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★北京控制工程研究所 劉波

北京控制工程研究所研究員、中國計算機學會工業(yè)控制計算機專委會主任 劉波

前景廣闊的中國工控機市場

對于中國的工控機市場，我認為前景非常廣闊，主要基于以下三點：

第一，有需求。隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的實施，對于工控機或嵌入式系統(tǒng)的依賴性越來越高，工控機市場需求旺盛，產(chǎn)品不斷創(chuàng)新優(yōu)化，應用領(lǐng)域向多元化拓展，如工業(yè)自動化、智慧醫(yī)療、智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測、節(jié)能與新能源、物聯(lián)網(wǎng)等；特別是在新能源汽車、航空航天等高科技領(lǐng)域，對高性能工控機需求尤為迫切。這些領(lǐng)域?qū)た貦C提出了更高要求，為工控機行業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。

第二，有政策。工控機是工業(yè)自動化系統(tǒng)的大腦，是實現(xiàn)工業(yè)自動化的關(guān)鍵組成部分。國內(nèi)出臺多項政策，鼓勵工業(yè)自動化行業(yè)的自主發(fā)展與創(chuàng)新，進行智能制造和產(chǎn)業(yè)升級。近年，國家和各級政府高度重視工控機發(fā)展，提出推動制造業(yè)高端化、智能化和綠色化發(fā)展，同時強調(diào)推進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。產(chǎn)業(yè)政策的陸續(xù)出臺，為國內(nèi)工控機快速持續(xù)發(fā)展提供了明確導向支撐，為相關(guān)企業(yè)吃了定心丸。

第三，有挑戰(zhàn)。技術(shù)創(chuàng)新是工控機行業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力。隨著國產(chǎn)芯片和基礎軟件的快速進步，人工智能、云計算等新技術(shù)的不斷成熟和應用，工控機的創(chuàng)新發(fā)展也將有更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。如何通過引入新技術(shù)，提升工控機的數(shù)據(jù)處理能力、智能分析能力和遠程監(jiān)控能力，滿足復雜工業(yè)現(xiàn)場的需求，同時推動工控機產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補，將是較長一段時間內(nèi)工控行業(yè)的挑戰(zhàn)。

在復雜多變的國際大背景下，當前處于工控機發(fā)展的關(guān)鍵時期，也是自主發(fā)展國產(chǎn)工控機的機遇期。

今年國家對工控機有許多新的政策支持，譬如今年出臺《工業(yè)重點行業(yè)領(lǐng)域設備更新和技術(shù)改造指南》明確指出幾個工業(yè)重點行業(yè)領(lǐng)域設備更新目標：

在工業(yè)軟件領(lǐng)域，以提升產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈韌性和安全水平為重點，圍繞石油、化工、航空、船舶、鋼鐵、汽車、醫(yī)藥、軌道交通等關(guān)系經(jīng)濟命脈和國計民生的行業(yè)領(lǐng)域，推動基礎軟件、工業(yè)軟件和工業(yè)操作系統(tǒng)更新?lián)Q代。2027年，完成約200萬套工業(yè)軟件和80萬臺套工業(yè)操作系統(tǒng)更新?lián)Q代任務。

而在工業(yè)網(wǎng)絡設備領(lǐng)域，以構(gòu)建安全可控新型工業(yè)網(wǎng)絡體系，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模化應用，促進制造業(yè)“智改數(shù)轉(zhuǎn)網(wǎng)聯(lián)”，推動汽車、鋼鐵、輕工、工程機械、建材、船舶、消費電子、航空、石油化工、消費品等行業(yè)的工業(yè)設備、工業(yè)網(wǎng)絡、工業(yè)算力、工控系統(tǒng)等網(wǎng)絡化改造升級。力爭到2027年，80%的規(guī)模以上制造業(yè)企業(yè)基本實現(xiàn)網(wǎng)絡化改造，邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣控制器等產(chǎn)品部署超過100萬臺，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目數(shù)超過2萬個。

這些政策，將極大地提升我國工控機或嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展水平。

可以說各行各業(yè)都離不開工控機或嵌入式系統(tǒng)的應用。在未來5年，我國有數(shù)萬家中小企業(yè)需要數(shù)智化改造升級，對工控機數(shù)量的需求是巨大的，推動了工控機市場的整體發(fā)展。而在石油、化工、航空、航天、船舶、鋼鐵、汽車、醫(yī)藥、軌道交通等關(guān)系經(jīng)濟命脈和國計民生的行業(yè)領(lǐng)域，工控機的應用就更為廣泛；工業(yè)機器人也將是工控機應用迅速發(fā)展的行業(yè)。

