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全球灯塔网络:第四次工业革命技术实现可持续发展
时间:2022-05-07 11:07 作者:赛迪信软所 来源:工业互联网世界公众号

【工业互联网世界网 讯】2021年9月,世界经济论坛与麦肯锡公司合作发布《全球灯塔网络:利用第四次工业革命技术实现可持续发展》报告。报告认为,面对日益加深的气候紧急情况,企业提高生态效率、推动可持续发展是对全球气候行动呼声的重要回应。

报告通过具体企业案例,详细介绍了利用第四次工业革命技术提高可持续发展的“灯塔工厂”模式。报告不仅呼吁要扩大“灯塔工厂”网络,而且特别提出要加强“可持续灯塔工厂”模式的推广,以期为环境建设做出更大的贡献。赛迪智库信息化与软件产业研究所对报告进行了编译,期望对我国有关部门有所帮助。

【关键词】

灯塔工厂 第四次工业革命技术 生态效率

灯塔网络引领企业发展

今日之趋势是明日之标准

(一)全球灯塔网络聚集行业领先企业

2018年,世界经济论坛与麦肯锡公司合作启动了全球灯塔网络。这一网络中的各领先企业以实际情况表明,第四次工业革命技术能够真正推动制造业转型。

随着网络不断发展,人们越来越清楚地认识到,第四次工业革命转型可以跨越地域和行业。此外,越来越多的证据表明,敏捷性和以客户为中心、供应链弹性、速度和生产力以及生态效率这四个方面正在不同背景下实现持久转变。来自不同行业、从事不同工作的企业在进行同样的转变,这已成为当今社会的发展趋势。与此同时,行业领先企业正以成功经历展示这些转变带来勃勃生机。

截至2021年9月,自3月份以来,全球灯塔网络新添21家不同行业的“灯塔工厂”,总数达90家,其中包括3家“可持续灯塔工厂”(图1)。

图1:截至2021年9月27日,全球灯塔网络成员数量达90家

图2:全球灯塔网络在各行业的规模和多样性均在不断增长

图3:“灯塔工厂”正在各生产工厂部署124个用例,并将价值链端到端连接起来

图4:新增“灯塔工厂”的各种用例

图5:“可持续灯塔工厂”表明第四次工业革命对可持续性的影响

(二)“灯塔工厂”利用数字技术提高生产力,并实现可持续发展

在对“灯塔工厂”成功案例进行详细研究后发现,在第四次工业革命技术方面投资的企业在生产力、可持续性、运营成本、定制化和上市速度方面均取得积极进展。企业可利用数字化转型提高竞争力,从而大大提高能源及自然资源利用率,使设备与生产空间发挥最大作用(图6)。

图6:第四次工业革命对“灯塔工厂”可持续性的影响

第四次工业革命

提高可持续性和生产力

(一)提高生态效率:对全球气候行动呼声的重要回应

《巴黎协定》的签订旨在抑制本世纪全球气温上升,将本世纪气温相比于工业化前的上升幅度限制在2摄氏度以内,并努力将温度上升幅度限制在1.5摄氏度以内。为实现上述目标,到2020年,83个国家以及欧盟(EU)共提出了700项可持续消费和生产相关政策。然而,2020年只有40个国家报告了可持续的公共采办政策或计划,这些政策或计划将鼓励行业生产更具环保效益的产品,推动具有社会责任感的采办行为,并提高供应链的可持续性。

2021年8月9日,联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)对日益加深的气候紧急情况发出了有史以来最严厉的警告。联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯说,这是“人类的红色警报”。

在这些呼吁的驱动下,企业首先开启了生态效率转变进程。生态效率的实现得益于第四次工业革命技术(图7)。随着各企业逐步实现生态效率,环境责任与运营绩效增长之间并不相互对立的新观念也得到了很好的证明。除可再生能源采购等更容易获得公众认可的环保举措外,数字化转型也能产生正的投资回报率(ROI),同时带来一系列可持续发展成效。

