重型装备数字化转型中智能操作系统的构建方法分析

zhan_paolo

   技术变革日新月异，世界局势波云诡谲。随着芯片设计与制造、航空发动机、高端医疗器械、育种技术等 “卡脖子”问题不断显现，针对依旧对国外有严重技术依赖的行业和产业，迫切需要进行国产化、自主化变革与突破， 以应对未来可能出现的各类潜在危机。因此，我们针对重型装备的数字化转型进行深入研究，探索重型装备智能操作系统开发的技术路线和开发方法，形成切实可行的重型装备数字化转型的解决方案，并对重型装备智能操作系统的应用生态的构建进行探讨，以此抛砖引玉，为国内重型装备的数字化与智能化提供启发，助力国内形成自主知识产权的重型装备智能操作系统。

   传统重型装备存在的问题

   （1）单机孤岛化运行传统重型装备多为大型、单台设备，生产方式多为手动与半自动，即便实现全自动运行，也是单设备小批量的生产方式，无法与工厂设备管理体系有机的结合起来进行统筹管理与生产优化，这样就会造成设备的单机孤岛化运行，无法与工厂进行数据的流动与共享，进而导致设备的管理、运维、生产严重依赖于人工干预，把大批的操作、生产、运维人员“绑”在设备上，造成人力与物力的浪费，因此迫切需要把重型装备打造成一个“能言善道”的有机体，让重型装备能够有机地连通工厂与人员，变得轻轻简适用。

   （2）数字化、智能化程度低数字化与智能化是实现智能制造的基石。虽然，在汽车制造、数控机床等领域国内已逐步迈入智能制造阶段，但重型装备领域的数字化、智能化处于初级阶段，随着《中国制造2025》战略的发布，用新技术为重型装备进行数字化和智能化赋能逐渐成为主流观念，企业应抓住机遇，融合通信、采集、语音识别、传感、物联网等方面的新技术，为重型装备的数字化与智能化赋能，为重型装备开启智能制造之路。

   （3）国产化、自主化率低目前，国内重型装备除了机械结构与系统设计方面实现自主化外，无论是在电液元器件的使用，还是在控制系统和操作系统上，实现自主替代的领域凤毛麟角。重型装备关键元器件和操作控制系统的对外依存度高，不仅让重型装备的制造和使用过程中处于被动的状态，而且会无形中增加重型装备数字化和智能化的难度，因此迫切需要进行关键元器件、操作和控制系统的国产化和自主化替代， 以保障自身重型装备的稳定与安全。

   （4） 标准杂乱、适配性差重型装备需要接入如传感器、仪表、光电设备、微控制器等种类繁多的元器件或小微系统，由于缺乏统一的接入标准、接口，各硬件设备供应商提供的开发接口、设备驱动也是千差万别；因此就会出现接入同一类设备需要实现多种协议，安装各类驱动，进而导致系统适配困难，设备稳定性差，扩展能力欠缺的问题。因此我们因针对重型装备标准杂乱和适配性差的现状，结合当前桌面操作系统和车载控制系统等各类系统的人性化、简易化特点，设计面向接入对象的操作系统，由系统层提供各类设备接入、管理、调度能力，并提供可根据接入对象特点拓展的统一标准与接口，以让重型装备操作系统具备普适性。

   （5）缺乏有效数据积累与挖掘重型装备在生产运行中会产生大量的信息和数据， 对设备的价值信息进行数据化处理和对设备核心数据进行积累和挖掘，不仅能对重型机械的生产、工艺、运维等过程的优化产生立竿见影的效果，更能通过后续对数据的整合、分析、研究、运算等二次加工应用等环节对重型装备的数据互联互通、人性化交互、智能化管理等方面产生不可估量的巨大作用。因此，重型装备企业应振裘持领、深耕数据，让数字化转型如虎添翼。

   重型装备自主化数字转型的探索

   为解决传统重型装备存在的各类问题，并应对随着国际竞争的加剧，国内重型装备所使用的由西门子、AB、ABB、微软等公司提供的操作和控制系统可能沦为国外势力打压我国重型装备行业发展，国内企业已经居安思危， 开始重型装备自主化数字转型的探索。

