工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在行業(yè)中產(chǎn)生的效果

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是制造業(yè)與信息技術(shù)融合形成的應用結(jié)構(gòu)，通過大數(shù)據(jù)分析、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)場設備機器的全面結(jié)合，完成制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)融合的升級發(fā)展。 因此，主要從國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展狀況、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型的應用場景、框架結(jié)構(gòu)進行分析，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)絡的融合技術(shù)和工控安全的防護技術(shù)，然后通過技術(shù)和行業(yè)的實施分析說明工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在行業(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、全價值鏈中的融合集成應用，是實現(xiàn)工業(yè)智能化的綜合信息基礎(chǔ)設施。它的核心是通過自動化、網(wǎng)絡化、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)建設已被列為上國家重點戰(zhàn)略工作，具有巨大的經(jīng)濟價值，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)設備、控制、平臺、數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)和安全3個方面有效地給企業(yè)賦能智慧制造，加強相關(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)品服務創(chuàng)新，通過物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的互聯(lián)互通，通過構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架和防護體系實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)的安全防護，利用數(shù)據(jù)感知、采集與集成應用等技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中運營管理優(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，由機器、設備和網(wǎng)絡組成，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、物力和財力，并且利用自身的優(yōu)勢搭建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，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基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)MindSphere。

其中，GE強調(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)設備+工業(yè)平臺+工業(yè)APP的生態(tài)體系。通過通信接入技術(shù)發(fā)展實現(xiàn)更多終端聯(lián)網(wǎng)，驅(qū)動設備管理、設備預測性維護等應用場景落地。西門子則結(jié)合自身在工業(yè)設備和工業(yè)軟件領(lǐng)域的優(yōu)勢，對外輸出智能工廠改造、規(guī)劃方案，從終端簡單聯(lián)網(wǎng)出發(fā)，通過垂直云平臺、大數(shù)據(jù)與人工智的建設，最后依靠標準架構(gòu)體系實現(xiàn)各垂直生態(tài)之間的對接。 相較于國外的大而全的解決方案，國內(nèi)制造業(yè)力求在一些特定的差異化能力上打造一些獨特的競爭力，走自己的特色之路。國內(nèi)消費品制造業(yè)廠商富士康、海爾、美的的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進策略是兩條腿走路，一方面在企業(yè)內(nèi)部建設較完備的智能制造體系，另一方面探索以自身用戶和業(yè)務流為中心聚合供應鏈資源，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，實現(xiàn)用戶、企業(yè)和資源的交互來滿足用戶體驗。

國內(nèi)的裝備制造業(yè)廠商三一重工的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推進策略主要做金融領(lǐng)域和商業(yè)模式的創(chuàng)新。例如，通過遠程控制確保工程設備融資租賃商業(yè)模式的可控性，其樹根互聯(lián)不過多觸及傳統(tǒng)工業(yè)過程，而是成為商業(yè)模式創(chuàng)新的基礎(chǔ)平臺。

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

航天云網(wǎng)INDICS平臺則通過針對啞設備、啞崗位、啞企業(yè)的“三啞”改造，實現(xiàn)基于云平臺的智能工廠改造升級，并通過對“雙創(chuàng)”團隊進行全程輔導和孵化，引導社會資源向戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集中，推動社會性“雙創(chuàng)”發(fā)展。

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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景分析

隨著新技術(shù)的快速發(fā)展和應用，全球工業(yè)正在從傳統(tǒng)的供給驅(qū)動型、資源消耗型、機器主導型、批量規(guī)模型向需求引導型、資源集約型、人機互聯(lián)型、個性定制型轉(zhuǎn)變。由于制造行業(yè)的生產(chǎn)流程和產(chǎn)業(yè)鏈都很復雜，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應用場景很多。 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，缺少科學決策能力。

