2021.02.03

陈武:基于可信工业互联网标识构建5G数字孪生产业生态丨工业互联网“咖”解

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作者

陈武

亚信科技(中国)有限公司高级副总裁、工业互联网产业联盟副理事长

朱军

亚信科技(中国)有限公司数据科学首席架构师


摘要:随着在千行百业中的不断延伸,5G作为泛在感知网络成为万物互联的基础设施,连接物理世界的人与物并在其数字化模型的基础上通过数据进行感知与通信。面向产业互联的5G网络快速推动了工业互联网标识体系的发展,通过为联网的物体建立唯一的身份符号实现了万物互识,并能够在互联网上根据授权有效的分析其标识数据。而区块链技术的融入使得相关利益方能够对标识数据进行有效的确权、存证与溯源,从而保证标识数据的可信度,构建万物互信的基础 。最终,基于可信的标识数据企业可以将基于模型与数据融入人工智能、虚拟现实等软件技术构建物理实体的数字孪生体,并通过数字线程构建孪生体之间的交互场景,以数据驱动万物互动的方式实现一个还原现实、超越现实又反作用于现实的数字孪生系统。


在泛化的5G网络不断向边缘延伸、万物互联的情形下,云原生逐渐成为软件标准,千行百业将以大数据作为共享生产资料,通过人工智能增强生产力,用区块链改善生产关系,构建出一个数字孪生世界。我们看到,在CT通信技术、IT信息技术、DT数据技术和OT工业操作技术的云化融合下,工业互联网正逐步实现基于5G网络的万物互联,基于工业互联网标识实现万物互识,基于区块链达到万物互信以及最终基于自主的数字孪生体进行万物互动的数字世界。亚信科技致力于打造基于互联网标识的数字孪生生态,通过与合作伙伴共建共享数字孪生开发平台和数字孪生场景构建平台,在工业互联网标识体系上实现各自孪生体的互联互通,从而以开放运营的模式促进产业协同发展。

一、基于5G泛在网络推动万物互联

作为一个软件可定义的泛在网络,5G不断的将不同的网络技术特性融入到自身的标准中,形成了一个基于云原生柔性技术架构支撑下的云网融合体系,其对应的高速率、低延时和高带宽特征会使成为物联网、车联网、远程控制、城市交通实时管控等未来网络中非常重要的接口,成为未来信息社会的重要基础设施。

传统模式下的网络技术在工业领域的应用存在以下两方面问题:其一,网络运行中的信息传输效率不够高;其二,对专业的工业生产应用技术的适应性不强。5G因其能够满足更高端、更复杂的各种通信性能需求,满足更精确、更快速的各种应用标准,因而能够服务于更多用户、更多终端设备和更多的目标场景,所以5G完全有能力在传输领域和互联网领域承载即将到来的工业互联网的诸多应用,能够直接或间接地影响工业互联网,甚至催生出全新的生产、生活思维方式,使之成为支撑工业互联网的网络基础。因此,5G被视为打通工业互联网最后一公里的有效手段:

01  5G助力破解工业互联网设备互联互通难题

数据采集是工业互联网的基础,当前我国工业领域所使用的通信协议种类多、各有不足且相对封闭,且约80%以上的工厂设备无法联网,严重制约了设备数据上云,致使设备互联互通问题突出。通过将5G技术与工业无源光网络(PON)、移动边缘计算(MEC)等相结合,能够降低工业场景协议转换和设备接入难度,提升工业互联网异构数据接入能力,有效解决“数据孤岛”的问题。

02  5G助力支撑海量工业数据实时同步传输

目前,大量工业企业现有内部网络无法支撑工业场景中海量数据实时传输和网络时间同步,亟需进行基础网络升级改造,提升网络传输带宽。5G作为工业互联网的关键基础设施,具备大带宽、低时延、海量连接的网络特性,能够提供端到端毫秒级时延和接近100%的高可靠性通信保障,满足工业大数据无线传输需求和工业领域大量即时处理需求。

03  5G助力拓展工业互联网应用的广度与深度

5G与工业互联网的融合应用,将为工业互联网发展开创新空间。一方面,5G将助力工业互联网全要素、全环节高效互联互通,实现以数据流带动技术流、资金流、人才流、物资流,有效提升传统产业的发展质量与效益。另一方面,5G将加速人工智能、AR/VR等新兴前沿技术在工业领域的应用与探索,催生形成新产品、新模式和新业态,拓展工业互联网发展空间。

总之,5G融入工业互联网将有利于基于一张物理网络高效的实现万物互联互通,丰富工业互联网应用场景,加速工业企业数字化、智能化转型,推动形成新模式、新生态融合发展的新图景。

