工业智联网

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首先阐述了工业网联技术的演化过程, 重点讨论了工业智联网产生的技术和时代背景. 然后探讨了工业智联网的基本概念、内涵与应用领域.
1608 自动化学报 11卷 具与手段 程与知识自动化:知识自动化0-7,在广义上暂无精 5)社会智联网:旨在基于智联网技术和平台,确的定义,粗略上可以理解为是一种以自动化的方 实现社会和经济的自主优化和管控、基于物理空间式变革性地改变知识产生、获取、分析、影响、实施 和虚拟空间的融合而实现对社公、经济问题的描述、的有效途径.狄义上,知识自动化可认为是广义知 预测、引导,促使向新的智能社会形态的迈进 识白动化的应用.知识白动化的关键,在于如何将信 因此,工业智联网是一门与工业互联网、工业息、情报等与仼务和决策无缝、准确、及时、在线地 物联网紧密结合,深度融合的智能技术和知讥工程整合起来,从而实现自动完成各种知识功能与知识 技术,其目标为建立包含人机物在內的智能实体之服务.这种由知识自动化技术构成的系统,即为知识 间知识层次的联结、实现各智能体间知识的互联互自动化系统.知识自动化系统不断与真实世界进行 通,是一种全新的、直接面向全社会智能的复杂协同行为互动、知识交互,不间断获取海量的不同领域、 数信、感控、知识自动化系统.工业智联网的实施圳异构、高度并发的数据.知识自动化系统是一个动 能够以极高的敚率整合各种工业和社会资源,极大态且时变的系统,通过经验知识的荻取和积累,不断 地减少工业资源的浪费和消耗,极大地解放工业生改变系统內部內容、形态、方法和结构,它用自身的 力,拓展即将出现的“软件定义工业”、“类工业领复杂性、时变性来理解真实世界的复杂性和时变性 域”、“广义工业”、“社会制造”、“社会工业”等智能2)虚实纠缠的新兴工业形态:针对传统的工业系统, 产业新形态 在信息化、数字化的基础上,通过计算与实验的方法 本文旨在阐述工业智联网的基本概念、关键技构建出虚拟工业系统.通过传统工业系统与虛拟工 术和核心应用,并对其发展和应用进行展望 业系统的交互,实现建立智能化虚实交互、纠缠的新 1工业智联网的基本概念 工业系统,完成对实际工业系统的管理与控制、分析 与优化.3)人在环、社会在环的社会工程系统:社 工业智联网属于复杂系统的范畴,因此本文对会系统由三部分系统构成,即“物埋空间”对应的物 工业智联网做一个多方位的定义: 理工程系统,“赛博空间”刈应的人工工程系统以及 1)⊥业智联网作为新兴的科学技术门类:智联“社会空间”对应的社会工程系统根据实际物理工 网的目标是达成智能体群体的“协同知识自动化”程系统,构建出相应的人工工稈系统.人工工稈系统 和“协同认知智能”,即以某种协同的方式进行从原基于大数据技术和AI技术完成对物理系统的实时 始经验数据的主动釆集、获取知识、交换知识、关联控制,两者同时完成对社会系统的引导,社会系统 知识,到知识功能,如推理、策略、决策、规划、管控同时对物理系统和人工系统完成实时反馈,最终实 等全自动化过程,因此智联冈的实质是一种全新的、现物理空间、赛博空间、社会空间的互联互通,共同 直接面向智能的复杂、协同知识自动化系统理论和融合.4工业资源异构网络及其新型管控模式:实 工程技术 际的工业资源,存在着时空尺度异构、实体异构、关 2)T业智联网作为未来T业基础设施:T业智系异构等,借助社会传感或物埋传感、驱动、通信 联网是由社会工程系统联合感知与驱动以及多层次计算等技术,构建形成工业资源异构网络.通过智能 一休化通信计算系统支撑的工业系统智能技术系统技术、复杂系统工程技术、区坎链智能技术等相关 和知识服务平台 技术手段进行优化、运营、管控.