以下重點分析需求管理、研發(fā)設計、工藝工程、生產(chǎn)制造、運維過程這5大傳統(tǒng)工業(yè)過程面臨的諸多挑戰(zhàn)和應用升級需求。

2.1需求管理需求管理是對客戶的需求進行識別并確保主生產(chǎn)計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：需求缺乏嚴格的需求管理過程，需求缺乏層層的傳遞和保證，導致最終的產(chǎn)品在設計中就已經(jīng)迷失；需求管理基于文檔沒有進行結(jié)構(gòu)化管理，產(chǎn)品開發(fā)過程中缺乏追蹤的手段和對象劃分；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)設計研發(fā)設計是根據(jù)需求對產(chǎn)品進行設計與研發(fā)。傳統(tǒng)模式下的研發(fā)設計建模手段缺失，基于文檔的設計模式效率低下；幾乎不進行仿真，純粹實物進行驗證，導致不斷地進行修改迭代，拉長了設計周期，增加了設計成本；缺乏在線協(xié)同的手段，分頭設計后經(jīng)常遇到接口問題導致無法合攏；設計要素間缺乏關(guān)聯(lián)，局部改動無法進行影響范圍分析。

2.3工藝工程工藝工程是指對產(chǎn)品生產(chǎn)制造工藝進行設計與管理。傳統(tǒng)模式下的工藝工程基于工藝卡片進行工藝過程設計，對設計數(shù)模缺乏有效傳承，難以保證數(shù)據(jù)的一致性；無法進行加工、裝配或檢驗過程的仿真，往往到做時才發(fā)現(xiàn)存在問題，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)，變更過程無法進行影響范圍分析，從而導致數(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)制造是指對產(chǎn)品進行實際加工生產(chǎn)并對相關(guān)過程進行管理。傳統(tǒng)模式下的生產(chǎn)制造中，機加工設備精度不足以保證加工質(zhì)量，無法加工復雜的曲面，且根據(jù)不同的加工人員質(zhì)量波動，加工效率低下；缺乏實時的檢驗手段，檢驗是事后檢查，往往質(zhì)量超差已經(jīng)形成；裝配過程缺乏有效指引，裝配效率低下，極易出錯，返工造成的重復工作量巨大。

2.5運維服務運維服務是指為客戶提供后期運營維護與其他相關(guān)服務。傳統(tǒng)模式下的運維服務產(chǎn)品制造方缺乏對產(chǎn)品后續(xù)運營過程的介入，往往銷售結(jié)束后，產(chǎn)品的運營狀態(tài)只能依賴簡單的售后服務，無法采集運營數(shù)據(jù)針對性地改進產(chǎn)品設計，也沒有充分介入產(chǎn)品的增值運營；產(chǎn)品缺乏內(nèi)置的傳感器或傳感器的采集，只有實時的監(jiān)控作用，實時監(jiān)控完成后數(shù)據(jù)即丟棄，無法形成基于模型的產(chǎn)品運營歷史數(shù)據(jù)庫；缺乏大數(shù)據(jù)分析手段，無法從海量數(shù)據(jù)中挖掘產(chǎn)品的運營策略，以提高產(chǎn)品的運營效能。

基于以上5個場景面臨的問題，可以通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能，即工藝研發(fā)設計、資產(chǎn)性能管理、運營效率提升、能源管理優(yōu)化，提高資產(chǎn)運營的效率和利用效率，降低生產(chǎn)過程中的風險影響，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、智能化應用3個部分。

（1）邊緣處理是利用物聯(lián)網(wǎng)設備相關(guān)技術(shù)，解決部署新型智能設備以及嵌入式軟件的聯(lián)網(wǎng)升級的相關(guān)問題，涉及開發(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)集成過程中協(xié)議接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、過濾以及一些高交互、高實時性要求的邊緣分析問題。

