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干貨!工業(yè)互聯(lián)網將給中國制造業(yè)怎樣的未來?
  • 點擊數(shù):10306     發(fā)布時間:2018-08-21 16:52:00
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近期,工信部、財政部等部委密集出臺《工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展行動計劃(2018-2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網專項工作組2018年工作計劃》《2018年工業(yè)轉型升級資金工作指南》等多項旨在推進工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的產業(yè)支持政策,引發(fā)市場廣泛關注。
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近期,工信部、財政部等部委密集出臺《工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展行動計劃(2018-2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網專項工作組2018年工作計劃》《2018年工業(yè)轉型升級資金工作指南》等多項旨在推進工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的產業(yè)支持政策,引發(fā)市場廣泛關注。

業(yè)內普遍認為,隨著工業(yè)互聯(lián)網上升為我國“制造強國”的國家戰(zhàn)略高度,以及產業(yè)支持政策的不斷落地,工業(yè)互聯(lián)網將進入快速發(fā)展期。

在此,筆者需要指出的是,雖然工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展將為中國制造業(yè)“彎道超車”插上翅膀,但究竟能飛多遠,取決于三大工業(yè)互聯(lián)網技術標準的支持。

下面,讓我們從什么是工業(yè)互聯(lián)網談起,來了解它的前世、今生以及未來。

什么是工業(yè)互聯(lián)網?

關于工業(yè)互聯(lián)網的表述有很多,通用的官方定義為——

工業(yè)互聯(lián)網是鏈接工業(yè)全系統(tǒng)、全產業(yè)鏈、全價值鏈,支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關鍵基礎設施,是新一代信息技術與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應用模式,是互聯(lián)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(yè)互聯(lián)網的本質是以機器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產品及人之間的網絡互聯(lián)為基礎,通過對工業(yè)數(shù)據(jù)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(xiàn)智能控制、運營優(yōu)化等生產組織方式變革。

以下是工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟給出的參考功能架構圖:

圖片22.jpg

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

工業(yè)互聯(lián)網與互聯(lián)網有何異同?

如圖 1所示,工業(yè)互聯(lián)網的架構相比互聯(lián)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(lián)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(yè)互聯(lián)網在接入標準、業(yè)務模式、網絡拓撲、數(shù)據(jù)特性等方面相比互聯(lián)網會有所不同。下面逐一做簡要分析:

1、標準化程度

就互聯(lián)網應用來說,HTTP、HTTPS協(xié)議已成為統(tǒng)一應用層接入協(xié)議,借助底層TCP/IP協(xié)議族,用戶使用瀏覽器接入使用互聯(lián)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(lián)網的發(fā)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(lián)網網頁應用設計架構MVC原理,行業(yè)標準化程度高。

對比互聯(lián)網,工業(yè)互聯(lián)網標準碎片化較為突出。首先,對比互聯(lián)網本身就是單純的IT網絡,工業(yè)互聯(lián)網涉及到IT網絡和OT網絡的融合,自然需要融合多通信協(xié)議和標準。其次,工業(yè)互聯(lián)網IP化程度與互聯(lián)網不可同日而語,多種應用協(xié)議并存,如MQTT、CoAP、Modbus、PROFIBUS、私有TCP/UDP等,多數(shù)邊緣設備無法支持HTTP協(xié)議族,這也是邊緣設備計算能力差異化的側面反映。最后,工業(yè)互聯(lián)網在設備、服務尋址方面沒有類似DNS這樣的統(tǒng)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(fā)起。

2、業(yè)務模式

互聯(lián)網行業(yè)屬于輕資產行業(yè),而工業(yè)互聯(lián)網涉及到設備投入,即涉及固定資產和庫存管理,屬于重資產。

相比互聯(lián)網技術平均每隔3年迭代一次的高頻率更新?lián)Q代,工業(yè)互聯(lián)網技術迭代需要同時發(fā)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(wěn)定性上是雙高門檻,很多企業(yè)不得不在技術先進性上妥協(xié)。

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

3、網絡拓撲和系統(tǒng)構成

傳統(tǒng)互聯(lián)網由于采用建立在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(fā),基本不涉及協(xié)議轉換。

