王喜文丨工业互联网：以新基建推动新变革

党中央、国务院高度重视工业互联网发展。习近平总书记连续四年对推动工业互联网发展做出重要指示。我国将工业互联网列为新型基础设施之一，将发展工业互联网作为推动制造业升级和新兴产业发展的有力举措。2020年全国两会，《政府工作报告》首次提及新基建；中央经济工作会议连续强调推动工业互联网等数字经济高质量发展。

作为新型基础设施的关键领域之一，工业互联网在加速产业升级、推动企业数字化转型、释放经济社会发展新动能等方面的基础性作用日益凸显。可以说，未来几年，工业互联网正迎来落地实践的加速期。

更多精彩观点工业互联网的愿景是工厂的无线网络化与智能化。因此，工业互联网是以新网络和新平台为新基建，所有的机器设备、零部件和产品等制造元素不再是独立的个体，它们通过工业互联网紧密联系在一起，实现更柔性和高效的制造系统；工业互联网是以新生态、新价值开创新变革，所有的解决方案、服务和供应体系不再是独自地升级，它们通过工业互联网深度地融合为一体，实现更智能和协同的网络系统（图1）。

图1 工业互联网的“六新”

01、新网络：开启互联网下半场

纵观数十年互联网发展历程，我们会发现大多数互联网应用是以个人为用户，以电子商务、搜索引擎等日常生活为场景的应用形式，是一种满足消费者在互联网中的消费需求而生的消费互联网，也因此被称为互联网的上半场。而随着互联网技术的成熟，不断与产业的深度融合发展，互联网的下半场正在开启，那就是工业互联网。消费互联网主要关注需求侧，而工业互联网主要关注供给侧，并且还要在更高的维度构建新的生产模式和新的消费模式。

传统制造业时代，材料、能源和信息是工厂生产的三个要素。传统制造业发展的历史就是工厂利用材料、能源和信息进行物质生产的历史。材料、能源和信息领域的任何技术革命必然导致生产方式的革命和生产力的飞跃发展。但是，随着互联网和云计算、大数据技术的发展，计算机到智能手机、智能穿戴等移动终端的演进，越来越多功能强大的智能设备以无线方式实现了与互联网或设备之间的互联，由此衍生出物联网、服务互联网和工业互联网，推动着物理世界和信息世界以信息物理系统的方式相融合。也可以说，是这种技术进步使得制造业领域实现了资源、信息、物品、设备和人的互通互联（图2）。

图2 工业互联网：人、机、物全面互联的新型网络基础设施

而未来，通过互通互联，云计算、大数据等新技术，与传统的自动化技术结合在一起，生产工序将实现纵向系统上的融合，生产设备和设备之间，工人与设备之间的合作，把整个工厂内部连接起来，形成工业互联网，互相之间可以合作、可以响应，能够开展柔性化的生产制造，可以调整产品的生产率，还可以调整利用生产资源的多少、大小，采用最节约资源的方式。

因此，随着互联网与先进制造业的深度融合，许多国家、企业都意识到工业互联网是未来工业的顶级生态系统，将对未来工业发展产生全方位、深层次、革命性影响。工业互联网需要设备通过网络连接到云端，基于超高计算能力的平台，并通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制。企业将大量算力和数据存储功能移到云端，这将大幅降低设备的硬件成本和功耗。与此同时，自动化设备在原有的控制功能基础上，通过拓展一些新功能，就可以实现产品生命周期管理、安全性、可追溯性与节能减排等智能化要求。这些为生产设备添加的新功能是指通过为生产线配置众多传感器，让设备具有感知能力，将所感知的数据通过无线网络传送到数据中心，通过大数据分析决策进一步使得自动化设备具有自主管理、自主学习和自我优化的智能功能，从而实现设备的智能化。

按照2017年11月27日，国务院正式印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》要求，未来的工业互联网通过系统构建网络、平台、安全三大功能体系，打造人、机、物全面互联的新型网络基础设施，既包括生产设备、生产材料、生产产品等硬件领域，也包括各种管理软件、数据和服务领域，通过5G 等新一代信息技术与制造业深度融合将形成智能化发展的新兴业态和应用模式。有利于促进网络基础设施演进升级，推动网络应用从虚拟到实体、从生活到生产的跨越，极大拓展网络经济空间。

02、新平台：打造工业操作系统

随美国通用电气公司（GE）推出的Predix 工业互联网平台被称为“工业操作系统”，其中有很多模块可以由各个企业根据其行业背景，进行选择性组合，构建适用于自己的解决方案。Predix 是面向工业领域的基于工业大数据的云平台，主要是三层架构：底部是提供基础设施服务的IaaS 层，中间是平台PaaS 层，最上端是软件及服务层SaaS。Predix 利用这三层云计算架构，将各种工业设备或机器以及供应商等相互连接，提供资产性能管理（APM）和运营优化服务，每天监控和分析来自数万亿设备资产上的千万个传感器所发回的5000多万条大数据，帮助客户优化资源配置和业务流程、减少风险和实现100% 无故障运行。

