(網經社訊)當今世界，信息化浪潮席卷全球，信息通信技術與制造技術、新能源技術等交叉融合，人類社會正在進入萬物互聯、虛實結合、智能計算、開放共享的新時代。新一輪科技革命和產業(yè)變革與中國加快轉變經濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為中國實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大歷史機遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅動發(fā)展的主戰(zhàn)場，發(fā)展智能制造是扭轉制造業(yè)低質低效，實現新舊動能轉換的關鍵所在。
近年來，智能制造熱潮席卷全球，制造業(yè)強國德國與美國分別提出“德國工業(yè)4.0”和“美國先進制造/工業(yè)互聯網”，中國提出《中國制造2025》，是國家戰(zhàn)略最重要的舉措。智能工廠建設已然成為工業(yè)企業(yè)實現轉型升級，由大變強的重要抓手與必然選擇。從狹義上看，智能工廠是移動通信網絡、數據傳感監(jiān)測、信息交互集成、高級人工智能等相關技術、產品及系統(tǒng)在工廠層面的具體應用，以實現生產系統(tǒng)的數字化、網絡化、智能化、柔性化和綠色化。從廣義上看，智能工廠是以制造為基礎，向產業(yè)鏈上下游同步延伸，涵蓋了產品全生命周期智能化實施與實現的組織載體。同時，智能工廠作為智能制造重要的實踐領域，已引起了制造企業(yè)的廣泛關注和各級政府的高度重視。
為落實《中國制造2025》總體戰(zhàn)略部署，深入實施智能制造工程，助力制造業(yè)轉型升級、提質增效，工業(yè)和信息化部、財政部聯合開展智能制造綜合標準化與新模式應用項目。自2016年以來，工信部產業(yè)政策支持的智能制造新模式項目達384項，綜合標準化項目達125項，極大推動了中國制造業(yè)轉型升級的進程。
場景需求
當前，中國大多數制造企業(yè)仍處于基礎自動化階段，企業(yè)還是面臨著信息孤島、缺乏頂層設計、建設多個煙囪式的垂直應用、企業(yè)管理軟件定制化程度高/推廣困難等問題。傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)解決方案在中國市場中仍占主流，行業(yè)領先企業(yè)和智能制造試點示范企業(yè)正加快向智能化水平邁進，積極開展智能化布局。但總的來看，針對智能制造行業(yè)應用需求提供整體解決方案的業(yè)務尚處于發(fā)展初期，能夠在行業(yè)內形成可推廣和可復制的成熟解決方案并不多，業(yè)務規(guī)模有限。隨著智能制造的推進，整體解決方案的市場規(guī)模將加速增長，經過市場驗證的解決方案成熟度將進一步提升。
在數據融合應用方面，普遍存在多元數據采集、異構系統(tǒng)集成、數據融合應用的需求。在生產制造過程中生產數據、管理數據、化驗數據、安全監(jiān)控數據、環(huán)保監(jiān)測數據、氣象環(huán)境數據、原材料質量、人員定位數據和視頻監(jiān)控數據等如何進行有效地加工和應用是目前工業(yè)企業(yè)面臨的共性問題。在企業(yè)的實際經營和運維過程中，又強烈地要求這些數據能夠無縫融合。
在生產計劃調度方面，以石油和石化企業(yè)為例，由于分布遞歸和混流技術、懸擺切割技術、二次加工裝置的Delta-base 技術等一系列非線性技術與質量傳遞技術、多周期建模技術和多廠計劃模型的集成應用技術的工程應用面臨著建模難度大、使用門檻高等困境。在原油調合、汽柴油調合的調度優(yōu)化方面，同樣存在著在線分析檢測儀表、物性數據集成、調合模型性能集成與優(yōu)化等難題。企業(yè)急需應用集成的行業(yè)工廠模型、物性數據庫及算法庫。
在工業(yè)設備管理方面，流程企業(yè)存在大量動設備和靜設備，包括罐類、塔類、閥門類、泵類、換熱器類、透平機類、風機類、鍋爐類、汽輪機類、管道類、儀表類、化驗分析類等。這些設備的智能化程度不同，維護、保養(yǎng)和管理要求也不同。大部分企業(yè)針對這些設備并沒有實現電子化全生命周期管理，僅靠人工和紙面臺賬的方式進行記錄，對單個設備的維護僅靠計劃性的周期性保養(yǎng)和維修。然而，這些設備在流程工業(yè)的生產環(huán)境中，均有長期運行和穩(wěn)定運行的要求。實現智能化的設備預測性維護還有很長的路要走。
