數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能技術(shù)：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與工業(yè)APP 課件 第3章 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

第3章工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教師：******CATALOGUE目錄3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)3.1.1工業(yè)智能感知3.1.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)3.2.1工業(yè)大數(shù)據(jù)3.2.2云計算CATALOGUE目錄3.2.3建模仿真3.2.4人工智能3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)3.3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全辨析3.3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險3.3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架013.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)主要包括邊緣計算、云計算、建模仿真和人工智能等技術(shù)。邊緣計算邊緣計算是一種分布式計算模式，將計算任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備上，以降低延遲并節(jié)省帶寬。云計算云計算是一種商業(yè)計算模式，通過將計算任務(wù)分配到由大量計算機組成的資源池中，以降低計算成本。建模仿真建模仿真技術(shù)是以系統(tǒng)技術(shù)、相似原理、信息技術(shù)、模型理論、建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域為基礎(chǔ)的技術(shù)。人工智能人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是必然的趨勢，亦是工廠實現(xiàn)智能化的核心技術(shù)體現(xiàn)。典型人工智能技術(shù)傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和聯(lián)邦學(xué)習(xí)是典型的人工智能技術(shù)，它們在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用。3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)010402050306023.1.1工業(yè)智能感知工業(yè)智能感知的發(fā)展趨勢隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)智能感知將實現(xiàn)更高效的設(shè)備監(jiān)控和管理，為工業(yè)生產(chǎn)帶來更多可能性。工業(yè)智能感知的定義工業(yè)智能感知是指利用各種傳感器和執(zhí)行器，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將工業(yè)設(shè)備與系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)智能化感知、監(jiān)控和管理。工業(yè)智能感知的原理工業(yè)智能感知的原理是將傳感器和執(zhí)行器接入互聯(lián)網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制系統(tǒng)。工業(yè)智能感知的價值工業(yè)智能感知能夠提高設(shè)備運行效率、降低維護(hù)成本、確保生產(chǎn)安全，是工業(yè)4.0時代的重要支撐技術(shù)之一。3.1.1工業(yè)智能感知033.1.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分類工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可分為工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)滿足工廠內(nèi)部生產(chǎn)、辦公、管理、安防等連接需求，外部網(wǎng)絡(luò)支持工業(yè)全生命周期活動。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)連接提出了更高的要求，包括多類型數(shù)據(jù)傳輸、多通信制式開放、多網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合和多業(yè)務(wù)流程管理。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接框架中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提出了包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)互通兩個層次的連接框架，促進(jìn)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，解鎖數(shù)據(jù)。3.1.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)可分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)通信使用線纜作為數(shù)據(jù)傳輸載體，無線網(wǎng)絡(luò)通信則通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)類型在有線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，常用的有線傳輸介質(zhì)包括雙絞線、同軸電纜和光纖線纜等，雙絞線通過將兩根線纜絞合在一起制成，同軸電纜由多層結(jié)構(gòu)組成，抗干擾性更強。