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智能制造支撐系統介紹

2022-9-15新聞

導讀

INTRODUCTION

支撐系統的(de)核心作用(yòng)是保障制造系統高(gāo)效穩定的(de)運行。智能制造的(de)主要支撐系統包括了(le)網絡通(tōng)信、數據管理(lǐ)、信息安全等。

文章(zhāng)來(lái)源

本文引自:《智能制造概論》,已由清華大(dà)學出版社出版。作者:中國工程院李培根院士、華中科技大(dà)學高(gāo)亮教授。





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01

工業互聯網


工業互聯網是鏈接工業全系統、全産業鏈、全價值鏈,支撐工業智能化(huà)發展的(de)關鍵信息基礎設施,是新一代信息技術與制造業深度融合所形成的(de)新興業态和(hé)應用(yòng)模式,是互聯網從消費領域向生産領域、從虛拟經濟向實體經濟延伸拓展的(de)核心載體,是智能制造的(de)重要支撐技術和(hé)系統。


“工業互聯網”最早由通(tōng)用(yòng)電氣于2012年提出,随後美(měi)國五家行業龍頭企業(AT&T、思科、通(tōng)用(yòng)電氣、IBM和(hé)英特爾)聯手組建了(le)工業互聯網聯盟(Industrial Internet Alliance, IIC),對(duì)其進行推廣和(hé)應用(yòng)。工業互聯網的(de)核心是通(tōng)過工業互聯網平台把原料、設備、生産線、工廠、工程師、供應商、産品和(hé)客戶等工業全要素緊密地連接和(hé)融合起來(lái),形成跨設備、跨系統、跨企業、跨區(qū)域、跨行業的(de)互聯互通(tōng),從而提高(gāo)整體效率。它可(kě)以幫助制造業拉長(cháng)産業鏈,推動整個(gè)制造過程和(hé)服務體系的(de)智能化(huà)。還(hái)有利于推動制造業融通(tōng)發展,實現制造業和(hé)服務業之間的(de)緊密交互和(hé)跨越發展,使工業經濟各種要素和(hé)資源實現高(gāo)效共享。




作爲工業智能化(huà)發展的(de)重要基礎設施,工業互聯網的(de)本質就是使得(de)工業能形成基于全面互聯的(de)數據驅動智能,在這(zhè)個(gè)過程中,工業互聯網能構建出面向工業智能化(huà)發展的(de)三大(dà)優化(huà)閉環:


(1)面向機器設備/産線運行優化(huà)的(de)閉環,核心是通(tōng)過對(duì)設備/産線運行數據、生産環節數據的(de)實時(shí)感知和(hé)邊緣計算(suàn),實現機器設備/産線的(de)動态優化(huà)調整,構建智能機器和(hé)柔性産線;


(2)面向生産運營優化(huà)的(de)閉環,核心是通(tōng)過對(duì)信息系統數據、制造執行系統數據、控制系統數據的(de)集成融合處理(lǐ)和(hé)大(dà)數據建模分(fēn)析,實現生産運營的(de)動态優化(huà)調整,形成各種場(chǎng)景下(xià)的(de)智能生産模式;


(3)面向企業協同、用(yòng)戶交互與産品服務優化(huà)的(de)閉環,核心是通(tōng)過對(duì)供應鏈數據、用(yòng)戶需求數據、産品服務數據的(de)綜合集成與分(fēn)析,實現企業資源組織和(hé)商業活動的(de)創新,形成網絡化(huà)協同、個(gè)性化(huà)定制、服務化(huà)延伸等新模式。


工業互聯網對(duì)現代工業的(de)生産系統和(hé)商業系統均産生了(le)重大(dà)變革性影(yǐng)響。基于工業視角:工業互聯網實現了(le)工業體系的(de)模式變革和(hé)各個(gè)層級的(de)運行優化(huà),如實時(shí)監測、精準控制、數據集成、運營優化(huà)、供應鏈協同、個(gè)性定制、需求匹配、服務增值等;基于互聯網視角:工業互聯網實現了(le)從營銷、服務、設計環節的(de)互聯網新模式新業态帶動生産組織和(hé)制造模式的(de)智能化(huà)變革,如精準營銷、個(gè)性定制、智能服務、衆包衆創、協同設計、協同制造、柔性制造等。



