【工業網際網路】劉多:實施工業網際網路創新發展戰略推動實體經濟高質量發展;論工業網際網路的聯接性...

產業智慧官發表於2018-05-01

2018年4月23日,由工業和資訊化部、國家網際網路資訊辦公室、國家發展和改革委員會、福建省人民政府主辦,中國資訊通訊研究院、福建省經濟和資訊化委員會、福建省通訊管理局、福州市人民政府承辦的首屆數字中國建設峰會大資料分論壇勝利召開。

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中國資訊通訊研究院院長劉多作《實施工業網際網路創新發展戰略  推動實體經濟高質量發展》主題演講。劉多院長從網路、平臺和安全方面解釋了工業網際網路的內涵,闡釋了工業網際網路推動實體經濟高質量發展的作用機理,列舉了國家和地方在工業網際網路方面的戰略部署,介紹了工業網際網路323行動,與會觀眾高度關注。


更多精彩,敬請閱讀現場釋出PPT。

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校  審 | 陳  力、 陸  廷

編  輯 | 凌  霄

宣告:本文來源:中國資訊通訊研究院CAICT, 文/劉多



論工業網際網路的聯接性

工業4.0早期的軟肋

工業4.0平臺和工業網際網路聯盟IIC在2017年12月5日聯合發表《架構對接和可互操作性》白皮書,在國內引起了廣泛興趣。但是,IIC在2017年2月28日釋出《工業物聯網的聯接性框架》白皮書,已經一年多了,卻受到了冷遇。顯而易見,聯接性(connectivity)在工業4.0和工業網際網路中的重要性,在國內還不曾被瞭解和充分認識。


這或許是因為在工業4.0的參考架構RAMI4.0中沒有聯接性的概念,只是在由物理世界按其功能特性對映到虛擬世界的維度中,有一個通訊(communication)的層級。而按RAMI4.0的白皮書中對通訊層的功能解釋,是用來處理通訊協議、資料和檔案的傳輸。它在指向資訊層的方向上採用統一的資料格式,從而保證通訊實現標準化;併為整合層的控制提供服務。這僅僅是將在製造過程中產生的各種資訊轉換為統一的資料格式,尚沒有細化到要通過哪些通訊協議傳輸,完成“在正確的時間,將適當的資料傳送到正確地點”的任務。這或許也反映出德國在數字通訊、網際網路等基礎方面遠遠落後於美國的一個不能迴避的現實。由於德國工業4.0對我國的影響太深,以至於我們對它的某些軟肋竟然視而不見。其實德國工業技術界對此也是有逐漸有所理解和認識的,要不然就無法解釋工業4.0平臺與工業網際網路聯盟的合作程式,為什麼從2015年就開始啟動,但又遇到挫折,直到2017年才開始有了實質性的推動。


還有一個原因是聯接性技術屬於通訊基礎性技術,不是那種所謂“顯示度”很高的技術,國內向來採取被動跟隨的姿態,多半是採用“拿來主義”。所以論述工業網際網路平臺的文章連篇累牘,卻很少見到關於聯接性的描述。


工業物聯網IIoT的領導聯盟是美國工業網際網路聯盟IIC和德國Industrie 4.0 (I4.0)平臺。 二者各有千秋,IIC 建立了一種跨越工業領域的技術架構;而工業4.0著重於製造業,但超越了技術架構,介入了供應鏈和產品生命週期。由於這些目標和架構都是互補的,因此兩個組織正在共同繪製今後發展、建立工業4.0和工業網際網路之間實現可互操作性的設計藍圖(見下圖)。

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圖 | 建立工業4.0和工業網際網路的互操作性


什麼是聯接性?

