以上工业互联网平台皆由制造业企业所打造,催生出的制造新模式也是基于自身业务及经验所做出的创新。此外,IT企业也在积极布局工业互联网平台,如阿里的ET工业大脑,华为的Fusion Plant平台等,与制造业企业所打造的平台不同,该类型的平台涵盖的产业领域更广,在大数据、人工智能等IT赋能技术方面更有优势,但在某些产业领域的专业性稍弱。未来,这类平台也将催生新型的制造模式。IT企业与制造业企业打造的工业互联网平台是否会形成竞争?如果有竞争谁更易胜出?未来几年,随着工业互联网进入快速发展期,这些问题将得到答案。
[ 导读 ] 数字孪生,顾名思义,就是数字形式的双胞胎。在“数字孪生”中,双胞胎中的一个是存在于现实世界的实体,小到零件,大到工厂;而双胞胎中的另一个则只存在虚拟和数字世界之中,是利用数字技术营造的与现。
数字孪生
不仅仅是复制。
孪生,即双胞胎;
数字孪生,顾名思义,就是数字形式的双胞胎。
在“数字孪生”中,双胞胎中的一个是存在于现实世界的实体,小到零件,大到工厂,简单如螺丝,复杂如人体的结构。
而双胞胎中的另一个则只存在虚拟和数字世界之中,是利用数字技术营造的与现实世界对称的镜像。
如果以家用电脑为例,Word文档和打印出来的文稿就是“数字孪生”。若以导航软件为例,城市中的实体道路和软件中的虚拟道路也是“数字孪生”。
此外,这个数字孪生体,不仅是对现实实体的虚拟再现,还可以模拟对象在现实环境中的行为。因此可以说,数字孪生是将物理对象以
数字化方式在虚拟空间呈现,模拟其在现实环境中的行为特征。
数字孪生有什么用?
首先,它可以
通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段,将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中,形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像。
这极大的加速了操作人员对物理实体的了解,激发模拟仿真、批量复制、虚拟装配等设计活动。
过去,在没有数字化模型帮助之下,制造一件产品要经历很多次迭代设计。
现在,采用了数字化模型的设计技术,就可以在虚拟的三维数字空间轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系,这使得几何结构的验证工作和装配可行性的验证工作大为简单,大幅度减少了迭代过程中物理样机的制造次数、时间,以及成本。
此外,数字孪生还可以
通过采集有限的物理传感器指标的直接数据,借助大样本库,通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。
由此实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断,以及对未来趋势的预测,并给予分析的结果,模拟各种可能性,提供更全面的决策支持。
例如,针对大型设备运行过程中出现的各种故障特征,可以将传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型,并结合专家处理的记录,将其形成未来对设备故障状态进行精准判决的依据,最终形成自治化的智能诊断和判决。
数字孪生是工业互联网关键技术和重要场景
当下,互联网、大数据、
人工智能
等新一代信息技术迅速发展,对推动
制造业
数字化、网络化、智能化进程起到关键作用,尤其是信息技术对于数据的强大计算和分析能力为制造业发展开辟崭新的发展空间,IT和OT的融合越来越受到制造企业的重视。伴随新一代信息技术与制造业深度融合发展,工业互联网成为制造业从“显”到“隐”的抓手,互联网从“虚”向“实”的载体。工业互联网蓬勃发展离不开技术支撑,包括数字孪生、边缘计算、5G、IPV6、标识解析、TSN(时间敏感网络)、PON(无源光网络)等都是工业互联网的关键技术。