二、基于互联网标识实现万物互识

工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能,标识解析体系作为工业互联网的关键神经系统,是实现工业系统互联和工业数据传输交换的支撑基础。其中,工业互联网标识是指能够唯一识别机器、产品、算法、工序等制造业物理资源和虚拟资源的身份符号。工业互联网标识解析是指能够根据标识编码查询目标对象网络位置或者相关信息的系统装置。2020年3月,工业和信息化部发布《关于推动工业互联网加快发展的通知》,提出“增强完善工业互联网标识体系”,加快新型基础设施建设,进一步增强网络基础资源支撑能力。通过工业互联网标识解析系统,构建人、机、物全面互联的基础设施,可以实现工业设计、研发、生产、销售、服务等产业要素的全面互联,提升协作效率,对促进工业数据的开放流动与聚合、推动工业资源的优化集成与自由调度、支撑工业集成创新应用具有重要意义。

工业互联网标识解析体系是工业互联网网络架构的重要组成部分,是维护全球工业互联网稳定运行的重要基础设施和服务,其作用类似于互联网领域的域名解析系统(DNS)。工业互联网标识解析体系的对象是机器、产品等物理实体和算法、工艺等虚拟制造资源,标识解析系统根据标识查询网络位置,从而实现人与物、物与物之间的通信寻址,或者直接查询物的相关信息。从功能视角看,工业互联网标识解析相对互联网域名系统而言,对象范围变化、对象粒度细化、解析功能更加丰富。工业互联网标识解析体系的功能视图自下而上分别为标识编码层、标识解析层、标识数据层和标识应用层。标识编码层定义工业制造中各类对象进行数字化标识的技术手段和相关管理规范,标识解析层定义根据标识编码查询对象网络位置或者相关信息的服务,标识数据层定义标识数据的识读、处理以及和单元(组织、企业、工厂)内部与单元之间的信息传递及交互机制,标识应用层定义标识服务的具体应用场景。

工业互联网标识解析系统的整体架构采用分层、分级模式构建,面向各行业、各类工业企业提供标识解析公共服务。系统主要元素包括根节点、国家顶级节点、二级节点、企业节点、公共递归节点等。工业互联网通过标识编码识别互联的万物,并通过联网对象的协作交互实现全要素、全产业链、全价值链的互通,有效提高生产效率。随着工业互联网推进不断深入,采用公有标识对各类资源进行标准化编码成为实现信息共享,推进工业智能化的基础。能够唯一识别不同联网对象的标识编码技术是实现工业互联网应用服务的前提。

三、基于区块链构建万物互信

2020年4月,国家发改委确定了新型基础设施的内涵和外延,其中区块链(blockchain)作为新技术的基础设施,将成为支撑数字经济发展的重要基础。在数字经济时代数据成为劳动力、土地、资本和技术之外的第五大生产要素,作为经济发展关键的要素,数据需要通过资产化提高其交易的效率和价值,而区块链将融入工业互联网基础设施对此起到有力的支撑作用。当前,工业互联网标识推动工业企业从烟囱式的构建模式趋向于平台化、共享化的方向发展,共享网络最后带来的问题是中心化的问题、如何解决信任问题,特别是针对工业互联网标识数据层的信任问题,而目前区块链被认为是解决信任最好的技术方案。

数据是数字经济的命脉,区块链以其公开共享、去中心化、不可篡改、可追溯和不可抵赖等技术优势,被认为是解决数据可信流通问题的合适方案。在数据采集、确权、授权、监管、隐私保护全过程中,基于区块链建设可信数据交换平台,通过安全多方计算、智能合约技术、非对称加密技术等可控制用户对数据的访问权限,解决数据隐私安全和数据主导权等问题,打破政府、企业间的数据孤岛壁垒。区块链的落地应用与变革,将是推进数据融合,发挥数据资源价值,在工业互联网标识体系之上形成可信数据交换生态系统等变革的关键。区块链最核心的方式是去中心化、可信,其最大的特点是数据难以篡改,因此它可以作为工业互联网标识数据的存证。但是它无法解决数据上链之前在现实世界当中的问题,也就是说如果现实世界中发生的数据是错误的,区块链无法识别。比如说,医疗数据测的心跳血压,如果做了修改区块链也不知道真假。但每个人看医生的各种信息,电子的各种信息都可以上链,作为这些相关的数据确权、存证与溯源,区块链是非常有价值的。

工业互联网标识体系和区块链网络将会相互赋能、协同发展。一方面,标识及其解析服务是区块链的核心基础服务组件。通过唯一标识实现物理世界向数字世界的身份可信映射,促进跨链或标识对象间的互操作;而区块链的分布式信任管理机制,有助于建立数字空间信任链条,推动多边共管共治的标识治理体系。另一方面,基于区块链在开展共管共治的标识注册、标识解析以及标识数据共享等系列服务,促进标识在全球唯一和互通互认,既有助于企业解决数字化过程中的数据孤岛难题,又有利于解决跨链安全可信连接、交互和互操作问题,实现“万物互信”产业生态的构建。

