邱君降，李 君，成 雨，柳 楊，文 莎

（國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100040）

0 引言

當前，互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展與新一輪工業(yè)革命形成歷史性交匯，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)日益成為新工業(yè)革命的關鍵支撐和深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”的重要基石。2017年11月，國務院發(fā)布關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見，提出構建網(wǎng)絡、平臺、安全三大功能體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化需求，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展的關鍵，可推動制造體系從封閉走向開放，正在加速構建制造業(yè)新生態(tài)[1,2]。

工業(yè)設備上云是指通過加快設備數(shù)字化、網(wǎng)絡化改造升級，將其接入各類工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，基于平臺開展設備數(shù)據(jù)的全面采集、匯聚、分析，實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)測、預測預警、性能優(yōu)化和能力交易。通過推動設備上云，可降低能耗、提升設備能效和安全水平、促進制造能力在線交易和服務模式創(chuàng)新，可有效帶動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺規(guī)?；瘧肹3]。

當前，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展總體處于起步階段，設備上云率偏低是制約工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展的重要瓶頸之一。因此，加快推動有基礎、有條件、有需求、有優(yōu)化潛力的工業(yè)設備上云，并通過這些設備的示范性應用，加快平臺技術進步、商業(yè)模式創(chuàng)新和規(guī)?；瘧茫瑢涌彀l(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺具有重要意義[4]。

1 工業(yè)設備上云現(xiàn)狀

縱觀現(xiàn)今各類工業(yè)設備，有基礎、有條件、有需求、有上云潛力的工業(yè)設備主要有：以煉鐵高爐、工業(yè)鍋爐為代表的高能耗設備，以發(fā)動機、大中型電機、大型空壓機為代表的通用動力設備，以風電、光伏設備為代表的新能源設備和以工程機械、遠洋船舶、數(shù)控機床為代表的高價值智能設備。

1.1 高耗能設備上云現(xiàn)狀

煉鐵高爐、工業(yè)鍋爐等高耗能工業(yè)設備廣泛應用于我國工業(yè)生產(chǎn)。其中，高爐是煉鐵的主反應器，具有巨型、密閉、高溫、高壓、24小時連續(xù)生產(chǎn)的“黑箱”特性，而且其內部存在著氣、固、液、粉的多相流復雜的物理化學反應。受制于行業(yè)整體智能化水平不高、相關云平臺尚未全面普及，以及不同煉鐵廠設備、原燃料條件差異大等現(xiàn)狀，當前高爐煉鐵普遍存在“唯經(jīng)驗論”操作，各煉鐵廠技術經(jīng)濟指標參差不齊、安全事故屢有發(fā)生[5]。據(jù)測算，2017年，我國煉鐵高爐近1000座、年消耗標準煤約3.4億噸，煉鐵高爐總體上云率約20%。煉鐵高度亟需接入各類云平臺，對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控、故障診斷、遠程維護，以提升安全水平，實現(xiàn)降本增效、節(jié)能減排。

工業(yè)鍋爐作為重要的熱能動力設備，廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、市政供熱或者發(fā)電。我國是生產(chǎn)和使用工業(yè)鍋爐最多的國家，存在地理分布廣、管理分散、工藝設計改進缺乏協(xié)同、日常運營質量良莠不齊、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新乏力等問題[6]。據(jù)測算，2017年，我國在役燃煤鍋爐47萬余臺、年消耗標準煤近4億噸，工業(yè)鍋爐上云還處于起步階段，總體上云數(shù)量估計不超過2000臺。亟需通過推動工業(yè)鍋爐上云，將不同地點的工業(yè)鍋爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實時共享，實現(xiàn)遠程診斷與維護，提高設備運行效率，提升安全水平，降低能耗，并基于大數(shù)據(jù)積累提升產(chǎn)業(yè)整體創(chuàng)新水平。

1.2 通用動力設備上云現(xiàn)狀

內燃柴油發(fā)動機、大中型電機、大型空壓機等通用動力設備為多種設備和產(chǎn)品提供動力源，是企業(yè)關鍵基礎設施。通用動力設備的高效、安全、穩(wěn)定運行對于所服務行業(yè)的安全、高效運轉起著關鍵作用[7]。我國通用動力設備存量大，普遍存在停機時間長、維護成本高、安全風險高等問題。以空壓機為例，據(jù)測算，2017年我國大中型空壓機存量大于30萬臺，平均設備負載率不足60%。將這些通用動力設備連接到云端，進行在線監(jiān)測、預測性維保，可有效提升設備安全可靠與穩(wěn)定高效運行水平。

當前，我國通用動力設備總體上云率偏低，總體上云率不足5%。盡管總體上云率較低，但面向通用動力設備的云服務平臺處于加速探索階段，上海電機系統(tǒng)工程技術研究中心加快“電機及系統(tǒng)節(jié)能技術公共云服務平臺”研究與建設，東方國信空壓機云服務平臺已初具規(guī)模[8,9]。

