2020年11月02日 | 行业大咖共话：国产工业操作系统如何破局？

工业互联网、人工智能、大数据的火不言而喻，人们期待着更好地利用这些新技术来推动制造业的转型升级。但是在一片叫好声中，PLC、机器人、数控系统这些高精尖的设备所依赖的实时操作系统却仍然“受制于人”。随着日益复杂和不确定的外部环境，智能工业对国产嵌入式操作系统的需求也愈发强劲，那么目前国产工业操作系统发展究竟怎样？我们的机会和拐点又在哪里？未来操作系统的需求是怎样的？

10月24日，第二届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛暨嵌入式系统联谊会主题讨论会在杭州召开，主办方特别邀请了国内从事嵌入式操作系统研究、教学、产品开发的专家和学者参与论坛的主题演讲和技术报告。其上午场工业智能系统中的嵌入式操作系统，由北京航空航天大学计算机学院教授牛建伟主持，北京航空航天大学杭州创新研究院院长邓元致辞，多位产业届专家从产业、技术、应用、对比、趋势等角度，真实地为我们呈现了当前国产工业操作系统的方方面面。

湖南大学黄一智：当前汽车操作提供无法维护未来汽车安全

安全向来是汽车的第一属性，运行在其上的操作系统也必然有更高的要求。湖南大学嵌入式与网络计算湖南省重点实验室在读博士黄一智以安全的角度重新审视了汽车操作系统。他介绍，当前汽车已经被定义为“移动的智能手机”，所有功能都为我们带来了绝佳的用户体验，一切看起来很美好，然而所有的这些都是基于安全的前提下。而汽车安全一般分为两个层面：功能安全和信息安全。功能安全主要是避免因电子/电气系统故障而导致的不合理风险，信息安全则是指在汽车联网情况下，由外部攻击引发的汽车的防御能力。那么，汽车操作系统是否足够安全呢？黄一智给出的结论是：当前汽车操作系统能够维护现代汽车安全，但是无法维护未来汽车安全。

当前汽车操作系统是分布式多操作系统，由参与汽车控制功能的操作系统（分步式实时操作系统，主要运行在汽车内部ECU上）和负责车载计算/娱乐的操作系统（基于 Linux kernel OS和类 Unix Real-time OS）组成。除了具备辅助驾驶能力的汽车外，两类操作系统在功能上有很强的隔离。作为真正影响汽车安全的控制功能的操作系统，设计中采用实时设计、静态设计、冗余设计等原则，可以保证功能完整性，减少由软件错误引起的事故发生，有效保证汽车的使用安全。

但是对于未来，这样的功能就显得捉襟见肘了。黄一智指出，未来汽车电子/电气系统结构更多地向集中式的边端云结构转变，主要体现在ECU大量减少，功能更多集中到区域控制器“Zone ECU”，同时需要实现还更多的功能，执行更多的任务，并进行更多的网联。同时，车载计算平台使用高性能多核异构，还要参与智能驾驶的决策，控制整个汽车的运行，这意味着汽车上所有的操作系统都会影响汽车的行驶安全、都必须提供必要实时环境、也都必须达到最高安全等级。显然，当前的操作系统无法保障未来汽车实时性，因为多核系统中大量任务执行的存在不确定性，共享DDR内存系统下多任务执行相互干扰的不确定性，以及GPU实时性的巨大挑战。此外，Autosar CP OS静态设计在联网下也隐藏着危机，因为Autosar CP OS 中任务优先级、类型、调度、任务变量、内存资源使用都是静态的，在联网状态下有外部被逆向的风险。智能算法/应用也会引发安全性问题，除准确性外，智能算法/应用还容易被欺骗。同时对于汽车工程师而言，他们也希望更专注于汽车系统，将计算的问题交由操作系统和上层软件。

上述种种，都对汽车操作系统提出了更为严苛的要求。那么，究竟什么样的系统能够维护未来汽车安全呢？黄一智谈了几点想法： 未来汽车操作系统需要解决多核异构带来任务运行的不确定性问题，有安全的动态资源管理/调度方法，能够解决更高级的资源管理、任务抽象的实现，解决联网带来的诸多遗留问题和安全隐患等。归根结底一句话：交互与智能固然重要，但是安全才是首要问题。
 