随着工业互联网的应用推进,数字孪生被赋予了新的生命力,工业互联网延伸了数字孪生的价值链条和生命周期,凸显出数字孪生基于模型、数据、服务方面的的优势和能力,打通了数字孪生应用和迭代优化的现实路径,正成为数字孪生的孵化床。
数字孪生基于物理实体的基本状态,以动态实时的方式将建立的模型、收集的数据做出高度写实的分析,用于物理实体的监测、预测和优化。另外,数字孪生作为边缘侧技术,可以有效连接设备层和网络层,成为工业互联网平台的知识萃取工具,不断将工业系统中的碎片化知识传输到工业互联网平台中,不同成熟度的数字孪生体,将不同颗粒度的工业知识重新组装,通过工业APP进行调用。因此,工业互联网平台是数字孪生的孵化床,数字孪生是工业互联网平台的重要场景。
工业互联网重塑数字孪生闭环
数字孪生,以数字方式为物理对象创建高写实虚拟模型,并模拟、分析、预测其行为,为实现信息技术与制造业融合铺平了道路。借助数字孪生,可以集成复杂的制造工艺,实现产品设计,制造和智能服务等闭环优化,数字孪生将成为未来数字化企业发展的关键技术。
在工业互联网概念出现之前,数字孪生的概念还只是停留在软件环境中,比如几何建模的CAD系统、产品生命周期管理的PLM等。但随着工业互联网的出现,
网络的连通效用使得各个数字孪生在设备资产管理,产品生命周期管理和制造流程管理中开始发生关联、互相补充。
例如,
优海信息发明专利产品
3D智能工厂是基于数字孪生技术打造的
,具有实时映射、实时连接、实时控制的特点,实现产品全生命周期内生产、管理、连接的高度数字化及智能化。
3D智能工厂
工业互联网平台激活数字孪生生命
随着制造业不断发展,数字孪生尽管尚未成为主流,却成为每一个数字化企业都要关注的技术。数字孪生的核心是模型和数据,但虚拟模型创建和数据分析需要专业的知识,对于不具备相关知识的人员,构建和使用数字孪生任重道远,工业互联网恰恰可以解决上述问题,通过平台实现数据分析外包、模型共享等业务。
具体来说,物理实体的各种数据收集、交换,都要借助工业互联网来实现,利用平台具有的资源聚合、动态配置、供需对接等优势,整合并利用各类资源,赋能数字孪生。
优海云
例如,
优海信息开发的汽车工业互联网平台--优海云,其功能覆盖整零协同、协同开发、协同制造、生产管理、产品追溯等。该平台实现面向汽车及零部件制造流程优化,通过生产设备数据的互联互通,进行运行数据的采集、分析、挖掘,并与业务系统、供应链系统等实现互联,优化全生产工艺流程。
可以说工业互联网平台激活了数字孪生的生命。
数字孪生助力IT与OT融合
工业互联网是企业数字化转型过程中关键一环,加速了IT和OT各要素的融合,数据是融合过程中最重要的粘结剂,要让IT部门和OT部门融合的更好,首先要处理好数据这项隐形的资产。另外,工业互联网正在试图打破企业的边界,试图填满IT与OT之间的各种缝隙,打造软件定义、数据驱动、模式创新的新生态,而数字孪生刚好为融合发展提供了数据和技术的接口。
在产品设计中,数字孪生可以展示、预测,分析数字模型和物理世界之间的互动过程。基于数字孪生的设计是基于现有物理产品的虚拟映射,研究大量数据以获取有价值的知识进行产品创新。
设计人员只需将需求发布到工业互联网平台,平台管理者就能就精确匹配设计人员需要的数据服务以及用于处理数据的模型和算法服务。通过调用,组合和操作这些服务,结果将返回给设计人员。IT和OT的融合以“按需付费”的方式,在工业互联网平台上悄然完成。
此外,在设计产品的功能结构和组件后,需要测试设计质量和可行性。借助数字孪生,设计人员可以通过验证虚拟产品快速地模拟运行状况,完成虚拟设计和虚拟运行。服务封装后,模型服务可以通过服务搜索,匹配,调度和调用来使用。通过服务,数字孪生有效地应用于产品设计中,减少预期行为和设计行为的不一致产生的修改,大大缩短设计周期,降低设计成本。