1.3 新能源設備上云現(xiàn)狀

發(fā)展新能源是促進我國能源結構綠色化轉型的核心，隨著我國電力體制改革、能源轉型，風電、光伏等新能源發(fā)電設備以及其互聯(lián)形成能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展[9]。2017年我國風電、光伏領域的發(fā)電量占新能源總發(fā)電量的比例分別達到18.0%、7.0%。將風電設備連接到云端，一方面可提升風電設備的生產(chǎn)和使用效率、風場實際投資收益，實現(xiàn)以清潔能源為核心的智能微網(wǎng)和能源自給，使得清潔能源可以進行跨區(qū)域能源消費和能源生產(chǎn)分配；另一方面可有效降低風電波動性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行影響，降低電力需求增長放緩背景下的可再生能源限發(fā)[8]。

總體來看，我國風電、光伏設備數(shù)字化、網(wǎng)絡化水平高，具備良好上云基礎。2017年底，風電、光伏設備裝機量分別為1.64億千瓦、1.3億千瓦，上云率分別約達60%、30%。國內現(xiàn)有新能源設備云平臺主要包括金風科技“線上的智慧運營系統(tǒng)”、上海電氣“風云系統(tǒng)”、遠景能源“格林威治云平臺”與“阿波羅光伏云平臺”、國家電網(wǎng)“光伏云平臺”、阿里巴巴“智慧光伏云”等。

1.4 智能設備上云現(xiàn)狀

工程機械、遠洋船舶、數(shù)控機床等智能化水平較高的設備上下游覆蓋行業(yè)眾多，是國民經(jīng)濟運行的重要支撐。近年來，我國智能裝備保有量不斷增長，2017年工程機械、大型遠洋船舶、數(shù)控機床的保有量分別達300萬臺、3000艘、1400萬臺。但普遍存在復雜程度高、運行工況復雜、設備利用率低、管理維護粗放等問題[11～13]。數(shù)控機床總體利用率不足40%，工程機械與遠洋船舶設備受宏觀經(jīng)濟波動影響較大，產(chǎn)能不平衡問題同樣不容樂觀，亟需加快設備上云用云，構建社會化制造資源池，基于平臺開展設備健康性監(jiān)測、設備運營優(yōu)化、設備安全操作等服務，促進產(chǎn)能優(yōu)化調度與在線交易，培育協(xié)同制造、供應鏈金融、設備租賃等新模式。

總體看來，工程機械、遠洋船舶、數(shù)控機床等智能設備均具有良好的上云基礎，龍頭設備制造商，如徐工、三一、中聯(lián)重科，紛紛加快推動其產(chǎn)品上云用云，行業(yè)總體上云率可達15%～20%。

以上四類設備上云現(xiàn)狀總結如表1所示。

2 工業(yè)設備上云存在的問題及分析

當前，企業(yè)通過推動設備上云拓展市場、提升能力、加速轉型、重塑競爭力的需求雖然迫切，但由于多方面原因，我國工業(yè)設備總體上云率仍偏低，推動工業(yè)設備上云仍面臨不少問題。

2.1 高能耗設備上云問題分析

煉鐵高爐結構復雜，實現(xiàn)精準感知、邊緣智能難度大。此外由于企業(yè)在數(shù)據(jù)安全和保密方面的顧慮，加之設備個性化特征（爐齡、自動化程度等）明顯，機理模型構建難度大，目前高爐云平臺主要還是企業(yè)內部私有云，難以上升到公有云。且對鋼鐵企業(yè)而言，一方面對降低信息化建設成本重視度不足，另一方面擔心上云打破內部利益格局。以上諸多問題成為了限制高爐云平臺建設發(fā)展的瓶頸。

我國中小型鍋爐眾多，目前存量約60萬臺，小型鍋爐實際運行效率在50%以下，由于蒸汽、導熱爐、熱風集中處理的困難，短期內無法大規(guī)模集中；且小型鍋爐進行智能升級的基礎差，可實現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù)的設備少，出于成本等因素，企業(yè)主動加裝設備數(shù)據(jù)采集裝置的難度大；此外鍋爐行業(yè)也缺少產(chǎn)業(yè)鏈、全流程的標準體系。以上諸多因素，均造成了工業(yè)鍋爐云平臺推廣的障礙。

