王喜文丨工業互聯網：以新基建推動新變革

黨中央、國務院高度重視工業互聯網發展。習近平總書記連續四年對推動工業互聯網發展做出重要指示。我國將工業互聯網列為新型基礎設施之一，將發展工業互聯網作為推動制造業升級和新興產業發展的有力舉措。2020年全國兩會，《政府工作報告》首次提及新基建；中央經濟工作會議連續強調推動工業互聯網等數字經濟高質量發展。

作為新型基礎設施的關鍵領域之一，工業互聯網在加速產業升級、推動企業數字化轉型、釋放經濟社會發展新動能等方面的基礎性作用日益凸顯。可以說，未來幾年，工業互聯網正迎來落地實踐的加速期。

更多精彩觀點工業互聯網的愿景是工廠的無線網絡化與智能化。因此，工業互聯網是以新網絡和新平臺為新基建，所有的機器設備、零部件和產品等制造元素不再是獨立的個體，它們通過工業互聯網緊密聯系在一起，實現更柔性和高效的制造系統；工業互聯網是以新生態、新價值開創新變革，所有的解決方案、服務和供應體系不再是獨自地升級，它們通過工業互聯網深度地融合為一體，實現更智能和協同的網絡系統（圖1）。

圖1 工業互聯網的“六新”

01、新網絡：開啟互聯網下半場

縱觀數十年互聯網發展歷程，我們會發現大多數互聯網應用是以個人為用戶，以電子商務、搜索引擎等日常生活為場景的應用形式，是一種滿足消費者在互聯網中的消費需求而生的消費互聯網，也因此被稱為互聯網的上半場。而隨著互聯網技術的成熟，不斷與產業的深度融合發展，互聯網的下半場正在開啟，那就是工業互聯網。消費互聯網主要關注需求側，而工業互聯網主要關注供給側，并且還要在更高的維度構建新的生產模式和新的消費模式。

傳統制造業時代，材料、能源和信息是工廠生產的三個要素。傳統制造業發展的歷史就是工廠利用材料、能源和信息進行物質生產的歷史。材料、能源和信息領域的任何技術革命必然導致生產方式的革命和生產力的飛躍發展。但是，隨著互聯網和云計算、大數據技術的發展，計算機到智能手機、智能穿戴等移動終端的演進，越來越多功能強大的智能設備以無線方式實現了與互聯網或設備之間的互聯，由此衍生出物聯網、服務互聯網和工業互聯網，推動著物理世界和信息世界以信息物理系統的方式相融合。也可以說，是這種技術進步使得制造業領域實現了資源、信息、物品、設備和人的互通互聯（圖2）。

圖2 工業互聯網：人、機、物全面互聯的新型網絡基礎設施

而未來，通過互通互聯，云計算、大數據等新技術，與傳統的自動化技術結合在一起，生產工序將實現縱向系統上的融合，生產設備和設備之間，工人與設備之間的合作，把整個工廠內部連接起來，形成工業互聯網，互相之間可以合作、可以響應，能夠開展柔性化的生產制造，可以調整產品的生產率，還可以調整利用生產資源的多少、大小，采用最節約資源的方式。

因此，隨著互聯網與先進制造業的深度融合，許多國家、企業都意識到工業互聯網是未來工業的頂級生態系統，將對未來工業發展產生全方位、深層次、革命性影響。工業互聯網需要設備通過網絡連接到云端，基于超高計算能力的平臺，并通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制。企業將大量算力和數據存儲功能移到云端，這將大幅降低設備的硬件成本和功耗。與此同時，自動化設備在原有的控制功能基礎上，通過拓展一些新功能，就可以實現產品生命周期管理、安全性、可追溯性與節能減排等智能化要求。這些為生產設備添加的新功能是指通過為生產線配置眾多傳感器，讓設備具有感知能力，將所感知的數據通過無線網絡傳送到數據中心，通過大數據分析決策進一步使得自動化設備具有自主管理、自主學習和自我優化的智能功能，從而實現設備的智能化。

按照2017年11月27日，國務院正式印發《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》要求，未來的工業互聯網通過系統構建網絡、平臺、安全三大功能體系，打造人、機、物全面互聯的新型網絡基礎設施，既包括生產設備、生產材料、生產產品等硬件領域，也包括各種管理軟件、數據和服務領域，通過5G 等新一代信息技術與制造業深度融合將形成智能化發展的新興業態和應用模式。有利于促進網絡基礎設施演進升級，推動網絡應用從虛擬到實體、從生活到生產的跨越，極大拓展網絡經濟空間。

