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工业互联网:突破智慧和机器的界限(五)

日期:2014年3月16日 19:05

机车

机车为世界各地运送了大量的原料和货物。2011年,借助于全球总里程达110万公里的铁路系统,货物运输量超过9.6万亿吨。当今铁路系统中,大约有12万辆柴油-电动铁路机车。柴油-电动铁路机车含有的18个重要旋转部件可以归为6大类:电车用电动机、散热片、压缩机、交流发电机、引擎、涡轮。铁路机组的每一个原件若都用到仪表,将需要超过220万个旋转部件。保守估计,未来15年,将有3.3万辆新的柴油-电动铁路机车投入运营;到2025年,仅柴油-电动铁路机车就需要配备39.6万个传感器以满足必要的监控。

炼油厂

炼油厂和石油化工厂多年来一直是先进监测和控制设备关注的对象。那些运用老式技术的设备需要与最先进的新设备进行竞争。同时,石油行业的繁荣和萧条,再加上要符合更为严格的环境标准,一直推动着人们对持续的技术改进和调整的需求。像往复式和离心式压缩机这样的旋转机械,与许许多多的泵一道,是包括炼油厂在内的能源加工企业使用的关键部件。当今,运营商监测和模拟这些设备是为了进行事先保养,以及确保整个工厂优化的安全性。对工厂进行效率和安全管理,以及提高生产效率是当今工业互联网发挥作用的领域。

全球有655家炼油厂,每天的原油产量为8800万桶--与全球石油日均消费量基本持平。每个现代炼油厂约有45个大型的旋转系统。这些系统存在于包括原油和真空蒸馏、焦化、加氢裂化、加氢精制、异构化等在内的各种关键性的炼油环节中。一些炼油厂较小,另一些则较复杂,基于其处理原油和服务消费者的角度来说,世界上任何一家炼油厂从本质上来讲都是一个定制的工业厂房。大多数炼油厂配备的主要装备有离心充泵、湿式和干式压缩机组、动力涡轮机、空气冷却器。如果仅考虑重点系统,一个炼油厂大约用到3万个重要旋转部件。除此之外,众多的泵和小的设备成为了系统监控的目标。为了满足新兴市场需求,未来十五年,世界还需要新建超过100座炼油厂,现有的炼油厂规模也将扩张。这表明,仅石油炼油厂在流程管理和自动化方面新增需求将超过4500个大型旋转系统。

卫生保健

虽然还未得到普遍认可,但是卫生保健服务业也用到了旋转机器。一个实例为计算机断层扫描仪器(CT)。这些机械能够使身体内部结构可视化。CT采用了旋转的X射线设备,绘制出3D版身体横截面图像。全球大约有52000个CT机。CT机广泛应用于诊断和评价治疗效果,包括:心脏、血管造影、脑、胸部、腹部、整形外科。

这些例子仅是那些可以监控、模拟、远程控制和自动化的数以百万计的机器和关键系统的一部分。随着全球网络的兴起,资产配置能力提高,服务和安全提升,资源流动就得以优化。技术融合促使在老设备改装和整修的同时,可采用新设备。流程优化过程会产生新的可能性,提高全要素生产率,降低成本结构。这些系统有望改变各个工业领域的竞争平衡,生存压力将迫使很多企业迅速采用该系统。接下来的将分析工业互联网面临的潜在机遇和挑战。

五、工业互联网的益处

工业互联网对机械、设备、机动车和工业网络的益处多多,反过来又影响到更加广泛的经济领域。如上所述,全球工业体系是巨大的。在本节中,我们将更详细地回顾它对特定产业的潜在益处,并得出结论:即使是产业层面很小的进步,放大后也会对整个经济系统产生极大益处。此外,我们还将研究在过去的几十年里,生产力趋势如何影响经济增长,并对未来二十年中,工业互联网的扩展对全球经济可能产生的影响进行预测。

工业互联网为工业经济的发展大开方便大门。智能仪器仪表让每个机器都得以优化,从而使之性能更优,成本更低且可靠性更高。优化后的机器能以最佳性能运行,使运行和维护成本最小化。智能网络能让联网的机器都进行优化。

一些公司已经开始尝鲜,享受到了益处,并克服了捕获和处理数据流中的挑战。从历史上看,这些努力主要集中在工业资产的数字控制系统上,相较于现在,其性能范围较窄且分散。随着检测和数据处理成本的下降,并考虑到资产基础的规模,应通过智能设备进行更广泛的产品层面的系统和子系统集成。

