工业智能操作系统白皮书2024版docx

　　(2024版) 国家流程制造智能调控技术创新中心 国家智能设计与数控技术创新中心 智能制造装备与技术全国重点实验室 工业控制技术全国重点实验室 中国仪器仪表学会 中国自动化学会 华为技术有限公司 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 雪浪数制科技有限公司 二O二四年十一月 编写说明 在全球范围内，新一代智能制造技术的突破和广泛应用正 引领和推进工业革命的第四次浪潮。随着物联网、大数据、人 工智能等新兴技术的快速发展，制造业面临着前所未有的挑战 和机遇。传统制造模式已无法满足日益复杂和多变的市场需求， 制造业亟需通过数字化转型、智能化升级来提升竞争力和创新 能力。工业智能操作系统作为智能制造和新型工业化的核心技 术，其核心作用在于“运用人工智能赋能”实现生产全要素的优 化配置，通过实时数据分析与智能决策机制，有效提升生产效 率、显著降低成本、大幅提高产品质量，是驱动制造流程向绿 色化、低碳化、高端化、高值化转型的关键驱动力。工业智能 操作系统的应用将为制造业带来革命性的变革，助力企业在全 球市场中占据有利地位。为贯彻落实工业和信息化部办公厅 2024年9月关于《工业重点行业领域设备更新和技术改造指南》 的通知精神，扎实推进“工业操作系统”的升级改造工作，国家 流程制造智能调控技术创新中心在经过前期周密筹备的基础上， 联合国家智能设计与数控技术创新中心、智能制造装备与技术 全国重点实验室、工业控制技术全国重点实验室、中国仪器仪 表学会、中国自动化学会、华为技术有限公司、机械工业仪器 仪表综合技术经济研究所、雪浪数制科技有限公司，共同发布 《工业智能操作系统白皮书》。本白皮书旨在系统梳理工业智能 操作系统的现状与发展趋势，提出未来的发展方向和实施 路径，推动工业智能操作系统在各行业的广泛应用，助力我国 制造业的高质量发展。 由于时间所限，白皮书中难免有不妥之处，请读者批评指 正。 组织单位 本白皮书编写由工业操作系统联盟组织，联盟成员包括国 家流程制造智能调控技术创新中心、国家智能设计与数控技术 创新中心、工业控制技术全国重点实验室、智能制造装备与技 术全国重点实验室、中国仪器仪表学会、中国自动化学会、中 国石油化工集团有限公司信息和数字化管理部、国家能源集团 科技环保有限公司、中国中化控股有限责任公司、中国航空工 业集团公司西安航空计算技术研究所、中国电子科技集团公司 第二十九研究所、上海振华重工(集团)股份有限公司、上海 电气自动化集团有限公司、宝山钢铁股份有限公司中央研究院、 中船动力(集团)有限公司、中广核数字科技有限公司、中材 国际智能科技有限公司、中铁工程装备集团有限公司、国机数 字科技有限公司、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、华 为技术有限公司、中控技术股份有限公司、和利时科技集团有 限公司、北京东土科技股份有限公司、浙江吉利汽车集团有限 公司、无锡雪浪数制科技有限公司。 编写单位 国家流程制造智能调控技术创新中心、国家智能设计与数 控技术创新中心、智能制造装备与技术全国重点实验室、工业 控制技术全国重点实验室、中国仪器仪表学会、中国自动化学 会、华为技术有限公司、机械工业仪器仪表综合技术经济研究 所、雪浪数制科技有限公司。 编写成员 杜文莉、王振雷、钟伟民、薛栋、朱海平、李新宇、邵之 江、张彤、于美梅、付春杰、张振中、刘丹、王振、王峰、熊 亮、顾毅、梁新乐。 目录 1.概述/引言..................................................................................1- 1.1.工业企业对智能操作系统的需求......................................1- 1.2.工业智能操作系统的内涵.................................................2- 1.3.工业智能操作系统参考体系架构.....................................3- 1.4.国家政策布局、地方行动跟进..........................................4- 1.5.概念辨析.............................................................................5- 1.5.1.工业智能操作系统与狭义的操作系统........................5- 1.5.2.工业智能操作系统与工业控制系统的关系.................7- 2.