有線傳輸介質(zhì)3.1.2工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接043.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)工業(yè)大數(shù)據(jù)是對工業(yè)系統(tǒng)在賽博空間的映像，必須反映工業(yè)系統(tǒng)的系統(tǒng)化特征。工業(yè)大數(shù)據(jù)工業(yè)大數(shù)據(jù)涵蓋了多種數(shù)據(jù)類型，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型工業(yè)大數(shù)據(jù)的真實性和質(zhì)量較低，需要提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)質(zhì)量3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)0102033.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)新特征工業(yè)大數(shù)據(jù)作為對工業(yè)相關(guān)要素的數(shù)字化描述和在賽博空間的映像，具有多模態(tài)、強關(guān)聯(lián)、高通量等新特征。技術(shù)架構(gòu)價值實現(xiàn)方式工業(yè)大數(shù)據(jù)技術(shù)的架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集與交換、數(shù)據(jù)集成與處理、數(shù)據(jù)建模與分析、決策與控制應(yīng)用等核心組件。工業(yè)大數(shù)據(jù)的價值實現(xiàn)方式包括實現(xiàn)量的積累、分析創(chuàng)造獲得實質(zhì)的價值、數(shù)據(jù)治理改進(jìn)數(shù)據(jù)質(zhì)量和管理短板。云計算云計算是一種分布式計算模式，將巨大數(shù)據(jù)計算處理任務(wù)分解成多個小任務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)“云”將任務(wù)分配給大量計算機組成的資源池。特點服務(wù)類型3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)云計算的核心理念是通過提升“云”的處理能力來減輕用戶終端的負(fù)擔(dān)，最終將終端簡化為一個輸入輸出設(shè)備。云服務(wù)類型包括基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺即服務(wù)、軟件即服務(wù)，每種類型提供不同的服務(wù)內(nèi)容和適用場景。仿真系統(tǒng)組成仿真系統(tǒng)的一般組成包括仿真硬件、仿真軟件、系統(tǒng)評估、校驗驗證與確認(rèn)等部分，共同確保仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)建模仿真典型應(yīng)用形態(tài)建模仿真技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下有多種典型應(yīng)用形態(tài)，如工程建模仿真技術(shù)、虛擬樣機建模仿真技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)。人工智能人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是必然趨勢，也是工廠實現(xiàn)智能化的核心技術(shù)。3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使能技術(shù)典型人工智能技術(shù)典型人工智能技術(shù)包括傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和聯(lián)邦學(xué)習(xí)，每種技術(shù)都有其獨特的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。工業(yè)人工智能工業(yè)人工智能技術(shù)是人工智能技術(shù)基于工業(yè)需求進(jìn)行二次開發(fā)適配形成的融合性技術(shù)，旨在為工業(yè)企業(yè)提供更加智能化的解決方案。賦能作用工業(yè)人工智能技術(shù)的賦能作用體現(xiàn)在兩大路徑上，一是以專家系統(tǒng)、知識圖譜為代表的人工智能技術(shù)應(yīng)用，二是通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策優(yōu)化和執(zhí)行。053.2.1工業(yè)大數(shù)據(jù)工業(yè)大數(shù)據(jù)特征工業(yè)大數(shù)據(jù)作為對工業(yè)相關(guān)要素的數(shù)字化描述和在賽博空間的映像，除了具備大數(shù)據(jù)的4V特征，還具備反映工業(yè)邏輯的新特征。強關(guān)聯(lián)工業(yè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)是物理對象之間和過程的語義關(guān)聯(lián)，包括產(chǎn)品部件之間的關(guān)聯(lián)、生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、產(chǎn)品生命周期中環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)。多模態(tài)工業(yè)大數(shù)據(jù)是對工業(yè)系統(tǒng)在賽博空間的映像，必須反映工業(yè)系統(tǒng)的系統(tǒng)化特征和各方面要素，導(dǎo)致單體數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。高通量智能互聯(lián)產(chǎn)品嵌入傳感器后，可實時感知并產(chǎn)生數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)已成為工業(yè)大數(shù)據(jù)的主體，例如風(fēng)機故障狀態(tài)的數(shù)據(jù)采樣頻率為50Hz。