2024工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)綜述

工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)綜述1工業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)展背景等為代表的新一輪科技革命席卷全球，正放合作的制造業(yè)新體系，極大擴展了制造業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展空間。新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動制造業(yè)邁向轉(zhuǎn)型升級的新階段——工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的新階段，這是在新技術(shù)條件下制造業(yè)生產(chǎn)全流程、全產(chǎn)業(yè)可執(zhí)行的必然結(jié)果。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正處在高速發(fā)展時期，國際工業(yè)和軟件龍頭企業(yè)正在迅速布局工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)品。2015年8月，美國通用電氣公司率先宣布推出首個面向工業(yè)數(shù)據(jù)和分析的云平臺Predix①，如圖1所示。2016年2月，Predix正式對開發(fā)者開放；在20164月的漢諾威工業(yè)博覽會上，西門子公司宣布將推出云平臺MindSphere，到了2017年4月的漢諾威工業(yè)博覽會，MindSphere成2所示。在2017年漢諾威工業(yè)博覽會上，總部

位于瑞士的ABB集團宣布推出產(chǎn)品ABBAbility③ABB集團從設(shè)備到邊緣計算再到云服務(wù)的跨行業(yè)、一體化的數(shù)字化能力。總部位于法國的施耐德電氣有限公司也推出了EcoStruxure綜合了施耐德電氣有限公司的互聯(lián)互通產(chǎn)國內(nèi)三一重工股份有限公司、海爾集團、中國航天科工集團公司等企業(yè)也開始打造自己的平臺，分別推出了三一樹根物聯(lián)平臺⑤、COSMO平臺⑥、航天云網(wǎng)平臺⑦等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺產(chǎn)品，如圖3所示。工業(yè)大數(shù)據(jù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心要2025業(yè)大數(shù)據(jù)是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要戰(zhàn)略資源，需要針對我國工業(yè)自己的特點有效利用工業(yè)大數(shù)據(jù)推動工業(yè)升級。一方技術(shù)含量低、勞動密集、高資源消耗制造的比重也大，實體工廠和實體制造升級迫有領(lǐng)先優(yōu)勢，過去十多年消費互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展使互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到長足發(fā)展，互聯(lián)并將其與制造業(yè)緊密結(jié)合，促進制造業(yè)升級和生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)的發(fā)展。圖1通用電氣Predix平臺MRO5.0圖2西門子MindSphere平臺圖3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)品舉例因此，我國在推進工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程中，要突出智能互聯(lián)產(chǎn)品創(chuàng)新[1]兼顧智能制造和制造服務(wù)，用數(shù)據(jù)驅(qū)動制回收各個環(huán)節(jié)的智能化升級，推動制造全產(chǎn)業(yè)鏈智能協(xié)同，優(yōu)化生產(chǎn)要素配置和資

2工業(yè)大數(shù)據(jù)的內(nèi)涵如圖4所示，工業(yè)大數(shù)據(jù)即工業(yè)數(shù)據(jù)的總和，其來源主要包括企業(yè)信息化數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、“跨界”數(shù)據(jù)⑧[2,3]。企業(yè)信息系統(tǒng)存儲了高價值密度的核圖4工業(yè)大數(shù)據(jù)的來源造數(shù)據(jù)、供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)以及客戶服務(wù)數(shù)據(jù)存在于企業(yè)或產(chǎn)業(yè)鏈內(nèi)部，是工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為工業(yè)大數(shù)據(jù)新的、增長最人和機器是產(chǎn)生工業(yè)大數(shù)據(jù)的主體。人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是指由人輸入計算機中的數(shù)是指由傳感器、儀器儀表和智能終端等采集的數(shù)據(jù)。近年來，由人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模的比重正逐步降低，企業(yè)信息化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中機器產(chǎn)生的海量時序數(shù)據(jù)是工業(yè)數(shù)據(jù)規(guī)模變大的主要來源，機器數(shù)據(jù)所占據(jù)的比重將越來越大。3工業(yè)大數(shù)據(jù)的特征工業(yè)大數(shù)據(jù)作為對工業(yè)相關(guān)要素的數(shù)

