《智慧企业工业互联网平台开发与创新》

工业控制与智能制造丛书

智慧企业工业互联网平台开发与创新

彭俊松　著

推荐序一

余晓辉

工业互联网产业联盟 秘书长

中国信息通信研究院 总工程师

推荐序二

彭博士的这本新书，以深入探究的精神和多年的实践，为我们搭建了一个理解工业互联网的完整框架，并从业务和技术角度，剖析了打造智慧企业、建设工业互联网的理论和实践。中国企业正处于攻坚克难的关键期，急需深入理解领先国家的发展模式的精髓，从而在智能时代找到属于自己的真正价值。我相信各位企业家朋友能从这本书中得到耳目一新、却又合情合理、丝丝入扣的解答。

吴晓波

著名财经作家

吴晓波频道创始人

序

一、制造业正在进入关键指标指数级增长的年代

近年来，随着以物联网、大数据和人工智能为代表的一大批数字化技术广泛和深入的应用，制造业终于开始走出长期以来在效率、成本、质量等方面缓慢改善的历史，进入指数级增长的新时代。“工业互联网”这一诞生不久的新名词成为在制造业中综合应用这些数字化技术的整合性概念，并得到了广泛的宣传和推动。

如图1所示，根据凯捷（Capgemini）数字化转型研究机构在2017年的分析，以制造业为例，从1990年开始到2017年，凭借学习曲线效应和不间断的技术改进，包括信息技术的贡献在内，制造业每年在各个关键指标上提高和改善的速度，无论是总生产率、人工成本、物流与运输成本、资金与库存成本，还是质量、按时交货，均停留在千分之四到七左右的水平。

奇迹发生在接下来的五年。凯捷认为，在数字化技术的推动下，这些指标的改进速度将会有7～13倍的大幅增长。以总生产率这一指标为例，在1990年到2017年长达27年间，制造行业在这个关键指标上平均只提高了22%左右；但是在接下来的5年里，将会再提高34%——也就是说，我们在接下来5年里取得的增长是过去27年里增长的1.5倍还要多。无疑，以制造业为代表的传统行业在数字化转型的推动下，即将进入一个指数级增长的年代。而毫无疑问，集众多数字化技术于一体的工业互联网就是把握这个增长机会的抓手。

图1　传统行业即将进入指数级增长的年代

SAP认为，工业互联网从本质上来说是“IT/OT融合的新一代企业数字化整体架构”，是对企业传统IT架构的一次彻底转变。企业打造工业互联网的过程是一个运用数字化技术对业务进行创新、对战略进行赋能的过程，将使企业的商业模式和业务流程产生巨大的变革。将工业互联网的建设与传统的信息化建设相比较，两者既有密切的联系和相似性，又在规划方法、系统架构、实施过程和价值实现等方面存在区别和不同。在当下中国企业纷纷准备或已经投身于工业互联网建设时期，我们需要不断地对工业互联网的理论、方法和技术进行深入研究，才有可能收到预期效果。

目前，市场上关于工业互联网的书籍大多数都是从宏观的角度出发，介绍为什么要打造工业互联网（Why），以及实现了工业互联网之后的前景（What）。而关于企业应如何一步步建设工业互联网（How），则少有书籍涉及。本书没有在“Why”和“What”上花费过多笔墨，而是重点关注“How”，针对中国企业在打造工业互联网时普遍面临的一些课题进行深入剖析，从业务和技术两个方面深入浅出地介绍和总结领先企业在每个课题上的理解、进展和实现手段，并结合相关案例进行详尽分析，务必使得读者掌握相关的知识和技能。