工业资源异构网终 3)工业智联网作为工业资源整合配置工具:工功能通过数据中心/计算架构处理,转化成知识,并 业智联网深度融合互联网、物联网、人机交互、人数最终形成知识服务 据、智能技术,实现研发、生产、供应、销售、服务等2工业智联网架构与核心技术 工业全链条婁素的全面联结、协同与智能化,使海量 工业智能实体完成社会化知识协同,彻底地改变了 工业智联网的技术架构主要由数据接入层、通 工业生产形态,极大地解放和提升社会生产力 信计算层、虚拟操作系统层、知识解析综合层、以及 4)工业智联网作为智能产业经济管控手段:工知识服务层组成,其结构如图2所示图3中所示 业智联网的使命是重组各种产业,对其进行建模、分是在该体系结构下,新出现的核心技术.本文将工业 析、管控,使其以难以想象的高效率自主地运转和发智联网新岀现的架构与核心技术归纳如下 展;所有工业实体运行在智能产业网络的虚拟空间21数字虚拟工业技术 屮,使得监视和管控各个工业单元的运行状況成为 可能,使得分析每一个产业的宏观数据和微观数据 数字虚拟工业技术基于实际工业设备运行数据, 成为可能,最终形成真正的数据化、知识化、智能化通过学习和优化,建立对应于实际工北系统的虚拟 的智能产业 工业系统,借助软哽件接口,两个系统在运行过程 具体而言,工业智联网的内涵包括:1)知识工中进行信息的交互,协同发展,基于学习过程中累 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 9期 王飞跃等:工业智联网:基本概念、关键技术与核心应用 1609 知识服务生态系统 人机接口 识服务层 语音 可视化 知识 功能APP 功能APP 功能APP 互动 图谱 知识服务中间件系统 知识解析综合层 (知识服务请求解析、综合、映射:知认服务API接口) 面向 人工 智能 平行系统分析平台 系统知识语义层 人工和智能 数据分析 和大 机理仿真平台 分析与综合平台 分析平台 平台 数据 的高 性能 异构 计算 系统资源操作系统虚拟机 平台 操作系统层 系统装备资源底层操 通信-边缘计算资源 系统社会资源 作系统 一体化管控系统 底层操作系统 通信表备与资源 块 通信计算层 边缘计算装备与资源 源 通信装备与资源 机 接入模组 接入模组 妄入模组 接入模组 (实瑪智能、安全、(实现智能、安全、(实现智能、安全、(实现智能、安全 数据接入层 管控等功能) 管控答功能) 管控等功能 管控等功能) 装备传感设备 装备驱动设备 社会传感设备 社会引导设备 (含软件定义设备)(含软件定义设备) 工业系统及其运行环境 图2工业智联网的技术平台架构 Fig 2 Framework of the technological platform of TloM 积的知识,逐步完善的虚拟工业系统结合实际运行 利用数字虚拟工业技术,能够建立虚实纠缠的 数据.对工业实体状态进行评估,并设计场景进行演工业系统,从而可挖掘分析实际运行数据,构建T业 化计算实验对未来态势进行预测,帮助实现对复杂设备数字化寿命模型,预判运行状态发展趋势,智能 实际工业系统的管理控制、而对实际工业系统实施辅助运行人员决策,实现对工业实伓的精确描述、实 管控措施后的实时信息将反馈给虚拟工业系统做后时预测和智能引导.虚实交互系统的具体设计和 续的评判推演,两个系统随时门间不断进行类似交交互架构如图5所示 互反馈10.数字虚拟T业技术的原理及流程如图422新一代知识工程技术 所示 新一代知识工程技术包括单智能体白主获取知 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 1610 自动化学报 11卷 智能产业 业资源网络1 区埃链智能生态系统管擅 关键技术 社会计算前沿技术 磁 知识自动 发展性人 化方 工智能代 系 理系统 异构工业资源网终 大型平行 大规福混 社会传感、通信、计算 协可化 合增强智 技术系统支撑 授术 能计算验 证平合 支撑平台 工业智联网(1oD+区块链智能 在社会传感、通信,计算 在社会计算技术 技术系统中投射 系统中投射 理论架构(虛实交互管控》+基硅设(构复杂网络 图3工业智联网概念架构与核心技术 Fig 3 Illustration of the concepts and core technologies of IloM 園國回 A 目 盒 甲行 平行工业产业 1±生 已制 鱼噔应 IUI / 22 增 米e 9费9曾 ‖田 目壁 技术目标 2‖ 解析层 征抽取及存储层 数据采集与 对象 知识合成层 信息形成层 图1数字虚拟工业技术 Fig 4 Digital virtual industrial technology 识的知识自动化技术和多智能体的知识协同技术.