工业智能操作系统发展概况.................................................10- 2.1.工业操作系统发展状况...................................................10- 2.1.1.工业操作系统国外发展现状.......................................10- 2.1.2.工业操作系统国内应用概况......................................12- 2.2.人工智能赋能工业操作系统面临的挑战.......................15- 3.工业智能操作系统体系建设...............................................17- 3.1.工业智能操作系统体系....................................................17- 3.2.工业智能操作系统的特征与优势....................................24- 4.工业智能操作系统生态体系建设与发展.............................28- 4.1.工业智能操作系统生态体系模型...................................28- II 4.2.工业智能操作系统的联盟建设和人才培养...................31- 4.2.1.通过成立产业联盟汇聚行业专业力量 ....................... 32- 4.2.2.通过培训培养工业智能操作系统人才 ....................... 32- 4.3. 工业智能操作系统标准建设和安全防护 ........................ 33- 4.3.1.标准化助力工业智能操作系统高质量发展 ............... 34- 4.3.2.全方位测评为工业智能操作系统保驾护航 ............... 35- 5.工业智能操作系统应用案例................................................... 36- 5.1. 石油化工 ............................................................................. 36- 5.2. 高端装备 ............................................................................. 38- 6. 问题与建议.............................................................................. 41- 6.1.当前存在的主要问题 .......................................................... 41- 6.2. 建议 .................................................................................... 43- 附录 ............................................................................................... 47- —1— 1.概述/引言 1.1. 2010年，我国制造业全球占比达到19.8%,成为世界第一 制造业大国。然而，在关键技术、产品质量和产业结构等方面 仍存在不足。2015年，国务院发布《中国制造2025》,将智能 工厂建设作为制造业转型升级的关键，并加大对智能制造技术 研发和应用的支持，鼓励企业创新和人才培养。经过近十年的 发展，在国家政策支持和企业需求驱动下，我国建成了一批智 能工厂“标杆企业”和“灯塔工厂”,在“两化融合”和智能化方面取得 显著进展。然而，这些“标杆”尚未完全得到普遍认可。党的二 十大报告提出推动制造业高端化、智能化、绿色化发展，促进 数字经济和实体经济深度融合。***mile米乐m6官网登录入口*****强调，以科技创 新推动产业创新，发展新质生产力。在2024年全国科技大会上， ********进一步指出，要推动科技创新和产业创新深度融 合，助力发展新质生产力，改造提升传统产业。今年的国务院 常务会和政府工作报告也强调，以人工智能和制造 业深度融合为主线，加快重点行业智能升级，发展智能产品， 赋能工业制造体系。深化大数据、人工智能等研发应用，打造 具有国际竞争力的数字产业集群。 