搜索

工业互联网“咖”解丨李伯虎:一种新型工业互联网——智慧工业互联网

分享到:

引言

一场以科技革命与产业变革为主要内容的新一轮工业革命已在全球快速展开。“工业互联网”作为新一代信息通信技术与工业深度融合的产物,是新一轮工业革命的关键支撑。当前,我们正步入“智能+”[1-2]与后疫情间相互矛盾的新时代,正面临我国新发展理念实施与单边霸凌恶行间相互矛盾的新形势,正逢新信息通信技术深度融合制造技术与制造业转型升级发展间相互矛盾的新需求。在“新时代/新形势/新需求”中的机遇与挑战并存,任重道远。我们认为,“智慧工业互联网”是一种适应新时代/新形势/新需求的新模式、新技术手段与新业态。


智慧工业互联网概述

2.1

工业互联网提出

工业互联网的名词及其初始理念于2012年由美国GE公司提出[3]。我们将其解读为工业互联网1.0:“它将人、智能机器、高级分析系统通过网络融合在一起,通过数据/信息、硬件、软件和智能分析/决策的交互,使创新能力提高、资产运营优化、生产效率提高、成本降低和废物排放减少,进而带动整个工业经济发展。”

为了适应新时代/新形势/新需求,结合本团队在工业互联网方面的研究成果和初步实践,下文给出“智慧工业互联网”的内涵、体系架构、技术体系,简述其中国特色及其对工业互联网1.0的拓展。

2.2

智慧工业互联网的内涵

1.智慧工业互联网是一个复杂系统

在新一代人工智能技术引领下,由六大新体系组成:①制造产品/能力/资源体系②新网络/感知体系③新平台体系④新标准安全体系⑤新应用体系⑥新用户体系。其中,“新”的含义体现了新时代技术与各子体系专业领域技术的新深度融合。


2.智慧工业互联网是一种新型工业互联网系统

宏观地讲,智慧工业互联网系统是在新一代人工智能技术引领下的“人、信息(赛博)空间与物理空间”融合的“新智慧制造资源/能力/产品”智慧互联协同服务的工业互联网系统——一种新型工业互联网。


智慧工业互联网系统的“智慧”意指在新一代人工智能技术引领下的,相互联系、层层递进的系统的“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、定制化、柔性化和智能化”(简称八化)。


智慧工业互联网将具备“新技术、新模式、新业态、新特征、新内容、新目标”(简称六新),具体来讲。


(1)新技术手段

基于泛在新互联网,在新一代智能科学技术引领下,借助新一代智能科学技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术、及新制造应用领域专业技术等4类新技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术新工具,构成以用户为中心的统一经营的多层新智慧制造资源/能力/产品的服务云(网),使用户通过新智慧终端及新智慧制造服务平台便能随时随地按需获取新智慧制造资源/能力/产品服务,进而优质、高效完成制造全生命周期的各类活动。


(2)新模式

一种“用户为中心,人/机/物/环境/信息优化融合”,“互联化(协同化)、服务化、社会化、个性化(定制化)、柔性化、智能化”的先进制造新模式;


(3)新业态

“万物互联、智能引领、数据驱动、共享服务、跨界融合、万众创新”的新业态;


(4)新特征

对新制造全系统、全生命周期活动(产业链)中的人、机、物、环境、信息进行自主智慧地感知、互联、协同、学习、分析、认知、决策、控制与执行;


(5)新实施内容

促使制造全系统及全生命周期活动中的人、技术/设备、管理、数据、材料、资金(六要素)及人流、技术流、管理流、数据流、物流、资金流(六流)新集成优化;


(6)新目标

高效、优质、节省、绿色、柔性、安全地制造产品和服务用户,提高企业(或集团)的市场竞争能力。


2.3

智慧工业互联网的体系架构

智慧工业互联网的体系架构如图1所示,主要包括以下6个层次[2,4-5]:① 新智慧制造资源/能力/产品层;② 新智慧感知/接入/通讯层;③ 新智慧边缘处理平台层;④ 新智慧制造系统云端服务平台层(该层包括新虚拟智慧制造资源/能力/产品层、新智慧制造云端服务支撑共性/制造服务功能层、新智慧用户界面层);⑤ 新智慧制造云服务应用层;⑥ 新人/组织;此外,各层具有新标准及新安全管理支撑。


