工业互联网深度报告:智能制造之基石

2020-01-27 16:39:00 栏目:kepware使用 TAG标签: 工业物联网 智能制造 IMT 数据 网络 查看()

前言

工业互联网作为新基建的重要环节,是智能制造的核心基础,也是 TMT技术演变的必然。5G 技术解决工业领域成本端、传输端及产业链协同的痛点,成为工业互联网重要的业务支撑。综合产业格局,工业互联网可划分为边缘控制、网络连接、平台汇聚、数据应用四层次,各层次重点公司将充分享受 5G 后周期工业互联网应用的红利。

相关重点公司包括宝信软件、东方国信、用友网络、中新赛克、紫光股份、移远通信、移为通信、广和通、乐鑫科技、澜起科技等。

工业互联网与智能制造是TMT与工业领域的必然。我们对整个工业互联网产业链进行 自上而下的解构,分成四个层次,包括应用、平台、网络、边缘,其中边缘控制层聚焦算 力下沉带动集成化通信模组渗透;网络连接层聚焦海量终端、数据引爆通信服务与设备需 求;平台汇聚层聚焦巨头平台以及产业链协同效应的差异性;数据应用层则关注安全与大 数据,应用渗透有先后。

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1. 工业互联网:智能制造的核心基础

工业互联网是什么?在漫长的演进中成型,是多项信息技术的系统综合。实际上工业 领域已经经历了机械生产、数字化制造、网络化制造、智能化制造四个阶段,同时工业生 产也经历了以下三次变革:(1)物理系统代替简单的人工、(2)物理系统代替大量体力 劳动、(3)信息系统开始替代创造性脑力劳动。工业互联网最早由美国通用电气公司 GE 于2012年首次提出,实际体现了工业领域智能化制造的概念。

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在工业互联网时代,生产资料与生产关系将发生革命性变化。石油、煤炭等矿藏实际 是数十亿年太阳能量的积累与转化,并在自然界循环,工业数据也类似。工业互联网下, 来自工艺环节的数据在网络空间汇集、处理、沉淀,最终又在工艺环节体现价值。与蒸汽 时代、电力时代的技术革命相仿,数据将成为工业企业的重要生产资料,而通信技术则将 成为重要的生产工具。

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传统行业的效率提升是TMT长期的趋势主线之一,驱动力就是技术。过去TMT 领域 互联网、云计算等技术发展的受益领域是 C 端移动互联网;人口红利瓶颈期的大背景下, 产业互联网(Industrial Internet,也即工业互联网)成为技术渗透的新趋势。一方面我国 大工业领域的市场规模与智能化改造提升空间巨大,另一方面 TMT产业链也是全方位受益

物联网、云计算、互联网、大数据技术的支持下,工业互联网窗口临近。物联网技 术的发展使得包含智能物体状态、标识、位置的大量工业数据得以收集,互联网技术为数 据的传递提供了可能,云计算提供了基于平台的工业数据计算及分析能力。互联网、云计 算、物联网、大数据等信息技术向工业领域的渗透融合促成了工业互联网的突破与成型。

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工业互联网包括三大体系:网络、平台和安全。其中:

(1)网络是工业互联的基础:工业互联网要求企业内部的供销存、生产、中后台管理 等环节实现人、财、物等信息流的统一,打破当前烟囱式(相互独立)的工业信息系统;同时外部产业链上下游企业之间的信息流相互打通、整体协同。因此工业互联最基础的要 求在于通过通信网络提供底层支持,最终实现信息系统网络、生产系统网络中不同单元、 不同设备、不同系统的实时感知与协同交互。

(2)平台是工业互联的核心:生态中不同单元、不同设备、不同系统产生的海量数据 通过网络基础在平台上汇集,本质是面向大工业的数字化、网络化、智能化需求,通过物 联网、人工智能、大数据等新兴技术,构建高效、实时、精准平台体系,实现数据汇集、 建模分析、应用开发、资源调度、监测管理等功能,是工业互联的核心。

(3)安全是网络与平台的保障:工业互联网时代,数据是企业的核心资产之一,更加 强调体系的信息安全。企业内网的安全可分为企业内应用安全、控制安全及设备安全三个 方面;整体体现为对设备、网络、数据的安全防护能力。

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过去通信技术在工业领域早已广泛应用,但各类技术均有短板;5G通信标准满足工业 通信实时性、稳定性需求,推动了工业技术的创新浪潮。

目前工业领域传统的设备通讯方式是现场总线与工业以太网。现场总线技术普遍存在 通信能力差、距离短、抗干扰能力较差等问题,且现场总线的传输存在延迟,影响设备和 系统之间的互联互通;工业以太网作为一种随机网络,因其通信不确定的特点难以实施高 速的稳定传输。5G具有高速率、低延时、高容量的特性,满足工业数据传递实时性与稳定 性的要求,成为工业互联网重要的业务支撑。

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工业互联网是智能制造的必经之路,解决现代工业生产痛点:

(1)成本需求:工业互联网帮助工业企业持续降低成本。低成本永远是工业企业增厚 利润的重要追求,但传统物理设备效率提升已达到极限。工业互联网采用云计算、大数据 技术改造现有机器和物理设备,将带来及其明显的成本费用边际改善。如 Uptake 帮助美国最大核电站PALO Verde,实现每年1000万每月的成本节省,成本降低20%。又如青 岛纺织机械厂依托海尔 COSMOPlat 平台通过数据采集及分析实现设备远程运维,每年节 省96万元,宕机时长从每次的三天缩短为一天,降低直接损失64万元/次。

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(2)传输需求:工业互联网满足工业流程通信传输需求。工业数据的爆发式增长直接 促成了数据低成本安全存储的需求,且不同主体、系统间的数据难以统筹集成。以太网作 为较多被使用的通讯方式,因其通信不确定、受工业现场环境制约多的特点难以实施高速 的传输与广泛使用。工业互联网对其隔离能力及业务承载能力具备严格要求,可以实现远 程操控、数据自动采集等功能。

(3)产业链:工业互联网协同产业链各环节,优化生产制造新模式。从供应链上看, 工业互联网提出生产制造新模式,实现柔性制造和个性化定制,对智能化生产有着至关重 要的作用。从空间链上看,受空间、资源的限制,传统企业难以实现多个环节的协同。在 工业互联网的支持下,工业企业可以实现业务信息共享,帮助企业实现即时生产监控、远 端数据采集与控制,及时响应打破空间隔阂,实现互联互通。

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工业互联网是新基建的重要组成部分。“新基建”指5G、人工智能、工业互联网、物 联网为代表的新型基础设施,本质上是信息数字化的基础设施。2018年工信部发布《工业 互联网发展行动计划(2018-2020 年)》以及工作计划,提出到 2020 年底,初步建成工业 互联网基础设施和产业体系,培育一批独立经营的企业级平台,打造工业互联网平台试验 测试体系和公共服务体系。预计将推动30万家以上工业企业上云,培育超过30万个工业 APP,同时配套融资支持。

工信部指导,省一级工业互联网平台陆续成立。国内工业互联网平台主要以省级工信 厅/经信委牵头指导、工业/ICT企业参与或主导建设。如江西省在中国联通主导下成立国内 首个省级工业互联网平台;江苏省在徐工集团等企业联合下成立省级工业互联网联盟等。

工业互联网市场规模在万亿级别。工业互联网本质是实现跨设备、跨系统、跨地区的 工业互联互通,数据资源有效利用及企业产业链上下游的协同制造的基础设施。根据国际 机构IoT Analytics的统计,全球工业互联网平台有450个提供企业,同时预计在2023年 工业互联网平台将会达到万亿市场规模。

2. 工业互联网架构体系与5G应用解构

在网络、平台、安全三大体系下,工业互联网已形成三大优化闭环。一是生产过程优 化,其核心在于对智能机器与生产环境进行实施感知并进行边缘计算;二是智能决策优化, 通过智能感知得到的相关状况进行自主学习并实时响应,自适应地进行参数控制及动态性 能控制,实现决策优化及资源配置优化;三是管理服务优化,通过对供应链数据、用户需 求数据及产品数据的分析,实现业务模式及商业活动创新。

场景角度,工业互联网主要包含工厂内、工厂外两大场景。工厂内涉及 OT 层与 IT 层 (OT 指运营技术,IT 指信息技术);工厂外则涉及 IPv6 的公众互联网,基于 SDN 的工 业互联网专网,泛在接入,以及云平台的数据接入和采集。5G的工业互联网应用也相应可 梳理为工厂内、工厂外两场景。

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2.1 工厂外部:5G实现泛在广覆盖、灵活高可靠的传输

工厂外部的5G网络应用体现为三方面,即(1)产业链实现泛在链接;(2)IPv6铺 垫海量设备联网;(3)专线加速企业上云。具体而言:

(1)5G协助工业互联网工厂外网络实现产业链的泛在链接。5G 网络由于其特性可以 用于构建工厂内外的人和机器的全方位信息接入系统,最终实现泛在接入。工厂之间可以 利用5G网络完成相互的数据共享,同一个生产商的不同生产工厂也可以实现在不同空间内 的连接互通。工业服务企业也可以在生产过程中及时切入产品设计环节,及时更改生产中 出现的错误,对生产数据进行监控。终端使用者则可以跨空间地查询生产信息和产品状态。

工厂外网络基于互联网,但过去已有的网络基础设施无法完全满足工业互联网业务发 展需求。工业互联网所需的高可靠、低时延、广覆盖、大带宽、可定制等要求难以同时满 足;对长尾的中小工业企业而言,信息服务(专线)成本高昂、难以承担。

5G 网络能够实现传输网层面的泛在、灵活定义、高质量带宽,以及接入网层面广覆盖、 低时延、高可靠等要求。传输网:泛在、高质量宽带接入为目标,对公众互联网/高性能专 网进行升级改造和建设,具体技术包括 SDN、NFV(5G网络核心趋势之一)等。接入网:主要体现为新型无线网络(NB-IoT、5G)的升级与建设。例如:①利用 NB-IoT等低功耗 广域网(LPWAN)技术,建设满足工业互联网海量设备接入高密度、低时延需求的蜂窝网;②通过5G技术实现工业互联网接入。