打造基于数字孪生的工业APP服务池
随着工业互联网的发展,其核心思想“数据+模型=服务”的影响不断扩大,服务在制造业中扮演着越来越重要的位置。优化服务不仅仅可以应对激烈的竞争并获得更多收入,还可以借助工业APP和微服务解决不同供应商标准协议兼容、异构系统集成等问题。
数字孪生服务包括设备服务、技术服务、测试服务、模拟服务、数据服务、知识服务、模型服务、算法服务等,此外,还有许多辅助服务,如物流服务、运维服务、金融服务等。
工业APP可以充分释放数字孪生的潜力。
工业APP可以将数字孪生的各种组件分解为可由单个服务完成的子任务模块,客户按需定制满足一定功能的微模块,组建起一定功能的微服务组,经服务封装后,数字孪生服务发布到服务池和工业互联网平台。通过微服务,复杂虚拟模型数字孪生的每个组件都可以统一管理、共享和使用。
文章来源:CPS发展论坛 国泰君安证券研究
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工业互联网平台核心技术:安全技术
工业互联网平台需要解决多类工业设备接入、多源工业数据集成、海量数据管理与处理、工业数据建模分析、工业应用创新与集成、工业知识积累迭代实现等一系列问题,涉及七大类关键技术,分别为数据集成和边缘处理技术、IaaS 技术、平台使能技术、数据管理技术、应用开发和微服务技术、工业数据建模与分析技术、安全技术。
由于早期的工业控制系统都是在相对独立的网络环境下运行,在产品设计和网络部署时,只考虑了功能性和稳定性,对安全性考虑不足。随着工业控制系统网络之间互联互通的不断推进,以及工控控制系统和工业设备接入互联网的数量越来越多,通过互联网对工业控制系统实施攻击的可能性越来越高,而每年新发现的SCADA、DCS、PLC漏洞数量也不断增加,这些都为工业互联网带来巨大的安全隐患。
从2011年以后工业控制系统的各种漏洞每年都在高速的增加,这些漏洞将会成为攻击工业控制网络的一种主要途径,通过这些漏洞攻击可以完成获取系统权限、修改工程数据和控制流程、非法关闭现场设备等操作,造成重大的生产事故和经济损失。
1、来自外部网络的渗透
工业互联网会有较多的开放服务,攻击者可以通过扫描发现开放服务,并利用开放服务中的漏洞和缺陷登录到网络服务器获取企业关键资料,同进还可以利用办公网络作为跳板,逐步渗透到控制网络中。通过对于办公网络和控制网络一系列的渗透和攻击,最终获取企业重要的生产资料、关键配方,严重的是随意更改控制仪表的开关状态,恶意修改其控制量,造成重大的生产事故。
2、帐号口令破解
由于企业有对外开放的应用系统(如邮件系统),在登录开放应用系统的时候需要进行身份认证,攻击都通过弱口令扫描、Sniffer密码嗅探、暴力破解、信任人打探套取或社工比较合成口令等手段来获取用户的口令,这样直接获得系统或应用权限。获取了用户权限就可以调取相关资料,恶意更改相关控制设施。
3、利用移动介质攻击
当带有恶意程序的移动介质连接到工程师站或操作员站时,移动介质病毒会利用移动介质自运行功能,自动启动对控制设备进行恶意攻击或恶意指令下置。一方面造成网络病毒在企业各个网络层面自动传播和感染,靠成业务系统和控制系统性能的下降,从而影响企业监测、统筹、决策能力。另一方面会针对特定控制系统或设备进行恶意更改其实际控制量,造成生成事故。
4、PLC程序病毒的威胁
通过对工程师站及编程服务器的控制,感染(替换)其相关程序,当PLC程序的下发时,恶意程序一起被下发到PLC控制设备上。恶意程序一方面篡改PLC的实际控制流,另一方面将运算好的虚假数据发给PLC的输出,防止报警。通过这种方式造成现场设备的压力、温度、液位失控,但监测系统不能及时发现,造成重大的安全事故。
5、利用工业通信协议的缺陷