经济导刊
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“5G+工业互联网”建设的技术经济模式

史炜 马聪卉 来源: 2020.09.14 14:27:12

 

40年,在改革开放和科技进步推动下,我国现代工业体系的建设取得显著成就,已经形成了全球规模最大、产业类别最为完整的工业体系。

近年来,我国信息产业发展势头迅猛,对社会经济的渗透率不断提高,信息服务业和信息制造业在各产业中的应用呈现多元化,正在成为优化和提升第三产业发展质量的新支撑点。生产型服务业的规模不断扩大,对新技术的需求日益提高,如大数据、物联网、移动互联网、识别技术、软件开发、设备链接、人工智能等,呈现多元化的应用场景。

在我国现代工业体系的发展中,ICT信息与通信技术[1] 的应用程度也呈明显上升趋势,特别是在机械、钢铁、石油、航空、港口、能源、交通、电力等领域,ICT与企业现代化的融合不断加深。ICT的发展,从传统的公共消费平台向制造业技术升级、智能化生产加快转变。工业物联网和工业互联网的建设,已经成为我国企业创新发展的重要基础。

但是,相对于欧美日的现代工业体系,我国仍存在较大的差距,特别是在信息化与工业化融合发展的进程中,在技术创新、产业扶持、体制优化、市场培育中,还有许多需要探讨和解决的问题。

 

5G+工业互联网”是我国工业振兴之本

 

    5G之所以成为中美科技竞争的战略焦点,是因为与以往的通信技术相比,5G技术就像是“众多的方言都统一成为标准的普通话”,标准的统一实现的大连接、大带宽、高速率,使其应用前景更加广泛。更重要的是,5G的技术特性包括低时延、边缘计算、切片技术等,使移动通信技术第一次深入地与工业生产、工业流程、工业的智能化融合为一体;使现代工业中的人工智能与5G协同后,得以实现单一设备智能向整体设备协同运营的转变,乃至实现整体工业的智能升级。

5G的崛起,意味着中国正在由一个规模庞大、但科技竞争力较低的制造业大国向现代化工业国家挺进。这是现代工业智能化控制权的竞争,是大国综合实力的竞争,更是全球产业链重新组合的话语权之争。其中,“5G+工业互联网”的产业化推进,是5G战略实施的核心内容。

上世纪80年代托夫勒的《第三次浪潮》出版,当时美国工业各领域的仪表化水平和工业设备中IT技术的集成水平,已经初步具备了与互联网技术对接的条件。欧美国家的互联网在应用初期,就顺其自然地与相匹配的工业体系融为一体。而当1990年美国提出信息高速公路时,我国传统的工业体系,特别是相对老旧的设备和生产流程,几乎难以与信息技术实现有效对接。因此,我国的互联网应用长期停留在公共消费领域,难以形成工业互联网。国家提出的工业化和信息化融合,一直缺乏有效的载体。

我国5G正式商用后,特别是5G专网建设启动之后,三大电信运营商先后制定了基于“5G+工业互联网”的发展目标。中国移动发布了“5G+工业互联网“1+5”应用场景[2] “5G+工业互联网应用场景白皮书。中国电信在电信云网融合基础架构之上建设了工业互联网开放平台,重点解决工业互联网、工业物联网在工业智能网关、工业数据平台、工业数据应用中的障碍;并联合中国信息通信研究院发布《工业连接计划白皮书》,提出了工业连接的两类应用、四大场景、八项连接需求,并制定了具体的目标和实施步骤,帮助制造企业实现网络化、数字化、协同化和智能化转型。目前中国电信已与三一重工、中建钢构、美的集团、中国电建、中船工业、小米、通用电气、西门子医疗、海尔集团等百余家行业领军企业开展了5G合作实践。中国联通在数字车间、产业协同工业互联网平台、标识解析节点、工业大数据应用等方面已与国内多家企业实施战略合作,在企业数据互联、工控防护、云边协同、物联感知和智能制造领域,完成了一系列合作开发和应用;在“5G+工业互联网”的推进方案中,涵盖了连接、标识、安全、平台、数据、应用六大板块,并为企业级和行业级用户打造定制了平台解决方案。[3]

 

