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華為不僅在自身的數字化轉型中持續踐行智能制造,還攜手客戶和伙伴開展智能制造的場景化創新實踐,並在聯接寬帶化、網絡智能化和網安一體化等方面進行探索和創新,以構建新一代開放架構的先進工業網絡。
文/華為數據通信產品線總裁 王雷
智能制造系統主要由智能產品、智能生產及智能服務三大功能系統以及智能制造雲和工業互聯網絡兩大支撐系統集合而成(如圖1)。國家制造強國建設戰略咨詢委員會主任、中國工程院院士周濟指出,智能制造是先進制造技術與新一代信息技術的深度融合,貫穿于研發、生產、供應、銷售和服務等制造全生命周期的各個環節。智能制造的目標是實現制造過程的數字化、網絡化、智能化,以不斷提升企業的產品質量、效益和服務水平,推動制造業朝著創新、綠色、協調、開放、共享的方向發展。
近年來,數字化網絡化裝備、產線、車間和工廠的發展迅速,為制造企業的智能升級和創新發展提供了基礎設施方面的有力支持。華為作為全球ICT(信息與通信)基礎設施和智能終端提供商,不僅在自身的數字化轉型中持續踐行智能制造,還攜手客戶和伙伴開展智能制造的場景化創新實踐。
圖1︰智能制造系統架構
華為在智能制造領域的實踐,充分體現了其“為場景找技術”的理念。通過與合作伙伴的緊密合作,華為針對工業裝備遠程控制、自動化倉儲與物流配送、質量在線檢測與追溯等20個高價值場景,研發了一系列創新解決方案。
以“自動化倉儲與物流配送”場景為例,華為成功研發了“Wi-Fi 6無縫漫游”技術,解決了AGV物流機器人在不同Wi-Fi基站之間運動時可能失去網絡信號、丟失數據的問題(如圖2),實現了物流裝備的控制信令和物料信息錄入的高效、穩定、可靠傳輸。這一技術的應用,使得華為南方工廠AGV物流機器人的坪效比提升30%。
圖2︰無縫漫游技術在AGV物流系統中的應用
該實踐表明,在工業園區中,網絡系統是連接人-機-料-法-環、數據、算力的關鍵要素,對于實現智能生產至關重要。為了適應智能制造時代的需求,傳統工業網絡需要進行升級,構建新一代先進工業網絡,以實現數據的高效傳輸和處理,讓“數據上得來、智能下得去”,與工業裝備和工業軟件協同工作,加速工業數據的產生、采集、流轉、處理和價值變現。
要構建新一代開放架構的先進工業網絡,首先要了解先進工業網絡的四個關鍵特征。
第一,裝備網聯化。是指充分發揮無線技術的優勢,讓有線網絡無法聯接的工業裝備也實現聯網工作。這樣可以讓更多的工業裝備吐出數據,將數據要素資源轉換為智能制造的生產力,實現精細化管理、降本增效。
第二,聯接寬帶化。是指采用先進的網絡技術和協議,如5G、Wi-Fi 6、TSN、單線對以太等,支撐在生產現場大規模引入新一代智能裝備,如自動光學檢測和物流機器人等,以釋放出更多的數據。這些數據通過網絡連接和數據集成,打破數據孤島,加速了數據的變現。
第三,網絡智能化。是指實現網絡自身的“智改數轉”,滿足工業級的穩定性、確定性,讓網絡更聰明地主動適配工業場景的多樣化業務需求,提升網絡易用性,降低新技術的學習成本。
第四,網安一體化。是指加強工業網絡的韌性,用“非侵入式防護”思路為難以頻繁升級、缺少安全補丁的工業裝備保駕護航。這樣可以保護工業設備免受攻擊,確保生產過程的安全和穩定。
為此,要構建新一代開放架構的先進工業網絡,需要綜合采用5G、Wi-Fi 6、光電以太網、TSN、IPv6+等現代化網絡新技術,匹配智能制造場景。
華為正在與各行各業的客戶和伙伴合作,開展先進工業網絡的聯合創新,以加速工業網絡的升級,助力智能制造創新發展。
在裝備網聯化方面,華為注重提升裝備網聯化率,既關注增量,也關注存量。
目前實際應用中發現裝備網聯化的比例只有30%左右。這主要是因為傳統工業設備種類繁多,聯網難度大,同時采用有線網絡技術進行聯網又面臨著線纜多、故障多、工作量大的問題。而新引入的數智化裝備一般可以采用5G,Wi-Fi和IoT等工業級無線網絡技術實現快速聯網,解決以上難題。
調研發現,一家大型汽車制造企業過去5年間生產現場的無線生產終端數量增長了20倍,從每個車間平均77個增加到1500個。對于一些傳統老舊設備,一般通過物聯網關來進行數據采集,讓“啞設備”也能開口“吐數據”。
上汽集團寧德乘用車基地為了構建“數據-信息-價值”的數據驅動的信息流,實現動態感知、輔助決策和智能預警,全面引入Wi-Fi 6等新技術構築一張工業級高品質無線網絡,連接500多輛在制車輛、2000多個智能終端設備、超10000個傳感器,支持億級數據的實時采集和秒級分析反饋,實現制造全過程記錄、數字化、系統化、透明化(如圖3);通過Wi-Fi 6無縫漫游技術,杜絕了AGV“趴窩”現象,AGV運送效率提升40%;通過數據分析實現工業裝備的預測性維護,減少了20%意外停機時間;最終生產效率提升48%,提升了生產節拍,做到1分鐘生產1輛車。
圖3︰上汽寧德基地打造基于Wi-Fi 6的全聯接工廠
