第四章 工业互联网——加速中小企业数字化转型的重要引擎

八、什么是工业互联网

（一）工业互联网功能体系

面对第四次工业革命与新一轮数字化浪潮，发达国家无不将制造业数字化作为强化本国未来产业竞争力的战略方向。发达国家在推进制造业数字化的过程中，不约而同地把参考架构设计作为重要抓手，如德国推出工业4.0参考架构RAMI4.0、美国推出工业互联网参考架构IIRA、日本推出工业价值链参考架构 IVRA，其核心目的是以参考架构来凝聚产业共识与各方力量，指导技术创新和产品解决方案的研发，引导制造业企业开展应用探索与实践，并组织标准体系建设与标准制定，从而推动一个创新型领域从概念走向落地。

我国为推进工业互联网发展，由中国工业互联网产业联盟于2016年9月发布了我国工业互联网体系架构1.0版本（以下简称“体系架构1.0”）。

体系架构 1.0 提出工业互联网网络、平台、安全三大体系，其中“网络”是工业数据传输交换和工业互联网发展的基础，“平台”是工业智能化的核心驱动，“安全”是网络与数据在工业应用中的重要保障。基于三大体系，工业互联网重点构建三大优化闭环，即面向机器设备运行优化的闭环，面向生产运营决策优化的闭环，以及面向企业协同、用户交互与产品服务优化的全产业链、全价值链的闭环，并进一步形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸四大应用模式。

体系架构 1.0 发布四年多以来，工业互联网的概念与内含已获得各界广泛认同，其发展也正由理念与技术验证走向规模化应用推广。在这一背景下，中国工业互联网产业联盟对体系架构 1.0 进行升级，提出工业互联网体系架构2.0（见图4-1）。

工业互联网体系架构2.0（以下简称“体系架构2.0”）特别强化了其在技术解决方案开发与行业应用推广的实操指导性，以更好支撑我国工业互联网下一阶段的发展。体系架构 2.0 充分继承了体系架构 1.0 的三大功能体系，形成网络、平台、安全三大体系（见图4-2）。

网络体系是工业互联网的基础，将链接对象延伸到工业全系统、全产业链、全价值链，可实现人、物品、机器、车间、企业等全要素链接，以及设计、研发、生产、管理、服务等各环节的泛在深度互联，包括网络链接、标识解析、边缘计算等关键技术。

平台体系是工业互联网的核心，是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的载体，其中平台技术是核心，承载在平台之上的工业App技术是关键。

安全体系是工业互联网的保障，通过构建涵盖工业全系统的安全防护体系，增强设备、网络、控制、应用和数据的安全保障能力，识别和抵御安全威胁，化解各种安全风险，构建工业智能化发展的安全可信环境，保障工业智能化的实现。

（二）工业互联网发展现状

近年来，世界各国都在抢抓新一轮科技革命和产业变革带来的机遇，通过推动工业互联网的发展加快制造业数字化、智能化转型。根据美国通用电气公司等的分析，到2030年，全球工业互联网的经济价值将达到15万亿美元，全球经济规模的一半都与工业互联网相关。全球主要国家纷纷出台了一系列战略和具体政策，如美国的“先进制造业伙伴计划”、德国的“工业 4.0 战略计划”、英国的“英国工业2050战略”、法国的“新工业法国计划”、日本的“超智能社会5.0战略”、韩国的“制造业创新3.0计划”等。

我国制造业正处于转型升级阶段，工业互联网同样是我国战略布局的关键，国内各大企业积极贯彻国家政策要求，围绕自身的战略转型情况，加快建设和推广工业互联网平台。智能制造发展需要工业互联网作为支撑，美国、德国、日本和中国都由政府或制造业知名企业主导，发布工业互联网参考架构、推动工业互联网平台发展。总体来看，在工业互联网领域，全球最具代表性和影响力的是美国、德国、日本和中国，这四个国家不仅是制造业规模最大的四个国家，而且在制造业、自动控制与工业软件、互联网信息服务等领域具有各自的优势。

1.美国“工业互联网”

