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对发展工业互联网的几点认识与建议

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           以下文章来自 赵敏 走向智能研究院

           工业互联网从技术上说起源于几十年前工业以太网和设备物联网,从术语上说由中国上海可鲁软件公司在2007年提出,从普及上说得力于美国GE公司的大力提倡与推动。

工业互联网的“第一性原理”,就是要广泛地联接各种机器设备和工业系统,由此而实现“联接-管控-优化-效益”的基本逻辑:由联接而实现数据采集,由数据采集而实现数据实时传输、设备实时监测和设备行为的实时洞察,由此而有凭有据、精细化地进行工业资源的优化配置,为企业提质增效。

采集分析海量数据,泛在联接各种设备,优化配置工业资源,是工业互联网的基本内涵;全国大范围、社会大尺度、跨行业大协作(“三大”)是业界对它的基本期待。

.工业互联网的两个网络主体

工业互联网到底发端于何时、源于何处?业界并没有统一的说法。

如果认为工业互联网源自工业物联网,其源头应该是1999年诞生的物联网。如果认为工业互联网源自工业以太网,其源头应是1969年诞生的PLC(可编程逻辑控制器)。

1969年,科技与工业领域发生了很多彪炳史册的事件,出现了影响全世界的UNIX操作系统、C语言、ARPANET(阿帕网)、IP协议、数据库、PLC等新生事物。其中,PLC是工业以太网、现场总线的源头,而阿帕网是因特网的鼻祖。

1)工业以太网

PLC的出现,将第二次工业革命中以传统的继电器控制设备的方式,变成了PLC的控制方式,因此德国人将PLC的诞生作为第三次工业革命的发端。

PLC在制造过程中至关重要。在工厂里,各种设备组合成生产线,按照指定的步骤、顺序和质量标准实现产品加工和组装过程的工艺特点,决定了每一道工序、每一个生产环节都需要一个控制单元。因此,在PLC大量应用的过程中,问题也随之而来:这些PLC形成了各自分立/孤立的信息孤岛,彼此之间的通信是个大问题,于是出现了CCR(集控中心)来集中管理。但是当集中控制规模过大、单元过于集中时,如果某一个关键路径出现问题,可能会导致较大一片控制区域瘫痪,于是又有了分布式控制方式。当人们用导线把众多的控制单元都联接到一个网络中后,各节点之间既能彼此正确通信,又不互相发生冲突,局域网的数据链路层功能就诞生了。

伴随着工厂规模的扩大,需要控制的生产区域也不断增大,车间的生产环境越来越复杂,需要控制的设备越来越多,联接成本越来越高,当数字通信传输技术替代了模拟信号之后,现场总线的基本形态就形成了。后来各种传感器、执行器不断融入数字技术,它们之间的通信就逐渐演变成为局域网,从CCR转变成DDC(直接数字控制),再逐渐进化成DCS(分布式控制系统)。

1973年,施乐帕洛阿尔托研究中心的罗伯特·梅特卡夫,即“梅特卡夫定律”提出者,给他的老板写了一篇有关以太网潜力的备忘录,提出了以太网概念。1976年,梅特卡夫与其助手戴维·包格思发表了一篇名为《以太网:局域计算机网络的分布式包交换技术》的文章,正式提出了以太网和有关技术。

以太网解决方案有效地满足了工业应用对实时性能和耐用性的要求。当在以太网协议中封装了特殊的工业协议后,工业以太网就诞生了。

2)工业物联网

物联网在1999年由麻省理工学院(MIT)教授凯文·阿仕顿最早实践和命名,将诸如RFID芯片或传感器加在物件上,然后接入互联网。在2002年,物联网用于工业领域,于是就有了工业物联网。

工业物联网是在工业外部诞生的、随后又快速渗透到工业领域的联接机器设备的工业联网解决方案。近些年,工业物联的联接范围已经远远超越并涵盖了工业以太网的联接范围,让工业以太网成为了工业物联网的子集。工业物联网的内涵和定义还在发展变化中,业界不少企业组织和专家认为工业物联网非常接近工业互联网,甚至就是工业互联网。

