工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框構(gòu)技術(shù)體系和應(yīng)用分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是制造業(yè)與信息技術(shù)融合形成的應(yīng)用結(jié)構(gòu)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備機(jī)器的全面結(jié)合，完成制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)融合的升級(jí)發(fā)展。因此，主要從國(guó)內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?fàn)顩r、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型的應(yīng)用場(chǎng)景、框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，概括涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)主要包括工業(yè)數(shù)據(jù)采集、存取和利用技術(shù)、工業(yè)產(chǎn)品的智能化技術(shù)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)和工控安全的防護(hù)技術(shù)，然后通過(guò)技術(shù)和行業(yè)的實(shí)施分析說(shuō)明工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在行業(yè)中產(chǎn)生的效果。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈中的融合集成應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化的綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。它的核心是通過(guò)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化等新技術(shù)手段激發(fā)企業(yè)生產(chǎn)力，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源的優(yōu)化配置，最終重構(gòu)工業(yè)產(chǎn)業(yè)格局。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已被列為上國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略工作，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且隨之產(chǎn)生了智能制造、M2M、信息物理系統(tǒng)（Cyber-physical system，CPS）、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等熱門概念。

加速推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)創(chuàng)新突破，圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、控制、平臺(tái)、數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)和安全3個(gè)方面有效地給企業(yè)賦能智慧制造，加強(qiáng)相關(guān)核心技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)突破，加快技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品服務(wù)創(chuàng)新，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，通過(guò)構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架和防護(hù)體系實(shí)現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的安全防護(hù)，利用數(shù)據(jù)感知、采集與集成應(yīng)用等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化、生產(chǎn)協(xié)同和資源的有效利用。

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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）是通用電氣（General Electric，GE）提出的概念，由機(jī)器、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組成，能夠在更深層面和連接能力、大數(shù)據(jù)、數(shù)字分析結(jié)合。國(guó)外企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)概念、商業(yè)模式領(lǐng)域投入了大量人力、物力和財(cái)力，并且利用自身的優(yōu)勢(shì)搭建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其中最具有代表性的是GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Predix和西門子Siemens基于云的開(kāi)放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere。其中，GE強(qiáng)調(diào)工業(yè)領(lǐng)域硬件層、信息層打通以及跨領(lǐng)域的集成，打造工業(yè)設(shè)備+工業(yè)平臺(tái)+工業(yè)APP的生態(tài)體系。

通過(guò)通信接入技術(shù)發(fā)展實(shí)現(xiàn)更多終端聯(lián)網(wǎng)，驅(qū)動(dòng)設(shè)備管理、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)等應(yīng)用場(chǎng)景落地。西門子則結(jié)合自身在工業(yè)設(shè)備和工業(yè)軟件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，對(duì)外輸出智能工廠改造、規(guī)劃方案，從終端簡(jiǎn)單聯(lián)網(wǎng)出發(fā)，通過(guò)垂直云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)與人工智的建設(shè)，最后依靠標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)各垂直生態(tài)之間的對(duì)接。相較于國(guó)外的大而全的解決方案，國(guó)內(nèi)制造業(yè)力求在一些特定的差異化能力上打造一些獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力，走自己的特色之路。國(guó)內(nèi)消費(fèi)品制造業(yè)廠商富士康、海爾、美的的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)策略是兩條腿走路，一方面在企業(yè)內(nèi)部建設(shè)較完備的智能制造體系，另一方面探索以自身用戶和業(yè)務(wù)流為中心聚合供應(yīng)鏈資源，逐步走向橫向、縱向和端到端集成，幫助企業(yè)構(gòu)建全要素互聯(lián)互通的能力，實(shí)現(xiàn)用戶、企業(yè)和資源的交互來(lái)滿足用戶體驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)的裝備制造業(yè)廠商三一重工的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)策略主要做金融領(lǐng)域和商業(yè)模式的創(chuàng)新。例如，通過(guò)遠(yuǎn)程控制確保工程設(shè)備融資租賃商業(yè)模式的可控性，其樹(shù)根互聯(lián)不過(guò)多觸及傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程，而是成為商業(yè)模式創(chuàng)新的基礎(chǔ)平臺(tái)。

徐州重工則致力于面向個(gè)人、中小企業(yè)搭建綜合工業(yè)云平臺(tái)，并配套提供端到端咨詢服務(wù)，提供的兩化融合和ERP咨詢服務(wù)謀求幫助其他企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)的業(yè)務(wù)發(fā)展。