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(2)IPv6 满足工业设备地址的爆发需求,工业领域IPv6部署是工厂外网络的另一重 要演进方向。全球联网终端总量爆发,IPv4 地址分配接近极限。与 IPv4 相比,IPv6 把 IP 地址的数量级从2的32次方扩展至2的128次方,足以满足5G、物联网、自动驾驶等联 网设备对独立IP 地址的需求。IPv6是满足工业互联网发展海量地址需求的必然选择。

全球互联网正处向IPv6演进过渡的关键时期,我国IPv6普及率提升空间大。信通院 统计,在网络设备中,三层交换机、边际路由器、核心路由器、宽带网络接入服务器的 IPv6 支持率平均在 70.4%,但边缘路由器支持率仅 48.6%。若考虑工业领域存量规模庞大的较 陈旧设备,当前仍有海量设备并不完全支持 IPv6。

工信部明确IPv6部署行动计划。工信部2017年《计划》要求所有移动终端厂商设备 出厂要默认支持双栈;到2018年末完成北京、上海、广州、郑州和成都的骨干直联点 IPv6 改造;运营商及国家超算中心等的IDC IPv6 改造;阿里、腾讯、金山等CDN IPv6改造;到2020年底,IPv6活跃用户数超5亿,占比超50%,新增网络地址不允许私用 IPv4。

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(3)专网专线下,5G推动企业工业数据上云。5G低延时、高可靠、高速率的特性为 工厂提供全云化网络平台,大量工业级数据依靠5G网络收藏并形成庞大数据库,可在极短 时间内将设备信息上报。同时5G帮助企业通过网络安全低成本地按需使用资源,进行业务 管理,降低信息化建设成本,提高资源配置效率。

2.2 工厂内部:网络切片渗透工业生产各环节

5G 网络通过网络切片2提供适用于各种制造场景的解决方案,实现实时高效低能耗。 网络切片是指借助NFV、SDN等技术将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络,针对不同 场景的需求,每个虚拟网络体现不同的网络特点,比如低时延、高带宽、强安全性和可靠 性等。独立组网(SA)下,5G 网络可以利用切片技术保证按需分配网络资源,并可以针 对不同企业的产品需求进行细粒度切片。

NFV(网络虚拟化)和 SDN(软件定义网络)是网络切片实现的重要技术。在 NFV 技术下,核心网、接入网中专用设备的软硬件功能以虚拟机的方式装载到商用服务器上,并使用这些服务器来取代传统的专用设备,原本的接入网被虚拟化成“边缘云”,而核心 网被虚拟化成“核心云”;同时使用SDN把实现网元功能的虚拟机编排、串联,在最终得 以实现不同场景的“切片”(见下图)。

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对于工业企业而言,针对工业领域应用的痛点,网络切片主要体现三大功能:资源隔 离、功能定制、质量保障。

(1)资源隔离保障了不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立。除了传统的财 务等内部高价值数据之外,工业企业产生的海量生产数据也是辅助决策的重要资产。若通 过传统4G网络或工业以太网方式部署工厂内网络,则数据将暴露在外部网络环境下,除非 搭建硬件防火墙。网络切片则从SDN/NFV的角度部署与外界环节隔离、独立的网络环境, 保证了工业企业内部数据的安全。

(2)功能定制使得不同环节/场景的特定需求能够以低成本的方式得到满足。过去4G 网络无论如何部署,每个业务单元对应的网络功能都是相同的。由于不同工业环节的网络 需求是不同的,切片技术则可以根据不同的业务特征,使5G的eMMB、uRLLC、mMTC 等场景可以分别独立地形成一个个“网络单元”,从而对应不同的业务需求,最终提升用 户体验和网络资源利用率。

(3)质量保障则意味着工业互联网在工厂内部的应用将高可靠。工业生产一般涵盖众 多工艺环节,若所有环节都串联在同一张网络上,那么网络异常将导致所有环节停滞。而 网络切片之间相互隔离,任何一个网络切片的拥塞、过载、配置的调整都不影响其它切片 的正常功能,以类似“容器”或“微模块”的方式实现工厂内网络可靠、灵活、可调整。

对于运营商而言,未来切片经营是行业持续增长的必经之路。过去2G时代,运营商经 历了移动语音收入的爬坡过程。进入到 3G/4G 的移动互联网时代后,语音收入增速见顶, 同时运营商的无线流量收入开始爆发。过去两个时代 C 端移动语音和无限流量收入的交替 增长体现了我国人口红利的释放,但伴随着流量经营红利的见顶,未来 B 端产业红利的释 放将依赖于运营商通过切片方式,因此从持续盈利的角度看,未来运营商向切片经营演进 不可避免。随着5G产业链的成熟,切片经营将成为运营商收入的新增量。