构建知识空间,最终实现知识的表示和知识功能的 知识自动化,在广义上可以定义为是一种以自动化实现.知识的协同技术主要包括知识的协同表征与 的方式变革性地改变知识产生、获取、分析、影响、传递,以及知识的联结与协同运行,它通过建立智能 实施的有效途径,其关键在于对原始信息、目标任实体之间知识层次的互联互通,在联合知识空间中 务与最终决策的自然、准确、在线结合12.知识自完成知识功能13.如图6所示,人们的社会、经济 动化通过对多尺度时空信息的组织和特征化,揭示技术活动通过“翻译”的方式实现了自然语言与人 数据的低层次内在特征,而后进行知识对象及知识工语言的智能交可.最终通过智联网的多种协同结 对象属性的提取,获取有知识价值的对象及其属性,构实现了支撑知识服务、完成知识功能、实现知识消 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 9期 王飞跃等:工业智联网:基本概念、关键技术与核心应用 1611 实际关系 际系统运行管控 知识服务平台运行管控 源数据 描述 预测 引导 虚拟系纟 现划+计划 管理+带 优化+决策 服务+评价 执行层 多源数据融合 基于代理控制 动态理论研究 场景发生器 执行组态二具 计算实验层 实验设计 实验执行 第口 法分析工具 实验分析 场景库 验组态库 算法库 数据和知识层 数据库 原理模型库 专家知认左 要素组件」模组态工具 标准规范 基础构建层 其他组件 硬件接冂 软件接口 图5虚实父互系统 Fig 5 Virtual and real interaction system Sensor h Controller Sensor卓 Controller Perception Sociai-aconomnic-tet inical Sensing &/ Actuaticn Perception&Contrul 翻译 loM 人工语言 的4 H 层次结构 Divide by tre 智联 攴撑知识服务 网知 C)中心化结构 ntelligence catty 识的 → 完成知识功能 协同 结构 D 分布式结构 Decentralized 实现知识消费 混合结构 The major type in the future 图6新一代知识工程技术 Fig 6 New generation know ledge engineering technology 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 1612 自动化学报 11卷 费等多种功能 换的一种机制10,构建改变生产力和生产关系的智 将新一代知识工程技术运用于工业智联网中,能经济模式离不开通证经济体系.利用区块链的特 不仅能够基于单个工业实体的实际运行数据,完成性和通证经济的行为激励作用,社会智能经济体系 在生产过程中的知识发现和表示,进行情景预测和中良性经济行为的参与者会逐步增多,最终会引领 埔助决策,实现单个工业实体的安全运行和工艺调社会经济导冋,使得整个社会参与者的收益增多.同 整;史重要的是,能够建立不冋工业实体之间的知识时,通证经济的激励作用还会优化社会的资溟匹, 联结网络,达到工业知识的协同运行,在整个工业体通过社会认知学习和沟通父流米提高社会效率 系屮完成对全链条工业实体的综合分析和统一决策, 区块链智能技术是智能世界刂大数据和人工智 实现工业结构整体优化和生产力全而提高. 