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資訊頻道自上世紀(jì)中期以來, 工業(yè)技術(shù)(Industrial technology)和信息技術(shù)(Information technology)融合的過程就已經(jīng)開始, 其進(jìn)程由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而加速, 而工業(yè)控制系統(tǒng)的演化就是這一融合過程的范例。網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)控制主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： 20世紀(jì)六七十年代的模擬儀表控制系統(tǒng)、八九十年代的集散控制系統(tǒng)、21世紀(jì)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。在這些階段, 技術(shù)發(fā)展聚焦于在工業(yè)現(xiàn)場本地的工業(yè)過程信息化與自動(dòng)化。
2012年, 對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展, 國際工業(yè)技術(shù)巨頭GE (General Electric)公司提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念并發(fā)表工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書[1]。在白皮書中, GE將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的精髓闡述為：智能機(jī)器(Intelligent machines)、高級(jí)分析(Advanced analytics)、工作人員(People at work)三要素的深度融合。縱觀GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng), 是以工業(yè)系統(tǒng)為中心的基于互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)、信息、網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)結(jié)合的融合技術(shù)。
隨著科技的飛速發(fā)展, 物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IoT)概念和技術(shù)也得到了迅速的普及。物聯(lián)網(wǎng)理念的起源比較公認(rèn)的說法是由Kevin Aston在1999年在Procter & Gamble (P & G)的一次演講中提出[2], 其工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值與意義顯而易見。對(duì)應(yīng)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念逐步演變成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念, 但工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial internet of things, IIoT)的起源卻沒有公認(rèn)的結(jié)論。2016和2017年, 王飛躍教授分別在IEEE TAB (Technical activity board meeting)未來方向IoT會(huì)議和IEEE射頻識(shí)別委員會(huì)(Council on RFID)上提出設(shè)立工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)工作委員會(huì)。2017年底, IEEE計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)列為2018年的十大技術(shù)發(fā)展趨勢之一。
對(duì)于從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)換過程, GE在其官網(wǎng)上一方面宣稱"工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"("The industrial internet of things (IIoT), also known as the industrial internet")[3], 而在同一篇文檔里, GE也承認(rèn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)確是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在客戶端的擴(kuò)展："One perspective is to think of the Industrial Internet as connecting machines and devices in industries ?? On the other hand, the Internet of Things tend to include consumer-level devices ??"
在最近的發(fā)展中, 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念正迅速取代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念, 無論是在以GE為代表的美國工業(yè)界還是以西門子、ABB為代表的歐洲工業(yè)界, 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已成為工業(yè)網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的主流技術(shù)框架。 2017年8月, GE數(shù)字部門CEO, William Ruh在官網(wǎng)發(fā)表文章"為什么GE數(shù)字部門定位于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)袖(Why GE digital is positioned to lead the industrial internet of things)"[4], 而在這篇文章里通篇再未見"工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)"字樣。西門子工業(yè)也將其工業(yè)平臺(tái)MindSphere定義為"MindSphere是基于云技術(shù)的、開放物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)(MindSphere is the cloud-based, open IoT operating system)"。