表1 我國工業(yè)設備上云現(xiàn)狀（2017年）

2.2 通用動力設備上云問題分析

發(fā)動機產(chǎn)品廣泛配套在其他產(chǎn)品中，作為中間產(chǎn)品要實現(xiàn)互聯(lián)，需要與主機廠合作，與主機廠的溝通以及主機廠的積極性很大程度上影響發(fā)動機云平臺的建設與運營。但發(fā)動機上云仍面臨，設備復雜度，服役工況復雜，相關機理模型構建難度大，高質量寬頻帶實時數(shù)據(jù)采集難，遠程監(jiān)測帶寬窄數(shù)據(jù)遠程傳輸難，用戶安全顧慮高，上云見效周期長等系列障礙。

電機通常涉及生產(chǎn)核心，出于對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全顧慮，企業(yè)上云動力不足；與電機在線運行狀態(tài)相關的數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大，非結構化數(shù)據(jù)實時采集難度大；系統(tǒng)復雜度高，面向故障診斷、能效優(yōu)化、運行控制的機理模型構建難度大。以上因素，限制了電機云平臺的建設和發(fā)展。

在通用動力設備中，空壓機上云條件相對較好，大型空壓機組具備云平臺接口。但由于空壓機品牌眾多，缺少統(tǒng)一標準，制約了云平臺的應用。此外，上云的價值回報需要一定周期，得到空壓機大數(shù)據(jù)后能給企業(yè)帶來何種價值也成了大多空壓機企業(yè)觀望不前的原因。

2.3 新能源設備上云問題分析

風電、光伏等新能源設備上云基礎相對較好，但進一步提升上云水平仍面臨困難。其中，設備標準化程度低是制約風電設備上云的主要瓶頸。目前，全國40余家風機制造企業(yè)中，現(xiàn)行風機型號400余種，風電設備上云面臨運行數(shù)據(jù)結構、采集、安全傳輸?shù)葮藴识x不清或無參考標準可循等困難。

而光伏設備上云則主要面臨如下問題：光伏設備數(shù)量大、分布分散、數(shù)字化程度低、產(chǎn)品質量良莠不齊、生產(chǎn)運維管理相對粗放；監(jiān)控設備成本過高，面板級數(shù)據(jù)采集還未實現(xiàn)，采集數(shù)據(jù)的廣度、深度都有待提升。

2.4 智能設備上云問題分析

工程機械上云主要面臨以下問題：工程機械設備復雜度高，造成上云成本高昂、改造周期長、難度大；數(shù)據(jù)處理難度高，利用率低，難以挖掘出真正價值；信息交換協(xié)議不統(tǒng)一，各系統(tǒng)缺少統(tǒng)一的接口；工控安全保護技術亟待突破，諸多核心安全問題將長期伴隨產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

遠洋船舶也類似存在零部件復雜度高的問題，數(shù)據(jù)類型多樣，對終端感知和數(shù)據(jù)采集的標準化程度要求較高。要實現(xiàn)船舶云連接需要解決能耗、安全性、維護成本等瓶頸問題，此外上云的方向、經(jīng)費的投入以及船企上云的積極性也是加快上云的難點。

數(shù)控機床上云則面臨以下問題：數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品眾多，開放性不足，以國外系統(tǒng)為主的數(shù)控系統(tǒng)高檔功能與內部數(shù)據(jù)接口有限制，上云難度大；數(shù)控系統(tǒng)缺少適合互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的通訊協(xié)議標準，沒有統(tǒng)一的上云數(shù)據(jù)接口標準；機床數(shù)據(jù)安全涉及安全生產(chǎn)、核心工藝與技術，設備上云的工控安全保護技術等都是數(shù)控機床上云的瓶頸。

總結以上四大類設備上云的問題，提取共性，各類設備上云面臨的為題可歸結為以下五點：

1）大量設備尤其是中小企業(yè)設備自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化水平較低，需要通過加裝傳感器、通信模塊、控制部件等實現(xiàn)設備聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)聯(lián)接，改造難度大、成本高。另外，由于平臺商業(yè)模式不清晰、設備上云價值回報預期不足等原因，也在客觀上造成設備聯(lián)網(wǎng)動力不足、設備聯(lián)網(wǎng)率不高的問題。根據(jù)兩化融合服務聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2017年，我國企業(yè)設備數(shù)字化率為44.8%、數(shù)字化設備聯(lián)網(wǎng)率為39.0%，總體聯(lián)網(wǎng)率偏低。

2）存量設備的生產(chǎn)廠家分布廣、出廠年份跨度大，不同型號和版本的數(shù)據(jù)采集點、數(shù)據(jù)采集方式、參數(shù)定義和邊界不同，數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，信息交換協(xié)議不統(tǒng)一。

表2 制約工業(yè)設備上云的瓶頸

3）存量設備的技術標準差異大、質量良莠不齊、數(shù)據(jù)管理精細化程度不一，基于標準化設備接口的邊緣端處理困難，設備的快速鏈接、實時采集、數(shù)據(jù)優(yōu)化、安全與隱私保護等均是難點。

