算控一体的双域操作系统产品白皮书

01 传统控制走向智能化的挑战---------------------------03 1.1智能化浪潮到来，IT层面已是共识1.2智能化是工业控制降本增效的必然之路1.3封闭带来了阻碍1.3传统控制体系算力不足--------------------04----------------05---------------------------------------06--------------------------------07 02 算控一体的核心技术理念------------------------------08 2.1一体化，化繁为简2.2算力下沉到边缘侧2.3软件定义，柔性、可扩展------------------------------------09------------------------------------10--------------------------------11 03 核心功能与优势----------------------------------------12 3.1行业领先的双域操作系统3.2灵活、实时的任务调度3.3低开销的虚拟化3.4能够应对苛刻的时间约束3.5面向开发者的丰富工具集3.6独特、融于体系的安全设计-----------------------------13--------------------------------15---------------------------------------16------------------------------18------------------------------19---------------------------20 04关键功能与性能----------------------------------------21 4.1关键功能4.2关键性能---------------------------------------------22---------------------------------------------24 智能化一直是企业组织IT层面的核心内容。 企业组织通过中心化的数据采集、清洗处理、基于AI模型洞察分析、预测决策，构建整体的经营、运营智能化体系。 “在智能时代的新赛道上，能够把握技术融合和生态开放的企业与国家，将赢得未来产业创新的主导权。” 2023年12月，由信通院牵头、多家单位联合编制的《工业大模型技术应用与发展报告》指出，AI与大模型将加速赋能新型工业化，预计从2022年至2032年，工业AI市场规模将以46%的年均复合增长率高速成长。 中国工程院院士 46% 相较于发达国家，中国制造企业的AI应用率相对较低，大约在11%左右。国际权威分析机构Gartner预测，到2027年，中国制造业的AI使用渗透率将以10%的年复合增长率上升。 智能化是工业控制降本增效的必然之路 AI模型的私有化、普适化，特别是国产大模型的普及，加速了智能化的进程 智能化深度融合了IT与OT技术，改变了工业生产的运行和管理模式，解决了传统控制方法难以突破的瓶颈。 传统控制（PLC/DCS）主要基于预设的规则和固定逻辑，对复杂、非线性、多变量耦合的生产过程优化能力有限。通常是反应式的（出现问题后调整）或基于静态模型的。 泛华能力多源异构自然语言交互知识库沉淀自动分析处理 智能化控制则利用AI/ML算法（如深度学习、强化学习）处理海量实时和历史数据，建立更精确的动态模型。它能实时感知、预测、决策和优化生产过程，例如： 实时优化设定点：根据原料变化、设备状态、市场需求、能源价格等因素，动态调整最优工艺参数，最大化产量、质量或效率。处理复杂性和不确定性：适应多变的生产环境和原料波动。 未来走向具身智能 而大量重复性工作，首先会被大量智能化系统替代 Interact Analysis于2024年12月更新了《运动控制》全球市场报告，2024年全球运动控制市场经历了增长率低点，2024年全球市场规模为146.7亿美元，同比下滑7%，其中欧洲市场收缩最为严重，销售额同比降幅达到13.5%，亚太地区市场下降4.4%，美洲市场相对稳定，同比下滑1%。 未来降本增效，在现有工业自动化框架下，工业质控系统降本的主要方式在于硬件成本的进一步降低、国产替代国外，在技术路线没有新突破和应用的情况下，带来的是内卷式价格竞争。智能化通过新的技术创新手段，打破现状，可以减少人员参与、缩短设备调试周期、预测性维护增加设备使用有效时长…… 传统控制体系是封闭的，且核心技术掌握在制定、推广ISA95体系的传统西方工业国。 “用开放形成统一的技术体系，我国企业与全球化力量联合起来共建基于国际标准的统一智能计算软件栈。形成企业竞争前共享机制，共享高质量数据库，共享开源通用底座大模型。 一直以来，工业自动化领域涉及的硬件设备种类繁多，存在封闭性和专用性，软硬件深度绑定，通讯协议与接口不统一，复用性差。如果采用传统的集中控制方法，不同协议需要进行协议转换，在系统集成过程中，软件“硬化”现象严重。 传统欧美的工控厂家利用了工业化起步早的优势，在工业领域形成了封闭的生态圈，比如：西门子的PROFIBUS/-PROFINET、罗克韦尔的EtherNet/IP、施耐德的Modbus等等。这些协议虽然是IEC认可的标准协议，但没有完全开放，仍然对用户形成了一定壁垒。在工控开发软件方面，德国的Codesys占据了市场的主流份额，国内很多工业自动化领域的企业还未能实现工控开发软件的完全自主可控。 中国工程院院士 由此而带来的互操作性差、数据孤岛、难以扩展等困难，进一步限制了控制领域智能化的应用和扩展。 传统控制追求低功耗的CPU，但面对智能化算力不足 自从进入工业自动化时代以来，近半个世纪，PLC控制器不管是PLC的硬件架构还是软件体系，都没有发生本质的变化。