數(shù)字化時代的機遇與挑戰(zhàn)

在數(shù)字技術(shù)驅(qū)動下，工控機在技術(shù)發(fā)展上將提升自動化、智能化和安全性水平。按照《工業(yè)重點行業(yè)領(lǐng)域設備更新和技術(shù)改造指南》，舉兩個例子：

在石化化工行業(yè)，到2027年，推動行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成熟度3級及以上企業(yè)比例達到15%以上，4級及以上企業(yè)比例達到7%以上，關(guān)鍵工序數(shù)控化率達到85%以上，數(shù)字化研發(fā)設計工具普及率達到75%以上，改造裝置能效達到《工業(yè)重點領(lǐng)域能效標桿水平和基準水平（2023年版）》標桿水平，本質(zhì)安全水平大幅提升。

在鋼鐵行業(yè)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型改造。推進企業(yè)在自動化、數(shù)據(jù)采集、過程控制、網(wǎng)絡架構(gòu)等方面完善軟硬件設施建設，加裝傳感檢測、儀器儀表、無人運輸車輛等智能裝備，在測溫、取樣、扒渣、酸洗、巡檢、吊運等3D崗位引進工業(yè)機器人；礦山采選、煉鐵、煉鋼、軋鋼等操控集中化，設備監(jiān)控、診斷、運維遠程化，銷售、采購等服務線上化；完善網(wǎng)絡基礎設施建設，擴大5G、Wi-Fi6、工業(yè)以太網(wǎng)等在鋼鐵企業(yè)的覆蓋；開展先進成熟的數(shù)字化應用改造、智能制造工廠建設和優(yōu)秀應用場景推廣，支持建設鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新平臺。

在航天領(lǐng)域，基于高可靠計算機和操作系統(tǒng)，首先是設備、系統(tǒng)性能和功能的突破，其次是航天器的穩(wěn)定、可靠性運行，再者就是擁有自主發(fā)展的持續(xù)基礎，圍繞這三點在數(shù)字技術(shù)驅(qū)動下，找到契合的發(fā)展和創(chuàng)新點。

在萬物互聯(lián)時代，會涌現(xiàn)出海量的末端智能體和智能邊緣設備，這些智能體和邊緣設備的核心部件就是小型化或微型化工控機或嵌入式系統(tǒng)，并在算力、算法和操作系統(tǒng)層面能很好支持人工智能技術(shù)的應用。

工控機的產(chǎn)品及技術(shù)比較特殊，為其它行業(yè)領(lǐng)域提供可靠、嵌入式、智能化的工業(yè)計算機。近年來，在物聯(lián)網(wǎng)、計算機及網(wǎng)絡技術(shù)、人工智能等快速發(fā)展的背景下，關(guān)鍵性行業(yè)的關(guān)鍵任務越來越多地依靠工控機，工控機的產(chǎn)品和技術(shù)也迎來了變革與升級。物聯(lián)網(wǎng)可以看作嵌入式系統(tǒng)開發(fā)極好的機會。智能手機，平板電腦和可穿戴設備等移動設備已經(jīng)變得無處不在。

個人認為未來主要有三大挑戰(zhàn)：

第一，自主可控技術(shù)的挑戰(zhàn)。如工業(yè)處理器作為工業(yè)強基工程中的核心關(guān)鍵基礎元器件，關(guān)系到涉及國計民生的重大工程任務。實現(xiàn)基于ARM、RISC-V、PowerPC架構(gòu)的工業(yè)處理器的自主研發(fā)與設計能力，是中國制造2025重大強國戰(zhàn)略實施過程中核心關(guān)鍵基礎元器件“卡脖子”問題的有效解決途徑。

第二，信息安全性技術(shù)的挑戰(zhàn)。工控機信息安全問題倍受重視。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在城市、交通、能源、水利、智能制造等關(guān)乎國計民生的領(lǐng)域廣泛應用，層出不窮的安全事件也為我們敲響了警鐘。例如，工控機系統(tǒng)逐漸走向開放，而工控機網(wǎng)絡環(huán)境的多樣性和復雜性給其帶來許多安全問題。