02

5G技術


智能制造具有自我感知、自我預測、智能匹配和(hé)自主決策等功能。爲實現這(zhè)些功能,制造過程中的(de)數據通(tōng)信面臨嚴峻挑戰,包括設備高(gāo)連接密度、低功耗、通(tōng)信質量的(de)高(gāo)可(kě)靠性、超低延遲、高(gāo)傳輸速率等。5G作爲一種先進通(tōng)信技術,具有更低的(de)延遲、更高(gāo)的(de)傳輸速率,以及無處不在的(de)連接等特點,可(kě)有效應對(duì)上述挑戰。


5G技術使得(de)無線技術應用(yòng)于現場(chǎng)設備實時(shí)控制、遠(yuǎn)程維護及操控、工業高(gāo)清圖像處理(lǐ)等工業應用(yòng)新領域成爲可(kě)能,同時(shí)也(yě)爲未來(lái)柔性産線、柔性車間奠定了(le)基礎。由于具有媲美(měi)光(guāng)纖的(de)傳輸速率、萬物(wù)互聯的(de)泛在連接特性和(hé)接近工業總線的(de)實時(shí)能力,5G技術正逐步向智能制造滲透,開啓工業領域無線發展的(de)未來(lái)。伴随智能制造的(de)發展,5G技術将廣泛深入地應用(yòng)于智能制造的(de)各個(gè)領域。5G+智能制造的(de)總體架構主要包括4個(gè)層面:數據層、網絡層、平台層和(hé)應用(yòng)層,如圖所示。

 

5G+智能制造的(de)總體架構

1)數據層

數據層依托傳感器、視頻(pín)系統、嵌入式系統等組成的(de)數據采集網絡,對(duì)産品制造過程的(de)各種數據信息進行實時(shí)采集,包括生産使用(yòng)的(de)設備狀态、人(rén)員(yuán)信息、車間工況、工藝信息、質量信息等,并利用(yòng)5G通(tōng)信技術将數據實時(shí)上傳到雲端平台,從而形成一套高(gāo)效的(de)數據實時(shí)采集系統。通(tōng)過雲計算(suàn)、邊緣計算(suàn)等技術,對(duì)數據進行實時(shí)高(gāo)效處理(lǐ),從而獲取數據分(fēn)析結果,并通(tōng)過數據層進行實時(shí)反饋,一方面指導整個(gè)生産過程,另一方面也(yě)爲智能制造的(de)生産優化(huà)決策和(hé)閉環調控提供基礎。

數據層實現了(le)制造全流程數據的(de)完備采集,爲制造資源的(de)優化(huà)提供了(le)海量多(duō)源異構的(de)數據,是實時(shí)分(fēn)析、科學決策的(de)起點,也(yě)是建設智能制造工業互聯網平台的(de)基礎。

2)網絡層

網絡層的(de)作用(yòng)是給平台層和(hé)應用(yòng)層提供更好的(de)通(tōng)信服務。作爲企業的(de)網絡資源,大(dà)規模連接、低時(shí)延通(tōng)信的(de)5G網絡可(kě)以将工廠内海量的(de)生産信息進行互聯,提升生産數據采集的(de)及時(shí)性,爲生産優化(huà)、能耗管理(lǐ)、訂單跟蹤等提供網絡支撐。

網絡層采用(yòng)的(de)5G技術可(kě)以在極短的(de)時(shí)間内完成信息上報,确保信息的(de)及時(shí)性,從而确保生産管理(lǐ)者能夠形成信息反饋,對(duì)生産環境進行精準調控,有效提高(gāo)生産效率。網絡層還(hái)可(kě)以實現遠(yuǎn)程生産設備全生命周期工作狀态的(de)實時(shí)監控,使生産設備的(de)維護突破工廠邊界,實現跨工廠、跨區(qū)域的(de)遠(yuǎn)程故障診斷和(hé)維護。