工業(yè)互聯(lián)網基于網關的多協(xié)議轉換正獲得普遍應用,例如GE推出的數(shù)據(jù)采集轉換模塊Predix Machine。由于系統(tǒng)上下層通信依賴網關,因此工業(yè)互聯(lián)網對網絡拓撲較互聯(lián)網更敏感。同時,由于眾多設備接入,數(shù)據(jù)成指數(shù)級增長,但是傳輸帶寬卻是有限的,因此邊緣計算節(jié)點在工業(yè)互聯(lián)網部署中,相比互聯(lián)網更具必要性。

4、數(shù)據(jù)特性

工業(yè)互聯(lián)網與互聯(lián)網相比,有著完全不同的數(shù)據(jù)特性。下面,以下表1為例,列舉工業(yè)互聯(lián)網與互聯(lián)網的數(shù)據(jù)特性對比。

圖片23.jpg

如表 1所示,數(shù)據(jù)特性的不同直接導致系統(tǒng)架構設計側重點的不同,這也是為什么互聯(lián)網架構不能直接應用于IIOT(工業(yè)互聯(lián)網)的原因之一,在此列舉以下幾個例子:

(1)并發(fā)連接。由于IIOT接入并發(fā)居多,這意味著工業(yè)互聯(lián)網接入設計需采用異步通信接入。相比Web接入,很多成熟的架構多以同步通信為主。

(2)數(shù)據(jù)時序性。IIOT接入的數(shù)據(jù)有著很強的時間順序,數(shù)據(jù)產生頻率快,測點多,數(shù)據(jù)量巨大。傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫無法滿足對時間序列數(shù)據(jù)的有效存儲與處理,因此需要使用專門的時序性數(shù)據(jù)庫例如InfluxDB等。

(3)數(shù)據(jù)關聯(lián)性。相比互聯(lián)網,IIOT接入的數(shù)據(jù)維度和類型多而廣。由于是時序數(shù)據(jù),對于突發(fā)事件而言,數(shù)據(jù)間隱含著較強關聯(lián)性。這需要系統(tǒng)架構支持數(shù)據(jù)融合,以便深度挖掘數(shù)據(jù)間的關聯(lián)性,更好的支持上層業(yè)務系統(tǒng)決策。

(4)延時容忍度。工業(yè)互聯(lián)網由于涉及OT網絡和實時控制,對系統(tǒng)的延時要求較互聯(lián)網要高得多。因此,系統(tǒng)延時往往需要從邊端設備就開始規(guī)劃和設計,例如軟實時操作系統(tǒng)Linux有時不能滿足需求,基于硬實時的RTOS可有效降低邊端設備數(shù)據(jù)采集的延時不確定性。

了解了上述工業(yè)互聯(lián)網與互聯(lián)網的差異,再去思考工業(yè)互聯(lián)網的未來,或許就能更加深刻地去理解其對工業(yè)制造業(yè)乃至國家發(fā)展的重要意義。

工業(yè)互聯(lián)網的未來

當前,伴隨著網絡信息技術與工業(yè)不斷深度融合,同時數(shù)字化、網絡化、智能化的新型工業(yè)形態(tài)不斷驅動,工業(yè)互聯(lián)網已成世界主要工業(yè)國家搶占國際制造業(yè)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(yè)互聯(lián)網格局以美國、德國、日本為首,紛紛以龍頭企業(yè)引領工業(yè)互聯(lián)網的推進,迅速地推動著全球工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展。

在我國,工業(yè)互聯(lián)網平臺為中國制造業(yè)提供了絕佳的“彎道超車”的歷史機遇,工業(yè)互聯(lián)網目前也已上升為我國“制造強國”的國家戰(zhàn)略,逐漸覆蓋到各個領域,如醫(yī)療、工廠、基建等等。

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

工業(yè)互聯(lián)網的先行者

就目前而言,工業(yè)互聯(lián)網平臺提供e-works統(tǒng)計的已經超過150家。根據(jù)廠商背景的不同,工業(yè)互聯(lián)網平臺可以分為ICT、工業(yè)、創(chuàng)業(yè)3個類別,根據(jù)平臺定位又可分為資產優(yōu)化、資源配置和通用使能3個類別(參見表2)。

圖片24.jpg

其中,工業(yè)企業(yè)如西門子、三一根云偏重于資產優(yōu)化;海爾或美的這類企業(yè)的重點在資源配置的定位;阿里巴巴、Amazon、華為等ICT企業(yè)一般偏重于通用使能的定位。此外,大多數(shù)創(chuàng)業(yè)企業(yè)團隊都是從ICT和工業(yè)企業(yè)走出來,在三類平臺均有涉及。

