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工业互联网时代的机遇与挑战

2015/1/11    来源:中云网    作者:石旭      
关键字:工业互联网  传感器  传感器网络化  基础架构  云计算  
主动、路径安全的大数据看起来可能像是工作流程的一种简单升级,但事实上,它代表的东西可能是自工业革命以来意义最深远的商业和技术的融合——我们称之为工业互联网(Industrial Internet)——而它距离我们比你想象得更近。

大数据

  云计算和大数据已经成为当今IT界最时尚的话题,作为信息产业的第三次技术革命,云计算和大数据将会改变人们获取、处理和保存信息的方式。到2015年中国云计算相关产业将会达到引人注目的1.1万亿规模,80%的数据、计算和应用都将被“云化”。

  现在我们可以利用云计算和大数据,为电商做精准的广告推送,也可以为城市交通状况作出预测,或者能够提前预测流行疾病的爆发。随着云计算和大数据的不断发展,对数据的挖掘将不仅仅限于获取数据中的潜在价值,而是通过数据的互联互通赋予数据主动性和预测性,从而让信息智能化。

  举例来说:在医疗系统中,核磁共振成像扫描是观察人体内部情况的最佳方式,很多人借助核磁共振技术帮助诊断多发性硬化症、脑部肿瘤、韧带撕裂和中风,但核磁共振成像机产生的数据跟最需要它的人是断裂开来的。

  扫描过程需要很多人合作完成:护士负责检测需要的药物或者造影剂,核磁共振成像机技师负责操作扫描仪,放射科医生则需要甄别用到的成像序列并对图像进行解译。然后,这些信息被交给护士,后者转交给主治医生查看,以便其采取相应治疗方式。这些内容就是医疗系统的大数据,虽然可以在某种程度上帮助病人解决疾病检查的问题,但它只是在很低的层次利用这些数据,并没有使信息变得更加智能。

  为了使信息智能化,需要在大数据、机器与人这三者之间建立起新的链接,这样大数据才能“知道”在何时、以何种方式前往何地、以何种内容展现给何人。如果核磁共振成像数据与机器、人更好地连接起来,那么病患提交的核磁共振图像就会自动寻找合适的医师——这样,情况就变成信息寻找医生,而不是医生寻找信息。此外,当合适的医生查看了图像之后,更进一步的连接可以使这些图像“知道”自己需要被归档到病患的永久数字医疗记录当中。

  这类主动、路径安全的大数据看起来可能像是工作流程的一种简单升级,但事实上,它代表的东西可能是自工业革命以来意义最深远的商业和技术的融合——我们称之为工业互联网(Industrial Internet)——而它距离我们比你想象得更近。

  工业互联网来临了

  工业互联网通过智能的机器加上分析的功能,通过互联网移动的方式给生产力带来革命性的提高。有了互联网,全球数以百万计的各种工业设备将实现突破性的互联和互通,这种互联互通不仅仅是形式上的,在更高的层次上,得益于不断进步的数据挖掘技术,工业设备之间的数据得到了广泛的利用。这些工业设备包括数万种复杂机械的集群,从发电的电厂到运输的飞机。也包括上千种复杂的机器网络,从供电网到铁路系统,这些网络把机器和它们的集群联系起来。

  工业互联网整合了工业革命和网络革命的优势,将两者有机的结合在一起。伴随着互相的发展,两者之间快速融合,并且以智能机器和高级分析这两个全新的角度体现了工业互联网的特点。

  智能机器体现了现有的设备通过更先进的方式,例如通过Zigbee等互联协议使得更多的设备可以连接成为一个更为广泛的互联网络,设备之间可以不受某条链路失效的影响继续进行互联互通。这样设备之间的连接更加趋近于神经网络,连接不仅更加复杂,也更加多样化。