在制造业领域,我国新型制造业正呈加速发展的态势。诸如宝钢、徐工、三一重工、中车、中电、海尔、青特等一批大型企业,在自动生产线、智能化生产管理流程、机器人等人工智能的应用、企业内部信息网络建设等方面,已经开始探索将智能设备与智能网络协同发展的方式,5G专网、大数据系统正在与现代生产与管理体系相融合。特别是基于生产运营和生产流程中的物联系统优化,基于设备内部各个器件的监控、行为追踪、件组关联运行的优化和远程智能管理,已成为优化设备运营效果、优化生产流程、强化生产控制、降低设备运营成本、创造企业新增长点的关键。目前,我国已经具备和集聚了一批领军企业率先探讨“5G+工业互联网”协同发展的条件。国务院刚刚出台的《新时期促进集成电路和软件产业高质量发展的若干政策》,为“5G+工业互联网”创造了更坚实的技术支撑和创新动力。

通过对国内数十家企业的调研,我们认为5G应用场景和技术解决方案的显著特征是:第一,政府引导。政府专项资金扶持目前仍是中等规模企业建设“5G+工业互联网”重要的动力;而一些大型企业因设备等级高、竞争力强,自主投入的规模和动力更强,如三一重工、青特、海尔等。第二,企业与电信运营商密切合作,电信运营商参与企业数字化改造的积极性很高。第三,企业制定针对性强的解决方案。这些方案适应当前5G技术应用的初期阶段,一般把5G应用的重点放在解决关键设备、关键节点的数据提取、传输、控制和管理,重点解决高风险、高污染、高难度作业环节的智能化生产和可视化。对于全流程的网络互联和智能管理,企业仍在探索中。

制造企业通过与华为、中兴通讯等设备制造商的合作,在软件集成、成本集约、系统融合、机器连接、数据采集网关研发、互联网工业标识等诸多方面,已取得良好的进展。政府的试点项目也普遍取得良好的效果。比如,江苏徐工在焊接机器人环节,通过5G应用,基本实现了对动态数据的实时采集、监控,解决了高精度焊接的稳定性、精准性和协同问题。北京华芳智汇科技有限公司与电信运营商联合开发的“皮带输送巡检机器人”,充分利用物联网的远程监控,解决了远距离原料输送的物流安全、精准和可视化管理。三一重工实施的“5G在工业互联网数据采集网关的应用”,以及车联网的建设,已为企业带来全新的流程化管理模式。湘潭钢厂与中国移动合作,对高危生产环节的远程控制和可视化管理,有效地将5G的低时延技术优势与机器人使用结合为一体,实现了钢厂特种环境下的“高效安全运营模式”。河南平顶山高新区与中国电信共同开发的“开发区企业大数据系统”,初步实现了对开发区物流、生产、管控的协同管理,领导“驾驶舱”[4] 的决策实现了动态化和即时化。广东华控科技公司在完成节电设备保护装置研发后,与广州联通合作探讨基于5G+的电力节能系统的优化方案。实践说明,5G技术赋能新型制造业,对我国传统工业和生产型服务业的改造升级,确实是具有决定意义的支持和推动力量。“5G+工业互联网”在改变企业传统运营模式的同时,也在改变企业的思维方式。

试点企业的实践经验表明,5G技术除了具有大带宽、大连接、高速率优点,5G之所以必须“+”工业互联网和工业物联网,是因为5G技术的最大突破是低时延、切片技术与边缘计算。而这三项突破性技术最重要的应用场景,只有在现代智能化工业中才能体现并发挥最大价值。当然,5G技术在远程医疗、远程资源能源勘探开采、航运、铁路、金融等生产型服务业中的应用也非常重要。但是,如果单纯地用于民用消费和一般公共服务,就可能是对5G资源的极大浪费。

 

工业物联网到工业互联网是一个梯级演进过程

 

工业互联网是一个全流程的数字化生产体系,需要企业的设备具有相对统一的标准和相互匹配的技术等级。而我国目前的制造业企业,普遍存在设备等级差别大、标准不齐、各环节技术水平混杂、机器生产与人工操作交错的情况。因此,目前建设的5G+工业互联网应用,主要还是体现在原材料配送、生产管理和设备的外部管控领域,已经实施的物联主要是基于产品、设备外部性能的物联。严格划分,尚处于工业物联网阶段。这种状态是与我国目前的工业化水平相关的。