目前企业信息化系统与控制系统集成大多参考国际仪表和 自动化协会(ISA)发布的ISA-95架构标准(如图1-1所示) —2— 作为智能工厂建设框架。ISA-95规定了不同层级之间通信的标 准化语言，简化了各层级数据交换过程。然而，该架构在实践 应用过程中，由于缺少集成设计要求，数据孤岛林立，增加了 各系统间数据通讯接口的工作量；其次缺少协同设计，各系统 面向业务线开发，引起业务之间的壁垒效应；同时缺少数据、 模型、应用一体化设计，导致各应用系统的数据、模型、应用 强耦合，不能实现数据、模型的灵活配置与共享，限制了人工 智能、大数据分析和大模型等新技术的赋能能力。因此智能工 厂建设和运营亟需与之相匹配的新架构。 IT ERPs IT MES OT SCADA OT Sensor&Controller (PLC/DCs OT PRODUCTIONPROCESS 图1-1 ISA-95的5层架构示意图 1.2.工业智能操作系统的内涵 工业智能操作系统在新一代信息技术(IT)与工业运营技术 (OT)的融合下，有序汇聚生产过程全要素，统筹资源配置，利 用人工智能、物联网和工业大数据，构建智能工厂的“神经 o8 —3— 中枢”和“工业大脑”,支持企业、生产过程或装置的数字化转型、 智能化升级和系统化变革。 工业智能操作系统是利用人工智能(AI)重构工业操作系统， 强化了AI在工业操作系统中的核心作用，是现代工业发展的核 心驱动力。通过AI技术的深度嵌入，工业智能操作系统能够实 现生产过程的全面自主化和智能化，不仅能够有效地管理和优 化生产资源，还能通过数据驱动的决策支持，进一步提升生产 效率和产品质量。 1.3.工业智能操作系统参考体系架构 工业智能操作系统的核心是把设备、生产线、工厂、供应 商、产品和客户紧密地连接融合起来，帮助制造业拉长产业链， 形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提高 效率，推动整个制造服务体系智能化，推动制造业融通发展， 实现制造业和服务业之间的跨越发展，使工业经济各种要素资 源能够高效共享。 因此，在整个生产运营管理供应数据流“端-边-网-云-链” 架 构中，如图1-2所示，工业智能操作系统包含设备级、产线级、 工厂级和企业级四层架构。AI在设备级通过实时数据分析和预测 维护实现生产装备的智能运维服务，在产线级通过协同优化生 产流程和协同效率实现制造过程工艺的数字孪生和智能自主调 控，在工厂级通过智能调度和决策优化实现生产要素的 —4— 智能优化配置，在企业级通过大数据分析和智能预测支持企业 安全环保的智能管控和高层战略决策。 上游(原材料 行业级 企业运营管理操作系统 L4 企业运营管理数据底座 制造执行决策操作系统 L3 制造执行决策数据底座 实时协同调控操作系统 L2 实时协同调控数据底座 基础测控设备嵌入式操作系统 L1 生产过程 图1-2“端-边-网-云-链”数据流架构图 1.4.国家政策布局、地方行动跟进 为贯彻落实党中央、国务院决策部署，加强对推动工业领 域设备更新和技术改造工作的指导，根据《大规模设备更新和 消费品以旧换新行动方案》和《推动工业领域设备更新实施方 案》,2024年9月工业和信息化部办公厅发布了《工业重点行 业领域设备更新和技术改造指南》。“指南”指出，到2027年，在 石化化工、钢铁、有色金属、建材、汽车、工程机械、工业机 器人等27个重点行业领域共约80万套操作系统将完成更新。 链 数 据 流 云 数 据 流 网 数 据 流 边 数 据 流 端 生 产 运 营 管 理 供 应 数 据 流 架 构 工 业 智 能 操 作 系 统 工级 产业级 设备级 产线— 此次升级将显著提升我国制造业操作系统的技术水平和性能， 并为智能工厂建设提供可靠保障。 “指南”还明确指出，针对制造业全流程，推动工业企业全 面进行分布式控制系统(DCS)、 数据采集与监视控制系统 (SCADA)的更新换代。围绕重点行业和关键设备，逐步加快中 小型可编程逻辑控制器 (PLC) 的更新换代进程。引导重点行 业龙头企业提供典型应用场景和试验环境，以扩大大型PLC的 应用范围。加快推进非关键工序、非核心场景下安全仪表系统 (SIS)的更新升级，并逐步开放关键工序和核心应用场景。 根据重点行业需求建设中试验证环境，强化软硬件适配验证， 并加速嵌入式操作系统、工业实时数据库等产品的更新升级进 程。对于其他行业专用工业操作系统产品，在成熟可用产品方 面强化示范引领并全面推进其更新换代；在基本可用产品方面 加强中试验证，成熟一批就更新一批，并逐步扩大更新换代范 围和规模。指导企业引入云计算、虚拟化和边缘计算等技术来 按需升级改造PLC、DCS等设备 1.5.概念辨析 1.5.1.