工业互联网的发展历程及实现路径

发布时间:2019/12/02        来源:青岛智能产业技术研究院       作者:滨海管理员

目前,我国工业互联网发展迅猛,从国家层面、部委层面、地方层面都在积极推动,国际上对工业互联网发展也比较关注。本文主要介绍工业互联网的三个方面内容:工业互联网的基本认识、国内外工业互联网的主要进展、我国工业互联网发展部署。

 
工业互联网的基本内涵
 
现在很多新的技术不断涌现,除了原来侧重的IT行业,新的技术还在加速向新的实体经济产业各个环节渗透,包括共享单车、自动驾驶、人工智能等。工业互联网本身就是和制造业的结合,ICT新的技术融合将会对原有工业模式产生很大的变化和影响。
 
国家强调数字化转型或数字经济。数字经济包含数字经济产业化和产业数字化两部分。
 
产业数字化部分强调ICT对其他产业的贡献,它会带动GDP增长,在农业、工业和服务业三大产业当中,目前对服务业影响比较大,其次是工业,对GDP增长的贡献超过30%。在当前工业领域,工业数字化已经是很重要的一块内容,也是工业转型升级很重要的推动力。
 
工业互联网发展的大脉络有两个维度,上面是互联网的发展,下面是工业的发展。互联网是从消费互联网向产业互联网发展,其中一个很重要的方面,就是面向实际的生产经营,利用互联网提供相关的服务和支撑。工业本身也是有自动化、系统化的一个过程。一开始是单机控制到工控系统出现,到ERP等工业的管理系统,工业和互联网逐步出现融合发展,到2012年工业互联网的概念正式提出来。随着新技术、新发展理念的引入,工业系统正在从单点的信息技术应用向全面的数字化、网络化、智能化演进。
 
工业互联网最开始由美国提出。美国对技术创新非常重视,在2011年就围绕实体经济进行创新发展布局。美国还有先进制造计划,积极打造制造业创新网络,即NNMI。这类似我国正在推动的创新中心,目前,美国已经有14个,围绕一些关键创新领域,把产业链相关方都聚集在一起,从而加速技术成果的产业化。2014年美国成立了工业互联网联盟即IIC,包含GE、AT&T、英特尔、思科等企业,在全球形成了很大的影响力。
 
我国也一直在积极布局工业转型发展,从两化融合到两化深度融合再到现在的工业互联网。关于采用“工业互联网”这个概念,开始也进行了反复论证,一是因为我国是制造业第一大国,其次我国互联网创新活跃,工业互联网可以将两个优势都结合起来。
 
2017年11月底,国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,工业互联网正式成为国家级战略,工业互联网是一个大的体系,是战略性变革的理念,不是简单的网络,也不是简单的平台,也不是简单的模式,是系统化的,是对工业制造业理念的大变革,会引导着技术脉络、管理体系等等变革。
 
工业互联网的内涵和定义很重要,它的界定实际上是定位和范畴的界定,直接影响到对工业互联网如何认识,包括大的架构和布局。目前工业互联网有两大内涵。首先是工业互联网是关键网络基础设施,工业互联网基于现有互联网,但同时会推动互联网发展和演进,以便满足安全、实时、可靠性等要求,包括工厂内网、工厂外网和标识解析。同时工业互联网还是新业态和新模式,类似互联网和移动互联网,围绕工业生产经营,会产生很多应用创新,包括智能化生产、网络化协同等等。
 
工业互联网的功能视角包括三大体系,即网络体系、数据体系、安全体系。第一个网络体系是基础,主要作用是把各个工业要素、各个工业环节连接起来,以支持数据的流动,具体包括网络互联、标识解析、信息交互;第二个是数据体系,数据体系是核心,通过数据的流动、共享、汇聚,支撑形成各种智能化应用。包括三大闭环,即生产控制的闭环、企业层面的运行决策优化闭环、整个产业链价值链闭环,其中生产控制闭环因为要满足生产环节实时反馈控制要求,需要满足超低时延、超高可靠性等要求。第三个体系是安全体系,安全体系是保障,需要和工业互联网发展同步规划、同步部署。三大体系是工业互联网的关键技术设施,把三大体系建设好,基础设施建设就非常好了,在这个基础上可以更好地支撑各种创新应用发展。
 
