譚彰：工業操作系統重塑企業數字化競爭力
http://www.199rrr.com 2021-03-04 16:43 來源：譚彰
譚彰 浙江藍卓工業互聯網信息技術有限公司總經理、工業互聯網產業聯盟副理事長
在過去幾年，“工業互聯網”不僅在全球引發了一場技術風潮，更成為政府在當前復雜多變的政治經濟局勢下，打造中國工業強引擎、構建產業新生態、引領經濟高質量發展的重要武器。
一
工業互聯網已成重要基礎設施
當今世界，信息化浪潮席卷全球，信息通信技術與制造技術交叉融合，人類社會正在進入萬物互聯、虛實結合、數字智能、開放共享的新時代。工業互聯網與我國加快轉變經濟發展方式形成歷史性交匯，為我國實施創新驅動發展戰略提供了難得的重大歷史機遇。
近日，國家統計局公布我國國內年度生產總值首次突破百萬億，成為主要經濟體中唯一實現正增長的經濟體。制造業的快速復蘇為我國經濟的增長和穩定做出了非常突出的貢獻，數據顯示2020年1-11月份，全國規模以上工業企業實現利潤總額57445億元，同比增長2.4%。在工業互聯網技術的助力下，各地工業企業快速復產復工，反映了中國制造業門類完整齊全、產業鏈韌性強、靈活度高、自我恢復能力強的優勢。工業互聯網產業經過4年多發展，也在這場突如其來的疫情中，交出了一份令人滿意的答卷。
二
工業操作系統的必要性
目前制造業在向數字化、網絡化、智能化轉型過程中，其生產、管理、運營各環節逐步暴露出許多問題。工業企業的真實需求，主要體現在數據融合，生產計劃調度，工業設備管理，生產協同等方面。
在數據融合應用方面，普遍存在多元數據采集、異構系統集成、數據融合應用的需求。在生產制造過程中生產數據、管理數據、化驗數據、安全監控數據、環保監測數據、氣象環境數據、原材料質量、人員定位數據和視頻監控數據等如何進行有效地加工和應用是目前工業企業面臨的共性問題。在企業的實際經營和運維過程中，又強烈地要求這些數據能夠無縫融合。
在生產計劃調度方面，企業急需應用門檻低的行業工廠模型、物性數據庫及算法庫。由于現代工業企業，生產環節多，協作關系復雜，生產連續性強，情況變化快，某一局部發生故障，或某一措施沒有按期實現，往往會波及整個生產系統的運行。因此，加強生產調度工作，對于及時了解、掌握生產進度，研究分析影響生產的各種因素，根據不同情況采取相應對策，使差距縮小或恢復正常是非常重要的。
在工業設備管理方面，企業缺乏智能化、可視化、一體化的管理工具。制造業企業存在大量動設備和靜設備，包括罐類、塔類、閥門類、管道類、儀表類、化驗分析類等。這些設備的智能化程度不一，維護、保養和管理要求不同。很多企業針對這些設備并沒有實現電子化全生命周期管理，僅靠人工和紙面臺賬的方式進行記錄，對單個設備的維護僅靠計劃性的周期性保養和維修。然而，這些設備在生產環境中，均有長期運行和穩定運行的要求，如果某個設備因為故障而無法及時修復，將影響裝置的正常運行，導致停車整修。
在工業生產安全管理方面，隨著工業自動化的發展，生產裝置變得越來越自動化、連續化、大型化、復雜化，企業生產過程處理和儲存的易燃、易爆、有毒的危險物規模也越來越大，一旦這些物質的正常運行狀態遭到破壞，就有可能造成人員傷亡、財產損失和環境破壞。災害影響范圍大，事故的發生具有突發性、災難性、復雜性和社會性。因此制造業對安全管理的要求極為嚴格。
在生產協同方面，企業希望內部可以消除企業內部信息孤島，打通不同信息系統的數據以提高生產效率，生產品質和減少成本。在產業鏈的上、下游企業之間，企業一方面希望可以通過產品物流的追蹤實現產品質量、運輸過程和中間存儲過程的透明，另一方面希望能消除信息不對稱，實現柔性、科學的供應鏈管理。
當下越來越多工業企業已經認識到數字化轉型的必要性，對于數字化的應用落地也非常迫切。工業操作系統可以有效連接工廠內部各種各樣的設備和系統，實現互聯互通和集成融合，另一方面，可以實現企業和企業之間、產業鏈上下游的協同，通過開放平臺，工業智能軟件實現去技能化。工業操作系統還可以把工業軟件構建起來，實現工業知識的有效沉淀、共享和復用，驅動企業的業務模式轉型、管理的變革和商業模式的創新，增強企業的核心競爭力，進而助力產業的高質量發展。
三
工業操作系統的特性