02、新平臺：打造工業操作系統

隨美國通用電氣公司（GE）推出的Predix 工業互聯網平臺被稱為“工業操作系統”，其中有很多模塊可以由各個企業根據其行業背景，進行選擇性組合，構建適用于自己的解決方案。Predix 是面向工業領域的基于工業大數據的云平臺，主要是三層架構：底部是提供基礎設施服務的IaaS 層，中間是平臺PaaS 層，最上端是軟件及服務層SaaS。Predix 利用這三層云計算架構，將各種工業設備或機器以及供應商等相互連接，提供資產性能管理（APM）和運營優化服務，每天監控和分析來自數萬億設備資產上的千萬個傳感器所發回的5000多萬條大數據，幫助客戶優化資源配置和業務流程、減少風險和實現100% 無故障運行。

平臺作為“工業操作系統”的定位，既考慮了設備、軟件、用戶、開發者及數據等不同要素的管理與服務能力，同時又考慮了平臺的基礎技術和投入產出要求，這需要涉及將這些數據數字化并累積成足夠的數據庫，需要大量的基礎設施建設。因此，工業互聯網平臺主要包含三個層面：

第一層面：數據產生。工業互聯網的基礎是大量的數據，而傳感器是獲得多維工業數據的感官。工業互聯網時代，傳感器遍布各項資產，因此系統可不斷從新興與傳統渠道抓取數據集，確保數據持續更新，并反映當前情況。通過“感知工業過程，采集海量數據”，工業互聯網須確保基本流程與物料的互聯互通，以生成實時決策所需的各項數據，大幅改善勞動條件，減少生產線人工干預，提高生產過程可控性，最重要的是借助互聯網打通企業的各個流程，實現從設計、生產到銷售等各個環節的互聯互通，并在此基礎上實現資源的整合優化，從而進一步提高企業的生產效率和產品質量。與此同時，通過整合來自運營系統、業務系統以及供應商和客戶的數據，可全面掌控供應鏈上下游流程，從而提高供應網絡的整體效率。

第二層面：數據存儲。得到大量數據后，如何將數據傳輸至云端呢？這需要依托先進的工業級5G移動通信技術。和過去在車間內直接對數據進行簡單響應不同，企業需要把不同車間、不同工廠、不同時間的數據匯聚到同一個云數據中心，進行復雜的數據計算，以訓練出有用的數學模型。這就對工業通信網絡架構提出新要求，推動標準化通信協議及5G 等新的技術在車間里的普及。

第三層面：打通供應鏈各個環節數據流，實現產品生命周期全過程數字化和智能化。一方面，供應鏈各個環節之間的物流會產生大量的數據。這些物流信息的收集能夠幫助物流行業提升效率，降低成本。未來的工業互聯網，通過智能化收集、集成，處理物流的采購、運輸、倉儲、包裝、裝卸搬運、流通及配送等各個環節的信息，實現全面分析，及時處理及自我調整。另一方面，未來的工業生產將以數字化方式為物理對象創建虛擬模型，來模擬其在現實環境中的行為。通過搭建整合制造流程的數字孿生生產系統，能實現從產品設計、生產計劃到制造執行的全過程智能化，將產品創新、制造效率和有效性水平提升至一個新的高度。

可以說，工業互聯網平臺將與未來多項先進科技相結合，實現資源利用、生產效率和經濟收益的最大化。例如，借助5G高速移動通信網絡，采集關鍵裝備制造、生產過程、能源供給等環節的能效相關數據，使用能源管理系統對能效相關數據進行管理和分析，及時發現能效的波動和異常，在保證正常生產的前提下，相應地對生產過程、設備、能源供給及人員等進行調整，實現生產過程的能效提高；使用企業資源計劃（ERP）系統進行原材料庫存管理，包括各種原材料及供應商信息。當客戶訂單下達時，ERP 自動計算所需的原材料，并根據供應商信息即時計算原材料的采購時間，確保在滿足交貨時間的同時做到庫存成本最低甚至為零。
03、新生態：拓展各類服務應用