工信部电子标准研究院认为:“工业物联网是通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作,实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应,达到资源的高效利用,从而构建服务驱动型的新工业生态体系。”该定义把工业物联网看作是工业互联网的一个最大子集。

迄今为止,国际产业组织或标准化机构尚未给出工业物联网的权威定义。

综上所述,工业以太网和工业物联网是工业互联网的鼻祖和源头。工业以太网主要通过机器自带的PLC上的通讯器来联接机器,工业物联网则通过传感器、RFID来联接设备和各种物件。这两种联接构成了工业互联网的基本结构和主体,来联接工业的“端(各种设备)”。由阿帕网发展起来的因特网构成了工业互联网的补充,其主要用途是社交/消费互联网,联接各种电脑的“端”。

.工业互联网的三个基本特征

工业互联网的基本特征可以概括为三句话:

1)联接工业要素

工业互联网所联接的各种“终端”,都是工业界的各种要素,例如工业人士经常说的“人、财、物”或者“人、机、料、法、环”,包括并不限于各种机器、设备、产线、物料、工艺、流程、设施、技能等。从企业边界来说,工业互联网不仅联接了企业内(可以分布式)的各种资源和在制品,而且可以超出企业边界,联接各种高价值的在用品(例如汽车、工程机械、风电/光伏设备等)。

2)形成工业解决方案

在工业互联网平台上,可以形成各种针对工业问题的解决方案,如产品研发改进、个性化定制、智能排产、精益生产、安全生产、预测式维护、节能减排等。

工业互联网的范畴不宜盲目扩大。与工业无关的消费互联网、消费物联网等解决方案,不宜纳入工业互联网解决方案范畴。

3)为工业主体服务

工业互联网源于工业,兴于工业,也必须以工业为主体,服务于工业。建设工业强国,是中华民族伟大复兴的基础,国家之间的竞争,实际上是工业实力的竞争,是包括了各种工业产品(41个工业大类、207个中类、666个小类)以及工业互联网(含工业互联网平台、工业APP)和工业软件的工业实力之间的竞争。

.工业互联网的四个必须做到

建设工业互联网,笔者认为有四个必须做到:基于工业要素,遵循工业规律,聚焦工业应用,提供工业价值。

1)基于工业要素

工业互联网必须要把企业的人、机、料、法、环、信等工业要素全部联接起来,其前提是做好这些工业要素的数字化工作。

2)遵循工业规律

是指在工业领域中,天量身躯,巨大空间,绵长时间,严选材料,精算能耗,验证模型,打磨软件,耐心沉淀,反复迭代,是工业的基本属性。因此工业规律就是要反复打磨与沉淀,不会出现一夜“爆款”的短期行为。

3)聚焦工业应用

是指工业互联网上,传输的是工业数据,承载的是工业知识,控制的是工业设备,解决的是工业问题,优化的是工业资源配置。

4)提供工业价值

可以从以下三个方面体现工业价值:

1)超越时空限制,打破原有相对封闭、僵化固化的工业系统格局,以相对离散的形态,更灵活广泛地联接各种工业要素,展现跨领域、大系统级的联接价值;

2打造支撑制造资源泛在联接、弹性供给、高效配置的工业互联网平台,构建基于海量工业大数据采集、汇聚、分析的服务体系,形成新型价值链;

3)基于对工业大数据的分析结果,洞察物理世界过去一直发生、但是无法观测到的物理活动细节,挖掘隐藏的信息价值,做好研发、生产、服务与管理决策。

最终,可以让企业做到大范围优化配置工业资源,对企业的复杂系统进行精细化运营,进一步为企业提质增效,实现可持续发展。

.工业互联网与社交/消费互联网的区别

一个“互联网”词汇的背后,不同人群有着相当不同的解读,也确实存在着相当不同的网络主体。工业互联网有自己明显的工业特征,在很多方面都与社交/消费互联网有较大区别。

1)基础不同

社交/消费互联网联接的是电脑、手机、平板、服务器等“数字化原住民”,这些数字设备天生就具备上互联网的基础,遵循IPv4 IPv6协议即可;工业互联网联接的是“数字化移民”,即可以迁移到工业互联网而成为网络终端的人、机、物、活动等各种工业要素,这就需要对大量的工业设备与物料等进行数字化改造,需要开发和应用不同的设备驱动程序。