能体可靠、可信、安全、高效的联结途径,它利用多 23工业资源异构复杂网络的建模、分析及管控技代理技术、智能合约和不可篡改的特性实现对工业 术 资源的安全可信管控,利用区块链通证属性对资源 进行评估、管理、激励和引导,引导工业生态的健康 工业资源异构复杂网络的建模、分析及管控(图成长和运行7.基于区块链智能技术架构的工业资 7)借助图处理、深度学习等智能技术,对不同类型源管控系统可以实现对混合异构工业资源网络的 的T业资源网络进行数宇化建模,基于不同工业资 体化建模、调控、优化和管控,最终杓建一个完整的 源冈络之间的数据映射关系、逻辑关联性等特征进智能工业生态系统 区块链技术可以实现高可信度、无法篡改的分 工业资源网络产生的各类数据信息进行一体化的挖布式数据库需求,而运作在其系统上的通证经济体 掘.同时,和用区链网络智能合约不可篡改特征和系又可以通过激励作用对工业资源进行调控、优化 遥证属性对建立的T业资源异构复杂网络进行管理和管控,因此可以建立起区块链管控系统对工业资 和控制. 源进行安全可信管控.首先,在上业资源平台服务器 利用异构网络建模、分析和管控技术,可对海量上搭建区块链平台,设置准入机制,配置不同的组 的不同种类上业资源进行深度整合、统一管理和信织关系,并为各个组织配置相应的通道,完成底层 息挖掘,实现高效、安全、准确的分析与控制 基础网络的搭建;其次,针对不同工业资源的特性 24区块链智能 以及个性化的定制需求,在区块链系统中安装共识 区块链智能技术是一种广泛应用于社会经济领机制互异的智能合约,并设置排序节点中的最大区 域的一种新型技术,它包括应用于底层的区块链技块数量和最大数据量,智能合约的自动执行形成了 术和运作于区块链之上的通证经济体系如图8所新型的高效智能T业链形式810;最后,采用一定 示,区块链具有去中心化、自治化、透明不可篡改、的选择机制让某一组织节点对交易进行打包形成区 可追溯性等特性1415,其应用使传统上难以流通和块,并对该节点配给一定的通证奖励,同时利用大 商品化的“注意力”与“信用度”成为可以批量化牛数据分析平台对业资产进行评估,对评估良好的 产的流通商品,革命性地提升经济活动范围与社会工业资源熙给定数量的通证奖励,在后续的交易 效率,区块链技术具有成为智能经济的基石的潜质.中通证可以作为手续费附加在智能合约中被优先打 通证经济是攴撑区块链实现权益快速流动与安全交包成区块,由此对工业生态的健康成长和运行进行 区块链智能 工业资络生态系统管网 口包 一业资刚络 合与一体化分忻 安仝可信管控 自主有效激励 异构工业资源内络 图7工业资源异构复杂网络的建模、分析及管控 Fig 7 Complex heterogeneous industrial resource networks 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 9期 王飞跃等:工业智联网:基本概念、关键技术与核心应用 1613 资源匹配 金融 通过各类传感器获得系统的物理信号,工程控制论 工业 在物理过程的自动化中发挥了极其重要的作用.社 认知学习一提高社会效率一沟通交流 医疗 会传感器,就是力图将物理系统中传感网络获取物 效率 社会 理信号的概念和手段推广到网站、博客、论坛等各 良性参与者的 人数增多 梦与者的牧益增加 公平 交通 类网络空间,用于社会信号的采集,获取所关注的社 教育 会信号并从中提取出感兴越的信息.任何企业运营 去中心化 去中,心化 农业 社会事务、生产过程等方面的管理,都可以将问题的 求解过程扩展到由物理信号和社会信号共同构成的 去信任化 高维解空间中.其中,融合了物理和社会信号的数据 图8区块链智能技术 具有海量、形式多样、高度分散等特点,采用分布式 ig. 8 Blockchain intelligence 文件系统实现对大规模社会数据的存储和管理,通 过机器学习、数据挖掘、模式讥别、白然语言理解等 定程度的引导.