中控蓝卓公司副总裁赵伟:工业操作系统是工业互联网发展终极形态

 

在当前的国内外形势下,打造具有中国自主知识产权的工业操作系统对工业来说非常必要。

 

 

文 | 中控蓝卓公司副总裁 赵伟
 
中控蓝卓公司副总裁赵伟:工业操作系统是工业互联网发展终极形态
作者:赵伟,中控蓝卓公司副总裁,数字中国产业发展联盟副秘书长,国家级双跨工业互联网平台联合创始人,高级技术专家,十多年工业互联网、物联网、智能制造行业从业经验,先后发表多篇行业专业论文,获得多项发明专利,荣获中国机械联合会一等成果等多项奖项;参与工业大数据白皮书、工业云、智能工厂、国家两化融合管理体系等标准的起草和发布。

中控蓝卓公司副总裁赵伟:工业操作系统是工业互联网发展终极形态

工业互联网平台在一定程度上是新工业体系的“操作系统”,向下对接海量工业装备、仪器、产品,向上支撑工业智能化应用的快速开发与部署,发挥着类似于微软Windows、谷歌安卓系统和苹果iOS系统的重要作用。目前工业互联网平台刚刚起步,尚未涌现出具有通用操作性的平台。构建“大而全”平台需要长周期技术积累,当前阶段只有少数企业具备潜在的构建实力。工业互联网发展才刚刚开始,这是一个跨领域、跨行业的新生态,需要做好‘持久战’的准备,持续耕耘核心技术。信息技术产业趋于成熟为工业互联网提供技术支撑。

——中国工程院院士 邬贺铨
 
中控蓝卓公司副总裁赵伟:工业操作系统是工业互联网发展终极形态
 
工业操作系统与工业互联网
说到操作系统,工业涉及到的类操作系统很多,工业控制系统、工业自动化系统和计算机操作系统等等,他们在各自领域都起到举足轻重的作用。

 

下面做一下简单的介绍:

 

1、工业自动化系统的定义是指机器设备、系统或过程(生产、管理过程)在没有人或较少人的直接参与下,按照人的要求,经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制,实现预期的目标的过程。

 

目前自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来,而且能扩展人的器官功能,极大地提高劳动生产率,增强人类认识世界和改造世界的能力。因此,自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。

 

2、工业控制系统是对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输的要求,又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等多种当今流行技术融合进来,从而拓展了工业控制领域的发展空间,带来新的发展机遇。

 

控制系统的结构从最初的CCS(计算机集中控制系统),到第二代的DCS(分散控制系统),发展到现在流行的FCS(现场总线控制系统)。

 

3、计算机操作系统定义是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。操作系统也提供一个让用户与系统交互的操作界面。

 

基本上,这几大类操作系统几乎覆盖了工业互联网所有的应用场景,从底层的工业场景包括设备场景和生产场景到各种管控系统、应用系统、管理系统等等,一直到智能产品、智能服务的针对终端用户的场景,都有这几大类操作系统的身影。

 

目前,底层的自动化系统和控制系统是相对来说成熟的体系,在国外都是经过几百年的沉淀,除了个别控制技术有一些中国厂商的身影,如中控自主研发的DCS,很多都是被国外垄断,包括西门子、GE等,基本上很难做一些深度的突破。

 

但是如果我们仔细观察会发现,在控制系统之上、应用之下的这一空间,缺乏一个统一的平台或系统来支撑整个数据的采集和流转、应用的对接和互通以及各种系统的承载和协作交互,缺乏一个“虚实之间”的桥梁,把底层的系统和上层的应用打通,即在底层系统和上层应用中间缺乏一个呈上启下的工业操作系统来承载这一使命。

 

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目前,国家正在大力推进的工业互联网能够很好的承载这一使命,在工业互联网的体系内,工业互联网平台天然的具备在这一能力,工业互联网平台的作用也是基于此。

 

但是,工业互联网平台和工业操作系统还是有一些不同之处。

 