（2）使能支持包括：通用Iaas平臺技術(shù)，提供物理層面的計算機、網(wǎng)絡、機房等資源；安全、生產(chǎn)等各種工業(yè)標準規(guī)范，以及產(chǎn)品、工藝、運維、供應等工業(yè)領(lǐng)域的知識模型和仿真算法。

（3）智能化應用包括物聯(lián)網(wǎng)設備管理技術(shù)，解決連接性、安全、設備部署和生命周期管理等問題和相關(guān)技術(shù)；最核心的部分是物聯(lián)網(wǎng)應用管理技術(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、應用開發(fā)、應用集成等問題，主要涉及儀表、工業(yè)軟件Apps、人工智能、集成開發(fā)平臺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 邊緣計算技術(shù)邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。一方面解決了實時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)字信號的轉(zhuǎn)置通信問題。

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。邊緣計算處于物理實體和工業(yè)連接之間或處于物理實體的頂端，基于邊緣的大量設備生成的數(shù)據(jù)在本地進行分析，同時利用云對這些數(shù)據(jù)進行安全、壓縮、配置、部署和管理。 當前，越來越多的公司希望進行本地數(shù)據(jù)分析，同時啟用這些流程將設備連接至云端，整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 邊緣計算整體架構(gòu)3.2數(shù)據(jù)交互技術(shù)目前的連接平臺機制層出不窮且自我封閉，很容易形成數(shù)據(jù)孤島。OPC UA是一個平臺無關(guān)的標準，使用該標準可以在不同類型網(wǎng)絡上的客戶端和服務器間發(fā)送消息，以實現(xiàn)不同類型系統(tǒng)和設備間的通信。 OPC UA可用于現(xiàn)場設備、控制系統(tǒng)、各種軟件（MES、ERP）等，在工業(yè)過程領(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)模型來實現(xiàn)這種信息交互，提供了統(tǒng)一的、標準的數(shù)據(jù)互聯(lián)接口。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設備和基礎(chǔ)設施連接在一起后，形成了一個智能系統(tǒng)群，會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)。 這些大模擬數(shù)據(jù)將通過分析和處理來驅(qū)動正確的業(yè)務決策，最終提高安全性、正常運行時間和運行效率?？蚣芙Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 OPC UA架構(gòu)3.3

深度學習技術(shù)企業(yè)智能制造的實現(xiàn)很大程度上需要借助人工智能技術(shù)，而深度學習是科學界高度關(guān)注的一種人工智能方法，且深度學習為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體提供數(shù)據(jù)的學習機制。隨著學習的樣本數(shù)據(jù)不斷增大和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，必須適應深度學習，具備基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)算法庫、基礎(chǔ)訓練測試數(shù)據(jù)集、重點行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ盟惴◣?、重點行業(yè)領(lǐng)域?qū)ｍ椚蝿諗?shù)據(jù)集、專用模型庫、應用場景案例庫，提供對圖像識別、語音識別、語義理解等基礎(chǔ)技術(shù)進行檢驗檢測，從整體解決方案上檢驗檢測方向，提供對人工智能等系統(tǒng)的管理和計算的要求，以提供更好的服務。3.4云計算環(huán)境架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用軟件的開發(fā)平臺應能同時滿足云上和云下的應用設計和運行管理要求。

目前，云下的設備主要依靠各個工業(yè)自動化設備廠商的技術(shù)來滿足智能制造基本的控制要求，但是在云上的應用開發(fā)環(huán)境上還沒有成熟的軟件工具和技術(shù)環(huán)境的支撐，都在努力設計一種既能夠在功能上滿足當前業(yè)務需求又能夠適應用戶需求發(fā)生變化或者能夠在可預見的將來適應環(huán)境變化的應用。尤其是在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，架構(gòu)師都在努力讓自己設計的應用具有較強的擴展能力，跟得上用戶不斷增長或者出現(xiàn)突發(fā)請求的情況。

