工业为本“新基建”助力工业互联网发展

工业为本“新基建”助力工业互联网发展

2020年注定是不平凡的一年,全球经济加速进入衰退期,在这个大背景下中央政治局适时提出的“新基建”,即以5G、人工智能、工业互联网等为核心的新型数字基础设施建设,既符合我国产业升级需要,也代表着中国经济高质量发展的方向。众所周知,工业和制造业是国家的命脉,是国之重器。新基建以工业为本,必然会为我国工业发展打下坚实基础。

一、“新基建”背景下的工业互联网

中国有句老话,开门七件事:“柴、米、油、盐、酱、醋、茶。”为什么把柴放在第一位?因为柴是能量,是能源。从柴到煤炭,再到石油天然气,到太阳能、风能、核能,现在我们用得最多的就是电能,它对日常生活来说太重要了。我们始终说物质文明和精神文明两手一起抓,两手都要硬。有了电就有了能量,就有了我们人类衣食住行的生活基础。人类的精神文明从哪里来?我们日常的文化生活,没有电网就没有电力供应,没有电力供应,就没有通讯网络,就没有现代社会人和人之间的交流,也没有各种精神生活的分享和共享。新基建的七项内容就是能源和网络,就是为我国的工业高质量發展打基础的。

近几年,国家特别重视工业互联网的发展,工业互联网就是连接工业和生产要素的,是“有线”加“无线”。国家多年布局的高速有线光纤主干网络,为5G应用打下了基础。高速的有线光纤加上5G基站,再加上现场的“有线”加“无线”就可以构建最合理的工业互联网体系。当然“新基建”中最重要的是人才。从推动两化融合、到两化深度融合、到现在的智能制造、工业互联网,我们需要大量的既懂工业、又懂通讯和IT技术的人才。而这方面的人才奇缺,需要建立国家级的工业新智库,各个省市也要建。要把真正能够懂工业、又懂信息化的专业人才,纳入工业新智库。

二、工业互联网的系统化思维

工业互联网不能单独理解,我们要建立一个系统化的总体思维。

(一)云、大、移、物、智

“云”是云计算,“大”是大数据,“移”是移动互联网,“物”是物联网,“智”包含两个概念,人工智能和智能制造。我们不能抛开工业企业,空谈“云大移物智”。

图1中,最下面所示是制造业的产品研发体系,从产品的设计、仿真工艺、生产制造、检测、实验、运行、服务、维护、维修,到退役,这是整个产品寿命周期。这个寿命周期中,产生的大量数据就是工业大数据。当然,很多地方要装传感器,才能感知到环境中的数据,这就是“状态感知”。

采集的工业大数据,通过工业互联网传递到云平台“实时分析”。云平台有大量的服务器和软件,随着前端计算能力的加强,出现了边缘计算。就会一部分在边缘层实时分析,一些复杂的问题传递到云上实时分析。实时分析计算出结果,最后实现“自主决策”。需要注意的是:这个决策既不是仅靠电脑,也不是仅仅靠人,而是人脑和电脑相结合的智能制造和人工智能决策。决策反馈回到整个产品的研发工业体系中“精准执行”,从而构成了一个完整的闭环平台。

对于工业的数字化转型,以上任何一点都是片面的。“云”也好,大数据也好,做移动互联网、物联网、人工智能、智能制造,不能离开大的环境。“云、大、移、物、智”基础是集成电路和软件。自主版权的软件和集成电路太重要了,除了基础的操作系统,数据库、互联网软件之外,最重要的就是工业软件。

(二)工业互联网复姓“工业”名叫“网络”

前几次工业革命形成的流水线式的生产,都是单件大批量生产模式。生产方式的变革,出现了多件、小批量生产;随着人们对单件定制化的要求越来越高,单件化定制化的难度也越来越大,比如英国的劳斯莱斯汽车,就是典型的单件定制的模式,由4000—5000多个钣金件等焊接形成车身,仅仅做这种个性化汽车的冲压模具,就需要数千万元人民币,成本很高,因而价格就非常高。