聯接寬帶化是智能制造對于先進工業網絡的必然要求。隨著AI技術深入智能生產現場,數據密度、計算通量的提高也要求先進工業網絡提供更大的帶寬。
以汽車行業為例,隨著汽車智能化水平的逐步發展和提升,車機操作系統越來越復雜,軟件包也越來越大,車機操作系統軟件包已經高達5GB,實現汽車軟件包的高速灌裝成了提升總裝車間生產節拍的重要一環。比亞迪生產線通過引入華為Wi-Fi 6構建了一張大帶寬、高質量的無線生產網絡,實現了5分鐘內100多輛車的軟件包在線灌裝,縮短了新車下線時間,提升了生產節拍(如圖4)。
圖4︰比亞迪總裝產線基于Wi-Fi 6網絡實現車機系統快速在線灌裝
要深入推進工業網絡聯接寬帶化,關鍵是做到讓寬帶網絡技術適配工業場景,深入智能生產的最後100米。
隨著新型數智裝備持續下沉到車間、產線、工位,傳統OT域正在經歷深刻的變革。這種由生產現場少人化、無人化所帶來的遠程集控趨勢變革,推動了先進工業控制網絡從現場總線、小型現場網絡向車間級、工廠級、基地級的大型、超大型網絡發展。
為此,適配工業場景的以太網技術——時間敏感網絡(Time Sensitive Network,簡稱TSN)應運而生。TSN具備以太網絡技術的大規模組網和超寬帶聯接能力,同時滿足工業控制系統對確定性時延和高可靠組網的要求。它還兼容Profinet、EtherCAT等傳統工業網絡技術,將成為面向智能生產、遠程集控的下一代主流組網技術(如圖5)。
例如,一家位于珠三角的家電龍頭企業計劃將分散部署在車間各處電櫃的PLC控制器集中部署到工廠級機房,並通過安全加固過的在線調試系統進行高效運維、安全調試和可信升級,減少產線現場調試帶來的人力成本、拉線成本和安全隱患。采用TSN技術的寬帶化先進工業網絡可以將散布在產線各處的驅動器和集中在機房的PLC控制器聯接起來,實現遠程集控組網,同時支持數智裝備的聯網,實現一網統管。在聯合創新試點中,這套方案取得了較好的效果,驗證了其創新應用的正確性。
圖5︰網絡聯接與IT/OT融合
在網絡智能化方面,通過實現“網絡數字孿生”,可以顯著提升網絡的可靠性和易用性。
實時采集的網絡數據經過大模型關聯分析和多模態風險預測,就可以在網絡數字地圖上構築風險預測能力。這種能力能夠提前識別光模塊失效、網絡環路等隱患,並主動排除隱患,從而進一步提升生產網絡可靠性。
華為松山湖基地擁有200多條產線,超過6000台網絡設備和超過1萬個光模塊。光模塊年失效率約0.25%,每年因光模塊失效引起的網絡故障導致的停機停產經濟損失高達數百萬元。通過引入AI算法來預測光模塊亞健康狀態後,華為每年主動更換大約0.3%的高風險亞健康光模塊,避免了光模塊失效造成的停產事故,保障了生產業務7*24小時在線。該案例充分展示了網絡智能化可以極大提升先進工業網絡的可靠性、易用性,助力智能制造創新發展。
在網安一體化方面,築牢網絡安全防線是關鍵。
當前在勒索病毒攻擊目標中,制造行業佔比29%,排名第一。這是因為制造業存在大量老舊機台裝備,無法及時安裝最新的安全補丁,網絡安全防護能力脆弱。同時,網絡安全威脅一旦導致數據丟失、生產線停機,可能給制造企業帶來巨大經濟損失。為了解決這一問題,華為探索出“網安一體化”思路。
華為基于“正向建、反向查”的方法論,通過實施“非侵入式”防御架構,在不觸踫核心生產系統的情況下,提升工業網絡安全防護水平,構築高韌性生產系統。具體而言,首先運用AI防火牆技術來增強網絡邊界的防護能力。這種防火牆不僅能有效識別已知和未知的網絡安全威脅,更具備識別加密流量中潛藏的安全威脅的能力。其次,設置入境隔離區。新設備在接入核心生產區域之前,必須在“入境隔離區”進行隔離,並通過一系列嚴格的檢測,以防範新設備可能帶來的風險。此外,“微隔離”組網方案能夠確保工業網絡中上線的設備之間相互隔離,從而降低潛在的威脅橫向擴散的風險,並增強業務系統的韌性。值得一提的是,華為實踐中應用的“非侵入式”防御架構已經取得了顯著成效,為整個行業樹立了典範。
一家高端制造企業成功部署了華為的“網安一體化”架構,解決了300多台工業裝備無法打補丁的網絡安全防護難題。在部署後的四年內,該企業持續穩定運行,沒有發生任何業務中斷。期間,系統自動阻斷了56次一級攻擊事件,防範了數千萬次網絡攻擊,並發現了6台新引入的帶毒機台。據企業估算,有效止損金額高達2億元。
這些實踐表明,網絡安全是一個系統工程, 而“非侵入式”防御架構的應用提升了網絡的整體防護能力,取得了良好的防護效果。
目前,華為數據通信產品線已經成立了天工實驗室創新平台,並與東風設計院、悅達集團、山能集團等客戶和合作伙伴一起建立了聯合創新中心。幾方共同建立了先進工業網絡測試床,不斷驗證創新的解決方案。通過集思廣益、共同努力,華為還將持續開展智能制造的場景化創新,與產業伙伴和行業客戶共同建設先進工業網絡,打造更多創新標桿。同時,華為也呼吁業界攜手成立先進工業控制網絡的生態合作平台,共同研究面向智能制造的新一代智能工業控制體系架構和網絡需求,加速推進制造業高端化、智能化和綠色化發展。