本体系架构适用于系统纵向范围、系统横向范围(全产业链)以及端对端间连接。


该体系架构具有的新特色:在新一代人工智能技术引领下,①边缘/云端协同制造新架构;②云计算/人工智能/大数据/新互联网等为代表的新信息通信技术与新制造技术融合;③感知/接入/通讯层虚拟化、服务化,进而全系统实现了虚拟化、服务化;④各层具有新时代“新”内涵及内容;⑤用户为中心的新智慧制造资源/能力/产品智慧共享服务。


图1   智慧工业互联网的体系架构


2.4

智慧工业互联网的技术体系


智慧工业互联网的技术体系是六维的技术体系群[2,4-5]


1. 智慧工业互联网技术体系的总体架构子体系

技术体系的总体架构子体系如图2所示,包括总体技术、智慧产品专业技术、智慧感知/接入/通讯层技术、智慧边缘处理平台技术、智慧云端服务平台技术、智慧产品设计技术、生产/装备技术、经营管理技术、仿真与试验技术、售前/售中/售后技术等。


图2   智慧工业互联网的总体架构子体系


2. 智慧工业互联网的工业软件子体系(新一代人工智能引领)
工业软件子体系包括系统软件、平台软件、应用软件等,如图3所示。

图3   智慧工业互联网的工业软件子体系


3. 智慧工业互联网的安全技术子体系(新一代人工智能引领)
安全技术子体系包括物理安全防护技术、技术安全防护技术、管理安全防护技术、商业安全防护技术等,如图4所示。


图4   智慧工业互联网的安全技术子体系


4.智慧工业互联网的标准技术子体系(新一代人工智能引领)
标准技术子体系包括共性标准、总体标准、平台标准、应用标准等,如图5所示。


图5   智慧工业互联网的标准技术子体系


5.智慧工业互联网的评估技术子体系(新一代人工智能引领)
评估技术子体系包括水平与能力评估及效能与效益评估等,如图6所示。

图6   智慧工业互联网的评估技术子体系


6.智慧工业互联网的支撑技术子体系(新一代人工智能引领)
支撑技术子体系包括新制造技术,新信息通信技术,新智能科学技术,新制造应用领域专业技术等,如图7所示。


图7   智慧工业互联网的支撑技术子体系


2.5

智慧工业互联网对工业互联网1.0的发展

新技术、新模式、新业态是智慧工业互联网的核心。如图8所示。

图8   智慧工业互联网的新技术、新模式、新业态


智慧工业互联网是工业互联网1.0的持续拓展与发展。较工业互联网1.0在技术手段、模式、业态、特点、实施内容、体系架构、技术体系等方面,特别是在新一代人工智能技术引领下的人、信息空间和物理空间融合及多学科技术集成与优化方面皆有较大的拓展。


2.6

智慧工业互联网的中国特色

围绕提高制造企业市场竞争力的目标,以两化融合为主线,智慧工业互联网的中国特色体现在以下四个突出:①突出问题(制造大国向制造强国迈进)导向牵引智慧工业互联网建设,加快推进中国制造业的5个转型升级;②突出在新一代智能科学技术引领下,建立智慧工业互联网新手段、新模式、新业态为核心的系统;③突出工业2.0/3.0/4.0同步发展,即处于数字化、网络化、智能化不同阶段的制造企业皆能在“云”(智慧工业互联网)中实现“信息互通、资源共享、能力协同、产品智造,互利共赢、万众创新”转型升级;④突出发挥“政、产、学、研、金、用”的团队力量。


智慧工业互联网的初步实践

3.1

智慧工业互联网雏型——“航天云网2.0”的关键技术

“航天云网2.0”由中国航天科工集团的航天云网公司研发成功。“雏型”意指仅仅融合了部分的新一代人工智能技术/新制造科学技术/新信息通信科学技术/新制造应用领域专业技术。目前,涉及的关键技术主要包括以下几类[6-7]


1.航天云网体系架构/平台技术

航天云网的体系架构如图9所示,包括新资源/产品/能力层,新工业物联网/接入层,新边缘处理层,新云端平台共性服务层,新云端工业SaaS层(CMSS,Cloud Manufacturing Support System),新用户应用层,用户层,以及标准体系,安全体系。