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已定义的四类切片分别对应不同应用场景。3GPP标准已经定义eMBB、uRLLC、mIoT、 V2X 四类切片,其中:eMBB 主要适用于超高清视频、AR/VR、3D 建模与演示等大流量 移动宽带业务;uRLLC 主要适用于工业自动化等需要高可靠、低时延的 B 端业务;mIoT 适用于大规模物联网业务;V2X则主要集中于车联网领域。

eMBB切片将先行试点,后续uRLLC、mIoT等逐步拓展。目前3GPP四类切片基本 功能已完成实验室测试,并已开展外场测试。当前切片的端到端标识已经定义(S-NSSAI), 网络切片的可扩展性(8 位切片类型+24 位实例 ID)可以充分支撑切片服务众多行业。预 计eMBB 切片将首先部署,高价值 uRLLC 场景将于 2020-2022年试点,并逐步商用。以 中兴通讯为例,公司已采用网络切片和低频基站打造了一张可同时支持 eMBB、mMTC、 uRLLC 三大场景的统一空口网络,性能达到单小区峰值 15Gbps、空口时延低于0.416ms、 海量连接性能超过9000万/MHz/小时。

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未来网络切片将成为 5G 在 B 端的重要应用形式。切片是 5G 网络建设的核心部分, 也是独立组网下的重要应用。除工业互联网,切片将在 B 端其他领域体现庞大应用价值。以远程医疗为例,在uRLLC切片下医生有望在远程通过操纵杆感知信息并进行操控,病人 的视频信息通过网络从病房同步传递到远程手术室,方便医生操作,实现远程问诊、远程 手术;以电力物联网为例,uRLLC 切片可以应用于配电自动化、精准负荷控制、用电信息 采集等场景,另外eMBB 切片也可用于无人机远程巡检、语音切片可用于人工维护巡检。

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2.3 标识解释体系是5G在工业互联网的延伸重点

标识解析体系是工业互联网的关键神经系统,是工厂内外部网络实现互联互通的关键 基础设施。标识解析体系可类比为互联网领域的DNS(域名解析系统),类似于工业互联 网设备的“黄页”或“字典”,由标识编码和解析系统两部分组成。标识编码相当于工业 领域所有设备、产品的“身份证”,解析系统则是识别、检索、定位设备或产品的重要基 础。标识解析体系使工厂内外网络中的所有设备、产品都有迹可循,是工业全要素、各环 节信息互通的枢纽。

标识解析体系贯穿工业生产和销售的全流程。通过标识解析,各工业企业将能够产品 与设备的全生命周期管理:从纵向集成来看,标识解析体系打通智能设备与工厂,实现底 层数据的规模化采集与系统间共享;从横向集成来看,大型企业链接上下游企业利用标识 解析按需查询数据,中小型企业可以横向连接成平台,利用标识解析按需地共享数据;从 端到端集成来看,打通设计、制造、物流、使用的全生命周期实现真正的全生命周期管理。

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我国工业互联网标识解析体系由国家顶级根节点、二级节点、企业节点、递归节点等 要素组成。借助各级节点,政府、企业等用户可以通过标识解析体系来访问保存机器、物 料、零部件和产品等相关信息的服务器,实现全产业链的信息共享。

工业互联网建设迫切需要完善标识解析体系各级节点。当前工业企业对设备、物料、 产品进行管理主要依赖条形码、射频标签、IC 卡等工具,但编码方式并不通用,难以实现 数据互联互通。要实现工业互联网体系下产业链各环节紧密协作,就迫切需要尽快完成各 级节点的建设。

二级节点是未来工业互联网标识解析体系未来的重要建设内容。

(1)对工业互联网体系而言,二级节点是标识解析体系的重要组成部分。二级节点既 要向上对接国家顶级节点,又要向下直接面向工业企业提供分配标识编码及提供标识注册、 标识解析、标识数据服务等,二级节点的发展情况直接决定了标识解析体系的应用价值。

(2)对工业企业而言,二级节点具有数据价值、生态价值等多重意义。二级节点本身 将产生注册信息、解析日志等大量有价值数据,通过数据挖掘将可能衍生出更多新应用、 新场景。同时二级节点有助于形成产业生态,在标识标签、标识读写器、标识解析软硬件 集成、标识解析应用、标识解析体系运营、标识解析公共服务等的基础上,可以形成协同 的产业生态,拥有二级节点的工业企业将显著受益。

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工信部指导下,我国工业互联网标识解析体系已建设初具雏形。目前工业互联网标识 解析国家顶级节点由信通院负责建设运营,已在北京、上海、重庆、广州、武汉五大城市 陆续完成部署上线,初步形成“东西南北中”的顶层布局服务架构;二级节点建设也已在 佛山、贵阳、北京、武汉等地陆续启动上线共 13个。未来目标标识注册量达到20亿个。

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3. 四层次划分,工业互联网产业格局已明确

本节将工业互联网产业划分为边缘控制、网络连接、平台汇聚、数据应用四个层次, 进而梳理各层次的工业互联网产业格局,见下图。

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参考西方国家产业格局,典型如德、美凭借工业底蕴,在工业自动化到工业互联网领 域布局深远。美国以制造业转型作为长期规划,出台“先进制造业国家战略计划”,强化 工业互联网的平台服务能力;德国政府将“工业4.0”上升为国家战略,完成制造业的智能 化转型。其他国家也顺应趋势布局工业互联网,如英国的英国工业2050战略、韩国的制造 业创新3.0、印度实施的印度制造、法国的未来工业、瑞典的新型工业化等。

