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范靈?。盒禄ū尘跋掳l展工業互聯網的關鍵與挑戰

點擊：  作者：范靈俊    來源：中國信息安全公眾號  發布時間:2020-07-12 11:32:42

 

 一 、背景

 

人類對生產能力提升的需求是永無止境的。人類的生產方式一直在不斷變革中。從第一次工業革命開始，機器替代人工的步伐就沒有停止過。經歷了從機械化到半自動化、自動化的時代，今天正逐步從自動化到智能化的時代。隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術的進一步發展，互聯網逐漸從消費領域向工業生產領域滲透，即將變革諸多產業和生產領域，我們稱之為“工業互聯網”。根據百度百科的定義，工業互聯網是全球工業系統與高級計算、分析、感應技術以及互聯網連接融合的結果。工業互聯網通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數據分析，重構全球工業、激發生產力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經濟。工業互聯網是構建工業環境下人、機、物全面互聯的關鍵基礎設施，通過工業互聯網可以實現工業研發、設計、生產、銷售、管理、服務等產業全要素的泛在互聯，對于促進工業數據的開放流動與深度融合、推動工業資源的優化集成與高效配置、支撐工業應用的創新升級與推廣普及具有重要意義。

 

當前，新冠肺炎疫情的發生和對疫情的防控，一方面，讓我們看到了，互聯網和大數據的巨大潛力，以及作為防控應對疫情、復工復產的有效手段。另一方面，也刺激了遠程協同、無接觸化辦公和工廠智能化的需求。尤其是傳統制造業轉型升級的需求進一步提升。在這種背景下，黨中央和國務院積極布局我國的新型基礎設施建設，主要包括5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域。作為新型基礎設施的關鍵組成，工業互聯網將推動產業數字化轉型，全面賦能制造業，為制造業提供數字化、網絡化和智能化的新型動力。新基建的布局，必將推動我國工業互聯網進入落地加速期。

 

二 、工業互聯網的發展現狀與我國的布局

 

當前，互聯網與信息技術的創新發展與應用，與新工業革命正處于歷史交匯期。各國參與工業互聯網發展的國際競爭日趨激烈。自從2011年“工業4.0”的概念被德國首次提出，到今天已經有多個國家跟進，制定了自己的新型工業化戰略，各國都在發力搶占下一次工業變革的制高點。德國、美國、法國、日本等主要制造業大國紛紛制定了自己的新產業發展戰略，力圖占據新產業變革的制高點。包括美國的工業互聯網，中國制造2025，韓國智能工廠行動，日本機器人革命行動，法國未來工業戰略等。當前，德國2013年成立的“工業4.0”合作平臺（Plattform Industrie 4.0），已經成為世界上最大、也是最成功的推進制造業企業數字化轉型的平臺之一。發達國家圍繞核心標準、技術、平臺加速布局工業互聯網，構建數字驅動的工業新生態。國際巨頭公司也積極布局，起到“領頭羊”的作用。例如，美國的通用電氣和德國的西門子，世界上第一個工業云平臺Predix，就是由美國通用電氣公司(GE)在2015年正式發布的，第二個平臺MindSphere，就是德國西門子公司在2016年4月開放的。

 

新中國成立以來，特別是改革開放四十多年來，我國已經逐步發展成為工業門類齊全，獨立完整的產業體系，生產能力強大，商品暢銷全世界。不可否認，我國當前已經是制造業大國，但還不是制造業強國。很多領域我們還處在全球產業鏈的低端，處在“微笑曲線”的底端。雖然中國已經是GDP全球第二的國家，但是中國的人口紅利逐漸消失，老齡化壓力增大，人工成本逐步上升。制造業水平亟待提高。中國正在努力跨越“中等收入陷阱”，面臨產業轉型升級的巨大壓力。

 