工业互联网的发展,一个很重要的核心任务就是建设好三大体系。网络体系方面,这是互联网现在的情况。包括智能终端、全球互联的IP网络以及HTTP等互联网协议。工业互联网的外延扩大了,包含了工厂内网。此处要特别说明一下DNS系统,上网都会输入域名,通过DNS获取域名对应服务器地址,然后才能接入到服务器获取相关信息。到工业互联网领域,标识解析就是一个很重要的系统。域名是很好记的,但对机器来说识读效率等就很低。在工业互联网领域,我们希望给原材料、产品附予编码,通过自动识读技术实现自动识读,为了定位服务器找到相关信息,也需要类似DNS的标识解析系统,以便实现编码到信息的定位。工业互联网的标识解析体系也是要建立类似DNS的分层分级的体系,标识解析听起来很抽象,简单概述起来,就是一个码加一个解析系统。
 
数据体系方面。数据体系是核心,通过数据汇聚和大数据分析等技术,形成智能分析和判断,而原来工业生产、经营、管理主要靠既有经验,平台将来可能汇聚很多数据。现工业互联网平台功能构分三层,三层的划分有点像云计算,最底层是边缘层,通过连接设备、不同系统等,把数据采集上来,可以做一些协议转换适配等等。中间是基础能力层,基础能力层是平台的核心,对数据进行汇聚、处理、清洗,最关键该层还会汇聚很多服务、模型、算法,并提供开发环境,特别是把现在的工业经验、工业模型等进行数字化,放到平台上,就很容易调用相关能力,形成新的应用。最上层是工业应用SAAS层,包括云化工业软件,现在很多工业企业都没有安装工业软件,通过提供云化的工业软件,如ERP,企业就可以租用了。还有垂直领域的应用创新。
 
安全体系方面,随着工业互联网发展,很多工业设备、系统都要连到互联网上,会带来很多安全挑战和风险。现在工业体系相对封闭,有的企业采用物理隔离或者逻辑隔离方式来保障系统安全,但是工业互联网的发展会慢慢促进工业系统的开放,互联网上的很多安全风险都会延伸到工业互联网中,所以安全体系建设是工业互联网发展的一个很重要的基础和前提。工业互联网安全体系包含五个方面:设备安全、网络安全、控制安全、应用安全和数据安全。
 
工业互联网目前以制造为切入点,但工业互联网不仅仅是制造业,也包含其他领域的应用。做好基础设施,如网络平台、安全等等,保证实时安全可靠,那么还可以有效支撑能源、交通、物流等发展。
 
3D打印、智能装备等强调单点智能,工业互联网是一个大的体系设计。通过数据的流动、数据分析,形成系统化的智能,这是远远超越原来靠经验来判断的,可能会出现很多新的发展空间,这对现有工业体系会产生很大的影响。
 
工业互联网的工业体系实际上复杂很多,将来工业互联网在工厂内部会出现新的网络连接,智能传感器、控制器等更多数据采集节点,互联网中会出现很多工业互联网平台。
 
国内外工业互联网的主要进展
 
目前工业互联网是全球布局热点。
 
美国因为互联网发展非常好,希望打造工业互联网发展基础,而且他们不仅仅是围绕工业,还包括能源、车联网、智慧城市等,工业互联网联盟是美国牵头的产业推进平台。德国更侧重制造业,强调ICT技术和工业本身的结合,并成立有工业4.0平台来推进产业发展。日本更强调机器人应用和工业本身高质量的发展,成立有IVI价值链促进协会、物联网协会等组织。相关组织都发布有各自的参考架构。我国首先也是从参考架构设计出发,同时通过测试引导新技术的研究,通过应用案例标杆,来引导应用探索。
 