国外工业互联网产业主要由平台层领先的工业企业(GE、西门子等)与ICT 企业(思 科等)主导。通用电气(GE)公司为工业开发者推出了工业互联网平台“E Predix”和开发者 门户;西门子面向市场推出了“Mind Sphere—西门子工业互联网平台”,通过开放的生 态系统使工业企业拥有预防性维护、能源数据管理以及工厂资源优化等数字化服务的基础;思科、发那科与罗克韦尔自动化发布FIELD system,以实现自动化系统中的机床、机器人、 周边设备及传感器的连接并可提供先进的数据分析。

3.1 边缘控制层:算力下沉带动集成化通信模组渗透

边缘控制层的实体主要包含工厂内部实现智能制造的机床、传感器、工业机器人等各 类现场设备。边缘层依托传感器、工业控制物联网技术进行厂内外数据的打通聚合,对设 备、系统环境等要素信息进行实时采集和处理。一方面可以借助智能控制器、智能模块、 嵌入式软件等传统的工业控制和连接设备,实现平台对底层数据的直接集成;另一方面可 利用以智能网关为代表的新型边缘计算设备,实现智能传感器和设备数据的汇聚处理以及 边缘分析结果向云端平台的间接集成。

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工业互联网的边缘控制层具备综合应用和智能控制能力。在工业互联网体系下,各类 传感器被连接和部署到网络上并成为信息源,传感器按照自己的类型区别分别捕获到各自 格式和内容的信息。这些被捕获到的信息是时刻不断变化的,通过特定的频率循环,不断 采集信息,从而使得数据可以持续更新。要确保这些数据传输快速无误,在传输过程中, 就需要能和各种异构网络和协议相适应匹配。此外,传感器和边缘计算结合,在庞大数据 源的基础上,对这些数据进行加工处理、高级分析,从而得到高价值信息。

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边缘控制层涉及RFID、无线模组、无线传感网等通信技术。

RFID(射频识别技术)是目前工业互联网、物联网领域广泛应用的通信、定位技术。 RFID是利用射频信号通过交变磁场或电磁场来实现无接触信息传递并自动识别的技术,包 括光符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC 卡技术、条形码技术和射频识 别技术等。RFID 和 IPv6 技术相结合后,使得工业环节中的每一个物理实体都在网络中可 识别,且能够精准定位。

无线模组是连接边缘层与网络层的重要环节。无线模组将芯片、存储、功放等元器件 集成在一块电路板上,同时提供标准接口的功能模块,各类终端借助无线模组可以实现通 信或定位功能(相应依照不同功能,可分为通信模组和定位模组)。无线模组上游为基带 芯片厂商,标准化程度较高且以海外厂商为主,主要供应商包括高通、Intel、联发科、锐 迪科、华为、中兴、北斗等;下游为设备制造商或系统集成商。

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无线传感网在传感器基础上延伸通信功能,广泛应用于工业生产、智能交通、环境监 控等领域。无线传感器节点除了拥有传感器部件之外,还集成了微处理器和无线通信芯片, 不但能从外界获取信息,还能对信息进行分析和传输。无线传感网是由大量微型、低成本、 低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。无线传感网适合应用于长时间、大范围感知与 通信场景,可以实时更新数据并且可以实现自动化。

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从RFID、无线模组、无线传感网技术总结,工业互联网边缘控制层将体现智能化(拥 有算力)、微体积但集成化(集成通信功能)的趋势。

海量终端与数据要求在边缘层集成算力。工业互联网使工业生产各环节的设备、人、 物料有机结合,连接海量终端的同时生成海量数据,且大部分数据为静态、低价值数据与 冷数据3。若直连平台层、应用层将对网络层的通信产生巨大带宽压力,也伴随着平台层的数据存储压力。因此倾向于将专用与通用处理器混合应用于边缘工业设备,在数据产生后 立刻进行数据的识别、分析与处理,同时满足实时控制和数据分析功能。

例如HPE Edgeline边缘网络设备采用Atom、 i5、Xeon 处理器,为Windows和Linux 提供全套驱动以支撑数据处理、边缘分析、自主运维等功能。英特尔、思科、戴尔、华为、 惠普、研华、西门子、GE 等边缘网关也采用了类似的技术架构。

存量工业设备接入工业互联网需要边缘算力进行协议解析。数据接入难度和成本是制 约工业互联网平台应用的核心难题之一,目前国内工业发展水平与发达国家存在客观差距, 较陈旧的存量现场设备接入需要在边缘集成协议解析功能。例如博世IoT集成了10余种工 业协议,基于模块化OSGi 架构下发至网关设备上进行灵活配置。

IT算力下沉带动CT通信设备向边缘渗透,驱动RFID、无线模组、无线传感网等厂商 增长。边缘感知层的核心为各类传感与识别装置,具体包括 RFID传感器、无线传感网、声 光电等传感器/设备、条码/二维码、雷达等智能感知单元。在 IT 软硬件边缘化的趋势下, 这些传感与识别装置与各类芯片提供的算力组合成为各类模组,同时与无线射频模组等连 接或集成形成具备传感、计算、网络功能的边缘系统,将享受终端数与连接数爆发的红利。