2012年11月，GE（通用电气）发布《工业互联网：打破智慧与机器的边界》白皮书，首次提出工业互联网的概念。通用电气认为，过去 200年里人类先后经历了工业革命、互联网革命和工业互联网三次创新和变革浪潮，工业互联网是工业革命和互联网革命创新、融合的产物，前者带来无数机器、设备组、设施和系统网络，后者催生出计算、信息与通信系统更强大的进步。工业互联网使世界上的机器都能链接在一起，并通过仪器仪表和传感器对机器的运行进行实时监控和数据采集，海量的数据经过强大算力和高效算法的处理，实现机器智能化并显著提高生产系统的效率。2014年3月底，GE联合AT＆T、Cisco（思科）、IBM和Intel（英特尔）等企业成立工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC），旨在建立一个致力于打破行业、区域等技术壁垒，促进物理世界与数字世界融合的全球开放性会员组织，并通过主导标准制定，来引领技术创新、互联互通、系统安全和产业提升。

2015年6月，IIC发布全球第一个针对工业互联网具有跨行业适用性的参考架构——工业互联网参考架构（Industrial Internet Reference Architecture，IIRA），意在使工业物联网（IIoT）系统架构师能够基于通用框架和概念设计，开发可以互操作的 IIoT 系统，加快工业互联网的发展。2017年1月，美国工业互联网联盟发布工业互联网参考架构1.8版，1.8版在1.7版的基础上融入新型IIoT技术、概念和应用程序；2019年6月进一步发布1.9版。IIRA从商业、使用、功能和实施等视角对工业互联网进行描述。商业视角描述了企业所希望实现的商业愿景、价值和目标；使用视角描述了工业互联网系统的操作使用流程；功能视角确定了工业互联网系统所需要具备的控制、运营、信息、应用和商业等关键功能及其相互关系；实施视角包括边缘层、平台层和企业层三层架构。

2.德国“工业4.0”

2012年10月，德国信息技术、通信、新媒体协会（BITKOM）、德国机械设备制造业联合会（VDMA）及德国电气和电子工业联合会（ZVEI） （拥有6000多家会员公司）组成的工作组，交付了报告《保障德国制造业的未来：关于实施“工业4.0”战略的建议》。2013年，“工业4.0”被德国联邦经济事务和能源部（BMWi）、德国联邦教育及研究部（BMBF）纳入德国《高科技战略2020》中，成为德国政府确定的面向未来的十大项目之一。《实施“工业4.0”战略建议书》在2013年4月的汉诺威工业博览会上正式发布。德国电气和电子工业联合会于2013年12月发布“工业4.0”标准化路线图。2015年4月，“工业4.0”平台得到扩展，更多来自企业、协会、联盟、科学和政治领域的参与者加入。

所谓“工业4.0”是指工业革命的第四个阶段或第四次工业革命。第一次工业革命于18世纪末开始，以纺织机的出现为标志，水及蒸汽动力推动了生产过程的机械化；第二次工业革命开始于20世纪初，电力驱动工业规模扩大，大规模生产时代到来；第三次工业革命开始于20世纪70年代，以可编程逻辑控制器（PLC）的发明为标志，工业生产进入自动化时代；现在开始的是第四次工业革命，形成一个将资源、信息、物品和人互联的信息物理系统（Cyber Physical System，CPS），实现“智能生产”和“智能工厂”。“工业4.0”的核心是三大集成，即纵向集成、端到端集成和纵横集成。纵向集成是将包括机器设备、供应链系统、生产系统和运营系统等企业内部流程连接起来，实现信息的实时沟通。端到端集成是在价值链的角度，从产品的创意、设计到制造，再到运行服务，实现对产品的全生命周期管理。纵横集成指企业供应链上下游的供应商、合作伙伴之间的互联。“工业4.0”包括了智能工厂（Smart Factory）、智能产品、智能服务三大议题。

2015年，德国“工业4.0”平台（Industrie 4.0或I 4.0）发布了“工业4.0”参考架构模型（Reference Ar chitecture Model Industrie 4.0，RAMI 4.0）。RAMI 4.0包括三个维度：第一个维度是类别维度，分为物质世界与信息世界的资产功能体系结构，由下向上依次为资产、集成、通信、信息、功能、业务，下层为上层提供接口，上层使用下层的服务；第二个维度是全生命周期和价值流，包括从规划、设计到仿真、制造直至销售和服务的完整生命周期；第三个维度是层次结构，包括产品、现场设备、控制设备、站、工作中心、企业到互联世界的不同生产环境。

3.日本“互联工业”