我们未来大规模单件定制怎么解决?既要节约材料,又要环境保护,于是人们就想到用软件来解决个性化定制的问题,用软件定义的通用模具和柔性模具代替过去单一的固定模具来生产不同的个性化产品。实际上,用软件来控制数据的自动流动,解决复杂产品的不确定性,就是智能制造。具体就是:用软件来定义和控制产品的设计、工艺、生产制造过程。以汽车为例,就是要让参与研制汽车的各类人员、各种机器和物料互联、互通、互动,生产出来汽车。因此,智能制造重点要解决人、机、物的互联互通问题。国际互联网连的是人,工业互联网连的是机器和设备,物联网连的是物料。

工业互联网的特征是工业,工业的特征是什么?工业要有产品,包括产品的设计、工艺、生产制造过程、交付过程,以及制造过程中采用大量的生产制造设备和机器。工业互联网连接的是生产要素,不是消费要素。工厂里面连着所有机器设备,都是工业互联网,厂里配的水、电、气、暖等,都是生产要素,不是消费要素。

三、工业互联网的定义

(一)什么是工业互联网

工业互联网分为广义和狭义的概念。

广义的工业互联网就是第四次工业革命的代名词,与德国工业4.0类同,是工业体系转型的国家发展规划。

狭义的工业互联网仅仅指的是设备的联网。设备指的就是产品研制过程中设计用的设备(包括硬件和软件,其中软件叫软设备)、工艺设备、生产制造中用的装备、以及保证生产制造过程的水暖电气等等环境设备。制造出来的零件、组件、部件、全机产品,都要做大量的物理实验和测试计量工作,这些用于物理实验和测试计量的各类设备也属于工业设备。当然,用于复杂产品运行、维护、维修、健康管理等等的联网诊断也是工业互联网。因此狭义的工业互联网:指设计工艺、生产制造、环境控制、实验室测试、计量、运行、维护等等各种设备的连接,这些设备的连接就是狭义的工业互联网。

而现在我们国家推动的工业互联网行动计划,实际上指的是广义的工业互联网。广义的工业互联网核心是提升一个国家的工业能力和工业水平,当然也是我们国家制造业转型升级的一个重大推手和抓手。我们来看一看到底什么是广义的工业互联网。1946年出现第一台电子计算机,1956年提出人工智能的概念,1967年美国国防部预研局为连接几台不同的大型计算机建立的ARPA(阿帕网,国际互联网前身),到1969年第一台PLC的出现(工业互联网的雏形),上世纪90年代国际互联网的推广和应用,这些都是连接。设备连接起来了,我们就可以快速的互通信息、快速的交流。

智能制造最重要的基础——是系统之间实现信息交互,由于每一个独立系统都遵从各自标准,因此实现不同系统之间信息交互必须通过标准化的方法。我国正在开展通过OPC-UA标准解决不同系统之间互联互通的研究。

(二)工业的三个特征决定了工业互联网的特殊性

第一,行业特征。同行业内,每个企业都是产品的竞争关系。比如说美国GE公司的工业互联网Predix,自己、下游企业、配套企业、用户企业,都可以使用;但是英国的罗罗、美国的普惠以及相关企业不会使用。因为其中有产品的技术秘密、商业秘密等,不可能把企业的生命线交给同类的竞争企业。国内也一样,三一重工、徐工、中联重科等工程机械公司,海尔、美的、格力等家电巨头,他们不可能用同一张工业互联网来解决问题。