航天云網(wǎng)INDICS平臺(tái)則通過(guò)針對(duì)啞設(shè)備、啞崗位、啞企業(yè)的“三啞”改造，實(shí)現(xiàn)基于云平臺(tái)的智能工廠改造升級(jí)，并通過(guò)對(duì)“雙創(chuàng)”團(tuán)隊(duì)進(jìn)行全程輔導(dǎo)和孵化，引導(dǎo)社會(huì)資源向戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集中，推動(dòng)社會(huì)性“雙創(chuàng)”發(fā)展。

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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景分析

隨著新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，全球工業(yè)正在從傳統(tǒng)的供給驅(qū)動(dòng)型、資源消耗型、機(jī)器主導(dǎo)型、批量規(guī)模型向需求引導(dǎo)型、資源集約型、人機(jī)互聯(lián)型、個(gè)性定制型轉(zhuǎn)變。由于制造行業(yè)的生產(chǎn)流程和產(chǎn)業(yè)鏈都很復(fù)雜，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景很多。目前，制造領(lǐng)域資產(chǎn)密集，資產(chǎn)性能優(yōu)化空間大，數(shù)據(jù)利用率低，缺少科學(xué)決策能力。以下重點(diǎn)分析需求管理、研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝工程、生產(chǎn)制造、運(yùn)維過(guò)程這5大傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程面臨的諸多挑戰(zhàn)和應(yīng)用升級(jí)需求。

2.1需求管理需求管理是對(duì)客戶的需求進(jìn)行識(shí)別并確保主生產(chǎn)計(jì)劃反映這些需求的功能。傳統(tǒng)模式下，需求管理的缺失主要表現(xiàn)為：需求缺乏嚴(yán)格的需求管理過(guò)程，需求缺乏層層的傳遞和保證，導(dǎo)致最終的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中就已經(jīng)迷失；需求管理基于文檔沒(méi)有進(jìn)行結(jié)構(gòu)化管理，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中缺乏追蹤的手段和對(duì)象劃分；在協(xié)同研制模式下，不同主體間缺乏規(guī)范化的需求傳遞手段。

2.2研發(fā)設(shè)計(jì)研發(fā)設(shè)計(jì)是根據(jù)需求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)。傳統(tǒng)模式下的研發(fā)設(shè)計(jì)建模手段缺失，基于文檔的設(shè)計(jì)模式效率低下；幾乎不進(jìn)行仿真，純粹實(shí)物進(jìn)行驗(yàn)證，導(dǎo)致不斷地進(jìn)行修改迭代，拉長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，增加了設(shè)計(jì)成本；缺乏在線協(xié)同的手段，分頭設(shè)計(jì)后經(jīng)常遇到接口問(wèn)題導(dǎo)致無(wú)法合攏；設(shè)計(jì)要素間缺乏關(guān)聯(lián)，局部改動(dòng)無(wú)法進(jìn)行影響范圍分析。

2.3工藝工程工藝工程是指對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)與管理。傳統(tǒng)模式下的工藝工程基于工藝卡片進(jìn)行工藝過(guò)程設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)模缺乏有效傳承，難以保證數(shù)據(jù)的一致性；無(wú)法進(jìn)行加工、裝配或檢驗(yàn)過(guò)程的仿真，往往到做時(shí)才發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，從而產(chǎn)生不斷的變更；由于相關(guān)工藝數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)，變更過(guò)程無(wú)法進(jìn)行影響范圍分析，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致，從而使得產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)管理失控。

2.4生產(chǎn)制造生產(chǎn)制造是指對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際加工生產(chǎn)并對(duì)相關(guān)過(guò)程進(jìn)行管理。傳統(tǒng)模式下的生產(chǎn)制造中，機(jī)加工設(shè)備精度不足以保證加工質(zhì)量，無(wú)法加工復(fù)雜的曲面，且根據(jù)不同的加工人員質(zhì)量波動(dòng)，加工效率低下；缺乏實(shí)時(shí)的檢驗(yàn)手段，檢驗(yàn)是事后檢查，往往質(zhì)量超差已經(jīng)形成；裝配過(guò)程缺乏有效指引，裝配效率低下，極易出錯(cuò)，返工造成的重復(fù)工作量巨大。