字化描述和在賽博空間的映像，首先符合大數(shù)據(jù)的V特征[4volum、速度快velocitvariet低質(zhì)量veracit。相對于其他類型大數(shù)據(jù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)還具有反映工業(yè)邏輯的多多模態(tài)是指工業(yè)大數(shù)據(jù)必須反映工業(yè)系統(tǒng)的系統(tǒng)化特征及其各方面要素，包科、多專業(yè)信息化軟件產(chǎn)生的不同種類的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。比如三維產(chǎn)品模型文件不強關(guān)聯(lián)反映的是工業(yè)的系統(tǒng)性及其復(fù)雜動態(tài)關(guān)系，不是數(shù)據(jù)字段的關(guān)聯(lián)，本質(zhì)是指物理對象之間和過程的語義關(guān)聯(lián)。包括產(chǎn)品部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，生產(chǎn)過程的等不同環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)以及在產(chǎn)品生命周期的統(tǒng)一階段涉及的不同學(xué)科不同專業(yè)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。高通量即工業(yè)傳感器要求瞬時寫入超大規(guī)模數(shù)據(jù)。嵌入了傳感器的智能互聯(lián)產(chǎn)品已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的重要標志，用機器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)代替人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)實時的感知。從工業(yè)大數(shù)據(jù)的組成體量上來看，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)已成為工業(yè)大數(shù)據(jù)的主IEC61400-25標準，持續(xù)運轉(zhuǎn)風(fēng)機的故障狀態(tài)，其數(shù)據(jù)采50225KB傳感器數(shù)據(jù)，按25器設(shè)備產(chǎn)生的時序數(shù)據(jù)的特點包括海量的設(shè)備與測點、數(shù)據(jù)采集頻度高（產(chǎn)生速度快、數(shù)據(jù)總吞吐量大、4h持4工業(yè)大數(shù)據(jù)與企業(yè)信息化企業(yè)信息化數(shù)據(jù)是工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)數(shù)據(jù)資產(chǎn)，也是工業(yè)大數(shù)據(jù)的第一個來源。在傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)信息化系統(tǒng)中，廣義產(chǎn)品生命周期管理（productlifecycle

managemePL系統(tǒng)主要支持產(chǎn)品開enterpriseresourceplanninR系統(tǒng)負責“人財物、（supplychainmanagementSC系統(tǒng)協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈，客戶關(guān)系管理customerrelationshipmanagement，CR系統(tǒng)服務(wù)于企業(yè)客戶和用戶，制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行系manufacturingexecutionsyste，MES）負責制造執(zhí)行，維護、維修和運營maitenancrepairandopertion，系統(tǒng)支持售后服務(wù)⑨等。這些企業(yè)信息化系統(tǒng)積累的產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)、物流供應(yīng)數(shù)據(jù)以及客戶服務(wù)數(shù)據(jù)多以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的形態(tài)存儲在企業(yè)數(shù)據(jù)庫copteraideddesigCA結(jié)構(gòu)化工程數(shù)據(jù)則通過文件方式管理。在企業(yè)信息化領(lǐng)域，信息系統(tǒng)是數(shù)據(jù)和流程的綜合體，二者聯(lián)系緊密。圖5是波圖5波音公司“以過程為中心”與“以數(shù)據(jù)為中心”信息化對比分析音公司20多年前“以數(shù)據(jù)為中心”的信息20世紀90年代，隨著空中客車公美譽度也隨之下降。危難之際，波音公司當時新上任的董事長武達德特別注重波音公司信息系統(tǒng)建設(shè)，成功解決了“信息孤島”問題，極大地改善了波音公司業(yè)績。具體方法就是以數(shù)據(jù)為中心，把產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、項目數(shù)據(jù)等有機融合在一起，構(gòu)成邏輯上的單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，然后在數(shù)據(jù)集上重構(gòu)業(yè)務(wù)流程。從客服到客戶，提供端到端的服務(wù)模式，讓業(yè)務(wù)流程圍著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)。由此可見，流程是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的來源，也是消費數(shù)據(jù)的歸宿，數(shù)據(jù)是支持流程無縫、高效運行的原材料，二者不可分離。從數(shù)據(jù)流動的視角來看，企業(yè)信息化要解決數(shù)據(jù)“智能化”的問題能夠把正確的數(shù)據(jù)在正確的時間以正確的方式傳遞給正確的人和機器智能化”則把海量的工業(yè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，信息轉(zhuǎn)化為知識，知識轉(zhuǎn)化為科學(xué)決策，以應(yīng)對和解決制造過程的復(fù)雜性和不確定性等問題，其目標在于不斷提高制造資源的配置效率。企業(yè)信息化主要解決的是數(shù)據(jù)單元傳遞問題，工業(yè)大數(shù)據(jù)則主要是基于數(shù)據(jù)集合分析問題。如圖6所示，這是一個制造業(yè)復(fù)雜裝備階段活動示意[5]，業(yè)務(wù)活動沿實線部分從上游往下游傳遞，它主要反映了訂單、票據(jù)等數(shù)據(jù)是否正確，這是信息化過程中需要解決的核心問題。虛線主要是反饋部分，通過分析數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)律和決策準則，然后反饋給前面的各個環(huán)節(jié)使用，從而形成數(shù)據(jù)全生命周期的閉環(huán)，這就是信息化和大數(shù)據(jù)智能化的區(qū)別，然而兩者又是不可分割的。