3.5網(wǎng)絡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，安全問題也日益凸顯。網(wǎng)絡信息安全風險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)需要適應當前復雜多變的外部環(huán)境攻擊。 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，為了確保整個網(wǎng)絡系統(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監(jiān)測工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各項數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，實時感知預測工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全態(tài)勢。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測試床相關(guān)技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)測試床為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各種創(chuàng)新提供空間，為進入市場前的新技術(shù)、新應用、新產(chǎn)品、新服務和新過程等的有效性和可行性進行嚴格試驗與檢測。測試床是利用科學理論、計算工具和新技術(shù)進行嚴格、透明和可復制測試的平臺，一般用來描述實驗研究和新產(chǎn)品開發(fā)平臺和環(huán)境。國內(nèi)測試床案例如圖5所示。 目前，測試床的發(fā)展體現(xiàn)多元化的發(fā)展特色與趨勢。根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟和邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計，目前在制造業(yè)垂直行業(yè)測試床數(shù)量最多，涌現(xiàn)出智能服務測試床、云制造服務平臺、生產(chǎn)管理質(zhì)量試驗平臺等項目。 與此同時，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踐。

圖5 國內(nèi)測試床案例

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應用分析

4.1技術(shù)應用實施分析

網(wǎng)絡、平臺、安全構(gòu)建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心功能體系。網(wǎng)絡是基礎(chǔ)，平臺是核心，安全是保障。工業(yè)企業(yè)要進行智能化升級改造，首先要做到網(wǎng)絡層的互聯(lián)互通，實現(xiàn)各個設備的互聯(lián)互通，消除信息孤島。 其次，利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的多種服務能力，配置工業(yè)資源，使智能制造體系能夠運轉(zhuǎn)。最后，從設備安全、網(wǎng)絡安全、平臺和數(shù)據(jù)安全等對系統(tǒng)進行安全配置。

網(wǎng)絡層主要圍繞線下設備互聯(lián)互通，實現(xiàn)現(xiàn)場級、車間級、企業(yè)級設備和系統(tǒng)之間的橫向互聯(lián)和縱向互通。對于設備實現(xiàn)互聯(lián)互通，最重要是打通不同平臺、協(xié)議之間的數(shù)據(jù)。一般實施方法包括對現(xiàn)有的控制器、機床和產(chǎn)線的通信方式進行改造，部署新的傳感器、檢測設備等?；蛘呖紤]設備對OPC-UA的支持，解決底層設備和系統(tǒng)層直接的信息交互和集成。 此外，通過在設備邊緣部署邊緣節(jié)點，對采集的現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行邊緣計算和存儲。標識解析體系是下一步工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡建設的重點。它賦予生產(chǎn)過程中的每一個產(chǎn)品、零部件、機器一個唯一的身份信息，用來完成數(shù)據(jù)的互通和身份認證，以打通產(chǎn)品、機器、車間、工廠之間的數(shù)據(jù)采集與集成，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析應用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為向下連接設備層，向上連接工業(yè)優(yōu)化應用，自身承載工業(yè)經(jīng)驗與知識的模型，是工業(yè)全要素連接的樞紐。從實施角度看，由于工業(yè)企業(yè)行業(yè)的復雜特性，建設跨行業(yè)平臺具有一定難度，因此可以引入云平臺和大數(shù)據(jù)存儲、分析技術(shù)，促進企業(yè)中各類生產(chǎn)設備、信息系統(tǒng)向云平臺遷移，通過云平臺實現(xiàn)生產(chǎn)設備、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)。

基于PaaS層的微服務架構(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、工業(yè)模型等組件封裝成知識庫，實現(xiàn)工業(yè)知識的顯性化、數(shù)字化和系統(tǒng)化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的主要功能是數(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)、消費者開發(fā)海量工業(yè)APP，提供實時監(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)應用和服務。