总体而言,“链”为“网”带来安全,区块链的分布式信任传递和管理的机制,有助于破局工业互联网多元化管理机制长期的难题;而“网”又为“链”带来新的场景,工业互联网标识作为新型数据资源空间,更加适合发挥区块链技术的优势。

四、基于数字孪生智造万物互动

数字孪生体(digital twin)作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径,可将物理实体和系统的属性、结构、状态、性能、功能和行为映射到虚拟世界,形成高保真的动态多维、多尺度、多物理量模型,为观察物理世界、认识物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一种有效手段。当前对数字孪生存在多种不同认识和理解,目前尚未形成统一共识的定义,但物理实体、虚拟模型、数据、连接、服务是数字孪生的核心要素。不同阶段(如产品的不同阶段)的数字孪生呈现出不同的特点,对数字孪生的认识与实践离不开具体对象、具体应用与具体需求。从应用和解决实际需求的角度出发,实际应用过程中不一定要求所建立的“数字孪生”具备所有理想特征,能满足用户的具体需要即可。

数字线程(digital thread)被认为是产品模型在各阶段演化利用的沟通渠道,是依托于产品全生命周期的业务系统,涵盖产品构思、设计、供应链、制造、售后服务等各个环节。在整个产品的生命周期中,通过提供访问、整合以及将不同/ 分散数据转换为可操作性信息的能力来通知决策制定者。数字线程也是一个允许可连接数据流的通信框架,并提供一个包含生命周期各阶段功能的集成视图。数字线程有能力为产品数字孪生提供访问、整合和转换能力,其目标是贯通产品生命周期和价值链,实现全面追溯、信息交互和价值链协同。由此可见,产品的数字孪生是对象、模型和数据,而数字线程是方法、通道、链接和接口。简单地说,在数字孪生的广义模型之中,存在着彼此具有关联的小模型。数字线程可以明确这些小模型之间的关联关系并提供支持。因此,从全生命周期这个广义的角度来说,数字线程是属于面向全生命周期的数字孪生的。

当前工业生产已经发展到高度自动化与信息化阶段,在生产过程中产生大量信息。虽然这些信息可以通过工业互联网标识体系上网,并借助区块链促进多源异构、异地分散的信息孤岛融合流通,但缺乏了数据的智能加工与相应的软件服务,标识数据还未能在工业生产中自动驱动业务流程形成自主智能的数字化系统。而数字孪生为工业产生的物理实体创建了数字对象,并将物理设备的各种属性映射其数字对象中,同时借助人工智能机器学习可以创建智能孪生体通过数据驱动的方式与物理世界相连。这样,不仅工业人员通过在虚拟空间中模拟、分析、生产预测,能够仿真复杂的制造工艺,实现产品设计,制造和智能服务等闭环优化。同时借助具有自主智能的数字孪生体,通过数字线程的编排还能够实现软件定义的万物互动。

五、5G数字孪生智慧城市

亚信科技整合5G、AI、云计算、物联网、区块链、GIS等多种技术,在工业互联网标识体系的基础上构建5G城市数字孪生平台,重新定义城市未来基础架构,聚焦现阶段我国智慧城市建设管理痛点,利用数字孪生平台定义城市管理中的人和物,基于城市数字孪生体的组合、编排和运行规则的定义和操作,构建城市规划、经济生活、应急安防、综合服务等应用场景。

亚信科技结合自身行业特点,提出基于“数字孪生技术”构建5G智慧城市的整体规划,其中又以“5G城市数字孪生平台”作为面向业务和交付的行业通用平台,一来解决过去搭建智慧系列解决方案和应用中立体空间搭建和设备管理重复造“轮子”的弊端。二来通过打造万物可孪生的数字化理念,基于孪生场景构建和运行核心能力,实现面向不同行业、不同地域、不同规模的,具备快速搭建、集成接入、业务编排、AI赋能、可插拔式应用和API能力开放的一体化交付能力,为政府、企业的智能管理、智慧运营全面赋能。


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参考资料:

1. 《新基建背景下“工业互联网+5G”融合发展新图景》,赛迪智库信息化与软件产业研究所,2020年

2. 《工业互联网标识解析体系架构及部署进展》,中国信息通信研究院,2020年

3. 《信通院院长刘多:区块链是支撑我国数字经济发展的重要基础》,智博会区块链高峰论坛,2020年

4. 《数字孪生应用白皮书》,中国电子技术标准化研究院,2020年


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