内刊访谈

[特别策划] “工业互联网2.0”的初步研究与实践

发表时间:2020-04-06 17:17:04

文/李伯虎 柴旭东 侯宝存
 

  李伯虎:中国工程院院士

  柴旭东:中国航天云网总经理

  侯宝存:北京航天智造科技发展有限公司董事长

 

  提话:新一代人工智能技术正催生工业互联网从1.0时代向2.0时代过渡,而工业互联网2.0时代制造系统综合体现为系统“自主智能化”特征,实现制造系统全生命周期、全要素、全流程的集成与优化。

 

  工业互联网正成为我国制造业转型升级的战略举措,智能+时代正在到来。本文简述作者对智能+时代工业互联网——“工业互联网2.0”的初步研究与实践。

 

  智能+时代催生“工业互联网2.0”
 

  习近平总书记在第19次院士大会上指出【1】:世界正在进入以信息产业为主导的经济发展时期,我们要把握数字化、网络化、智能化融合发展的契机,以信息化、智能化为杠杆,培育新动能。

  2017年7月我国颁布的“新一代人工智能发展规划” 【2】提出:当前,人工智能技术在新信息环境、新技术及新智能算法与模型发展的推动下,正进入新一代人工智能发展的新阶段。同时,新一代人工智能相关学科发展、理论建模、技术创新、软硬件升级等整体推进,正在引发链式突破,推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。因此我们团队将其解读为“智能+”时代正在到来,其主要表现是在新一代人工智能技术引领下,飞速发展的新互联网技术(如物联网、车联网、移动互联网、卫星网、天地一体化网、软件定义的互联网等)、新信息通信技术(如云计算、大数据、5G、高性能计算、建模/仿真、数字孪生、区块链、量子计算等技术)、新人工智能技术【3】(数据驱动下深度强化学习智能、基于网络的群体智能、人机和脑机交互技术导向的混合智能、跨媒体推理智能、自主智能无人系统等技术)、新能源技术(如太阳能、风能、生物能、氢能、地热能、海洋能、化工能、核能等技术)、新材料技术(如金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料等技术)、新生物技术(如新型生物医药、绿色生物制造技术、先进生物医用材料、前沿共性生物技术、生物资源利用、生物安全保障、生命科学仪器设备、合成生物技术、生物大数据、再生医学、3D生物打印等)与人类社会“国民经济、国计民生和国家安全”等各领域专业技术等7类技术的深度融合,正引发社会各领域新模式、新手段和新业态的重大变革,构成一种“万物互联、智能引领、数据驱动、共享服务、跨界融合、万众创新”的新业态。

  其中,“智能+”的含义:新一代人工智能技术是各领域系统的全系统、全生命周期活动的最重要、颠覆性的技术。但是,同时还必须在新一代人工智能技术引领下,以新互联网技术、新信息通信技术、新人工智能技术、新能源技术、新材料技术、新生物技术及人类社会各领域专业技术等7类技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术为新手段,而不是光靠新一代人工智能技术。

  制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基,它同样面临全球新技术革命和产业变革的挑战。由此,我们认为,在制造领域,一种新型的工业互联网——“工业互联网2.0”将应运而生。宏观地讲,它基于泛在新互联网,在新一代人工智能技术引领下,借助新一代人工智能技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术及新制造应用领域专业技术等4类新技术深度融合,将制造全系统及其全生命周期活动中的人、产品、资源、数据、能力、智能认知/分析/决策/执行系统等智能地连接在一起,构成人、信息(赛博)空间与物理空间集成、融合的智能互联制造系统,促进制造全生命周期活动中制造模式、手段、业态的创新,从而大大提高制造业的创新实践能力和服务能力,进而实现制造业的再革命。

  这里讲的新制造科学技术是指在新一代人工智能技术引领下的先进工艺、元器件、材料、质量、3D打印、智能机器人、智能机床等技术,它们是智能制造系统的基础技术。

  大力发展工业互联网2.0对我国制造业主动适应全球新一轮科技革命与产业变革,加快实现中国制造业提质增效升级具有重要意义。

 

  工业互联网2.0是工业互联网1.0的拓展
 

  工业互联网的名词及其初始理念于2012年由美国GE公司提出。我们将其解读为工业互联网1.0:“它将智能设备、智能系统、智能决策与机器、设备、机组和网络融合在一起,通过数据流、硬件、软件和智能的交互,使生产率提高、成本降低和废物排放减少,进而带动整个工业经济发展。” 【4】

  下面我们解读工业互联网2.0:上一节我们已对工业互联网2.0作了宏观的解读。本节将作更具体的解读【5】:

  工业互联网2.0的技术手段是基于泛在新互联网,在新一代人工智能技术引领下,以新一代人工智能技术、新制造科学技术、新信息通信科学技术及新制造应用领域专业技术等4类新技术深度融合的数字化、网络化、云化、智能化技术为新工具,构成以用户为中心的统一经营的新智能制造资源、产品与能力的服务云(网),使用户通过新智能终端及智能制造服务平台就能随时随地按需获取新智能制造资源、产品与服务能力,进而优质、高效完成制造全生命周期的各类活动。

  工业互联网2.0的模式是一种以用户为中心,人机物融合,互联、服务、个性、柔性的智能制造新模式。

  工业互联网2.0的业态是“万物互联、智能引领、数据驱动、共享服务、跨界融合、万众创新”。

  工业互联网2.0的技术特征是“数字化、物联化、虚拟化、服务化、协同化、定制化、柔性化、智能化”,综合体现为系统“自主智能化”的特征,即能对制造系统全生命周期里面的人、机、物、环境、信息进行自主智能地感知、互联、协同、学习、分析、认知、决策、控制与执行。

  工业互联网2.0的实施内容是利用上述的理念和技术对制造系统和制造全生命周期活动中的人、技术、装备、管理、数据、材料、资金(六要素) 及人流、技术流、管理流、数据流、物流、资金流(六流)的集成与优化。

  工业互联网2.0的目标是实现高效、优质、节能、绿色、柔性地制造产品和服务用户,提高企业(或集团)的市场竞争能力。

  工业互联网2.0的体系架构(见下图1)可分这么几层:底层是新智能资源、能力、产品层;上一层是新感知、介入、通信层;再上层是新边缘处理平台层;再上层是新云端服务平台层;再上一层是新应用层;顶层就是新人、组织,每一层都有新标准和安全管理。由此可见,工业互联网2.0是在新一代人工智能技术引领下的人、信息空间和物理空间融合的一个提供新的智能互联系统服务的新工业互联网。这样一个体系架构可以用到产品、设备、工厂、区域、行业、跨行业等纵向范围,也可以用到横向范围,即制造全生命周期活动,以及端对端间的连接场合。其中,各层的“新”具有智能+的含义。
 


图1工业互联网2.0的体系架构
 

  工业互联网2.0的技术体系是在新一代人工智能技术引领下的六维的技术体系群,首先从技术总体架构来说,包括在新一代人工智能技术引领下的新的系统总体技术、智能产品专业技术、智能感知技术、边缘处理平台技术、云端技术、智能产品设计技术、智能生产/装备技术、智能经营管理技术、智能仿真与试验技术及智能售前售后服务等。第二是在新一代人工智能技术引领下的新工业软件子体系,包括系统软件、平台软件、应用软件等。第三,在新一代人工智能技术引领下的新安全技术子体系,包括物理的安全防护、技术安全防护、管理安全防护及商业安全防护等。第四,在新一代人工智能技术引领下的新标准技术体系,包括技术共性标准、总体标准、平台标准和应用标准等。第五,在新一代人工智能技术引领下的新评估技术子体系,包括水平与能力评估及效能与效益评估等。第六,在新一代人工智能技术引领下的新支撑技术子体系,包括新制造技术,新信息通信技术,新智能科学技术及新制造应用领域专业技术等。

  上述可见,工业互联网2.0较工业互联网1.0在技术手段、模式、业态、特点、实施内容、体系架构、技术体系等方面,特别是在智能+时代的新一代人工智能技术引领下的人、信息空间和物理空间融合及多学科技术集成与优化方面皆有较大的新拓展。

 

  工业互联网2.0可应对我国制造业发展的挑战
 

  在党和国家的正确领导下,经过全国人民持续的努力奋斗,我国已成为制造业大国,但是还不是强国。面对全球新一轮的科技革命与产业变革,我国制造业发展所面临的主要挑战是要实现5个转型升级,即由要素驱动向创新驱动转型升级;由传统制造向数字化、网络化、云化、智能化制造转型升级;由粗放型制造向质量效益型制造转型升级;由资源消耗型、环境污染型制造向绿色制造转型升级;由生产型制造向生产+服务型制造转型升级。我国制造强国发展规划【6】中提出用3个十年、分“三步走”,实现制造强国,并提出第一个十年的发展战略路线是“坚持走中国特色新型工业化道路,以创新发展为主题,以促进制造业提高质量增加效益为中心,以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线,以推进智能制造为主攻方向”。为了实现中国制造由大变强,在规划中还进一步提出了五大方针、九项任务、十个重点发展领域和五项重大工程。

  工业互联网2.0正是贯彻我国制造业发展战略的具有中国特色的智能制造系统的新模式、新手段与新业态,其中国特色表现为4个突出:一是突出了问题(制造大国向制造强国迈进)导向,牵引工业互联网2.0系统建设,进而能加快推进中国制造的5个转型升级;二是突出了在新一代人工智能技术引领下,建立制造新模式、新手段、新生态为核心的系统,进而实现“众智、众包、众扶、众筹”的“万众创新,大众创业”;三是突出了工业2.0/3.0/4.0同步发展,即处于数字化、网络化、云化、智能化不同阶段的制造企业皆能在系统中实现“信息互通、资源共享、能力协同、产品智造,互利共赢、万众创新”;四是突出了发挥“政、产、学、研、金、用”的团队力量。