美国和德国不同的地方在于:美国强调水平化、互操作能力建设;德国以工业为主。美国IIC和德国工业4.0清晰地展示了双方关注点。工业互联网应用说两个方面都涵盖,目前是以制造业为切入点,但更加强调水平化、互操作能力建设。
 
美国通过测试床引导新技术应用,且要求严格,必须有创新技术或解决方案才可以。美国的测试床覆盖范围较大,不仅涵盖智能制造,还延伸到产业互联网,如航空、微电网等。同时,通过测试床,积极推进软件定义、时间敏感网络、人工智能等研究和应用。
 
全球范围看,工业互联网平台成为全球竞争的焦点,大家使用互联网和移动互联网能感觉出来,谁的平台占据了优势,会汇聚越来越多的资源和用户。目前互联网领域对平台的竞争已经延伸到工业互联网领域。IT、CT、电信运营商、工业企业、互联网公司都在积极布局。许多大家熟知的公司都在布局工业互联网平台。
 
平台是工业互联网核心。国内和国际工业互联网平台还存在较大差距。GE在能源、航空、医疗等行业有深厚的积累,很多模型已经放到Predix平台上,相关机理模型、算法、工艺等需要多年沉淀,也能够反映出平台的技术基础和实力。从目前看,工业企业在工业互联网平台方面具有较强的竞争优势。
 
国际很多技术创新、产业布局在不断地调整和演进中。美国一些跨国企业、初创企业发展特别快,在工业互联网领域出现了很多独角兽企业,如Uptake。欧洲老牌工业企业,还有日本,都在加速工业互联网的布局和发展,同时也产生了很多技术创新,如边缘计算、低代码开发等。
 
产业之间也在不断深化合作。如美国PTC,与罗克韦尔开展深度合作,可以给工业企业提供整体解决方案,目前企业之间合作非常踊跃,平台发展也非常快。
 
  我国工业互联网发展部署
 
我国初步形成了“一大联盟”“两大阵营”“三大路径”“四大模式”的态势。“一大联盟”指工业互联网产业联盟,联盟会员已超过1000多家,包括ICT企业、工业企业、面向工业领域的解决方案提供商,在中国工业互联网发展一大特色是互联网企业非常积极。联盟也在积极提升国际影响力,并吸引外资企业参与,目前联盟会员中包含了20多家外资企业。此外,联盟会员中还包含了投融资机构。目前联盟已经形成“12+9+X”的组织架构,即12个工作组,9个特设组和X个分联盟。特别要提一下,12个工作组中,包含垂直领域工作组,以加速工业互联网在垂直领域的发展和落地,此外联盟还成立有政策法规和投融资组,以宣传我国工业互联网相关政策,促进产业与政策的对接,产业与投融资的对接。特色组主要是为加速推进一些热点方向的研究与发展,如开源特色组。
 
“两大阵营”主要指产业界分别从供给侧和需求侧出发,来推动和探索工业互联网发展。
 
我国不断加快工业互联网发展与探索,逐步形成了“三大路径”,一是工业企业的智能化改造,主要侧重工程内部,将设备、系统等连接加强数据采集,以实现企业提质增效等需求。二是工业与产品、企业上下游和用户的协作。在工业互联网理念引导下,工厂正在从封闭走向开放,产品走向智能化,工厂系统和产品、企业上下游和用户互联起来,在此基础上,提供产品增值服务、企业之间的信息交互与服务协作,了解用户的感受。三是平台化路径,工业企业、ICT企业等依托原有能力,结合工业互联网发展需求,来做工业互联网平台。
 