在充分了解、認識，并且深入一線整理了企業的數字化需求之后，藍卓在2018年推出了國內首個具備自主知識產權的工業操作系統——supOS。在我們的體系架構中，工業操作系統是一個“承上啟下”的通用平臺，假如把一個工廠看成一個手機，為每個工廠裝上智能的操作系統，管理工廠里的每一個硬件、生產要素，就像安卓或iOS管理手機里的芯片等元素一樣；原先工廠當中垂直煙囪式的大型軟件變成了智能操作系統上的APP，來自不同廠家的APP可以運營在統一平臺上，實現OS+APP的智能工廠新模式。
我們認為符合現代工業發展需求的工業操作系統，需要具備如下特性：
1）用于工廠全信息的集成，可有效地融合工廠的生產、管理和運營數據。將傳統工廠DCS、MES、ERP等系統金字塔式的數據傳遞方式，（補充一下：不僅是系統里的數據，還包括設備數據，視頻監控、溫濕度等異構系統數據）回復：這里講的是金字塔式數據傳遞方式，不是指數據結構，異構系統在第二條轉變為“扁平化”結構，實現基礎自動化各系統之間的互聯互通與優化控制，真正發揮工業企業在工廠自動化層面所建系統的協同、優化及放大作用，為工廠“安、穩、長、滿、優、智”的高效運行提供基礎性的核心支撐作用。
2）作為工廠的通用連接器，兼容各類主流工業協議，可實現工業數據的全集成與標準化管理，如數據標準化和對象信息模型的運行期管理，多元數據預處理、存儲、壓縮處理，提供實時和歷史數據查詢服務，計算資源管理和服務治理，業務流搭建，提供一個信息融合、多元數據混合的快速數據分析構建平臺。
3）提供組態式的APP開發環境，具有數據分析和挖掘所需的算法模塊和展示模板，支持界面DIY，用戶通過鼠標拖拉拽就可以完成報表的制作和業務流程的落地，支持用戶對簡易工業APP快速設計和開發。
4）提供智能引擎服務，支持主流算法如聚類分析、回歸分析、決策樹、隨機森林、樸素貝葉斯、遺傳算法、深度學習、神經網絡等，同時提供面向行業共性的機理模型、知識圖譜等，全面提高智能應用的靈活性，降低大數據和人工智能應用的門檻和難度。
5）提供平臺開放服務，開發工具集、開發包、接口及認證發布服務，簡單易用。具備完整全面的工業APP商店和開發者中心，技術上支持生態合作伙伴的發展，能夠繁榮工業互聯網應用的生態圈。
6）提供安全可控的分層多點信息安全防護，支持深度防御安全，將安全防護能力分布在平臺中的各層架構。實現訪問控制、數據分區隔離、通信安全加密、入侵檢測等信息安全防護功能。
四
工業操作系統的發展經驗
在產品應用規模上，supOS工業操作系統經過從V1.0到V3.0三個大版本迭代，已經實現以“平臺+工業智能APPs”的應用模式，賦能17個行業，包括石化化工、建材等流程行業和金屬制品加工、汽配、裝備制造等離散行業，應用項目覆蓋了全國27個省市地區，以及白俄羅斯、泰國、沙特等國家。建設了寧波、嘉興、安慶、紹興等區域級的工業互聯網平臺，還有汽車零部件、金屬制品、箱包、膠囊等行業級平臺，融通上下游產業鏈條和產業集群，打造區域特色產業。同時藍卓正在積極建設以化工園區、小微型工業園區為主的園區級平臺，增強園區業主方的數字化運營管理能力。
在產品成熟度層面，supOS已成為具備邊緣智能平臺、工業信息全集成平臺、工業數據湖、工業數據資產管理平臺、工業APP開放平臺、工業大數據分析平臺、Open API、SDK、工業智能算法、應用商店、開發者中心、藍卓云等一體的完整的操作系統。可為企業提供以工業大數據為核心的全生命周期服務；提供工業大數據和人工智能的集成、分析、挖掘和可視化展示的一整套IT工具集和模板庫，為工廠的生產者、管理者、經營者和業務專家們提供了數據和應用場景創新的平臺；提供開放的數據服務、計算服務、存儲服務和安全服務，支持原生開發、遷移與集成，幫助工業APP開發者聚焦業務本身的開發與設計，降低基礎服務的技術門檻和開發成本；提供云、企、端的統一架構，可實現工業智能APP和數據的快速遷移，滿足企業不同時期的應用部署場景和要求。
圖1、supOS工業操作系統架構圖
目前，藍卓正面向區域、行業、園區、企業四個層次參與各個地方的工業互聯網平臺體系建設。聯合本地服務商和全國的優秀服務商生態，面向地方的優勢產業賦能。同時藍卓也聯合生態合作伙伴，以supOS工業操作系統為基礎平臺，和生態合作伙伴在行業方面進行合作，藍卓的生態合作伙伴都具備行業的積累以及面向專業領域的行業性產品，基礎平臺結合以后，已面向多個行業推出了行業級的子平臺，通過平臺賦能中小企業的數字化轉型。