在工業(yè)生產安全管理方面，隨著石油化學工業(yè)的發(fā)展，生產裝置變得越來越自動化、連續(xù)化、大型化和復雜化，石化企業(yè)生產過程處理和儲存的易燃、易爆、有毒危險物的規(guī)模也越來越大，一旦這些物質的正常運行狀態(tài)遭到破壞，就有可能導致重大事故，造成人員傷亡、財產損失和環(huán)境破壞。災害影響范圍大，事故的發(fā)生具有突發(fā)性、災難性、復雜性和社會性。因此石化工業(yè)對智能化安全管理的需求更為強烈。
在物流公共服務和產品物流方面，流程工業(yè)企業(yè)在大宗型原材料、中間體和產品等物流運輸方面急需信息透明的工業(yè)物流公共信息服務平臺。在產業(yè)鏈的上下游企業(yè)之間，生產原料和產品之間相互依賴的企業(yè)希望可以通過產品物流的追蹤實現產品質量、運輸過程和中間存儲過程的優(yōu)化。
面對互聯網、云計算、大數據、人工智能的發(fā)展浪潮，流程企業(yè)面臨利用這些新技術實現數字化、網絡化、智能化轉型的迫切需求與重大歷史機遇。然而由于企業(yè)自身技術積累不同，不同的企業(yè)處于數字化的不同階段，在智能化轉型中遇到的問題也各不相同，需要采取的措施也不盡相同。用傳統(tǒng)的煙囪式信息系統(tǒng)很難滿足企業(yè)在不同時期的發(fā)展要求，更無法滿足企業(yè)整體業(yè)務鏈集成與優(yōu)化的需求。
智能工廠的新架構
在新一輪的數字化智能變革中，流程企業(yè)需要實現 PT（工藝技術）、ET（設備技術）、OT（操作技術）、AT（自動化技術）與 IT（信息技術）的融合創(chuàng)新，需要以工業(yè)大數據分析為核心的全生命周期服務，需要以工業(yè)互聯和智能為核心的產業(yè)協(xié)同模式。
基于新的SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)，形成流程工業(yè)智能工廠建設的新架構（以煉化行業(yè)為例），如圖1所示。
圖1 流程工業(yè)智能工廠建設的新架構
流程工業(yè)智能工廠建設新架構的核心是工業(yè)操作系統(tǒng)SupOS，它是集工業(yè)控制平臺、工廠模型平臺、工業(yè)大數據平臺、工業(yè)云平臺、工業(yè)APPs應用商店等于一體的工業(yè)操作系統(tǒng)，通過云（云互聯網平臺）、企（工廠互聯網平臺）、端（邊緣計算節(jié)點）三層統(tǒng)一架構，可實現管控一體化交互。SupOS以幫助企業(yè)實現工廠區(qū)域的信息全集成為突破口，搭建全集成的工業(yè)大數據平臺，提供大數據分析DIY、智能APP組態(tài)開發(fā)、智慧決策和分析服務。賦能用戶，以集成化、數字化和智能化手段解決生產控制、生產管理和企業(yè)經營的綜合問題，讓企業(yè)能始終牢牢掌握自身發(fā)展工業(yè)大數據和人工智能的主動權。
工業(yè)控制平臺
SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)可對過程控制系統(tǒng)進行集成和管理，包括DCS、SIS、ITCC、PLC、GDS 和FAS等生產過程控制、安全聯鎖保護、電氣自動化、計量監(jiān)督考核、設備安全健康診斷等系統(tǒng)，涵蓋顯示、監(jiān)測、控制和安全聯鎖，構建統(tǒng)一的集成控制邏輯，實現基礎自動化各系統(tǒng)之間的互聯互通與優(yōu)化控制，實現生產管理、安全消防、環(huán)保監(jiān)測與過程控制的管控一體化，真正發(fā)揮工業(yè)企業(yè)在工廠自動化層面所建系統(tǒng)的協(xié)同、優(yōu)化及放大作用，為工廠“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)、智”的高效運行提供基礎性的核心支撐作用。
工廠模型平臺
