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工業為本,“新基建”助力工業互聯網發展

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 以下文章來自  中國航空工業集團信息技術中心  寧振波

 

 

   2020年注定是一個不平凡的一年,新冠疫情蔓延,多個城市社區封閉,使得全國靜下心來重新思考中國的發展問題,在這個大背景下中央政治局適時提出的 “新基建”。就是以5G、人工智能、工業互聯網等為核心的新型數字基礎設施建設,既符合我國產業升級需要,也代表著中國經濟高質量發展的方向。眾所周知,工業和制造業是國家的命脈,是國之重器。新基建以工業為本,必然會為我國工業發展打下堅實基礎。

一、“新基建”背景下的工業互聯網

 

中國有句老話,開門七件事:“柴、米、油、鹽、醬、醋、茶。”為什么把柴放在第一位?因為柴是能量,是能源。從柴到煤炭,再到石油天然氣,到太陽能、風能、核能,現在我們用得最多的就是電能,它對日常生活來說太重要了。我們始終說物質文明和精神文明兩手一起抓,兩手都要硬。有了電就有了能量,就有了我們人類衣食住行的生活基礎。人類的精神文明從哪里來?我們日常的文化生活,沒有電網就沒有電力供應,沒有電力供應,就沒有通訊網絡,就沒有現代社會人和人之間的交流,也沒有各種精神生活的分享和共享。武漢疫情期間,如果沒有電,沒有網絡,1000萬人被封閉在武漢,人們該如何過日子?新基建的七項內容就是能源和網絡,就是為我國的工業高質量發展打基礎的。    

 近幾年,國家特別重視工業互聯網的發展,工業互聯網就是連接工業和生產要素的,是“有線”加“無線”。國家多年布局的高速有線光纖主干網絡,為5G應用打下了基礎。高速的有線光纖加上5G的基站,再加上現場的“有線”加“無線”就可以構建最合理的工業互聯網體系。當然“新基建”中最重要的是人才。從推動兩化融合、到兩化深度融合、到現在的智能制造、工業互聯網,我們需要大量的既懂工業、又懂通訊和IT技術的人才。而這方面的人才奇缺,需要建立國家級的工業新智庫,各個省市也要建。要把真正能夠懂工業、又懂信息化的專業人才,納入工業新智庫。

二、工業互聯網的系統化思維

工業互聯網不能單獨理解,我們要建立一個系統化的總體思維。

1.云、大、移、物、智

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上圖寧振波教授具有自主版權

“云”是云計算,“大”是大數據,“移”是移動互聯網,“物”是物聯網,“智”包含兩個概念,人工智能和智能制造。我們不能拋開工業企業,空談“云大移物智”。 

最下面是制造業的產品研發體系,從產品的設計、仿真工藝、生產制造、檢測、實驗、運行、服務、維護、維修,到退役,這是整個的產品壽命周期。這個壽命周期中,產生的大量數據就是工業大數據。當然,很多地方要裝傳感器,才能感知到環境中的數據,這就是“狀態感知”。 

采集的工業大數據,通過工業互聯網傳遞到云平臺“實時分析”。云平臺有大量的服務器和軟件,隨著前端計算能力的加強,出現了邊緣計算。就會一部分在邊緣層實時分析,一些復雜的問題傳遞到云上實時分析。實時分析計算出結果,最后實現“自主決策”。需要注意的是:這個決策既不是僅靠電腦,也不是僅僅靠人,而是人的大腦和電腦相結合的智能制造和人工智能決策。決策反饋回到整個產品的研發工業體系中“精準執行”,從而構成了一個完整的閉環平臺。 

講到工業的數字化轉型,講以上任何一點都是片面的。我們講“云”也好,說大數據也好,做移動互聯網、物聯網、人工智能、智能制造,不能離開大的環境。“云、大、移、物、智”基礎是集成電路和軟件。自主版權的軟件和集成電路太重要了,除了基礎的操作系統,數據庫、互聯網軟件之外,最重要的就是工業軟件。

2.工業互聯網復姓“工業”名叫“網絡”

前幾次工業革命形成的流水線式的生產,都是單件大批量生產模式。生產方式的變革,出現了多件、小批量生產;隨著人們對單件定制化的要求越來越高,但是單件化定制是非常困難,比如英國的勞斯萊斯汽車,就是典型的單件定制的模式,因為有4000-5000多個鈑金件,焊接形成車型,僅僅做這種個性化汽車的沖壓模具,就需要數千萬元人民幣,成本很高,因而價格就非常高。