3)平台層

基于5G技術的(de)平台層,爲生産過程中的(de)分(fēn)析和(hé)決策提供智能化(huà)支持,是實現智能制造的(de)重要核心之一。

在平台層中主要包括了(le)以GPU爲代表的(de)高(gāo)性能計算(suàn)設備,以邊緣計算(suàn)、雲計算(suàn)爲代表的(de)新一代計算(suàn)技術、以及以雲存儲爲代表的(de)高(gāo)性能存儲平台。平台層通(tōng)過關聯分(fēn)析、深度學習(xí)、智能決策、知識推理(lǐ)等人(rén)工智能方法,實現制造數據的(de)挖掘、分(fēn)析和(hé)預測,從而爲智能制造的(de)決策和(hé)調控提供依據。

4)應用(yòng)層

應用(yòng)層主要承擔5G背景下(xià)智能制造技術的(de)轉化(huà)和(hé)應用(yòng)工作,包括各類典型産品、生産與行業的(de)解決方案等。基于5G網絡的(de)大(dà)規模連接、大(dà)帶寬、低時(shí)延、高(gāo)可(kě)靠等優勢,研發一系列生産與行業應用(yòng),從而滿足企業數字化(huà)和(hé)智能化(huà)的(de)需求。應用(yòng)場(chǎng)景包括:狀态監測、數字孿生、虛拟工廠、人(rén)機交互、人(rén)機協同、信息跟蹤與追溯等。與此同時(shí),随著(zhe)5G技術的(de)進一步深入,依托數據與用(yòng)戶需求,應用(yòng)層還(hái)可(kě)以爲用(yòng)戶提供精準化(huà)、個(gè)性化(huà)的(de)訂制應用(yòng),從而使得(de)整個(gè)生産等更加貼合用(yòng)戶的(de)實際需求。


03

數據庫


數據庫是“按照(zhào)數據結構來(lái)組織、存儲和(hé)管理(lǐ)數據的(de)倉庫”,是一個(gè)長(cháng)期存儲在計算(suàn)機内、有組織、可(kě)共享、統一管理(lǐ)大(dà)量數據的(de)集合。數據庫将數據以一定方式儲存在一起,用(yòng)戶可(kě)以通(tōng)過接口對(duì)數據庫中的(de)數據進行新增、查詢、更新、删除、共享等操作。在智能制造中,數據庫技術是數據分(fēn)析、處理(lǐ)的(de)重要保障,也(yě)是智能制造的(de)重要支撐系統之一。

在數據庫的(de)發展曆史上,數據庫先後經曆了(le)層次數據庫、網狀數據庫和(hé)關系數據庫等各個(gè)階段的(de)發展。數據庫技術在各個(gè)方面的(de)快(kuài)速的(de)發展,特别是關系型數據庫已經成爲目前數據庫産品中最重要的(de)一員(yuán)。20世紀80年代以來(lái),幾乎所有的(de)數據庫廠商新出的(de)數據庫産品都支持關系型數據庫,即使一些非關系型數據庫産品也(yě)幾乎都有支持關系型數據庫的(de)接口。這(zhè)主要是因爲關系型數據庫可(kě)以比較好地解決管理(lǐ)和(hé)存儲關系型數據的(de)問題。随著(zhe)雲計算(suàn)的(de)發展和(hé)大(dà)數據時(shí)代的(de)到來(lái),關系型數據庫越來(lái)越無法滿足制造業的(de)需要,這(zhè)主要是由于越來(lái)越多(duō)的(de)半關系型和(hé)非關系型數據需要用(yòng)數據庫進行存儲管理(lǐ),與此同時(shí),分(fēn)布式技術等新技術的(de)出現也(yě)對(duì)數據庫技術提出了(le)新的(de)要求,于是越來(lái)越多(duō)的(de)非關系型數據庫受到制造業的(de)關注。這(zhè)類數據庫與傳統的(de)關系型數據庫在設計和(hé)數據結構有很大(dà)的(de)不同,它們更強調數據庫數據的(de)高(gāo)并發讀寫和(hé)存儲大(dà)數據,這(zhè)類數據庫一般被稱爲NoSQL(Not only SQL)數據庫。