   在重型装备控制系统自主化领域，已有和利时、汇川等企业在孜孜不倦地探索，但在重型装备操作系统领域， 依旧是国外企业占据市场的格局，因此迫切需要加快重型装备操作系统的探索与研发，解决重型装备的知识产权自主化和操作智能化的问题。

   2021年下半年，国内出现了第一个用于井下设备的智能操作系统“矿鸿操作系统”。该系统从设备互联互通、标准化数据协议、数据共享与网络安全层面对井下设备智能操作系统的构建进行了独树一帜的探索，其不仅实现了井下设备操作系统的初步自主化与智能化，更为重型装备的数字化转型投石问路，为重型装备智能操作系统的构建提供有价值的路线方向，探索启迪应用落地。

   重型装备数字化转型的智能操作系统的构建

   基于上述国内的重型装备的控制系统与操作系统的探索经验，我们博观约取，探究一条切实可行的重型装备智能操作系统的构建之路。

   （1）集群发展、先兼容后替代的纲领每一次行业变革都会出现伟大的公司，每个伟大的公司周围，都环绕着无数同样伟大的中小创新公司。首先，我们在宏观方向上确定硬件先行，软件同步迭代的总方向，并配合政策引导，对在软硬件领域国产化自主化的探索者给予足够的支持，让其能后顾无忧地为国内的科技自主化事业贡献力量，进而让各类创新公司百花齐放，形成集群效应。同时，基于国内重型装备领域系统硬件、控制系统、操作系统都是以国外大型公司产品为主的现状， 我们应采取初期兼容使用并逐步拓展转向后期软硬件全面替代的路线，一是要鼓励在现有条件下国内重型装备生产商对软硬件系统的兼容性采购国产化替代，二是为技术过硬、领域专注的中小公司创造应用场景，让软硬件在现实环境的考验中逐步实现国产化替代。

   （2）绕不开的硬件根本软件的基础是硬件，操作系统是基于硬件调度和管理各硬件资源，然后才有基于操作系统的具体应用功能开发。而各类系统所使用的如PLC、CPU、内存、显卡等硬件多是国外的产品，这就会让重型装备智能操作系统的构建如芒在背，因此我们在PLC层进行控制系统的国产替代探索，更应在底层芯片、检测元件、液压元件、电气元件、计算机硬件等方面进行全面的研究与开发，寻求硬件的逐步国产替代。过程中我们借鉴先进经验，对内核、接口、外设等进行兼容性、拓展性、连通性等的全面考量，不仅要兼容当前主流软硬件的交互、通信、连接等需求，更应兼顾各类后续可能出现的智能软硬件的集成和拓展连接， 使其不仅兼容当下，更能面向未来。

   （3）两条腿走路的必要性基于目前重型装备智能操作系统的构建如鲠在喉的现状，操作系统国产化的道路上应该两条腿走路，一方面应基于目前主流软硬件环境，设计与Step7、Linux、WinCE、工程车载控制器等国内重型装备主要使用的系统兼容互通的操作系统以不影响现有设备使用；另一方面应在此基础上一边加速国产硬件兼容替代，一边开发与国内逐步出现的控制系统、设备软硬件相兼容的操作系统，并在底层硬件连接与识别接口功能上逐步进行标准化设计与自主化替代，最终实现全面自主前提下的兼容并用。

   （4）重型装备智能操作系统的构建方法与思路   1）系统框架。重型装备智能操作系统的设计实现是在充分考虑技术的可行性、可用性后由下至上进行构建。是基于当前通用的硬件架构、常见的操作系统架构、各类特定的工业设备的接口而开发的资源管理、调度的软件系统。因此我们从系统基础、标准化协议接口、活化界面、算法圈、硬件兼容、分权分布操作、数据共享体系、智能运维、多媒体、工艺、安全等方面考虑进行重型装备智能操作系统的构建。