工廠模型是智能工廠建設的核心，是工廠合規(guī)、受控、優(yōu)化運行的神經中樞系統(tǒng)。工廠模型具有顯著的時間和空間顆粒度，從生產管控維度看，包括供應鏈模型、生產計劃模型、生產調度模型、加工方案、生產操作模型、裝置優(yōu)化控制模型、生產計量模型、物料移動模型、原料/產品調合模型、物料平衡模型、能源產耗模型、能源平衡模型、生產統(tǒng)計模型、轉動設備失效模型和管道腐蝕泄漏模型等。工廠模型是一個非常龐大的體系，支撐工廠各層各類管理業(yè)務活動的協(xié)同與優(yōu)化，也構成了工業(yè)企業(yè)智能化運作的核心。
SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)對工廠模型體系進行統(tǒng)一的管理和維護，實現工廠模型的性能保持以及工廠操作經驗等知識的沉淀和傳承，為工業(yè)APP應用集成提供模型支撐和服務，支持用戶開展生產排程、生產仿真、操作優(yōu)化、決策輔助等智能化集成動作，提高企業(yè)生產管控的整體水平和效率。
工業(yè)大數據平臺
流程企業(yè)的數據主要存在于各種自動化系統(tǒng)（如DCS、PLC、SIS、SCADA 等）、智能設備和信息化管理軟件（如MES、ERP、LIMS、EAM、SCM、CRM、CAD 等）之中。SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)具有豐富的數據接口，是工廠通用連接器，可實現工業(yè)數據的全集成與標準化管理，如數據標準化和對象信息模型的運行期管理，多元數據預處理、存儲、壓縮處理，實時和歷史數據查詢服務，計算資源管理和服務治理，業(yè)務流搭建，可提供一個信息融合、多元數據混合的快速構建平臺。
SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)基于多元、海量數據等綜合應用，提供大數據挖掘和分析的常用算法庫，大數據云存儲和分析服務。目前，SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)已經集成的算法包括聚類分析、線性判別、神經網絡、模糊聚類、主元分析、SVM、CART、AdaBoost等主流分析算法，用戶針對同一分析對象或是同一批數據，可自由選擇某一種算法，探索性地去挖掘、發(fā)現新知識和生產管理、操作、決策的可觀規(guī)律，大大提高了數據分析的靈活性，降低了大數據分析的門檻和難度。
工業(yè)云平臺
SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)基于接入的工廠數據，利用強大的工廠模型和數據分析算法，在企業(yè)云端為用戶提供設備遠程診斷、生產操作與控制優(yōu)化、能源能效評估、生產物流跟蹤、產品質量認證與追溯等服務，用戶可以充分利用工業(yè)云平臺以非常低的成本就可以得到豐富的高價值服務與優(yōu)化建議，從而給企業(yè)的智能化轉型提供更經濟可行的解決方案。
面向行業(yè)的工業(yè)解決方案APPs應用商店
基于 SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)強大的基礎設施，智能工廠新架構提供平臺開放服務，發(fā)展生態(tài)合作伙伴，打造全產業(yè)鏈工業(yè)企業(yè) APP 庫，實現工業(yè)數據生態(tài)圈。例如在石化行業(yè)，運行在 SupOS 工業(yè)操作系統(tǒng)上的工業(yè)APPs，如PID 控制回路自動調節(jié)、裝置先進控制、全廠實時優(yōu)化、外操智能巡檢、生產計劃排程、生產調度排產、物料平衡、智能報警管理、能源實時優(yōu)化、設備智能監(jiān)控、油品智能移動、油品調合、工廠仿真培訓、罐區(qū)管理、終端智能自動化等,可達上千種。
工業(yè)操作系統(tǒng) SupOS 實現平臺與工業(yè) APP 分離，降低開發(fā)門檻、孵化APP應用開發(fā)生態(tài)，建設工業(yè)領域的操作系統(tǒng)和工業(yè) APPs商店。未來用戶可根據自身的基本情況和業(yè)務需要，動態(tài) DIY配置出個性化的工業(yè)應用場景。同時，工業(yè) APPs商店是一個開放的社區(qū)，任何開發(fā)者均可共享自己的工業(yè)知識變現自身價值，同時不斷豐富的 APP 給用戶提供越來越多的應用，這一解決方案使系統(tǒng)的彈性增長與變化的用戶需求之間達成了一種動態(tài)的平衡，實現了多方共贏。
