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數字工業的曙光——MindSphere 助力實現新的數字化轉型
2020-07-29    來源:內容由西門子提供    發布者:


一、工業物聯網的發展背景

物聯網(IoT)是工業環境中的一個重要話題,許多制造商正逐步嘗試確定這種 技術潮流所能帶來的價值。多年來,這個話題已從引人關注變成了勢在必行。之所以會出現這種重要的意義變化,其原因在于全球經濟再次聚焦于制造業,導致工業 4.0 平臺、工業互聯網聯盟(IIC)和中國制造 2025 等國家性政策項目先后出臺。然而,工業物聯網(IIoT)仍處在不斷發展的概念階段,同時制造商也要應對許多模棱兩可的情況,包括信息通信技術(ICT)和運營技術(OT)環境逐漸融合、開放和異構平臺日趨重要以及商業模式不斷發展。

1、融合 ICT-OT 環境

傳統上,ICT和OT被視為制造業中的兩個獨立環境。隨著數字化逐漸滲透到工業領域,這兩個環境之間的界限變得模糊。制造商必須意識到這兩個環境有著截然不同的特點,且各自對數字平臺的貢獻也千差萬別。例如,在傳統ICT背景下,數字平臺供應商在識別工業領域的細節方面往往有所欠缺。他們或許無法從OT角度出發來了解工業領域。更糟糕的是,這些ICT供應商可能被視為制造業的局外人。

另一方面,傳統的OT公司(至少是實力雄厚的公司)已經有了強大的工業基礎,并且將要憑借自身的數字能力發掘新的角色和機會。因此,這些OT公司 正成為數字平臺市場上ICT巨頭的有力競爭者。這兩個環境的融合為制造企業帶來了新的機遇,使其能夠優化效率、成本和生產效率。下面說明了融合ICT- OT環境可能帶來的一些好處。

1.1 ICT-OT 融合帶來的好處



 
ICT和OT環境之間的這種融合不僅僅是構成要素和技術的融合,而且也是由于使用完全不同的技術、供應商和系統進行獨立工作,因而出現的不同思維方式的融合。

2、數字平臺的開放性和異構性日趨重要

為便于順利部署數字平臺,制造商應該拓展平臺能力,進而處理大量不斷發展的異構工業資產和設備。造成制造業異構性如此之高的主要原因包括不斷擴大的產品組合,即產品變體和類別以及若干產品升級和版本。深入而廣泛的制造業橫跨油氣、汽車、航空航天和工業機械等多個垂直行業,這也進一步加劇了數字化采用的復雜性。此外,還需在牢記這一新興領域的成本、全球化、復雜性和競爭情況的同時,不斷開展創新、擴大規模并加快這一進程。

因此,數字平臺必須證明是端到端的物聯網生態系統,且該生態系統采用可重用的基礎設施和開放的行業標準設計而成。這對于促進跨不同部門和業務層面更順暢地傳遞信息必不可少,可有效避免應用程序和數據陷于孤島之中。在封閉的生態系統中,信息共享不足且協作效率低下,導致數字化的價值大打折扣。

另一方面,開放式平臺生態系統由一群相互依賴的利益相關者組成,包括企業、設備、競爭對手、技術推動者、開發人員、監管者以及其他為了相互的利益而共享數字平臺的對象。開放式平臺生態系統的一些主要優點包括實現協議和監管框架標準化、安全可靠、具有互操作性以及免費提供開放數據。這種開放式生態系統也是創新的推動因素。它們將最終用戶的需求發送給技術提供者和開發人員,并在此過程中為他們提供開發創新產品或服務的正確方向。