 工业互联网的核心是工业生产过程中,集成于设备的硬件(各关键部件或元器件、电路、构建、原辅料等)及软件的可数据化信息,以即时、连续和交叉互动的方式,通过传感器等识别系统提取出来,再加上生产流程中的动态信息,通过数据采集、识别、分析、控制,再回到企业的生产管理工程中,利用大数据分析工具进行存储、分析、加工、优化和可视化,供决策者实时使用,甚至直接实现智能决策。此外,工业互联网必须与企业优化的管理工程相对应,才能实现最佳的经济效益,即5G+工业互联网”+优化的管理工程。

显然,这个目标对绝大多数企业而言难度很大。三一重工一位技术人员对目前工业物联网面对的问题归纳如下:

1.数据安全。现在大数据中心为企业提供的主要是数据仓库,很少能为企业提供安全可靠的数据加密系统;涉及边缘计算、数据加密等,其费用企业无法接受。由此,大公司虽然数字化程度很高,但不愿意真正公开自己的数据,即便把数据放到云上,也不会把自己真正的物联网数据公开给第三方访问。

2.小企业的数据愿意公开,但是数字化程度低、种类少。面对数据中心服务的高成本(组网费、电费、调试安装费、模块加装机台费等),又看不到明确受益,企业难以承受高成本服务。

3.建网后只能采集到设备的数据,但只是单纯的机台数据,与应用没有关系。数据化与管理应用的指标,企业难以设置;技术提供商和网络提供商对什么样的数据适合特定行业的企业又不了解。以往企业已经开发应用的ERP系统,以及定制化开发的DCS(集散式控制系统)、MES(企业生产执行管理系统)等,如何与“5G+工业互联网”的大数据平台对接,以及相应的成本问题,还没有引起设备提供商和电信运营商的重视。因此,许多企业只能被动地等政府的专项资金到位后才开始建设。

4.业务关系的逻辑复杂。例如OTIT、大数据、业务流程等采集上来的数据,要和班次、机台、订单、物流、生产、质检、仓库等关联起来,仅这一条流程线就有很多需要转为可视化数据。但这些数据由于数据结构不同、逻辑关系复杂,动态数据与静态数据交织一体,可视化数据采集与同步计算处理并存,对软件和硬件的技术要求非常高,目前国内大部分系统提供商和软件开发公司做不到。在数据动态连接上,若应用于人员管理和协调,人与机台之间的毫秒级的交互难度更大。

5.物联网的协议问题。物联网最大的技术难度在于数据的采集。我国目前进口的国外生产设备,大部份设备内部元器件、电路、IT交互等的协议是不开放的,要采集设备内部的数据难度很高,粗略统计,加起来至少有几十万种协议,而且每种协议都不一样。

 

5G+工业互联网”需要技术经济思维

 

在经济学家的视野里,5G仅仅是一项技术,而不是产业;在技术专家的视野里,5G是一个完整的技术链条,是一个融合性的产业。不同的视野思维不同。在一些技术专家的理解中,5G更像是一个宏大的基础设施建设工程。在统计中常以5G基站和网络建设对GDP的贡献率来评价5G的价值。我国很多著名的工业经济专家对工业现代化问题,主要关注的是设备和生产过程的智能化,对“5G+工业互联网”的计算能力、连接能力和融合能力的知识不足,这导致诸多决策建议的误区。而我国一批优秀的信息技术专家,缺乏对技术转化为商品、新技术成果与未来商业模式对接的理解,更缺乏技术产品到技术链的认知,因此导致唯技术论,这同样也会使决策出现误区。

实践证明,“5G+工业互联网”是智能工业最重要的组成部分,在5G时代,经济模式的转换和升级,需要技术演进的支撑,单纯的生产关系调整已很难支撑现代工业的提质升级。同样,任何的技术,都是由技术产品-技术产业链-技术价值链组成的,这与经济学家认知中的产品-产业链-价值链是一个并存且互相作用的体系。数字经济,以至“5G+工业互联网”,正是技术产业链与经济产业链融合发展的体现。