工业智能操作系统与狭义的操作系统 狭义的操作系统是计算机系统中的一种基本软件，它管理 和控制计算机硬件与软件资源，同时为用户和其他软件提供方 便的交互界面和运行环境。操作系统是计算机的核心和灵魂， —6— 是用户与计算机硬件之间的桥梁。根据其应用场景实时性要求， 可分为实时操作系统和非实时操作系统。常见的实时操作系统 包括uCOS/VxWorks/RTLinux/QNX,非实时操作系统包括 Linux/Windows/MacOSX等。 图1-3工业智能操作系统典型工业应用场景 工业操作系统是指能够实时采集、传输和处理工业数据， 监测生产过程，管理控制单元，并保障生产安全的系统。主要 包括嵌入式软件、工业协议以及工业控制单元(如PLC、DCS、 SCADA SIS等)。广泛应用于高端机床、数控系统、机器人 以及工业控制系统和企业管理系统等领域。根据应用需求的不 同，可以将其分为实时工业操作系统和非实时工业操作系统。 这两者在设计目标、性能特点和应用场景上存在显著差异。实 时工业操作系统主要用于需要快速响应和高可靠性的关键任务， windows操作系统： 企业办公场景； ●通用计算机、个人电脑等采用windows系 统，提供高效、便捷和图形化交互功能。 工业智能操作系统： ●是智能工厂全生产要素资源统一管 理的操作系统，支持智能工厂人、 机、料、法、环等全生产要素的连 接、资源调度和业务编排，实现智 能工厂的智能感知、信息集成、机 理建模、控制优化、数据挖掘、决 策分析等融合应用。 用户级 cos/linux操作系统： ●现场数据采集、控制执行等现场应用场景； ●智能仪表、传感器、执行器等现场终端采用 ucos/linux等操作系统，实现终端智能化、IP化 应用； windows/linux操作系统： ●数据采集、生产排产、资产管理等生 产业务场景； ●SCADA/ MES/ ERP等工业软件部署 在windows/linux等非实时操作系统。 业智 ● vxworks/RTlinux操 作系统： 生产过程控制、实时运动控制等场景； ●PLC、运控控制器、工业机器人等采用 vxworks/RTlinux等实现实时高速控制。 人工智能、大数据分析等智能应用场景； 云平台等通常部署在windows/ linux服务 器上，需要大算力、长时间高效运行 ● windows/linux操作 系统： 操作 —7— 例如工业现场设备和实时控制系统等。它确保了对工业现场控 制的即时性和快速响应。而非实时工业操作系统则更适合一般 计算任务，例如车间数据采集监测、车间排产管理以及企业生 产任务管理与办公应用等过程。此外，在云平台上也包括了人 工智能与大数据分析等高计算需求的应用场景。” 工业智能操作系统，是以自动化技术为起点，从下至上生 长的工业互联网平台、大数据平台、人工智能平台的通用数据 底座和统一技术生态环境。工业智能操作系统有效融合工艺技 术(PT)、设备技术(ET)、操作技术(OT)、自动化技术(AT)与 信息技术(IT), 实现智能工厂的智能感知、信息集成、机理建 模、控制优化、数据挖掘、决策分析等应用。基于对象化建模、 工业微服务、可视化组态等技术，将业务建模、调试和发布等 配置过程显性化，降低数据利用的技术门槛。同时，微服务 方式封装的工业APP,使得开发过程可以快速迭代、试错成本 低，满足企业快速发展、灵活多变的发展需求。工业智能操作 系统典型应用场景如图1-3所示。 1.5.2. 现有的企业控制系统与管理系统集成标准主要遵循ISA-95 层级架构，该架构中信息流都是围绕DCS/PLC 展开，控制生产 现场和上层企业信息系统的信息流转。然而，现有的智能工厂 数据接口复杂，ISA-95架构扩展性差，难以实现数据的有效集 —8— 成与管理，数据挖掘分析应用能力不足，无法开展灵活创新。 图1-4人工智能赋能ISA95企业控制系统与管理系统集成架构 新的工业智能操作系统体系架构是在传统的工业控制系统 体系架构ISA-95基础上，借助人工智能、大数据、边云协同等 新兴信息技术，深度挖掘数据资源，为控制系统和管理系统提 供“大脑”。如图1-4所示，在ISA-95架构的L1和L2 层，将DCS、 PLC、SCADA、HMI等现场设备和控制系统数据在实时协同调 控数据引擎的调度下，通过人工智能方法形成包括RTO、APC、 OTS等功能业务，并将优化决策方法返回指挥基础控制系统， 从而实现制造过程的智能自主调控。