工業(yè)大數(shù)據(jù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以從網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和安全3工業(yè)全系統(tǒng)的互聯(lián)互通，促進工業(yè)數(shù)據(jù)的無縫集成；數(shù)據(jù)是核心，即通過工業(yè)數(shù)據(jù)全周期的應(yīng)用，實現(xiàn)機器彈性生產(chǎn)、運營管理優(yōu)化、生產(chǎn)協(xié)同組織與商業(yè)模式創(chuàng)通過構(gòu)建涵蓋工業(yè)全系統(tǒng)的安全防護體系，保障工業(yè)智能化的實現(xiàn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展體現(xiàn)了多個產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的融合，是構(gòu)建工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、實現(xiàn)工業(yè)智能化發(fā)展的必由之路。工業(yè)大數(shù)據(jù)是智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，其本質(zhì)是通過促進數(shù)據(jù)的自動流動解決控制和業(yè)務(wù)問題，減少決策過程帶來的不確定性，并盡量克服人工決策的缺點。隨著互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)的深度融合，機器數(shù)據(jù)的傳輸方式由局域網(wǎng)絡(luò)走向廣域網(wǎng)絡(luò)，從管理企業(yè)內(nèi)部的機器拓展到管理企業(yè)外部的機器，支撐人類和機器邊界的重構(gòu)、企業(yè)和社會邊界的重構(gòu)，釋放工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的價值。工業(yè)大數(shù)據(jù)典型應(yīng)用場景工業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用主要是實現(xiàn)制造業(yè)企業(yè)生命周期的智能化水平提升，以智制造、經(jīng)營管理到售后服務(wù)的整個流程，實現(xiàn)提質(zhì)增效。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，企業(yè)的數(shù)據(jù)從內(nèi)部數(shù)據(jù)實現(xiàn)了跨界，應(yīng)用也隨之拓展到“互聯(lián)網(wǎng)+++聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架圖6信息化與大數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)單元傳遞與數(shù)據(jù)集合分析4類典型以采礦為例，圖7是未來智慧礦山的場景。傳統(tǒng)礦山經(jīng)營過程中有很多裝備，一般是按照數(shù)月前擬定的計劃生產(chǎn)，不能很好地滿足市場的實際需求，經(jīng)常會存在過度生產(chǎn)或者生產(chǎn)不足的問題[6]。未來可以通過工業(yè)大數(shù)據(jù)直接感知市場需求，通過市場分析可以知道哪一種鐵礦石配比在當前市場上適銷，據(jù)此確定各種鐵礦石的生產(chǎn)需求，并制定生產(chǎn)計劃，然后實時將操作命令下達到相應(yīng)的智能化工程裝備，指揮這些工程裝備協(xié)同工作，這就是跨尺度的信息集成和優(yōu)化。也就是說，把當天的市場需求通過大數(shù)據(jù)挖掘出來，直接傳達到設(shè)備上，變成設(shè)備的行動和操作。還可以通過設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，實時獲取裝備工況數(shù)據(jù)。當工程裝備出現(xiàn)問題或異常時，及時地發(fā)現(xiàn)問題，找到問題的原因。另外，還可