所以必须强调:“5G+工业互联网”是一个技术经济发展问题。相对于经济学“资源优化配置”的理念,技术经济学的视角是在传统工业生产要素(物理性或化学性的生产流程和设备行为)实现可数字化后,对生产型数字要素资源的优化配置。研判数据资源的采集、分析、控制、优化,以及反馈于生产行为的过程,是数字技术的演进行为对产品和生产流程的改变。5G与工业互联网的真正融合可谓“技术经济学”的典型应用,是一种全新的技术和经济相结合的方式。

从技术经济学的角度来看,“5G+工业互联网”是要在技术优化、数据资源优化的基础上,实现经济要素的重新配置和优化。当前工业企业数字化,指的是工厂内的设备、工艺流程等转化为数据,通过5G、人工智能等新技术将数据资源进行提炼并进行再配置。目前,在我国工业领域至少有20%-30%的企业具备了数字化转型升级的能力,保守估计,有10%的制造业企业具备工业数字化的能力。[5]

从技术经济的角度出发,现在需要解决的问题是:

第一,各地方建设“5G+工业互联网”,首先要对一个行业中企业的设备类型、等级、IT集成水平、仪器仪表等级、数据可提取环境、设备固有的传感和识别能力等进行评估。应选择条件优者作为试点企业。

第二,根据行业特点,从生产流程的协同性出发,可优先在精密机械、工程机械、汽车、生物医药、能源管理和配置、钢铁、电力、运输、大型设备制造等企业中,选择试点企业。

第三,试点企业的选择,应选择企业领导对“5G+工业互联网”认知度高、积极性高、有专门研发团队和技术带头人的企业。

第四,“5G+工业互联网”要在制造企业的技术与生产环节打通“数字鸿沟”,这也是以技术经济思维推进5G技术赋能的关键。

 

重视“5G+工业互联网”所面临的体制障碍

 

5G+工业互联网”建设作为国家战略,必须建立在开拓思想、打破体制障碍、政策协同推进、技术研发统筹规划的基础上。

目前,各地方高度重视“5G+工业互联网”的建设,但仍存在一些亟待解决的问题:

第一,政府规划缺失。目前各省市均设有“5G+工业互联网”的引导基金和专项基金,但其使用安排缺乏科学系统的规划,多采取“分蛋糕”方式,导致一些试点企业形成新的“等、靠、要”,坐等资金扶持;而一些缺乏基础的企业在某些中介机构的支持下向上“要”专项资金,地方政府又缺乏专业评估机构。这导致国家扶持资金被无效切割和流失,其结果往往只是建设了一批物理网和数据仓库,没有实用价值;而那些有能力、有条件的企业反而得不到资金扶持。这就严重干扰“5G+工业互联网”的有效推进。

第二,条块切割,协同推进差。“5G+工业互联网”是一个多技术领域、多环节、跨行业的系统工程。目前从国家部委到地方职能机构,在“5G+工业互联网”的建设中,仍存在多头管理、多头决策的问题:相关技术规划及软件、芯片的技术研发,和工业设计、传感器、设备改造,分由不同主管部门负责。如果各部分不能协同一致,在企业实施中必然导致新的“数字鸿沟”、“政策鸿沟”,就很难实现“统一规划、技术研发协同、产业推进同步、融合发展落地”。

第三,技术创新体制陈旧。长期以来,我国的技术成果转化率一直落后于欧美发达国家,其根本原因是政府扶持的应用技术研发项目,多倾向追求技术的先进性而忽视市场实现和产业化;“技术领先、国内外领先”仍是考评技术成果的第一标准。在“5G+工业互联网”的技术创新中,迫切需要一批能够快速应用于生产的高端软件、传感器、工业识别技术,需要国家给予支持,而这些技术研发本身也应是技术商品设计的过程。

我国目前在工业物联网中比较成功的案例,大部分来自企业对设备外部物联的需求,以及企业对生产者可视化管理的需求;在网络建设上主要是基于设备外接仪器仪表数据和设备外部可感知的动态数据的采集与分析。电信运营商对这类企业物联网的服务,主要搭建的是高密度的5G专网覆盖,而非按数据采集密度和数据流量密度分结构优化布网,故形成5G专网的资源浪费。因此,目前国家级的研究机构,需要尽快调整技术创新体制,在强化高端、基础性研究的同时,在应用研究中,要以“技术商品”的演进作为技术持续研究的重点,打破以单纯技术演进为导向的方式。 