我們未來大規模單件定制怎么解決?既要節約材料,又要環境保護,于是人們就想到用軟件來解決個性化定制的問題,用軟件定義的通用模具和柔性模具代替過去單一的固定模具來生產不同的個性化產品。實際上,用軟件來控制數據的自動流動,解決復雜產品的不確定性,就是智能制造。具體就是:用軟件來定義和控制產品的設計、工藝、生產制造過程。以汽車為例,就是要讓參與研制汽車的各類人員、各種機器和物料互聯、互通、互動,生產出來汽車。因此,智能制造重點要解決人、機、物的互聯互通問題。國際互聯網連的是人,工業互聯網連的是機器和設備,物聯網連的是物料。

因此說,工業互聯網復姓“工業”。工業互聯網的特征是工業,工業的特征是什么?工業要有產品,產品的設計、工藝、生產制造過程、交付過程,制造過程中采用大量的生產制造設備、機器,工業互聯網連接的是生產要素,不是消費要素。工廠里面連著所有機器設備,都是工業互聯網,廠里配的水、電、氣、暖等,都是生產要素,不是消費要素。

 

三、工業互聯網的定義

1.什么是工業互聯網?

工業互聯網分為廣義和狹義的概念。

廣義的工業互聯網就是第四次工業革命的代名詞。與德國工業4.0以及中國制造2025類同,都是工業體系轉型的國家發展規劃。

狹義的工業互聯網僅僅指的是設備的聯網。設備聯網指的就是產品研制過程中設計用的設備(包括硬件和軟件,其中軟件叫軟設備)、工藝設備、生產制造中用的裝備、以及保證生產制造過程的水暖電氣等等環境設備;當然,制造出來的零件、組件、部件、全機產品;都要做大量的物理實驗和測試計量工作;這些用于物理實驗和測試計量的各類設備也是工業設備,當然,用于復雜產品運行、維護、維修、健康管理等等的聯網診斷也是工業互聯網。因此狹義的工業互聯網:包含了設計工藝、生產制造、環境控制、實驗室測試、計量、運行、維護等等連接的各種設備。這些設備的連接就是狹義的工業互聯網連接。

而現在我們國家推動的工業互聯網行動計劃,實際上指的是廣義的工業互聯網。廣義的工業互聯網核心是提升一個國家的工業能力和工業水平,當然也是我們國家制造業轉型升級的一個重大推手和抓手。我們來看一看到底什么是廣義的工業互聯網。

1946年出現第一臺電子計算機; 1956年提出人工智能的概念;1967年美國國防部預研局為連接幾臺不同的大型計算機建立的ARPA(阿帕網,國際互聯網前身),到1969年第一臺PLC的出現(工業互聯網的雛形),90年代國際互聯網的推廣和應用。這些都是連接。設備連接起來了,我們就可以快速的互通信息、快速的交流。

復雜的工業現場和多樣的工業設備是工業互聯網平臺建設中的一大阻礙。據不完全統計,工業總線現在有120多種,各類終端設備的通訊協議大概400-5000種左右;全部5000余種驅動(工業數據的采集、解析和轉換),包括PLC、變頻器、板卡、智能模塊、智能儀表、標準協議、機床等。

智能制造最重要的基礎——是系統之間實現信息交互,由于每一個獨立系統都遵從各自標準,因此實現不同系統之間信息交互必須通過標準化的方法。我國正在開展通過OPC-UA 標準解決不同系統之間互聯互通的研究。

2.工業的三個工業特征決定了工業互聯網的特殊性。

第一,行業特征。同行業內,每個企業都是產品的競爭關系。比如說美國GE公司的工業互聯網Predix,自己、下游企業、配套企業、用戶企業,都可以使用;但是英國的羅羅、美國的普惠以及相關企業不會使用。因為其中有產品的技術秘密、商業秘密等,不可能把企業的生命線交給同類的競爭企業。國內也一樣,三一重工、徐工、中聯重科等工程機械公司,海爾、美的、格力等等家電巨頭,他們不可能用同一張工業互聯網來解決問題。