圖1描述了工業(yè)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)在各個(gè)時(shí)期的不同發(fā)展階段。我們認(rèn)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是其中的一個(gè)重要發(fā)展階段, 就是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展出的聯(lián)結(jié)業(yè)務(wù)、商務(wù)、供應(yīng)鏈等信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和技術(shù), 而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是其向邊緣裝置的深入發(fā)展。當(dāng)前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能在系統(tǒng)感知與控制層次上解決復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的管控問題, 但是在更高的智能層次上, 在系統(tǒng)資源的使用效率、自適應(yīng)性、自主性、自組織性和安全性上, 還缺乏有效的、融合系統(tǒng)工程技術(shù)的智能科技。由此, 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生, 其使命就是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的知識(shí)自動(dòng)化, 為新一代的工業(yè)智能產(chǎn)業(yè)提供智能科技。
圖 1 工業(yè)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的演進(jìn)過程
工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)旨在實(shí)現(xiàn)海量工業(yè)實(shí)體的智能化協(xié)同, 改變工業(yè)生產(chǎn)形態(tài)的未來工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施, 需要運(yùn)用新一代技術(shù)理念, 對(duì)不同種類工業(yè)實(shí)體乃至整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和管控, 對(duì)工業(yè)和社會(huì)資源進(jìn)行高效整合, 從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)體的智能化發(fā)展。
在工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)下, 會(huì)催生以下的智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu), 包括：
1) 農(nóng)業(yè)智聯(lián)網(wǎng)：農(nóng)業(yè)智聯(lián)網(wǎng)將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)物理、流程和知識(shí)環(huán)節(jié)通過智能技術(shù)有機(jī)地融合成一體, 使其能夠自動(dòng)、自主、自適應(yīng)、自優(yōu)化運(yùn)行。逐漸實(shí)現(xiàn)從以人的體力和智力為中心、農(nóng)業(yè)裝備為輔助設(shè)施的生產(chǎn)模式, 向以人機(jī)協(xié)同智能體為中心的, 自動(dòng)化、智能化、知識(shí)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。
2) 交通智聯(lián)網(wǎng)：交通智聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸系統(tǒng)中社會(huì)、人、交通裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、貨物、環(huán)境等異構(gòu)交通要素在智能與知識(shí)層面上的融合, 從而建立起一種可自適應(yīng)、自優(yōu)化、自運(yùn)行的綜合交通運(yùn)輸管控系統(tǒng)。
3) 能源智聯(lián)網(wǎng)：能源的產(chǎn)生、傳輸、分配、銷售是能源工業(yè)的核心業(yè)務(wù)。圍繞這些核心業(yè)務(wù), 能源工業(yè)的其他業(yè)務(wù)也包括公司運(yùn)營、投資管理、監(jiān)管法規(guī)等。我們期望能源智聯(lián)網(wǎng)為以上的能源工業(yè)組件提供極大提升其工業(yè)效率的技術(shù)方法和系統(tǒng)平臺(tái)。
4) 企業(yè)智聯(lián)網(wǎng)：當(dāng)代企業(yè)管理已經(jīng)從信息管理向知識(shí)管理邁進(jìn)。企業(yè)智聯(lián)網(wǎng)為企業(yè)提供知識(shí)化和智能化的管理能力, 并為管理者提供嶄新的管理工具與手段。
5) 社會(huì)智聯(lián)網(wǎng)：旨在基于智聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的自主優(yōu)化和管控, 基于物理空間和虛擬空間的融合而實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)問題的描述、預(yù)測、引導(dǎo), 促使向新的智能社會(huì)形態(tài)的邁進(jìn)。
因此, 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是一門與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊密結(jié)合, 深度融合的智能技術(shù)和知識(shí)工程技術(shù), 其目標(biāo)為建立包含人機(jī)物在內(nèi)的智能實(shí)體之間知識(shí)層次的聯(lián)結(jié)、實(shí)現(xiàn)各智能體間知識(shí)的互聯(lián)互通, 是一種全新的、直接面向全社會(huì)智能的復(fù)雜協(xié)同數(shù)信、感控、知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)。工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施則能夠以極高的效率整合各種工業(yè)和社會(huì)資源, 極大地減少工業(yè)資源的浪費(fèi)和消耗, 極大地解放工業(yè)生產(chǎn)力, 拓展即將出現(xiàn)的"軟件定義工業(yè)"、"類工業(yè)領(lǐng)域"、"廣義工業(yè)"、"社會(huì)制造"、"社會(huì)工業(yè)"等智能產(chǎn)業(yè)新形態(tài)[5]。
本文旨在闡述工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的基本概念、關(guān)鍵技術(shù)和核心應(yīng)用, 并對(duì)其發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行展望。