關系型數據庫,是指采用(yòng)了(le)關系模型來(lái)組織數據的(de)數據庫,以行和(hé)列的(de)形式存儲數據,以便于用(yòng)戶理(lǐ)解。關系型數據庫這(zhè)一系列的(de)行和(hé)列被稱爲表,一組表組成了(le)數據庫。關系模型可(kě)以簡單理(lǐ)解爲二維表格模型,而一個(gè)關系型數據庫就是由二維表及其之間的(de)關系組成的(de)一個(gè)數據組織。關系型數據庫具有易理(lǐ)解、易操作、易維護的(de)特點。在制造業中,它是構建管理(lǐ)信息系統,存儲及處理(lǐ)關系數據不可(kě)缺少的(de)核心技術,如ERP(enterprise resource planning,企業資源計劃),MIS(management information system,管理(lǐ)信息系統),EAM(enterprise asset management,企業資産管理(lǐ)系統)等系統均采用(yòng)關系型數據庫進行數據處理(lǐ)。

NoSQL數據庫泛指非關系型的(de)數據庫。随著(zhe)大(dà)數據時(shí)代的(de)到來(lái),數據形式呈現出多(duō)樣化(huà)特點,傳統的(de)關系型數據庫出現了(le)很多(duō)難以克服的(de)問題,而NoSQL數據庫的(de)産生就是爲了(le)解決大(dà)規模數據集合多(duō)重數據種類帶來(lái)的(de)挑戰,尤其是大(dà)數據應用(yòng)難題。與傳統的(de)關系型數據庫相比,NoSQL數據庫具有易擴展、高(gāo)性能、高(gāo)可(kě)用(yòng)、高(gāo)靈活的(de)特點,更容易滿足追求速度和(hé)可(kě)擴展性、業務多(duō)變的(de)應用(yòng)場(chǎng)景。更适合處理(lǐ)生産過程中所産生的(de)非結構化(huà)數據,如圖片、文本等。


04

信息安全


信息安全是目前包括制造業在内的(de)各個(gè)行業所面臨的(de)重大(dà)挑戰之一。新興技術,尤其是大(dà)數據技術,給制造業帶來(lái)了(le)巨大(dà)效益的(de)同時(shí),也(yě)讓企業面臨著(zhe)巨大(dà)的(de)信息安全風險。一方面,由于工業控制系統的(de)協議(yì)多(duō)采用(yòng)明(míng)文形式、工業環境多(duō)采用(yòng)通(tōng)用(yòng)操作系統且更新不及時(shí)、從業人(rén)員(yuán)的(de)網絡安全意識不高(gāo),再加上工業數據的(de)來(lái)源多(duō)樣,具有不同的(de)格式和(hé)标準,使其存在諸多(duō)可(kě)以被利用(yòng)的(de)漏洞。另一方面,在工業應用(yòng)環境中,對(duì)數據安全有著(zhe)更高(gāo)的(de)要求,任何信息安全事件的(de)發生都有可(kě)能威脅企業信息安全、工業生産運行安全甚至國家安全等。因而,良好的(de)信息安全技術,是企業長(cháng)期安全穩定發展的(de)重要基礎和(hé)前提。


信息安全是跨多(duō)領域與學科的(de)綜合性問題,需要結合法律法規、行業特點、工業技術等多(duō)維度進行研究。目前常用(yòng)的(de)信息安全技術體系可(kě)以分(fēn)爲信息接入安全、信息平台安全、信息應用(yòng)安全等3個(gè)層次。其中,信息接入安全爲工業現場(chǎng)數據的(de)采集、傳輸、轉換流程提供安全保障機制;信息平台安全爲工業數據存儲、計算(suàn)提供安全保障基礎;信息應用(yòng)安全爲上層應用(yòng)的(de)接入、數據訪問等提供強力的(de)安全管控。