平台作为“工业操作系统”的定位，既考虑了设备、软件、用户、开发者及数据等不同要素的管理与服务能力，同时又考虑了平台的基础技术和投入产出要求，这需要涉及将这些数据数字化并累积成足够的数据库，需要大量的基础设施建设。因此，工业互联网平台主要包含三个层面：

第一层面：数据产生。工业互联网的基础是大量的数据，而传感器是获得多维工业数据的感官。工业互联网时代，传感器遍布各项资产，因此系统可不断从新兴与传统渠道抓取数据集，确保数据持续更新，并反映当前情况。通过“感知工业过程，采集海量数据”，工业互联网须确保基本流程与物料的互联互通，以生成实时决策所需的各项数据，大幅改善劳动条件，减少生产线人工干预，提高生产过程可控性，最重要的是借助互联网打通企业的各个流程，实现从设计、生产到销售等各个环节的互联互通，并在此基础上实现资源的整合优化，从而进一步提高企业的生产效率和产品质量。与此同时，通过整合来自运营系统、业务系统以及供应商和客户的数据，可全面掌控供应链上下游流程，从而提高供应网络的整体效率。

第二层面：数据存储。得到大量数据后，如何将数据传输至云端呢？这需要依托先进的工业级5G移动通信技术。和过去在车间内直接对数据进行简单响应不同，企业需要把不同车间、不同工厂、不同时间的数据汇聚到同一个云数据中心，进行复杂的数据计算，以训练出有用的数学模型。这就对工业通信网络架构提出新要求，推动标准化通信协议及5G 等新的技术在车间里的普及。

第三层面：打通供应链各个环节数据流，实现产品生命周期全过程数字化和智能化。一方面，供应链各个环节之间的物流会产生大量的数据。这些物流信息的收集能够帮助物流行业提升效率，降低成本。未来的工业互联网，通过智能化收集、集成，处理物流的采购、运输、仓储、包装、装卸搬运、流通及配送等各个环节的信息，实现全面分析，及时处理及自我调整。另一方面，未来的工业生产将以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，来模拟其在现实环境中的行为。通过搭建整合制造流程的数字孪生生产系统，能实现从产品设计、生产计划到制造执行的全过程智能化，将产品创新、制造效率和有效性水平提升至一个新的高度。

可以说，工业互联网平台将与未来多项先进科技相结合，实现资源利用、生产效率和经济收益的最大化。例如，借助5G高速移动通信网络，采集关键装备制造、生产过程、能源供给等环节的能效相关数据，使用能源管理系统对能效相关数据进行管理和分析，及时发现能效的波动和异常，在保证正常生产的前提下，相应地对生产过程、设备、能源供给及人员等进行调整，实现生产过程的能效提高；使用企业资源计划（ERP）系统进行原材料库存管理，包括各种原材料及供应商信息。当客户订单下达时，ERP 自动计算所需的原材料，并根据供应商信息即时计算原材料的采购时间，确保在满足交货时间的同时做到库存成本最低甚至为零。
03、新生态：拓展各类服务应用

工业互联网生态一旦建立，一方面，极大加速工业大数据湖泊中大数据的积累，加速行业共性大数据的储备，为工业大数据解决方案的进一步发展提供了重要的储备，也为制造业整体的发展奠定数据基础；另一方面，许多企业都可以调用平台功能及资源，提供开放的工业APP 开发环境，实现工业APP 创新应用。

传统工厂存在模型不能共享、缺乏动态更新、智能应用不足等短板。工业互联网平台能够培育产业新型业态的功能也在工业领域逐步显现，不仅催生出工业APP的新业态，还带动工业企业创新形成了一批制造业服务化转型的新模式。许多制造企业已开始在多个领域采用智能制造的方式，如利用实时生产和库存数据进行先进计划与排产，或利用虚拟现实技术进行设备维护等。而工业互联网是更为整体性的智能供应链实践，不仅仅转变工厂车间，更影响整个企业和更大范围内的生态系统。

04、新价值：赋能产业上中下游

工业互联网代表了从传统自动化向智能化、网络化和柔性化生产的飞跃。大体看来，工业互联网平台发展整体呈现以下三大特征（图3）。一是，能够整合全系统内的物理资产、运营资产和人力资本，推动制造、维护、库存跟踪、通过数字孪生实现运营数字化以及整个制造网络中其他类型的活动；二是，能够从互联的运营和生产系统中源源不断地获取数据，从而了解并适应新的需求；三是，能够使系统效率更高也更为敏捷，生产停工时间更少，对工厂或整个网络中的变化进行预测和调整适应的能力更强，从而进一步提升市场竞争力。