另一方面,企业管理软件和解决方案已被广泛采用,用以推动企业层面的组织效率。这些努力带来的好处包括优化劳动力、供应链、质量、合规性,以及多地产品销售线及分销的跟踪和协调。

然而,这些努力有时会失败,虽然它们可以被动地跟踪产品层面的资产运营情况,但其对资产表现的影响能力是有限的。优化系统且最大限度地提高资产和企业绩效是工业互联网的功能。

全系统优化除了单个机器优化所带来的益处外,还可以使人们在工作中提高效率,减少开支。智能决策将使智能软件为机器和整个系统带来益处。此外,继续学习是推出更优新产品和服务设计的关键,从而形成优化产品和服务的良性循环,继而提高效率,降低成本。

对工业行业的益处:1%的力量

工业资产和设施通常是根据行业需求进行深度定制。因此,工业互联网带来的益处不尽相同,且强调的是工业互联网的不同方面。不过,它们共同的主题都是减少风险,提高燃油效率和劳动生产率,并降低成本。为了更详细地说明工业互联网的好处,我们考察了一些特定行业。每一个范例都充分体现了小进步——甚至小到一个百分点——都会为整个行业的全系统节约可观的开支。

商业航空业

像其他商业运输系统一样,航空业是未来受益于工业互联网的理想产业。通过重点优化业务和资产,同时提高航空业务各个环节的安全性,工业互联网应用有可能改变航空业。工业互联网能同时优化航空公司的运营以及资产管理。通过减少燃料使用,提高机组人员工作效率,减少航班延误和取消,采取更有效的维护计划和零部件库存,以及优化飞行计划等,都能使运营情况得到改变。

通过改善后的预防性维护,可以延长发动机寿命和减少计划外的干扰,从而使航空公司的资产得到更好的优化。

 

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图8商业航空业网络

工业互联网影响航空业的一个愿景来自于飞机维修领域的库存管理。一架智能的飞机会告诉维修人员,何时以及哪些零件可能需要更换。这将使商业航空运营商从当前周期性维护计划转变为根据实际需要的维护计划。传感器、数据分析,以及人与机器之间的数据共享等元素的结合将有望降低航空公司的成本,并提高维护效率。

这些系统类似虚拟的维修队伍,用以确定飞机及其子系统的状态,以提供实时且可操作的信息,帮助飞机运营商在故障发生前进行预测,并提供一个快速且准确的“全面体检”。

随着该行业更加适应智能监控设备来发出零件更换信号,我们就可以从传统的零件更换周期中解脱出来。根据相关规定,飞机在一定的飞行周期后方可进行维修或更换部件。在正确的时间更换零件,而不是根据飞行周期决定是否更换零件,这一变化带来的益处是巨大的。假设我们可以达到或改善所有的安全措施,那零件库存就可以减少,飞机的利用率可以提高,而成本就可以降低。航空公司可以提前检测到问题,并以一种方便、准确和简洁的方式找出故障的部位。

在过去的几十年里,全球商业航空业增速和世界贸易的发展速度相当,比全球经济还要快2-3倍。如今,每年全球商业航空业的收入约为5600亿美元。然而,该行业的收益率和资本回报率却面临重大挑战。这些挑战集中在燃料成本(占了近30%的行业成本)以及提高资产利用率上。在美国,美国联邦航空管理局(FAA)进行的一项研究表明,过去8年间,飞行效率低下使得平均成本增加约8-22%。这就意味着,如果提高生产力就能大幅缩减成本。

全球商业航空业每年在喷气燃料上的花费约为1700亿美元。通过优化飞行计划和改变运营情况,有望降低5%的成本,这相当于每年多盈利超过80亿美元。如果工业互联网技术能实现成本降低1%,将意味着每年多收入近20亿美元,或15年间燃料成本节省超过约300亿美元。

另一个潜在的好处是减少支出。从2002年至2009年,商业航空业总花费近1万亿美元,即每年1350亿美元。如果通过工业互联网更好地利用现有资产,减少1%的资本开支,则每年能节约13亿美元,15年累计节约超过190亿美元。从运营角度来看,双引擎宽体商用喷气式飞机的平均每飞行小时维护成本约为1200美元。2011年,商用喷气飞机在空中飞行达5000万小时。这意味着年度维护费用高达600亿美元。发动机维护占了总维护成本的43%,即250亿美元。由此看来,利用工业互联网在发动机维修效率上每提高1个百分点,就能减少2.5亿美元商业喷气发动机的维修费用。