1 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的基本概念
工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)屬于復(fù)雜系統(tǒng)的范疇, 因此本文對(duì)工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)做一個(gè)多方位的定義：
1) 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)作為新興的科學(xué)技術(shù)門類：智聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是達(dá)成智能體群體的"協(xié)同知識(shí)自動(dòng)化"和"協(xié)同認(rèn)知智能", 即以某種協(xié)同的方式進(jìn)行從原始經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的主動(dòng)采集、獲取知識(shí)、交換知識(shí)、關(guān)聯(lián)知識(shí), 到知識(shí)功能, 如推理、策略、決策、規(guī)劃、管控等全自動(dòng)化過程, 因此智聯(lián)網(wǎng)的實(shí)質(zhì)是一種全新的、直接面向智能的復(fù)雜、協(xié)同知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)理論和工程技術(shù)。
2) 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)作為未來工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施：工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)是由社會(huì)工程系統(tǒng)聯(lián)合感知與驅(qū)動(dòng)以及多層次一體化通信計(jì)算系統(tǒng)支撐的工業(yè)系統(tǒng)智能技術(shù)系統(tǒng)和知識(shí)服務(wù)平臺(tái)。
3) 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)資源整合配置工具：工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)深度融合互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)、智能技術(shù), 實(shí)現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售、服務(wù)等工業(yè)全鏈條要素的全面聯(lián)結(jié)、協(xié)同與智能化, 使海量工業(yè)智能實(shí)體完成社會(huì)化知識(shí)協(xié)同, 徹底地改變了工業(yè)生產(chǎn)形態(tài), 極大地解放和提升社會(huì)生產(chǎn)力。
4) 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)作為智能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)管控手段：工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的使命是重組各種產(chǎn)業(yè), 對(duì)其進(jìn)行建模、分析、管控, 使其以難以想象的高效率自主地運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展; 所有工業(yè)實(shí)體運(yùn)行在智能產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)的虛擬空間中, 使得監(jiān)視和管控各個(gè)工業(yè)單元的運(yùn)行狀況成為可能, 使得分析每一個(gè)產(chǎn)業(yè)的宏觀數(shù)據(jù)和微觀數(shù)據(jù)成為可能, 最終形成真正的數(shù)據(jù)化、知識(shí)化、智能化的智能產(chǎn)業(yè)。
具體而言, 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵包括：1)知識(shí)工程與知識(shí)自動(dòng)化：知識(shí)自動(dòng)化[6-7], 在廣義上暫無精確的定義, 粗略上可以理解為是一種以自動(dòng)化的方式變革性地改變知識(shí)產(chǎn)生、獲取、分析、影響、實(shí)施的有效途徑。狹義上, 知識(shí)自動(dòng)化可認(rèn)為是廣義知識(shí)自動(dòng)化的應(yīng)用。知識(shí)自動(dòng)化的關(guān)鍵, 在于如何將信息、情報(bào)等與任務(wù)和決策無縫、準(zhǔn)確、及時(shí)、在線地整合起來, 從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成各種知識(shí)功能與知識(shí)服務(wù)。這種由知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)構(gòu)成的系統(tǒng), 即為知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)。知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)不斷與真實(shí)世界進(jìn)行行為互動(dòng)、知識(shí)交互, 不間斷獲取海量的不同領(lǐng)域、異構(gòu)、高度并發(fā)的數(shù)據(jù)。知識(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)且時(shí)變的系統(tǒng), 通過經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的獲取和積累, 不斷改變系統(tǒng)內(nèi)部內(nèi)容、形態(tài)、方法和結(jié)構(gòu), 它用自身的復(fù)雜性、時(shí)變性來理解真實(shí)世界的復(fù)雜性和時(shí)變性。2)虛實(shí)糾纏的新興工業(yè)形態(tài)：針對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng), 在信息化、數(shù)字化的基礎(chǔ)上, 通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的方法構(gòu)建出虛擬工業(yè)系統(tǒng)。通過傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)與虛擬工業(yè)系統(tǒng)的交互, 實(shí)現(xiàn)建立智能化虛實(shí)交互、糾纏的新工業(yè)系統(tǒng), 完成對(duì)實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的管理與控制、分析與優(yōu)化[8]。