探讨:数字化,驱动工业计算机走向变革

  点击数:726  发布时间:2020-12-18 13:05
近年来,随着物联网、工业互联网、云计算、边缘计算等技术的高速发展和应用,工业计算机应用早已不仅仅局限于工业自动化的领域,其扮演的角色越来越丰富多样化,在零售业、医疗、交通、物流、家居等与我们日常生活密切相关的领域都能看到工业计算机的踪迹。
关键词:工业互联网 ,云计算 ,工业计算机

近年来,随着物联网、工业互联网、云计算、边缘计算等技术的高速发展和应用,工业计算机应用早已不仅仅局限于工业自动化的领域,其扮演的角色越来越丰富多样化,在零售业、医疗、交通、物流、家居等与我们日常生活密切相关的领域都能看到工业计算机的踪迹。在自动化和信息化产业链中工业计算机占据着至关重要的地位,工业计算机不单是传统行业升级改造的马达,更是各领域走向数字化、智能化的主要硬件框架和基础平台。日益广泛的应用领域和数字化应用需求也推动了工业计算机功能、架构等多方面的变革,本期专题特邀请来自工控机领域的资深专家和企业代表共同探讨工业计算机的未来趋势。 

刘鑫:边缘计算、5G技术推动工业计算机未来发展

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中国计算机学会工业计算机专委会主任刘鑫

当前,随着5G、工业互联网、云计算、机器人以及人工智能(AI)等技术的推广普及,工业自动化正站在新技术变革的风口浪尖上。工业互联网作为新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物,也发展到了有潜力改变制造业面貌的程度,并将成为构建国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进新发展格局的有力支撑。

数字化是通向美好未来的桥梁。在过去的十年中,以数据为基础的数字化转型浪潮席卷了制造业。企业正在转向智能制造技术和平台,从横向和纵向整合控制系统与现场的传感和数据采集层以及企业管理系统,以提高生产效率和生产能力,实现全厂过程优化和增强客户体验的能力。

COVID-19大流行加速了对支持保持社交距离、远程操作解决方案的需求,使企业能有手段在任何地点、任何时刻、通过任一设备远程访问和控制生产过程或业务活动。

ARC Advisory Group预测,工业自动化将向边缘计算跨越,尤其是在人工智能、机器学习和数据分析方面。Gartner估计,到2022年,大约75%的数据将需要在边缘进行分析和执行操作。

从更广泛的视角来看,边缘计算将硬件设备与5G、云计算和人工智能有机地连接在一起,使工业自动化系统的集中和分布真正统一起来。5G是无线通信的未来发展方向,是新基建的龙头,将为生产、维护和物流中的无线网络各种新应用全面打开大门。到2024年,5G网络有望覆盖全球40%的区域并处理25%的移动流量。

在新技术和新产品的推动下,预计在2020年全球工业自动化系统和产品的营业收入将达到接近2000亿美元,相当于1.35万亿人民币。

工业计算机作为实现边缘计算的主要设备,为了满足新一代数据驱动的分布式智能工业自动化系统、工业互联网和5G技术的发展对边缘设备的需要,其技术和产品发展趋势将呈现如下特点:

(1)小型化和软硬件的可配置性,以方便嵌入到现场生产设备内部,或者安装在工业系统或网络边缘靠近现场设备的位置。

(2)智能化将占据主导地位。广泛采用人工智能芯片,具有强大的数据分析和机器学习能力,能在没有人工干预的情况下,监控和优化被控设备的工作状态,提供预测性维护预警,并对现场突发事件进行实时或近实时决策和处理。

(3)支持5G移动互联,为复杂环境下的无线联网和远程服务提供可靠的解决方案。

(4)更具个性化特点,订单式生产,服务定制客户,满足特定工作环境条件需要。

(5)工业计算机生态建设完善,形成了芯片、制造商、基础软件和应用软件开发企业、大专院所、用户单位以及专家学者、研发工程师和应用工程师、专业学生深度协作互动的生态,工业计算机技术实现良性循环滚动式发展态势。

总之,需求侧的深刻变革和巨大需求给供给侧工业计算机技术和产品的发展提供了强大驱动力。中美科技竞争引发的“自主创新、自主可控”浪潮也为本土工业计算机的广泛应用铺平了道路。我国工业计算机技术发展将跨入一个前景广阔的新时代。