   搭建系统时，基于丰富的开源资源（如传统的Linux内核），提供了基础的内存管理、资源调度、管理等功能， 同时可借鉴Linux的功能特性和Windows的人性化特点， 并进行备用操作系统的搭建。前者主要用于兼容当前重型装备的各类系统与软硬件，后者主要用于在前者的基础上兼容国内的控制系统、具备自主知识产权的软硬件等。重型装备智能操作系统的开发可通过基于该操作系统做向下（硬件层面）、自身（构建兼具智能化和人性化的实用功能）、向上（内部服务、人工智能算法）的延伸来实现。

   2) 数据接口和通信协议的标准化。这是对应硬件的兼容性与连通性考虑的。操作系统是集中调度底层各类软硬件资源以实现重型装备的手动、自动甚至智能操作。无论底层硬件是否实现自主替代，都应全面考虑重型装备目前使用的主流硬件和国内硬件的自主化替代方向来进行数据接口和通信协议的标准化建设以面向市场，这样建立的操作系统才能在竞争激烈的市场环境下生存和成长。

   首先，从底层数据接口方向应全面兼容I/O、SPI、UART、网口、HDMI、VGA、CAN等多种多样的硬件接口的数据和信号输入，并针对其更上一层的如TCP/IP协议、CAN总线协议、ModBus、MPI、S7.Net等各类主流常用协议做标准化配置和选择功能，使得操作系统在建设应用功能之前，首先应具备选择适用于各类设备的通信协议功能，这样可以让智能操作系统适用于各品类的重型装备。同时在协议标准化配置和选择功能上预先设计好协议拓展功能，让底层协议的配置保留拓展性，使操作系统更加兼容适用，可进行更多种类设备的操作。

   3) 有生命的操作界面。在底层数据接口和通讯协议实现标准化后，可以抽象通用的重型装备模型，首先在设备层级对重型装备进行抽象，把重型装备进行类别的划分；然后再抽象每一类重型装备的通用组织结构模型，重型装备按自身的组成结构进行需要操作对象的划分；然后对操作方式和操作对象的运行特性等进行抽象与系统化建模， 然后针对各类操作对象的操作方式和运行特性，进行操作功能设计；同时进行设计通用的业务模型，抽取如设备数据信息、寿命管理、报警和运行信息、设备运维、组织排班等的业务模型对象等，然后针对对象特性，进行模块化设计各项基本功能；上述的任一项模型和功能都提供拓展接口和该类模型的可编程接口，用于后续功能拓展和其他需要兼容性软硬件的接入。当完成上述抽象和功能设计后，所有的重型装备类型、组织机构、操作方式、业务等都可以在操作系统里通过拖、拉、拽的方式进行配置化部署，给操作界面赋予活性，让用户或技术人员可以根据自身需要灵活设置和部署操作界面。

   4）算法圈的建立。无论是重型装备还是其他类工业设备，随着工业领域智能化进程的推进，设备的智能化程度也会越来越高，因此，让重型装备变得“有想法、有思维”也变得越来越现实。对操作系统进行运动控制、轨迹控制、智能识别、性能优化、设备分析、缺陷检测、智慧决策等适用于重型装备的各类算法的集成，不仅能针对特定的应用场景进行有效的运算与决策支持，而且可以通过不断产生的设备运行数据对算法模型进行持续优化，进而形成有效且实用的重型装备优质算法圈。

   同时在操作系统中设计算法集成接口导入各类基础算法、高级算法，以及开发多算法叠加应用的功能模块用于新增的业务场景需求和解决设备新增复杂问题，让重型装备操作系统更加足智多谋。

   5）硬件的兼容接口。任何操作系统的运行都离不开硬件的支持，除CPU、内存、输入、输出等传统的标准计算机硬件外，针对不同的工业场景，通常需要接入各类定制化的专用硬件设备，如：红外设备、雷达、激光、工业相机等设备，对此类设备按功能特点进行统筹分类，然后抽象出统一分类接口模型，并在操作系统层面提供对该类接口模型的支持，然后由操作系统完成对各类硬件设备的管理、调度功能。而后对每一类功能提供标准的硬件接口规范，整体形成硬件-应用抽象隔离层，也是扩宽重型装备操作系统应用范围、提高操作系统适配能力的重要手段。