2.5運(yùn)維服務(wù)運(yùn)維服務(wù)是指為客戶提供后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)與其他相關(guān)服務(wù)。傳統(tǒng)模式下的運(yùn)維服務(wù)產(chǎn)品制造方缺乏對(duì)產(chǎn)品后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程的介入，往往銷售結(jié)束后，產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)只能依賴簡(jiǎn)單的售后服務(wù)，無(wú)法采集運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)針對(duì)性地改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，也沒(méi)有充分介入產(chǎn)品的增值運(yùn)營(yíng)；產(chǎn)品缺乏內(nèi)置的傳感器或傳感器的采集，只有實(shí)時(shí)的監(jiān)控作用，實(shí)時(shí)監(jiān)控完成后數(shù)據(jù)即丟棄，無(wú)法形成基于模型的產(chǎn)品運(yùn)營(yíng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；缺乏大數(shù)據(jù)分析手段，無(wú)法從海量數(shù)據(jù)中挖掘產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)策略，以提高產(chǎn)品的運(yùn)營(yíng)效能。

基于以上5個(gè)場(chǎng)景面臨的問(wèn)題，可以通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能，即工藝研發(fā)設(shè)計(jì)、資產(chǎn)性能管理、運(yùn)營(yíng)效率提升、能源管理優(yōu)化，提高資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的效率和利用效率，降低生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)影響，提高安全生產(chǎn)效率，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框構(gòu)和技術(shù)體系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框圖如圖1所示，根據(jù)框圖按照技術(shù)體系，大致可以分成邊緣數(shù)據(jù)處理、使能支持、智能化應(yīng)用3個(gè)部分。

（1）邊緣處理是利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相關(guān)技術(shù)，解決部署新型智能設(shè)備以及嵌入式軟件的聯(lián)網(wǎng)升級(jí)的相關(guān)問(wèn)題，涉及開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)、智能連接模組（安全/連接性定制）等功能，主要解決數(shù)據(jù)集成過(guò)程中協(xié)議接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、過(guò)濾以及一些高交互、高實(shí)時(shí)性要求的邊緣分析問(wèn)題。

（2）使能支持包括：通用Iaas平臺(tái)技術(shù)，提供物理層面的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房等資源；安全、生產(chǎn)等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及產(chǎn)品、工藝、運(yùn)維、供應(yīng)等工業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)模型和仿真算法。

（3）智能化應(yīng)用包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理技術(shù)，解決連接性、安全、設(shè)備部署和生命周期管理等問(wèn)題和相關(guān)技術(shù)；最核心的部分是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用管理技術(shù)，解決通用的可視化和事件管理，以及數(shù)據(jù)管理和分析、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、應(yīng)用集成等問(wèn)題，主要涉及儀表、工業(yè)軟件Apps、人工智能、集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及智能制造等多種專業(yè)技術(shù)。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)框架

3.1 邊緣計(jì)算技術(shù)邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開(kāi)放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。一方面解決了實(shí)時(shí)要求與云通信延遲的矛盾，另一方面解決了各種異構(gòu)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)置通信問(wèn)題。它可以作為聯(lián)接物理和數(shù)字世界的橋梁，使能智能資產(chǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、智能系統(tǒng)和智能服務(wù)。邊緣計(jì)算處于物理實(shí)體和工業(yè)連接之間或處于物理實(shí)體的頂端，基于邊緣的大量設(shè)備生成的數(shù)據(jù)在本地進(jìn)行分析，同時(shí)利用云對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行安全、壓縮、配置、部署和管理。當(dāng)前，越來(lái)越多的公司希望進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)分析，同時(shí)啟用這些流程將設(shè)備連接至云端，整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 邊緣計(jì)算整體架構(gòu)

3.2數(shù)據(jù)交互技術(shù)目前的連接平臺(tái)機(jī)制層出不窮且自我封閉，很容易形成數(shù)據(jù)孤島。OPC UA是一個(gè)平臺(tái)無(wú)關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，使用該標(biāo)準(zhǔn)可以在不同類型網(wǎng)絡(luò)上的客戶端和服務(wù)器間發(fā)送消息，以實(shí)現(xiàn)不同類型系統(tǒng)和設(shè)備間的通信。OPC UA可用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制系統(tǒng)、各種軟件（MES、ERP）等，在工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域交互信息、使用指令和執(zhí)行控制。OPC UA定義了通用架構(gòu)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)這種信息交互，提供了統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)互聯(lián)接口。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施連接在一起后，形成了一個(gè)智能系統(tǒng)群，會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。這些大模擬數(shù)據(jù)將通過(guò)分析和處理來(lái)驅(qū)動(dòng)正確的業(yè)務(wù)決策，最終提高安全性、正常運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行效率。框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPC UA架構(gòu)

