工業互聯網將給中國製造業怎樣的未來?

ITValue2019-02-08 02:11:50

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作者:蘇寧金融研究院物聯網實驗室高級研究員  王元


近期,工信部、財政部等部委密集出台《工業互聯網發展行動計劃(2018-2020年)》、《工業互聯網專項工作組2018年工作計劃》、《2018年工業轉型升級資金工作指南》等多項旨在推進工業互聯網發展的產業支持政策,引發市場廣泛關注。

 

業內普遍認為,隨着工業互聯網上升為我國“製造強國”的國家戰略高度,以及產業支持政策的不斷落地,工業互聯網將進入快速發展期。

 

在此,筆者需要指出的是,雖然工業互聯網發展將為中國製造業“彎道超車”插上翅膀,但究竟能飛多遠,取決於三大工業互聯網技術標準的支持。

 

下面,讓我們從什麼是工業互聯網談起,來了解它的前世、今生以及未來。



01
什麼是工業互聯網?



關於工業互聯網的表述有很多,通用的官方定義為:

 

工業互聯網是鏈接工業全系統、全產業鏈、全價值鏈,支撐工業智能化發展的關鍵基礎設施,是新一代信息技術與製造業深度融合所形成的新興業態和應用模式,是互聯網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體。

 

從本質來看,工業互聯網的本質是以機器、原材料、控制系統、信息系統、產品及人之間的網絡互聯為基礎,通過對工業數據的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析,實現智能控制、運營優化等生產組織方式變革。

 

以下是工業互聯網產業聯盟給出的參考功能架構圖:

 

 

從圖中可以直觀地看到,工業互聯網在底層邊緣層強調設備的接入。從這個意義上説,工業互聯網和工業物聯網的定義更加擬合,可以交換使用。

 


02
工業互聯網與互聯網有何異同?



如圖 1所示,工業互聯網的架構相比互聯網架構體系,多了一層涉及到傳感器等設備接入的邊緣層,即從概念上多了把物理世界映射到電子世界的過程,對比互聯網,其本質則是完全線上的電子信息的交互與分享。因此,工業互聯網在接入標準、業務模式、網絡拓撲、數據特性等方面相比互聯網會有所不同。下面逐一做簡要分析:

 

  • 標準化程度


就互聯網應用來説,HTTP、HTTPS協議已成為統一應用層接入協議,藉助底層TCP/IP協議族,用户使用瀏覽器接入使用互聯網,同時利用DNS標識解析服務,可以有效的做到搜索、定位到指定網站,進而完成信息的獲取。

 

移動互聯網的發展,使得手機App形成另一種接入入口,但是其本質依然遵循互聯網網頁應用設計架構MVC原理,行業標準化程度高。

 

對比互聯網,工業互聯網標準碎片化較為突出。首先,對比互聯網本身就是單純的IT網絡,工業互聯網涉及到IT網絡和OT網絡的融合,自然需要融合多通信協議和標準。

 

其次,工業互聯網IP化程度與互聯網不可同日而語,多種應用協議並存,如MQTT、CoAP、Modbus、PROFIBUS、私有TCP/UDP等,多數邊緣設備無法支持HTTP協議族,這也是邊緣設備計算能力差異化的側面反映。

 

最後,工業互聯網在設備、服務尋址方面沒有類似DNS這樣的統一標識解析服務,解析服務同樣標準碎片化,例如Handle、OID、Ecode等分別由不同組織發起。

 

  • 業務模式


互聯網行業屬於輕資產行業,而工業互聯網涉及到設備投入,即涉及固定資產和庫存管理,屬於重資產。

 

相比互聯網技術平均每隔3年迭代一次的高頻率更新換代,工業互聯網技術迭代需要同時發生在邊端設備和服務器兩端,涉及到的不僅是上層應用軟件方面的升級,還涉及到固件甚至是硬件方面的升級,在技術換代成本和安全穩定性上是雙高門檻,很多企業不得不在技術先進性上妥協。

 

也正因為技術換代的高成本、高風險,企業在工業互聯網技術前期預研和選型上更為慎重,畢竟相比互聯網技術,工業互聯網(IIOT)的設計週期普遍較長。

 