我們只是剛剛開始觸及數字化所能帶來的數不盡的優勢,然而,明確而強大的數字化戰略顯然將對幫助制造商實現這些潛在優勢大有裨益,包括更新的商業模式概念。

3、商業模式不斷發展

按照慣例,制造業只專注于銷售硬件,而企業的盈利能力與產品質量直接掛鉤。但隨著消費者偏好的變化,這種以硬件為中心的方法開始為軟件和可通過服務獲得的價值讓路。幾十年前,Rolls-Royce以按使用付費的方式提供發動機,徹底改變了制造業的傳統商業模式。隨著其他制造商開始重新構思業務策略并采取類似的方法,新的產品即服務模式應運而生。

如今,隨著技術的進步,這些模式變得更為錯綜復雜。工業產出的大量操作數據中蘊藏著無限商機。數字平臺在塑造收集、存儲、分析和管理數據的新商業模式方面發揮著關鍵作用。這些平臺將成為未來任何現代數字化工廠的基礎。數字化幫助這些制造商實現了巨大的飛躍,從僅僅提供產品轉變為隨產品一起交付服務。下面概述了制造組織借助數字化的強大力量可能實現的一些商業模 式變革。

3.1 制造業商業模式不斷發展



3.2 案例:Rolls-Royce 按時計費 

數字平臺市場擁擠不堪,既包括成熟的平臺供應商,也不乏新興的平臺供應商。因此,評估平臺可能是一項極具挑戰性的工作。一方面,IBM、Microsoft和SAP等ICT領域的技術巨頭正試圖進軍制造業。另一方面,General Electric (GE)、Siemens和Bosch等傳統工業巨頭正致力于轉型為數字公司,為行業提供解決方案。此外,所有工業企業都在努力開發本土的云平臺,為客戶提供更大的價值,這一趨勢有增無減。數字平臺的激增給最終用戶帶來了過多的選擇,他們現在深信確實需要進行數字投資,但卻被高度復雜的市場提供的諸多選項“淹沒”。

4、采用數字平臺背后的挑戰

數字化將為工業系統以及所涉及的人員和流程創造若干機會。盡管數字平臺給工業界帶來了諸多好處,但仍有一些挑戰可能會減緩其激增速度。制造商必須 能夠應對這些挑戰,從而完全獲得互聯制造所帶來的各種好處。

4.1 采用數字平臺背后的挑戰



數字平臺旨在控制關鍵基礎設施,但在這種情況下,它們的職責范圍不僅僅限于IT網絡。關閉工業系統或以“孤島”形式獨立運營不再被認為是明智方法。實際上,越來越多的制造商開始認識到實現數字化所帶來的巨大價值。隨著企業轉向全球擴張,在未來幾年里,連通性和數字化將不容忽視。最后,為了能夠擴展和升級數字化的現有功能,并能夠在日益擁擠的數字平臺市場中競爭和生存,平臺需要建立在開放而靈活的硬件、軟件和網絡之上。此外,還需要應對競爭、價格壓力和商品化等進一步挑戰。

如果其中一些問題是制造商眼前亟需應對的業務挑戰,只是沒有時間或資源來規劃運營架構,他們可以考慮一些經過仔細分析的開放式平臺生態系統合作伙伴,在采用全平臺方法之前試點執行項目。

二、數字工業的曙光

工業環境中的數字化轉型不再是組織愿望清單上要劃去的項目,而已演變為企業的當務之急。盡管存在上述挑戰,但工業組織仍優先考慮采用數字化來將其縱向運營和橫向供應鏈緊密聯系在一起。數字化正在改變各行各業制造商創造和提供產品與服務的方式。在未來的工廠中,那些能夠使數字能力與工業環境同質化的組織才更具價值。

1、制造業數字化的現狀

引領數字化的一些關鍵行業包括航空航天和汽車制造。許多來自不同行業的大型組織正在向數字化轉變,其目標是優化工廠運營和自動進行維護,最終提高產品和流程的質量標準。智能機器不斷地發送性能和其他相關數據,以幫助制造商預測需求、計劃維護并創造更優質的產品。這些機器內嵌了智能,可以幫助解決復雜問題,而無需人工干預。許多這類工業組織開始利用一種或多種屬于數字企業范疇的新興技術。這些技術包括認知智能、增材制造和機器人。其他工業組織則在探索開發新型商業模式的機會,例如基于訂閱的定價、許可、利潤分攤和基于成果的定價。這種數字化轉型是工業環境中所有競爭者的福音。