在L3 和L4层，通过融合 实时协同调控数据引擎提供的实时优化、先进控制、报警管理 等生产过程数据，以及MES、ERP、PLM等运营与管理数据， 基于制造执行与运营管理数字底座，通过“人工智能”+ Level 4 RPPLW 业务规划与物流 Level3 MS 制造运营与管理 Level 2 造通程智能自重周控 先进控制报警管理 数字孪生 实时优化 操作员培训模拟器 APP平台 人工智能赋能的“工业操作系统” 高级计算系统APP平台→数据流 企业资源规划 先进计划与调度 质量管理系统 财务管理系统 能源管理系统 成本管理系统 APP平台 人力资源管理 项目管理系统 PM 监控 Level1 DES/PL 感知与执行 LevelO Scnsans8Sismals 生产过程 —9— “计划排产、调度优化、财务管理、人力管理”等服务智能化升 级，实现生产要素智能优化配置。 工业智能操作系统的目标是通过人工智能、大数据、互联 网等技术进一步提升生产全要素的创新配置。以炼油工业为例， 在配置工业智能操作系统之前，生产过程仅通过操作指令进行 简单控制，生产要素的配置则依赖人工完成，难以达到最优配 置。为了实现炼厂数字化转型，首先针对实际炼厂构建数字炼 厂，通过数字孪生工厂寻找生产最大价值的可能性，并针对实 际生产过程进行生产要素配置，下达最优操作指令。同时，运 行结果将返回数字炼厂用于修正数字孪生模型。整个过程实现 了生产过程的全局和全流程优化，助力制造过程的绿色化、低 碳化、高值化、高端化和数字化智能化发展。工业智能操作系 统是制造业降本增效、提升价值的核心，确保最高的产品质量、 最低的成本、最安全和最绿色的制造过程，最短的交付周期， 从而实现精益化的制造。通过人工智能赋能，工业智能操作系 统构建了集需求分析、研发设计、原料采购、资源配置、生产 调控和绿色制造为一体的“工业大脑”,实现了生产管理和营销模 式的变革。 —10— 2.工业智能操作系统发展概况 2.1.工业操作系统发展状况 2.1.1.工业操作系统国外发展现状 工业操作系统的发展历程可以追溯到以DCS、PLC、SIS 等为基础的传统工业控制系统。这些系统在过去几十年里对工 业化生产起到了极大的推动作用。然而，由于各个厂商出于可 靠性、安全性以及技术独有的考虑，这些系统往往采用封闭的 专有架构。这不仅增加了企业的成本，而且使系统集成和新技 术接入变得异常困难，无法满足现代企业在激烈全球竞争环境 下对生产的高端化、智能化和绿色化的核心要求。 为直面这些问题应对此类挑战，国外提出了工业操作系统 的开放式架构，以促进系统的互操作性和灵活性。 (一)德国NAMUR 自动化开放架构(NOA) 德国的NAMUR自动化开放架构(NOA) 如图2-1所示， 该架构以DCS为中心，建立监控和优化数据通道，解决了 ISA-95 架构中数据可访问性差和获取成本高的问题。NOA架 构支持过程优化、资产管理、现场设备监控和预知性维护等智 能化功能。通过采用OPCUA协议，NOA实现了不同系统之间的 数据互操作性，促进了信息的无缝传递。该架构不仅提高了生 产过程的透明度，还增强了系统的响应速度和决策能力。 NOA的实施使得企业能够更好地利用数据进行实时监控和优 —11— 化，提高生产效率和设备利用率。然而，尽管NOA 架构在提 升运维监控和优化方面取得了一定成效，但由于缺乏大数据存 储、处理和访问能力，限制了人工智能和大数据方面的技术接 入。 图2-1德 国NAMUR自动化开放架构NOA (二)美国开放流程自动化论坛(OPAF)主导的开放自 动化标准(OPA) 美国开放流程自动化论坛主导的OPA开放自动化标准如 图2-2所示，该标准旨在引导开发适用于工业过程的开放、内 在安全、可互操作的工业操作系统。OPA标准重新定义了DCS、 PLC 和制造执行系统(MES) 的架构及构成，通过软硬件解耦 的自动化组件，构建了一个可互操作的分布式工业操作系统。 Highly ReliableIT Infrastructure Deterministic Control System AppPlatform Data Direction Control OPC UA Engineering Open Interfaces Proprietary Interfaces Low-Cost FC4713 (4- 20mA/RemoteIO/Fieldbus/Wire less /Ethemetinthefield) Advanced AnalyticsHistorian ProductionNetwork Simulation Scheduling Alarm Dispatching Management 4.0DeviceM anagement ReliabilityCenter CentralHMI 4.0OutTC4711 ProductionPlant Further 0 UseCase AdvancedProcess Control Plant SpecificM+0

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