3.3深度學(xué)習(xí)技術(shù)企業(yè)智能制造的實(shí)現(xiàn)很大程度上需要借助人工智能技術(shù)，而深度學(xué)習(xí)是科學(xué)界高度關(guān)注的一種人工智能方法，且深度學(xué)習(xí)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體提供數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)機(jī)制。隨著學(xué)習(xí)的樣本數(shù)據(jù)不斷增大和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，必須適應(yīng)深度學(xué)習(xí)，具備基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)算法庫(kù)、基礎(chǔ)訓(xùn)練測(cè)試數(shù)據(jù)集、重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ盟惴◣?kù)、重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域?qū)ｍ?xiàng)任務(wù)數(shù)據(jù)集、專用模型庫(kù)、應(yīng)用場(chǎng)景案例庫(kù)，提供對(duì)圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)義理解等基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，從整體解決方案上檢驗(yàn)檢測(cè)方向，提供對(duì)人工智能等系統(tǒng)的管理和計(jì)算的要求，以提供更好的服務(wù)。

3.4云計(jì)算環(huán)境架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)應(yīng)能同時(shí)滿足云上和云下的應(yīng)用設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理要求。目前，云下的設(shè)備主要依靠各個(gè)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備廠商的技術(shù)來(lái)滿足智能制造基本的控制要求，但是在云上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境上還沒(méi)有成熟的軟件工具和技術(shù)環(huán)境的支撐，都在努力設(shè)計(jì)一種既能夠在功能上滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)需求又能夠適應(yīng)用戶需求發(fā)生變化或者能夠在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)適應(yīng)環(huán)境變化的應(yīng)用。尤其是在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，架構(gòu)師都在努力讓自己設(shè)計(jì)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，跟得上用戶不斷增長(zhǎng)或者出現(xiàn)突發(fā)請(qǐng)求的情況。

3.5網(wǎng)絡(luò)信息安全保障隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展邁向?qū)嵺`深耕階段，安全問(wèn)題也日益凸顯。網(wǎng)絡(luò)信息安全風(fēng)險(xiǎn)威脅正在從外部的安全向企業(yè)內(nèi)部工業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備延伸，因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全核心技術(shù)的研發(fā)需要適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜多變的外部環(huán)境攻擊。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，為了確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全，信息安全研究技術(shù)是目前非常重要的研究課題。隨著工業(yè)生產(chǎn)信息系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)走向深度協(xié)同與融合，釆取完全物理隔離的方法不僅不能解決工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問(wèn)題，反而限制了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。因此，需要在安全控制算法上創(chuàng)新安全架構(gòu)，建立具有一定防御特性的安全環(huán)境，且需要研制能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知預(yù)測(cè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全態(tài)勢(shì)。它的技術(shù)框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息安全技術(shù)框架

3.6測(cè)試床相關(guān)技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)測(cè)試床為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各種創(chuàng)新提供空間，為進(jìn)入市場(chǎng)前的新技術(shù)、新應(yīng)用、新產(chǎn)品、新服務(wù)和新過(guò)程等的有效性和可行性進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)與檢測(cè)。測(cè)試床是利用科學(xué)理論、計(jì)算工具和新技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格、透明和可復(fù)制測(cè)試的平臺(tái)，一般用來(lái)描述實(shí)驗(yàn)研究和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)和環(huán)境。國(guó)內(nèi)測(cè)試床案例如圖5所示。目前，測(cè)試床的發(fā)展體現(xiàn)多元化的發(fā)展特色與趨勢(shì)。根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，目前在制造業(yè)垂直行業(yè)測(cè)試床數(shù)量最多，涌現(xiàn)出智能服務(wù)測(cè)試床、云制造服務(wù)平臺(tái)、生產(chǎn)管理質(zhì)量試驗(yàn)平臺(tái)等項(xiàng)目。與此同時(shí)，在產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如能源與公共事業(yè)、基礎(chǔ)共性技術(shù)、醫(yī)療等方面也有一些實(shí)踐。