3)人在環(huán)、社會(huì)在環(huán)的社會(huì)工程系統(tǒng)：社會(huì)系統(tǒng)由三部分系統(tǒng)構(gòu)成, 即"物理空間"對(duì)應(yīng)的物理工程系統(tǒng), "賽博空間"對(duì)應(yīng)的人工工程系統(tǒng)以及"社會(huì)空間"對(duì)應(yīng)的社會(huì)工程系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際物理工程系統(tǒng), 構(gòu)建出相應(yīng)的人工工程系統(tǒng)。人工工程系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)技術(shù)和AI技術(shù)完成對(duì)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制, 兩者同時(shí)完成對(duì)社會(huì)系統(tǒng)的引導(dǎo)[9]。社會(huì)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)物理系統(tǒng)和人工系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)反饋, 最終實(shí)現(xiàn)物理空間、賽博空間、社會(huì)空間的互聯(lián)互通, 共同融合。 4)工業(yè)資源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及其新型管控模式：實(shí)際的工業(yè)資源, 存在著時(shí)空尺度異構(gòu)、實(shí)體異構(gòu)、關(guān)系異構(gòu)等, 借助社會(huì)傳感或物理傳感、驅(qū)動(dòng)、通信、計(jì)算等技術(shù), 構(gòu)建形成工業(yè)資源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。通過智能技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)工程技術(shù)、區(qū)塊鏈智能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)手段進(jìn)行優(yōu)化、運(yùn)營、管控。工業(yè)資源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)功能通過數(shù)據(jù)中心/計(jì)算架構(gòu)處理, 轉(zhuǎn)化成知識(shí), 并最終形成知識(shí)服務(wù)。
2 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與核心技術(shù)
工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)接入層、通信計(jì)算層、虛擬操作系統(tǒng)層、知識(shí)解析綜合層、以及知識(shí)服務(wù)層組成, 其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。圖 3中所示是在該體系結(jié)構(gòu)下, 新出現(xiàn)的核心技術(shù)。本文將工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)新出現(xiàn)的架構(gòu)與核心技術(shù)歸納如下：
圖 2 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)平臺(tái)架構(gòu)
圖 3 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)概念架構(gòu)與核心技術(shù)
2.1 數(shù)字虛擬工業(yè)技術(shù)
數(shù)字虛擬工業(yè)技術(shù)基于實(shí)際工業(yè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù), 通過學(xué)習(xí)和優(yōu)化, 建立對(duì)應(yīng)于實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的虛擬工業(yè)系統(tǒng)。借助軟硬件接口, 兩個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中進(jìn)行信息的交互, 協(xié)同發(fā)展, 基于學(xué)習(xí)過程中累積的知識(shí), 逐步完善的虛擬工業(yè)系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù), 對(duì)工業(yè)實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估, 并設(shè)計(jì)場景進(jìn)行演化計(jì)算實(shí)驗(yàn)對(duì)未來態(tài)勢進(jìn)行預(yù)測, 幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的管理控制, 而對(duì)實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)實(shí)施管控措施后的實(shí)時(shí)信息將反饋給虛擬工業(yè)系統(tǒng)做后續(xù)的評(píng)判推演, 兩個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間不斷進(jìn)行類似的交互反饋[10]。數(shù)字虛擬工業(yè)技術(shù)的原理及流程如圖 4所示。
圖 4 數(shù)字虛擬工業(yè)技術(shù)
利用數(shù)字虛擬工業(yè)技術(shù), 能夠建立虛實(shí)糾纏的工業(yè)系統(tǒng), 從而可挖掘分析實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù), 構(gòu)建工業(yè)設(shè)備數(shù)字化壽命模型, 預(yù)判運(yùn)行狀態(tài)發(fā)展趨勢, 智能輔助運(yùn)行人員決策, 實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)實(shí)體的精確描述、實(shí)時(shí)預(yù)測和智能引導(dǎo)[11]。虛實(shí)交互系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)和交互架構(gòu)如圖 5所示。
圖 5 虛實(shí)交互系統(tǒng)
2.2 新一代知識(shí)工程技術(shù)