泛在聯接性是工業物聯網IIoT系統中各種參與元件之間實現資料共享的一種基礎技術。聯接性為聯接參與者之間,提供功能域內、系統內跨功能域,以及跨系統進行資料交換的能力。這些資料交換包括感測器的資料重新整理、事件、報警、狀態變化、命令以及組態重新整理。簡言之,聯接性是跨功能域(由工業網際網路參考架構所定義)的橫向互動功能(見下圖)。

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圖 | 聯接性是橫向互動功能


在圖中綠色箭頭:資料/資訊流;灰白色箭頭:決策流;紅色箭頭:命令/請求流。


功能域有:控制功能域,資訊功能域,應用功能域,操作運營功能域和業務功能域。


IIoT領域中充斥著各種各樣的專有聯接性技術,以及在垂直整合系統中一些針對較小的特定範圍的應用案例及優化標準。這些特定範圍的聯接技術雖然在各自應用範圍內內還是相當優化的,但是對於建立新的價值流,以及開啟全球的IIoT市場,卻在資料共享、設計、架構乃至通訊諸方面是一種障礙。IIoT聯接性的首要目的是要讓這些相互隔離的孤立系統的資料開放流動,使得這些封閉的元件和子系統之間能夠共享資料和實現可互操作性,以至在各種行業內和各種跨行業的新型和新興的生態應用得以形成和發展。


我們需要建立廣泛領域的IIoT的聯接性。通過定義IIoT聯接性的堆疊模型和開放的聯接性參考架構,使從事IIoT的各種利益攸關者,對手頭正在開發和應用的聯接性技術的適用性進行分類、評估和確認。


IIoT工業物聯網的通訊模型

由於歷史發展的侷限,經典的開放系統互連OSI (open system for interconnection)7層模型和網際網路4層模型都不能準確地描述工業網際網路聯接性的要求。IIoT作為工業網際網路的一個關鍵的基礎,要求用一個新的聯接性功能層模型來著重表達分散式的感測器、控制器、閘道器、各種裝置和器件,以及分散式系統的其它應用組成。


當然,這一模型還是以OSI模型和網際網路模型為參考,按照新的要求提出了聯網(物理層、鏈路層、網路層)、聯接性(傳輸層、框架層)和資訊三大功能共6層的通訊模型,又稱為IIoT聯接性堆疊模型,作為工業網際網路參考架構IIRA內的橫向互動功能的聯接性範圍(見下圖)。

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圖 | 工業物聯網IIoT通訊的6層模型


IIoT系統的可互操作性層呈沙漏形狀。其上頂部是一個寬泛的資料模型譜系,以及針對特定垂直行業的功能;頸部通常用於跨垂直行業的網際網路層。聯通性提供基本的資料共享機制,支援諸如分散式資料可互操作性和管理這樣的高階功能,作為實現語法可互操作性(注意:不是語義可互操作性)的橫向互動功能。

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圖 |  IIoT聯接性堆疊模型


沙漏頸部是IIoT中“網際網路”的起點。鑑於頸部上面的聯接層並沒有很好的認識和理解,所以,為了構建IIoT系統,要側重考慮和研究“網際網路”聯網層上面的聯接功能。

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圖 | IIoT系統的聯接性堆疊模型的功能性


上圖表示IIoT聯接性堆疊模型,以及聯接功能性的範圍,作為工業網際網路參考架構IIRA中的橫向互動功能。聯通功能性為IIoT系統中在同一功能域內的參與者之間和在跨功能域的參與者之間,提供資料共享的機制。由圖可見,最底層為物理層,用物理介質(有線,無線)連線網路的所有參與者,並進行以“位”(bit)為特徵的物理訊號(電訊號、光訊號或其它)的傳輸。其上為連結層,用於相鄰參與者之間共享物理連結,並通過訊號傳輸協議進行以“幀”為特徵的交換。再上面是網路層,進行以有限長度的“資料包”為特徵的交換,可能在非相鄰(遠端)參與者之間進行多連結路由通訊。再往上是傳輸層,是在參與者應用程式之間進行不同長度的通訊報文的通訊。其上是框架層,是指為參與者應用程式之間提供可組態的有服務質量QoS的結構化資料(狀態、事件、資料流)交換。再上面已超出聯接的範圍,是分散式資料可互操作性和管理層橫向互動的功能,依賴於聯接框架層提供的有具體物理意義的資訊共享。


這裡順便指出,網際網路協議(IP)是流行於網路層的聯接標準,因網際網路而誕生,而現在也用於物聯網,而且在網路層對其上一層和下一層都具有獨立的使能創新。雖然IP連線、非IP連線以及相當多的無線存取技術不斷的發展並進入市場,使IIoT共同體有了新的選擇,但下面三層都與OSI模型相同,而且廣為人知。網路層以上的各層最近十年發展迅速,但還沒有被廣泛認識和了解。因此本檔案重點在網路層以上的各層,即聯接傳輸層和聯接框架層。