近年來，中國政府大力支持工業互聯網的發展，已經出臺多項關于工業互聯網的政策。2015年5月19日，國務院正式印發《中國制造2025》，實現制造業升級，全面部署推進實施制造強國的戰略。2015 年發布《國務院關于積極推進“互聯網 +”行動的指導意見》提出推動互聯網與制造業融合，提升制造業數字化、網絡化、智能化水平，加強產業鏈協作，發展基于互聯網的協同制造新模式。2016 年出臺《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》，提出充分釋放“互聯網 +”的力量，改造提升傳統動能，培育新的經濟增長點，加快推動“中國制造”提質增效升級，實現從工業大國向工業強國邁進。

 

隨著工業與互聯網融合發展的縱深推進，工業數字化、網絡化、智能化轉型步伐加快，App從消費領域向工業領域快速滲透。當前，世界主要發達國家正在加快布局工業互聯網平臺，大力部署工業App，通過激活工業數據和知識資源，賦能工業提質增效和轉型升級。工業App的核心價值是其承載的工業知識和經驗。2017年11月，國務院印發《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，明確提出到2020年培育30萬個面向特定行業、特定場景的工業App的目標任務。2018年，工業和信息化部發布了《工業互聯網發展行動計劃（2018—2020年）》，提出深入實施工業互聯網創新發展戰略，推動實體經濟與數字經濟深度融合。為加快培育工業互聯網App，充分發揮軟件賦能、賦值、賦智作用，推動工業提質增效和轉型升級，工業和信息化部組織編制了《工業互聯網App培育工程實施方案（2018-2020年）》。

 

三 、工業互聯網發展關鍵支撐技術

 

工業互聯網的發展基于諸多技術的成熟和應用。5G提供基礎連接和傳輸網絡，云計算和邊緣計算構建工業計算存儲基礎設施，大數據和人工智能變革生產、管理和銷售模式，區塊鏈改變和保障生產協同關系，當前，在多種技術的綜合作用下，工業互聯網正在超越網絡、平臺和安全三大體系為代表的數字空間維度，向傳統生產單元、系統、設備、車間、工廠等物理實體維度加速擴展，工業互聯網產業體系與工業體系深度疊加與融合，迸發出強大的生產力。

 

1. 5G與工業設備互聯

 

5G就是第五代通信技術，其主要特點是波長為毫米級、超寬帶、超高速度、超低延時。1G實現了模擬語音通信，只能打電話；2G實現了語音通信數字化，使得功能機可以發短信；3G實現了語音以外的圖片等多媒體通信，可以看圖片；4G實現了局域高速上網，使得智能機可以看短視頻。而5G的到來，將實現隨時、隨地、萬物互聯。工業互聯網的發展與應用，其本質就是從單點的信息技術應用向全面數字化、網絡化和智能化轉變。實現工業自動化，需要更精準的工業控制和海量設備的連接、數據的實時處理，需要端到端毫秒級的超低時延和接近100％的高可靠性通信做保障。如果說4G帶來的是“消費互聯網”的繁榮，那么支持高速率、低時延、海量連接的5G將帶來“工業互聯網”的迅猛發展。

 

2. 邊緣計算與工業控制

 

邊緣計算是繼分布式計算、網格計算、云計算之后的又一新型計算模型。根據邊緣計算產業聯盟ECC的定義，邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字在敏捷聯接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。隨著工業互聯網、傳感器、智能設備的增多，以及工業信息化程度的進一步提高，一方面數據量在進一步激增，對數據傳輸的帶寬和速率提出了更高的要求；另一方面，工業控制、智能制造領域，對高精度、實時性的響應也有更高的要求。因此，當前依托云計算的智能服務模式存在實時性和延時抖動的問題，在工業互聯網環境下，海量終端和智能應用直接接入云端的方式面臨挑戰。而邊緣計算在更接近網絡邊緣側實現局部的數據存儲、處理，對簡單的請求進行本地化的處理和響應，構成了工業互聯網信息環境無數個“局部智能生態”，彌補了云計算服務的不足。