新一代知識(shí)工程技術(shù)包括單智能體自主獲取知識(shí)的知識(shí)自動(dòng)化技術(shù)和多智能體的知識(shí)協(xié)同技術(shù)。知識(shí)自動(dòng)化, 在廣義上可以定義為是一種以自動(dòng)化的方式變革性地改變知識(shí)產(chǎn)生、獲取、分析、影響、實(shí)施的有效途徑, 其關(guān)鍵在于對(duì)原始信息、目標(biāo)任務(wù)與最終決策的自然、準(zhǔn)確、在線結(jié)合[12]。知識(shí)自動(dòng)化通過對(duì)多尺度時(shí)空信息的組織和特征化, 揭示數(shù)據(jù)的低層次內(nèi)在特征, 而后進(jìn)行知識(shí)對(duì)象及知識(shí)對(duì)象屬性的提取, 獲取有知識(shí)價(jià)值的對(duì)象及其屬性, 構(gòu)建知識(shí)空間, 最終實(shí)現(xiàn)知識(shí)的表示和知識(shí)功能的實(shí)現(xiàn)。知識(shí)的協(xié)同技術(shù)主要包括知識(shí)的協(xié)同表征與傳遞, 以及知識(shí)的聯(lián)結(jié)與協(xié)同運(yùn)行, 它通過建立智能實(shí)體之間知識(shí)層次的互聯(lián)互通, 在聯(lián)合知識(shí)空間中完成知識(shí)功能[13]。如圖 6所示, 人們的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)活動(dòng)通過"翻譯"的方式實(shí)現(xiàn)了自然語言與人工語言的智能交互, 最終通過智聯(lián)網(wǎng)的多種協(xié)同結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了支撐知識(shí)服務(wù)、完成知識(shí)功能、實(shí)現(xiàn)知識(shí)消費(fèi)等多種功能。
圖 6 新一代知識(shí)工程技術(shù)
將新一代知識(shí)工程技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)中, 不僅能夠基于單個(gè)工業(yè)實(shí)體的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù), 完成在生產(chǎn)過程中的知識(shí)發(fā)現(xiàn)和表示, 進(jìn)行情景預(yù)測和輔助決策, 實(shí)現(xiàn)單個(gè)工業(yè)實(shí)體的安全運(yùn)行和工藝調(diào)整; 更重要的是, 能夠建立不同工業(yè)實(shí)體之間的知識(shí)聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò), 達(dá)到工業(yè)知識(shí)的協(xié)同運(yùn)行, 在整個(gè)工業(yè)體系中完成對(duì)全鏈條工業(yè)實(shí)體的綜合分析和統(tǒng)一決策, 實(shí)現(xiàn)工業(yè)結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化和生產(chǎn)力全面提高。
2.3 工業(yè)資源異構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的建模、分析及管控技術(shù)
工業(yè)資源異構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的建模、分析及管控(圖 7)借助圖處理、深度學(xué)習(xí)等智能技術(shù), 對(duì)不同類型的工業(yè)資源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字化建模, 基于不同工業(yè)資源網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)映射關(guān)系、邏輯關(guān)聯(lián)性等特征進(jìn)行融合性分析, 形成異構(gòu)工業(yè)資源網(wǎng)絡(luò), 從而對(duì)異構(gòu)工業(yè)資源網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一體化的挖掘。同時(shí), 利用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)智能合約不可篡改特征和通證屬性對(duì)建立的工業(yè)資源異構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和控制。
圖 7 工業(yè)資源異構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的建模、分析及管控
利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)建模、分析和管控技術(shù), 可對(duì)海量的不同種類工業(yè)資源進(jìn)行深度整合、統(tǒng)一管理和信息挖掘, 實(shí)現(xiàn)高效、安全、準(zhǔn)確的分析與控制。
2.4 區(qū)塊鏈智能
區(qū)塊鏈智能技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的一種新型技術(shù), 它包括應(yīng)用于底層的區(qū)塊鏈技術(shù)和運(yùn)作于區(qū)塊鏈之上的通證經(jīng)濟(jì)體系。如圖 8所示, 區(qū)塊鏈具有去中心化、自治化、透明不可篡改、可追溯性等特性[14-15], 其應(yīng)用使傳統(tǒng)上難以流通和商品化的"注意力"與"信用度"成為可以批量化生產(chǎn)的流通商品, 革命性地提升經(jīng)濟(jì)活動(dòng)范圍與社會(huì)效率, 區(qū)塊鏈技術(shù)具有成為智能經(jīng)濟(jì)的基石的潛質(zhì).通證經(jīng)濟(jì)是支撐區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)權(quán)益快速流動(dòng)與安全交換的一種機(jī)制[16], 構(gòu)建改變生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系的智能經(jīng)濟(jì)模式離不開通證經(jīng)濟(jì)體系。利用區(qū)塊鏈的特性和通證經(jīng)濟(jì)的行為激勵(lì)作用, 社會(huì)智能經(jīng)濟(jì)體系中良性經(jīng)濟(jì)行為的參與者會(huì)逐步增多, 最終會(huì)引領(lǐng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向, 使得整個(gè)社會(huì)參與者的收益增多。同時(shí), 通證經(jīng)濟(jì)的激勵(lì)作用還會(huì)優(yōu)化社會(huì)的資源匹配, 通過社會(huì)認(rèn)知學(xué)習(xí)和溝通交流來提高社會(huì)效率。
圖 8 區(qū)塊鏈智能技術(shù)