首先我们来看看工业互联网平台的定义(虽然我认为现在来说也没有一个全面深刻的定义):

 

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求,构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系,支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台。

 

工业互联网的本质和核心是通过工业互联网平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。可以帮助制造业拉长产业链,形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通,从而提高效率,推动整个制造服务体系智能化。工业互联网有利于推动制造业融通发展,实现制造业和服务业之间的跨越发展,使工业经济各种要素资源能够高效共享。

 

但是,对于工业的体系和场景,相对于工业的重要性和复杂度,工业互联网平台定义的能力还远远不够,还需要更加深化、更加具象、更加专注的针对工业生产制造本身进行深度窥探和覆盖。

 

赛迪智库信息化中心工业互联网研究室主任袁晓庆表示:工业互联网本质是一个基于云的开放式工业操作系统,其功能类似微软的Windows、谷歌的安卓系统或者苹果的iOS系统,如今工业互联网平台已成为新工业革命的关键基础设施、工业全要素连接的枢纽和工业资源配置的核心。

 

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图示:工业互联网平台/工业操作系统平台化的应用场景

 

因此,以工业操作系统来弥补工业互联网逻辑体系的不足是合适的,工业互联网的升级版和高级阶段是工业操作系统。

 

本质上,工业操作系统是工业互联网平台的终极形态,相对工业互联网平台来讲,工业操作系统在能力、完整度、匹配度和实用度上更加突出,工业操作系统在技术深度上比工业互联网更加强大,对于数据的采集、存储和应用的能力更强,体系的完整度和耦合性更加优秀,更加具有实用性,对于工业体系各场景的匹配度更好,范围更广,最重要的是,基于工业操作系统开发的应用更加下沉,更加符合客户的需求,更能打通底层、中层和上层,从而更加具备工业属性。

 

中国需要自己的工业操作系统

 

工业操作系统如此重要,国内外都在争夺这一高地,这也是国内目前如此重视大张旗鼓的支持工业互联网发展的原因,实际上,美国早就已经意识到类似的问题,很早就已经开展了工业操作系统的建设。

 

作为工业互联网开山鼻祖,GE于2012年在全球范围内率先提出工业互联网概念,2013年推出工业互联网平台产品Predix。2015年,GE推出Predix 2.0,并在全球建成4个云计算中心,每天监测分析来自全球各地部署的1000万个传感器中的5000万项数据。2015年,GE在全球成立了新的业务部门GE Digital,并将原有的软件和IT职能部门并入其中,Predix作为明星产品成为部门重要资产。

 

西门子于2016年推出MindSphere平台。该平台采用基于云的开放物联网架构,可以将传感器、控制器以及各种信息系统收集的工业现场设备数据,通过安全通道实时传输到云端,并在云端为企业提供大数据分析挖掘、工业APP开发以及智能应用增值等服务。

 

国内一直也在推进工业互联网,但是,如果我们仔细分析一下目前行业内的工业互联网平台,我们会发现,很多平台都不具备成为工业操作系统的能力,包括所谓的十大双跨工业互联网平台。

 

这些平台基本上可以分为三类,一类是基于IoT技术,在自己或者这客户的设备上安装采集终端,广泛连接和管理这些智能产品,然后基于此提供一些服务;一类是来自供给侧能力突出的企业,提供大而全的技术平台;一类是完全所谓的创新平台,做一些电商、金融、个性化定制等等。

 

你会发现这些平台对于工业的下沉度不够,本质上离工业核心场景很远,几乎没有真正服务于生产、服务于制造的平台,都是在围绕工业周边场景,飘在空中,没有很好的理解工业、服务工业,这样的平台,如果任其发展,就会逐渐走向变形,非常不利于工业的发展,需要引起我们的警醒。

 

庆幸的是,中国现在也有了自己的工业操作系统。

 