区块链上的每个组织都会有记账技术对海量信息进行准确抽取、分析、并以用户可 节点来进行分布式记账,并维护全网的一个公共的理解的方式展现出来,最终实现信息自动抓取、数据 账本:同时,对于工业资产数据的读写操作均会被记规整、数据量化、白动分类聚类、主题检测等功能, 录到区块链中,以实现全方位的安全可信管控 从而为各行各业的决策提供坚实有力的量化支持. 25社会计算 社会计算系统主要包含四个子系统,分别是:大 数据存储与计算平台、全方位社会传感系统、智能检 大数据、物联网、云计算等信息技术的蓬勃发索系统、深度挖掘与分析决策系统.可联网数据结构 展深刻改变了人与人、人与物、物与物之间的交互的多样性使得数据的处理复杂化,数据规模的海量 方式,社会计算理论20-2作为社会科学和计算科性使得计算的巨量化,数据不确定性和动态性使得 学的交乂融合,侧重亍信息技术在社会活动中的应信息处理工作繁琐化.针对社会信号大规模存储与 用以及社会知识在信息技术中的嵌入和使用,可有计算的需求,需要采用计算机集群进行分布式存储 效应对社会及T业问题中的各种复杂动态27 支持各种结构的数据的存储问题,采用并行计算机 图9所示为社会计算的整体框架,包含基于开制可提高海量效据的处理效率,使平台达到功能完 闭源信息能源情报的广泛采集、深度分析、个性化善、性能稳定、海量存储能力,高可靠性和高安全性 影响、协同产生等多个关键步骤.传统的物理系统的目标,从整体上保证社会计算平台的工作效率.通 广泛、及时收集 深度、全面分听 精准、个性化影响 高效、协同产生 能源情报 能源情报 能情报 能游情报 Surrogates Surrogates Surrogates 网络节 网终动 点资科 态调整 发现 领袖及 核心群 气 网络群 体发现 休共性 能源情报本体库 新核心 Surrogates 网终关 节点的 联信息 发现 能源情报传感网络 舵源系统人物 发现 Surrogates 机构社会网终 网络信 S 网络观 息传 模式 点发现 Surrogates Surrogates 闭源文献元数信思开源科技情报数据 图9社会计算框架 Fig9 Architecture of 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 1614 自动化学报 11卷 过分布广泛的社会传感器对各种社会信号和社会3应用模式举例 数据进行不间断的采集和监控.在网络空间中,可采 用网络爬虫的手段抓取项目所需的开源信息,对多 3.1工业智联网催生智能工业新模式示例 种Web資源的信息内容进行有序抽取和整理,提高 工业智联网的高速发展催生了种类繁多的智能 数据源的智能选择及情报精确率.在实际的生产管工业新模式.图10展示了社会化大规模商品定制 理系统中,建立从数据源到数据库间的信息通道,实模式的基本流稈,各工业单位通过采用工业智联网 现信息的高速无差传输.对于海量数据综合运用查的技术,将串行的工业生产流水线拆分成∫单一的 询扩展、知识图谱等技术,构建跨媒体的工业数据生产单元,结合区块链智能合约技术,每个生产单元 智能检索平台,提高数据处理的并行度,实现智能检通过智能合约将自已的产品连接进不同的产业链中 索.通过机器学习、数据挖掘、模式识别、白然语言消费者可通过在智能终端输入需求数据,制定自己 理解等技术对海量的社会信息进行准确抽取、分析、需要的专属商品,需求确立后,将触发整个牛产链的 并以用户可理解的方式进行展现,为工业数据的分智能合约,生产链中与商品相关的生产单元将通过 析决策提供量化支持. 智能合约实时定义组成多条生产线,完成相应的生 产指令.生产完成的产品通过智能合约进行运输,直 2.6边缘计算 接送到消费者手中,从而实现商品的社会化大规模 定制.同时,消费者还可通过工业智联网技术对商品 的原材料、零件生产、拼装运输等流程进行回溯,保 边缘计算作为一种新型计算模式,是实现工业证生产过程的透明化,保证商品的高质量和高可信 智联网的支撑技术之二,相较于云计算,其可以度 实现对工业边缘设各大数据的实时处理,减少了因 工业资源的管控新模式则是通过工业智联网技 数据传输给云计算中心带来的网络带宽问题和实时术,对传感、控制、信息、计算等不同结构的工业资 性需求,且边缘计算能够考虑到边缘数据的隐私间源网络.