  • 網絡拓撲和系統構成


傳統互聯網由於採用建立在TCP/IP上的HTTP通信機制,使用B/S或C/S模式,對網絡拓撲的敏感性和依賴性較低,其通信轉換大多為端口轉發,基本不涉及協議轉換。

 

工業互聯網基於網關的多協議轉換正獲得普遍應用,例如GE推出的數據採集轉換模塊Predix Machine。由於系統上下層通信依賴網關,因此工業互聯網對網絡拓撲較互聯網更敏感。同時,由於眾多設備接入,數據成指數級增長,但是傳輸帶寬卻是有限的,因此邊緣計算節點在工業互聯網部署中,相比互聯網更具必要性。

 

  • 數據特性


工業互聯網與互聯網相比,有着完全不同的數據特性。下面,以下表1為例,列舉工業互聯網與互聯網的數據特性對比。

 

      

如表 1所示,數據特性的不同直接導致系統架構設計側重點的不同,這也是為什麼互聯網架構不能直接應用於IIOT(工業互聯網)的原因之一,在此列舉以下幾個例子:

 

1.併發連接。由於IIOT接入併發居多,這意味着工業互聯網接入設計需採用異步通信接入。相比Web接入,很多成熟的架構多以同步通信為主。


2.數據時序性。IIOT接入的數據有着很強的時間順序,數據產生頻率快,測點多,數據量巨大。傳統關係型數據庫無法滿足對時間序列數據的有效存儲與處理,因此需要使用專門的時序性數據庫例如InfluxDB等。


3.數據關聯性。相比互聯網,IIOT接入的數據維度和類型多而廣。由於是時序數據,對於突發事件而言,數據間隱含着較強關聯性。這需要系統架構支持數據融合,以便深度挖掘數據間的關聯性,更好的支持上層業務系統決策。


4.延時容忍度。工業互聯網由於涉及OT網絡和實時控制,對系統的延時要求較互聯網要高得多。因此,系統延時往往需要從邊端設備就開始規劃和設計,例如軟實時操作系統Linux有時不能滿足需求,基於硬實時的RTOS可有效降低邊端設備數據採集的延時不確定性。


瞭解了上述工業互聯網與互聯網的差異,再去思考工業互聯網的未來,或許就能更加深刻地去理解其對工業製造業乃至國家發展的重要意義。



03
工業互聯網的未來



當前,伴隨着網絡信息技術與工業不斷深度融合,同時數字化、網絡化、智能化的新型工業形態不斷驅動,工業互聯網已成世界主要工業國家搶佔國際製造業競爭的重要板塊,同時也成為了各國尋求經濟新增長點的共同選擇。

 

目前的全球工業互聯網格局以美國、德國、日本為首,紛紛以龍頭企業引領工業互聯網的推進,迅速地推動着全球工業互聯網發展。

 

在我國,工業互聯網平台為中國製造業提供了絕佳的“彎道超車”的歷史機遇,工業互聯網目前也已上升為我國“製造強國”的國家戰略,逐漸覆蓋到各個領域,如醫療、工廠、基建等等。

 

與此同時,工業互聯網也為金融領域帶來了眾多新的改變,例如它可以為產業供應鏈金融提供基礎信息服務,有效解決信息不透明問題,直接有利於金融機構對企業的授信和風險評估,進而解決企業融資問題。



04
工業互聯網的先行者


 

就目前而言,工業互聯網平台提供e-works統計的已經超過150家。根據廠商背景的不同,工業互聯網平台可以分為ICT、工業、創業3個類別,根據平台定位又可分為資產優化、資源配置和通用使能3個類別(參見表2)。



其中,工業企業如西門子、三一根雲偏重於資產優化;海爾或美的這類企業的重點在資源配置的定位;阿里巴巴、Amazon、華為等ICT企業一般偏重於通用使能的定位。此外,大多數創業企業團隊都是從ICT和工業企業走出來,在三類平台均有涉及。

 

需要説明的是,源自西門子、三一根雲等工業企業的工業互聯網平台藉助其對行業的深入理解,在IT網絡和OT網絡的融合層面具有一定優勢,通用使能定位的工業互聯網平台由於其在雲計算、大數據以及軟件服務領域積累了較多經驗,在其工業對外數據網絡中更具競爭力。

