数字化进程赋能中国制造,工业互联网孕育大机会

数字化进程赋能中国制造,工业互联网孕育大机会

2020年2月21日,中共中央政治局召开会议,研究新冠肺炎疫情防控,部署统筹做好疫情防控和经济社会发展工作。会议强调,要积极扩大有效需求,促进消费回补和潜力释放,发挥好有效投资关键作用,加大新投资项目开工力度,加快在建项目建设进度。其中,会议提到,要加快推动工业互联网等产业发展。2020年2月25日,工信部又公布了2019年工业互联网试点示范项目名单,包含工业互联网各类项目81个。

自国家提出“互联网+”战略以来,工业互联网就成为了国内“工业化和信息化”深度融合的重要手段之一,也成为了我国打造“工业强国”、“网络强国”的重要道路选择。其中,国务院及相关主管部门,尤其是工信部,一直在将工业互联网的研发、应用和推广作为其工作的重点,采用的主要政策措施包括:推动工业互联网基础设施建设、标识体系构建、平台体系以及安全保障体系搭建等。在相关政策的扶持下,国内工业互联网在技术和平台方面具备了一定的发展基础,现正处在打造典型示范工程、加快应用推广的阶段,后续主要需要进一步加快基础设施和平台的建设,推动标准及标识体系的建立,鼓励应用发展,建立起完整、成熟的生态体系。此次中央政治局会议的要求,恰逢其时。疫情之后,一些有条件的地区和企业,在该领域的投资和应用推进都会加速。

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近年来国内工业互联网相关扶持政策梳理

工业互联网迎来拐点

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工业互联网服务对象是工业,互联网是服务的基础设施。工业互联网的本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品及人之间的网络互连为基础,通过对工业数据深度感知、实时传输交换、快速计算处理及高级建模分析,实现智能控制、运营优化和生产组织方式的变革。

工业互联网融合了传感器、联网装置连接、自动化设备、数据存储、大数据分析、人工智能、高效运算、4G/5G/物联网等新兴技术,覆盖计算机、通信、机械装备等多个行业,投资机遇广泛。根据2019工业互联网峰会上工业和信息化部副部长陈肇雄的观点,2019年我国工业互联网产业规模将达到4800亿元。

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工业互联网产业链

1988至1990年,美国制造业劳动生产率增速乏力,因为工业革命的创新已经达到一个更为成熟的阶段,边际效益消失。1990年之后美国的制造业生产率复苏,广泛的共识是此次生产力加速源自互联网革命及其背后的计算技术所带来的信息与通信技术。中国制造业错过了90年代互联网革命,增速呈明显的整体放缓趋势,制造业生产率提升迫在眉睫。参考互联网助力美国制造业复苏,数据化、信息化是打破生产率瓶颈的重中之重。

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美国制造业劳动生产率增速

而我国政策也十分明确,中央主导制造升级。2015年5月19日,国务院正式印发了《中国制造2025》,瞄准创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展等关键环节,推动制造业实现由大变强。2017年11月27日,国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,第一次对于工业互联网的全面论述,是规范和指导我国工业互联网发展的纲领性文件。2018年底中央经济会议明确提出:加快5G商用步伐,加强人工智能,工业互联网、物联网等新型基础设施建设。各部委文件逐渐由指定纲领进入到引导实施阶段。

由于工业互联网涉及行业广泛,各领域的企业充分认识到工业互联的战略价值,入局工业互联网。当前,我国主流平台主要通过强强联合、兼并收购、开源社区、垂直产业深耕、政府合作等方式推进工业互联网平台能力建设、资源整合和业务扩张,逐步形成工业互联网生态。

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各行业纷纷布局工业互联网

网络是实现各类工业生产要素互联的基础,包括网络互联体系、标识解析体系和信息互通体系。5G凭借覆盖面积广、连接规模大、超可靠、低延时的特点,能够实现数据在工业各个环节的无缝传递,支撑形成实时感知、协同交互、智能反馈的生产模式。