圖2、多級工業互聯網平臺體系建設
在流程行業，我們應用工業操作系統+APP的方式為海螺水泥構建了企業級平臺。通過打通ERP系統、物流系統和DCS系統、質量系統實現云邊協同應用，通過大數據和人工智能的技術，實現關鍵設備的狀態檢測和預測預警，提高設備利用率，減少現場人工的巡檢，實現現場的少人化，有效滿足了大型水泥集團需要全國性異地辦廠、集中管控的需要。
圖3、海螺水泥智慧工廠數據中心示范
在離散行業，我們為安慶一枝梅打造了基于工業操作系統的數字化車間。通過產線設備的數字化改造，通過點線實現工廠各設備的互聯互通，通過打通ERP系統和工業APP之間的數據閉環，實現生產計劃、控制、反饋、調節的閉環管理。例如，通過車間、產線、工序全過程可視化，實現基于工業和設備的透明工廠。通過訂單拉動產線和庫存，實現智能的生產和智能的倉儲物流，并且通過產線當中生產能力的分析以及和生產相關重要設備運行狀態的監測以及匹配生產計劃和加工量的統計，實現基于大數據智能的生產調度等。
圖4、安慶一枝梅車間產線工序全生命周期可視化
在園區層面，我們基于supOS建設智慧工業園區平臺，通過平臺連接園區內的各種工業企業，一方面可以為園區提供統一的平臺進行安全的監管、環保、節能減排的監管功能，另一方面通過平臺為園區內的企業提供公共的生產管理、設備運維、倉儲物流等公共服務，提升園區的數字化整體競爭力。
五
工業互聯網的未來發展趨勢
先進企業的數字化創新和驅動成果，會不斷引領行業發展的整體走向。工業互聯網是走向未來工業發展的必須使用的手段。而先進企業需要的平臺必須能幫助其實現企業內部互聯互通，塑造基于數據驅動的業務模式、管理模式、商業模式。
從技術發展的角度來說，工業互聯網產業正呈現以下趨勢：
第一，在數據互聯和集成方面，以泛在適配器和業務服務軟總線的方式，實現工廠多業務系統協同、全系統集成，具備對常見工業協議和工業設備的支撐能力，實現全域數據，統一管理的能力。
第二，針對市場普遍存在大企業更關注私有化部署，中小微企業更關注云上使用的現象，云化部署和混合云部署將成為主流實施方式，一方面既滿足企業對即插即用、彈性擴容以及降低實施門檻的要求，一方面也滿足企業對于數據安全、完整、保密以及權限管控的需要。
第三，平臺型產品支持對數據進行全域組態化建模，面向各種各樣場景提供開放的數據服務，包括綜合展示、業務APP、智能APP等。為工廠的生產、管理提供可視化支撐，大大降低工廠的數據門檻，實現自助的數據融合應用。
第四，發展低代碼開發工具，同時針對大量傳統工業軟件向工業互聯網架構轉移的現狀，提供快速的工業軟件集成遷移工具，通過弱集成、淺集成、深集成的方式，使平臺上的APP更豐富。
從產業發展的角度來說，未來的工業互聯網產業還呈現以下趨勢：
第一，通過企業的智能制造、數字化建設，將工藝專家的知識經驗等轉換成智能工業軟件，實現“去技能化”。從企業的角度來講，現在很多工藝質量的精準控制，或者一些高水準生產管控，在很大程度上還是依賴一些熟練的工藝專家，而有經驗的老工人越來越稀缺。通過建設企業工業互聯網平臺，構建承載工廠全生命周期的PT（工藝技術）、ET（設備技術）、OT（運營技術）、AT（自動化技術）、IT（ABC信息技術）的知識融合平臺，可以將工業知識和經驗沉淀下來，用軟件來輔助人的操作，將復雜的制造過程konw-how沉淀下來。
第二，工業互聯網平臺化和開放化的重要性將越來越凸顯。業主方會避免建設一些封閉式的、煙囪式的，以后很容易推倒重建的系統，并且重視平臺的延展性和開放性。只有這樣做，才能持續地讓企業的知識、經驗和技能得到不斷發展。
第三，亟需構建面向于生態體系的開放平臺。工業互聯網的發展會使得工業軟件共性的內容下沉到平臺上面，面向垂直領域的APP將由很多行業里面的專家、生態合作伙伴共同開發，最終來實現整個由平臺商、工業軟件商、實施服務商、工業用戶，共同參與的一種工業智能應用的生態體系。
第四，針對工業互聯網的網絡安全和信息安全得到空前發展。隨著聯網化和各種生態型APP的出現，現在已經有非常多的定向對于工業企業的攻擊，對于數據的安全、生產的安全，無論是企業還是國家頂層層面都將非常重視。
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