工业互联网:自适应的工业生态系统

工业互联网:自适应的工业生态系统

借我借我一双慧眼吧,让我把这纷扰,看得清清楚楚明明白白真真切切。

——八十年代流行歌曲《雾里看花》

你是否正在对工业互联网冥思苦想却百思不得其解;你是否正在对工业互联网的前景感到迷茫;你是否对工业互联网跃跃欲试却无从下手。有的人在观望,有的人在造势,有的人在砥砺前行……对于工业互联网,以下是我的一些拙见,与君共享,希望有所帮助。

工业互联网

古人云:多多益善。多台机器组成的系统会极大地超越、扩展机器个体的能力,在用途和使用价值上实现“1 1>2”。例如,在邮寄包裹中嵌入一个小小的RFID芯片,简单枯燥的物流之旅立刻变得“高大上”起来,每个包裹变成了物联网的一个移动节点,实时传递信息,让物流公司插上了互联网的翅膀。它能帮助物流公司对货物进行实时追踪,防止遗失;对物流资产实时监控,洞察资产使用率;实时跟踪存货量,减少浪费。它还能帮助物流公司预测需求,发现瓶颈,制定计划,提升效率,平衡负载,优化人员配置。工业互联网是一个由智能机器和人组成的自适应工业生态“大系统”。

软件定义机器就是一种典型的自适应技术,即通过软件定义机器所有功能。硬件与软件的解耦使得机器可以实现远程自动升级,用当下时髦的词来说就是从“云端”升级。工业互联网作为智能机器(软件定义的机器)和人及智能机器之间互联互通的生态系统,它诞生之初就具备与时俱进的能力。在互联的智能机器世界里,每个机器都具备交流能力,知道该与谁(其他机器和人)互通有无。让我们想象一下未来的火力发电厂:锅炉能够主动寻求和蒸汽轮机打交道,蒸汽轮机会自然的联系发电机,发电机则会默契的和变压器沟通交流,而变压器又会轻松的寻找联系到电网中的其他输配电设备,最终将电力提供给用户。这些智能电力设备和人(运营商、用户等)相互融合成就了智能电网,这就是一个典型的工业互联网系统。

工业互联网涵盖了智慧园区、智能工厂、智能电网、智慧能源系统、智慧农业系统等各种工业社区或生态系统,它将具有“使命感”和“自我意识”的智能机器融合在一起。

赋予使命

智能机器,知己知彼。它可以感知自己的运行状态,包括健康、潜能和自身所处的环境等。智能机器被赋予了充分释放自身潜能,并服务整个工业互联网,使其达到最优运行状态的使命。通过协同合作,智能机器可以不断继承机器本体和所处环境的历史数据。它们分享经验和知识的能力与生俱来,因此,能够在残酷的市场竞争中存活下来并保持繁荣昌盛。

过去20年来,人类社会生产力随着商业互联网的发展而呈指数级增长,互联互通的人口达数十亿之多。商业互联网彻底改变了我们的娱乐、社交、沟通和商业模式。尤其是移动互联网将制造者和消费者“零距离”连接,颠覆了人类传统的生活和工作方式。

可以预见的是,一旦通过工业互联网将目前全世界500多亿台机器全部连接在一起,各个工业行业都会产生天翻地覆的变化。但有个前提条件:系统中所连接的机器必须足够智能,才能将整个系统的智能化水平提升到新的高度。工业互联网的设计者必须确保工业生态系统中的每个层级、每个节点都是智能的。“傻瓜”的温控器只能承担维持设定温度的简单功能,而智能温控器可以思考“我该如何让人们感觉舒适”,以节能的方式自动调节温度和湿度,让人“如沐春风”。智能机器具有思维能力,知道如何减少零部件的磨损来延长寿命,减少损耗的同时尽量提高产出。它是智能的,目标导向的,并且具有“我可以协助社会持续发展”的“自我”意识。一个自适应的工业互联网系统会最大限度的减少人的干预,并且通过机器之间有针对性的交流来实现服务全局的目标。用技术语言来描述就是:将分析和思考能力“植入”传感器、执行器、组件、子系统、系统和边缘设备等工业互联网的节点中,它们能相互交换信息并采取相应行动来优化工业生态系统。