第二,产品复杂度。国际互联网可以接入任何人员和任何电脑类设备,沟通的是信息流,接入的数量越大就越有价值,它像X轴,是扁平的。但是工业互联网像Y轴,做的越深入越好。比如以海尔的产品来讲,家电最复杂的产品可能就几十个传感器,就可以深入检测需要的零组件工作状态。而工程机械产品传感器一般来说有100多个,这100多个传感器的整体感知,深入检测需要的零组件工作状态,判断诊断机器设备的健康情况,它连接的复杂度、传输的复杂、应用的复杂度、管理的复杂度、工业APP开发的复杂度和家电产品不可同日而语。目前单一产品传感器最多的是空客A380飞机。每个发动机有2000个传感器,每架飞机上总共有超过2万个传感器。因此应用于飞机的工业云平台以及工业互联网平台,和汽车、工程机械以及家电的工业互联网平台复杂度完全不在一个层级。所以我认为,工业互联网平台降维可用,升维非常困难。就是说为复杂产品研制的工业互联网平台可以降维用于简单产品;为简单产品研制的工业互联网平台没有升维用于复杂产品的机会。

第三,工业设备的安全性要求极高。由于工业网络开放,对安全和保密要求特别高,普通的国际互联网,网络侵入丢失的是信息,工业设备网络如果侵入就是灾难性的,如:伊朗核浓缩机事件,炼铁炉、炼钢炉、核电站等等事关国家安全的极其重要的工作场所,都对安全性提出了苛刻的要求。一个国家的工业安全是国家命脉,不能有任何疏忽。

鉴于以上三个原因,工业互联网是多行业、多地区的多张网络,而不是国际互联网的一张网。

(三)工业互联网的起源

第一次工业革命是机械化。电气化时代有了网络的概念,但这个网络概念是电网络。从电力联网到电气网络的自动化过程,再到数字化的过程,就进入了工业互联网的范畴,上个世纪是工业互联网的萌芽期。

工业互联网是通过工业互联网平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来,可以帮助制造业优化产业链,形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通,从而提高效率,推动整个制造服务体系智能化,还有利于推动制造业融通发展,实现制造业和服务业之间的跨越发展,使工业经济各种要素资源能够高效共享。国家顶级节点是整个工业互联网标识解析体系的核心环节,是支撑工业万物互联互通的神经枢纽。在工业互联网中,网络是基础,平台是核心,安全是保障。如果没有工业这个主体,就不是工业互联网。

工业互联网有三大系统需要系统思考:一是工業机理模型,是中国的薄弱环节;二是工业APP的建设;三是前端传感器以及工业总线、通讯协议的自主化。工信部苗部长多次讲过:推动中国制造业百万工业APP建设,也安排了多项研究项目,以此推进工业互联网的建设。

(四)工业互联网APP(简称工业APP)

工业APP是基于工业互联网,承载工业知识和经验,满足特定需求的工业应用软件,是工业技术软件化的重要成果。工业APP是面向工业产品全生命周期相关业务(设计、生产、实验、使用、保障、交易、服务等)的场景需求,把工业产品及相关技术过程中的知识、最佳实践及技术诀窍封装成应用软件。其本质是企业知识和技术诀窍的模型化、模块化、标准化和软件化,能够有效促进知识的显性化、公有化、组织化、系统化,极大地便利了知识的应用和复用。

工业APP作为一种新型的工业应用程序有6个典型特征:完整地表达一个或多个特定功能,解决特定问题;特定工业技术的载体;小轻灵,可组合,可重用;结构化和形式化;轻代码化;平台化可移植。到2025年,中国要打造百万个工业APP支撑中国新型工业体系的建设。

设计、制造和实验是制造业三大技术,是新工业革命的管理体系。过去的制造业三大技术,从设计、生产到实验,都是基于蓝图,就是爱迪生的试错法。现在的新工业革命的技术体系,是基于虚拟的环境。这和原来流程完全不一样,制造业信息化实际上就是软件在传统体系和流程中的单点应用。过去设计过程中用CAD软件,现在我们把产品也数字化了,从方案设计、产品的初步设计、到详细设计产品分析、仿真工艺设计、工艺仿真、工装设计装配,产品研制过程全数字化了,形成了虚拟的模型。在虚拟空间中完成了产品的设计生产和实验,没有问题后,把它的模型映射到生产过程中,指导实物生产。过去的实物生产是手工生产线,现在是数字化生产线,未来将是智能化的生产。新工业革命的技术体系,最重要的就是以虚拟空间为主,把东西做好之后指导生产、指导实验。这样,我们就可以节省大量的资源,快速降低成本、优化资源,进行绿色生产的指导。