4

應(yīng)用分析

4.1技術(shù)應(yīng)用實(shí)施分析

網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全構(gòu)建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心功能體系。網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，平臺(tái)是核心，安全是保障。工業(yè)企業(yè)要進(jìn)行智能化升級(jí)改造，首先要做到網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的互聯(lián)互通，消除信息孤島。其次，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的多種服務(wù)能力，配置工業(yè)資源，使智能制造體系能夠運(yùn)轉(zhuǎn)。最后，從設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、平臺(tái)和數(shù)據(jù)安全等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全配置。網(wǎng)絡(luò)層主要圍繞線下設(shè)備互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、車間級(jí)、企業(yè)級(jí)設(shè)備和系統(tǒng)之間的橫向互聯(lián)和縱向互通。對(duì)于設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，最重要是打通不同平臺(tái)、協(xié)議之間的數(shù)據(jù)。

一般實(shí)施方法包括對(duì)現(xiàn)有的控制器、機(jī)床和產(chǎn)線的通信方式進(jìn)行改造，部署新的傳感器、檢測(cè)設(shè)備等?；蛘呖紤]設(shè)備對(duì)OPC-UA的支持，解決底層設(shè)備和系統(tǒng)層直接的信息交互和集成。此外，通過(guò)在設(shè)備邊緣部署邊緣節(jié)點(diǎn)，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣計(jì)算和存儲(chǔ)。標(biāo)識(shí)解析體系是下一步工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)。它賦予生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)產(chǎn)品、零部件、機(jī)器一個(gè)唯一的身份信息，用來(lái)完成數(shù)據(jù)的互通和身份認(rèn)證，以打通產(chǎn)品、機(jī)器、車間、工廠之間的數(shù)據(jù)采集與集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為向下連接設(shè)備層，向上連接工業(yè)優(yōu)化應(yīng)用，自身承載工業(yè)經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的模型，是工業(yè)全要素連接的樞紐。從實(shí)施角度看，由于工業(yè)企業(yè)行業(yè)的復(fù)雜特性，建設(shè)跨行業(yè)平臺(tái)具有一定難度，因此可以引入云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析技術(shù)，促進(jìn)企業(yè)中各類生產(chǎn)設(shè)備、信息系統(tǒng)向云平臺(tái)遷移，通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)、產(chǎn)品和用戶之間的信息交互，以及跨企業(yè)、跨領(lǐng)域和跨產(chǎn)業(yè)各類主體之間的互聯(lián)?；赑aaS層的微服務(wù)架構(gòu)數(shù)字化模型能夠?qū)⒋罅康墓I(yè)技術(shù)原理、行業(yè)知識(shí)、工業(yè)模型等組件封裝成知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)知識(shí)的顯性化、數(shù)字化和系統(tǒng)化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的主要功能是數(shù)據(jù)建模和分析，利用邊緣側(cè)和網(wǎng)絡(luò)層收集數(shù)據(jù)，加上PaaS層形成的數(shù)字化模型，然后形成面向工業(yè)企業(yè)、消費(fèi)者開(kāi)發(fā)海量工業(yè)APP，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)管理、能效監(jiān)控、物流管理等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的工業(yè)模型和微服務(wù)組件是平臺(tái)層的核心組成單元，解決了以往工業(yè)知識(shí)無(wú)法提取、工業(yè)經(jīng)驗(yàn)不能沉淀以及對(duì)人才過(guò)度依賴的難題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中具有非常重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，特別是信息化與工業(yè)化深度融合以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)品越來(lái)越多地采用通用協(xié)議、通用硬件和通用軟件，以各種方式與互聯(lián)網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)連接，導(dǎo)致暴露在外網(wǎng)的工業(yè)設(shè)備和工業(yè)漏洞越來(lái)越多。從實(shí)施角度看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全注意分為設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、平臺(tái)安全和數(shù)據(jù)安全等部分。為了加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全建設(shè)，首先自主可控是保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全的關(guān)鍵切入點(diǎn)。