2018年7月11日下午,由维科集团联合褚健教授团队、国投高新发起并投资建设的宁波工业互联网研究院正式发布国内首个自主知识产权的工业操作系统——supOS。平台推出之后,各种“智能APP”的集聚及开放生态系统的形成,将有效助力宁波乃至全国的制造业企业加速迈向工业4.0时代。

supOS是集工业大数据全集成平台、工业智能APP组态开发平台、工业大数据分析平台、工业人工智能引擎服务、工业智能APP等一体的工业操作系统,实现云(云互联网平台)、企(工厂互联网平台)、端(边缘计算节点)三层统一架构,可实现管控一体化交互。

 

宁波工业互联网研究院今年将建设10个“supOS”试点示范项目,并与20家工业领域软件供应商、系统集成商合作。未来,宁波工业互联网研究院致力于将supOS工业操作系统打造成具有国际竞争力的国家级工业互联网平台、工业大数据平台、工业人工智能平台。业内认为,后续经大规模的市场推广,“supOS”或将成为“中国智造”中的“工业安卓”,具有广阔的市场前景。

 

supOS:技术自立的工业操作系统

 

supOS工业操作系统以企业为中心构建面向过程监控、生产管理和经营决策的一体化应用平台,通过平台+工业智能APP的方式实现企业客户的信息化、数字化、智能化升级转型,致力于打造服务于企业、赋能于工业的智慧大脑。supOS提供的横向和纵向弹性扩展能力,可满足智能制造细分行业中企业从小到大,从单一优势业务发展为多元化集团型应用的场景。当前聚焦在生产管控业务领域,具有数据采集和Web流程图发布、趋势展示、报警展示和Web用户权限分配等功能,可根据行业客户的具体需求进行业务场景方案的定制开发,客户技术人员和合作伙伴可基于supOS进行基于场景化的APP开发。

 

应用架构如下图所示:

 

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图 整体架构图

 

应用架构主要分为三层:

 

边缘智能层主要负责企业大数据平台的数据接入和边缘计算场景应用。系统提供多种工业标准数据协议接入能力,如OPC、ModbusTCP、Modbus RTU、IEC104等,满足国内外主流厂家的PLC、DCS、SCADA等系统软件的实时数据接入。同时,工厂中的生产信息系统(如MES、WMS、EAM、LIMS)和上层信息管理系统(如ERP、OA、SCM、CRM等),在实际应用中数据的特征具有多样性,一部分管理数据与生产控制具有强相关性,具备较高的实时性和可靠性要求;另外一部分管理数据主要服务于管理人员的统计分析和决策依据,对实时性的要求相对较低,只需及时按需提供即可。

 

supOS工业操作系统平台层主要负责构建企业大数据平台,处理海量多元数据的接入,对元数据进行统一定义和重组织,提供数据存储、查询和应用服务。同时,平台提供提供工业大数据集成、分析、挖掘和可视化展示的一整套IT工具集和模板库,工厂的不同角色(生产者、管理者、经营者和业务专家们)在平台上可以进行数据的创新应用开发。

 

工业智能APP层主要面向企业行业工厂运营过程中的各个岗位人员使用的应用功能入口,这些工业APP从辅助操作、生产管理、调度优化、安全管理、能源方案分析、设备资产管理等方面帮助工厂的生产人员和管理人员,减轻工作负担,提升工作效率,从而实现智能化的工厂运维管理。同时,利用平台提供的工业APP组态环境,工业智能APP可以针对特定场景、特定需求进行个性化快速开发。

 

工业操作系统特点

1、信息全集成平台

 

信息全集成主要负责采集工厂的人员、设备、装置、物料和产品等信息数据,打破厂内的DCS、MES、WMS、OA、SCM、CRM、ERP、CCTV 等业务系统的数据孤岛现象,实现工厂的生产数据、管理数据和运营数据有效融合。通过建设大数据集成平台,形成生产要素的大数据画像,实现多业务系统的有效融合、联动,对工业企业几十套“烟囱式”信息系统进行APP 化迁移。