图9 航天云网的体系架构图


2.智慧互联网系统的集成优化技术

提出:基于云服务总线的服务智能编排和治理技术;基于流程动态优化工业互联网系统组合优化技术;基于微服务的API组合与调度技术;实现跨企业、跨平台、跨领域制造资源、数据和应用服务的互联、集成与优化。


3.智能驱动的工业PAAS平台技术

提出:基于Kubernetes+CloudFoundry的双容器引擎及基于联邦集群技术的资源统一调度与管理技术;数据驱动的业务流程引擎和面向数字孪生的仿真引擎及其服务化技术;大数据与机理模型混合驱动的云原生开发环境及开放API接口技术;基于“边缘制造+云制造”的云边协同技术;实现多源异构应用动态构建、调度及运行。


4.面向丰富应用场景的人工智能/大数据服务构建技术

提出:基于数据挖掘、模型训练、模型部署的大数据和人工智能服务构建技术;基于知识图谱的人工智能/大数据技术的可解释模型构建方法;基于跨行业跨领域泛在条件下可扩展、可解释的大数据和人工智能模型和算法;形成分类、聚类、关联分析、神经网络等通用类算法服务;实现企业研发、生产、经营过程中产生的海量数据处理和分析。


5.面向制造全生命周期的智能云建模与仿真技术

提出:基于信息物理系统大数据的非机理建模方法;多级(作业级、模型级、算法级)并行高效能仿真算法及面向机器学习的二次建模方法;基于容器的轻量级虚拟化架构的高效能云仿真方法;实现企业协同生产制造过程仿真资源按需动态构建和协同仿真。


6.智能工业APP快速开发技术

提出:云制造支撑系统(CMSS)技术架构;基于微服务/FaaS的工业模型服务化开发与动态编排技术;基于知识表示的可解释机器学习数据建模及面向工业APP的数据/机理模型自适应融合方法;工业数据智能驱动的工业APP快速建模开发技术;实现工业机理模型服务化封装和动态组合调度。


7.“5G+边缘计算”技术

提出:基于“5G+边缘计算”的智能边缘一体机架构;5G等多协议自适应工业互联接入与智能数据采集技术;基于嵌入式系统和深度学习的高效处理决策技术;基于“5G+VR+工业互联网”的关键设备远程运维与智能服务技术;工业应用、算法、模型的云边协同模型与部署运行技术;实现应用、算法、模型的云边协同运行与处理。


8.基于智慧工业互联网的管理技术

提出:面向智能制造的智慧供应链管理软件技术;基于知识图谱的供应链协同智能匹配与推荐技术;云供应链动态组织与构建技术;基于“平台+区块链”的营销管理技术;支撑政府、企业,实现管理的精准化、智能化。


3.2

航天云网应用范例【7】

针对问题,基于技术攻关成果,给出下述典型应用范例。


1. “5G+VR+数字孪生”远程运维服务

航天云网所属重庆公司基于工业互联网,利用5G+VR+数字孪生的新技术,实现热处理工厂炉内温度场分布、渗碳过程可视化,降低人工作业风险;预测碳势分布,实时调整整炉内参数,提高工艺稳定性,降低产品报废率,实现热处理过程远程运维新模式。


图10 “5G+VR+数字孪生”远程运维服务


2. 基于区块链的智能供应链服务

针对政府、企业等对防疫物资需求、供给等环节信息透明、安全、可追溯的需求,运用区块链技术,开发区块链防疫物资可信追溯系统,提供防疫物资上链可视化展示、供需信息审核标注等功能,为政府、企业提供了及时可靠的数据。


图11   区块链防疫物资可信追溯系统


3. 基于大数据的智能云服务
针对工业机器人维修响应慢、运维成本高等问题,利用智能网关对传感器、设备等数据进行采集及预处理,并传送至云平台,通过平台大数据智能引擎及工具,构建设备管理、运行工况监测、故障诊断等算法模型,帮助企业实现基于云智能服务。


图12   基于大数据的设备运行监控云平台


4. 基于数字孪生的智能云服务

针对产品的多品种、小批量、柔性化生产对产线布局优化及资源高效调度的需求,应用AR/VR技术建立产线模型及虚拟生产环境,搭建虚拟工厂,实现远程监控,并利用仿真工具对产线布局、物流设计、节拍等进行仿真,构建数字孪生模型,为产线提供优化指导。