例如,一家飛機制造領軍企業正利用數字化將其錯綜復雜的供應鏈交織在一起。飛機制造通常遵循一種基于單元的制造方法,在這種方法中,飛機的所有組件都需要流入飛機裝配點。雖然有些組件由內部開發,但大多數都來自世界各地的多家供應商。因此,如果沒有合適的跟蹤機制,飛機制造業務就會變得極其復雜,難以管理。利用基于云的智能工具,這一復雜價值鏈中的所有利益相關 者可以更快速、更準確地開展協作。此外,這種透明的信息共享方法有助于制造商減少處理任何錯誤所需的成本和工作量。Boeing等飛機制造商已經轉向數字化,將產品上市時間縮短了50%以上。



1.1 案例:航空制造數字化–關鍵優勢 

2、數字化方法

如今制造業日趨復雜,亟需能夠縱橫跨越組織各個層面的業務解決方案。就工業解決方案而言,從數字化雙胞胎到延伸產品,再到增值服務,最后是一個更廣泛的平臺生態系統,供應商可以考慮在這四個層面上提供解決方案。全球有幾家工業領軍企業一直致力于銷售硬件組件,而如今越來越多地涉足軟件和服務領域,因此許多公司現在看到了躋身軟件龍頭企業行列的價值所在。

2.1 向數字平臺的巨大轉變


中小企業的數字化戰略才剛剛起步,可以遵循伙伴關系和協作路線。將其數字化戰略與規模更大的平臺供應商保持一致,可以讓這些企業保持在市場上的地位,而不必“花錢如流水”。只有當這些小公司能夠在由技術合作伙伴、供應商和客戶組成的未來數字平臺生態系統中調整自己的角色時,業績才能取得實質性的進展。

盡管評估和推出數字平臺的過程非常復雜,但制造業已經認識到實施這些平臺對于實現有效的業務成果至關重要。全面了解這些平臺有助于制定決策。制造商在評估數字平臺時應牢記的一些關鍵問題包括:

(1)數字平臺是否支持數據驅動型業務模式?
(2) 數字平臺是否能夠支持設備和數據的整個操作生命周期?
(3)數字平臺提供商是否擁有全面的知識和必要的領域經驗?
(4)數字平臺是否會無縫連接到所有資產?
(5)數字平臺對促進開放的作用如何?

設法獲得其中一些問題的答案,可以幫助制造商明確什么對業務最有效。

在全球化、競爭和動態消費者需求的推動下,制造業的面貌日新月異,這給制造業帶來了巨大的壓力,要求它們提高生產效率、降低成本并縮短產品上市時間。由政府主導的各項措施和框架可協助制造企業簡化制造業數字化的進程。不過,讓這些理念適應制造業供應鏈的復雜局面并非易事。然而,隨著越來越多的人們在數字化上達成這一共識,采用平臺的步伐必然會加快。

數字化的重要性正日益凸顯,再怎樣強調也不過分。數字浪潮以非線性方式滲入制造業,但正以指數級速度前進。隨著工業企業繼續在數字技術領域進行合作和投資,處于前沿的企業將會超出試點實施的范疇采取行動。對于已經開始投資這種新模式的一些公司,其速度必然會讓其他許多公司驚奇不已。對數字化保持沉默不予理睬的制造商可能會落后于他人。隨著數字化工廠在人們的觀 念中從重要轉變為未來制造業的關鍵,以下趨勢將浮出水面