工厂内外两场景下,目前工业互联网边缘连接层分为工业物联和商业物联两阵营。工 业互联网平台需要实现工厂内外两场景各类生产要素的泛在连接以及靠近边缘的计算分析, 既涉及工业生产过程中的工业设备、系统的互联互通和实时分析控制,也包括各类消费产 品的远程接入与数据预处理。

工业物联主要存在于工厂内部的边缘层,参与者主要是具备自有设备整合或协议转换 集成优势的装备及自动化企业。如西门子 MindConnect Nano支持西门子 S7系列产品通 信协议及OPC-UA;自动化软件公司Kepware推出KEPServerEX连接平台,基于工业PLC 的通信协议兼容转换,实现各类第三方工业设备的接入与管理。商业物联主要存在于工厂 外部的边缘层,参与者主要是M2M通信见长的企业。如华为和思科凭借NB-IoT、LTE-M 等移动网络技术优势打造物联平台。

未来随着工业协议的积累以及标准化协议的形成,边缘连接层各环节间边界将趋于模 糊,竞争也将向头部集成能力出色、计算/通信技术储备深的厂商集中。

RFID 相关上市公司包括厦门信达(电子标签、RFID 读写设备、RFID 天线以及 RFID 应用系统等)、科陆电子(电力设备领域,RFID 读写器、RFID手持机、RFID电子标签及 相关 RFID 硬件)、远望谷(覆盖智能交通、零售、图书等行业)、达华智能(非接触 IC 卡和电子标签)等。

无线模组相关上市公司包括移为通信(以定位模块为主)、移远通信(NBIoT 模块领 先)、广和通(FIBOCOMGSM/GPRS/UMTS/HSPA+无线通信模块、GNSS 模块以及OBD 模块,与高通合作)、高新兴(收购中兴旗下无线通讯模块子公司中兴物联,在车联网、 卫星通信领域积淀深厚)、映翰通(科创板,M2M 到 IoT“云+端”方案的工业物联网领 航者)等。

核心芯片相关上市公司包括乐鑫科技(科创板,深耕WiFi MCU通信芯片及模组)、 澜起科技(科创板,内存接口芯片龙头,技术驱动型公司)等。

3.2 网络连接层:海量终端、数据引爆通信服务与设备需求

工厂的数字化要求与大量新联网设备需要工业互联网的承载。工厂内大量设备(如 AGV/机器人、移动手持设备)与大量新的业务流程(资产性能管理、预测性维护、人员/ 物料定位等)被引入,工业领域内虽已存在多种技术,但在海量终端与数据的要求下,难 以实现数据的互操作与无缝集成。工业互联网网络连接的目标是完成系统间的互联互通, 实现数据跨系统、跨行业的充分集成与流动,满足工业对通信服务与设备的需求。

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网络连接层通过公网或者专网以无线或者有线的通讯方式将信息、数据与指令在边缘 计算层与平台及应用层之间传递。工业互联网的网络连接可分为有线网络和无线网络。有 线网络的关键技术包括双绞线以太网、工业无源光网络 PON、时间敏感型网络、确定性网 络等;无线网络则包括3G、4G、5G、NB-IoT等移动通信网络。

运营商主导工业互联网网络方案,带动下游工厂内外网络和通信设备厂商。中国移动 构建工业互联网“1+4”产品体系,1个行业基础平台 4个垂直行业应用,帮助企业转型, 实现工厂联网;中国联通集中5G支撑、云网融合、大数据和平台赋能四方面发力,全力支 持工业互联网发展等。

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工厂内网络和工厂外网络是网络连接层的两大重要场景,其中工厂内网络强调 OT-IT 融合,工厂外网络强调上云专线需求。

(1)工厂内网络现有架构效率低下,未来将体现 IT 与 OT 融合、开源开放、部署灵 活三大趋势。

工厂内网络可进一步划分为骨干网络与边缘网络。骨干网络与边缘网络通过PON互联, 所有网络设备由网络控制器进行统一管理:边缘网络所采用的通信技术主要是现场总线、 工业以太网、通用以太网、WLAN、蜂窝无线等,以实现智能设备之间的互联;骨干网络 要求高带宽、高速率,以实现各边缘网络、工厂内云/数据中心的互联。

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现有工业无线网络因技术短板明显,未能广泛应用。目前主流的工业无线网络技术包 括Wi-Fi、ZigBee、WirelessHART、WIA-PA等。这些技术主要基于短距(如 IEEE 802.11) 或者近距(如 IEEE 802.15)标准,在可靠性、数据传输速率、覆盖距离、移动性等方面存 在不足,仅用于工厂内部信息化、设备信息采集以及部分非实时控制等目的,未推广应用。

传统的工厂内网络的“两层三级”结构通信效率较低。“两层”是指“工厂 IT 网络” 和“工厂 OT 网络”(OT 指 Operation Technology,操作技术)两层技术异构的网络;“三级”是指根据目前工厂管理层级把网络划分为“现场级”、“车间级”、“工厂级/企 业级”三个层次,每层之间的网络配置和管理策略相互独立。虽然目前“两层三级”网络 中已部分应用工业以太网通信接口,但仍有大量的现场设备依旧采用电气硬接线直连控制 器的方式连接,无线通信也只是应用于部分特殊场合,灵活性、实时性、可靠性较差。