區(qū)塊鏈智能技術(shù)是智能世界中大數(shù)據(jù)和人工智能體可靠、可信、安全、高效的聯(lián)結(jié)途徑, 它利用多代理技術(shù)、智能合約和不可篡改的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)資源的安全可信管控, 利用區(qū)塊鏈通證屬性對(duì)資源進(jìn)行評(píng)估、管理、激勵(lì)和引導(dǎo), 引導(dǎo)工業(yè)生態(tài)的健康成長和運(yùn)行[17]。基于區(qū)塊鏈智能技術(shù)架構(gòu)的工業(yè)資源管控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混合異構(gòu)工業(yè)資源網(wǎng)絡(luò)的一體化建模、調(diào)控、優(yōu)化和管控, 最終構(gòu)建一個(gè)完整的智能工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。
區(qū)塊鏈技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高可信度、無法篡改的分布式數(shù)據(jù)庫需求, 而運(yùn)作在其系統(tǒng)上的通證經(jīng)濟(jì)體系又可以通過激勵(lì)作用對(duì)工業(yè)資源進(jìn)行調(diào)控、優(yōu)化和管控, 因此可以建立起區(qū)塊鏈管控系統(tǒng)對(duì)工業(yè)資源進(jìn)行安全可信管控。首先, 在工業(yè)資源平臺(tái)服務(wù)器上搭建區(qū)塊鏈平臺(tái), 設(shè)置準(zhǔn)入機(jī)制, 配置不同的組織關(guān)系, 并為各個(gè)組織配置相應(yīng)的通道, 完成底層基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的搭建; 其次, 針對(duì)不同工業(yè)資源的特性以及個(gè)性化的定制需求, 在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中安裝共識(shí)機(jī)制互異的智能合約, 并設(shè)置排序節(jié)點(diǎn)中的最大區(qū)塊數(shù)量和最大數(shù)據(jù)量, 智能合約的自動(dòng)執(zhí)行形成了新型的高效智能工業(yè)鏈形式[18-19]; 最后, 采用一定的選擇機(jī)制讓某一組織節(jié)點(diǎn)對(duì)交易進(jìn)行打包形成區(qū)塊, 并對(duì)該節(jié)點(diǎn)配給一定的通證獎(jiǎng)勵(lì), 同時(shí)利用大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)工業(yè)資產(chǎn)進(jìn)行評(píng)估, 對(duì)評(píng)估良好的工業(yè)資源配給一定數(shù)量的通證獎(jiǎng)勵(lì), 在后續(xù)的交易中通證可以作為手續(xù)費(fèi)附加在智能合約中被優(yōu)先打包成區(qū)塊, 由此對(duì)工業(yè)生態(tài)的健康成長和運(yùn)行進(jìn)行一定程度的引導(dǎo)。區(qū)塊鏈上的每個(gè)組織都會(huì)有記賬節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行分布式記賬, 并維護(hù)全網(wǎng)的一個(gè)公共的賬本; 同時(shí), 對(duì)于工業(yè)資產(chǎn)數(shù)據(jù)的讀寫操作均會(huì)被記錄到區(qū)塊鏈中, 以實(shí)現(xiàn)全方位的安全可信管控。
2.5 社會(huì)計(jì)算
大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展深刻改變了人與人、人與物、物與物之間的交互方式, 社會(huì)計(jì)算理論[20-26]作為社會(huì)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)的交叉融合, 側(cè)重于信息技術(shù)在社會(huì)活動(dòng)中的應(yīng)用以及社會(huì)知識(shí)在信息技術(shù)中的嵌入和使用, 可有效應(yīng)對(duì)社會(huì)及工業(yè)問題中的各種復(fù)雜動(dòng)態(tài)[27]。
圖 9所示為社會(huì)計(jì)算的整體框架, 包含基于開閉源信息能源情報(bào)的廣泛采集、深度分析、個(gè)性化影響、協(xié)同產(chǎn)生等多個(gè)關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的物理系統(tǒng)通過各類傳感器獲得系統(tǒng)的物理信號(hào), 工程控制論在物理過程的自動(dòng)化中發(fā)揮了極其重要的作用。社會(huì)傳感器, 就是力圖將物理系統(tǒng)中傳感網(wǎng)絡(luò)獲取物理信號(hào)的概念和手段推廣到網(wǎng)站、博客、論壇等各類網(wǎng)絡(luò)空間, 用于社會(huì)信號(hào)的采集, 獲取所關(guān)注的社會(huì)信號(hào)并從中提取出感興趣的信息.任何企業(yè)運(yùn)營、社會(huì)事務(wù)、生產(chǎn)過程等方面的管理, 都可以將問題的求解過程擴(kuò)展到由物理信號(hào)和社會(huì)信號(hào)共同構(gòu)成的高維解空間中。其中, 融合了物理和社會(huì)信號(hào)的數(shù)據(jù)具有海量、形式多樣、高度分散等特點(diǎn), 采用分布式文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模社會(huì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理, 通過機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、自然語言理解等技術(shù)對(duì)海量信息進(jìn)行準(zhǔn)確抽取、分析、并以用戶可理解的方式展現(xiàn)出來, 最終實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)抓取、數(shù)據(jù)規(guī)整、數(shù)據(jù)量化、自動(dòng)分類聚類、主題檢測等功能, 從而為各行各業(yè)的決策提供堅(jiān)實(shí)有力的量化支持。
圖 9 社會(huì)計(jì)算框架
社會(huì)計(jì)算系統(tǒng)主要包含四個(gè)子系統(tǒng), 分別是：大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算平臺(tái)、全方位社會(huì)傳感系統(tǒng)、智能檢索系統(tǒng)、深度挖掘與分析決策系統(tǒng)。互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多樣性使得數(shù)據(jù)的處理復(fù)雜化, 數(shù)據(jù)規(guī)模的海量性使得計(jì)算的巨量化, 數(shù)據(jù)不確定性和動(dòng)態(tài)性使得信息處理工作繁瑣化。針對(duì)社會(huì)信號(hào)大規(guī)模存儲(chǔ)與計(jì)算的需求, 需要采用計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行分布式存儲(chǔ), 支持各種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題, 采用并行計(jì)算機(jī)制可提高海量數(shù)據(jù)的處理效率, 使平臺(tái)達(dá)到功能完善、性能穩(wěn)定、海量存儲(chǔ)能力、高可靠性和高安全性的目標(biāo), 從整體上保證社會(huì)計(jì)算平臺(tái)的工作效率。