2)所有权不同

绝大多数电脑、手机、平板等,具备个人属性,归个人使用和保管,而绝大多数工业设备具备企业的公有属性,是国有、公有、集体的,由于安全、保密、高价值等方面的考虑,工业设备上网时企业家的顾虑较多。

3)联接量级不同

社交/消费互联网联接几十亿消费人群和电脑设备,工业互联网要联接的是几百亿设备——Gartner曾经预计今年IoT设备联网量为260亿,PTC预测设备接入量为500亿,思科预测IoT设备联接数为500亿,而最新的预测将会达到1千亿。总体上有数量级的差异。

4)联接难度不同

社交/消费互联网是统一标准协议,开放网络,联接相对容易,工业互联网联接对象是工业设备,存在存量大、种类杂、协议多、开放程度不相同,由此带来的是设备数字化改造成本高、数据采集精度差、协议兼容难度大、云端汇聚效率低等问题。

5)响应不同

社交/消费互联网无需工业级的实时响应,例如在微信对话或提交购物申请时,有1秒左右的延迟并不影响使用结果;工业互联网往往需要毫秒、微秒甚至百纳秒级的实时响应,需要与此相适应的时间敏感网络TSN,甚至需要更精准的时间明晰网络TAN。有些看似只有半毫秒的延迟,在车间里可能就会酿成重大工业事故。在国家电网的管理中,精准对时的要求已经小于1微秒。

顺便指出,5G是最新一代蜂窝移动通信技术,具有高速率、大容量、低时延、高可靠等特点。但是5G的低时延只是在1毫秒级别,从通信角度来看,时延已经很低,但从工业控制角度来看,距离工业现场中自动化设备的百纳秒级实时控制要求还差两个数量级。但是这并不妨碍5G在自动控制设备之外的工业场景找到大量使用场景。

6)对象/场景不同

社交/消费互联网的典型场景是在以人为主体的消费活动中,为了人与人沟通在电脑之间传输数据,对可靠性、稳定性的要求一般。例如使用家用型普通网线就可以实现联网。

工业互联网的典型场景是在车间或设备工作现场等以机器为主体的业务活动中,为了生产目的在设备之间传输数据,对可靠性、稳定性的要求更高,在车间使用的网线要求防潮、防尘、抗震动、抗拉和抗电磁串扰,通常会使用五类网线、超五类网线或者甚至使用六类屏蔽网线。

7)用户心态不同

在社交/消费互联网用户群体,人们愿意尝试新事物,拥抱变化,特别是消费群体中的年轻人,是拥抱和尝试新生事物的主力军;

在工业互联网用户群体,人们趋于保守,驻足观望,想变又担心变化。很多企业的决策者并不愿意把自己的设计、生产与服务数据以及相关经验,以工业APP的方式分享出来。对工业互联网真正有积极性的,应该是某些工业设备生产厂商。

8)有很多意想不到的坑

某企业选择了一家报价最低的供应商,结果现场部署的网线居然是家用型普通网线,没有使用工业级的五类以上网线,而且网线水晶头做得质量差,走线也很不规范。结果在实施过程中就出现了异常情况,设备接入网络后出现了丢包现象,有的网线不通,造成调试难度增大和实施时间的增加。而且企业的后期维护变得很麻烦,经常出问题。后来该企业只好用标准的六类屏蔽网线取代了家用普通网线,走线规范整齐,才彻底解决了问题。

9)相互融合与借鉴

两个领域两回事,认识上不可混同,试图以一种领域场景去直接套用另一种领域经验,是难以奏效的。但是二者也可以相互跨界,可以相互借鉴经验。

例如在消费互联网的一些成熟做法,也可以在工业互联网中予以借鉴,如某工业互联网平台,就借鉴了“滴滴打车”模式而做了一个“工业滴滴”,将设备保有方与设备维修人员联系起来,对接双方需求,让设备保有方不再找不到维修人员,让维修人员不再找不到活干。