浙江大学王进：“机器换人”需求大，但工业机器人离线编程技术国外软件占主导

”2016年全球工业机器人销量约29万台，同比增长14%，其中中国工业机器人销量9万台，同比增长31%，”浙江大学机器人所副教授王进表示，当前“机器换人”的需求很大，但Robotmaster、Robcad及四大机器人家族（YASKAWA、FANUC、KUKA、ABB）的专用离线编程软件牢牢占据着中国机器人产业70%以上市场份额。可喜的是，国内也有一些公司或机构在从事这方面的研究，比如北京华航唯实、新松、上海新时达、广州启帆、中科川思特等等。未来，面向工业机器人生产线的工艺规划仿真与离线编程将日趋开放互联化、仿真系统化、感知多样化、工艺专业化、建模快速化、规划智能化、编程简易化、运维综合化。

在建模与组件库方面，王进重点介绍了离线编程方针模型库构建技术、工业机器人及周边设备的三维几何模型构建、基于自适应约减高保真度轻量化的三维模型、工业机器人与周边设备多维度表征模型构建等内容。在工业机器人作业轨迹生成和智能规划方面，他介绍了基于图案映射与交互勾绘等的作业轨迹生成、基于蚁群算法和曲率特征等的运行智能规划、基于平滑关节运动与能耗最优逆解优选方法等内容。针对大场景高效运动模拟仿真，他讲解了基于GPU加速渲染的大场景仿真方法、基于自适应八叉树的碰撞检测方法、基于运动空间求取的可达性检测方法等内容。

王进介绍，嵌入式系统与离线编程通过通过点位文件、程序指令和通讯协议进行交互，其中嵌入式系统以作业控制为主要目标，具有实时系统、实时监测、实时控制、局部规划、误差修正、干扰适应、状态感知、工艺执行、故障报警等特点。离线编程的特点则是非实时系统、可视建模、可视仿真、全局规划、误差修正、故障预测、状态显示、工艺参数库以及健康评估等。
 
中兴通讯崔云峰：两化融合，操作系统既要满足ICT需求，还需要满足工业需求

中兴通讯操作系统产品部技术总工崔云峰指出，电信设备嵌入式操作系统正在经历一系列的演变趋势，具体表现在：从单核到多核再到众核的演变，从之前的单态到双态再到多层次OS栈的演变，从单系统实时到多系统多层次实时，再到分布式实时的演变，从封闭、定制到开放、解耦、隔离的演变。

崔云峰谈到，当前，5G三大核心应用场景是eMBB(增强移动带宽)、eMTC(海量机器连接)、uRLLC(高可靠、低延迟通讯)，此外，还需要建立内生信息安全的机制，这就对5G操作系统的业务性能、云化、实时性、可靠性、信息安全等方面都提出了非常高的要求。结合5G场景的关键需求，他分享了中兴通讯5G操作系统的相关技术和实践：

计算性能方面，Linux（SMP策略）在均匀多核间的业务负载、均衡的负载策略和系统开销影响数据面性能指标，而数据面加速引擎可以使得SMP场景下数据面业务完全无干扰的占用CPU资源。

存储性能方面，在5G场景下采用容器、微服务等新技术引入复杂度，增加了存储数据量，同时，硬件SSD随闪存类型发展，存储空间增加速度变快但寿命下降。对此，中兴通讯通过高可靠文件系统和数据优化模块来解决这个问题。

通信性能方面，容器内和容器间的消息通信会拖慢整个系统，主要解决方案是建立无锁消息队列机制，fastpath仅在用户空间。同时绕过复杂的协议栈，实现消息在容器中的快速转发。

云化方面，中兴通讯提供相对于原生Docker更轻量的容器引擎应用于嵌入式场景，解决资源占用的问题。针对电信实时任务需求，支持实时业务运行，且满足实时容器的配额管理。