通過分布廣泛的社會(huì)傳感器, 對(duì)各種社會(huì)信號(hào)和社會(huì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷的采集和監(jiān)控。在網(wǎng)絡(luò)空間中, 可采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲的手段抓取項(xiàng)目所需的開源信息, 對(duì)多種Web資源的信息內(nèi)容進(jìn)行有序抽取和整理, 提高數(shù)據(jù)源的智能選擇及情報(bào)精確率。在實(shí)際的生產(chǎn)管理系統(tǒng)中, 建立從數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)庫間的信息通道, 實(shí)現(xiàn)信息的高速無差傳輸。對(duì)于海量數(shù)據(jù)綜合運(yùn)用查詢擴(kuò)展、知識(shí)圖譜等技術(shù), 構(gòu)建跨媒體的工業(yè)數(shù)據(jù)智能檢索平臺(tái), 提高數(shù)據(jù)處理的并行度, 實(shí)現(xiàn)智能檢索。通過機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、自然語言理解等技術(shù)對(duì)海量的社會(huì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確抽取、分析、并以用戶可理解的方式進(jìn)行展現(xiàn), 為工業(yè)數(shù)據(jù)的分析決策提供量化支持。
2.6 邊緣計(jì)算
邊緣計(jì)算作為一種新型計(jì)算模式, 是實(shí)現(xiàn)工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)之一[28]。相較于云計(jì)算, 其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)邊緣設(shè)備大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理, 減少了因數(shù)據(jù)傳輸給云計(jì)算中心帶來的網(wǎng)絡(luò)帶寬問題和實(shí)時(shí)性需求, 且邊緣計(jì)算能夠考慮到邊緣數(shù)據(jù)的隱私問題及數(shù)據(jù)上傳時(shí)邊緣設(shè)備電能損耗問題[29]。邊緣計(jì)算通過整合工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣上的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等形成合一的平臺(tái)為工業(yè)用戶提供服務(wù), 使得數(shù)據(jù)在源頭側(cè)就能得到有效及時(shí)的處理, 或者將邊緣數(shù)據(jù)部分處理后將數(shù)據(jù)傳到云計(jì)算中心處理, 減少點(diǎn)云計(jì)算中心的壓力[30]。
邊緣計(jì)算主要是對(duì)工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)中邊緣設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理, 邊緣計(jì)算的下行數(shù)據(jù)代表著云服務(wù), 上行數(shù)據(jù)表代表著工業(yè)智聯(lián)服務(wù)[31]。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備既從云計(jì)算服務(wù)中心請(qǐng)求內(nèi)容及服務(wù), 也進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、緩存及隱私保護(hù)等任務(wù)。傳統(tǒng)的MapReduce及Spark等數(shù)據(jù)處理方法處理不了工業(yè)邊緣設(shè)備產(chǎn)生的海量邊緣異構(gòu)數(shù)據(jù), 構(gòu)建適合于工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算平臺(tái)至關(guān)重要。根據(jù)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)的邊緣計(jì)算參考架構(gòu)1.0, 邊緣計(jì)算包括四個(gè)功能域, 分別是應(yīng)用域、數(shù)據(jù)域、網(wǎng)絡(luò)域及設(shè)備域[32]。應(yīng)用域支持行業(yè)應(yīng)用本地化入駐, 支撐行業(yè)的全生命周期活動(dòng)、邊緣業(yè)務(wù)的高效運(yùn)營與可視化管理; 數(shù)據(jù)域?qū)Ａ窟吘墧?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與呈現(xiàn), 數(shù)據(jù)聚合與互操作, 同時(shí)保護(hù)數(shù)據(jù)安全及數(shù)據(jù)隱私; 網(wǎng)絡(luò)域提供數(shù)據(jù)的聚合及系統(tǒng)的互聯(lián); 設(shè)備域通過車床、發(fā)動(dòng)機(jī)等工業(yè)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)時(shí)智能互聯(lián)及相關(guān)的智能應(yīng)用。
3 應(yīng)用模式舉例
3.1 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)催生智能工業(yè)新模式示例
工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展催生了種類繁多的智能工業(yè)新模式。圖 10展示了社會(huì)化大規(guī)模商品定制模式的基本流程, 各工業(yè)單位通過采用工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的技術(shù), 將串行的工業(yè)生產(chǎn)流水線拆分成了單一的生產(chǎn)單元, 結(jié)合區(qū)塊鏈智能合約技術(shù), 每個(gè)生產(chǎn)單元通過智能合約將自己的產(chǎn)品連接進(jìn)不同的產(chǎn)業(yè)鏈中。消費(fèi)者可通過在智能終端輸入需求數(shù)據(jù), 制定自己需要的專屬商品, 需求確立后, 將觸發(fā)整個(gè)生產(chǎn)鏈的智能合約, 生產(chǎn)鏈中與商品相關(guān)的生產(chǎn)單元將通過智能合約實(shí)時(shí)定義組成多條生產(chǎn)線, 完成相應(yīng)的生產(chǎn)指令。生產(chǎn)完成的產(chǎn)品通過智能合約進(jìn)行運(yùn)輸, 直接送到消費(fèi)者手中, 從而實(shí)現(xiàn)商品的社會(huì)化大規(guī)模定制。同時(shí), 消費(fèi)者還可通過工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)商品的原材料、零件生產(chǎn)、拼裝運(yùn)輸?shù)攘鞒踢M(jìn)行回溯, 保證生產(chǎn)過程的透明化, 保證商品的高質(zhì)量和高可信度。