联通和移动两大运营商积极参与工业互联网建设,推进5G发展,全方位服务工业数字化转型。联通已在全国 17 个城市建设 5G 试点,与海尔、青岛港、振华重工、上飞、北汽、潍柴、山推、格力、华晨宝马等联合开展5G业务研究。我国工业互联网初见成效。企业从最开始的政府补贴,经历了半年或一年的尝试之后逐渐发现工业互联网对公司经营,尤其是降本和增效方面有切实的利益。

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我国工业互联网平台应用场景案例分布及应用案例成效

产业生态日趋完善

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从定义上来看,工业互联网是以互联网为代表的新一代信息技术与工业系统深度融合形成的新领域、新平台和新模式,是发展智能制造的关键基础设施。与传统意义上的互联网不同,工业互联网链接的是人、数据和机器,是工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网的高度融合。根据工信部《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,我国将工业互联网的发展概括为三大体系,即:网络、平台和安全。

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工业互联网三大体系

工业互联网三层级中,网络是基础,平台是核心,安全是保障。从工业企业智能转型升级角度来看,首先要做到网络层的互联互通,对内实现统一接口,打通信息孤岛,对外扩大互联网骨干网覆盖范围,为实现产业链各环节的泛在互联与数据畅通提供保障。其后利用平台级服务能力,辅以安全保障,方能实现企业的智能转型升级。

工业互联网的本质是用数据+模型为企业提供服务。工业互联网的核心是工业互联网平台,承载了大量基于微服务架构的数字化模型。这个数字化模型是将大量工业技术原理、行业知识、基础工艺、模型工具等规则化、软件化、模块化,并封装为可重复使用的组件。我们可以简单的理解为,封装了大量工业技术原理、行业知识、基础模型的知识库,作为连接企业IT和OT的核心,以代码和信息技术的形式将行业理解和一线生产的经验固化下来,成功解决了制造企业内信息化与生产分离的情况,使得工业互联网平台成为整个工厂端或工业生产端的控制大脑。有了边缘侧和网络层收集来的数据,加之以PaaS层的数字化模型,即形成了“数据+模型”的服务。

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工业互联网平台本质上使用数据+模型为工业企业提供服务

对于制造业企业而言,网络层面需要在现场级和车间级实现底层设备横向互联以及与上层系统纵向互通的连接。包括:(1)对控制器与机床、产线等装备的通信方式进行改造,如以工业以太网替代现场总线,(2)对现有工业装备或装置如机床、产线等增加网络接口,(3)对现有工业装置或装备附加传感器、执行器,(4)为了采集生产现场信息或执行反馈控制,部署新的监测设备、扫描设备,(5)对在制品通过内嵌通信模块或附加标签等方式增加与工业系统等信息交互功能,(6)部署边缘计算节点,汇聚生产现场数据及来自工业控制系统如PLC、历史数据库的数据,进行数据的边缘处理。

当前工业互联网网络层的建设,是通过重新设置一套工业互联网标识解析体系来完成数据的互通和设备身份的认证。标识解析体系类似互联网领域的域名解析系统(DNS),赋予每一个产品、零部件、机器设备唯一的“身份证”,从而实现资源的区分和管理。

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工业互联网平台是中间层,向下连接海量设备,自身承载工业经验与知识的模型,向上对接工业优化应用,是工业全要素连接的枢纽,是工业资源配置的核心,驱动着先进制造体系的智能运转。

由于一般企业现有各类工业软件格式大多不统一,当前工业互联网平台层的主要任务仍然是整合现有生产端的MES、ERP乃至CPS等实时数据(边缘层采集),统一汇总分析(平台层的可扩展的操作系统),并将技术、知识、经验和方法以数字化模型的形式沉淀到工业PaaS平台。当工业PaaS发展到一定程度以后,基于PaaS层数据、工业机理模型,再面向工业企业、最终消费者开发海量工业APP,提供实时监控、生产管理、能效监控、物流管理等工业互联网应用和服务。

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和利时工业互联网平台三层级

工业互联网平台采取云化、敏捷开发等方式,降低了工业企业投入信息化、数字化的成本。相较于传统IT架构,工业互联网扩大了数据采集的范围、增强了数据的时效性,并通过工业知识的沉淀和创新,持续迭代研发各类工业APP应用。

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基于工业互联网平台的解决方案与传统工业IT架构解决方案对比