第三，智能化的挑戰(zhàn)。按照《國家智能制造標準體系建設指南》，將在幾乎全部工業(yè)重點行業(yè)推動智能化。譬如在工業(yè)機器人行業(yè)，面向高端化、智能化、綠色化發(fā)展方向，如何著力提升工業(yè)機器人生產(chǎn)過程的數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化水平，是提升工業(yè)機器人產(chǎn)品競爭力的重要挑戰(zhàn)。

以創(chuàng)新和人才培養(yǎng)助力工控行業(yè)發(fā)展

國家工業(yè)控制機及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心主要圍繞航天領(lǐng)域開展控制計算機研發(fā)和創(chuàng)新，在研發(fā)和創(chuàng)新方面的最新成果，主要有：

（1）研制了分布式熱備份冗余控制計算機系統(tǒng)，解決了拜占庭實時容錯計算問題，使中國空間計算機容錯水平大幅提升。

（2）研制出基于RISC-V架構(gòu)的新一代高可靠航天處理器，將有力地支撐航天控制計算機的持續(xù)發(fā)展。

（3）圍繞控制計算機和系統(tǒng)日益智能化的迫切需求，開展高可信智能化操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的研究。

（4）持續(xù)開展高可信軟件構(gòu)造技術(shù)（將人工智能方法引入到軟件工程領(lǐng)域，實現(xiàn)軟件開發(fā)過程的自動化、智能化操作，從而提升軟件研制質(zhì)量和效率）、高可信軟件驗證技術(shù)（形成易用性強的自動化仿真測試平臺，為智能化、數(shù)字化、自動化快速測試和驗證方面奠定基礎）研究。

（5）實時控制網(wǎng)絡：針對以TTE技術(shù)與TSN技術(shù)為代表的確定性以太網(wǎng)技術(shù)，開展確定性業(yè)務時延服務質(zhì)量保障研究、系統(tǒng)容錯方案研究（通過空間/時間冗余機制與錯誤數(shù)據(jù)隔離機制的結(jié)合，提升系統(tǒng)可靠性）、網(wǎng)絡協(xié)議標準化與設備兼容性設計研究、網(wǎng)絡動態(tài)調(diào)度等研究。

（6）基于大數(shù)據(jù)的健康管理技術(shù)：面向數(shù)字化裝備實時數(shù)據(jù)異常檢測、健康評估及預測性維護的分析需求，開展基于大數(shù)據(jù)的健康管理技術(shù)研究。

此外，研究中心希望做工控領(lǐng)域的沃土，培養(yǎng)未來發(fā)展需要的高層次人才同時，提供不同的崗位和職責，滿足各層次人才發(fā)展需求。

一方面，與清華大學、西電等國內(nèi)多所高校聯(lián)合培養(yǎng)碩士、博士人才。建立了開放共享制度，針對大型儀器設備及科學數(shù)據(jù)、技術(shù)資料實現(xiàn)開放共享機制，提高工控中心人才培養(yǎng)平臺的屬性。

另一方面，楊孟飛院士是工控中心的首席科學家、“身邊的科學家”。中心努力成為航天精神的傳承者，建設守護航天精神家園，傳承發(fā)揚航天精神，為培養(yǎng)層次人才樹立楷模。

第三，中心從運行管理、設備設施建設和政策機制方面為人才培養(yǎng)和發(fā)展提供保障。

工控機行業(yè)未來發(fā)展重點

對于工控機和嵌入式系統(tǒng)行業(yè)的未來發(fā)展重點，我認為主要有三個方面：

其一，國產(chǎn)化的生態(tài)。基于國產(chǎn)化基礎軟硬件的工控生態(tài)才能穩(wěn)定、持續(xù)和安全，我認為這是未來幾年內(nèi)工控機行業(yè)最需要關(guān)注和解決的問題。

其二，智能化。隨著工控機向眾多領(lǐng)域拓展延伸，工控機或嵌入式系統(tǒng)如何更好地為客戶提供無人化、自動化和智能化的解決方案也將是需要關(guān)注和解決的問題。

其三，信息安全問題備受重視。工控機安全市場正在迎來需求的高增長期。企業(yè)開始加大對信息安全保護的重視，將成為推動我國工業(yè)信息安全的強大的積極力量。

摘自《自動化博覽》2024年11月刊