新基建背景下发展工业互联网的关键与挑战

2020-07-13 14:16:31 《中国信息安全》杂志2020年第6期 159

  作为新型基础设施的关键组成,工业互联网将推动产业数字化转型,全面赋能制造业,为制造业提供数字化、网络化和智能化的新型动力。新基建的布局,必将推动我国工业互联网进入落地加速期。

  文│中国科学院计算技术研究所战略研究主管 中组部、团中央第20批赴黔博士服务团成员 范灵俊

  一 、背景

  人类对生产能力提升的需求是永无止境的。人类的生产方式一直在不断变革中。从第一次工业革命开始,机器替代人工的步伐就没有停止过。经历了从机械化到半自动化、自动化的时代,今天正逐步从自动化到智能化的时代。随着物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的进一步发展,互联网逐渐从消费领域向工业生产领域渗透,即将变革诸多产业和生产领域,我们称之为“工业互联网”。根据百度百科的定义,工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果。工业互联网通过智能机器间的连接并最终将人机连接,结合软件和大数据分析,重构全球工业、激发生产力,让世界更美好、更快速、更安全、更清洁且更经济。工业互联网是构建工业环境下人、机、物全面互联的关键基础设施,通过工业互联网可以实现工业研发、设计、生产、销售、管理、服务等产业全要素的泛在互联,对于促进工业数据的开放流动与深度融合、推动工业资源的优化集成与高效配置、支撑工业应用的创新升级与推广普及具有重要意义。

  当前,新冠肺炎疫情的发生和对疫情的防控,一方面,让我们看到了,互联网和大数据的巨大潜力,以及作为防控应对疫情、复工复产的有效手段。另一方面,也刺激了远程协同、无接触化办公和工厂智能化的需求。尤其是传统制造业转型升级的需求进一步提升。在这种背景下,党中央和国务院积极布局我国的新型基础设施建设,主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。作为新型基础设施的关键组成,工业互联网将推动产业数字化转型,全面赋能制造业,为制造业提供数字化、网络化和智能化的新型动力。新基建的布局,必将推动我国工业互联网进入落地加速期。

  二 、工业互联网的发展现状与我国的布局

  当前,互联网与信息技术的创新发展与应用,与新工业革命正处于历史交汇期。各国参与工业互联网发展的国际竞争日趋激烈。自从2011年“工业4.0”的概念被德国首次提出,到今天已经有多个国家跟进,制定了自己的新型工业化战略,各国都在发力抢占下一次工业变革的制高点。德国、美国、法国、日本等主要制造业大国纷纷制定了自己的新产业发展战略,力图占据新产业变革的制高点。包括美国的工业互联网,中国制造2025,韩国智能工厂行动,日本机器人革命行动,法国未来工业战略等。当前,德国2013年成立的“工业4.0”合作平台(Plattform Industrie 4.0),已经成为世界上最大、也是最成功的推进制造业企业数字化转型的平台之一。发达国家围绕核心标准、技术、平台加速布局工业互联网,构建数字驱动的工业新生态。国际巨头公司也积极布局,起到“领头羊”的作用。例如,美国的通用电气和德国的西门子,世界上第一个工业云平台Predix,就是由美国通用电气公司(GE)在2015年正式发布的,第二个平台MindSphere,就是德国西门子公司在2016年4月开放的。

  新中国成立以来,特别是改革开放四十多年来,我国已经逐步发展成为工业门类齐全,独立完整的产业体系,生产能力强大,商品畅销全世界。不可否认,我国当前已经是制造业大国,但还不是制造业强国。很多领域我们还处在全球产业链的低端,处在“微笑曲线”的底端。虽然中国已经是GDP全球第二的国家,但是中国的人口红利逐渐消失,老龄化压力增大,人工成本逐步上升。制造业水平亟待提高。中国正在努力跨越“中等收入陷阱”,面临产业转型升级的巨大压力。

  近年来,中国政府大力支持工业互联网的发展,已经出台多项关于工业互联网的政策。2015年5月19日,国务院正式印发《中国制造2025》,实现制造业升级,全面部署推进实施制造强国的战略。2015 年发布《国务院关于积极推进“互联网 +”行动的指导意见》提出推动互联网与制造业融合,提升制造业数字化、网络化、智能化水平,加强产业链协作,发展基于互联网的协同制造新模式。2016 年出台《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》,提出充分释放“互联网 +”的力量,改造提升传统动能,培育新的经济增长点,加快推动“中国制造”提质增效升级,实现从工业大国向工业强国迈进。

  随着工业与互联网融合发展的纵深推进,工业数字化、网络化、智能化转型步伐加快,App从消费领域向工业领域快速渗透。当前,世界主要发达国家正在加快布局工业互联网平台,大力部署工业App,通过激活工业数据和知识资源,赋能工业提质增效和转型升级。工业App的核心价值是其承载的工业知识和经验。2017年11月,国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,明确提出到2020年培育30万个面向特定行业、特定场景的工业App的目标任务。2018年,工业和信息化部发布了《工业互联网发展行动计划(2018—2020年)》,提出深入实施工业互联网创新发展战略,推动实体经济与数字经济深度融合。为加快培育工业互联网App,充分发挥软件赋能、赋值、赋智作用,推动工业提质增效和转型升级,工业和信息化部组织编制了《工业互联网App培育工程实施方案(2018-2020年)》。