   当多类设备均按照标准模型接入时，通过对多种模型的管理及模型的叠加，最终形成硬件设备-应用程序的隔离层，从而实现专用硬件与上层应用的解耦，达到在开发过程中，上层应用只需使用操作系统提供的硬件接口，而不需要关注具体硬件的接入管理、资源调度等；在生产、维护过程中，当需要对某一类硬件进行维护、更换时，只需接入支持同类接口模型的硬件，即可快速投入生产，而无需对上层应用进行更新的效果。

   6）分权分布式操作功能。随着重型装备智能化的进一步深入，设备的操作也会从固定操作台固定人员的方式向智能操作、多点可接管的操作模式进行。且随着设备全自动及智能稳定运行的实现，操作多以检修、测试、模拟运行等为目的，且后续设备操作层也会出现移动式无线操作面板，面向这种未来，我们构建分权分布式操作系统，在保持主操作台的主导控制权的基础上对设备的操作控制权限进行下放，可通过移动操作面板进行阶段性设备操作权限的获取，以进行测试、运维或局部操作等设备常见的日常操作，单重型装备可同时拥有多个移动操作面板，可根据重型装备的实际需要分布于设备相关的运维、工艺、操作等人员组，相关人员可根据自身对重型装备的关注点和实际需求使用搭载重型装备智能操作系统的移动操作面板进行测试、数据观测或局部影像等各类工作。

   7）数据共享体系。重型装备数字化智能化程度的提高伴随着是数据的越来越全面与系统。因此我们从底层对设备的数据进行横向和纵向的归类、整理、加工、应用，让设备数据不仅能在设备与设备间实现横向共享，而且使数据在设备与上层管理系统、工厂调度系统间实现共享与综合利用，最大化重型装备数据价值。横向根据重型装备与其他类在线设备协同生产需求对重型装备与其他设备之间需要交互的状态、位置、轨迹、联锁、协同、传感等数据进行系统性梳理，并进行标准化功能设计与在操作系统的实时展示与同步记录， 并实现同类设备间集中调用共享以优化生产过程。纵向根据重型装备在工厂体系中的位置与重要性，对重型装备需要处理的任务、调度、工艺、运维、生产等数据进行分时分步收集与立体化、权限化展示，同时把相关数据传入工厂管理系统实现设备数据在设备不同层面的人员的共享，让专业的人员通过自己的权限掌握和收集应用自身相关的专业数据，达到根据自身专业方向优化重型装备功能和性能的目的。

   8）智能运维功能。将重型装备需要运维的部位进行分类筛选，将运维点划分为必须人工、摄像头智能辅助、智能自动巡检三部分。对于必须人工巡检的，建立分周期定时弹窗和语音提醒机制，并为其建立带运维点、运维周期、运维时间、是否弹窗、完成确认的运维表格，完成闭环的人工运维和运维记录；对于需要摄像头智能辅助的， 通过周期性调度摄像头实现高清与图像识别，进行温度、电机、主管道、控制器等核心位置进行监测与比对，及时发现重型装备核心位置出现的问题并以弹窗和语音模式通知设备相关人员进行维护，同时生成带问题摄像监测点、运维时间、是否弹窗、处理确认的核心位置监测比照结果表；对智能自动巡检的设备核心信息，建立带核心数据点、运行标准范围、运维时间、是否弹窗、完成确认的核心运维数据表格，按固定周期按表格内排序进行数据采集与运行标准范围进行比对，对于没有超出范围的数据进行记录并自动确认正常，对于异常的数据进行弹窗和语音提醒，并由处理人员进行完成确认。上述三类表格自动在操作系统中生成实时记录，为设备的精准高效运维服务，进一步达到提高设备运行的稳定性和生产效率的效果。