聯接性功能要求

工業網際網路參考架構IIRA中聯接性在整個架構中的任務是的支援參與互聯的系統中的端點之間進行資料交換。舉例說,資訊包括感測器重新整理、遠傳資料、控制命令、報警、事件、狀態變化或組態更新和按時間記錄的資料等等。基本上聯接的任務就是在端點之間提供可互操作的通訊,以保證各種元件的整合。不過聯接性功能的目標限於為所參與聯接的端點之間提供語法可互操作性。


通訊中的可互操作性,可以達到從客戶整合到基於開放型標準的即插即用等抽象的不同級別。可互操作性通常分類如下:

☆ 技術可互操作性,是指交換以位和位元組表現的資訊的能力。這建立在資訊交換的基礎結構已經存在,同時基礎架構下的網路和協議都有明確的定義。


☆ 語法可互操作性,是指交換以通常的資料結構表現的資訊的能力。這建立在已經使用構造資料的公用協議,而且資訊交換的結構已經明確定義。語法可互操作性以技術可互操作性已經建立為前提。


☆ 語義可互操作性,是指在適當的所表現的資訊解釋的上下文條件下(即語境)進行交換資料含義的能力。語義可互操作性以語法可互操作性已經建立為前提。


聯接傳輸層和聯接框架層的任務和範圍

對於IIoT系統,聯接功能性有兩個功能層:聯接傳輸層和聯接框架層。前者為端點之間的提供傳輸資料的方法和手段;在資料交換中它實現端點之間的技術可互操作性。此功能對應於OSI7層模型的第4層傳輸層,或對應於網際網路模型的傳輸層。聯接框架層為端點提供將資料變成明確的結構化,並完成被解析的過程;它提供端點之間實現語法可互操作性的機制。在此聯接框架層中,“公共資料結構”(“common data structure” )是指被交換的資料的結構或模式。例如,我們所熟悉的程式語言中的資料結構和資料庫的模式。聯接框架的功能對應OSI7層模型中的第5層(會議層)至第7層(應用層),或網際網路模型的應用層。IIoT的聯接性功能層的任務和範圍可見下表。


在分散式資料可互操作性和管理功能中的資料服務框架建立在由聯接框架層提供的語法可互操作性的基礎上,工業網際網路參考架構的動態合成和協調功能要求語義可互操作性。


聯接框架層在資訊交換中為參與的端點提供邏輯資料交換服務。在此層可觀察和“理解”資料交換,同時運用相關知識來優化資料的傳送。它是位於聯接傳輸層上部的邏輯功能層,而且應該並不需要知曉實現聯接傳輸層的技術。聯接框架層為端點間提供語法可互操作性,所交換的資料其結構化具有共同而明確的資料格式,與端點的實現無關,而且與硬體和程式設計平臺解耦。與端點後面的應用邏輯有關,可能要求一個或多個資料交換的模式,其中有兩個主要的資料交換模式:釋出-訂閱和請求-響應。


聯接框架層的關鍵利益是將不同功能的實現加以抽象和隱藏,這樣在聯接框架中使用的應用軟體無需瞭解實現的具體方法,而是利用了聯通框架層的能力。這樣既減少了開發成本,又提高了生產能力和質量。

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表 |  IIoT聯接性功能層的任務和範圍


聯接框架層和聯接傳輸層的核心任務

聯接框架層的核心功能包括資料資源模型、釋出-訂閱和請求-響應交換機制、資料的服務質量、資料的資訊保安和可程式設計API等。用下圖概述如下。

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圖 | 聯接框架層的核心功能


聯接傳輸層為端點連線提供邏輯傳輸網路。聯接傳輸類似一個在端點之間執行資料流動的不透明管道。聯通傳輸層的關鍵任務是為端點之間提供技術可互操作性。聯通傳輸的核心功能包括:端點定址、通訊模式、網路拓撲、連通性、優先管理、時序和同步,以及訊息安全。下圖概述了聯接傳輸層的核心功能。