圖 10 社會(huì)化大規(guī)模定制流程圖
工業(yè)資源的管控新模式則是通過工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 對(duì)傳感、控制、信息、計(jì)算等不同結(jié)構(gòu)的工業(yè)資源網(wǎng)絡(luò), 進(jìn)行一體化建模分析、決策和自主運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通, 并提供準(zhǔn)入接口, 提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)成為智能工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可能性。同時(shí)采用分布式管理、智能合約技術(shù)以及不可篡改的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)資源的安全可信的管理。
3.2 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)催生工業(yè)系統(tǒng)價(jià)值挖掘新模式
在工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下, 對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的價(jià)值挖掘工作包括對(duì)內(nèi)生價(jià)值的挖掘以及對(duì)外在資源的挖掘。圖 11闡釋了內(nèi)生價(jià)值挖掘過程中采用的相關(guān)技術(shù)、解決的實(shí)際問題以及最終的實(shí)現(xiàn)效果。對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)生價(jià)值挖掘, 具體是通過諸如數(shù)字虛擬工業(yè)技術(shù)、知識(shí)工程技術(shù)、異構(gòu)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模分析技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)等工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)新興技術(shù), 并建立虛擬的工業(yè)系統(tǒng)模型, 模擬分析實(shí)體工業(yè)運(yùn)行情況, 保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定; 通過發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)架構(gòu)知識(shí), 優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu), 降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本; 通過探索資源消耗關(guān)系, 合理調(diào)整資源配置, 提高資源的有效利用; 通過構(gòu)建部門參與機(jī)制, 建立高效的信號(hào)激勵(lì)制度, 增強(qiáng)企業(yè)內(nèi)部的活力。圖 12闡釋了在外在資源挖掘過程中使用的工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)及可達(dá)到的實(shí)現(xiàn)效果, 對(duì)于外在資源的挖掘, 可結(jié)合社會(huì)計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集以及知識(shí)工程等技術(shù), 通過描繪用戶消費(fèi)特征, 以用戶消費(fèi)特征為生產(chǎn)導(dǎo)向, 實(shí)現(xiàn)商品的針對(duì)性生產(chǎn); 通過建立通證經(jīng)濟(jì)體系, 制定相應(yīng)的消費(fèi)激勵(lì)措施, 提高商品交易的活力; 通過分析市場數(shù)據(jù)的變化趨勢, 提前制定市場開發(fā)計(jì)劃, 增加企業(yè)經(jīng)營的利潤。
圖 11 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)內(nèi)生價(jià)值挖掘
圖 12 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)外在資源挖掘
通過智能技術(shù)將工業(yè)系統(tǒng)的內(nèi)生價(jià)值和外在資源相融合, 在保證工業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源安全可靠的基礎(chǔ)上, 實(shí)現(xiàn)內(nèi)在優(yōu)化價(jià)值支撐外在產(chǎn)品推廣, 外在資源導(dǎo)引內(nèi)在價(jià)值發(fā)展的良性循環(huán)。
4 結(jié)論
本文詳細(xì)地闡述了工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的技術(shù)和時(shí)代背景、定義與內(nèi)涵、平臺(tái)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù), 以及其應(yīng)用模式的兩個(gè)示例。
對(duì)于當(dāng)前的工業(yè)系統(tǒng)與技術(shù)而言, 單個(gè)和孤立的智能技術(shù)已經(jīng)取得了一定的成績, 然而, 工業(yè)系統(tǒng)中即將涌現(xiàn)海量的具有一定智能的實(shí)體, 而這些實(shí)體在智能與知識(shí)層面上的如何協(xié)同和合作卻還是一個(gè)開放的問題。如果這個(gè)目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn), 其對(duì)社會(huì)生產(chǎn)力的提升和對(duì)社會(huì)形態(tài)的影響, 將是難以想象的。因此, 工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模研究與開發(fā)勢在必行, 而我們也期望工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)將為社會(huì)化智能大工業(yè)提供一條切實(shí)可行而又富有成效的技術(shù)路徑與頂層設(shè)計(jì)。
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來源：自動(dòng)化學(xué)報(bào)
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)