第二,產品復雜度。國際互聯網可以接入任何人員和任何電腦類設備,溝通的是信息流,接入的數量越大就越有價值,它像X軸,是扁平的。但是工業互聯網像Y軸,做的越深入越好。比如以海爾的產品來講,家電最復雜的產品可能就幾十個傳感器,就可以深入檢測需要的零組件工作狀態。工程機械產品傳感器一般來說有100多個,這100多個傳感器的整體感知,深入檢測需要的零組件工作狀態,判斷診斷機器設備的健康情況,它連接的復雜度、傳輸的復雜、應用的復雜度、管理的復雜度、工業APP開發的復雜度和家電產品不一樣。目前單一產品傳感器最多的是空客A380飛機。每個發動機有2000個傳感器,每架飛機上總共有超過2萬個傳感器。因此應用于飛機的工業云平臺以及工業互聯網平臺,和汽車、工程機械以及家電的工業互聯網平臺復雜度完全不在一個層級。所以我認為工業互聯網平臺降維可用,升維非常困難。就是說為復雜產品研制的工業互聯網平臺可以降維用于簡單產品;為簡單產品研制的工業互聯網平臺沒有升維用于復雜產品的機會。

第三,工業設備的安全性要求極高。由于工業網絡開放,對安全和保密要求特別高,普通的國際互聯網,網絡侵入丟失的是信息,工業設備網絡如果侵入就是災難性的,如:伊朗核濃縮機事件,煉鐵爐、煉鋼爐、核電站等等事關國家安全的極其重要的工作場所,都對安全性提出了苛刻的安全要求。因此一個國家的工業安全是國家命脈,不能有任何疏忽。

鑒于以上三個原因,工業互聯網是多行業、多地區的多張網絡,而不是國際互聯網的一張網。

3.工業互聯網的起源。

第一次工業革命是機械化。電氣化時代有了網絡的概念。但這個網絡概念是電網絡。從電力聯網到電氣網絡的自動化過程,再到數字化的過程,就進入了工業互聯網的范疇,上個世紀是工業互聯網的萌芽期。

工業互聯網是通過工業互聯網平臺把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接融合起來,可以幫助制造業優化產業鏈,形成跨設備、跨系統、跨廠區、跨地區的互聯互通,從而提高效率,推動整個制造服務體系智能化,還有利于推動制造業融通發展,實現制造業和服務業之間的跨越發展,使工業經濟各種要素資源能夠高效共享。國家頂級節點是整個工業互聯網標識解析體系的核心環節,是支撐工業萬物互聯互通的神經樞紐。在工業互聯網中,網絡是基礎。平臺是核心。安全是保障。如果沒有工業這個主體,就不是工業互聯網。 

工業互聯網有三大系統需要系統思考:1.工業機理模型,是中國的薄弱環節;2.工業APP的建設;3.前端傳感器以及工業總線、通訊協議的自主化。工信部苗部長多次講過:推動中國制造業百萬工業APP建設,也安排了多項研究項目,以此推進工業互聯網的建設。

 

4.工業互聯網APP(簡稱工業APP)。

工業APP是基于工業互聯網,承載工業知識和經驗,滿足特定需求的工業應用軟件,是工業技術軟件化的重要成果。工業APP是面向工業產品全生命周期相關業務(設計、生產、實驗、使用、保障、交易、服務等)的場景需求,把工業產品及相關技術過程中的知識、最佳實踐及技術訣竅封裝成應用軟件。其本質是企業知識和技術訣竅的模型化、模塊化、標準化和軟件化,能夠有效促進知識的顯性化、公有化、組織化、系統化,極大地便利了知識的應用和復用。

工業APP作為一種新型的工業應用程序有6個典型特征:(1)完整地表達一個或多個特定功能,解決特定問題;(2)特定工業技術的載體;(3)小輕靈,可組合,可重用;(4)結構化和形式化;(5)輕代碼化;(6)平臺化可移植。到2025年,中國要打造百萬個工業APP支撐中國新型工業體系的建設。

設計、制造和實驗是制造業三大技術,是新工業革命的管理體系。過去的制造業三大技術,從設計、生產到實驗,都是基于藍圖,就是愛迪生的試錯法?,F在的新工業革命的技術體系,是基于虛擬的環境。這和原來流程完全不一樣,制造業信息化實際上就是軟件在傳統體系和流程中的單點應用。 過去設計過程中用CAD軟件,現在我們把產品也數字化了,從方案設計、產品的初步設計、到詳細設計產品分析、仿真工藝設計、工藝仿真、工裝設計裝配,產品研制過程全數字化了,形成了虛擬的模型。 在虛擬空間中完成了產品的設計生產和實驗沒有問題之后,把它的模型映射到生產過程中,指導實物生產。 過去的實物生產是手工生產線,現在建數字化生產線,未來是智能化的生產。 新工業革命的技術體系,最重要的就是以虛擬空間為主,把東西做好之后指導生產、指導實驗。這樣,我們就可以節省大量的資源??焖俳档统杀?、優化資源、進行綠色生產的指導。