 

如何推动“5G+工业互联网”创新融合发展

 

第一,建议国家建立“5G+工业互联网”统一协调机构,统一规划,政策协同一致。强化专项资金使用的管理,资金投放应与项目规划的科学评估统一进行。注重引导社会资本和各类产业基金参与“5G+工业互联网”的建设,对社会资本投资工业互联网可给予“风险保障资金”支持,并制定相应的政策和管控条例。

第二,强化技术创新与经济效益协同,大力倡导技术经济的思维方式。5G赋能新型制造业是一个全新的工业系统工程、全新的技术经济链条,国家规划要加强技术的整体性、联系性和配套性,要同步强化技术链条中的识别技术、传感器、可视化技术、设备链接技术、仪器仪表等可集成化的数据采集技术等的同步研发创新。国家的相关政策和资金的支持要协同制定,避免出现重叠和空白,提高政策实施的效果。

第三,“5G+工业互联网”的试点与建设要因地制宜,对不同类型、规模和等级的企业,要采取不同的方式。以5G与企业人工智能的对接和融合作为突破点,运营商5G专网的推进要充分考虑企业的具体应用场景,不能简单强调覆盖率。信息设备制造商要加强设备的售后维护服务,切实将设备上所具有的系统服务功能(如网络安全、数据处理、智能识别等),作为企业“5G+工业互联网”的考评与验收内容。对不具备条件的企业,地方政府不应“凑数”,不搞“形象工程”。要通过科学引导,让企业走出“5G+工业互联网”的雾里看花的窘境。各省市应选择真正有能力的企业作为重点示范;在关键环节率先突破,以重点引导,提高企业的认知和主动性。现阶段,企业工业物联网、工业互联网的建设必须照顾经济收益,处理好短期投入产出效果与中长期效益的关系。要鼓励有条件的大企业自主研发、自主推进,不简单依赖国家专项资金的支持。近期仍需要以“低成本建设拉动企业收入新增长点”为原则。

第四,加大对工业互联网硬件和软件人才的培养,特别是对优秀人才在个人所得税、职称评定等方面予以优惠。对有重大贡献的集成电路和软件人才,国家可以考虑设立优秀人才奖励基金。提高自主研发要重视鼓励和支持民营软件开发公司的创新和成果应用,改变目前一些从事工业互联网软件研发的高级工程师的“技术民工”状况。

第五,明确工业互联网应用过程中的知识产权。我国很多优秀的制造企业使用的设备大多是进口的,为避免知识产权纠纷,在建设工业互联网时应对工业设备进行一次普查,明确工业设备的自主可控性,通过有效谈判和知识产权的授权使用,合理合法利用数据资源。

第六,建议有关部门组织专门力量,选择重点企业,对企业高层领导进行系统化的知识培训,提升企业领导对“5G+工业互联网”的认知水平。

                              (编辑  高梁)



* 史炜、马聪卉,国家发改委经济体制与管理研究所研究员。

[1] ICT是指信息与通信技术(information and communications technology),这是一个涵盖性术语,覆盖了所有通信设备或应用软件以及与之相关的各种服务和应用软件。在我国工业化与信息化融合中,ICT也被理解为IT技术、计算技术和通信技术的融合所形成的对其他产业的服务体系。

[2] “1”即5G行业专网,作为各个领域的网络连接基础;“5”即5G+工厂、矿山、钢铁、电力、港口重点细分行业的5G应用场景。

[3] 参考资料:中国电信、中国移动、中国联通新闻发布会“通稿”

[4] 领导驾驶舱:是对互联网在决策系统应用场景形态的一种形象比喻。政府和企业的决策者,可以可视化的大数据平台,城市企业各个环节的动态状况进行即时了解分析和决策控制。可视化的大数据平台以5G作为传输手段,以边缘计算作为技术支撑,对数据化的经济要素进行统计、计算、分析、优化、决策、反馈,并给予三维图像的展示

[5] 参见:史炜《关于“5G+工业互联网”建设的思考与建议》,国家发改委经济体制与管理研究所调研报告。

 

 

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