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工业互联网时代,工厂内网络的三大趋势将极大提升工业通信效率,同时 5G 将替代 传统工业通信解决工业互联网痛点。①IT 与 OT 融合:传统“两层三级”架构严重影响信 息互通效率,为了满足对现场级实时数据的采集需求,OT 网络与 IT 网络呈现融合趋势, 有线与无线的网络部署呈现协同趋势;②开源开放:工厂内网络的技术、环节、数据都将打破传统工业网络众多制式间的壁垒,对外或对内开放;③部署灵活:未来工业内网络能 够实现灵活生产及可视化网络管理,生产与部署弹性化。

(2)工厂外网络关注“专线”需求。

工厂外网络结构“三线一连”包括“上网专线、互联专线、上云专线”三个专线以及 出厂产品的“上网连接”。上网专线能够实现用户或产品对智能工厂的访问;互联专线用 以实现智能工厂对分支机构或上下游企业间的互联;上云专线是指智能工厂与工业云平台 的互联,国家“百万企业上云”的推进拉动了工业企业专线需求;上网连接是指出厂产品 到互联网的连接,进而与智能工厂或工业云平台互联。

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目前工厂外互联网广泛使用的运营商专线业务主要包括 MPLS VPN专线与基于OTN 的光网专线。MPLS VPN 虚拟专网基于 IP/高速标签转发技术可以实现业务等级区分,能 够为用户在公共 MPLS 网络上构建企业虚拟专网以满足分支机构间的安全可靠工业传输;OTN智能光网络是满足大颗粒电路调度需求的方案,可以实现端到端的物理专网,满足大 带宽承载的企业需求。

此外 5G 切片的应用也是专线需求的重要补充。传统专网往往建设成本高昂,但基于 5G技术的公众互联网可以为工业企业提供类似专线的高质量网络连接。在企业级市场,欧 美部分运营商通过提供专用频率或租赁的方式建设专网;当前5G建设的最终目标是SA组 网,此时公网相比专网具有低成本高性能优势,同时能够提供速率与可靠性的保证。

3.3 平台汇聚层:巨头主导,产业链协同效应具差异性

平台汇聚层是指基于 PaaS 叠加大数据处理、工业数据分析等功能,构造满足工业实 时、可靠、安全的云平台,构建可扩展的云操作系统。

当前不同类型企业(如工业、自动化、TMT 等)已建立起不同细分的工业互联网企业 级平台。工业互联网平台渗透工业企业生产经营各环节,因此需要对各自细分领域的模式、 流程具有极深 knowhow,工业企业凭借经验与行业理解,部分巨头已在内部建立起较成 熟平台;TMT巨头则立足自身基础技术平台,提供通用算法与工具,与 B端工业企业协同 互补,在特定领域内形成一定的聚集;自动化等厂商则凭借某项技术专长,凭借积累的客 户资源在相关行业持续渗透。

但,不同类型工业互联网平台所覆盖、精通的领域差异显著。梳理已有工业互联网平 台,可总结三点规律:

1)根据产业链位置,各类平台可分为云、管、端三类,其中“云”主要包括阿里、华 为、用友等TMT公司,“管”则以运营商为主,“端”包括众多细分行业的专有平台。

2)“端”侧平台的精细化、专业化程度高,且已有大量成熟商用方案。但各类平台大 多覆盖少数领域,很难做到全行业复制。

3)“云”侧平台中,TMT 巨头凭借技术优势可拓展至数个领域,但基本以通用平台 为主,渗透率有待提升。

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上述产业链协同效应差异性的根源在于:行业knowhow影响了平台向不同细分渗透、 复制的难度。具体因素包括:(1)智能化后边际改善的高低:原本的自动化程度等。(2) 流程的复杂性:行业的技术壁垒。(3)行业本身:格局、产业链特点(原材料是否简单、 流程是否标准化、产成品是否多样化、需求是否高度定制化等)。例:TMT智能平台在钢 铁、化工领域渗透较多,但家电、汽车鲜有成熟平台。

因此并非“大而全”的平台就一定具备强的竞争优势,而在关键领域具备较深理解、 较专业定位的公司更容易向相似领域持续渗透。

另外,数据中心是平台层重要的基础设施环节。一方面,底层各联网设备、业务流程 产生的数据通过工厂内、工厂外网络汇聚至企业数据中心或工业云数据中心;另一方面, 为了打破信息孤岛,过去分散部署在各服务器的业务系统,如 MES、PLM、ERP、SCM、 CRM等也集中部署到工厂内数据中心或云平台。

工业互联网将为数据中心行业带来增量需求。目前我国工业上云刚刚起步,未来对上 游互联网基础设施领域需求的持续旺盛,工业数据中心存在较大发展空间。工业互联网下 数据是工业企业核心资产,内部MES/ERP尤其财务系统数据一般在私有云处理、存储,同 时各业务环节数据要求互联互通且协同,因此对工厂内数据而言,需求将从过去的传统各 业务单元数据中心演变为私有云数据中心;外部数据中心需求主要体现在云专线连接的行 业公有云以及政务系统等。