可靠性方面，基于形式化方法的设计和验证，比如利用数据方法和工具穷举状态空间，从而发现隐患或证明程序的正确性，特别对于高可靠性模块、高并发模块、高性能模块等，从而保障关键业务的正确性。

信息安全方面，具备防御未知安全威胁的主动防御技术，主要包括随机多变体生成技术和层次化多变体动态重构技术。

博世-未来汽车电子电气架构趋势

随着工业化、信息化两化融合，操作系统既需要满足ICT需求（云化、AI等软件生态），还需要满足工业需求（高可靠、硬实时）。崔云峰展示了一张博世汽车电子电气趋势图，最底端代表现在的汽车电子/电气架构，呈分布式、模块化特点，之后逐步演变为集中化的域控制器，据悉，目前智能座舱的域、车身控制的域、自动驾驶的域控制已经逐渐开始落地。未来，他表示，集中化趋势将进一步向前发展，工业智能节点向云端上移，电信核心业务下移，两者交点必将为电信操作系统提出更新的要求。
 
纳博特科技创始人张晓龙：国产机器人产业有机会！

张晓龙介绍，上世纪90年代以来，机器人平台系统呈现出软件化特征，表现在工控PC化和总线的发展，尤其是软主站技术方案的发展，为机器人行业带来了巨大的行业变革。其中控制系统的软件特征愈发明显，而软件系统特征就是：赢家通吃，天然具备垄断性。同时，市场占有率较高的厂商边际成本几乎为0。

中国是世界最大机器人市场，发展速度很快，年销量约为15万台，但其中多以外资品牌为主，像FANUC、YASKAWA、KUKA、ABB、KAWASAKI、NACHI、EPSEN、DENSO、STAUBLI、YAMAHA、UR、COMAU等。国内多关节机器人每年产量为2-3万余台，但厂家众多，有一定规模的企业20余家，如新松、广数、埃夫特、埃斯顿、新时达、傲博、华数、藦卡、伯朗特、尔必地、柴孚、图灵、欢颜等，不成规模的企业还有几百家。尽管如此，即使集全国机器人厂家之力，也无法与机器人巨头抗衡。

事实是，行业壁垒很难在短时间内跨越，只有时间才能证明一切。机器人行业本质还是制造业，成本控制是制造业的本质和核心问题，技术创新又是机器人行业长期存活的关键。既要控制成本，又要搞创新，这个看似矛盾的问题似乎无解。对此，张晓龙认为，机器人行业正在面临一个战略转折点，即垂直和横向产业链之争。《只有偏执狂才能生存》书中也提到，在每一个行业发展初期，纵向产业链便于快速整合资源，打造差异化，效率更高。但是随着技术发展，横向产业链就会出现一个转折点，这时候零部件厂家的水平会越来越高，会超越整机厂，不再适合每个人单搞一摊。在多个领域成为一流，远比在一个领域领先要困难的多。机器人行业也一样，当前国内一线大厂正在努力构建纵向产业链，走FANUC之路，但是这条路非常难，战略转折点出现后，零部件企业构建的横向产业链能够快速发展，击败纵向产业链。

那么，机器人行业的核心竞争力究竟是什么？对此，张晓龙谈到，每个机器人公司都在宣传自己的控制算法是核心竞争力。如果没有了控制算法，机器人就厂家就和打铁无异。但是，有了控制算法就能摆脱打铁的命运吗？事实上，终端客户需要更复杂的运动轨迹、更快的节拍、更好的服务、更稳定的质量，这些才是机器人本体厂家的核心竞争力。而行业工艺知识，是集成商的核心竞争力。如何让机器人动的更好，这是行业共性基础知识，不是核心竞争力。