3.2.1工業(yè)大數(shù)據(jù)063.2.2云計算3.2.2云計算傳統(tǒng)模式的挑戰(zhàn)傳統(tǒng)模式下，企業(yè)需購買CPU、硬盤等基礎(chǔ)設(shè)施，購買軟件許可，雇傭?qū)I(yè)人員維護(hù)數(shù)據(jù)中心運行，且需不斷升級軟硬件設(shè)施以滿足需求。云計算的優(yōu)勢云計算是一種分布式計算模式，通過將巨大數(shù)據(jù)計算處理任務(wù)分解為小任務(wù)，由多臺服務(wù)器組成的系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析，最終返回結(jié)果給用戶。云計算的誕生隨著信息技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)量爆炸式增長，用戶對計算和存儲資源需求增加，企業(yè)建立數(shù)據(jù)中心，投入大量資源提升計算和存儲能力。030201按需選擇服務(wù)云計算的特點超級計算模式超大規(guī)模云計算是一種商業(yè)計算模式，通過將計算任務(wù)分配到資源池上，滿足不同用戶需求，用戶可以根據(jù)自身需求選擇服務(wù)，并按需付費。云計算核心理念是提升“云”處理能力，減輕用戶終端負(fù)擔(dān)，將大量網(wǎng)絡(luò)連接的計算資源統(tǒng)一管理和調(diào)度，構(gòu)建計算資源池，提供按需服務(wù)。云計算是基于互聯(lián)網(wǎng)的超級計算模式，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，成千上萬計算機、服務(wù)器、存儲器連成一片電腦云，擁有極強的計算能力。云計算擁有相當(dāng)龐大的規(guī)模，以便支持其超強的計算能力和高效的數(shù)據(jù)處理。這種超大規(guī)模的特點使得云計算能夠應(yīng)對各種復(fù)雜和大規(guī)模的任務(wù)。3.2.2云計算073.2.3建模仿真3.2.3建模仿真建模仿真技術(shù)建模仿真技術(shù)是一門多學(xué)科綜合性、交叉性技術(shù)，涉及系統(tǒng)技術(shù)、相似原理、信息技術(shù)、模型理論、建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)技術(shù)，在計算機系統(tǒng)、仿真工具、物理設(shè)備等支撐下，構(gòu)建仿真目標(biāo)模型，對產(chǎn)品全生命周期活動進(jìn)行設(shè)想或者模擬。01建模的概念建模是對實際對象的一種抽象，旨在描述對象的本質(zhì)、內(nèi)在關(guān)系或特性，用以研究對象功能及其各部件間的作用規(guī)律。通過將對象的特點和內(nèi)部關(guān)系抽象出來，構(gòu)建對象的模型，從而進(jìn)行對象的定量分析。02物理建模物理建模又稱實體建模，是基于相似性原理進(jìn)行對象的模擬，可以是按比例放大或縮小的實體，例如，原子結(jié)構(gòu)的模型，建筑物模型，在飛機和艦船設(shè)計中進(jìn)行的飛機在風(fēng)洞中的飛行實驗和船體在大型水池中的航行實驗等。033.2.3建模仿真數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模是用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述對象動態(tài)特性，表示對象變化過程中各參數(shù)間的邏輯和數(shù)理關(guān)系。通過研究對象的數(shù)學(xué)模型，可以揭示對象的內(nèi)在運動和系統(tǒng)的動態(tài)性能。虛擬建模隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實建模應(yīng)運而生。這種建模具有物理模型直觀、易懂的特點，同時避免了成本高、實現(xiàn)困難的缺點。涌現(xiàn)了大量的虛擬樣機仿真軟件，如ADAMS、SMPACK等，還有虛擬儀器仿真軟件，如LABVIEW等。仿真的概念計算機仿真是對真實事物的模擬，建立在計算機仿真理論、控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上，以計算機和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真實或假想的系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)研究的一門多學(xué)科綜合性技術(shù)。083.2.4人工智能人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合是必然的趨勢，亦是工廠實現(xiàn)智能化的核心技術(shù)。人工智能的技術(shù)人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、云計算和信息物理系統(tǒng)的集成將使得工業(yè)以更加靈活、高效和節(jié)能的方式運作。機器學(xué)習(xí)機器學(xué)習(xí)（MachineLearning，ML）被視為人工智能的子集，是對通過經(jīng)驗自動改進(jìn)的計算機算法的研究。3.2.4人工智能3.2.4人工智能監(jiān)督學(xué)習(xí)算法通過使用包含輸入和期望輸出的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來建立數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測與新輸入相關(guān)聯(lián)的輸出函數(shù)。監(jiān)督學(xué)習(xí)無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法處理一組僅包含輸入數(shù)據(jù)的情況，并從中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，如數(shù)據(jù)點的聚類或分組。在2010年后的繁榮部分歸因于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的突破，深度學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能技術(shù)的一種。無監(jiān)督學(xué)習(xí)強化學(xué)習(xí)關(guān)注程序如何在動態(tài)環(huán)境中采取行動以最大化回報，目前主要應(yīng)用于自動駕駛車輛或者與人類進(jìn)行比賽。強化學(xué)習(xí)01020403深度學(xué)習(xí)093.