伴随着一轮又一轮新的数字化技术的诞生和推广，企业不断看到工业互联网背后强大的创新能力，从而迫不及待地希望立即使用它们。在开源技术日益流行的今天，人们很容易获得免费的软件、平台和算法，以帮助搭建自己的创新应用，并沉浸在新架构和新技术之美所带来的满足感之中。但是，人们在看到这些新技术的创新能力的同时，也常常会忽视或低估其背后存在的一些需要解决的问题。我们需要清醒地认识到，建设全新的企业数字化架构会带来一系列的技术不确定性和挑战。我们不能寄希望于让每家制造企业都成为专业的软件企业并进行重复开发，不仅是因为这不符合社会化专业分工的集约化规律，而且因为数字化技术的引入会使得企业的工业App复杂度大大提高，而这两点恰巧就是商品化软件存在的价值。有鉴于此，彭博士在书中结合了SAP在2017年推出的数字化创新系统Leonardo以及2018年推出的智慧企业解决方案，希望让广大读者了解SAP如何将最新的数字化技术以商品化软件的方式推向市场，从而加快企业建设工业互联网的速度，同时降低建设风险。

二、SAP的创新之旅与中国市场

作为全球最大的企业应用软件供应商，面对着数字化转型时代不断涌现的热点，SAP必须对自己的产品不断进行创新。SAP先后推出了一系列数字化产品，及时跟上了市场的热点和节拍。

近年来，中国市场的发展保持了与全球数字化创新技术高度同步的节奏和速度。中国已成为SAP紧跟数字化时代潮流，与客户密切合作、共同创新的重要市场。

2012年，维克托·舍恩伯格的《大数据时代》一书的中文版发行，引发了国内的大数据热。就在2011年，SAP也首次成功推出了高性能分析应用软件HANA（High-Performance Analytic Appliance），拿到了进入大数据市场的门票。当2015年“国家大数据战略”被列入十八届五中全会公报的时候，以HANA为核心的SAP大数据平台及应用已经成为市场上领先的产品。

2013年，德国政府正式对外提出了“工业4.0”，并积极与中国政府开展合作。2015年，中国政府也相应地提出了“中国制造2025”，计划用10年时间成为世界制造强国。2016年，中国政府发布“智能制造发展规划（2016—2020年）”，计划到2020年在传统制造业重点领域基本实现数字化制造。而在同一时间段，2012年，SAP成功地推出了SAP HANA云，进入平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS）领域；并在2015年又推出了S/4 HANA和HANA云平台物联网；2016年，SAP推出整合了物联网与数字化供应链的解决方案。这些产品让SAP在中国的智能制造领域有了坚实和领先的方案基础。

2015年，中国政府还提出了“互联网+”（Internet Plus）行动计划，试图推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等技术与现代制造业的结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融的健康发展。而在此之前的2012年、2013年和2014年，SAP密集地收购了SuccessFactors、Ariba、Hybris、Concur、Fieldglass等产品，获得了B2C和B2B的电子商务能力，并建立了全球最大的商业网络云，加上2015年S/4 HANA的诞生，使得SAP成为在中国全面推动“互联网+”的领先IT厂家。

2017年，在中国政府提出《新一代人工智能发展规划》，以及《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，结合实施“中国制造2025”和“互联网+”，加快建设和发展工业互联网，促进新一代信息技术与制造业深度融合的时候，SAP又及时推出了SAP Leonardo，整合了物联网、大数据、人工智能、区块链、数据智能和分析等技术，定义了数字化创新系统，以迎接人工智能时代的到来和工业互联网的巨大市场空间。

进入2018年，在两会上，中国政府强调了运用最新的数字化技术，在建设制造强国、推动实体经济转型升级过程中发挥重要的作用。紧接着，工信部推出了《工业互联网App培育工程实施方案（2018—2020年）》，推动企业基于云平台和工业App库开发专业化应用软件。与此同时，SAP推出了C/4 HANA，并在中国正式落地S/4 HANA Cloud，为工业互联网的App提供丰富的来源。在同年举办的蓝宝石大会上，SAP正式宣布了“智慧企业”（Intelligent Enterprise）战略，进一步指明了当前和未来企业的数字化发展方向。