铁路运输

全球地面交通系统最主要的网络是商业机动车和铁路系统。工业互联网应用在全球地面交通系统中能发挥的作用是巨大的。在机械层面,汽车和机车检测设备将为解决速度、可靠性和能力问题的深度分析提供基础。

实时诊断和预测性分析将减少维修成本,预测机械故障。在机动车层面,机动车检测设备将减少车队调度上的损耗。此外,优化目标十分灵活。机动车可以在成本最小化、速度和最佳供应以及销售时机等方面得到优化。

铁路系统的一个例子是行动规划软件。这些工具可以通过一个精密的显示器对网络情况进行实时监控,为运营者提供最佳决策所需信息。有了这个软件,铁路运营商可以通过全球定位系统、轨道电路、自动设备识别阅读器,以及时间追踪等技术在信号和非信号地区对列车运营进行监控。通过使用内置流量管理应用程序,运营商能有效管理列车时刻,并迅速应对突发事件。这些软件解决方案为未来工业互联网系统下的全球铁路系统提供基础,是提高铁路运营,实现潜在益处的重要组成部分。

在全球范围内,每年的运输物流成本约为4.9万亿美元,约占全球GDP的7%。

铁路交通的投资、运营和维护成本占总成本的5%,即每年2450亿美元。铁路的运营成本占铁路交通成本总额的75%,即每年约1840亿美元。根据GE交通运输集团的估算,有2.5%的铁路运营成本是系统效率低下的结果。这一比例的金额为每年560亿美元。如果效率只提高1%,每年就可以节省18亿美元,15年总共能节约270亿美元。类似的低效运营还出现在货车运输业、交通机动车和船舶业,这意味着还能实现交通系统更大的节约。

发电

能源生产是工业互联网应用的另一个重要行业。全球电力系统约有5200GW的发电能力。而1GW能为75万个美国家庭供电。此外,还有数百万公里的高压输电线、分站、变压器和配电线路。适用于交通运输行业的许多概念也可以应用到电力行业,如机械预防性维护或机动车优化等,还有提高可靠性,增强安全性,提高生产效率和燃油效率等目标。

断电不仅花费高,还具有破坏性和危险性。很多时候,断电长达数周无法恢复,这是因为线路断电的位置无法立即确定,需对系统进行大修,而所需零部件有时还在大洋彼岸。

随着工业互联网的发展,从最大的发电机到电线杆上的变压器都可以连接到互联网上,以提供状态更新和性能数据。运营商则因此可以先发制人,在出现问题之前解决它。此外,维修人员在进行维修之前,也不用以高成本的方式“走走看看”了,他们可以预见问题所在,并准备相关的维修零件。这也使得包括树木修枝相关配套公用设施的成本最小化。通过结合传输、植被以及气候等相关信息,就可以确定植物引起断电的概率,以及断电的可能影响。这将有助于运营商更好地安排树木修剪工作,最大限度地降低成本。

另一个例子充分体现了随着工业互联网的兴起,发电厂的运作是如何改变的。新的数据压缩技术,使工厂管理人员可以跟踪海量数据流的变化,而不用花费所有时间跟踪每一个数据。对于运营商来说,这也许仅仅是被监控的两个数据集之间的关系。在此之前,运营商很可能会忽略炎热的天气、高负荷、高湿度和机组性能差之间的关联性。而如今,很容易就能针对大数据集的变化进行比较和设想,这使得公司能够不断地进行学习。在未来,工程师可以只提出一个关于不规则性的问题,并且随着时间的推移,历史上的相似问题会从成千上万的服务单元中被挖掘出,而答案可以秒为单位被落实。人们期待,更快的响应速度能提高效率和降低成本。