在工业互联网发展的同时,安全保障将成为越来越重要的环节。根据工信部对《深化“互联网+先进制造业” 发展工业互联网的指导意见》的解读,工业互联网安全问题从实施角度可分为设备安全、控制安全、网络安全、平台安全和数据安全等几个部分。

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工业互联网安全是网络安全与物理安全的融合

设备安全。工业设备和组件直接暴露在公用网络(商业IT网络)下带来的各类攻击问题,需要专门防护手段和技术,确保工业设备免受攻击。

网络安全。即为传统的安全厂商所熟悉的工控防火墙、身份认证和识别、IDS/IPS等基础服务。

控制安全。工业互联网控制层如PLC等信息系统的安全。随着工业互联网平台的建设,控制环境开放也带来了各类系统漏洞的威胁。

应用安全。指支撑工业互联网业务运行的应用软件及平台的安全,各类工业互联网平台及上云的应用,与常见商用软件的类似,将持续面临病毒、木马、漏洞等传统安全挑战。

数据安全。是指工厂内部生产管理数据、生产操作数据以及工厂外部数据等各类数据的安全问题,将直接关联到工厂的生产运行状态。不管数据是通过大数据平台存储、还是分布在用户、生产终端、设计服务器等多种设备上,海量数据都将面临数据丢失、泄露、篡改等安全威胁,这一部分对于大部分安全厂商尚属新的领域,除数据防泄漏外,对数据安全的保护也将成为未来安全厂商在数字制造过程中需要不断解决的新问题。

通信领域深度参与基础设施建设

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通信通过在数据中心、网络、平台、终端四环节深度参与,助力打造基础设施。根据工业互联网产业联盟发布的《工业互联网标准体系》,工业互联网通过系统构建网络、平台、安全三大功能体系,打造人、机、物全面互联的新型网络基础设施,形成智能化发展的新兴业态和应用模式。

当前,全球信息技术创新进入新一轮加速期,5G、物联网、人工智能、VR/AR 等新一代信息技术和应用快速演进,对数据中心的规模、建设模式、性能各方面产生重要影响。从规模来看,5G、物联网以及工业互联网将带动数据量爆炸式增长,引领数据中心需求猛增,带动数据中心总体建设规模持续高速增长,并且集约化建设的大型数据中心比重将进一步增加。

全球数据中心数量减体量增,大型及超大型数据中心快速增长。2010年以来全球数据中心平稳增长,从2017年开始,伴随着大型化、集约化的发展,全球数据中心数量开始缩减。据Gartner统计,截至2017年底全球数据中心共计44.4万个,其中微型数据中心42.3万个,小型数据中心1.4万个,中型数据中心5732个,大型数据中心1341个,预计2020年将减少至42.2万个。从部署机架来看,单机架功率快速提升,机架数小幅增长,2017年底全球部署机架数达到493.3万架,安装服务器超过5500万台,预计2020年机架数将超过498万,服务器超过6200万台。

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2015-2020年全球数据中心和机架数量统计及预测

而物联网平台作为工业互联网整体解决方案的核心,起到了承上启下的作用。物联网平台按照逻辑关系从下层到上层提供四大功能:终端管理、连接管理、应用支持、业务分析等主要功能。因此物联网平台从底层到高层可分为四大平台类型:设备管理平台DMP、接入管理平台CMP、应用使能平台AEP、业务分析平台BAP,其中在通信领域最核心的是CMP和AEP两个平台。

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物联网平台分类与功能

在物联网价值链中,现阶段感知层和通信层占据了较大的份额,但整个价值链的重心在向客户侧转移。随着运营商广域覆盖的推进,海量设备会接入统一的CMP平台,CMP平台自然产生更大的价值;CMP平台接入数的增长又使得AEP平台存储的数据快速累积,数据的累积将催生新的应用,价值链继续向应用层传导。

从国内市场来看,CMP+AEP模式最典型的两个平台是中国移动的OneNET和中国联通与Jasper联合的平台。

OneNET为中国移动自有物联网平台,经过近4年的发展,OneNET的设备连接数近9000万,用户数超过10万,产品数超过12万,API日均调用超过2亿次,增速、规模、活跃度保持全球领先。

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