  三 、工业互联网发展关键支撑技术

  工业互联网的发展基于诸多技术的成熟和应用。5G提供基础连接和传输网络,云计算和边缘计算构建工业计算存储基础设施,大数据和人工智能变革生产、管理和销售模式,区块链改变和保障生产协同关系,当前,在多种技术的综合作用下,工业互联网正在超越网络、平台和安全三大体系为代表的数字空间维度,向传统生产单元、系统、设备、车间、工厂等物理实体维度加速扩展,工业互联网产业体系与工业体系深度叠加与融合,迸发出强大的生产力。

  1. 5G与工业设备互联

  5G就是第五代通信技术,其主要特点是波长为毫米级、超宽带、超高速度、超低延时。1G实现了模拟语音通信,只能打电话;2G实现了语音通信数字化,使得功能机可以发短信;3G实现了语音以外的图片等多媒体通信,可以看图片;4G实现了局域高速上网,使得智能机可以看短视频。而5G的到来,将实现随时、随地、万物互联。工业互联网的发展与应用,其本质就是从单点的信息技术应用向全面数字化、网络化和智能化转变。实现工业自动化,需要更精准的工业控制和海量设备的连接、数据的实时处理,需要端到端毫秒级的超低时延和接近100%的高可靠性通信做保障。如果说4G带来的是“消费互联网”的繁荣,那么支持高速率、低时延、海量连接的5G将带来“工业互联网”的迅猛发展。

  2. 边缘计算与工业控制

  边缘计算是继分布式计算、网格计算、云计算之后的又一新型计算模型。根据边缘计算产业联盟ECC的定义,边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。随着工业互联网、传感器、智能设备的增多,以及工业信息化程度的进一步提高,一方面数据量在进一步激增,对数据传输的带宽和速率提出了更高的要求;另一方面,工业控制、智能制造领域,对高精度、实时性的响应也有更高的要求。因此,当前依托云计算的智能服务模式存在实时性和延时抖动的问题,在工业互联网环境下,海量终端和智能应用直接接入云端的方式面临挑战。而边缘计算在更接近网络边缘侧实现局部的数据存储、处理,对简单的请求进行本地化的处理和响应,构成了工业互联网信息环境无数个“局部智能生态”,弥补了云计算服务的不足。

  3. 工业大数据和工业云平台

  工业大数据,是指企业经营相关的业务数据、机器设备互联的数据以及企业外部的数据。涵盖从客户需求到销售、订单、生产计划、研发、设计、工艺、制造、采购、供应、库存、发货和交付、售后服务、或回收再制造等整个产品全生命周期各个环节所产生的各类数据。通过大数据技术,可以对营销、生产、制造、物流、等所有流程的数据进行存储和分析,挖掘其中的数据价值,辅助企业精准决策。工业互联网连接的可能是几十个工厂,几百个车间,几万个生产设备,需要强大的运算能力、存储能力和网络带宽,才能够对这么庞大的系统进行管理,只有通过工业云平台,企业上云,才能让更多的企业员工及管理者接入,去使用工业互联网。

  4. AI与工业自动化、智能化

  工业互联网通过智能机器间的连接并最终将人机连接,结合软件和大数据分析,实现智慧工厂。得益于数据量的增长以及算力的提升,如今的人工智能,学习速度更快,算法更先进。在工业企业长期的发展过程中,面向不同行业、不同场景、不同学科积累了大量经验与知识,这些工业机理的理解和提炼能够对生产过程和现象进行精准描述和有效分析,对工业生产和管理的优化起到重要作用。工业互联网的高级计算、分析、感应技术都需要人工智能的广泛参与。人工智能与工业互联网结合,可以让人工智能辅助或者代替我们管理工厂、管理整个制造生产流程,甚至包括采购、物流和销售流程等。人工智能可以贯穿于工业的设计、工艺、生产、管理、服务等各个环节,使工业系统具备描述、诊断、预测、决策、控制等智能化功能的模式和结果。随着人工智能的不断演进,工业互联网整个系统将会实现生产状况自感知、生产工艺自学习、生产装备自执行、生产系统自组织。