随着这些技术和做法在世界各地被扩散,想象一下工业互联网将如何扩大影响是非常有趣的。下一个例子涉及燃料成本。根据GE的估算,在全球范围内,燃气电厂约消耗相当于1.1亿吨油量的天然气来进行发电。世界各地的天然气价格有着明显差异。在一些国家,天然气的价格与石油价格挂钩。而在其他譬如美国这样的国家,天然气价格由基于供需基本原则的自由市场所决定。根据GE的估算,全球范围内,电力部门在去年花费了超过2500亿美元用于可燃气体;到2015年,该项支出预计将增长到约3000亿美元,而到2020年这个数字可能会超过4400亿美元。提高效率也许可以通过与改良天然气和电网整合相关的工业互联网技术得以实现。使用一个保守的假设,如果国家一级的天然气生产平均效率能够改善1%,便可实现燃油的节省,在2015年燃油开支将减少30亿美元以上,而到2020年将减少44亿美元以上。在15年的时间内,累计节省将超过660亿美元。

石油和天然气的开发与交付

石油和天然气工业提供了丰富的例子,可以证明工业互联网是如何得到部署,从而提高生产力和优化工业进程。随着传统储备的石油和天然气的耗尽,石油和天然气上游行业已被迫进一步深入发掘未开采地区,以寻求新的大型油气供应。许多行业观察家指出,资源潜力仍然是巨大的,这将需要更多的资金和技术来使其进入市场。轻易便能开发石油和天然气资源的时代已走到尽头。但对石油和天然气开采行为的审核标准只升不降。公司的经营环境处于更高的透明度之下,其中部分原因来自于信息技术的发展,但同时也是因为商业风险和资本密集度不断推动了行业、监管机构和社会之间的合作需要。这一现实推动了石油和天然气行业去实现若干重要的目标,这些目标包括:提高经营效率和提高生产力;项目开发、运营和维护所需的更低使用周期成本;持续改进安全性、环境以及执行标准;翻新老化设施和适应劳动力人口转移统计;开发地方能力,并支持更远程物流。

虽然很多措施增加了操作的复杂性,但通过工业互联网来节约成本和提高效率的潜力仍然巨大。很明显的例子就是新兴的工业互联网可以增加关键性的成套设备的供应,降低燃料消耗,提高生产效率和降低成本。传统上,石油和天然气行业要适应新技术的过程很缓慢。考虑到大笔资金的投入,在新技术得到部署之前,企业都更想得到强有力的参考和技术验证。按照传统,吸收技术的过程一直是缓慢的,在直接响应的行业,技术的采用会经历三个不同的阶段。技术集成的每个阶段都为行业带来了显著效益,并且这些工作直接带来了必要资源基础的扩展。

沿着价值链上游,在过去的十年里,行业已经朝着采用选定技术的方向发展。其例子包括:使用井下传感器跟踪事件,利用智能完井技术优化产品流程,以及施以良性刺激提高生产效率;在公司运营地点集中的当地设施,用无线通信系统连接地下和地面上的信息网络;实时数据监控确保安全性和优化;预测分析,以更好地了解和预测储层特性;动态监测,比如针对四维地震,以了解经过一段时间的生产工作后,流体的迁移和水库的变化;在许多情况下,这些工作降低了成本,提高了生产效率,并且扩大了资源潜力。

石油资源潜力的概念提供了一个针对工业互联网价值的观点。全球石油资源基地是巨大的,但采集率相对较低。在全球范围内,利用现有技术的平均采集率只有35%,也就是100桶油中只有35桶被从地下送至地面上。数字油田的想法已经流行了数十年。早先的预估曾指出,如果数字技术得以积极部署的话,十几年就能新增1250亿桶的石油储量。从这时起,这个行业已经逐步从广泛地定义概念和克服可靠性和连通性问题,发展到现在的成功管理数据和运作运营中心,为花费在每一项技术上的每一分钱创造最大价值。如今,全球的石油产量每天约为8400万桶,即每年310亿桶(4亿吨油量)。目前,已探明的石油储量据估算约为1.6万亿桶。尤其是在开采不太成熟的油区,收益的潜力仍然很大。假设新一波的工业互联网技术的采用可以提高已探明储量的1%,那么这将转化为160亿桶也就是一整年全球石油需求的一半。

虽然上面的例子很能说明问题,但实际上,这些新增储量将需要较长的时间来实现,重要的一点在于——在采集率上的细微改进所带来的潜在储量看上去是可观的。

另一种考虑收益的方式是从资本支出效率的观点出发。在2012年,石油和天然气的上游支出估计约为6000亿美元。展望未来,GE估计每年支出可能有8%的增长,以满足全球对石油和天然气的需求。如果除了已经被部署的技术外,工业互联网技术能将资本支出削减1%,那么这将转化为每年60亿美元以上的储蓄,也就是15年900亿美元。(未完待续)

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