  高级分析技术在大数据技术基础之上融合了更多的机器算法,包括各种分析算法、预测算法、语义分析等多种算法来分析智能机器之间的数据通信。随着技术的进步,这种方式将为企业提供新的机遇。传统的分析方法是基于历史数据收集技术,这种方式通常将数据、分析和决策分隔开来。随着系统监控和信息技术成本的下降,工作效率大大提高,实时数据处理的规模得以大大提升。这些高频率的实时数据为系统操作提供全新视野,高级分析技术则为分析流程开辟新维度。通过各种物理连接方式、行业特定领域的专业知识、信息流的自动化与预测能力相互结合可与现有的整套“大数据”工具联手合作。最终,工业互联网将涵盖传统方式与新的混合方式,通过先进的特定行业分析,充分利用历史与实时数据。

  工业互联网随着智能机器和高级分析技术的不断融合趋于成熟,目前来看在很多领域已经开始发挥作用。目前工业互联网可以帮助医疗、航空、能源、水处理和石油天然气行业的客户提升生产率和运营效率。

  除了在上面提到的工业互联网在医疗系统的应用之外,也可以在每个人的身边发挥作用。例如可以实现冰箱自动下单,冰箱可以通过产品包装上的条型码或二维码等标识来感知这一产品的存量(此时,冰箱就相当于一个机器节点,通过条码扫描设备获取了产品信息),当存量低于设定值之后(比如没有牛奶了),就会通过互联网向相关的企业下单购买,从而在没有人的干预下,完成了一个自动补充相关物品的操作。这样,为用户带来的体验是更进一步的,而传统的方式可能是冰箱通知用户没有牛奶,但是购买牛奶的行为还是由用户自己完成。现在变成了冰箱(机器)与企业(牛奶企业)之间直接联系,工业系统中的各种设备、功能组件有机的互联起来,让每台工业机器成为一个节点,将它们各自的相关信息,通过相应的通信传送手段互通,从而形成了一个特殊的互联网。

  工业互联网带来的机遇

  工业互联网需要技术不断的创新,首先需要解决传感器及全面互联问题。不断加大对传感器及全面互联技术的研发投入,必将大力推动工业互联网的全面发展。现代信息技术离不开传感器技术,我们每天的生活和工作也离不开传感器。当我们走进现代化气息浓厚的办公大楼,自动门会自动打开;当我们回到家,楼道里的照明会自动点亮;当我们使用手机的时候,各种距离传感器、震动传感器、方向传感器都为我们带来了无数的便捷。所以说传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,是现代科技的开路先锋。

  适合于工业互联网的传感器技术更强调如下几个方面:

  1、价格低廉,只有更低的价格才能获得更广泛的应用。例如条形码技术,是随着计算机与信息技术的发展和应用而诞生的,它是集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新型技术。咱们所熟知的商品条形码,最早是由名叫约翰·科芒德(John Kermode) 的性情古怪的发明家发明的,他异想天开地想对邮政单据实现自动分检。但是当第一个系统进入市场后,包括打印和识读设备在内的全套设备大约要5000美元。此后不久,随着LED(发光二极管)、微处理器和激光二极管的不断发展,迎来了新的标识符号(象征学)和其应用的大爆炸,人们称之为“条码工业”。今天很少能找到没有直接接触过即快又准的条形码技术的公司或个人。由于在这一领域的技术进步与发展非常迅速,并且每天都有越来越多的应用领域被开发,各种类型的条形码也不断涌现,使我们每一个人的生活都变得更加轻松和方便。为了更方便的购物、结账,我们发明了电子标签,随着电子技术的不断发展,电子标签的成本逐渐下降,今后可能会取代条形码技术成为人们生活中的重要组成部分。

  工业互联网需要更多的传感器能够在更低的价格下发挥更大的作用,所以如何通过更先进的技术、工艺、材料降低传感器的成本将成为今后的一个发展方向。

  2、传感器微型化,为了能够了解更多的信息,需要在机器、设备中植入更多种类的传感器,这时候需要我们不断的减小传感器的体积、微型化。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的,MEMS的发展,把传感器的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。在微电子技术基础上,内置微处理器,或者把微传感器和微处理器及相关集成电路等封装在一起。