以工业互联网为代表的 B 端流量粘性高,需求将持续爆发。流量爆发是数据中心行业 长期增长的驱动力,过去存量需求主要来自C端市场,5G+工业互联网的应用将带来B端 流量的持续增长,且企业级流量的粘性高于 C端,各类数据中心需求将长期向上。

工业PaaS相关上市公司包括:东方国信(工业互联网平台Cloudiip)、用友网络(拥 有工业互联网平台)、浪潮信息(浪潮 M81)等均有工业互联网操作平台。

数据中心相关的上市公司包括宝信软件与光环新网。宝信软件作为钢铁信息化的龙头 企业借其信息化能力成为数据中心领导企业,在上海区域市场形成了规模化发展 IDC 产业 的核心竞争能力。光环新网在 IDC 积累 20 年经验,IDC 资源储备丰厚,在技术水平、基 础建设方面形成显著壁垒。

3.4 数据应用层:工控安全与工业大数据值得关注

数据是工业企业除厂房、设备等之外的重要资产,基于平台层之上的数据应用极具价 值。数据本身来自于工业生产各环节,但海量终端产生的数据大多数是没有直接应用意义 的,一般只有短期的异动或者斜率变化才是有意义的,或者需要对数据进行深度挖掘。这 就要求上层应用在打通各环节信息的同时,也要注重挖掘各类数据的潜在价值。

工业互联网应用热度各领域存在差异,数据分析能力与工业机理壁垒是决定性因素。 由于应用的开发复杂性不同,优化价值与效果不尽相同。数据是平台的核心资产与价值来 源,数据分析、挖掘、利用的程度决定了平台的应用价值。目前,结合模型和深度数据分 析的资产管理服务与生产过程管控环节应用较多,为工业企业创造了优化价值;与工业机 理深度融合的平台在开发过程中具有较高壁垒,交付成本高昂,应用开展难以保持成效, 具有高机理复杂度的应用占比较低。

纵深上看,工业互联网平台应用呈现“深度数据分析-云化资源对接-数据机理沉淀” 三个发展层次,强调数据价值。当前热点应用主要是基于“模型+深度数据分析”的资产设 备管理服务、生产过程管控等;上云、物联、可视化的生产过程管控、企业运营管理和资 源优化配置等初步应用;未来基于平台的产品研发仿真服务处于探索阶段。

“开源节流”是企业智能制造的最原始诉求,制造业的智能渗透一般从生产环节入手。 从流程价值量以及复杂程度角度,一般有以下顺序:从价值量最高、复杂程度中等(有一 定knowhow)的生产环节开始;然后到价值量适中、复杂程度低的财务、HRM、CRM环 节;最终到价值量、复杂程度均高的制造与工艺管理环节。

各类应用新增价值量遵循“先中-再低-最后高”的顺序(三一、卡特彼勒、宝钢等案 例均可证明),通过应用所处阶段,可以判断工业互联网体系成熟程度与渗透进展。

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数据作为平台应用的核心环节,安全是工业互联网产业刚需。安全作为工业互联网三 大体系之一,是网络与数据的保障。工业互联网平台采集、存储、利用的数据将成为工业 企业与第三方的重要生产资料,数据资源体量大、种类多、关联性强、价值分布不均、不 同领域数据保护利用差异大,若后台遭入侵或用户、生产信息等被泄露,将导致工业企业 重大财产损失。因此对于整个工业互联网产业而言,安全需求将长期持续。

工业大数据对于不同规模工业企业而言应用场景不同:大企业体现高价值,中小企业 注重普及与创新。

大企业通常信息化基础较好,但针对工业互联网的改造需求与新增需求仍庞大,主要 布局特定场景和全产业链两类高价值应用。大型工业企业各类 ICT 设备建设相对完善,生 产数据规范性、产业链整合情况较好,一方面主要对特定场景进行深度数据挖掘、优化设 备及生产经营环节,另一方面着重对产业链进行要素打通,提升上下游协同与资源整合能 力。

小企业以传统工业应用普及为主,聚焦部分创新性应用,体现上游数据中心以及网络 层、边缘层的长尾需求。一方面基于平台部署经营管理类云化应用,另一方面聚焦金融服 务等创新业务。重点部署以进销为代表的经营管理类云化应用,以及以生产可视化、设备 OEE、物料管理为代表的简单生产管理系统,在此基础上叠加数据分析,节约企业成本。

工控安全相关上市公司中新赛克值得关注。公司推出工业互联网安全产品和解决方案, 通过分析工业资产的指纹、漏洞信息、安全事件信息等海量数据,建立工业互联网安全知 识共享平台,可以对严重的工业互联网安全事件、高危安全漏洞、重大损失等进行预警, 并通过流量分析技术实现完整的安全事件溯源取证。

布局细分垂直领域的工业互联网的相关上市公司包括宝信软件(目前上海地区规模优 势最大的 IDC项目,钢铁信息化空头)与三联虹普(多元发展的纺织行业EPC 龙头)。