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圖 | 聯接傳輸層的核心功能


聯接框架層的核心標準

IIoT 聯接框架層標準給出原來主要是用於相關垂直行業的聯接標準(如oneM2M用於電訊行業, OPC-UA用於製造業),為那些行業提供了賦能的的技術特性,也能夠為許多其它行業提供應用服務。另外的聯接標準(例如DDS和網際網路服務),原來是為通用的、非特定行業的應用服務,顯然也可以用於很多其它行業的許多不同型別的應用服務。傳輸層是專為框架層服務的,在框架層與傳輸層之間沒有任意其它功能空間。

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圖 |  IIoT系統聯接性標準


傳輸層與框架層的區別很重要。傳輸層一定要與一種資料型別系統相配對,例如訊息佇列遙測傳輸協議MQTT可與一種資料型別系統技術如由Google開發的protocol buffers相配對,同時可用來建立一種專用使用者的聯接性框架。


顯然,目前可供選用的聯接性標準沒有一個能全面滿足IIoT系統的要求,能夠完成由高速運動的機器人生產線、離散製造業、過程控制系統等各種型別的工業生產系統和生產管理系統的資料流通和連線,為萬物互聯及人與物的互聯的超大規模系統提供無懈可擊的聯接性。為此需要選擇若干個標準構成核心標準,構成一個相互補充的聯接性標準簇。但這個標準簇又不能超過3到4個標準,否則,要為這些標準之間建立核心閘道器的數量過多,而使資料的及時流動和實時流動變得不切實際和不可實現。


上圖概述了IIoT聯接框架層和傳輸層的核心標準。由圖可知,聯接框架層的核心標準有4個,其中1個是源於通用的WEB服務HTTP、1個是除美國之外其他國家工業界幾乎很少採用的資料分發服務DDS;另外2個則是來源於某些垂直行業的特定應用,但顯然也可以推廣到許多行業,乃至跨行業的應用,即流行於製造業的OPC UA和由電信行業開發、目前主要用於家居自動化的oneM2M。DDS和OPC UA定義了自己的傳輸協議,而Web服務和oneM2M則依賴於通用的傳輸協議。為完整的表達,圖中還示出網路IP層和更低的鏈路層和物理層的各種協議。運用HTTP的Web服務被稱之為專為應用程式使用的聯接框架,主要用於人類使用者互動的介面。


選擇核心標準的主要依據共10項,在下表中已清晰概述。其中前5項是必須具備的關鍵判據,只要有一項不符要求就不能選用。

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表 | IIoT聯接性框架核心標準的判據表


資料分發服務DDS簡述

DDS目標是專為IIoT應用的聯接框架標準,一般用於控制、工業應用、資訊和操作執行範圍。其主要目的是將元件(裝置、閘道器或應用程式)與其它元件連線,使之成為實時系統和系統中的系統。元件互動於一個分享的資料空間,而從不相互直接互動。因此也可稱為以資料為中心的的中介軟體標準。多年來它已經植根於國防、工業和嵌入式的高新應用。


DDS通過一關係資料模型實現直接的元件-資料-元件通訊。DDS也被稱為資料匯流排,因為它模擬資料庫中在移動的的資料,而資料庫只是管理存貯於其中而非流動中的資料。資料庫和資料匯流排都是實現以資料為中心的抽象;但它們的應用並不直接相互作用,而是互動於基礎結構中。與資料庫不同的是,資料庫將已產生的資料存貯,供之後用所存貯資料的有關屬性進行搜尋。而資料匯流排通過資料屬性過濾進來的資料,管理未來發生的資料。以資料為中心使資料庫本質上是個大型的存貯系統,以資料為中心使資料匯流排成為IIoT軟體整合和自治執行的一種基本技術。