进行一体化建模分析、决策和白主运行,实 题及数裾上传时边缘设备电能损耗问题边缘计现异构网络的互联互通,并提供准入接冂提高异构 算通过整合工业网络边缘上的计算、存储、网络等网络成为智能工业生态系统的可能性同时采用分 形成合一的平台为工业用户提供服务,使得数据在布式管理、智能合约技术以及不可篡改的方法实现 源头侧就能得到有效及时的处理,或者将边缘数据对工业资源的安全可信的管理 部分处理后将数据传到云计算中心处理,减少32工业智联网催生工业系统价值挖掘新模式 计算中心的压力80 边缘计算主要是对工业智联网中边缘设备产生 在工业智联网环境下,对工业系统的价值挖掘 的海量数据进行存储和处理,边缘计算的下行数据工作包括对内生价值的挖掘以及对外在资源的挖掘. 代表着云服务,上行数据表代表着工业智联服务3.图11阐释了内生价值挖掘过程中采用的相关技术 工业网络边缘设备既从云计算服务中心请求内容及解决的实际问题以及最终的实现效果.对于工业系 服务,也进行数据存储、处理、缓存及隐私保护等统的内生价值挖掘,具体是通过诸如数字虚拟工.业 任务.传统的 Mapreduce及 Spark等数据处理方技术、知识工程技术、异构复杂网络建模分析技术 法处理不了工业边缘设备产生的海量边缘异构数据,以及区块链技术等工业智联网新兴技术,并建立虚 构建遹合于工业智联网的边缘计算平台至关重要.拟的工业系统模型,模拟分析实体工业运行情况,保 根据边缘计算产业联盟(ECC)的边缘计算参考架证系统运行稳定;通过发现生产架构知识,优化生 构1.0,边缘计算包括四个功能域,分别是应用域、产结构,降低产品生产成本;通过探索资源消耗关 数据城、网络域及设备域32.应用琙支持行业应用系,合理调整资源配眢,提高资源的有效利用;通过 本地化入驻,支撑行业的全生命周期活动、边缘业务构建部门参与机制,建立高效的信号激励制度,增强 的髙敚运营与可视化管理:数据域对海量迦缘数据企业内部的活力.图12阐释了在外在资源挖掘过 进行数据分析与呈现,数据聚合与互操作,同时保护程中使用的工业智联网相关技术及可达到的实现效 数据安全及数据隐私;网络域提供数据的聚合及系果,对于外在资源的挖掘,可结合社公计算、物联网 统的互联;设备域通过车床、发动机等工业设备来实数据采集以及知识工程等技术,通过描绘用户消费 现工业现场设备的实时智能互联及相关的智能应用.特征,以用户消费特征为生产导向,实现商岀的针对 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net 9期 王飞跃等:工业智联网:基本概念、关键技术与核心应用 1615 HER 得5ALE5ALE5ALE □←个性高求 用户 个性化需求平台 智能合约激活 产品售智能合约 品智 组能 巴巴 运网 产品A 产品B产品C 产品D 智能合约智能合约智能合约智能合约 零件运输智能合约 生 ▲ 生产线激活 件A 零件C 零件D 愿材料采集运输智能合约 原料A原料B原料C原料D 图10社会化大规模定制流程图 Fig 10 Socialized Inassi 工业数 妒妒 工业智联网新型技术 新型技术 数字虚拟工业 新一代知识工 异构复杂网络 技术 程技术 管控技术 区块链智能 自主处理 建立虚拟 发展生产 探索资源 构建客门 工业系统 架构知识 消耗关系 参与机制 管理控制 优化结构 调整配置 号激励 实现效果 保证系统 降低产品 提高资源 增强企业 运行稳定 生产成本 相关效用 内部活刀 图11工业智联网内生价值挖掘 Fig 11 Endogenous value mining IloM 2?1994-2018ChinaacAdemicJournalelEctronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net

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