加快攻擊防護(hù)、漏洞挖掘、態(tài)勢(shì)感知、入侵發(fā)現(xiàn)、可信芯片等安全產(chǎn)品的研發(fā)和技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化，把技術(shù)成果充分應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全，帶動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。其次，建立健全安全管理制度機(jī)制，引導(dǎo)企業(yè)建設(shè)安全防護(hù)能力，形成國(guó)家、行業(yè)、企業(yè)三方協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全格局，建設(shè)全生命周期的安全保障體系。最后，建立基于設(shè)備邊界、策略、特征的安全防護(hù)和統(tǒng)一的安全運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，通過(guò)規(guī)則分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能分析、可視化等技術(shù)，為企業(yè)的安全運(yùn)營(yíng)分析平臺(tái)提供技術(shù)與數(shù)據(jù)保障。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的工業(yè)APP（工業(yè)應(yīng)用軟件）的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)路徑，以基于工業(yè)大數(shù)據(jù)分析的智能系統(tǒng)為發(fā)展方向，主要利用數(shù)據(jù)+模型為企業(yè)提供服務(wù)，滿足企業(yè)的管理和需要。目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的很多問(wèn)題，如開(kāi)發(fā)工具不足、行業(yè)算法和模型庫(kù)缺失、模塊化組件化能力較弱、工業(yè)微服務(wù)與工業(yè)APP研發(fā)質(zhì)量不高等。

現(xiàn)有通用基礎(chǔ)平臺(tái)尚不能完全滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用需要，因此要實(shí)現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全面連接，支撐服務(wù)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，一定要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究部署，加快5G工業(yè)應(yīng)用、邊緣計(jì)算、人工智能等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，大力發(fā)展新型工業(yè)軟件和工業(yè)APP等應(yīng)用技術(shù)。

4.2行業(yè)應(yīng)用實(shí)例分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)提升制造業(yè)生產(chǎn)率尤其是降本和增效方面有切實(shí)利益。目前，電力行業(yè)、電子行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)，是現(xiàn)階段工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)普及程度最高的行業(yè)。此外，石油石化、鋼鐵、交通設(shè)備制造行業(yè)對(duì)提高企業(yè)運(yùn)行效率和精益管理也有較高的意愿，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在這些行業(yè)領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用。由于流程行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程流水化程度高，行業(yè)的自動(dòng)化、信息化水平高，MES、ERP和PLC等管理信息系統(tǒng)都已經(jīng)應(yīng)用于該行業(yè)。此外，行業(yè)特征和工藝特點(diǎn)的限制，故障停機(jī)給企業(yè)帶來(lái)的成本較高，因此流程行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平明顯高于離散型制造企業(yè)。以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵行業(yè)面臨生產(chǎn)過(guò)程中高耗能、高排放，對(duì)環(huán)保限產(chǎn)等壓力。此外，人員流動(dòng)性較高，工藝原理復(fù)雜，很難將管理方法和行業(yè)知識(shí)沉淀下來(lái)。因此，基于企業(yè)實(shí)際需求，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。對(duì)煉鐵高爐等設(shè)備開(kāi)展實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、工藝優(yōu)化、質(zhì)量管理、資產(chǎn)管理、能源管控，提升產(chǎn)線運(yùn)行效率，降低能耗和排放。此外，通過(guò)將經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)模塊化，大幅減少停機(jī)故障和安全事故。

圖6 某特鋼工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)煉鐵工序是鋼鐵企業(yè)工藝中的重要環(huán)節(jié)，其成本和能耗占整個(gè)鋼鐵生產(chǎn)的70%左右。由于煉鐵高爐具有高溫、高壓、密閉、連續(xù)生產(chǎn)的“黑箱”特性，氣體、固態(tài)、液體多相流以及復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)數(shù)字化難以解析，導(dǎo)致煉鐵生產(chǎn)過(guò)程仍主要靠操作人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，其核心技術(shù)僅僅掌握在少數(shù)專家手中，大量的專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速固化和復(fù)用。因此，急需通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)企業(yè)進(jìn)行賦能，形成面向設(shè)計(jì)仿真、安全預(yù)警、工況診斷、工藝優(yōu)化等應(yīng)用場(chǎng)景的煉鐵工業(yè)APP，實(shí)現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)與管理的數(shù)字化、科學(xué)化及智能化。