  5. 区块链与工业安全

  区块链技术基于共识机制、共享账本、智能合约、权限隐私等技术优势,在工业互联网中可以进行广泛渗透和融合创新,提升工业制造各环节生产要素的优化配置能力,以加强生态多主体之间的协作共享,从而重构现有的业务逻辑和商业模式,应用于数据共享、协同创新、柔性监管等新模式和新范式。区块链和工业互联网的结合可以改变产品设计、产品生产、产品安全、追踪溯源、维修保养等,依托其去中介化的加密算法和共识机制,能够有效解决工业互联网各个环节的价值互信问题。基于区块链技术,可以给产业生态内多个参与方创造一个协作平台,各业务部门、各生产环节、产业链上下游可以保留自己的隐私与不愿意共享的信息,同时在协作平台上与参与方去共享流程、规则以及隐私保护下的数据。此外,工业领域有大量的设备,人员、物料在里面交互,可以用区块链技术来解决人机物的可信身份,包括设备的注册管理,设备的访问控制,设备的状态监控等,从而保证工业安全。

  四 、工业互联网发展的挑战与对策

  1. 系统化应对安全问题

  传统工业设备大多是封闭的,安全问题仅涉及自身,但是在工业互联网环境下,海量设备互联互通,打破了原有的安全边界,让受攻击面扩大了,可攻击的路径大大增加。一个设备被攻击或者遭破坏,很可能影响到整个系统。因此,要系统化应对工业互联网的安全问题,从网络、平台、数据、终端四个方面考虑,包括设备安全,网络传输安全,工业云平台安全,工业大数据安全,工业软件和App安全等。

  2. 警惕“跨越式”发展的陷阱

  对于工业互联网的发展而言,智能工厂的建立和行业信息化的完成是分阶段的,需要经历数字化、网络化、智能化的阶段。很难想象,没有数字化基础的工厂如何一步到位进行智能化改造。一个工厂的信息化发展阶段是不可跨越的,必须一步一步来。首先,设备互联能实现,数据搜集得起来,任务流程分得好,信息才能畅通上下游;然后,数据整合融合好,挖掘分析搞得透,智能生产大协同才能实现。

  3. 摈弃对先进技术的盲目期待

  一谈到工业互联网,有些媒体或者某些专家学者总喜欢把它描述成最先进信息技术的融合,这其实是一种误导。导致一些企业或者行业认为,只有砸钱,只有把最先进的技术用起来才能解决问题。事实上,一方面,不管从成本上考虑,还是从解决实际问题考虑,解决行业的问题未必需要最先进的技术;另一方面,所谓的先进技术,也未必有吹嘘得那么神,工业互联网和智慧工厂需要的是系统化的解决方案,而系统是讲求平衡的。

  4. 杜绝“一刀切”模式

  工业互联网不同于消费互联网。在个人计算机时代,Wintel联盟基本上主宰了整个消费市场;在移动互联网时代,AA联盟(Arm+Android)基本上主宰了整个消费市场。但是在工业互联网时代,很难有一两个平台或者系统能够主宰整个市场。行业不同,基础不同,应用场景不同,需求不同。工业门类千差万别,行业生产经营方式千差万别。因此,发展工业互联网,需要充分结合行业,在制定地区发展模式时,要杜绝“一刀切”的模式。例如,让所有的企业都上云,或者使用某一个系统、采用某一个平台,都是不现实的,也不经济的。

  5. 直面中小企业的困境

  发展工业互联网的关键在于广大中小企业。龙头企业虽具有带动和示范效应,但是我国有着大量的中小企业制造业,中小企业用得上用得起工业互联网技术很关键。工业互联网是企业信息化发展的新阶段,并非靠砸钱砸来的,企业向工业互联网转型,要与自己生产线、业务流程、业务逻辑相结合,从而发挥出最大效益。企业应用工业互联网,需要既熟悉信息技术又了解企业内部生产和业务流程的人才和团队,要对企业生产的垂直和水平环节、上下游都有较深入理解,这些方面中小企业是难以具备的。中小企业无法照搬大企业的模式,同时,中小企业缺资金、缺人才、缺技术,这些都是政府需要大力支持的。支持龙头企业打造一批面向垂直行业和细分领域的工业互联网平台,推动大型企业形成智能化生产、网络化协同等典型应用模式,引导中小企业依托工业互联网平台实现技术、设备和服务的互联共享,实现低成本、模块化的工业互联网部署应用。

  6. 解决复合型人才的匮乏

  工业互联网的发展需要复合型人才,需要将互联网、信息技术和人工智能等与各行各业进行深度融合。工业互联网的每一个场景都需求各异,进入任何一个细分领域都需要足够深厚的行业Know-How和上下游资源整合能力。与此同时,信息技术的发展速度又很快,动不动就依靠高校设置相关学科或交叉学科是盲目和不现实的。工业互联网需要行业重视和储备IT人才,自主培养复合型人才。

  五、 结束语

  在新基建背景的推动下,在5G、区块链、边缘计算、人工智能等技术的综合作用下,工业互联网的发展已进入新阶段。根据各生产制造领域不同的需求和现状,因地制宜,把握好行业信息化发展的阶段,解决好产业共性平台和企业个性化应用的问题,兼顾低成本和高安全性,做好复合型人才的培养和储备,我国工业互联网的发展必将迎来加速落地的新时期。

  (本文刊登于《中国信息安全》杂志2020年第6期)

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