 

四、工業互聯網的挑戰

復雜的工業生產和多樣的工業設備,是工業互聯網平臺建設一大阻礙。工業設備成千上萬。據不完全統計,全世界有超過100種工業總線,各類終端設備的通訊協議大概有4000~5000種,有5000多種驅動,挺復雜的。當然包括PLC、變頻器、板卡、智能模塊、智能儀表、標準協議、機器人和機床等。目前已開發出40多種現場總線,符合國際標準規定的有8種總線,當然還有幾種在工業控制領域廣泛應用的總線,包含德國博世公司為汽車開發的can總線,還有美國Echelon公司開發的LonWorks總線等。另外還有20多種儀表通訊協議。因此,我們搞工業互聯網必須從底層做起,要標準化,標準化是實現不同系統之間的信息交互。怎么交互,每一個獨立系統都要尊重各自的標準,形成不同系統之間的信息交互才可以。中國工程院已經組織相關專家把OPC-UA國際標準轉化成了中國國家標準,這個國際標準是IEC62541,國家標準是GB/T33863。這個實際上是工業互聯網做底層的必經之路和要做的功課。

設備之間具有高實時性要求的信息交互采用各種現場總線標準,設備層與控制層、管理層以及決策層之間的信息交互采用OPC-UA標準。

 

五、工業互聯網應用案例

工業APP要有多平臺,多操作系統支持,近年來涌現了大量的工業互聯網軟件。世界上第一個推出的工業APP就是201914日達索公司推出的CATIA xDesign,它可以在達索公司的公有云平臺上,通過瀏覽器網頁,就可以完成實體設計、曲面設計、裝配設計以及基本的CAE分析及優化。因此,無論是在計算機上,還是在各種移動終端上都可以通過瀏覽器網頁進行CAD設計。

當然 ,我們國內也有許多優秀的公司推出了工業互聯網軟件。如山東華天軟件子公司華云三維科技有限公司研發的國內首款、完全自主版權可控的新一代基于云架結構的三維CAD產品CrownCAD 正式上線。這是國內唯一的完全自主三維云產品,構建在自主的“三維幾何建模引擎”和自主的“幾何約束求解器”之上,打開網頁就能進行產品三維設計 。同時CrownCAD 適配國產芯片和國產操作系統,同時支持私有云部署,安全性得到有效保證,非常適合自主可控要求高的中國制造企業。還有東方國信工業互聯網平臺Cloudiip技術架構,在國外一些一帶一路的國家有許多成熟的案例。


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在工信部領導下,2019年開展了工業互聯網全國雙跨的評審,上圖是中國十大雙跨平臺。

圍繞行業生產特點和企業痛點問題,平臺企業在智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸等領域開發形成了一批系統解決方案,推動形成了不同的行業數字化賦能路徑,提升了全流程生產效率、提高質量、降低成本、縮短上市周期,創造出顯著經濟效益。

 

在本次新冠肺炎疫情期間,工業互聯網極大提升了疫情防控和復工復產的處置效率,顯示出工業互聯網的內在優越性,預計未來會有更多工業企業投入資金建設工業互聯網,以提升企業的業務質量和風險防控能力,推動業務創新,工業乃至實體經濟各個行業的數字化轉型會進一步加快,全球范圍內以工業互聯網為基石的第四次工業革命將進一步提速。從技術趨勢看,新一代信息技術的發展創新將推動工業互聯網持續升級迭代,5G、人工智能、區塊鏈、數字孿生等新興技術與制造業的融合將進一步加快和深化,顯著提升工業互聯網創新發展能力和水平。

我國新型基礎設施的布局為工業互聯網的發展提供了積極的政策引領,預計工業互聯網網絡、標識解析、平臺、安全等基礎能力建設將進一步加速,并與其他數字基礎設施的建設相互促進,為工業互聯網應用推廣普及提供良好基礎條件,有力支撐產業轉型升級和經濟高質量發展。

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