图7:生态效率可通过第四次工业革命转型实现

(二)“灯塔工厂”指明方向:第四次工业革命推动可持续发展

第四次工业革命技术加速推进了可持续发展进程,企业能在解决经营问题的同时,减少废物、能源消耗和温室气体排放等对环境不利的因素,从而在可持续发展方面处于领先地位。

半数以上的“灯塔工厂”(64%)报告称,第四次工业革命转型直接或间接影响了可持续发展(图8)。例如,在14个制造加工业“灯塔工厂”中,有29%称第四次工业革命转型直接影响了可持续发展,关键绩效指标获得了可持续性收益;有50%称其受到了其他用例的间接影响。在12个消费者包装商品行业“灯塔工厂”中,有25%称第四次工业革命转型直接影响了可持续发展,有50%称受到了旨在解决不同经营问题的第四次工业革命活动的间接影响。在高新技术产业以及制药和医疗产品行业中,受到直接影响与间接影响的企业占比均较为接近。

图8:64%的“灯塔工厂”报告称第四次工业革命转型促进了可持续发展

以上数据说明,第四次工业革命相关活动,包括直接影响可持续性的用例,以及有其他目的、间接影响可持续性的用例,正在对环境产生积极影响。

当然,无论是仅实现可持续发展,还是仅提高生产效率,都不等同于实现生态效率。要真正解决“人类的红色警报”,就必须同时实现上述两个方面。为实现这一目标,企业必须将可持续发展纳入业务议程。“灯塔工厂”以实际情况表明,越来越多的领先企业正在采取这方面的举措(图9)。

图9:“灯塔工厂”的可持续性和生产力均有所提高

第四次工业革命技术对可持续性影响

“灯塔工厂”用例研究

本部分研究五个先进生态效率用例如何提高可持续性。这些用例研究涉及制造业中从炼油厂到先进电子产品等不同领域的企业。其中三个用例研究了采用最常见直接影响2用例的工厂,另外两个用例则研究了采用间接影响3用例的工厂,体现了用例的间接影响如何显著促进可持续发展(图10)。

图10:第四次工业革命技术实现可持续发展

1、爱立信公司利用工业物联网平台提高可持续性

爱立信公司在美国德克萨斯州刘易斯维尔智能工厂推进环保工作,第一步便是建造经过专门设计的建筑,将包括暖通空调等系统在内的设备进行整合。该工厂有一个容积为4万加仑的水箱,用于对雨水进行收集、处理和再利用。此外,工厂还配备有制冷机和储冰罐,能对收集的水进行高效的现场冷却。现场太阳能电池板在为工厂提供充足电力的同时,还能利用日常作业后剩余的能量将雨水冷冻起来,供将来使用。

基于这一绿色建筑设计,爱立信整合了第四次工业革命智能工厂工具,进一步增强了对可持续性的影响。该公司配备的4G/5G传感器网络可为智能管理平台提供信息,该平台能监测和显示整个设施的能源消耗、泄漏和气温。该网络还可以通过分析能源消耗数据,自动为设备通电或断电。当检测到有性能不佳的设备时,该网络将提醒现场操作人员,同时为主动维修解决方案提供相关建议。

爱立信的这一先进工厂获得了“能源与环境设计先锋奖”金级认证。该工厂的电力全部来自现场太阳能电池板等设备提供的可再生能源。由于设计巧妙,该工厂的室内耗水量减少了75%,与同类建筑相比,能源消耗减少了约24%,与棕地工厂相比,几乎消除了碳排放。通过将绿色工厂设计与第四次工业革命可持续发展工具相结合,爱立信旨在通过先进的数字用例对可持续发展产生持续而显著的直接影响,这使该公司为希望实现生态效率的企业树立了典范。此用例展示了第四次工业革命技术如何基于绿色技术对可持续发展产生更为深远的影响。