智能工廠工控安全防御體系
隨著信息化和工業(yè)化深度融合的不斷推進以及工業(yè)控制系統(tǒng)網絡化、信息化和智能化的快速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)的網絡安全問題也面臨更多的挑戰(zhàn)。由于工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛采用通用軟硬件和網絡設施，與企業(yè)管理信息系統(tǒng)發(fā)生集成，與互聯網產生了大量的數據交換，導致工業(yè)控制系統(tǒng)越來越開放，以往由物理環(huán)境的封閉性和專用性所帶來的安全性將不復存在。智能制造、工業(yè) 4.0、工業(yè)互聯網等工作的深入發(fā)展，萬物互聯互通時代的到來，控制高危險性的工業(yè)裝置的工業(yè)控制系統(tǒng)，將直接暴露在互聯網平臺上。工控信息安全威脅從“虛擬世界”已經滲透到了“物理世界”，網絡遠程惡意控制工作裝置已經成為可能的現實，中國戰(zhàn)略基礎設施面臨巨大的安全威脅。
中控科技集團遵循國際標準《IEC62443工業(yè)自動化網絡與控制系統(tǒng)信息安全》和國家標準《GB/T30976—2014 工業(yè)控制系統(tǒng)信息安全》等進行設計，并結合工業(yè)領域的具體需求和應用環(huán)境，以自身在流程工業(yè)自動化行業(yè)近 30年的積累，成功突破了工控系統(tǒng)網絡安全防護、控制內核自主可控、通信加密等關鍵技術，并熟練掌握安全保障技術、安全評估與認證技術，建立“內建安全、縱深防御、全生命周期管理”綜合工控系統(tǒng)深度安全防護體系，如圖2所示。
圖2 基于縱深安全防御體系的工控安全系統(tǒng)架構
工控系統(tǒng)深度防護技術包括以下6個方面。
1）控制站內置安全盾系列防護產品，實現通信與控制隔離，確保在遭受到網絡攻擊的情況下，不影響控制回路的正常運行。
2）控制網絡通信采用加密和完整性保護，保證通信數據的完整性和機密性。
3）控制站采用自主微內核，不使用 Linux等開源操作系統(tǒng)和開源協(xié)議棧。
4）控制內核自主可控（硬件、嵌入式系統(tǒng)、控制調度、控制算法、協(xié)議棧），并采取容錯架構和全冗余設計。
5）具備對組態(tài)和用戶數據等關鍵數據進行完整性和正確性檢測功能，故障時進行報警和記錄。
6）《中控防病毒整體解決方案》以及《中控工業(yè)控制系統(tǒng)網絡安全縱深防御方案》，包括工業(yè)網絡防火墻GW031、主機安全衛(wèi)士VxDefender、全 網 診 斷 軟 件VxNetSight和安全隔離網關GW033安全防護產品。
中控科技集團是工控信息安全領域企業(yè)，設有專業(yè)的工業(yè)信息安全實驗室，負責工業(yè)信息安全專項技術研究和信息安全服務。目前，實驗室建立了7個行業(yè)工控系統(tǒng)安全模擬平臺；挖掘工控系統(tǒng)安全漏洞8項；主持制定5項工控安全國家標準；研制了“安全盾”系列防護產品、控制系統(tǒng)測試評估系統(tǒng)，獲得國家信息安全測評—信息安全服務資質證書（安全工程類），可以為工業(yè)企業(yè)提供：（1）工控系統(tǒng)網絡安全產品；（2）面向行業(yè)的工控系統(tǒng)安全防護解決方案；（3）行業(yè)工控安全等級保護體系建設；（4）行業(yè)工控系統(tǒng)網絡安全運維服務等產品與服務。
中控科技集團為工業(yè)企業(yè)提供工控網絡安全的防護策略包括 6個步驟：（1）針對內置預埋代碼，切斷危害，進行應急處置；在安全區(qū)域、系統(tǒng)出口，加強預警防范；（2）依據集散控制系統(tǒng)DCS安全脆弱性檢測、安全防護、安全管理、安全評估、安全等級保護等國家標準；（3）以不影響生產和生產安全為前提，注意數據保護和操作保護；（4）對系統(tǒng)重要性識別、系統(tǒng)資產識別、系統(tǒng)脆弱性識別、系統(tǒng)威脅識別及系統(tǒng)風險識別等維度進行安全防護；（5）采用軟件防護、邊界維護、PLC嵌入式代碼防護、控制異常監(jiān)測與阻斷等措施進行立體防護；（6）對工控系統(tǒng)進行無擾動實時在線修復，并啟動安全應急系統(tǒng)，實現數字化、網絡化、智能化環(huán)境中工業(yè)企業(yè)的工控信息安全。