对于SAP这样一个有着40多年历史的企业软件巨头来说，每一次新的数字化产品的推出都是一场产品创新的战役。无疑，在过去这些年，SAP产品创新的步伐跟上了市场的脚步，这也是SAP超过西门子、戴姆勒、大众、宝马等企业，成为目前德国市值最高的上市公司的原因。

如果我们将企业的结构化业务经营数据称为“小数据”，而将海量的、多维的、非结构化的企业内部和外部数据称为“大数据”，那么SAP已经通过历史的表现和如今的辉煌，证明了自己是“小数据”时代当之无愧的“王者”，以及“大数据”时代令人瞩目的“领跑者”。我们完全有理由相信，SAP将会在未来的竞赛中继续保持领先。

最后，希望本书能够为那些投身于工业互联网项目的企业和人士提供一些启发和帮助。

李强

SAP全球高级副总裁，SAP中国总经理

2018年10月

前　　言

近年来，工业互联网已经成为市场上一股势不可挡的潮流和趋势。大批制造企业都投入到自身的工业互联网建设和对外的工业互联网平台开发上，并将其作为提高企业竞争力、创造新的商业模式、颠覆现有市场格局的利器。一般认为，工业互联网是制造企业数字化转型的高级阶段，它是企业综合运用物联网、大数据、人工智能、商务分析和智能设备等数字化技术，对业务进行变革、对战略进行赋能的创新过程。它所建立的IT/OT融合的新一代企业数字化整体架构，是对企业传统IT架构的一场彻底转变。在这个过程中，架构的设计、路线的规划，以及方案的选择和应用，决定了工业互联网转型项目的成败，其重要性不言而喻。

结合这一出发点，本书将以全球最大的企业应用软件公司SAP在2017年发布的数字化创新系统（Digital Innovation System）——SAP Leonardo，以及2018年发布的智慧企业解决方案为背景，介绍制造企业在建设工业互联网过程中所需要了解和掌握的理论、方法和技术。作为全球最大的企业应用软件提供商，SAP创新地在其提出的智慧企业一体化架构中实现了企业应用软件和工业应用软件在云端的融合，可以真正有效地帮助企业建设可落地、可进化、可扩展的工业互联网，从而实现商业模式转型和高质量发展的目标。

本书的主要内容包括如何理解和搭建企业的工业互联网数字化架构、如何在这一架构之上规划企业数字化转型的技术路线，以及制造企业如何运用工业互联网技术在数字化产品、数字化制造、数字化服务三个领域中进行转型与创新。本书内容涉及物联网、工业4.0、大数据、数字化双胞胎、数字化主线、大规模定制、数字化供应链、分布式制造、人工智能与机器学习、预测性维护、制造向服务转型等技术。这些内容都是目前国内企业非常关心和热门的话题，它们对企业工业互联网项目的成功实施发挥着非常重要的作用。

本书的读者包括对工业互联网感兴趣的企业高级管理人员和业务骨干，以及在咨询公司和IT公司工作的相关技术人员。本书可以在推进工业互联网的项目过程中，对项目的规划、设计和实施提供借鉴。此外，本书还可以为各研究机构、高等院校和其他对工业互联网感兴趣的相关人员提供参考。

本书导读

本书一共分为五篇，共12章（如图2所示）。在章节安排上，第一篇主要介绍工业互联网的架构与规划，这是企业利用工业互联网技术、开展数字化转型的基础。第一篇包括以下两章：

第1章：工业互联网是IT/OT融合下的企业新一代数字化整体架构

第2章：工业互联网架构的特点是“数字和流程混合驱动”

第二篇围绕SAP在2017年推出的以达·芬奇命名的Leonardo平台，以及2018年推出的智慧企业解决方案，介绍SAP在面对以工业互联网为代表的数字化浪潮下，如何制定自身的产品战略，打造企业新一代的数字化整体架构，迈向智慧企业的愿景目标。第二篇包括以下三章：