2016年1月，日本政府发布了《第五期科学技术基本计划（2016—2020）》，并在其中提出“社会5.0”（Society 5.0），即超级智能社会（Super Smart Society）概念，其将人类社会划分为狩猎社会、农业社会、工业社会、信息社会和智能社会五个阶段。在2017年3月的德国汉诺威工业博览会上，时任日本首相的安倍晋三发表了关于“互联工业（Connected Industries）”政策概念的演讲。2018年6月，日本经济产业省发布《日本制造业白皮书（2018）》，将互联工业作为制造业发展的战略方向。互联工业是“社会5.0”在工业领域的具体体现，通过人、机器、技术跨越边界和代际的连接，从而持续创造新的价值。互联工业聚焦于自动驾驶/移动出行、制造业/机器人、生物技术/医疗健康、工厂和基础设施维护、智慧生活。互联工业的通用政策措施包括数据使用规则、IT 技能和培训、网络安全、人工智能、知识产权和标准。

在日本经济产业省的支持下，日本工业价值链促进会（Industrial Value Chain Initiative，IVI）在2015年6月成立并于2016年6月成为一般社团法人。目前，日本工业价值链促进会拥有包括三菱电机、富士通、东芝、日立、丰田等日本制造企业、设备厂商、系统集成企业等在内的738名成员，其目标是使不同企业间实现互联互通，解决企业间的“互联制造”问题。2016 年 12 月，日本工业价值链促进会提出“工业价值链参考架构（IVRA）”；2018 年 3 月发布《日本互联工业价值链的战略实施框架》，提出了新一代工业价值链参考架构（IVRA-Next）。工业价值链参考架构是一个三维结构，包括资产视角、活动视角、管理视角三个维度。资产视角包括人员、供需、产品、设备四个层次；活动视角包括计划（Plan）、执行（Do）、检查（Check）、改进（Action），形成PDCA循环，体现出丰田精益制造的思想；管理视角包括质量（Quality）、成本（Cost）、交付（Deliver）、环境（Environment），构成QCDE活动。

工业价值链三维架构中的每个块均被看作一个“智能制造单元（SMU）”，多个SMU的组合被称为“通用功能块（GFB）”。制造企业的活动可以通过几个具有一般功能的单元来理解，这些单元可以由几种“流”的交叉点来定义：需求/供应流、工程/知识流。穿越工程流、供需流、组织科层层级这三条轴线，可以将智能制造作为一个整体被建模为“通用功能块”的组合。GFB的纵向是组织科层层级，包括设备层、车间层、部门层、企业层四个层次；横向表示知识/工程流，包括市场和设计、建设与实施、制造执行、维护和修理、研究与开发五个阶段；内向表示需求/供应流，包括总体规划、物料采购、制造执行、销售和物流、售后服务五个阶段。

4.中国“工业互联网”

工业互联网是信息化和工业化融合发展在当前阶段的战略重点，既是我国网络强国战略的重要组成部分，也是制造强国战略的重要支撑。国家高度重视发展工业互联网。2017 年 11 月，国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，逐步形成了推动工业互联网发展的三大体系——网络体系、平台体系、安全体系，其中平台体系是核心，是工业要素资源汇聚和配置的中枢，在工业互联网中发挥着操作系统的作用。2017年以来，工业和信息化部坚持以两化融合为主线，以工业互联网平台建设为突破口，以制造业数字化转型为发展路径，持续做好两化深度融合这篇大文章，取得积极成效。

多层次系统化平台体系基本形成。一是综合型“双跨”平台持续引领，海尔、东方国信、用友等十余个“双跨”平台服务近20个行业，资源集聚、应用服务、可持续发展等核心能力显著提升，已成为各方高度认可的平台品牌。二是特色型行业和区域平台快速发展，具有行业知识禀赋和区域带动作用的龙头企业加速平台布局，已成为行业转型赋能及区域经济增长的重要驱动。三是专业型平台不断涌现，在工业协议解析、工业大数据分析、工业仿真等关键领域，涌现出一批“专精特”工业互联网平台，成为关键技术单点突破与集成贯通的重要依托。

工业互联网平台助力新旧动能转换。在驱动企业数据贯通方面，平台助力企业打通消费与生产、设计与制造、产品与服务之间的数据鸿沟，推动企业数字化转型迈上新台阶。在支撑旧动能改造方面，针对原材料、高端装备、消费品和电子信息等行业运行成本高、需求差异大等问题，基于平台的质量管控、设计优化、个性定制等智能解决方案持续涌现，助力企业“提质降本增效”，引领行业高质量发展。在引领新动能培育方面，面对数字经济、智慧城市等产业新趋势、新方向，平台打破社会资源配置的时空局限，带动产业生产组织方式演进变革，同时催生制造协同、能力共享、工业金融等新模式、新业态。