我国围绕工业互联网的创新应用有很多,有设备的健康管理、智能生产管理、能耗监控、排放管理、质量管理等。如设备健康管理,是国内外都在积极推进的应用,通过通信模块将设备连到网上,很容易做到预测性维护。还有创新应用是围绕企业经营管理和资源配置优化,依托平台化理念,可以将企业的生产能力、生产资源在全国甚至全球范围内进行开展调配和协作。和国外相比,由于我国工业企业信息化基础整体还较薄弱,在模式创新同时还需要同步补课,如针对工业企业信息化水平较低的问题,利用工业互联网平台、企业上云用云,来满足中小企业低成本信息化需求。通过平台连接工厂,可以打通供需,或将订单分解成不同的工厂加工。还有连接物流,可以优化物流效率。有的企业还通过平台来连接金融,来服务中小企业贷款等等。
 
我国工业互联网顶层设计基本已经完成了,包括国家战略设计和技术体系设计。围绕网络、平台和安全,正在加速创新,当然我们也面临很多挑战。安全保障体系同步还要加强设计,且与发展同步推进。随着新技术如区块链、人工智能等发展,这些新技术正在加速向工业领域延伸。技术方面,IT和OT融合是个挑战,且新技术在工业领域的应用有效性待验证,不同场景对数据模型不同,大数据分析能力需求也不同。我国工业领域技术基础较弱,还需补课并加快跟进。
 
应用方面,中国企业信息化程度薄弱,且本身资金短缺,投入不足,一些标准化的解决方案不能大规模推广。
 
国家高度重视工业互联网发展,去年12月底,中央经济工作会上把工业互联网定位于新型基础设施,目前工信部等相关部委正在加紧落实推进。此外,今年政府工作报告也提出打造工业互联网平台,拓展互联网+等等。
 
工业互联网指导意见是工业互联网纲领性文件,重点任务可以归纳“323行动”,包括打造网络、平台、安全三大体系,推动应用发展以及产业支撑、创新生态和国际合作。
 
工业互联网外网怎么推动演进升级,以满足工业高可靠、低时延、广覆盖、可定制的需求。工厂内网包括IT系统、OT系统,需要推动它无线化、扁平化和灵活化。现在两个重点,第一个就是TSN,时延可达到毫秒级、同步可达到纳秒级,可以很好满足工业现场高实时等要求。第二就是5G在工业互联网中的应用。
 
关于标识解析体系。国家顶级节点向下连接二级节点,因为工业可细分很多行业,如机械制造、汽车、原材料、信息电子,不同行业可以做不同的二级节点。目前现在5个顶级节点已经上线试运行,很多企业和地方在加速推进二级节点建设。标识解析整个产业生态还涉及标签技术、打码设备、读写设备、校验设备以及标识注册、解析软件等。
 
平台方面,正在推动建设和运营同步发展,希望到2020年打造10个左右“双跨”平台,到2025年形成15个国际竞争性的平台,同时建设实验验证平台来支撑相关研究和发展。
 
安全方面,要打造安全防护能力,数据是最重要的,它的安全防护机制是重点的。国家正在推动工业互联网安全监测能力建设,包括国家、省级/行业和企业三级。
 
应用方面,要提升大企业工业互联网创新应用水平,提升工业互联网集成,引导其发展平台。中小企业创新活跃,应引导它数字化、网络化和向云端迁移。
 
三大支撑体系方面,包括构建协同创新生态,组织区域创新示范工程,建设工业互联网创新中心和示范基地。推动产业支撑能力建设,包括技术研究、标准研制、产品解决方案的孵化。同时积极推进国际合作交流与推广,互操作性是工业互联网的关键,需要打造全球化的技术标准。
 
工业互联网不仅仅是制造业的切入点,通过工业互联网发展可以探索出整个数字经济发展的路径,或者说产业转型发展的方法和路径。工业互联网做好了以后,会带动整个实体经济的发展。当然,工业互联网还有很多需要研究和探索的地方,特别是应用模式、推广模式、商业模式方面,还有很多挑战。
 
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