4）多數(shù)工業(yè)設備內部運行機理較為復雜、系統(tǒng)變量多且相互耦合，難以形成有效的工業(yè)機理模型，無法在云端對設備進行全要素重建，并實現(xiàn)設備的狀態(tài)監(jiān)測、故障預警、預測性維護、運行優(yōu)化等服務。以高爐為例，據(jù)不完全統(tǒng)計其主要化學反應多達108種，且由于爐內環(huán)境高溫高壓、內部狀態(tài)無法直接監(jiān)測，生產(chǎn)過程具備高度復雜、難建模、難檢測、難控制等特點，業(yè)界尚無法構建完備的爐況模型。

5）煉鐵高爐、大中型電機、大型發(fā)動機等生產(chǎn)設備大多涉及到企業(yè)的業(yè)務核心，相關設備向云端遷移意味著設備的系統(tǒng)升級、工藝優(yōu)化、流程調度均需與云端互動完成，關鍵的技術工藝、能源消耗、安全生產(chǎn)、環(huán)保排放乃至財務信息均需在云端存儲，這對云平臺提出了較高的安全要求。目前，尚缺乏具備公信力的第三方云平臺、可控的信息共享機制、安全統(tǒng)一的通信傳輸標準，設備用戶安全顧慮高，抑制了企業(yè)設備上云的動力。

3 加快工業(yè)設備上云的基本路徑

加快推動工業(yè)設備上云，應搶當前抓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展的戰(zhàn)略機遇，充分發(fā)揮政府、行業(yè)、平臺企業(yè)等多方面力量，堅持多路徑并舉，圍繞節(jié)能降耗、精準運維、高效發(fā)電、效益提升等需求，優(yōu)先推動一批有基礎、有條件、有需求、有潛力的設備上云用云具體來說，有以下三條基本路徑：

1）加快設備改造升級，推動存量設備上云。政府應通過政策支持、資金補助、金融服務等多種方式，引導工業(yè)企業(yè)聯(lián)合設備提供商、系統(tǒng)集成商等對存量設備進行云化改造，重點針對工業(yè)鍋爐、大型空壓機等自動化程度較低、上云基礎較為薄弱的設備，通過加裝傳感器、通信模塊、控制器等部件，提升設備數(shù)字化水平；針對風電、光伏、工程機械、數(shù)控機床等已初步具備數(shù)字化條件的設備，統(tǒng)一通信標準和數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可采集、狀態(tài)可監(jiān)控、工序可優(yōu)化，夯實上云基礎。

2）加強解決方案創(chuàng)新，推動增量設備上云。應以科研水平好、產(chǎn)業(yè)能力強的本土設備提供商、服務商等為主導，聚合產(chǎn)學研用各方力量，聚焦安全可控、信息交互、標準接口等設備上云的共性問題，加快技術突破與產(chǎn)品創(chuàng)新，推動智能化成套設備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，著力突破嵌入式技術，為增量設備加裝工控軟件、添加數(shù)據(jù)采集點、統(tǒng)一內外部通信協(xié)議，提升設備的數(shù)字化程度與聯(lián)網(wǎng)能力，推動增量設備上云全覆蓋。

3）創(chuàng)新平臺運營機制，以有效應用牽引設備上云。應以制造業(yè)龍頭企業(yè)、ICT領軍企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)巨頭等平臺企業(yè)為主導，引導各類平臺通過完善運營機制、共享數(shù)據(jù)資源、構建開放生態(tài)，圍繞服務企業(yè)數(shù)字化轉型開發(fā)海量、易用、好用的個性化應用，讓用戶企業(yè)有更多獲得感。通過政府和市場共同發(fā)力，推動平臺在產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)、工業(yè)園區(qū)、重點行業(yè)實現(xiàn)規(guī)模化應用，通過形成示范效應，引導更廣范圍內的各類設備上云。

4 結束語

推動跨地域、多類型工業(yè)設備上云是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺流量的關鍵入口，既為工業(yè)知識體系和機理模型構建提供數(shù)據(jù)基礎，也為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供了豐富應用場景。通過推動設備上云用云，可以有效改善能耗水平、提升設備可靠性、提高設備運行效率，促進制造能力在線交易和后市場服務模式創(chuàng)新等。

本文介紹了現(xiàn)今有基礎、有條件、有需求、有上云潛力的十大重點工業(yè)設備，即煉鐵高爐、工業(yè)鍋爐、內燃柴油發(fā)動機、大中型電機、大型空壓機、風電、光伏、工程機械、遠洋船舶、數(shù)控機床上云的現(xiàn)狀，分析其進一步推進上云存在的問題，并提出加快上云的基本路徑。為工業(yè)企業(yè)推進設備上云提供了參考和指引。