  我们的初步实践表明,工业互联网2.0的实施能积极推进传统制造业向数字化、网络化、云化、智能化的转型升级,同时还能推进形成一种面向智能制造系统实施的新兴战略产业。

 

  工业互联网2.0的初步实践
 

  中国航天科工集团的“航天云网公司”开发了一个工业互联网2.0的雏型——称谓“航天云网2.0“(其体系架构见图2)。该系统融合了部分的新一代人工智能技术与部分的新制造科学技术、新信息通信科学技术及新制造应用领域专业技术,攻克了基于固定/移动互联网技术、多协议工业网关技术;云边缘计算机技术、云端计算与云边缘计算融合技术;基于大数据人工智能服务技术;基于容器技术的平台服务技术;数字孪生服务技术;区块链技术应用技术;支持云制造的APP技术;标准化技术及系统安全技术等技术难题。基于拓展的航天云网平台INDICS(Industrial Internet Cloud Space)+CMSS(Cloud Manufacturing Support System)开发了多层次的云(区域云、企业云、车间云、设备云),针对其不同的问题,开发了个性化定制、协同研发、协同采购、智能生产、智能营销、智能服务等云服务模块,使其在制造生命周期的各种活动中,不同程度地实现了“信息互通、资源共享、能力协同、产品智造,互利共赢、万众创新”的效益。
 


图2航天云网2.0系统体系架构

 

  对行业、企业实施工业互联网2.0的建议
 

  一是要将企业发展的战略指导思想与我国制造强国的发展规划一致。我国制造业发展规划提出三个十年、分“三步走”的制造强国战略,并提出了第一个十年发展战略路线。

  二是要明确企业定位。即要明确本企业是“产品生产型、服务型、生产加服务”中的哪一类企业,进而找到能构建与运行制造企业转型升级的服务企业,与它进行长期合作,因为转型升级非一日之功。

  三是在具体实施工业互联网2.0时要有4个突出:

  1) 突出行业、企业特点;

  2) 突出以问题为导向进行制造模式、手段和业态的变革;

  3) 突出制造系统和制造全生命周期活动中的人、技术、装备、管理、数据、材料、资金(六要素) 及人流、技术流、管理流、数据流、物流、资金流(六流)的集成与优化;

  4) 突出系统工程的实施原则,即“一把手挂帅”,在“创新驱动,总体规划,突出重点,分步实施”的指导思想下,制定好发展规划与阶段性实施方案等。

 

  对我国工业互联网2.0发展的宏观建议
 

  我们认为还是要坚持“政府引导,市场驱动”的原则,重视以企业为中心的政、产、学、研、金、用结合的技术创新体系的建立,重视各类人才培养,重视国家和地方的基础建设,特别是要重视“应用、产业和技术”的协调发展。关于应用实施在上节已经谈了建议,下面对技术与产业的发展再谈几点建议。

  (一)在技术方面要6个重视:

  1) 重视新一代人工智能技术引领下的工业互联网2.0系统技术体系和平台技术的持续创新;

  2) 重视工业互联网2.0系统的新模式、新流程、新手段、新业态的研究,这是基础;

  3) 重视数据库、算法库、模型库、平台能力、计算能力等基础能力的研究与建设;

  4) 重视商业模式的技术研究;

  5) 重视安全技术和评估体系的技术研究;

  6) 重视新一代人工智能技术的新发展正向通用人工智能、强人工智能和超人工智能发展。

  (二)在产业方面要4个加强:

  1) 加强工业互联网2.0工具集(硬件/软件)和平台的产业;

  2) 加强面向工业互联网2.0的智能产品的产业;

  3) 加强工业互联网2.0各层次系统(行业、企业、车间及制造产业链上各阶段的智能制造服务系统)的构建与运行产业;

  4) 加强工业互联网2.0系统运营中心的运营服务产业。

  注:本文是对“i创汇对话”稿的修改与扩充。

 

  参考文献

  【1】 习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话,新华网,2018.5.28

  【2】 国务院,新一代人工智能发展规划[EB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.]

  【3】 PAN Y H.(潘云鹤), 2018 special issue on artifcial intelligence 2.0: Theories and applications[J]. Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering, 2018,19(1):1–2

  【4】 美国通用电气公司(GE)编译,工业互联网—打破智慧与机器的边界,机械工业出版社,2015

  【5】 李伯虎, 柴旭东, 侯宝存等,云制造系统3.0——一种“智能+”时代的新智能制造系统,计算机集成制造系统,第25卷第12期,2019年12月

  【6】 国务院,“中国制造2025”发展战略[EB/OL]. http://www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.