(1)端到端數字化
隨著數字化開始縱向波及同時橫向滲透每個業務領域和層次結構,它將整個制造價值鏈中的所有利益相關者(包括供應商、合作伙伴、分銷商和客戶)緊密聯系在一起,實現了ICT與OT的全面集成。一直以來制造商只是檢查機器,但如今會更加仔細地研究這些機器生成的數據。這種轉變來源于制造商認識到了機器數據所能帶來的價值。然而,在決定如何處理如此龐大的數據量和多樣化的數據類型時,制造商往往面臨一個難題。如果不能將從工業機器中提取出來的所有數據轉換成有意義的見解,那么這些數據就毫無用處。因此,數字化將發揮重要作用的關鍵領域之一是創建虛擬模型或數字化雙胞胎,但這不僅僅限于產品,而且還涉及產品的生產流程和性能。這反過來有助于產生高層次的見解,可幫助管理與產品和流程供應鏈相關的復雜情況,并且能夠極大地幫助實現明智的業務決策。使用數字化雙胞胎,制造商可以在整個制造價值鏈(從規劃和設計到生產、供應和物流)中控制多個參數。通過數字化雙胞胎所收集的信息本質上可用于執行預測性和自適應維護,并將有助于了解最終客戶的動態需求。下圖顯示了可在制造供應鏈中應用數字化的不同領域,從而開發新的收入潛力。

全球制造供應鏈中的數字化領域



(2)從產品銷售到價值銷售
隨著越來越多的產品中將嵌入有助于制造商根據產品和環境行為制定明智業務決策的功能,產品和服務的傳統定義將發生轉變。例如,汽車正在演變成能夠自我診斷潛在問題并通過軟件升級(而不是傳統機械師)進行維修的產品。工業機器也將進化以跟蹤其性能,并且能夠提供對制造商有用的見解。

(3)創新商業模式
數字連接將使工業制造商能夠更直接地響應客戶及其需求。因此,新的商業模式(如基于使用情況的定價)將會出現。這些新的商業模式將使制造商能夠更準確地預測供需和收入。航空航天和國防等行業已經開始基于訂閱和消費提供服務。例如,瑞典一家空氣壓縮機制造商正在改變其商業模式,從銷售空氣壓縮設備轉向提供壓縮空氣即服務。在這種模式下,客戶只需要為所消耗的壓縮空氣付費即可。智能系統可以精確監控壓縮空氣的流動并提供客戶所需的空氣量。這有助于減少浪費、降低成本并提高效率,實現雙贏。

早起的鳥兒有蟲吃。對于 Google、Microsoft 和 Amazon 等互聯網技術的早期采用者來說也是如此。同樣,現在我們正處于第四次工業革命的風口浪尖,轉型為數字企業的先行者將會享受巨大的優勢。GE、Siemens和Bosch已經加強了自己在市場上的地位。即便是規模較小的企業,從智能數字概念中衍生出來的有趣的收入模式也將有助于從數字化中獲得巨大的收益。盡管在這個蓬勃發展的市場中每季度都會增加一個平臺,但其中許多平臺要么應用范圍狹窄,要么天生就“受限于供應商”。一旦決心采用某個平臺,客戶在后期將很難切換到任何其他解決方案。這是一種不良的方法,不太可能達到被采用的臨界值。因此,像 GE、Siemens 和 Bosch 那樣采取一種更靈活的方式將更為可取。

3、為未來的工廠做好準備

由于采用技術、用例和標準化的速度非常慢,因此實現真正意義上的數字化對于許多制造商來說可能是一個緩慢的過程。通往工業數字化的道路是一個漸進的過程,對于不同的組織和不同的工業部門來說,這種演變的速度也不盡相同。它不會一下子沖擊整個行業。

與此同時,為了確保可持續的競爭力,工業組織需要采取必要的措施來構建未來的工廠。通過轉向數字化,制造商不僅能夠提高生產力和效率,而且還將為未來的商業模式奠定基礎,從而使制造業獲得競爭優勢。無論工業企業在數字化進程中處于什么階段,數字化都不再是一種選擇,而是成為一種必然,它將決定未來市場的生存。

