工业互联网体系架构和智慧工厂建设报告

——互联网+制造业的一种范式报告内容01工业互联网的发展背景02工业互联网体系架构与内涵03平台的核心关键技术04工业互联网的应用范式05结语》》1.工业互联网的发展背景●GE要为大量的工业、航空、医疗装备提供运维服务●借助互联网、大数据的，可以显著提高服务质量，实现增值—【传统方式】数据获取、计算分析和决策优化分离，围绕历史数据分析的结果难以实时、精准作用到设备运行过程—【工业互联网】设备、人和数据互联，三个过程实时、并行开展，数据分析同步反映设备状态，实时控制设备动作、精确优化运行效率由此带来的“1%的威力”—1%提效创造1万亿美元市场：》》1.工业互联网的发展背景—2012年末，美国GE公司提出的关于产业设备与IT融合的概念—定义：基于开放、全球化的网络，将设备、人和数据分析（工业互联网三要素）连接起来，用过对大数据的利用与分析，升级航空、医疗装备等工业领域的智能化，降低能耗，提升效率。信息革命信息革命2.先进分析机器人2.先进分析机器人决策者、执行者3.工作中3.工作中》》1.工业互联网的发展背景③分析的综合预见性不足③分析的综合预见性不足■对工业运行数据的挖掘深度不足■导致决策不准确、盲目②互联广度不足■跨领域信息孤岛难以互联互通■无法准确描述领域间复杂关联关系，决策全局性差①感知深度不足■传统仪表自动化系统仅感知过程变量■信息维度低、难以反映物理过程深层次动态特性》》1.工业互联网的发展背景实例：美国“智能过程制造（SPM）”计划，制氢工厂■通过多路摄像头感知对温度场建模、分析与实时调节视觉感知相比传统温度变送器：■从检测“温度点“，到感知“温度场”■感知信息具有更高的维度和更大的信息量■为实时，精准优化制氢过程提供可能》》1.工业互联网的发展背景实例：德国“数字工厂”项目产品规划产品设计生产规划试制量产使用服务数字工厂》》1.工业互联网的发展背景实例：欧洲“KnowledgebasedFactory”项目》》1.工业互联网的发展背景》》1.工业互联网的发展背景报告内容01工业互联网的发展背景02工业互联网体系架构与内涵03平台的核心关键技术04工业互联网的应用范式05结语》》2.工业互联网体系架构与内涵——摘自《工业互联网平台白皮书（2017）》，工业互联网产业联盟》》2.工业互联网体系架构与内涵——摘自《工业互联网平台白皮书（2017）》，工业互联网产业联盟》》2.工业互联网体系架构与内涵——大量工业用户参与的软件生态二、工业互联网平台是新工业体系的“操作系统”——扁平、灵活、软件定义的组织架构——平台/生态成为企业垄断地位的标志从信息网络视角看，工业互联网是计算机网络在工业的延伸■按照计算机、网络、软件定义的思路，解构传统工业系统■遵循灵活、开放、生态的原则，重新组织工业系统运行》》2.工业互联网体系架构与内涵主要特征：①三元融合■人行为模型■工业过程模型■信息系统模型②时空关联■实时反映工业过程的时空变化③平行演进■信息空间与物理空间同步演进④智能涌现■实现工业过程的自感知、自分》》2.工业互联网体系架构与内涵主要特征：①三元融合■人行为模型■工业过程模型■信息系统模型②时空关联■实时反映工业过程的时空变化③平行演进■信息空间与物理空间同步演进④智能涌现■实现工业过程的自感知、自分》》2.工业互联网体系架构与内涵网络空间体系架构和演进——时延敏感网络新架构及网络行为特征数据科学问题——多源异构、时空关联大数据分析网络空间安全问题——信息与物理一体化安全》》2.工业互联网体系架构与内涵企业内部：■制造系统互联：各类制造设备互联■管理—控制互联：业务系统与控制系统互联跨企业间：■产业链上下游企业互联，构成制造网络互联工业系统的需求：互联工业系统的需求：■互联的最终目的是为智能决策提供支撑，进而实现工业过程的运行优化■亟需大量与工业过程相关机理、运行、优化知识的高效获取、融合、处理与应用》》2.工业互联网体系架构与内涵未来目标当前目标自主智能互联智能-企业内互联互联智能-企业内互联数字化深化应用制造信息空间主导技术：主导技术：主导技术：数字化互联网----》2020》2025》2030》制造物理空间》》2.工业互联网体系架构与内涵1.智能发育2.1.智能发育2.神经网络3.视听触觉1.系统自主学习自我优化能力2.以连接为特征的分布式计算能力3.跨媒体信息融合认知能力现有工业控制系统特征：①智能：依靠人的编程输入，无法演进②通信—计算：分布式采集-集中式计算③感知：仅可感知、检测过程量》》2.工业互联网体系架构与内涵--物联网、大数据、互联网、个性化定制、远程监控、现有工业互联网平台：仅提供信息技术支撑架构（末梢感知+骨干神经）报告内容01工业互联网的发展背景02工业互联网体系架构与内涵03平台的核心关键技术04工业互联网的应用范式05结语》》3.平台的核心关键技术——摘自《工业互联网平台白皮书（2017）》，工业互联网产业联盟》》3.