類似於對存貯資料進行存取控制的方法,資料匯流排用許多同時發生的元件控制資料存取和重新整理。其核心是DDS圍繞以資料為中心構建了釋出-預訂的資料交換機制。但是標準還定義了請求-應答的資料交換機制。關鍵的抽象是各個應用程式使用資料匯流排本身進行互動,而不是讓應用程式直接與其它的參與應用程式進行互動。DDS提供精確的以資料為中心的服務質量QoS,包括可靠的多播,可組態的傳送,多種級別的資料持續時間,歷史資料,元件和傳輸冗餘自動發現,聯接管理,以及無須知曉傳輸細節、以資料為中心的傳輸資訊保安。此外,一對多、多對一的通訊是其很突出的特點。DDS提供有力的方法過濾和精確選擇什麼資料送到哪裡,而這個“哪裡”的目標可以是幾千個同時發生的元件。為了支援小的邊緣裝置,有一個輕量級別的DDS版本,可執行在有限制的嵌入式環境中。DDS資料匯流排保證超可靠的執行,並且簡化了用於程式的編碼。它不要求服務,極容易組態和操作,因而消除了故障點和阻塞點。一個基於DDS的系統不存在元件之間的應用編碼互動。DDS自動發現和連線正在釋出和正在接收的元件,有新的元件(如智慧機械)加入系統不必進行組態變更。元件可以自行開發,或由獨立的第三方提供。DDS克服了點對點系統存在的問題,諸如缺乏可擴充套件的效能,缺乏可互操作性,以及逐漸演進發展架構的能力。它具有即插即用的簡單性、可擴充套件性和特別高的實時效能。


由於其靈活性、可靠性以及快速構建複雜系統或實時系統,DDS通常用來進行系統整合和構建自治系統。總之,DDS是一種經過驗證的高可靠、高效能的構建大規模跨垂直行業的IIoT軟體系統的技術。運用DDS的工業物聯網應用包括農田、醫院醫療集團、醫療保險、自動駕駛飛機和汽車、鐵路、資產跟蹤、自動測試、智慧城市、通訊、資料中心切換、視訊共享、消費電子、石油和天然氣開採、廣播電視、空中交通控制、航空電子技術、SCADA、機器人以及國防。


已有的DDS閘道器包括很多聯接技術,如DNP3, C37.118, Modbus, HLA, JMS 等等。DDS-Webv1.0規範定義了一種標準的Web服務閘道器。OMG組織正在開發DDS和OPC UA間的閘道器標準。OPC基金會正在開發以增加DDS作為附加發布-訂閱通訊選項為目標的OPC-UA-DDS釋出行規。oneM2M正在研究oneM2M與DDS之間共同工作的閘道器、繫結DDS的oneM2M協議,以及基於DDS的oneM2M實體間的資料直接交換。


結束語

沒有完整高效的泛在聯接性,工業網際網路平臺就是空中樓閣,中看而不中用。沒有數量極其可觀的現場資料來源(裝置、感測器、各類資料採集裝置和邊緣計算裝置等)的有效聯接,就不會有實時的資料流動,就不會建立適時和及時的資料流動,工業網際網路也就不會產生新的價值流,形成不了新的價值鏈。


美國工業網際網路聯盟IIC釋出的《工業物聯網的聯接性框架》白皮書提出了聯接性框架層的核心標準的概念,並從眾多的標準中選擇了DDS、OPC UA、HTTP和oneM2M這4種標準作為核心標準,幾乎覆蓋了在工業的各個行業泛在聯接性的要求。


我國目前掀起了工業網際網路的發展熱潮,卻對作為工業網際網路的主要構成—工業物聯網IIoT的聯接性重視不夠,認識不足。當下業界急需補充這一短板,否則後患無窮。


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人工智慧賽博物理作業系統

AI-CPS OS

人工智慧賽博物理作業系統新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS:雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧)分支用來的今天,企業領導者必須瞭解如何將“技術”全面滲入整個公司、產品等“商業”場景中,利用AI-CPS OS形成數字化+智慧化力量,實現行業的重新佈局、企業的重新構建和自我的煥然新生。


AI-CPS OS的真正價值並不來自構成技術或功能,而是要以一種傳遞獨特競爭優勢的方式將自動化+資訊化、智造+產品+服務資料+分析一體化,這種整合方式能夠釋放新的業務和運營模式。如果不能實現跨功能的更大規模融合,沒有顛覆現狀的意願,這些將不可能實現。


領導者無法依靠某種單一戰略方法來應對多維度的數字化變革。面對新一代技術+商業作業系統AI-CPS OS顛覆性的數字化+智慧化力量,領導者必須在行業、企業與個人這三個層面都保持領先地位:

  1. 重新行業佈局:你的世界觀要怎樣改變才算足夠?你必須對行業典範進行怎樣的反思?

  2. 重新構建企業:你的企業需要做出什麼樣的變化?你準備如何重新定義你的公司?

  3. 重新打造自己:你需要成為怎樣的人?要重塑自己並在數字化+智慧化時代保有領先地位,你必須如何去做?