 

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2、工业微服务架构

 

supOS工业操作系统通过工业微服务来实现机理模型算法的模块化和软件化,满足工业 APP 的运行和扩展。在工业互联网平台中,工业微服务正发挥着承上启下的关键作用。一方面,基于不同行业、不同领域经验知识所提炼出来的各类原始机理算法模型通常缺少对外调用的接口,也往往难以进行独立的调试、运行和升级,需要用工业微服务的方式将这些机理算法模型集成起来,封装成可独立调试运行的单一功能或服务模块,提升易用性和可维护性。另一方面,在工业互联网平台中基于工业微服务模块进行工业APP 开发,既能够借助工业微服务并行开发、分布运行的特点,有效发挥平台海量开发者接入、资源弹性配置、云化部署运行等优势,又能够利用工业微服务独立隔离、灵活调用的特点,克服工业APP所面临的快速运维、持续迭代、个性化定制等问题。

 

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3、工业APP开发环境

 

supOS工业操作系统提供的可组态的工业APP开发环境,通过图形化、组件化、模块化的向导式应用构建,有效地降低APP开发和设计的IT门槛。用户只需要关注应用场景和业务流程的分析和设计,利用平台提供的表单设计和工作流设计工具,可快速开发APP应用。平台提供微服务容器框架,每个APP都运行在一个独立的容器中,可实现热插拔。通过平台提供的交互式业务和流程设计器,满足流程图监控、在线报表、APP业务管理页面、工作流管理、Dashboard分析、大屏画面、数据DIY分析等一体的混合业务编排和场景设计。

 

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4、数据DIY分析与展示

 

平台提供的数据DIY分析工具,用户可通过组态方式实现多元数据的自主分析与利用,如建立生产看板、能耗看板、设备预警看板、重要指标参数看板、重要摄像头监控等。工业过程中产生的时序数据、流式数据和关系数据,利用不同的展示方式,可实现多元数据的可视化综合应用。平台为每个用户提供个人空间,用户可根据自己关注的内容进行个性化定义,个人空间内容可进行权限控制。在可视化工具方面,平台提供了一整套数据展示的控件库,包括基础图元控件、图表控件、报表控件、趋势控件、实时报警控件、历史报警控件和视频控件。基础图元控件包括矩形、圆角矩形、椭圆、弦、扇形、多边形、按钮、棒状图、管道、直线、弧、折线、文本、数据链接和图片等;图表控件包括柱状图、曲线图、散点图、折线图、饼图、气泡图、面积图、玫瑰图、仪表盘和热力图等。

 

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5、APP应用商店

 

应用商店是向企业用户的提供的APPs分发渠道,为繁荣工业互联网平台的应用生态、促进工业提质增效和转型升级发挥重要支撑作用。应用市场上的应用和服务,从类型分,包括工业APPs、智能算法、设备驱动等;从资费分,包括免费的、一次性付费的、按订阅周期付费的;从来源分,包含由官方提供的、第三方开发者提供的。用户通过 APP 应用商店可以浏览不同类别的工业APP,了解其功能和价值,从而更好地选取适合自己企业的工业 APP。按生产管理、安全环保、供应链管理、能源管理、资产管理等不同类别和主题划分。

 

APP应用商店的效果图如下:

 

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6、工业大数据及人工智能

 

基于机器学习技术的工业大数据分析赋能平台,为企业用户提供大数据环境下,满足不同领域业务需求的建模算法和数据挖掘等多样化应用服务,提供精细化算法节点、拖拽式连线操作、图形化洞察分析等功能,让机器学习、数据挖掘技术更加简单易用,降低企业数据建模技术门槛,帮助企业充分利用和挖掘数据潜在商业价值。