.工业互联网的自身完善与融通发展

1)工业互联网还是工业局域网

对于“互联网”一词,早期国家标准翻译为因特网,源于其英文名internet的音译,本意是“国际电脑互连网络”。因此,国际、电脑、网络,是它最重要的三个标签。

社交/消费互联网早就是四通八达的国际互联网络了,极少有两个终端之间发生无法对话交换数据的事件;而工业互联网,目前还基本上是一个“工业局域网”,无论是哪一家的工业互联网平台,都是在相对有限的范围内、联接一定数量的设备,主要看业务需求和自身拓展能力而定。有外联需求且联接能力强的平台,已经走出国门,联接了大量境外设备;无外联需求或联接能力弱的平台,以联接本地设备为主。总体上,工业互联网还没有发展到“国际互联网”的联接水平。因此拓展工业互联网的联接能力是首要问题。

2)工业互联网生态建设日渐重要

国内工业互联网平台已经有了数百家。但是这些工业互联网平台之间基本上都是各自为战、互不相联的“数据孤岛”,每个“孤岛”各自联接了业内一批客户和开发者。先知先觉的平台企业,开始注重工业互联网的生态体系建设,尽量在延伸自己网络上的各种“链”的触角,在更多的领域、更大的范围开疆拓土;而后知后觉的平台企业,似乎还没有建立工业互联网生态体系的概念。

未来工业互联网的发展与竞争,实际上是工业互联网生态体系的竞争。唯有注重工业互联网的生态体系建设,方能行稳致远,做到可持续发展。

3)工业互联网“扶贫”势在必行

大企业通常不会选用别人的工业互联网平台而自己开发,但是中小微企业不具备工业互联网平台的开发能力,是工业互联网领域的“贫困户”,他们应用工业互联网的问题,是一个工业领域的实实在在的“扶贫”问题。

谈及工业转型升级,如果只有大型企业成功地加入新基建,应用工业互联网,那么中国的工业转型升级最多完成了一半。只有中国的中小微企业也大部分上了工业互联网,才能说工业转型升级走上了正轨。

目前,中小微企业只能选择某一家的商用平台,或者仰赖政府提供的工业云/工业互联网的公共服务平台。因此,工业互联网的公共服务平台建设就成了一个必须要解决、具有全局战略意义的问题。

4)工业互联网平台的互联互通

绝大部分工业互联网平台,不仅联接工业终端的数量和能力不够,联接其它工业互联网平台更不够。这造成了很多问题,如一个在平台甲上客户,能否因客观原因而顺利迁移到平台乙?一款在平台甲上开发成功的工业APP,能否顺利迁移到平台乙?否则重复开发、重复建设的内耗很严重。

因此,如何从目前的诸侯割据、各自为战,发展到强强联手、合作共赢,生态致胜,如何从工业局域网尽快过渡到工业互联网,如何让不同的工业互联网平台之间实现互联互通、融通发展,是目前各个工业互联网平台提供商亟待思考、尽快破局、必须解决的关键问题。

.小结

工业互联网是从工业的内生需求与外部技术合力发展中诞生的新型工业网络。它的面世迎合了新工业革命的发展需求,是两化融合向纵深的发展,是智能制造落地的关键基础设施。

今年4月,工业互联网被国家列为“新基建”项目,点名要加快建设;在刚刚过去的630日,中央再次要求“以智能制造为主攻方向,加快工业互联网的创新发展”,充分表明国家对工业互联网的高度重视。因此工业互联网生逢其时,前景无限。

在工业互联网的发展过程中,一定要领会和掌握工业互联网的“两个网络主体、三个基本特征、四个必须做到”;要注意工业互联网与社交/消费互联网的区别,不要把不是工业互联网的内容纳入工业互联网;要特别注意工业互联网平台的融通发展和生态建设,以及工业互联网发展中的“扶贫”问题。

 

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