设计方案

工业互联网系统是网络化的控制系统,它必须从一个个简单、处于互联网边际的控制系统生长起来。复杂是工业互联网系统的自然属性,而这种复杂性是无数小系统聚沙成塔发展出来的。下面是一些工业互联网的设计准则:

1

通过将子系统逐个、逐层的叠加构建,形成最高效的互联互通方式。系统的复杂性以自然的方式有机增长,避免“画蛇添足”、“牵强附会”;

2

通过对边缘设备、传感器、执行机构、路由器、数据网关和控制器的智能化,实现系统的逐级赋能,控制权限的分散、下沉;

3

每个节点被赋予“使命”和“自我意识”;

4

节点之间既可以“自治”,又可以相互协作,形成“健康”、“美好”的生态系统;

5

采用稀疏通讯,通讯内容和方式言简意赅、按需而动;

6

授权节点自主选择“如影随形”或“分崩离析”;

解释一下稀疏通讯的必要性:一个典型的海底石油钻井平台,每天会产生TB级的数据量,如果使用当今的通信基础设施,则需要数周的时间才能将数据上传到云端。将大量传感器安装到机器上并直接将海量高分辨率数据收集到云端的“粗暴”方法,在技术和经济上都是不可行的。人类无法通过设计解决的难题,都可以在自然界找到相应的答案。比如,通过研究群居栖息方式的飞鸟和鱼如何进行沟通,我们可以找到灵感。它们通过使用稀疏的局部通讯实现集体的和谐和智能。在一个游动的鱼群中,没有中央指挥官,控制权分散到每个使用同种语言的节点。同理可得,在未来的工业生态系统中,来自不同制造商的机器将使用统一的语言,以稀疏通讯的方式相互沟通,既达目的,又极其经济。

以风电场为例,一个先进的工业互联网风电机组系统具有以下特点:涡轮机内置独特的机载分析功能,可以监控风机运行状态,检测故障,确定优先级和最佳解决方案。就像身边拥有全球的专家团队为其实时解决问题,如果发生问题,风场检修人员会自动收到通知,无需进行故障排查,直接按照提示排除故障即可,从而节省了大量的时间和成本。功率过大的风机会将多余的电能存储进电池储能系统。当遇到风力不足的情况,风机会要求储能系统补充供电。风储互补技术提高了风场供电的稳定性和可靠性,为客户创造了额外的收入。如果某个风机失去了风速或风向的感知能力,它会获取邻近风机的数据继续运行,保证自身的可利用率和能量输出。通过风场之间的相互协调,可以稳定电网电压,保障了电网的广域稳定。

“以夷制夷”

区域性和地方性是网络的自然属性。网络全局的行为蕴含着地方特色。在有生态的地方,就有“土著”专家。一个局外人也许能在某些层面上蹒跚前进,走出沼泽,但是要想披荆斩棘、大功告成,他必须借助“土著”专家。

凯文凯利-《失控》

设计像工业互联网这样的复杂系统需要深谙操作技术(OT)和IT技术的专家通力合作。操作技术(OT)包括设计、工程、控制、嵌入式系统、工业通信、人机交互、服务工具、资产管理工具等;IT技术涵盖用户体验、大数据、互联、软件、移动互联网、数字安全性、APPs、ERP等。

OT专家和IT专家必须勇敢迈出自己的领地,将双方的思想、理念融合交汇,给工业互联网注入生机。OT专家和IT专家在各自领域内都可以视为“土著专家”,为了实现OT和IT融合,“土著”专家们必须具备因时制宜、与时俱进的能力,只有这样才能设计出一个适应当下、迎合未来的工业生态系统。他们是设计师,同时也是工业互联网生态系统中的智能节点。事实上,我们每个人都是工业互联网生态系统中的活跃节点,都在顺应时代、不断革新、与时迭代。

结论

工业互联网不是分布式控制,它更不是远程监控和诊断的代名词或品牌重塑。工业互联网也不仅仅是指工业大数据系统。当今的运营技术(OT)可扩展性差、效率低下,缺乏与人的无缝联接。在过去的20年里,分布式控制系统(如SCADA系统)的发展几乎原地踏步。是改变的时候了,工业互联网给我们带来了契机。工业互联网的发展在本质上是渐进的,需要时间来“生长”和“强大”。OT和IT的融合是实现这一目标的关键。

沉舟侧畔千帆过,病树前头万木春。让我们以更加积极开放的心态拥抱工业化联网时代的到来。

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