  除MEMS外,新型传感器的发展还有赖于新型敏感材料、敏感元件和纳米技术,传感器材料是传感器技术的重要基础,是传感器技术升级的重要支撑。随着材料科学的进步,传感器技术日臻成熟,其种类越来越多,除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料以外, 涌现了一批如新一代光纤传感器、超导传感器、焦平面陈列红外探测器、生物传感器、纳米传感器、新型量子传感器、微型陀螺、网络化传感器、智能传感器、模糊传感器等多功能传感器。例如,在敏感材料中,陶瓷材料、有机材料发展很快,可采用不同的配方混合原料,在精密调配化学成分的基础上,经过高精度成型烧结,得到对某一种或某几种气体具有识别功能的敏感材料,用于制成新型气体传感器。此外,高分子有机敏感材料,是近几年人们极为关注的具有应用潜力的新型敏感材料,可制成热敏、光敏、气敏、湿敏、力敏、离子敏和生物敏等传感器。传感器技术的不断发展,也促进了更新型材料的开发,如纳米材料等。美国NRC公司已开发出纳米ZrO2气体传感器,控制机动车辆尾气的排放,对净化环境效果很好,应用前景比较广阔。由于采用纳米材料制作的传感器,具有庞大的界面,能提供大量的气体通道,而且导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展,随着科学技术的不断进步将有更多的新型材料诞生。

  3、传感器网络化,现在的很多传感器需要依赖所附着的设备进行网络连接,这样就大大限制了传感器采集信号的可用性。随着传感器技术及无线网络技术的进步一融合,无线传感器将有着十分广泛的应用前景。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值,在未来还将在许多新兴领域体现其优越性,如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见,将来无线传感器网络将无处不在,将完全融入我们的生活。比如微型传感器网可以将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连,实现远距离跟踪,家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络,其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域,需要各种技术支撑。。但是,我们还应该清楚的认识到,无线传感器网络才刚刚开始发展,它的技术、应用都还还远谈不上成熟,国内企业应该抓住商机,加大投入力度,推动整个行业的发展。

  今后,随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展,未来的传感器系统必将向着微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会,作为现代科学“耳目”的传感器系统,作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础,必将进一步得到社会各界的普遍关注。

  工业互联网的发展也离不开更加广泛的互联技术,除了传感器的网络化之外,构建各种机器、设备的广泛互联也是推动工业互联网进一步发展的重要环节。上一波互联网浪潮中,互联网在全球连接起数十亿人,同时也造就了Google、亚马逊这样的互联网巨头。全球70亿人,平均每个人至少对应有十个机器,包括装置、仪器和车辆,如果把机器连接起来的话,全球完全有可能有700亿个机器接入。可以想象,未来将会出现比消费互联网更庞大的工业互联网生态系统。

  在不远的未来,预计会有一个开放的、全球的网络组织,高度智能的机器通过这个组织和人类连接、通讯、协作。工业互联网并不代表一个要由机器来运作的世界,而是要把世界最先进的科技整合起来,解决我们最大挑战,使用经济绿色可持续的能源,治愈曾经的不治之症,让我们的基础设施和城市为未来一百年做好准备。

  如何面对工业互联网时代广泛互联的要求,成为今后网络互联的热点话题。同时我们也看到网络也在不断的进步和发展,也有利于我们更广泛的把各种设备连接起来。互联技术的发展特点包括:

  (1) 低功耗: 随着用于互联的设备或者模块的小型化以及工艺更加先进,互联标准的进步,传输同样的数据所需要的功耗约来越低。在设备或者机器的生命周期内,都可以进行网络互联而不需要进行电池更换。