四、工业互联网的挑战

复杂的工业生产和多样的工业设备,是工业互联网平台建设一大阻碍。工业设备成千上万。据不完全统计,全世界有超过100种工业总线,各类终端设备的通讯协议大概有4000—5000种,有5000多种驱动,挺复杂的。当然包括PLC、变频器、板卡、智能模块、智能仪表、标准协议、机器人和机床等。目前已开发出40多种现场总线,符合国际标准规定的有8种总线,当然还有几种在工业控制领域广泛应用的总线,包含德国博世公司为汽车开发的can总线,还有美国Echelon公司开发的LonWorks总线等。另外还有20多种仪表通讯协议。因此,我们搞工业互联网必须从底层做起,要标准化,实现不同系统之间的信息交互。怎么交互,每一个独立系统都要尊重各自的标准,形成不同系统之间的信息交互才可以。中国工程院已经组织相关专家把OPC-UA国际标准转化成了中国国家标准,这个国际标准是IEC62541,国家标准是GB/T33863。这个实际上是工业互联网做底层的必经之路和要做的功课。设备之间具有高实时性要求的信息交互采用各种现场总线标准,设备层与控制层、管理层以及决策层之间的信息交互采用OPC-UA标准。

五、工业互联网应用案例

工业APP要有多平台、多操作系统支持,近年来涌现了大量的工业互联网软件。世界上第一个推出的工业APP是2019年1月4日达索公司推出的CATIAxDesign,它可以在达索公司的公有云平台上,通过浏览器网页,完成实体设计、曲面设计、装配设计以及基本的CAE分析及优化。因此,无论是在计算机上,还是在各种移动终端上都可以通过浏览器网页进行CAD设计。

当然,我们国内也有许多优秀的公司推出了工业互联网软件。如山东华天软件子公司华云三维科技有限公司研发的国内首款、完全自主版权可控的新一代基于云架结构的三维CAD产品CrownCAD已正式上线。这是国内唯一的完全自主三维云产品,构建在自主的“三维几何建模引擎”和自主的“几何约束求解器”之上,打开网页就能进行产品三维设计。同时CrownCAD适配国产芯片和国产操作系统,同时支持私有云部署,安全性得到有效保证,非常适合自主可控要求高的中国制造企业。还有东方国信工业互联网平台Cloudiip技术架构,在其他国家有许多成熟的案例。

在工信部领导下,2019年开展了跨行业跨领域“双跨”工业互联网平台。围绕行业生产特点和企业痛点问题,平台企业在智能化生產、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等领域开发形成了一批系统解决方案,推动形成了不同的行业数字化赋能路径,提升了全流程生产效率、提高质量、降低成本、缩短上市周期,创造出显著经济效益。

在本次新冠肺炎疫情期间,工业互联网极大提升了疫情防控和复工复产的处置效率,显示出工业互联网的内在优越性,预计未来会有更多工业企业投入资金建设工业互联网,以提升企业的业务质量和风险防控能力,推动业务创新,工业乃至实体经济各个行业的数字化转型将会进一步加快,全球范围内以工业互联网为基石的第四次工业革命将进一步提速。从技术趋势看,新一代信息技术的发展创新将推动工业互联网持续升级迭代,5G、人工智能、区块链、数字孪生等新兴技术与制造业的融合将进一步加快和深化,显著提升工业互联网创新发展能力和水平。

我国新型基础设施的布局为工业互联网的发展提供了积极的政策引领,预计工业互联网网络、标识解析、平台、安全等基础能力建设将进一步加速,并与其他数字基础设施的建设相互促进,为工业互联网应用推广普及提供良好基础条件,有力支撑产业转型升级和经济高质量发展。

(作者单位:中国航空工业集团信息技术中心)

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