第3章：基于数字化“双模”理论打造工业互联网

第4章：迈向工业互联网的SAP产品理念

第5章：工业互联网的愿景目标——智慧企业

后三篇主要围绕着具体的工业互联网实践，从数字化产品、数字化工厂和数字化服务三个方面，具体介绍如何利用工业互联网进行数字化转型与创新的原理、方法和案例。后面这三篇章节的命名均遵循“从xx到xx的创新”的方式，可以让读者清楚地了解创新的来龙去脉。这里讲述的七大创新在企业的数字化转型实践中都是十分重要的课题，非常值得深入地进行研究，七大创新具体如下：

第6章：数字化双胞胎从面向资产向面向生态网络协同的创新

第7章：从传统的基于PLM的文档管理向端到端数字化主线的创新

第8章：从大规模制造向大规模定制的创新

第9章：从传统的线型供应链向数字化网状供应链的创新

第10章：从集中式制造到分布式制造的创新

第11章：从被动式维修向基于机器学习的大数据预测性维修的创新

第12章：从以制造为中心向以服务为中心的创新

图2　全书核心章节一览

后记将结合SAP近些年来在业务和产品上的转型，以“从最佳业务实践到联合创新工厂”为名，探讨SAP市场策略的转变。

建议读者在拿到新书之后，尽可能从头开始逐篇阅读，从而对工业互联网的创新技术，以及SAP Leonardo以及智慧企业解决方案的设计精髓，有一个通盘而系统的了解。

现在，让我们一同开启工业互联网的创新之旅吧！

目　　录

推荐序一

推荐序二

序

前言

第一篇　工业互联网架构

第1章　工业互联网是IT/OT融合下的企业新一代数字化整体架构  2

1.1　方兴未艾的工业互联网市场  2

1.2　为什么工业互联网平台遍地开花，而工业4.0平台寥寥无几？  5

1.3　工业互联网是新一代企业数字化整体架构  8

1.4　新架构的特点是支持业务从“流程驱动”转向“数字和流程混合驱动”  13

1.5　小结   14

第2章　工业互联网架构的特点是“数字和流程混合驱动”  15

2.1　工业4.0的实施路径和成熟度  16

2.1.1　工业4.0的价值体现  16

2.1.2　工业4.0的成熟度模型  18

2.2　工业3.0时代面向“流程驱动”的工业金字塔的形成和***  22

2.2.1　工业3.0阶段一：“计算机化”——覆盖产品部分生命周期  22

2.2.2　工业3.0阶段二：“连接”——产品生命周期的全覆盖  23

2.2.3　工业3.0的巅峰——IT/OT集成的制造金字塔架构  25

2.2.4　进入工业4.0时代之后的工业金字塔***  27

2.3　工业4.0和工业互联网时代基于IT/OT融合的CPS  30

2.3.1　从工业3.0的控制论走向工业4.0的CPS  30

2.3.2　CPS的定义  31

2.3.3　基于CPS理论建立新的企业数字化架构  33

2.3.4　基于CPS的CPPS  40

2.4　小结  44

第二篇　SAP Leonardo平台和智慧企业

第3章　基于数字化“双模”理论打造工业互联网  46

3.1　数字化时代下的市场趋势  46

3.2　客户和咨询公司对商业软件的新要求  47

3.2.1　来自客户的新要求  47

3.2.2　咨询公司给出的新概念  48

3.3　SAP 2020年的产品战略目标和实现  51

3.3.1　SAP 2020年的产品战略目标  51

3.3.2　基于四条主线实现SAP 2020年的产品战略目标  52

3.3.3　SAP Leonardo简介  54

3.4　基于“数字化核心+数字化创新系统”的SAP双模产品体系  57

3.5　深度分析：工业互联网在汽车零部件行业中的应用展望  58

3.5.1　汽车零部件行业面临的挑战  58

3.5.2　基于数字化技术的挖潜和创新是汽车零部件行业的两大对策  62

3.6　小结  68

第4章　迈向工业互联网的SAP产品理念  69

4.1　物联网时代企业创造价值的新价值链  69