 

3. 工業大數據和工業云平臺

 

工業大數據，是指企業經營相關的業務數據、機器設備互聯的數據以及企業外部的數據。涵蓋從客戶需求到銷售、訂單、生產計劃、研發、設計、工藝、制造、采購、供應、庫存、發貨和交付、售后服務、或回收再制造等整個產品全生命周期各個環節所產生的各類數據。通過大數據技術，可以對營銷、生產、制造、物流、等所有流程的數據進行存儲和分析，挖掘其中的數據價值，輔助企業精準決策。工業互聯網連接的可能是幾十個工廠，幾百個車間，幾萬個生產設備，需要強大的運算能力、存儲能力和網絡帶寬，才能夠對這么龐大的系統進行管理，只有通過工業云平臺，企業上云，才能讓更多的企業員工及管理者接入，去使用工業互聯網。

 

4. AI與工業自動化、智能化

 

工業互聯網通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數據分析，實現智慧工廠。得益于數據量的增長以及算力的提升，如今的人工智能，學習速度更快，算法更先進。在工業企業長期的發展過程中，面向不同行業、不同場景、不同學科積累了大量經驗與知識，這些工業機理的理解和提煉能夠對生產過程和現象進行精準描述和有效分析，對工業生產和管理的優化起到重要作用。工業互聯網的高級計算、分析、感應技術都需要人工智能的廣泛參與。人工智能與工業互聯網結合，可以讓人工智能輔助或者代替我們管理工廠、管理整個制造生產流程，甚至包括采購、物流和銷售流程等。人工智能可以貫穿于工業的設計、工藝、生產、管理、服務等各個環節，使工業系統具備描述、診斷、預測、決策、控制等智能化功能的模式和結果。隨著人工智能的不斷演進，工業互聯網整個系統將會實現生產狀況自感知、生產工藝自學習、生產裝備自執行、生產系統自組織。

 

5. 區塊鏈與工業安全

 

區塊鏈技術基于共識機制、共享賬本、智能合約、權限隱私等技術優勢，在工業互聯網中可以進行廣泛滲透和融合創新，提升工業制造各環節生產要素的優化配置能力，以加強生態多主體之間的協作共享，從而重構現有的業務邏輯和商業模式，應用于數據共享、協同創新、柔性監管等新模式和新范式。區塊鏈和工業互聯網的結合可以改變產品設計、產品生產、產品安全、追蹤溯源、維修保養等，依托其去中介化的加密算法和共識機制，能夠有效解決工業互聯網各個環節的價值互信問題?；趨^塊鏈技術，可以給產業生態內多個參與方創造一個協作平臺，各業務部門、各生產環節、產業鏈上下游可以保留自己的隱私與不愿意共享的信息，同時在協作平臺上與參與方去共享流程、規則以及隱私保護下的數據。此外，工業領域有大量的設備，人員、物料在里面交互，可以用區塊鏈技術來解決人機物的可信身份，包括設備的注冊管理，設備的訪問控制，設備的狀態監控等，從而保證工業安全。

 

四 、工業互聯網發展的挑戰與對策

 

1. 系統化應對安全問題

 

傳統工業設備大多是封閉的，安全問題僅涉及自身，但是在工業互聯網環境下，海量設備互聯互通，打破了原有的安全邊界，讓受攻擊面擴大了，可攻擊的路徑大大增加。一個設備被攻擊或者遭破壞，很可能影響到整個系統。因此，要系統化應對工業互聯網的安全問題，從網絡、平臺、數據、終端四個方面考慮，包括設備安全，網絡傳輸安全，工業云平臺安全，工業大數據安全，工業軟件和App安全等。

 

2. 警惕“跨越式”發展的陷阱

 