4.2.1設(shè)計(jì)仿真基于煉鐵的設(shè)計(jì)仿真，首先設(shè)計(jì)人員借助平臺(tái)上傳設(shè)備的初步設(shè)計(jì)圖紙。其次，通過(guò)仿真建模軟件模擬設(shè)備在設(shè)定參數(shù)下的熱面溫度場(chǎng)分布。一方面對(duì)設(shè)備冷卻能力、加熱特性合理性進(jìn)行模擬計(jì)算，另一方面對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)“盲區(qū)”進(jìn)行模擬。通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬迭代優(yōu)化，更好地指導(dǎo)冷卻設(shè)備生產(chǎn)和優(yōu)化。研究人員通過(guò)對(duì)煉鐵過(guò)程中的冷卻設(shè)備進(jìn)行熱態(tài)和冷態(tài)試驗(yàn)，找出影響掛渣能力的各個(gè)因素。然后，通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)PaaS層微服務(wù)框架組件、可視化建模等工具，封裝產(chǎn)生的研究結(jié)果、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，利用平臺(tái)具有的APP開(kāi)發(fā)工具組件構(gòu)建冷卻設(shè)備安全預(yù)警監(jiān)測(cè)APP，以實(shí)現(xiàn)冷卻設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)在線可視化管理。最后，通過(guò)對(duì)冷卻設(shè)備破損實(shí)體調(diào)研，分析驗(yàn)證冷卻設(shè)備的運(yùn)行效果，進(jìn)一步指導(dǎo)冷卻設(shè)備設(shè)計(jì)的升級(jí)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)冷卻設(shè)備全生命周期的管理優(yōu)化，如圖7所示。

圖7 煉鐵設(shè)計(jì)仿真工業(yè)知識(shí)軟件化流程

通過(guò)對(duì)煉鐵工藝中冷卻設(shè)備的全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)冷卻設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，建立設(shè)備的安全預(yù)警監(jiān)測(cè)APP。一方面能夠延長(zhǎng)冷卻設(shè)備使用壽命，保障高爐操作爐型的合理穩(wěn)定，減少設(shè)備的損耗；另一方面能夠有效避免爐況波動(dòng)，降低高爐消耗，估計(jì)降低噸鐵燃料消耗5 kg/t鐵。如果進(jìn)一步在全國(guó)范圍內(nèi)的煉鐵工藝中大力推廣，可實(shí)現(xiàn)增收100億元/年。

4.2.2工況診斷對(duì)煉鐵過(guò)程中的高爐進(jìn)行工況診斷，通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)數(shù)據(jù)治理和存儲(chǔ)計(jì)算，進(jìn)一步對(duì)煉鐵高爐生產(chǎn)過(guò)程中流量、壓力、溫度等重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)源進(jìn)行過(guò)濾、清洗等標(biāo)準(zhǔn)化處理。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)微服務(wù)資源池中已經(jīng)封裝的PCA算法模型，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征選擇、特征抽取和降維處理，調(diào)用SPE統(tǒng)計(jì)量和三維凸包等算法分析煉鐵高爐的生產(chǎn)狀態(tài)，并調(diào)用封裝的貢獻(xiàn)圖算法推算在異常爐況下各個(gè)特征變量對(duì)產(chǎn)生的后果所占的比重。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中的容器管理工具，能夠集成多個(gè)微服務(wù)，滿足操作者在微服務(wù)資源池中進(jìn)行調(diào)用。通過(guò)平臺(tái)中的APP開(kāi)發(fā)工具和組件構(gòu)建高爐工況診斷APP，實(shí)現(xiàn)高爐生產(chǎn)狀態(tài)的診斷，如圖8所示。經(jīng)過(guò)多座高爐現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能夠根據(jù)高爐生產(chǎn)的重要參數(shù)準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)測(cè)故障的發(fā)生，誤報(bào)率低，準(zhǔn)確性高。

5

結(jié) 語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能與技術(shù)性能會(huì)產(chǎn)生新的變化，并且在企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中起著重要作用。未來(lái)，企業(yè)不僅要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行資產(chǎn)的性能管理，而且要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能制造的云端控制和遠(yuǎn)程運(yùn)維管理，建立制造企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈、上下游廠商的供應(yīng)鏈和價(jià)值鏈的協(xié)同機(jī)制，并且建立先進(jìn)控制技術(shù)資源的公共服務(wù)體系，最終構(gòu)成從數(shù)據(jù)采集到設(shè)備、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)及企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)工廠從底層到上層的信息貫通，打通自動(dòng)化孤島，實(shí)現(xiàn)全流程的自動(dòng)化生產(chǎn)，加強(qiáng)工業(yè)軟件與行業(yè)需求的結(jié)合，促進(jìn)軟件技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的深度融合，提升企業(yè)的智能制造生產(chǎn)水平。

原文標(biāo)題：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系研究與應(yīng)用分析

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