=1024TB

1EB=1024PB

1ZB=1024EB