图11:爱立信的绿色智能工厂配备有实时监测技术可持续性的传感器

2、阿塞拜疆国家石油公司利用数字孪生进一步影响可持续发展

阿塞拜疆国家石油公司(SOCAR)最先进的用例之一是数字孪生,通过设计根据实时运营数据的能源网络虚拟副本,利用数字技术获得独特见解和建议,从而优化公司运营模式。基于这些虚拟副本,各业务部门的能源优化模型在土耳其伊兹密尔的Petkim石油化工厂和STAR炼油设施之间建立了一个数据模型,使二者相互连接。阿塞拜疆国家石油公司利用第四次工业革命技术、流程信息和外部数据源,设计了最佳能源解决方案,既满足了生产计划,又提高了能源利用效率。

阿塞拜疆国家石油公司已在棕地Petkim石油化工厂和STAR炼油厂部署了3000多个第四次工业革命传感器,以增加设备的现有数据。同时,这些传感器也在绿地STAR炼油厂为机器学习统计工具提供信息,而这些工具有利于优化业务部门的电力需求,平衡对蒸汽和风能的利用。该公司实验室通过反复测量,提高了数据的准确性,并对结果进行验证。此外,机器学习优化了炼油厂的能源消耗解决方案。

阿塞拜疆国家石油公司通过连接STAR和Petkim的能源与蒸汽网络,推动数字孪生能源优化模型的建立,促进整体系统的整合。相互连接的蒸汽网和能源数据模型能够自动分析生成蒸汽平衡建议并提供给运营商,从而提高蒸汽和电力使用的整体效率。

该模型的动态设计最大限度降低了各业务部门的能源成本,指导运营商采用最佳能源解决方案,兼顾电力市场价格、天然气价格、锅炉效率、涡轮机负荷和故障等因素。数字孪生模型能通过连续的数据流实时了解影响效率的各项因素,从而随时提供最新的优化解决方案。这使得温室气体排放量减少了14%,耗水量减少了13%,天然气消耗量减少了6%。

图12:阿塞拜疆国家石油公司Petkim-STAR建立了业务部门范围内的能源优化模型

3、友达光电股份有限公司采用先进分析方法提高可持续性

智能技术可以对系统进行优化,使其达到理想性能,同时提高可持续性。作为全球先进显示器和太阳能电池板生产商,友达光电在其台中工厂开发了一套内部自动反馈能源系统。该系统利用物联网传感器和虚拟模型,自动对设备运行参数进行实时调整,提高生态效率。

自动反馈能源系统通过平衡功耗和载荷等设备参数,同时兼顾工厂的温度、湿度、气压和焓(特定系统中的热含量衡量参数)等环境条件,在各生产批次之间智能修改产品配方。这有助于对玻璃板各批次生产流程进行优化,同时也有助于加强资源管理,提高水和原材料利用率。

智能系统优化了制冷机的制冷周期,使能源消耗占工厂总消耗的15%-18%。相比于人工控制,先进分析控制能更好地将温度调节至合适的洁净室作业温度。统计模型能将各种参数联系起来,如出口温度、制冷机负荷和清洁干燥的气流,模拟和预测模型则基于统计模型确定最佳控制点。经过这些流程后,洁净室便能收到基于历史数据和控制点算法进行温度优化的冷却水。另外,智能系统还为交换余热的冷却塔配备了一个预警系统,遇到问题后会对操作人员进行提醒。

通过采用这一自动反馈能源系统,友达光电的耗水量减少了23%,碳排放量减少了20%,工厂整体能耗减少了6%。

图13:友达光电的自动反馈能源系统优化公共能源消耗

4、西部数码公司利用第四次工业革命技术优化送货物流

物资运输,特别是空运,需要耗费大量的资源。位于泰国巴真府的西部数据公司利用第四次工业革命技术减少了温室气体排放,同时削减了物流成本。该公司通过其自动化物流系统,利用运营数据以及物联网和机器学习工具开发了一个货运整合和物流优化程序。通过这一措施,该公司对空运进行了优化,降低了成本,并消除了不必要货运的温室气体排放。

