工业互联网关键技术研究

ChinaAcademyofIindustrial工业四根网大质2024年1月1.研究背景1.研究背景我国工业互联网在单点技术应用形成突破，但从“芯端网云用安”技术体系角度看，基础技术卡脖子、技术创新力不足的问题依然突出，且未形成工业互联网自有技术产业体系，难以支撑新型工业化大规模应用需求云计算5GURLLC特性未完全支持，业务时延>10msAl运算芯片需求量大，高端芯片被封锁5G行业终端以通用CPE为主，融合性专用设备较少端网一体，工业以太网协议受制于国外5G以公网为主，UPF无法下沉到工厂内工业PaaS、SaaS服务能力欠缺，主要依赖开源缺乏技术创新引领能力应用数量较为丰富，但质量参差不齐不掌握自动化开发、低代码开发等开发环境工具缺乏应对开放环境下安全风险的系统解决方案我国工业互联网技术产业体系尚未建立板块国际技术创新提速，不进则退的风险增大可靠性结理整元安全防护体累2.研究意义可靠性结理整元安全防护体累2.研究意义■对以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障的既有工业互联网技术体系细化■加强推进芯端网云用安一体的工业互联网技术方案自主性、融合性■更新面向工业生产核心环节新型关键技术应用跟踪前沿，深度研究多种工业协议在5G环境下的性能表现实时与非实时节点两种网络规划方案NS技术体系层级划分接受与推广，更快形成工业互联网自有技术产业体系芯端网云用一体化中国工业控制应用方案■采用德尔菲调查法对工业互联应用、安全六个层面关键技术展开调研，调查专家意见，整理、归纳、总结，二次反馈产业共性、自主可控等六个方面开展关键技术评价完成10大关键技术筛选术5Ge通安全防护工业光网工业总线安全监测安全评测层边端用芯云安网人工智能数据治理低代码开发存算人工智能数据治理低代码开发存算数字孪生核心攻关战略领先工业协议确定性网络■为更加系统辨析关键技术差异，明确关键技术研发难点与重点，基于“技术领先性”、“技术重要性”对工业互联网关键技术进行核心攻关战略领先工业协议确定性网络◆技术重要性：技术的可替代性、技术的产业共性◆经济价值：技术的潜在应用价值多少细分领跑潜在发展细分领跑潜在发展技术先进性技术先进性注：气泡大小代表技术潜在经济价值■技术路线存储单元存储单元◆存算一体的技术路线分为三大类，分别是近存计算(ProcessingNearMemory,PNM)、存内处理(ProcessingInMemory.PIM)和存内计算(ComputinginMemory,CIM)。核心是将存储与■技术现状◆国外科研巨头加速布局TT◆国内初创企业涌现，投融资活跃，迎来产业化转折点■重要性分析◆突破工业Al算力瓶颈和大数据的关键技术·减少不必要的数据搬运、延迟和功耗·存储单元参与逻辑计算，大幅提升计算效率，降低成本◆国产化替代市场需求强烈·整合计算单元和存储单元，优化数据传输路径，提高芯片算力天花板·同等制程工艺下，缩短系统响应时间，提升能效比，更适合工业互联网边缘端算力的需求场景■应用场景分析◆小算力场景，在工业边缘、智能传感领域将得到突破◆大算力场景，将不断向工业大数据、云计算应用领域延伸◆技术封闭◆技术封闭◆设备互联互通成难题◆常用的工业网络通信技术自成体系，难以形成有效的互联互通◆解决多协议之间的封闭现状，打通人-机-料-法-环各环节的信息壁垒中国工业互联网研究院◆通过技术手段实现不同工业协议之间的互联互通，以解决工业设备之间协议不兼容的问题，从而提高设备的互操作性和集成性·边缘协议转换(网关/中间件)·统一标准化接口(OPCUA、ModBus等)m◆机器内部互联，机器内部可集成各种现场总线设备接入◆机器之间互联，机器设备实现与不同工业系统的集成4.十大关键技术-5G中国工业互联网研究院■技术路线复杂度降低BWP复杂度降低BWP配置和控制技术移动性管理功耗优化◆5GRedCap(ReducedCapability,5G轻量化)在5GeMBB、URLLC、mMTC基础上，能够对速率、覆盖能力、成本、终端功耗、低时延、可靠性等性能实现很好的平衡■重要性分析◆打破5G行业应用规模化落地僵局·5G行业应用市场呈现规模大、碎片化严重、行业终端类型多、价格敏感·需求侧不需要5G的全部功能及性能·供给侧短时间内无法通过规模出货来降低成本◆满足多种工业场景的性能需求·除了速率、时延、可靠性这三大5G性能需求，还针对模组尺寸、功耗、成本等不同性能◆立项Rudc准元减IMT-2020两个阶段-2022-关键技术测试-2023-设备端到端的互操作测试◆落地●●马备商用产业进入■应用场景分析◆RedCap典型应用场景显著◆RedCap会持续演进(设备静止时参考速率)低低时延、/99%~中/大容量。上行5~50Mbit/s//中1～2周性上行2～5Mbit/s低/参考来源：池圆规钟堂施春红RedCap技术应用及网络部置策路研究.电信工程技术与标准化2023,3617045-57.器间通信√√√√√√√√√√√回定义网络(SDN)、网络功能网络(5G)等技术的兼容性与适配性，摆脱对国外PLC软硬件产品的依赖◆远程监控与管理、多设备协同控制、大数据分析与优化、跨4.