图13   AR/VR产线仿真系统


5. 面向航天复杂产品的协同云服务
针对航天复杂产品研发设计、生产制造等过程存在的多学科、跨专业协同效率低,资源配置不均衡等问题,搭建内部协同共享制造平台,提供协同研发、协同生产、智能管控、智能服务等服务,支撑企业产品全生命周期业务在线开展。


图14   面向航天科工集团复杂产品的协同云服务应用


6. 基于知识图谱的供应链优化

基于知识图谱技术为国家某部委建设了“资源布局与产业链分析监测平台”,该平台中覆盖国民经济近20个门类、400多领域、1382个行业小类、15余万家企业和27500余种产品,通过知识图谱技术构建了关系数达到百亿边的全要素、全行业、全地域产业知识图谱,并对供应链中薄弱环节、高风险与堵点断点进行分析优化,助力该部委全面掌握资源布局情况,提升产业治理能力。


图15   基于知识图谱的供应链优化


发展智慧工业互联网的建议

在“政府引导,市场主导”,“创新驱动、攻克短板”,“问题导向,技术推动”,“系统规划,分步实施”等原则下,在国家、地方的战略规划和计划支持下,期望能实现6个加快。


(1)加快创新体系的建设,特别是企业为中心的“政产学研金用”结合的技术创新体系的建设;


(2)加快各类人才培养,特别是加快培育产教融合、复合型工业互联网领域人才培育;


(3)加快国家/地方基础建设,特别是重视适时、安全、服务化的泛在网络(如5G、天地一体化互联网络)建设;


(4)加快国家/地方政策的完善与落实,特别是加快推动数据产业立法,完善与落实数据开放共享机制及工业数据安全的政策;完善与落实对中/小/微企业数字化支持政策;


(5)加快攻克短板,实现我国自主“技术、应用、产业”的协调发展,特别是大力开发异构工业互联网平台融通及制造工具软件的技术与产品;充分培育发展以数字孪生为重要载体的新一代工业APP专件技术与产品;重视研发支持工业2.0/3.0/4.0同步发展的跨领域、跨行业、跨区域工业互联网系统等。


(6)加快国内外开放合作,特别是我国自主产业链间的开放与合作。


小结

(1)新时代/新形势/新需求催生“智慧工业互联网”。
(2)本文提出的“智慧工业互联网”是一种新型工业互联网。
(3)“智慧工业互联网”是实施我国“制造强国”“网络强国”战略规划和行动计划等的一种具有“中国特色”的新先进制造模式、新技术手段和新业态.
(4)“智慧工业互联网”是在“需求牵引、技术推动”下持续发展的制造新模式、新技术手段和新业态。
(5)“智慧工业互联网”的发展与实施还需要全国、全球的合作与交流,同时又要充分重视各国的特色和各行业、各企业的特点。


致谢

感谢团队的贡献,感谢领导与同行们的帮助与支持,感谢航天云网公司相关成果及应用案例的共享!

参考文献

1.潘云鹤. "中国新一代人工智能"[C]//天津: 首届世界智能大会, 2017
2.李伯虎,柴旭东,侯宝存等.云制造系统 3.0-一种“智能+”时代的新智能制造系统[J].计算机集成制造系统,2019,25(12):2997-3012.
3.Peter C.Evans,Marco Annunziata.Industrial Internet:Pushing the boundaries of minds and machines[R/OL].(2012-12-26)[2021-01-19].
https://www.researchgate.net/publication/271524319_Industrial_Internet_Pushing_the_boundaries_of_minds_and_machines.
4.李伯虎, 张霖等. 云制造[M]. 清华大学出版社, 2015
5.李伯虎,柴旭东,张霖等,智慧制造云,化学工业出版社,2020
6.魏毅寅,柴旭东.《工业互联网:技术与实践》,电子工业出版社,2017 ISBN: 9787121316975
7.航天云网技术报告集(内部)

作者


李伯虎

中国工程院院士、工业互联网产业联盟专家委员会副主任

柴旭东

航天云网科技发展有限责任公司研究员

侯宝存

航天云网科技发展有限责任公司研究员

刘阳

航天云网科技发展有限责任公司高级工程师


|
帮助信息
|
合作项目
|
版本说明