上述影响得益于一个能提高运输可靠性的机器学习数据模型。西部数据公司的自动化物流系统可同时对物联网传感器数据和运营(运输管理系统)数据进行处理,生成一个不断更新的数据集。物联网传感器会实时监测和报告货运物流数据,包括GPS位置以及倾斜角度、温度冲击、湿度和光线等条件。此外,数字运输管理系统简化了运营数据,如承运人详细信息、服务绩效、货运要求、提货信息和客户数据。

西部数据公司将大量数据和分析能力相结合,建立了一个优化模型。该模型能提供最佳的物流建议,而且通过将运输时间、路线、冲击、温度和客户满意度等货运性能数据点联系起来,该可靠性模型创建了承运人绩效“记分卡”,将其作为选择承运人的依据。自动化物流系统基于该模型提供了方案建议,改善了路线规划,实现了货运整合,缩短了运输时间,并同时减少延迟,实现实时决策。

西部数据公司通过部署这一第四次工业革命自动化系统,将温室气体排放量减少了12%,将物流成本降低了46%。

图14:西部数据公司采用自动化物流系统降低成本和减少温室气体排放

5、联合利华公司部署优化算法以提高质量和产量

联合利华公司通过在其迪拜个人护理品工厂整合多个第四次工业革命解决方案,改善了生产线绩效,促进了可持续性发展。该公司将嵌入式物联网设备和生产线优化系统相结合,以提高质量和产量,同时减少废物和耗水量。

上述成效得益于一个复杂的云计算平台。该平台实现了对现有信息技术架构的整合,其中包括生产计划、物料清单、物料管理、自动化系统可编程逻辑控制器(PLC)和企业资源规划(ERP)系统。此外,该计算平台还利用了来自第四次工业革命技术的数据,如来自射频识别(RFID)传感器或QR码的登记数据,以及从嵌入的无线设备中获得的数据。

这一云计算平台通过序列优化软件减少了转换。该内部软件能为多产品方案生成有效的生产计划序列。通过减少转换,生产线设备综合效率得到了提高,生产线清洗的耗水量也有所减少。同时,平台利用基于物联网设备和射频识别传感器/QR码的跟踪技术实现了智能验证和生产控制。验证流程检查点与关键工作步骤自动化相结合,减少了人为误差,进而降低了质量出现偏差的概率,减少了浪费。最后,平台的机上校正系统利用配量软件提高了配量的准确性。连续自我优化逻辑利用历史误差数据和实时传感器数据,进一步减少了质量偏差和浪费。

通过将上述第四次工业革命技术应用于生产线,联合利华迪拜工厂的材料浪费减少了42%,耗水量减少了15%,每吨成本节省了26%。

图15:联合利华整合第四次工业革命解决方案,以改善生产线绩效并降低对环境的影响

生态效率领跑者

“可持续灯塔工厂”

新的“可持续灯塔工厂”称号的设立是为了表彰推动可持续性发展的领先企业。“可持续灯塔工厂”除了达到其他先进“灯塔工厂”所具备的第四次工业革命技术成熟度外,还通过已部署先进用例的目的、影响和规模履行了对环境可持续性的承诺。其中,爱立信(美国路易斯维尔)、汉高(德国杜塞尔多夫)和施耐德电气(美国列克星敦)这三家企业脱颖而出,他们均广泛应用了第四次工业革命技术,并逐步减轻了自身生产活动对环境的影响(图16)。

图16:首批入选的“可持续灯塔工厂”是全球灯塔网络成员

“可持续灯塔工厂”正致力于进一步提高环境可持续性,且取得了显著成效。这些企业已明确将可持续发展目标纳入第四次工业革命整体目标,并做出了具体的时间安排,他们在多个环境领域均取得了一定的成效,逐步提高了自身的可持续性(图17)。

随着全球灯塔网络的持续扩大,我们呼吁更多的先进机构作为工厂或端到端价值链申请加入,并邀请未来的“可持续灯塔工厂”加入网络,以推动企业广泛采用第四次工业革命技术,并更大程度降低对环境的影响。

图17:“可持续灯塔工厂”是生态效率的领跑者,利用第四次工业革命最大限度降低对环境的影响

作者:赛迪智库信息化与软件产业研究所刘丽超

(责任编辑:王改静)