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的工業(yè)模型和微服務組件是平臺層的核心組成單元，解決了以往工業(yè)知識無法提取、工業(yè)經(jīng)驗不能沉淀以及對人才過度依賴的難題。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中具有非常重要的作用。隨著計算機和網(wǎng)絡技術(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)絡連接，導致暴露在外網(wǎng)的工業(yè)設備和工業(yè)漏洞越來越多。 從實施角度看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全注意分為設備安全、網(wǎng)絡安全、平臺安全和數(shù)據(jù)安全等部分。為了加強工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全建設，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。

加快攻擊防護、漏洞挖掘、態(tài)勢感知、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)成果充分應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全，帶動整個網(wǎng)絡安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 其次，建立健全安全管理制度機制，引導企業(yè)建設安全防護能力，形成國家、行業(yè)、企業(yè)三方協(xié)調(diào)聯(lián)動的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全格局，建設全生命周期的安全保障體系。 最后，建立基于設備邊界、策略、特征的安全防護和統(tǒng)一的安全運營平臺，通過規(guī)則分析、機器學習、智能分析、可視化等技術(shù)，為企業(yè)的安全運營分析平臺提供技術(shù)與數(shù)據(jù)保障。 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以面向業(yè)務應用的工業(yè)APP（工業(yè)應用軟件）的開發(fā)與應用為實現(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，滿足企業(yè)的管理和需要。

目前，國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的很多問題，如開發(fā)工具不足、行業(yè)算法和模型庫缺失、模塊化組件化能力較弱、工業(yè)微服務與工業(yè)APP研發(fā)質(zhì)量不高等?，F(xiàn)有通用基礎(chǔ)平臺尚不能完全滿足工業(yè)級應用需要，因此要實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，支撐服務制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)工業(yè)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，一定要加強基礎(chǔ)研究部署，加快5G工業(yè)應用、邊緣計算、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等應用技術(shù)。4.2行業(yè)應用實例分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對提升制造業(yè)生產(chǎn)率尤其是降本和增效方面有切實利益。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、交通設備制造行業(yè)對提高企業(yè)運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)域也有較好的應用。由于流程行業(yè)生產(chǎn)過程流水化程度高，行業(yè)的自動化、信息化水平高，MES、ERP和PLC等管理信息系統(tǒng)都已經(jīng)應用于該行業(yè)。 此外，行業(yè)特征和工藝特點的限制，故障停機給企業(yè)帶來的成本較高，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)過程中高耗能、高排放，對環(huán)保限產(chǎn)等壓力。

此外，人員流動性較高，工藝原理復雜，很難將管理方法和行業(yè)知識沉淀下來。因此，基于企業(yè)實際需求，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，應用系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖6所示。 對煉鐵高爐等設備開展實時運行監(jiān)測、工藝優(yōu)化、質(zhì)量管理、資產(chǎn)管理、能源管控，提升產(chǎn)線運行效率，降低能耗和排放。此外，通過將經(jīng)驗和知識模塊化，大幅減少停機故障和安全事故。

圖6 某特鋼工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應用系統(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)、液體多相流以及復雜的物理化學反應數(shù)字化難以解析，導致煉鐵生產(chǎn)過程仍主要靠操作人員的主觀經(jīng)驗，其核心技術(shù)僅僅掌握在少數(shù)專家手中，大量的專家知識經(jīng)驗無法實現(xiàn)快速固化和復用。

因此，急需通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺對企業(yè)進行賦能，形成面向設計仿真、安全預警、工況診斷、工藝優(yōu)化等應用場景的煉鐵工業(yè)APP，實現(xiàn)煉鐵生產(chǎn)與管理的數(shù)字化、科學化及智能化。4.2.1設計仿真基于煉鐵的設計仿真，首先設計人員借助平臺上傳設備的初步設計圖紙。其次，通過仿真建模軟件模擬設備在設定參數(shù)下的熱面溫度場分布。