 

不過,隨着ICT企業和工業企業的跨界合作,工業互聯網平台的劃分界限也開始趨近模糊。比如,施耐德公司提供的EcoStruxure工業互聯網平台,其底層架構基於微軟的Microsoft Azure,還有如西門子的MindSphere則是基於SAP的CloudFoundry開源架構。

 

更進一步,細化來説,我們還可以根據國內外工業互聯網平台在部署模式、運營模式、主要功能和應用場景上的差異,進行更加細緻的分類和對比,如表 3、表 4所示,從中可以看出每個平台在功能上的不同側重點。

 

 

05
工業互聯網的關鍵技術


從目前來看,我國的工業互聯網建設與歐美日等製造業強國處於同一起跑線,我國也高度重視,在《中國製造2025》、“互聯網+”、“十三五”規劃綱要、《深化製造業與互聯網融合發展的指導意見》、《深化“互聯網+先進製造業”發展工業互聯網的指導意見》等戰略中都明確提出加強工業互聯網建設。

 

然而,需要指出的是,工業互聯網(IIOT),區別於互聯網,也區別於傳統意義上的物聯網(IOT),是物聯網在工業領域的特殊應用。它是平台型產品,平台型產品天生具有高粘連性和高遷移成本,因此選擇合適的工業互聯網平台對企業技術升級至關重要。

 

在筆者看來,一個優秀的工業互聯網平台,支持了下述三大工業互聯網關鍵技術標準,才具有技術領先性和未來可擴展性:

 

  • OPCUnified Architecture 標準


OPCUA標準是工業互聯網OT網絡的通信標準協議與數據語義定義標準。利用OPC UA 技術可以實現工業以太網、工業總線等物理連接的設備、傳感器、PLC、控制系統、管理軟件等不同來源的不同協議間的數據轉換。同時,OPC UA標準的支持將有利於OT網絡與IT網絡的融合。

 

  • IEEETime Sensitive Network(TSN)網絡


任何一個網絡,只要處理多源時序數據,就需要有統一的時間認知,即統一全局時間。傳統互聯網和消費級物聯網,利用網絡內基於GPS的基準時鐘,採用NTP時鐘同步算法完成全網時間同步,精度一般在秒級。然而,工業互聯網由於需要實時控制,要求的時間精度往往在微秒級,這需要更加精確的同步算法。

 

比如,IEEE提出的TSN網絡就是一個包含通用精準時間同步(gPTP)算法的工業互聯網標準,此標準解決2個問題:

 

(1)工業通信標準的碎片化。該標準定義了以太網為統一物理層有線鏈路連接OT網絡和IT網絡,結合前文提到的OPC UA實現整體的IT與OT在有線網絡接入層融合。

 

(2)基於Mac層的通用時間同步算法gPTP。STN下定義的802.1AS時間同步標準可應用於有線和無線網絡,同步精度達到微秒級,很好的滿足了工業互聯網對於時間控制精度的需求。如圖 2中綠框所示,可以看到嵌入式實時操作系統已經開始陸續支持PTP/gPTP時間同步算法。

 


  • IPv6標準


IPv6協議海量尋址空間與IOT設備的海量基數天然匹配,是工業互聯網IP層的未來標準協議,在中國國務院發佈的《關於深化“互聯網+先進製造業”發展工業互聯網的指導意見》中,已經明確指出需要大力發展。

 

值得一提的是,新一代嵌入式實時操作系統大多已經原生兼容IPv6協議對應的RPL路由協議(參見圖3),這為底層異構協議間的IP層通信,提供了操作系統級的支持。

 

以上簡要介紹了工業互聯網未來發展的核心技術。

 

隨着國家對產業升級、創新、經濟新動能的進一步推動,隨着各大技術廠商對工業互聯網的持續投入,工業互聯網作為智能製造的基礎平台,將會在整個製造業發展過程中起到越來越關鍵的作用。

 

當萬物互聯,企業完成IIOT化,社會是否會湧現出新的商業模式和金融融資方式呢?讓我們拭目以待!






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