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人與人、人與機器、機器與機器之間的互聯(lián)互通和信息交換，構(gòu)建起萬物互聯(lián)、高效運轉(zhuǎn)的智能社會的生產(chǎn)基礎(chǔ)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全挑戰(zhàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全問題也面臨著很多新的挑戰(zhàn)，需要采取新的安全技術(shù)和措施來保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全。3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)103.3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全辨析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全關(guān)注與計算相關(guān)的系統(tǒng)平臺、軟件代碼和硬件設(shè)備以及計算設(shè)備間的通信，以及場景下物理設(shè)備的信息聯(lián)通和監(jiān)測控制?；ヂ?lián)網(wǎng)安全互聯(lián)網(wǎng)安全要求確保操作系統(tǒng)等軟件、計算機實體、信息服務(wù)實體的安全性，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全保護(hù)范圍不僅涵蓋了上述計算用設(shè)備、軟件和平臺，還需要保護(hù)大量的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。攻擊結(jié)果互聯(lián)網(wǎng)安全受到破壞，可能導(dǎo)致敏感信息泄露、數(shù)據(jù)篡改、網(wǎng)頁掛馬、服務(wù)器中斷等問題，主要危及數(shù)據(jù)安全，擾亂信息系統(tǒng)的正常運行。3.3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全辨析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及到重要行業(yè)，一旦遭受攻擊，可能直接導(dǎo)致實際損害，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，造成人員傷亡，甚至影響國家戰(zhàn)略布局。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全傳統(tǒng)工控系統(tǒng)在工廠外使用公共聯(lián)網(wǎng)，不同產(chǎn)業(yè)或工廠間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)但信息不互通，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全與傳統(tǒng)工控安全存在密切聯(lián)系。傳統(tǒng)工控安全3.3.1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全辨析113.3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新特點工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有開放、互聯(lián)、跨域、融合等新特點，打通了原本相互孤立的工業(yè)設(shè)備系統(tǒng)之間的壁壘，提高了生產(chǎn)效率。面臨的安全風(fēng)險在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中，主要面臨設(shè)備、控制、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用以及數(shù)據(jù)等五個方面的安全風(fēng)險問題。設(shè)備安全風(fēng)險設(shè)備安全風(fēng)險主要來自工業(yè)裝備儀器、智能終端等生產(chǎn)設(shè)備，以及辦公主機、服務(wù)器等辦公設(shè)備。芯片安全風(fēng)險芯片安全風(fēng)險指核心元器件的潛在威脅，如CPU、內(nèi)存等器件可能存在深層次的潛在漏洞，難以修復(fù)。固件安全風(fēng)險固件作為工業(yè)設(shè)備的重要組成部分，存在巨大的安全挑戰(zhàn)，如被攻擊者提取、逆向編譯、修改或插入惡意代碼。3.3.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險0102030405123.3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架3.3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架靜態(tài)安全防護(hù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全框架OSI安全體系架構(gòu)、IATF以及IEC62443均僅實現(xiàn)工業(yè)系統(tǒng)的靜態(tài)安全防護(hù)機制，未能部署動態(tài)持續(xù)的安全防護(hù)措施，無法有效應(yīng)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中不斷變化的內(nèi)外部安全威脅，也無法滿足日益復(fù)雜全面的信息保障需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架針對網(wǎng)絡(luò)安全問題，策略、防護(hù)、檢測、響應(yīng)雖然從技術(shù)層面進(jìn)行了考慮，但忽視了管理對安全防護(hù)的重要性。為此，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架》白皮書，構(gòu)建了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架。防護(hù)對象視角包括設(shè)備、控制、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用和數(shù)據(jù)五大安全重點。針對五大防護(hù)對象部署主動和被動的