一方面對設備冷卻能力、加熱特性合理性進行模擬計算，另一方面對設備設計“盲區(qū)”進行模擬。通過大量的試驗數(shù)據(jù)模擬迭代優(yōu)化，更好地指導冷卻設備生產(chǎn)和優(yōu)化。 研究人員通過對煉鐵過程中的冷卻設備進行熱態(tài)和冷態(tài)試驗，找出影響掛渣能力的各個因素。然后，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺PaaS層微服務框架組件、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，利用平臺具有的APP開發(fā)工具組件構(gòu)建冷卻設備安全預警監(jiān)測APP，以實現(xiàn)冷卻設備生產(chǎn)狀態(tài)在線可視化管理。 最后，通過對冷卻設備破損實體調(diào)研，分析驗證冷卻設備的運行效果，進一步指導冷卻設備設計的升級優(yōu)化，從而實現(xiàn)冷卻設備全生命周期的管理優(yōu)化，如圖7所示。

圖7 煉鐵設計仿真工業(yè)知識軟件化流程

通過對煉鐵工藝中冷卻設備的全生命周期管理，實現(xiàn)冷卻設備實時在線監(jiān)測，建立設備的安全預警監(jiān)測APP。一方面能夠延長冷卻設備使用壽命，保障高爐操作爐型的合理穩(wěn)定，減少設備的損耗；另一方面能夠有效避免爐況波動，降低高爐消耗，估計降低噸鐵燃料消耗5 kg/t鐵。如果進一步在全國范圍內(nèi)的煉鐵工藝中大力推廣，可實現(xiàn)增收100億元/年。

4.2.2工況診斷對煉鐵過程中的高爐進行工況診斷，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)治理和存儲計算，進一步對煉鐵高爐生產(chǎn)過程中流量、壓力、溫度等重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)源進行過濾、清洗等標準化處理。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺微服務資源池中已經(jīng)封裝的PCA算法模型，對采集的數(shù)據(jù)進行特征選擇、特征抽取和降維處理，調(diào)用SPE統(tǒng)計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)用封裝的貢獻圖算法推算在異常爐況下各個特征變量對產(chǎn)生的后果所占的比重。 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的容器管理工具，能夠集成多個微服務，滿足操作者在微服務資源池中進行調(diào)用。通過平臺中的APP開發(fā)工具和組件構(gòu)建高爐工況診斷APP，實現(xiàn)高爐生產(chǎn)狀態(tài)的診斷，如圖8所示。經(jīng)過多座高爐現(xiàn)場的實際使用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺能夠根據(jù)高爐生產(chǎn)的重要參數(shù)準確及時地預測故障的發(fā)生，誤報率低，準確性高。

圖8 基于PCA、三維凸包算法的高爐工況診斷

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結(jié) 語

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)性能會產(chǎn)生新的變化，并且在企業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中起著重要作用。

未來，企業(yè)不僅要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源進行資產(chǎn)的性能管理，而且要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能制造的云端控制和遠程運維管理，建立制造企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈、上下游廠商的供應鏈和價值鏈的協(xié)同機制，并且建立先進控制技術(shù)資源的公共服務體系，最終構(gòu)成從數(shù)據(jù)采集到設備、生產(chǎn)現(xiàn)場及企業(yè)運營管理優(yōu)化的閉環(huán)，實現(xiàn)工廠從底層到上層的信息貫通，打通自動化孤島，實現(xiàn)全流程的自動化生產(chǎn)，加強工業(yè)軟件與行業(yè)需求的結(jié)合，促進軟件技術(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。作者簡介 >>>

王佳（1986—），男，博士，主要研究方向為智能制造評估、安全管理；

邵枝華（1987—），男，碩士，主要研究方向為工業(yè)控制、安全優(yōu)化；

徐硯（1983—），男，碩士，工程師，主要研究方向為工業(yè)控制信息安全。

選自《通信技術(shù)》2020年第三期

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

文章出處：【微信公眾號：工業(yè)IoT】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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