十大关键技术-数据治理■技术路线◆数据治理借助了数据库技术、大数据处理和智能分析等一系列技术手段，对数据的使用和维护进行系统化、规范化的管理业务需求业务需求业务部门显编性业务应用业务场景■技术现状◆工业数据治理目前正逐步得到重视，工业数据量和多样性使得数据治理挑战加剧，新一代信息技术致使工业数据治理的需求迫切◆目前的工业数据治理水平还处于滞后状态痛点集中于数据来源多样性、数据时序性、机器复杂性■重要性分析◆提升工业数据价值·对数据进行清洗、整合、分析和利用，以提取有价值的信息和知识◆提供工业决策支持·将复杂的数据转化为易于理解的图表和信息，提高决策效率和决策质量■应用场景分析◆对源数据和分析数据进行物理隔离◆对非必要数据进行归档或销毁数据生命周期数据安全4.十大关键技术-低代码开发■技术路线◆低代码是一组数字技术工具平台，基于图形化拖拽、参数化配置等更为高效的方式，实现快速构建、数据编排、连接生态、中台服务。通过少量代码或不用代码实现数字化转型中的场景应用创新0年牌0年10率■重要性分析◆降低开发成本与操作门槛·投入更低，代码编写更简单、环境设置和部署成本也更少◆提高工业系统灵活性·以较高时效性满足定制需求，缩短沟通时间，应对多变的长远需求■技术现状◆国际市场需求稳步上升，整体处于稳定增长◆市场规模和场景化落地实现快速增长■应用场景分析◆复杂的工业领域知识封装◆敏捷开发方式满足行业快速迭代更新的需求◆满足末端多样化需求的定制◆缩短工业软件的响应周期4.十大关键技术-数字孪生■技术路线◆数字孪生具备5个核心要素：物理对象、数据、模型、映射和交互。综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射映射映射交互物理对象■技术现状◆国外起步早价值推广工业生产领域◆国内数字孪生市场活跃，多主体参与但创新有待提升■重要性分析◆数字孪生推进工业互联网创新发展数字孪生有望带动我国工业软件产业快速发展，在工业研发、生产、运维全链条均发挥重要作用◆国内数字孪生发展面临诸多挑战·商业模式不成熟、缺乏统一的标准体系、基础软件和渲染引擎依赖国外、数据处理能力弱及可靠性低■应用场景分析◆数字孪生技术可以完成研发设计、生产制造、运维管理等工作4.十大关键技术-工业生成式人工智能■技术路线◆工业生成式人工智能技术是一种利用深度学习技术对工业数据进行处理的先进技术，旨在挖掘工业数据背后的规律和知识，优化工业生产过程，提高生产效率和产品质量云化数据底座训练策略自动化检索、故障预誉、开源框架混合精度训练、Zero显存优化、分布式并行训练算子融合、张量并行流水线并行运维管理■技术现状◆工业生成式人工智能技术市场尚处于发展初期，市场规模较小，但增长速度较快◆国际上在工业生成式人工智能方面有部分试点应用案例■重要性分析◆生成式人工智能正成为产业竞争的中心要素·生成式人工智能将是一个国家在工业制造业和技术等领域的竞争优势来源◆生成式人工智能正在催生超级巨头·一个成功的Al战略需要投资大量的资金和资源，未来所有巨头注定都是人工智能巨头■应用场景分析◆生成式人工智能可以赋能工业设计软件◆生成式人工智能在3D打印领域有着广泛的应用&应用来源：思迈特款件4.十大关键技术-零信任■技术路线◆在零信任安全技术体系下，任何连接企业资源的用户和设备都需要经过认证、授权和访问控制等多重层级的安全策略审批和身份验证流程才能够访问敏感数据或网络资源批和身份验证流程才能够访问敏感数据或网络资源其他安全分析平台零信任架构访问主体设备身份安全基础设施访问客体服务功能数据不可值可信代理■技术现状◆以美国为首的发达国家高度重视零信任能力建设参考架构》、“雷霆穹顶”等项目◆我国加大政策保障，推动零信任落地，协助建立产业规范·《网络安全产业高质量发展三年行动计划(2021-2023年)》、《面向云计算的零信任成熟度评价模型》、《零信任安全技术参考框架》、《网络安全产品能力评价体系第11部分：基于零信任架构的业务安全平台评价方法》等■重要性分析◆OT零信任安全国内外差距显著◆IT/OT融合给传统边界安全带来新的挑战◆零信任安全优势价值凸显微软Azure、亚马逊AWS、阿里云…思科Cisco、派拓、天融信、奇安信、深信服…Cyxtera、缔盟云…■应用场景分析◆通过严格的身份验证、授权和访问控制来保护资源和数据，可融入工业互联网安全和工业互联网标识盘识中国工业互联网研究院中国工业互联网研究院■坚持需求导向，深化行业应用■■坚持需求导向，深化行业应用■积极营造生态，促进产业链协同发展稳定的产品生态◆一是加强关键技术攻关。发挥科研机构、高校组织、产业联盟的重要作用，研究工业互联网关键技术攻关路线◆二是推进技术融合创新。开展协同创新攻关，加快前沿技术从技术原型、产品孵化、实验室验证到商用产业化进程三是培育自主可控产品供需体系。组织开展关键技术的工程化技术验证评价，探索优势工业互联网技术产品政策体系◆一是引导基础设施改造。发布相关指南，引导大中小企业进行网络互联基础设施、工业互联平台和安全体系改造◆二是打造行业应用标杆。加快重点行业示范工厂和关键技术典型应用场景建设◆三是发挥体制