柴毅:工业计算机未来发展三大趋势

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重庆大学自动化学院院长柴毅

中国改革开放40年以来,各行业数字化、信息化快速推进,作为工业数字化、信息化支撑的工业计算机在形态与技术等方面也不断快速发展,并越来越广泛地应用于能源、冶金、化工、航空航天、交通运输、建筑、食品、医药、环保等诸多领域。在未来,随着新一代工业革命的到来以及人工智能技术、物联网技术、5G、大数据、边缘计算、量子计算、区块链等颠覆性技术的发展和成熟,各行业对于数据计算、传输、存储等将有更深层次的需求,驱使工业计算机在数据采集、存储、处理、显示、传输、交互等方面出现巨大变革,并且,其应用场景将得到极大扩展、应用环境将出现巨大变化、承担的任务也将更加多元。结合现有工业技术特征与趋势,工业计算机可能在以下几个方面出现重大变革:

(1)专业化、微型化、模块化和低功耗

伴随人工智能、区块链等新技术与工业生产的深度融合,以大数据为核心的各项服务、解决方案不断推陈出新,工业计算机承担的数据处理规模将成指数增长,执行的数据任务复杂性也将极大增加,为满足工业大数据处理的需求,专业化、微型化是工业计算机发展的必然趋势。并且随着万物互联程度越来越高,尺寸小、功能强的微型化、模块化的工业计算机将发挥越来越重要的作用,其市场将发生爆炸性的增长。另外,在新一轮制造范式升级过程中,在低功耗、高效益生产的驱动下,低功耗也将成为工业计算机发展的新趋势。

(2)工业计算机组织方式的变革

随着工业系统规模增加,工业系统部件分散性强,地理位置跨度大,并且系统动态性强,对工业计算机的性能和通信速率等提出了较高的要求,传统集中式的工业计算机组织形式难以满足大数据的快速采集、处理和存储的要求。边缘计算技术可将大数据采集、处理和分析任务分散至各终端,深度整合各运算终端算力和性能,极大减轻大数据处理压力,实现事件的快速响应。在边缘计算、雾计算、云计算等新计算方式的快速发展下,必将带来工业计算机组织形式的变革。

(3)工业计算机架构的变革

以人工智能技术为代表的新一轮变革技术的出现,对计算机的算力提出了极高要求。传统计算机架构发展已经遇到瓶颈,迫切需要新的计算机架构方式。当前,以量子计算机为代表的新计算机架构发展迅速,其关键技术不断被突破。可以预见,量子计算机、超导计算机、纳米计算机、光计算机、DNA计算机等新计算机架构的突破必将给工业计算机的发展带来巨大的发展潜力。

在动态复杂系统故障诊断或安全性分析任务中,如何准确采集重要的数据以及如何快速高效地处理数据是其关键环节。传统的集中式通用计算机灵活度低,可扩展性差,系统升级、维护困难。而专业化、模块化的边缘计算工业计算机可直接部署于复杂系统中的关键节点,通过传感器采集关键数据,并利用设计的数据处理算法和诊断分析算法进行即时的数据处理和分析,使其具备自主感知和智能决策能力,从而实现该节点处信息的智能采集、分析和快速故障诊断、安全评估。此外,微型云技术的引入使得算法和数据可依据实际任务需要,将数据或算法点对点地传输至相应的终端工业计算机上。并且,每个边缘计算工业计算机的处理结果也可上传至微型云中,通过云计算整合各分布式工业计算机诊断分析结果,并最终给出整个系统最终的综合分析结果。在这个过程中,算法、数据和结果以流的形式在分布式工业计算机系统中被访问、读取和操作。

马国华:推动工业计算机体系架构标准化

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北京力控元通科技有限公司董事长马国华

工业计算机与非工业计算机相对而言,对可靠性、稳定性、抗恶劣环境有更高的要求,按照这一标准,今后工业计算机的应用场景将延伸到更多领域,包括工业领域和更大范围的泛工业领域。在应用场景快速扩大的同时,市场对工业计算机也提出了更多的要求,对这些要求的满足情况将决定工业计算机的市场成长。

首先,工业计算机作为上层应用的底座,如果在以下几个方面有所作为,就会在更大程度上充分地满足用户的需求,缩短应用的研发和调试周期,从而促进工业计算机本身的发展:

(1)实时操作系统平台支持,在实时多任务调度、I/O驱动如新一代网络/视频等驱动等支持上提供友好的用户接口;

(2)主机板与I/O等外设板能够进行快速定制、合成,具备模块化的结构;

(3)在大型分布式应用、小型物联网及嵌入式应用等不同的应用场景中,都需要这种成熟的平台架构。

工业计算机的最终应用效果取决于应用软件及系统架构,体现出来的效果是软件武装硬件、软件驱动硬件,硬件平台的竞争更多地表现在底层软件支撑能力的竞争。但是光凭个别厂商单打独斗难以达到软硬件平台标准化、模块化的目标,造成硬件平台竞争力不足,影响行业规模的发展,造成恶性循环。

如果通过学会、协会或者技术联盟平台,推动相关工业计算机体系架构的标准化,对共性技术开展联合研发,成果共享,就可以大幅降低行业应用的共同成本,推动工业计算机全行业共同上规模,让整个行业受益。

在工业计算机这条产业链上,整机厂商、主板及其他硬件供应商以及软件厂商最大的困惑基本都来自定制能力不足,而很多基础的定制需求属于共性要求。定制能力不足的主要因素表现在客户需求数量及单价与一次性投入成本的不匹配。

在有些领域,工业计算机与非工业计算机已经没有明显的界限,很多商用计算机也应用在工业领域。工业计算机只有发挥专长才能凸显自己的优势。实时性、抗恶劣环境、模块化、定制灵活、I/O丰富等综合特征是工业计算机的优势,只有让工业计算机的强项更强,才能让工业计算机事业更好地发展。

向仁涛:工控机 “国产化”和 “自主可控”问题备受关注

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深圳华北工控股份有限公司市场部经理向仁涛

工控机的产品及技术比较特殊,是为其他多行业领域提供可靠、嵌入式、智能化的工业计算机。近年来,在物联网、计算机及网络技术、人工智能等快速发展的背景下,关键性行业的关键任务越来越多地依靠工控机,工控机的产品和技术也迎来了变革与升级。

首先便是嵌入式工控机、工业平板电脑等工控机产品的多方衍生,使工控机的应用不再局限于早先的工业自动化领域,而是广泛应用到轨道交通、医疗设备、电力、金融、网络安全等新兴领域,且正在向工业物联网、网络安全、新能源及智能机器人等领域不断扩展。未来,工控机将更具交互性和操作性,或将成为一个开放、标准化的计算机平台。

其次,随着各行各业转型升级建设的不断加快,相关制造商对应用其中的工控机产品和技术也提出了智能化、数字化、信息化等方面的新要求。新时期下的工控机将不断融合人工智能、物联网、大数据、云计算等前沿技术,突破现有的技术架构,以更高集成度、模块化的技术设计,担当起不同行业领域智能系统的技术载体。工控机的服务对象不再只是单一的硬件产品,而是更复杂、功能集成需求更高的整体智能系统。

未来,定制化和专用化将是工控机产业重要的发展趋势之一,当前,社会新技术及智能设备层出不穷,各行各业都在不断加强自主创新力度,以推出更具差异化、竞争优势的新产品及服务来抢占市场份额。工控机厂商为了更好地满足不同行业领域的客户需求,为客户提供高度弹性且定制化的产品及服务,不断推出能符合客户实际应用需求的产品已经成为工控机行业发展新的潮流。

此外,工控机产品的“国产化”和高度“自主可控”问题也开始备受关注。特别是近两年中外贸易形势的日益严峻,国外对中国科技企业的持续打压,以及中国“缺芯”问题给国内高新技术企业发展带来了诸多不利影响。为了响应“核心技术国产化”和提高国内高新技术产品及服务自主可靠优势的号召,国内工控机产业也开始大力采用国内高端芯片及原材料进行自主创新,力求打造出极具原创性和自主性优势的工控机产品及服务,来满足庞大的国内市场。

最后,工控机应用的信息安全问题也是目前工控机产业比较重视的问题。基于复杂的网络环境,为了保证工业控制系统信息数据的安全传输与安全存储,相关厂商也开始加大了对工控机信息安全保护方面的重视。

摘自《自动化博览》2020年11月刊

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