1)信息接入安全

信息接入安全必須保障工業邊緣設備實時(shí)數據采集、遠(yuǎn)程狀态監控、系統數據抽取等從外部系統獲取工業數據,并進行匿名化(huà)、清洗、轉換、傳輸以進入工業大(dà)數據平台的(de)完整數據傳輸鏈的(de)安全。數據采集端支持采集模塊的(de)注冊及安全認證機制,保障數據采集應用(yòng)的(de)合規性以及采集數據的(de)準确性;邊緣計算(suàn)模塊支持統一模塊管理(lǐ)下(xià)發及簽名校驗機制,保障數據預處理(lǐ)應用(yòng)的(de)合法性和(hé)可(kě)靠性;數據傳輸通(tōng)路支持通(tōng)道加密,保障傳輸過程中的(de)機密性和(hé)完整性。

2)信息平台安全

信息平台安全是對(duì)工業數據資源的(de)存儲、訪問、運算(suàn)等功能的(de)安全保障,包括數據的(de)存儲安全、計算(suàn)安全、平台管理(lǐ)安全以及基礎設施安全。平台存儲安全支持數據多(duō)備份設置與恢複機制,并采用(yòng)數據訪問控制機制來(lái)防止數據的(de)越權訪問;計算(suàn)安全支持計算(suàn)發起方的(de)身份認證和(hé)訪問控制機制,确保隻有合法的(de)用(yòng)戶或應用(yòng)程序才能發起數據處理(lǐ)請求;平台管理(lǐ)安全包括平台組件的(de)安全配置、資源安全調度、補丁管理(lǐ)、安全審計等,确保整個(gè)平台組件及運行狀态的(de)安全可(kě)控,同時(shí)還(hái)應強化(huà)平台的(de)數據隔離和(hé)訪問公職機制,實現數據“可(kě)用(yòng)不可(kě)見”。平台軟硬件基礎設施安全包括基礎網絡安全、虛拟化(huà)安全等,從而保障整個(gè)數據平台的(de)安全運行。

3)信息應用(yòng)安全

信息應用(yòng)會對(duì)存儲于工業大(dà)數據平台的(de)海量數據進行查詢、分(fēn)析、計算(suàn)、導出等操作,因此在信息平台提供數據服務的(de)同時(shí),其安全風險也(yě)随之被暴露,攻擊者可(kě)利用(yòng)各類已知或未知漏洞發起攻擊,達到破壞系統或者獲取數據信息的(de)目的(de),因此需要對(duì)數據應用(yòng)安全進行嚴格管控。信息應用(yòng)安全主要覆蓋了(le)以下(xià)幾個(gè)方面。首先,支持應用(yòng)訪問簽名機制,确保隻有授權的(de)應用(yòng)才能提交數據訪問請求,支持應用(yòng)數據按需訪問,避免數據訪問範圍的(de)擴大(dà)化(huà);其次,支持對(duì)應用(yòng)和(hé)訪問者行爲的(de)實時(shí)監控,實時(shí)攔截應用(yòng)中包含的(de)攻擊行爲,包括數據訪問範圍、頻(pín)率、數據庫語句合法性等;最後,建立完整的(de)應用(yòng)流程管理(lǐ)機制,包括應用(yòng)的(de)提交、執行、狀态監控、結果審計等,确保每個(gè)應用(yòng)的(de)審批、控制于追責有效結合,避免高(gāo)權限人(rén)員(yuán)的(de)惡意操縱或誤操作行爲;同時(shí),構建完備的(de)應用(yòng)測試環境及測試規範,确保隻有符合安全策略的(de)應用(yòng)可(kě)以審批執行。