但是即便从现有ISA-95的5层架构体系出发，这个世界也发生了巨大的变化，工业领域也正在变革之中。 “在深度神经网络(DNN)和科学计算日益普及的推动下，云和边缘平台的利用率正在快速增长。进行最广泛的人工智能训练运行所需的计算能力呈指数级增长。” —韩银河 国家杰出青年科学家基金获得者中科时代首席科学家 智能化浪潮来临，IT层可以快节奏的进行算力扩张，以满足智能化的需要。但OT层的更新相对更缓慢，传统的控体系对边缘计算的支持和处理扩展性弱，受限于边缘处理能力，智能化难以推广。 基于工智机硬件+MetaOS双域操作系统+开发工具集，实现一个硬件集成多个硬件功能，同时实现计算与控制。 传统的工业控制实现计算与控制，通常是通过网关、工控机与PLC或运动控制板卡的多个硬件组合，网关承担工业总线的组网、路由和协议转换的工作；工控机承担应用部署、运行以及数据库存储、计算，同时与下位PLC、板卡通讯等工作，通常是非实时任务；而PLC则是实时控制与通讯的工作。多设备组合带来了新的问题，例如更高的设备费用，更复杂的组网方式，同时设备间外部线路通讯的可靠性要经受严苛的现场环境考验，如电磁干扰、老化等。 MetaOS双域操作系统通过Hypervisor，将硬件资源虚拟化，实时域和非实时域从底层进行了空间化隔离分割，面向不同的实时任务和非实时任务提供服务。 基于MetaOS，构建工业智能计算机，在工控边缘侧实现高度集成化、一体化的新设备部署形式，将复杂的硬件架构简单化，进一步促进降本增效。同时，一体化设备带来更好的通讯稳定性、实时性，也带来更好的可靠性。由于底层隔离，双域之间的各类任务运行，互不影响，用户运用自己熟悉的编程工具以及方式，可按照标准的Linux用法，即可实现应用开发移植与部署。 算力下沉到边缘侧 工智机的高性能CPU通过MetaOS进行算力分配，为智能化应用、AI大模型下沉到边缘控制侧，提供了算力平台。 工业智能计算机，与传统PLC使用低算力的CPU不同，采用X86等平台的高性能、大算力CPU，如高代的Intel、海光等处理器。同时由于工智机的强扩展性，还能进一步加装显卡，如RTX4060，提升大模型等智能化应用所需算力，以满足越来越多的实时数据分析、推理、决策的边缘智能场景。 MetaOS非实时域可按需部署智能化应用，例如AI视觉、AI算法、AI大模型等，算力可通过虚拟化,将多个CPU核自由分配，例如6核CPU，在非实时域分配4个core，实时域分配2个core，该特性为智能化应用提供了坚实的算力基础。 软件定义控制，柔性、可扩展 MetaOS让开发者能够快速且容易的开发实时应用，并致力于打造软件定义控制的开放生态。 中科时代研发的MetaOS工业双域操作系统是国产自主“软件定义工业控制”的典型实践，其核心是通过实时域+非实时域的双域双内核架构（HybirdKernel），解决传统PLC封闭性与扩展性、开放性的矛盾。 依托“硬实时微内核+软开放大平台”的新控制范式，在保证控制确定性的前提下，将工业系统转化为：“可编程的基础设施”+ “可生长的智能应用”，取代PLC的路径不是颠覆而是升维： 行业领先的双域操作系统 结合了双内核（HybirdKernel）、虚拟化、硬实时、大算力等关键技术和特征，MetaOS比传统RTOS能更好的支持智能应用 中断是CPU中的一种机制，当发生中断时，当前正在执行的程序会被暂时中止，处理器会跳转到中断处理程序对中断事件进行处理。处理完中断后，处理器再返回到被中断的程序继续执行。MateOS在硬件上划分了实时和非实时双域，让中断按照域的优先级进行顺序传递，实时域具有中断处理的高优先级。 域是不同内核管理的范围，MetaOS拥有两个内核，实时内核rKernel管理实时域，通用Linux内核管理非实时域，两个内核管理各自范围的应用、驱动、中断。 因此，基于双域，MetaOS既能提供工业级RTOS的硬实时性能，又能借助linux操作系统非常出色的生态、网络和图形界面服务，在工业控制领域的IT/OT融合应用开发上，带来开发周期和成本控制方面的巨大优势。 行业领先的双域操作系统 双域是打造算控一体的基础体系结构，突破传统架构瓶颈，让工业控制实现场景化创新、性能指标突破 MetaOS的双域特性，让OT与IT的融合变得简单，工业控制的有了更为灵活和广泛的场景化应用，边控边算、智能控制等新型应用有了发挥的平台。同时，降本、控制、计算等需求指标，基于传统PLC的基础，得到进一步突破和提升。 OT与IT融合 可定义的OT 非实时域-算 实时域-控 OCI容器、大模型、图形UI（QT）、AI视觉、文件/数据库操作…… 运动控制、实时数采、协调控制、实时计算…… 底层隔离互不干扰 相较于单系统RTOS的更新发布必须运行内部代码，以防止实时活动以不可接受的方式延迟（例如优先级继承机制、线程IRQ处理程序）。在双域系统中，则无须这样做，因为实时内核与通用内核分开运行。解耦、独立的架构，让可靠性、灵活性进一步提升 非实时域桌面系统更新、重启、蓝屏，不影响实时域的实时任务执行自由的、方便的IT应用开发、部署 灵活、实时的任务调度 调度能力，特别是实时调度是工业控制确定性的基础，MateOS内嵌实时微内核rKernel，具有硬实时的调度和灵活的策略。 MetaOS作为实时操作系统，为SMP同构框架，对称多处理结构，运行在多个CPU核上，服务于实时域和非实时域。 •支持多核多任务，资源负载均衡及亲和性设置•支持CPU大小核调度•调度算法为O(1)常数阶复杂度•优先级抢占式调度•支持优先级继承算法，防止优先级翻转•支持多种调度策略及调度策略组合以满足任务调度需要，包括SCHED_QUOTA配额策略、SCHED_FIFO先进先出策略、SCHED_RR时间片轮转等RT实时策略。 SCHED_QUOTA是不同于传统LinuxRT