平台的核心关键技术泛在化感知技术★设备、生产过程的泛在化感知：★实现传感器、控制器、执行器互联通信的WSN技术：★工业应用的挑战：■抗干扰■高实时■低功耗★工业应用的挑战：■WirelessHART■ISA100.11a■WIA-PA■WIA-FA》》3.平台的核心关键技术工A-PA★面向流程工业泛在感知的低速、低功耗无线传感器网络技术。★在801.15.4物理层基础上，实现自适应跳频，多跳高实时传输技术、高精度同步技术，使得数据传输可靠性99%以上，网络功耗微安级。★2011年11月，IEC/TC65投票通过，成为IEC国际标准。》》3.平台的核心关键技术》》3.平台的核心关键技术》》3.平台的核心关键技术》》3.平台的核心关键技术★基于Internet的TCP/IP架构实现对工厂管理网络、控制网络、传感网络进行全面互联，并与Internet集成，实现无缝信息传输★实现工厂全覆盖，管理和控制业务混流传输，并提供安全可靠保障的组网与传输技术★工业应用的挑战》》3.平台的核心关键技术IEEE802.1Time-SensitiveNetworking★基于802.11无线网络实现管理业务与控制业务的混流传输，保障控制业务流的同步低时延通信；★在802.11的MAC机制进行改进，借鉴Profinet的全网调度方法，通过对传输任务载止期的精细化调度保障传输时延；★提出了802.1Qbu帧优先级和802.1Qbv传输调度两个标准补充，已经通过项目授权（PAR正在技术研究阶段。》》3.平台的核心关键技术★基于远距离宽带无线技术实现现场传感网与工厂骨干控制网的互联，支撑现场感知数据回传到控制中心；★设计了回程网络的标准接口和管理架构，研发了多种无线网络共享频谱下的共存技术；★2013年8月巴西油田RIOdeJaneiro开展了面向油井远程测量的回程网络现场验证，70余家企业参与。3.平台的核心关键技术TAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY★基于SDN技术实现工厂管理业务与控制业务的混流传输；★针对工厂管理业务和控制业务特征，设计了基于流交换的处理核心和基于SDN的协同调度机制，形成了混流传输模式下的确定性传输保障技术体系；★已研制出工业SDN交换机原型。》》3.平台的核心关键技术★当前的Openflow协议的meter表是用于限流的简单协议，缺少对工业级实时保障的支撑；★对Openflow协议提出修正草案，对meter表进行扩充，支持对每个流的优先级、带宽预留、截止期优化等QoS策略；★与华为、信通院合作，在ONF基金会成立OpenflowinIndustry工作组，讨论在下一版本中增加面向工业的协议修正。》》3.平台的核心关键技术★以模块化、服务化的模式，实现制造应用的动态自组织；★提供数据管理、建模等基础服务，数据分析、仿真、优化等核心服务，支撑制造应用开发；★工业应用的挑战。嵌入式设备资源受限、服务高并发性服务及时处理、动态服务组织。》》3.平台的核心关键技术★基于WebService框架实现自动化设备数据与操作的封装，提供开放服务；★以统一的WebService描述，兼容了工业领域原有的数据存储、报警事件、安全约束、历史访问等多种数据交换标准，实现了跨平台、跨应用的不同厂商设备的互操作；★OPCUA标准受到了众多工业设备制造商支持，西门子、Matrikon、Softing等多家厂商提出了软件解决方案，并正在研发硬件连接网关产品。》》3.平台的核心关键技术容灾特性•面向互联网的不制高效压缩传输高效压缩传输方法•在优化利用有限轻量级高强度轻量级高强度加密机制•复杂的加密算法》》3.平台的核心关键技术数据管理技术：实时增量工业大数据处理技术支持实时增量数据的组织★高速集成接口及增量存储规范；★数据业务关联关系模型；★数据集成安全规范。工业大数据处理技术★轻量级大规模数据索引技术；★基于内存的高速实时流数据处理方法；★工业流数据过滤及回归算。》》3.平台的核心关键技术工业数据建模和分析技术：数字工厂建模与仿真分析面向工厂/车间规划设计★布局优化计算模型、工位平衡分析模型、物流路径重构优化模型面向生产过程精益管控★产品模型、工艺模型、设备模型、业务模型等生产模型面向虚实融合与数据驱动应用★虚实融合数据总线、模型驱动引擎、虚拟传感器建模、多模态数据集成★VR、AR等技术应用于实操培训、生产监控、维修指导、智能仓储等。报告内容01工业互联网的发展背景02工业互联网体系架构与内涵03平台的核心关键技术04工业互联网的应用范式05结语》》4.工业互联网的应用范式工业互联网推动智能制造三大集成、引领“互联制造”新模式》》4.工业互联网的应用范式开展联合研发降低研发成本■通过高端专业软件共享，降低企业研发资金投入■通过仿真分析，缩短研制周期，降低研发成本■参与研发范围更为广泛，利于问题的解决■对企业数据资产数据分析，为产品改进提供依据》》4.工业互联网的应用范式■通过设备租赁服实现由卖设备到卖服务的转变■通过将备件与主机绑定的方式增加来自备件销售的利润■通过提供增值运维服务，提升产品的利润率■通过众包众维服务，可大幅节省装备企业建立维修站的成本。》》4.工业互联网的应用范式■通过富裕生产资源的