   9）多媒体的集成与应用。一个智能的操作系统必须是一个有感官的操作系统，而操作系统的感官，直接体现在对音视频等多媒体介质的集成与应用，除了将视频用于智能运维的部分功能外，同样可以在操作系统中将摄像头用于人脸识别、安全区域防护、异常监测、历史影像记录、定点查看等，将上述功能集成在操作系统，使系统可以具备人员跟踪、区域安全保护、设备异常处理、历史追溯、设备跟踪等多种可以有效提升设备运行安全与稳定性的能力,让重型装备具备“视觉”；同时将音频集成应用于重型装备智能操作系统，进行设备各类信息的语音实时播报、电机异常音频监测、运维提醒、安全提示等，让重型装备具备“语言能力”。

   10）工艺编制与优化。工艺是重型装备生产过程中至关重要的因素，为改善传统的工艺流程纸片化、易丢失的现状，可在智能操作系统中设计和开发工艺编制与优化功能进行工艺的数字化和长期积累。针对各类重型装备特点对工艺流程的各个环节进行序列化处理，用户可调用序列进行工序编制形成单产品的工艺流程；编制工序时，可对产品的编号、材质、温度、成型时间、形状、受力、成分等各类要素进行编辑并形成对应单工序的工艺表和工艺图，多个工艺表和工艺图按工序排列并结合热处理等中间环节形成最终工艺流程，同时对实际成品的工艺数据进行回收比对，形成对照表，相关表格以产品编号为依托进行存储以积累重型装备工艺数据。后续可引入工艺相关的算法和自学习算法进行工艺数据分析和工艺流程的优化。

   11）安全操作与安全保障。安全是任何重型装备不可逾越的底线，随着重型装备数字化、智能化程度的提高， 其面临的安全威胁也越来越多。除了需要构建安全防火墙、安全网络、急停系统等传统设备安全保护机制外，我们还应从人员安全、操作安全等角度去全面考虑，让设备不仅具备智能属性，更有安全保障。涉及到人员安全的可采用电子围栏、UWB技术、人脸识别、视频监测等方式搭建安全网络，并在操作系统上进行跟踪与展示；对于操作安全，我们不仅要从控制系统层完善报警体系并将相关信息传入操作系统进行语音和文本方式的安全提醒，并在操作系统中建立危险操作预警与干预体系以保障操作安全， 同时对操作过程进行先入先出存储机制的全流程跟踪记录并触发式转存安全事件前后10min的操作数据和信息，以方便在智能操作系统中对操作进行全面的操作安全分析。重型装备智能操作系统。

   （5）重型装备操作生态系统的建立操作系统生态建立主要依赖于商业应用场景，自上而下由业务驱动生态，生态应建立在业务的每个实现环节上。从顶层视角看，重型装备智能操作系统主要对操作系统层面接入各类工业硬件、根据业务场景对各类工业硬件进行组织而建立功能模块、通过各类功能模块提供对具体工业场景进行集成与应用。因此，我们应根据业务方向和应用特点，从软件、硬件两方面进行智能操作系统生态系统的建立。

   硬件方面，各厂商通过对各自硬件的标准化、通用化改造，提供对行业基础能力的支持，并根据日渐增多的智能化和数字化业务需求进行功能迭代，提升和完善硬件功能和性能，使同一类物理硬件尽可能的适用于各种不同的应用场景。

   软件层面，各厂商基于统一硬件接口，对业务场景进行深度研究，形成与业务深度绑定的工业软件，通过对特重型装备数据、流程的长期积累、分析，形成专业的重型装备算法、模型等，进一步形成软件生态群和多种多样的重型装备智能化解决方案，服务各类装备用户。基于操作系统建立重机装备智能化应用生态，更能吸引上下游企业在操作系统上研发各类智能应用。

   结束语

   本文分析了重型装备数字化转型中智能操作系统的构建方法，针对传统重型装备存在的不足，研究和探索智能操作系统的构建方法与思路，为重型装备的数字化、智能化转型发展提供一条切实可行的技术路线。

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