以通過大數(shù)據(jù)構(gòu)建基于規(guī)則或案例的故障預(yù)測系統(tǒng)，對裝備狀態(tài)進行預(yù)測，更好地保障設(shè)備健康。由此可見，工業(yè)大數(shù)據(jù)是提升工業(yè)生用，并建立從經(jīng)營到生產(chǎn)系統(tǒng)貫通融合的數(shù)據(jù)流，做到數(shù)據(jù)全打通和數(shù)據(jù)流通不落力投入，有效管理并優(yōu)化各種資源的流轉(zhuǎn)與消耗。大數(shù)據(jù)也是實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)從制造向服務(wù)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐技術(shù)。工業(yè)領(lǐng)域智能服務(wù)的本質(zhì)就是智能產(chǎn)品加上感知控制能力和大數(shù)據(jù)分析，通過對產(chǎn)品使用過程中的自身工作狀況、周邊環(huán)境、用戶操作行為等數(shù)據(jù)進行采集和分析，可以提供在線健康檢測、故障診斷預(yù)警等服務(wù)以及支持在線租用、按使用付費等新的服務(wù)模型。圖7未來智慧礦山的場景工業(yè)大數(shù)據(jù)軟件架構(gòu)8是基于數(shù)據(jù)庫視角的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理、流處理、數(shù)據(jù)分析、批處理和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫存放的是結(jié)構(gòu)化的關(guān)系數(shù)據(jù)，是企業(yè)信息化支撐技術(shù)，數(shù)據(jù)庫是先有模式后有數(shù)據(jù)，即先定義數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)生的大多是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)往往是設(shè)備產(chǎn)生的，先有在工業(yè)的ERPPLMSCMCRM等系統(tǒng)中，0SQL小數(shù)據(jù)”具有80%“非結(jié)構(gòu)化大數(shù)據(jù)”密度只有20%的價值密度，甚至更低。因此，工業(yè)數(shù)據(jù)中20

的工業(yè)“小數(shù)據(jù)”需要“引爆”0的工業(yè)“大數(shù)據(jù)”的價值。工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用本質(zhì)上就是要綜合利用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，從中提煉出隱含的模式，形成知識，從而使工業(yè)制造和服務(wù)更加智能化。工業(yè)大數(shù)據(jù)更關(guān)注數(shù)據(jù)源的“完整性”，而不僅僅是數(shù)據(jù)的規(guī)模，因此對數(shù)據(jù)管理有較高要求。工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)在物理信息、產(chǎn)業(yè)鏈、跨界3些數(shù)據(jù)源通常是離散和非同步的，這與其他領(lǐng)域大數(shù)據(jù)集成具有明顯差異，因此不僅需要從數(shù)據(jù)模型，更需要從制造過程、層次化物料表billofmaterialBO）結(jié)構(gòu)、運行環(huán)境等多類型工業(yè)語義層面對工業(yè)大數(shù)據(jù)進行一體化整合管理，其中BOM是產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵手段。圖8基于數(shù)據(jù)庫視角的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件技術(shù)架構(gòu) 2017057-9 處理、分析和應(yīng)用5個環(huán)節(jié)。工業(yè)大數(shù)據(jù)處理是一個數(shù)據(jù)集到另一個數(shù)據(jù)集的“物理”過程。工業(yè)大數(shù)據(jù)分析就是要利用機器學(xué)習(xí)、深度網(wǎng)絡(luò)等人工智能算法，從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集里學(xué)習(xí)未知的模型，這個模型就是一個基于數(shù)據(jù)集(X,Y)Y=F(X)計算式中F函數(shù)的過程。簡而言之，工業(yè)大數(shù)據(jù)分析是從訓(xùn)練數(shù)據(jù)集到模型的“化學(xué)”過程。工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用可分為4主。監(jiān)視就是要能遠程實時監(jiān)測裝備的運行狀態(tài)；控制就是要實現(xiàn)操作者對機器的遠程遙控，讓機器能夠執(zhí)行操作者遠程下達的操作指令；優(yōu)化就是要基于海量工業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)知識，提供在線運行調(diào)度、健康檢測、故障診斷預(yù)警等裝備在線運維服務(wù)；自主就是要實現(xiàn)裝備的自主決策和裝

工業(yè)大數(shù)據(jù)典型應(yīng)用舉例圖9是一個服務(wù)器主板生產(chǎn)流程。上料相比于9，10增加了錫膏印刷檢測solderpasteinspectionSP和自動光學(xué)檢測automaticopticinspectio，AO加人工復(fù)判環(huán)節(jié)，而由于人工復(fù)判存在不穩(wěn)定的問題，質(zhì)量檢測成功率并未達到預(yù)甚至經(jīng)濟損失。圖9電子元器件表面貼裝生產(chǎn)流程圖10加入檢測環(huán)節(jié)后的電子器件表面貼裝生產(chǎn)流程基于積累的主板焊點SPI質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)和主板AOI質(zhì)量數(shù)據(jù)，采用基于機器學(xué)由于這些不同類型故障的數(shù)據(jù)是相互交織在一起的，需要用機器學(xué)習(xí)的辦法進行復(fù)雜的數(shù)據(jù)集分類，然后采用隨機森林的辦法形成了一個基于人工智能的電子器件表把5個焊點是否合格，極大提升了服務(wù)器主板制造的品質(zhì)穩(wěn)定性與合格率⑩。結(jié)束語工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)造價值的過程才剛剛開始，工業(yè)大數(shù)據(jù)的