智能工廠的發(fā)展趨勢
制造業(yè)行業(yè)眾多，發(fā)展基礎和階段升級目標各不相同，各個行業(yè)對智能制造實施方案的需求差異較大。受限于資金投入不足、技術研發(fā)周期長、工藝壁壘和市場風險等因素，單個廠商提供的解決方案很難滿足各個細分行業(yè)等智能制造發(fā)展需求。同時，智能制造是一個復雜的工程，需要跨學科、跨專業(yè)的能力，這同智能制造系統(tǒng)解決方案提供商提出了更高的要求和更大的挑戰(zhàn)，不僅要求供應商在開展業(yè)務時需要轉換視角，同時需要供應商具備更強的行業(yè)積累以及咨詢能力。未來智能工廠建設呈現出新的發(fā)展趨勢。
1）做好頂層設計是未來智能工廠建設的重要保障。聘請或是組建智能工廠領域的專業(yè)化咨詢團隊，圍繞智能工廠的主要環(huán)節(jié)和重點領域，以企業(yè)為主體提出適用于產用雙方的建設模型，對企業(yè)智能工廠進行長遠規(guī)劃和總體設計。在智能工廠頂層設計咨詢的過程中，實現智能工廠的技術、產品與企業(yè)管理、人才培養(yǎng)的融合創(chuàng)新。
2）工業(yè)大數據布局加速，行業(yè)共性數據的積累將為系統(tǒng)解決方案輸出提供支撐。鑒于工業(yè)大數據在物料品質監(jiān)控、設備異常預警、能源在線監(jiān)控、生產及物流優(yōu)化等方面的作用，制造企業(yè)將加速布局工業(yè)大數據在生產線上的應用，未來智能工業(yè)大腦可替代經驗豐富的工廠操作和管理人員。
3）云產品和解決方案將大量涌現，基于云的智能制造模式和面向云服務的平臺加速向制造領域滲透，智能制造和信息資源逐步移入云端，數據集成問題成為關注的重點。
4）建立工業(yè)互聯網平臺的智能制造產業(yè)生態(tài)圈，基于統(tǒng)一的工業(yè)操作系統(tǒng)，采取強強聯合、優(yōu)勢互補的策略，不斷加強協(xié)同創(chuàng)新，推出更為豐富的工業(yè)整體解決方案APP，是加快推進智能制造的最有效途徑和未來發(fā)展趨勢。
5）“集團化和實戰(zhàn)化”的網絡威脅、“受制于人”的控制系統(tǒng)、嚴重不足的安全防護能力已經成為工業(yè)企業(yè)進行數字化、網絡化、智能化建設的嚴重障礙與威脅，基于縱深防御的立體工控安全防護整體解決方案已經成為流程工業(yè)未來智能工廠建設的必選項。
結 論
處于不同發(fā)展階段的制造企業(yè)，在向智能制造的轉型升級過程中，對于自動化、信息化、智能化技術及解決方案的需求具有較大的差異性，要求智能制造解決方案要有良好的靈活性和彈性。同時，隨著新一代信息技術在制造企業(yè)中的深度應用，在促進企業(yè)“提質、降本、增效”的同時，也給制造企業(yè)的安全生產帶來了新的“安全風險”，企業(yè)必須進行系統(tǒng)性的考慮，平衡好這一矛盾。
1）基于工業(yè)互聯網的SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)，是解決“信息孤島、應用孤島”的有效解決方案，是未來智能制造系統(tǒng)建設的基礎；
2）面向行業(yè)的APPs解決方案，為知識共享、用戶靈活選配提供了平臺與選擇，用戶在選擇新技術、新產品、新應用等方面具有更多的主動權，智能制造系統(tǒng)的“適用、實用”可以得到更好的保障；
3）基于縱深防御的工控安全防御體系及相關技術、產品的應用，是智能制造解決方案的重要組成部分，必須與智能制造的其他工作，同步設計、同步建設，保障制造企業(yè)的運行安全。
隨著物聯網、云計算、大數據、人工智能以及工控安全等新一代信息技術在工業(yè)領域得到深化應用，基于工業(yè)互聯網的SupOS工業(yè)操作系統(tǒng)、行業(yè)整體解決方案APPs、工控安全防御體系打造的智能制造生態(tài)系統(tǒng)，已經成為工業(yè)企業(yè)智能工廠建設的主流方向，并將催生更多新興工業(yè)智能化業(yè)態(tài)的發(fā)展。（來源：科技導報 文/褚健 編選：網經社-電子商務研究中心）