  (2) 低成本: 随着工艺的进步、新材料的研制以及规模效应的显现,网络互联的成本已经不能成为阻碍工业互联的关键问题。

  (3) 时延短: 随着网络带宽不断增加,各种新的通信协议的推出,通信时延已经进入到毫秒甚至微妙级别,因此更加适用于对时延要求苛刻的工业控制场合。

  (4) 网络容量大:随着IP技术的进步,以及IPv6不断应用,今后将可以做到任意设备都可以接入网络,不会存在地址空间不足的问题。

  (5) 可靠:随着网络的进一步普及,网络将发展成为类似于神经网络的连接方式,通路的冗余度将大大提高,避免冲突和竞争。

  (6) 安全网络安全性将大幅提高,网络互联将更加可信。

  工业互联网的到来,为我们提供了更多的机遇,传感器及网络技术仅仅是里面的两个主要环节和关键技术。围绕着工业互联网的周边,我们可以看到有更多的技术和产品有待于发展。今后,我们可以为每个工业设备打上节点的标识、安装传感器、将设备的运转情况信息化,甚至可以对设备的关键组件进行状态跟踪,再对生产与制造环境进行监控收集。通过工业互联网将这些来自于数万,甚至是成百上千万传感器发出的信息汇总,然后基于大数据平台,根据相应的指标、规则予以过滤、分析,为我们的社会创造出更大的价值。

  工业互联网面临的挑战

  工业互联网面临两方面的挑战,首先是更高效的分析支撑技术,保证各种互联技术能够被解释,能够及时发挥作用,而不是成为仅仅存放在那里。其次是制定统一的标准,让各种设备之间的协议统一,数据格式统一,只有在统一的标准之下,才能够更为快速地推广,产生效益。

  工业互联网面对的将是海量的数据,需要更高效的分析技术,才能够充分发挥作用。对于一家商业零售公司来说,能够发现消费者数据之间的关联就已经足够,例如,著名的啤酒尿布理论。在这种初级应用中,目前标准的机器学习算法就能够胜任。但是对于复杂的物理系统来说,数据模型还需要能够解释关联背后的原因。

  面对海量数据,基础架构需要选择大数据作为平台支撑,利用分布式分析的优势,能够在短时间内对获取的数据进行分析和处理,从而在用户可接受的时间范围内给出相应。这种处理机制在目前的数据量下是没有问题的,但是随着工业互联网应用的不断推广,数据向ZB规模发展,大数据平台是否依然能够发挥效果,可能会打上问号。

  但是我们相信大数据技术也是不断进步的,面对工业互联网不断涌现的海量数据,我们可以不断的在算法、架构等方面进行调整,从而适应更大量数据的分析需求。

  同时,我们也看到,随着机器种类的不断增多、互联的方式也多种多样,如何让这些数据不仅能够互联,也能互通?所以,需要在工业互联网刚刚发展的前期进行相应标准的制定。

  在发展的前期,更多的是不同厂商之间各自标准的百家争鸣,这其中,商业利益与行业标准间如何平衡就显得尤为重要,也是不小的挑战。就像互联网标准促进互联网的普及和发展一样,未来工业互联网的标准也同样重要。而标准化意味着需要更多的企业参与其中,求同存异,制定一个开放的标准。但目前的现状是,无论是在中国、欧洲还是美国都存有不同的标准,这对于工业互联网的进一步普及和发展无疑是不利的。

  工业互联网的未来

  工业互联网的价值着眼点在于工业效率的提升,通过新的互联实体(机器、应用、业务运营)之间的数据挖掘带来更多的商业价值。它的价值体现,需要相关产业一定程度发展水平相配套,传感器领域、互联网领域、大数据及云计算领域,都需要在现有基础上大幅度的提升。

  我们也看到,在相关领域,技术的发展是日新月异的。云计算已经在智慧城市、行业云、公有云、私有云中广泛被使用,也日臻完善。大数据也有很多成功的商业案例,不仅仅能够处理一些简单的数据存储或者查询,也能够对海量数据进行深度的数据挖掘。随着各种大数据算法不断推陈出新,大数据必将成为主导今后技术发展的主流。 

责任编辑:涂君军
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