AI-CPS OS是數字化智慧化創新平臺,設計思路是將大資料、物聯網、區塊鏈和人工智慧等無縫整合在雲端,可以幫助企業將創新成果融入自身業務體系,實現各個前沿技術在雲端的優勢協同。AI-CPS OS形成的字化+智慧化力量與行業、企業及個人三個層面的交叉,形成了領導力模式,使數字化融入到領導者所在企業與領導方式的核心位置:

  1. 精細種力量能夠使人在更加真實、細緻的層面觀察與感知現實世界和數字化世界正在發生的一切,進而理解和更加精細地進行產品個性化控制、微觀業務場景事件和結果控制。

  2. 智慧:模型隨著時間(資料)的變化而變化,整個系統就具備了智慧(自學習)的能力。

  3. 高效:企業需要建立實時或者準實時的資料採集傳輸、模型預測和響應決策能力,這樣智慧就從批量性、階段性的行為變成一個可以實時觸達的行為。

  4. 不確定性:數字化變更顛覆和改變了領導者曾經仰仗的思維方式、結構和實踐經驗,其結果就是形成了複合不確定性這種顛覆性力量。主要的不確定性蘊含於三個領域:技術、文化、制度。

  5. 邊界模糊:數字世界與現實世界的不斷融合成CPS不僅讓人們所知行業的核心產品、經濟學定理和可能性都產生了變化,還模糊了不同行業間的界限。這種效應正在向生態系統、企業、客戶、產品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的數字化+智慧化力量通過三個方式激發經濟增長:

  1. 創造虛擬勞動力,承擔需要適應性和敏捷性的複雜任務,即“智慧自動化”,以區別於傳統的自動化解決方案;

  2. 對現有勞動力和實物資產進行有利的補充和提升,提高資本效率

  3. 人工智慧的普及,將推動多行業的相關創新,開闢嶄新的經濟增長空間


給決策制定者和商業領袖的建議:

  1. 超越自動化,開啟新創新模式:利用具有自主學習和自我控制能力的動態機器智慧,為企業創造新商機;

  2. 迎接新一代資訊科技,迎接人工智慧:無縫整合人類智慧與機器智慧,重新

    評估未來的知識和技能型別;

  3. 制定道德規範:切實為人工智慧生態系統制定道德準則,並在智慧機器的開

    發過程中確定更加明晰的標準和最佳實踐;

  4. 重視再分配效應:對人工智慧可能帶來的衝擊做好準備,制定戰略幫助面臨

    較高失業風險的人群;

  5. 開發數字化+智慧化企業所需新能力:員工團隊需要積極掌握判斷、溝通及想象力和創造力等人類所特有的重要能力。對於中國企業來說,創造兼具包容性和多樣性的文化也非常重要。


子曰:“君子和而不同,小人同而不和。”  《論語·子路》雲端計算、大資料、物聯網、區塊鏈和 人工智慧,像君子一般融合,一起體現科技就是生產力。


如果說上一次哥倫布地理大發現,擴充的是人類的物理空間。那麼這一次地理大發現,擴充的就是人們的數字空間。在數學空間,建立新的商業文明,從而發現新的創富模式,為人類社會帶來新的財富空間。雲端計算,大資料、物聯網和區塊鏈,是進入這個數字空間的船,而人工智慧就是那船上的帆,哥倫布之帆!


新一代技術+商業的人工智慧賽博物理作業系統AI-CPS OS作為新一輪產業變革的核心驅動力,將進一步釋放歷次科技革命和產業變革積蓄的巨大能量,並創造新的強大引擎。重構生產、分配、交換、消費等經濟活動各環節,形成從巨集觀到微觀各領域的智慧化新需求,催生新技術、新產品、新產業、新業態、新模式。引發經濟結構重大變革,深刻改變人類生產生活方式和思維模式,實現社會生產力的整體躍升。



產業智慧官  AI-CPS


用“人工智慧賽博物理作業系統新一代技術+商業作業系統“AI-CPS OS”:雲端計算+大資料+物聯網+區塊鏈+人工智慧)在場景中構建狀態感知-實時分析-自主決策-精準執行-學習提升的認知計算和機器智慧;實現產業轉型升級、DT驅動業務、價值創新創造的產業互聯生態鏈


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