4.2　第一步：“互联”到“数据”——从互联的万物中采集和存储海量数据  72

4.3　第二步：“数据”到“洞察”——从海量数据中知晓机会和风险所在  74

4.4　第三步：“洞察”到“行动”——推动业务流程前进，将洞察转变为行动  78

4.5　第四步：“行动”到“效果”——创造出新的商业价值和生态系统的优势  80

4.6　打造迈向工业互联网的SAP产品开发与布局  81

4.7　深度案例分析：SAP帮助瑞士最大的汽车经销商AMAG集团实现基于OBD的车联网平台  82

4.7.1　AMAG简介  82

4.7.2　第一步：打造自身的一体化业务系统  83

4.7.3　第二步：打造线上的OBD业务  85

4.8　小结  89

第5章　工业互联网的愿景目标——智慧企业  90

5.1　智慧企业的商业驱动力来自新的商业模式对生产和运营效率的渴求  90

5.2　什么是智慧企业  95

5.2.1　智慧企业的定义  95

5.2.2　人工智能与机器学习技术  96

5.3　智慧企业是智能技术支持下的事件驱动的企业  98

5.4　智慧企业是对企业应用软件的智能化改造  102

5.5　基于智慧企业解决方案打造工业互联网  105

5.6　深度分析：BSH从“家庭连接”入手，打造“数字和流程混合驱动”的数据管理基础  107

5.6.1　BSH简介  107

5.6.2　项目背景  108

5.6.3　BSH Home Connect  108

5.7　小结  110

第三篇　数字化产品

第6章　数字化双胞胎从面向资产向面向生态网络协同的创新  112

6.1　什么是数字化双胞胎  113

6.2　传统的面向资产安全与性能的数字化双胞胎  115

6.2.1　数字化双胞胎的起源：军事和航天航空  116

6.2.2　面向资产密集型企业的数字化双胞胎  117

6.3　面向新的商业模式的数字化双胞胎网络  118

6.3.1　从数字化双胞胎到数字化双胞胎网络  118

6.3.2　产品个性化和业务的协同化推动了数字化双胞胎网络的发展  120

6.3.3　数字化双胞胎网络的成熟度模型  122

6.4　数字化双胞胎网络的基础——SAP资产智能网络方案介绍  125

6.5　深度案例分析：SAP帮助维斯塔斯建立数字化双胞胎，推动服务转型  127

6.5.1　公司介绍  127

6.5.2　维斯塔斯的数字化战略  128

6.5.3　与SAP合作的数字化双胞胎网络  128

6.6　小结  132

第7章　从传统的基于PLM的文档管理向端到端数字化主线的创新  133

7.1　传统的PLM在数字转型时代的扩展  134

7.2　基于模型的系统工程的发展  135

7.2.1　PLM面临的挑战  135

7.2.2　基于MBSE的方法  136

7.3　支持产品全生命周期的数字化主线  137

7.3.1　数字化主线的概念  137

7.3.2　建立打通产品全生命周期的实时研发  139

7.3.3　产品全生命周期的BOM总线  142

7.4　深度案例分析：SAP帮助凯撒压缩机实现“智能空气战略”  145

7.4.1　公司介绍  145

7.4.2　运营商业务模式的诞生  146

7.4.3　新商业模式的实现  148

7.4.4　围绕产品全生命周期的智能空气战略  150

7.4.5　对客户的收益  153

7.5　小结  154

第四篇　数字化工厂

第8章　从大规模制造向大规模定制的创新  156

8.1　大规模定制的定义和特点  156

8.2　从工业1.0下的手工定制到工业4.0下的大规模定制2.0  158

8.2.1　大规模定制的过去和未来  158

8.2.2　大规模定制的实现原理  159

8.3　模块化生产/矩阵式生产——工业4.0下的大规模定制技术  162

8.3.1　第一代和第二代数字化工厂的有限定制能力  162

8.3.2　真正体现工业4.0实力的第三代数字化工厂  164