多措并举加速工业互联网平台落地深耕。一是央地联动协同，上海、浙江与工业和信息化部签订部省合作协议。青岛、南京、重庆等地加速建设“7+12”工业互联网平台应用创新推广，有效加速区域产业升级。二是地方多措并举，为加速当地企业数字化转型，地方通过政策发布、资源池建立、制定发展指数等举措进行系统化布局，打造形成一批平台发展高地。三是产业集群落地，为了实现产业集聚区整体资源的调配与精准对接，打造一批特定产业集群工业互联网平台，优化稳定供应链、产业链。

工业互联网平台融通发展生态不断壮大。在公共服务方面，针对行业发展不均衡、专业化程度要求高、中小企业能力不足等问题，为了促进行业转型升级及创新发展，依托工业互联网创新发展工程建设了一批技术服务、数据管理、监测分析等公共服务平台。在融合基础方面，针对关键基础技术研发能力薄弱、专业化人才储备不足的现状，多地支持建设了一批工业互联网平台人才实训基地，加速推动复合型、技能型工业互联网人才培养。在对外合作方面，我国与欧盟物联网创新联盟（AIOTI）、日本工业价值链促进会（IVI）、德国弗劳恩霍夫学会等紧密合作，国际合作水平持续提升。

平台对重大事件、重大战略支撑能力显著增强。一方面，平台对接疫情防控紧缺资源供需，推出疫情复工解决方案，有力保障疫情防控和复工复产。三一、航天云网等企业围绕物资供需对接、医院施工远程调度、企业疫情防控等方面提供快速创新服务，用友、浪潮、东方国信等平台企业推出复工复产工业App或解决方案，有力支援疫情防控，助力企业复产复工。另一方面，平台助力突破技术瓶颈，与信创产业互促互进。工业互联网平台的快速发展带动了一批信创产品的涌现，例如，云道智造推出的自主化仿真安卓平台，实现有限元分析工具等达到国际先进水平。同时，工业互联网平台发展面临的平台开源框架、工业机理模型等关键短板，也为信创产业发展指明了急需布局的新方向。

（三）工业互联网应用价值

应用工业互联网，技术是核心，融合是关键。工业互联网可结合工业生产及制造、服务过程，基于大数据分析、人工智能等技术对数据进行综合利用，进而支撑业务的发展。一般来说，工业互联网在制造业中的应用价值主要体现在三方面。

优化生产制造过程。工业云平台能够有效采集和存储设备的运行状态数据、质量数据、现场生产数据等，通过数据分析和优化，在工艺、流程、质量等一些场景中实现优化应用，如对工艺参数、设备运行等数据进行综合分析，得到生产过程中的最优参数，提升制造品质；对生产进度、物料管理等数据进行分析，提高排产、进度、物料等方面管理的准确性；对产品检验数据和过程数据进行关联性分析，实现在线质量检测和异常分析，降低产品的不良率；对车间、企业的能耗数据进行分析，实现对设备、产线能效使用进行合理规划，提高能源的使用效率。

优化管理决策分析。工业互联网可以打通生产现场和企业管理的数据壁垒，有效提高企业的决策效率。在设备生产过程中，可以通过监控发现能耗的异常或峰值情形，随后可以在生产过程中重新进行调整，优化能源配置。例如，上海电气开发的纺织设备运行状态监测与智能管理系统，除可以实时监测设备运行状态和各种故障信息外，还能够实时反映整厂生产效率及品种、各纺织设备生产效率、预警等关键信息，并具有各种报表模块统计和各班组生产情况查询功能，便于生产企业分析和决策。

优化产品全生命周期管理与服务。工业互联网将产品设计、生产运行和服务的数据全面集成，可以建立产品的履历和档案。在设计环节通过大量试验数据、环境数据，可以实现制造预测和验证。在产品使用环节，借助区块链等新技术来记录产品生产、维修等信息，并将产品与装备的实时运行数据与设计、制造、历史维护数据进行融合，提供运行决策和维护建议，实现健康管理和预测性维护。在服务环节，通过反馈生产与实际使用过程中产生的数据改进产品设计，最终实现全生命周期管理与服务。通过工业互联网实现产品全生命周期管理与服务优化，对于一些需要长时间运行且生命周期较长的大型高端装备，如城市轨道交通车辆等，具有非常重要的意义。