当前，国产工业机器人正在面临从量变到质变的拐点。自2012年以来，国产机器人经历了从进口散件组装到全国产化过程，各核心部件和本体已经实现进口1/2的成本和80%的性能指标。未来几年之内，国产机器人将实现对进口产品的全方位超越，产销量达到数十万台。那么，为了更好地达成这个目标，中国机器人开放技术项目：China Open Robot Project，简称（CORP）正在进行中，希望吸纳各机器人本体商、零部件厂家、科研单位参与进来，共同打造生态系统。通过开源的方式，构建国产机器人软件平台。发挥各成员单位的独特竞争优势，整合研发力量。统一应用开发接口，构建工艺AppStore和同样的集成应用平台，走联合之路，对抗外资品牌。最终的目标是基于控制系统开放平台，打造机器人Eco System，底层硬件及协议开放，建设机器人工艺AppStore，与应用商建立联盟，同时扩大用户基础，未来基于海量客户资源，持续通过增值服务盈利等产品。这样的生态机制，会对零部件厂家、本体厂家、集成商带来非常多的好处，减少商务维护成本，降低全行业研发成本。
 
国家可信嵌入式软件工程研究中心史建琦：专注自主可控高安全基础软硬件系统

华东师范大学国家可信嵌入式软件工程技术研究中心/软硬件协同设计教育部工程中心副主任史建琦探讨了工业控制领域操作系统的构建与关键技术，探索轻量级容器化技术在工业APP上的应用，探究工业控制运行时环境的关键技术与当前发展的实现现状。

他介绍到，工业操作系统的应用场景主要是工厂自动化控制、能源控制、数控加工、移动装备控制、智能楼宇控制、嵌入式控制、机器人控制、流程控制、工厂自动化控制等领域。对于工业操作系统，史建琦推荐了OpenIL和ROS，OpenIL是开放式工业Linux的简称，可为工业用户在实施工业物联网的过程中提供全面的支持，其特性包括：时间敏感网络、工业安全、工业现场网络和总线、支持图像化HMI、远程管理配置、开源生态、支持硬实时等。ROS是机器人操作系统（Robot Operating System）的英文缩写，是用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构。
 
组件模型提供应用封装、组装、通讯与功能组织的功能，在一定程度上决定了工业应用场景的功能边界。史建琦推荐了一些有典型特点的组件模型：Franca 提供了一种在不同IDL 之间相互转化的形式：Franca IDL，以此可以将不同的 IDL model整合转化为一个central model，并生成相应的代码和文档。Celix 是一个基于C的可具备嵌入式实时属性的OSGI规范组件引擎，博世力世乐CtrlX平台软件利用了Celix实现了核心组件。TwinCAT Runtime 提供了一个RTE用以在内核态与用户态分别加载和管理各个应用模块的能力，TcCOM组件模型是与微软合作的产物，使得控制系统的开发可以由多个制造商协同开发。AUTOSAR利用了组件模型的重要性，更强调组件的可移植可扩展，软硬件协同设计等特性，目的是为OEM和供应商提供标准化的协同开发和系统整合能力。FACE用于航空领域，具备可移植组件段、传输服务段、平台特定服务段、I/O服务段、操作系统段等。
 
CODESYS 作为行业领先的嵌入式运行环境，可在无操作系统条件下运行，其全部采用C代码实现，能够满足从微控制器到大型工控机全场景应用。ProconOS（eCLR）符合.NET CLR规范的运行时环境。
 
对于未来，史建琦表示，新一代的工业操作系统的核心需求包括融合容器技术、服务位置无关（边、云协同）、原生互操作性支持、时间敏感网络支持、多平台统一APP封装、自动化跨层应用迁移等。为满足这些需求，所需要的核心技术包括轻量级高安全容器技术、超高性能跨容器RPC技术、基于TSN网络的跨节点高可用RPC技术、高速服务自动发现与组装技术、OS自动集群化与故障迁移技术、APP自动冗余与漂移技术、跨节点互操作模型同步技术、高性能轻量级位置无关服务总线技术以及支持异构运行环境的APP封装技术。
 
工业操作系统有挑战，有机会，尽管行业壁垒很难在短时间内跨越，但最终只有时间才能证明一切。
 

>>下午场：第二届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛暨嵌入式系统联谊会主题讨论会