8.4　深度案例分析：美国哈雷-戴维森摩托车公司的大规模定制生产重生之路  169

8.4.1　公司简介  169

8.4.2　战略转型之旅  169

8.4.3　哈雷摩托从互联营销、智能制造到售后服务的全价值链创新  173

8.5　小结  178

第9章　从传统的线型供应链向数字化网状供应链的创新  179

9.1　以一为单位的数字化网状供应链  180

9.1.1　数字化供应链从线型向网状的演进  180

9.1.2　数字化网状供应链是企业打造差异化战略的核心武器  181

9.1.3　实现数字化网状供应链的关键是“以一为单位”  183

9.2　支撑数字化网状供应链的核心技术  185

9.2.1　数字化业务计划——将供应链转型为需求驱动业务计划的网络  186

9.2.2　数字化物流与订单执行  187

9.3　深度案例分析：微软硬件部门打造需求驱动的数字化供应链  190

9.3.1　公司简介  190

9.3.2　项目背景  191

9.3.3　阶段一：互联  193

9.3.4　阶段二：预测  194

9.3.5　阶段三：认知  194

9.3.6　SAP在微软数字化供应链转型中的作用  195

9.4　小结  196

第10章　从集中式制造到分布式制造的创新  198

10.1　3D打印技术正在快速走向成熟  198

10.2　从传统的集中式制造到基于3D打印的分布式制造  199

10.3　面向分布式制造的SAP制造网络解决方案  200

10.3.1　满足独特和变化需求的制造业  200

10.3.2　无延迟交货  201

10.3.3　最大化交付能力和最小化响应时间  202

10.3.4　从快速原型到快速生产  202

10.3.5　实现重要的商业收益  203

10.4　深度案例分析：售后配件的3D打印与Krones的实践  205

10.4.1　当前的售后配件业务存在挑战  205

10.4.2　3D打印是有望解决配件困境的重要手段  205

10.4.3　Krones的售后配件实践  206

10.5　小结  207

第五篇　数字化服务

第11章　从被动式维修向基于机器学习的大数据预测性维修的创新  210

11.1　传统设备维修管理面临的挑战  210

11.2　基于物联网大数据的预测性维修  213

11.2.1　高维度数据的降维处理  213

11.2.2　异常状态检测  214

11.2.3　无监督学习与监督学习  215

11.2.4　算法的管理和扩展  216

11.3　SAP PdMS的架构和功能特点  217

11.4　SAP PdMS的价值分析  219

11.5　深度案例分析：意大利铁路公司动态维护管理系统  223

11.5.1　意大利铁路公司介绍  223

11.5.2　项目背景  224

11.5.3　基于状态的维修的困境  224

11.5.4　与SAP合作展开的预测性维护  225

11.6　小结  226

第12章　从以制造为中心向以服务为中心的创新  227

12.1　从制造向服务的转型已经出现在很多行业  228

12.2　工业产品服务系统的定义和分类  230

12.3　不同类型PSS的商业可持续性分析  234

12.4　制造商通过数字化技术向服务提供商转型的路线  236

12.5　深度案例分析：卡特彼勒通过以配件为核心的售后服务打造企业核心竞争力  238

12.5.1　卡特彼勒介绍  241

12.5.2　第一阶段：以售后配件为核心的服务化转型  241

12.5.3　第二阶段：基于传感器大数据的预测性分析  244

12.5.4　第三阶段：为客户提供基于卡特彼勒产品的施工方案  248

12.6　小结  249

后记　从最佳业务实践到联合创新工厂  250

缩写表  255

参考文献  257

IoT

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