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深入认识工业互联网:“两个网络主体、三个基本特征、四个必须做到‍”

发布时间:2021-12-31作者来源:金航标浏览:485

工业互联网这两三年很火爆,尤其是今年发展很快。作为“新基建”的重要建设内容之一,已经被各界给予了高度重视,各级政府相继出台有关支持政策。但是对于工业互联网的起源、技术边界和业务范畴等,还存有很多模糊之处。

       写在前面

       工业互联网这两三年很火爆,尤其是今年发展很快。作为“新基建”的重要建设内容之一,已经被各界给予了高度重视,各级政府相继出台有关支持政策。但是对于工业互联网的起源、技术边界和业务范畴等,还存有很多模糊之处。

       笔者摘录《铸魂:软件定义制造》书中若干观点,并加上最近的一些思考,借这两天的工业互联网线上峰会的东风,写成此文,期待与大家共同思考。欢迎留言批评指正。

       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公司在2012年的大力提倡,以及国内各种有利因素的风云际会。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”——笔者于20202月文章中提出)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发布的《工业物联网白皮书》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。从现有资料来看,GE、西门子、博世等欧美企业,都定义自己的平台是“工业物联网”平台。


       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。这两种联网形式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(华为任正非将其称作电信互联网)并不能成为工业互联网的主体,而是工业互联网的辅助与补充,其主要用途是联接各种电脑、手机、平板等终端,形成社交/消费互联网,成为工业互联网的生态合作成员。


         所谓“工业/产业互联网是互联网的下半场”的说法,是不了解上述工业网络发展历史的人一种主观臆断和误导。这个说法中的“互联网”是一个缺乏明确所指的概念,不知道是指电信互联网,还是指工业以太网和工业物联网?但是无论指哪一个,这句话都无法成立:如果是指电信互联网,无论是其“上半场”还是“下半场”,一直是联接电脑终端,构建了社交消费互联网,未曾、也无法联接工业设备;如果是指工业以太网和工业物联网,那么它们从来就是联接工业设备的网络,是工业互联网的源头和网络主体,从“上半场”就一直在勤勉工作,又何来“下半场”之说呢?


.工业互联网的三个基本特征

         工业互联网是有清晰的技术与业务边界的。其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、机、物”或者“人、机、料、法、环、测”,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、在研品在制品,而且可以超出企业边界,联接各种高价值、高危的在用品(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,如产品创新、产品研发改进、工艺创新、个性化定制、智能排产、精益生产、安全生产、产能检测、预测式维护、节能减排、精细化运营等。


       (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。


       工业互联网平台的范畴不宜盲目扩大。那些不联接工业要素、不围绕工业主体服务、且在第一产/第三产长期存在、商业模式非常成熟的各种平台,包括但不限于威客平台、商业物流平台、电商平台、外贸平台、人联网平台、金融平台、人力资源平台、气象平台、农牧业平台、建造平台、医疗康养、政府招标平台等等,它们并不是工业互联网平台,而是属于可以与工业互联网平台互联互通的合作平台,是良好的生态合作伙伴。不同种类平台之间的开放合作、业务联接、融通发展,紧密合作,是工业互联网生态体系的建设内容。笔者在“扎根顶天,生态者生存——迈向生态体系的工业互联网”一文中已经有详细介绍。


       例如,国际知名农机制造商约翰迪尔的工业物联网平台,可以把与农机有关的土壤、气象、销售等平台上的数据都打通集成,形成基于智能产品的服务,但是这并不意味着土壤、气象、销售等合作伙伴平台都自动变成了约翰迪尔“工业物联网平台”,而是说明约翰迪尔的工业物联网平台有了很多的生态合作伙伴,形成了生态链网,可以在更丰富的需求约束条件下,更好地研制新型智能农机,以智能机器为界面,为用户提供更超出预期的服务。


.工业互联网的四个必须做到

     “工业互联网的核心还是工业”,这是《铸魂》读者群里绝大部分专家的呼声与基本判断。因此,建设和应用工业互联网,笔者认为有四个必须做到:基于工业场景,遵循工业规律,聚焦工业应用,提供工业价值。


       (1)基于工业场景服务于企业实际场景:如提高作业现场的生产效率,实现不同地域制造资源的最佳配置,按需研发定制个性化产品,远程监测高危产品,远程监测/维护高价值产品,排除企业的不安全因素,优化供应链,智能物流仓储等。


      (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,细分专业,严选材料,精算能耗,验证模型,打磨软件,耐心沉淀,反复迭代,高可靠,强因果,强关联,确定的输出结果等,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)提供工业价值工业互联网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、超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,源于其英文名internet的音译,本意是“国际电脑互联网络”。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、联接一定数量的工业设备,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平台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,不仅自身联接工业要素的数量和能力不够,与其它工业互联网平台之间的联接更不够。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,是两化融合走向纵深的发展,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”,充分表明国家层面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电信互联网的区别,不要把非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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