三、MindSphere 的世界

尋求采用數字化的制造商面臨著諸多挑戰。其中最主要的挑戰包括安全連接多樣化的資產基礎和獲得實時洞察,這將提高整個價值鏈的效率。在這方面,速度和規模是確定有效性的決定性因素。與安全一樣,集成和協調來自多樣化資產基礎的數據仍將對供應商和最終用戶構成障礙。然而,我們可以預見應對這一挑戰是不可避免的,因為數字化之旅是單行道

在過去的12到18個月里,相繼引入了許多新平臺,以至于現在出現了一個新的工業數字平臺市場(IIoT平臺)。在此重要關頭,這一新興的領域匯集了來自OT和ICT的供應商,他們彼此之間相互競爭、指派并合作。不同供應商之間如此廣泛的合作趨勢在整個工業史上都是前所未有的。



這個新興市場不僅包括提供端到端IoT解決方案的供應商,還包括為各種制造部門提供定制 解決方案的供應商。

在平臺供應商兼收并蓄、取長補短的這樣一個背景下,有必要指出的是,這也在最終用戶中產生了一種不確定性,他們現在被多個平臺所困擾,不知作何選擇。歐洲一家汽車供應商的工業4.0架構師評論說,要實現現有工廠的數字化,必須開發一個可集成各種供應商平臺的本土數字平臺。因此,一個大型平臺市場并不一定有助于制造商提高利用效率。該行業所需的是一個能引進生態系統并有助于與其他供應商進行開放協作的平臺。



根據分析 ,我們發現在目前市場上提供的各種工業數字平臺中,MindSphere平臺脫穎而 出 。此外 ,由于我們目前正處于行業的一個 轉折點,隨著人們對數字化的認識和興趣提高,當前需要通過概念證明來激發制造業的數字化變革。在這方面,Siemens MindSphere 生態系統就 是一個有趣的例子。

最近,Siemens攜手另外19家工業企業建立了一個以Siemens MindSphere為基礎的全球開放式IoT生態系統–MindSphere World。這一生態系統的主要目標是支持和指導參與的公司利用 MindSphere開發IoT應用程序。這一協作可能會使企業建立一種共生關系,從而在彼此之間形成新的協同效應。通過MindSphere的開放式平臺架構,制造商將能夠集成異構機器和系統,并且能夠構建獨立于制造商的應用程序。通過這一協作,還將制定對生態系統中的每個參與者都有利的共同標準。

舉例來說,Rittal是MindSphere World的創始成員之一。作為一家全球性的工業外殼、配電和氣候控制產品解決方案制造商和供應商,該公司最近在氣候控制領域取得了一些引人注目的進展,有助于提高能效和通信能力。該公司目前在 其“冷卻即服務”應用程序以及聯網的'Blue e+'冷卻裝置中使用 MindSphere。由于這種集成,Rittal 能夠執行基于數據的預測性維護和修復,從而進一步幫助公司實現了降低成本和增加正常運行時間等好處。



如前所述,存在多個平臺并不能保證實現價值。盡管這是數字化進程中的一個重要里程碑,但供應商必須意識到制造商不會熱衷于為多個平臺付費。我們堅信,數字平臺市場最終會實現大規模的整合,形成兩到三個主要參與者。

四、結論

制造商可能處在數字化進程的任何階段。在采用數字化時,顯然沒有一種萬能的方法。因此,無論制造商處于什么階段,都應致力于遵循一種結合其目標、需求和約束的方法。選擇數字平臺應從深入了解業務需求開始。企業應該牢記要解決的問題并列出可能的解決方案和用例。下面介紹了在開始數字化進程之前應牢記的一些基本準則。



綜上所述,數字平臺市場仍處于全行業應用的初級起步階段。盡管有許多選項可供選擇,但在確定合作伙伴時應進行大量研究,而這里所說的合作伙伴不僅規模龐大并擁有經過驗證的用例,而且還可以長期信任。

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