图3 工业互联网的特征

第一特征：泛在连接。在RFID、传感器等物联网技术的支持下，工厂内的物理设备（生产线、生产设备、零部件等）将实现物与物之间的互联。把制造的资源和能力，包括人、构成服务的云，传递给终端和云制造服务终端的平台，使得用户能够随时随地按需获取所需要的制造资源和能力，对制造全系统、全生命周期里边的人及物进行智慧地感知、互联、协同、学习、分析、预测、决策、控制和执行。

工业互联网具备对设备、软件、人员等各类生产要素数据的全面采集能力之后，企业可更加全面清晰地了解其资产与系统，有效应对传统企业所面临的挑战，最终提高生产率，更加灵活地响应不断变化的供应商及客户情况。在未来，工厂中每个物体都是一个有唯一工业互联网标识的终端，使生产环节的原材料都具有“信息”属性，原材料会根据“信息”自动生产和维护。工人和带有唯一工业互联网标识的原料、设备、产品进行信息交互。除了大幅缩短工期之外，还能大幅降低成本。工业互联网将成为实现未来工业体系中智能企业和智慧管理的基础，也将是在联通的复杂世界中整合各种资源和价值的有效手段。

第二特征：云化服务。工业互联网实现基于云计算架构的海量数据存储、管理和计算，从而使得制造管理、产品设计、产品服务生命周期和供应链管理、客户关系管理有机地融合在一个完整的企业与市场的闭环系统之中，使企业的价值链从单一的制造环节向上游设计与研发环节延伸，企业的管理链也从上游向下游生产制造控制环节拓展，形成一个集成了工程、生产制造、供应链和企业管理的网络协同制造系统。

通过“云化服务”实现并行制造之后，各个工艺流程都将并行化、透明化、扁平化，实现真正意义上的智能制造。并行化的智能制造过程将通过利用网络世界无限的数据和信息资源，突破物理世界资源有限的约束。这样一来，可以一边设计研发、一边采购原材料零部件、一边组织生产制造以及一边开展市场营销，从而降低了运营成本，提升了生产效率，缩短了产品生产周期，也减少了能源使用。

工业互联网还具有较强的渗透性，可从制造业扩展成为各产业领域网络化、智能化升级必不可少的基础设施，通过“云化服务”实现产业上下游、跨领域的广泛互联互通，打破“信息孤岛”，促进集成共享，从根本上改变生产流程，大幅增强与供应商和客户之间的关系。工业体系行业众多，发展基础和阶段升级目标各不相同，各个行业对于智能制造实施方案的需求差异较大。受限于资金投入不足、技术研发周期较长、工艺壁垒和市场风险等因素，单个厂商提供的解决方案很难满足各个细分行业的智能制造发展需要，企业间需采取联手合作、优势互补的策略，不断加强协同创新，以补全、完善和提升智能制造系统解决方案能力。

第三特征：知识积累。工业互联网能够提供基于工业知识机理的数据分析能力，并实现知识的固化、积累和复用。通过工业互联网平台赋能，企业可以快速适应进度以及产品迭代变更，并将其影响降至最低。还可根据正在生产的产品以及进度调整，自动配置设备与物料流程，进而实时掌控这些变更所造成的影响。此外，还促使在进度与产品发生变更时，最大程度上降低调整幅度，从而提高运行时间与产量并确保灵活的进度安排。

工业互联网平台的核心竞争力体现在工业知识与大数据、人工智能技术的深度融合应用，加速知识创新和价值创造。借助万物互联，产品和原料全都被直接连接到各类相关的知识和经验数据库，在故障诊断时，可参考海量的经验和专业知识，提高问题定位精准度，从而实现产品全生命周期管理，管理产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用及维修保养直到回收再用处置的全生命周期中的信息与过程。

此外，有了“知识积累”的工业互联网具备制造能力的共享，通过数据模型的加工融合和优化，制造能力的平台部署和平台交易部署和实现可以资源共享，达到了可共享的制造资源。通过大数据分析制造能力的供需精准对接，实现制造资源按需求动态配置的同时，实现对其他企业的知识赋能，让其他企业瞬间掌握生产管理经验。

传统工业经济正在向数字经济过渡，以数字化、网络化、智能化为主要特征的第四次工业革命正在汹涌而来。而工业互联网无疑是数字经济的重要引擎，是工业4.0的关键基础设施。唯有加快工业互联网发展，才能加速实现智能制造，更高效率、更加动态、更加精准地优化生产和服务等资源的配置，才能促进传统产业升级，带动企业数字化转型，催生新技术、新业态、新模式，为经济社会发展建设提供新动能。

文章来源：《学术前沿》杂志2020年7月（上）（数字化优先出版），微信有删节
作者：南昌理工学院客座教授，九三学社中央科技委员会委员 王喜文