 

supOS工业操作系统人工智能应用平台,提供机器视觉、语音识别、智能问答、自然语言处理等服务能力,实现人工智能技术在工业领域的深度应用。根据特定场景进行建模分析,实现算法模型开发,训练完成的算法模型可以在平台中运行。基于机器视觉分析服务,可通过接入的工业视频进行图像分析,分析检测结果可与平台的工业实时数据等进行联动,根据不同场景产生响应的工艺质量报警、人员安全预警、设备故障预警等。通过人工智能技术与业务系统的无缝融合,实现数据的相关性分析、未来趋势预测、工艺动态特性分析等多种分析业务,促进数据分析成果转化为生产力,达到商业价值最大化。

 

7、纵深防御、自主可控的工业安全防护体系

 

基于多点分级、纵深防御、本质安全的拟态空间安全体系,实现从“规划设计”到“生产护航”再到“危机应对”进行全方位安全布防,综合保障工业生产过程中的设备安全、操作安全和环境安全。通过多机冗余、断线续传、自动重连等可靠性技术的多协议数据采集和驱动动态适配扩展,实现工业现场数据的准确、可靠、及时上送,为企业大数据的分层清洗、治理提供一体化的防护方案。基于点点隔离、鉴权认证的企业内部与外部连接时的网络通讯安全技术,防止病毒入侵、黑客攻击,实现企业级工业云平台的自主可控。依照《工业互联网安全框架白皮书》,安全体系的防护对象包括设备、控制、网络、应用以及数据等内容。平台提供分级多域、自主可控的信息安全防护体系,支持深度防御安全,将安全防护能力分布在平台中的各层架构,具有访问控制、数据分区隔离、通信安全加密、入侵检测等安全防护措施。

 

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结语

 

一直以来,广大的工业企业面临着信息孤岛、缺乏顶层设计、建设多个烟囱式的垂直应用、软件项目普遍存在定制化程度高、推广困难等问题。企业虽然坐拥海量数据,但却在生产数据、管理数据和运营数据的融合上困难重重,无法真正为企业创造核心价值。而新一轮数字化智能变革,自动化与 IT 技术创新融合,迫切需要以工业大数据分析为核心的全生命周期服务、以工业互联和智能为核心的产业协同模式。

 

工业互联网平台对制造业数字化转型的驱动能力正逐渐显现,无论是大企业依托平台开展工业大数据分析,实现更高层次的价值挖掘,还是中小企业应用平台上的云化工具,以较低成本实现信息化与数字化普及,抑或是基于平台的制造资源优化配置和产融对接等应用模式创新,都正在推动制造业向着更高发展水平迈进。

 

总体看,制造业数字化转型已是大势所趋,工业互联网平台对于制造业数字化转型的支撑作用将会越来越强。工业互联网平台的应用,为制造企业生产和运营优化的能力提升,提供了探索应用模式和路径,随着工业互联网平台的不断创新和应用突破,将持续推动制造业的升级转型,实现高质量发展。

 

但是,目前行业内各工业互联网平台提供商良莠不齐,各工业互联网服务企业基于市场和资金的压力,也在做一些不符合市场规律和客户真实诉求的事情,虚火旺盛,聚焦工业本质核心生产相关业务的很少,这样的情况是不符合我国对于工业高质量转型升级的要求的,我们迫切希望工业互联网头部企业务实求真、真抓实干,以市场和用户为诉求,以工业核心业务为主要提升方向,真正的打造市场和客户认可的平台,实现工业互联网的真正落地。

 

总之,在当前的国内外形势下,打造具有中国自主知识产权的工业操作系统对工业来说是非常必要的,尤其是在新一代信息技术和国家转型升级的背景下,依托中国具有自主知识产权的工业操作系统,戒骄戒躁,脱虚向实,深入探索工业本质,在工业核心业务模式的基础上开展工业互联网规模化应用,整体上促进中国工业转型升级,只有这样,才是正确、合理、有效的数字化转型路径,也是促进中国工业企业高质量发展的必然道路。

原文始发于微信公众号(工业互联网世界):中控蓝卓公司副总裁赵伟:工业操作系统是工业互联网发展终极形态

 

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