對于工業互聯網的發展而言，智能工廠的建立和行業信息化的完成是分階段的，需要經歷數字化、網絡化、智能化的階段。很難想象，沒有數字化基礎的工廠如何一步到位進行智能化改造。一個工廠的信息化發展階段是不可跨越的，必須一步一步來。首先，設備互聯能實現，數據搜集得起來，任務流程分得好，信息才能暢通上下游；然后，數據整合融合好，挖掘分析搞得透，智能生產大協同才能實現。

 

3. 擯棄對先進技術的盲目期待

 

一談到工業互聯網，有些媒體或者某些專家學者總喜歡把它描述成最先進信息技術的融合，這其實是一種誤導。導致一些企業或者行業認為，只有砸錢，只有把最先進的技術用起來才能解決問題。事實上，一方面，不管從成本上考慮，還是從解決實際問題考慮，解決行業的問題未必需要最先進的技術；另一方面，所謂的先進技術，也未必有吹噓得那么神，工業互聯網和智慧工廠需要的是系統化的解決方案，而系統是講求平衡的。

 

4. 杜絕“一刀切”模式

 

工業互聯網不同于消費互聯網。在個人計算機時代，Wintel聯盟基本上主宰了整個消費市場；在移動互聯網時代，AA聯盟（Arm+Android）基本上主宰了整個消費市場。但是在工業互聯網時代，很難有一兩個平臺或者系統能夠主宰整個市場。行業不同，基礎不同，應用場景不同，需求不同。工業門類千差萬別，行業生產經營方式千差萬別。因此，發展工業互聯網，需要充分結合行業，在制定地區發展模式時，要杜絕“一刀切”的模式。例如，讓所有的企業都上云，或者使用某一個系統、采用某一個平臺，都是不現實的，也不經濟的。

 

5. 直面中小企業的困境

 

發展工業互聯網的關鍵在于廣大中小企業。龍頭企業雖具有帶動和示范效應，但是我國有著大量的中小企業制造業，中小企業用得上用得起工業互聯網技術很關鍵。工業互聯網是企業信息化發展的新階段，并非靠砸錢砸來的，企業向工業互聯網轉型，要與自己生產線、業務流程、業務邏輯相結合，從而發揮出最大效益。企業應用工業互聯網，需要既熟悉信息技術又了解企業內部生產和業務流程的人才和團隊，要對企業生產的垂直和水平環節、上下游都有較深入理解，這些方面中小企業是難以具備的。中小企業無法照搬大企業的模式，同時，中小企業缺資金、缺人才、缺技術，這些都是政府需要大力支持的。支持龍頭企業打造一批面向垂直行業和細分領域的工業互聯網平臺，推動大型企業形成智能化生產、網絡化協同等典型應用模式，引導中小企業依托工業互聯網平臺實現技術、設備和服務的互聯共享，實現低成本、模塊化的工業互聯網部署應用。

 

6. 解決復合型人才的匱乏

 

工業互聯網的發展需要復合型人才，需要將互聯網、信息技術和人工智能等與各行各業進行深度融合。工業互聯網的每一個場景都需求各異，進入任何一個細分領域都需要足夠深厚的行業Know-How和上下游資源整合能力。與此同時，信息技術的發展速度又很快，動不動就依靠高校設置相關學科或交叉學科是盲目和不現實的。工業互聯網需要行業重視和儲備IT人才，自主培養復合型人才。

 

五、 結束語

 

在新基建背景的推動下，在5G、區塊鏈、邊緣計算、人工智能等技術的綜合作用下，工業互聯網的發展已進入新階段。根據各生產制造領域不同的需求和現狀，因地制宜，把握好行業信息化發展的階段，解決好產業共性平臺和企業個性化應用的問題，兼顧低成本和高安全性，做好復合型人才的培養和儲備，我國工業互聯網的發展必將迎來加速落地的新時期。

 

（本文刊登于《中國信息安全》雜志2020年第6期）

文│中國科學院計算技術研究所戰略研究主管  中組部、團中央第20批赴黔博士服務團成員  范靈俊（圖片來源網絡 侵刪）