需要說明的是,源自西門子、三一根云等工業(yè)企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網平臺借助其對行業(yè)的深入理解,在IT網絡和OT網絡的融合層面具有一定優(yōu)勢,通用使能定位的工業(yè)互聯(lián)網平臺由于其在云計算、大數(shù)據(jù)以及軟件服務領域積累了較多經驗,在其工業(yè)對外數(shù)據(jù)網絡中更具競爭力。

不過,隨著ICT企業(yè)和工業(yè)企業(yè)的跨界合作,工業(yè)互聯(lián)網平臺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(yè)互聯(lián)網平臺,其底層架構基于微軟的Microsoft Azure,還有如西門子的MindSphere則是基于SAP的Cloud Foundry開源架構。

更進一步,細化來說,我們還可以根據(jù)國內外工業(yè)互聯(lián)網平臺在部署模式、運營模式、主要功能和應用場景上的差異,進行更加細致的分類和對比,如表 3、表 4所示,從中可以看出每個平臺在功能上的不同側重點。

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工業(yè)互聯(lián)網的關鍵技術

從目前來看,我國的工業(yè)互聯(lián)網建設與歐美日等制造業(yè)強國處于同一起跑線,我國也高度重視,在《中國制造2025》、“互聯(lián)網+”、“十三五”規(guī)劃綱要、《深化制造業(yè)與互聯(lián)網融合發(fā)展的指導意見》、《深化“互聯(lián)網+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網的指導意見》等戰(zhàn)略中都明確提出加強工業(yè)互聯(lián)網建設。

然而,需要指出的是,工業(yè)互聯(lián)網(IIOT),區(qū)別于互聯(lián)網,也區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的物聯(lián)網(IOT),是物聯(lián)網在工業(yè)領域的特殊應用。它是平臺型產品,平臺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(yè)互聯(lián)網平臺對企業(yè)技術升級至關重要。

在筆者看來,一個優(yōu)秀的工業(yè)互聯(lián)網平臺,支持了下述三大工業(yè)互聯(lián)網關鍵技術標準,才具有技術領先性和未來可擴展性:

1、OPC Unified Architecture 標準

OPC UA標準是工業(yè)互聯(lián)網OT網絡的通信標準協(xié)議與數(shù)據(jù)語義定義標準。利用OPC UA 技術可以實現(xiàn)工業(yè)以太網、工業(yè)總線等物理連接的設備、傳感器、PLC、控制系統(tǒng)、管理軟件等不同來源的不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉換。同時,OPC UA標準的支持將有利于OT網絡與IT網絡的融合。

2、IEEE Time Sensitive Network(TSN)網絡

任何一個網絡,只要處理多源時序數(shù)據(jù),就需要有統(tǒng)一的時間認知,即統(tǒng)一全局時間。 傳統(tǒng)互聯(lián)網和消費級物聯(lián)網,利用網絡內基于GPS的基準時鐘,采用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(yè)互聯(lián)網由于需要實時控制,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(yè)互聯(lián)網標準,此標準解決2個問題:

(1)工業(yè)通信標準的碎片化。該標準定義了以太網為統(tǒng)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(xiàn)整體的IT與OT在有線網絡接入層融合。

(2)基于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于有線和無線網絡,同步精度達到微秒級,很好的滿足了工業(yè)互聯(lián)網對于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(tǒng)已經開始陸續(xù)支持PTP/gPTP時間同步算法。

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3、IPv6標準

IPv6協(xié)議海量尋址空間與IOT設備的海量基數(shù)天然匹配,是工業(yè)互聯(lián)網IP層的未來標準協(xié)議,在中國國務院發(fā)布的《關于深化“互聯(lián)網+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網的指導意見》中,已經明確指出需要大力發(fā)展。

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

圖片28.jpg

以上簡要介紹了工業(yè)互聯(lián)網未來發(fā)展的核心技術。隨著國家對產業(yè)升級、創(chuàng)新、經濟新動能的進一步推動,隨著各大技術廠商對工業(yè)互聯(lián)網的持續(xù)投入,工業(yè)互聯(lián)網作為智能制造的基礎平臺,將會在整個制造業(yè)發(fā)展過程中起到越來越關鍵的作用。

當萬物互聯(lián),企業(yè)完成IIOT化,社會是否會涌現(xiàn)出新的商業(yè)模式和金融融資方式呢?讓我們拭目以待!

摘自《蘇寧財富資訊》

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