工業互聯網生態一旦建立，一方面，極大加速工業大數據湖泊中大數據的積累，加速行業共性大數據的儲備，為工業大數據解決方案的進一步發展提供了重要的儲備，也為制造業整體的發展奠定數據基礎；另一方面，許多企業都可以調用平臺功能及資源，提供開放的工業APP 開發環境，實現工業APP 創新應用。

傳統工廠存在模型不能共享、缺乏動態更新、智能應用不足等短板。工業互聯網平臺能夠培育產業新型業態的功能也在工業領域逐步顯現，不僅催生出工業APP的新業態，還帶動工業企業創新形成了一批制造業服務化轉型的新模式。許多制造企業已開始在多個領域采用智能制造的方式，如利用實時生產和庫存數據進行先進計劃與排產，或利用虛擬現實技術進行設備維護等。而工業互聯網是更為整體性的智能供應鏈實踐，不僅僅轉變工廠車間，更影響整個企業和更大范圍內的生態系統。

04、新價值：賦能產業上中下游

工業互聯網代表了從傳統自動化向智能化、網絡化和柔性化生產的飛躍。大體看來，工業互聯網平臺發展整體呈現以下三大特征（圖3）。一是，能夠整合全系統內的物理資產、運營資產和人力資本，推動制造、維護、庫存跟蹤、通過數字孿生實現運營數字化以及整個制造網絡中其他類型的活動；二是，能夠從互聯的運營和生產系統中源源不斷地獲取數據，從而了解并適應新的需求；三是，能夠使系統效率更高也更為敏捷，生產停工時間更少，對工廠或整個網絡中的變化進行預測和調整適應的能力更強，從而進一步提升市場競爭力。

圖3 工業互聯網的特征

第一特征：泛在連接。在RFID、傳感器等物聯網技術的支持下，工廠內的物理設備（生產線、生產設備、零部件等）將實現物與物之間的互聯。把制造的資源和能力，包括人、構成服務的云，傳遞給終端和云制造服務終端的平臺，使得用戶能夠隨時隨地按需獲取所需要的制造資源和能力，對制造全系統、全生命周期里邊的人及物進行智慧地感知、互聯、協同、學習、分析、預測、決策、控制和執行。

工業互聯網具備對設備、軟件、人員等各類生產要素數據的全面采集能力之后，企業可更加全面清晰地了解其資產與系統，有效應對傳統企業所面臨的挑戰，最終提高生產率，更加靈活地響應不斷變化的供應商及客戶情況。在未來，工廠中每個物體都是一個有唯一工業互聯網標識的終端，使生產環節的原材料都具有“信息”屬性，原材料會根據“信息”自動生產和維護。工人和帶有唯一工業互聯網標識的原料、設備、產品進行信息交互。除了大幅縮短工期之外，還能大幅降低成本。工業互聯網將成為實現未來工業體系中智能企業和智慧管理的基礎，也將是在聯通的復雜世界中整合各種資源和價值的有效手段。

第二特征：云化服務。工業互聯網實現基于云計算架構的海量數據存儲、管理和計算，從而使得制造管理、產品設計、產品服務生命周期和供應鏈管理、客戶關系管理有機地融合在一個完整的企業與市場的閉環系統之中，使企業的價值鏈從單一的制造環節向上游設計與研發環節延伸，企業的管理鏈也從上游向下游生產制造控制環節拓展，形成一個集成了工程、生產制造、供應鏈和企業管理的網絡協同制造系統。

通過“云化服務”實現并行制造之后，各個工藝流程都將并行化、透明化、扁平化，實現真正意義上的智能制造。并行化的智能制造過程將通過利用網絡世界無限的數據和信息資源，突破物理世界資源有限的約束。這樣一來，可以一邊設計研發、一邊采購原材料零部件、一邊組織生產制造以及一邊開展市場營銷，從而降低了運營成本，提升了生產效率，縮短了產品生產周期，也減少了能源使用。

工業互聯網還具有較強的滲透性，可從制造業擴展成為各產業領域網絡化、智能化升級必不可少的基礎設施，通過“云化服務”實現產業上下游、跨領域的廣泛互聯互通，打破“信息孤島”，促進集成共享，從根本上改變生產流程，大幅增強與供應商和客戶之間的關系。工業體系行業眾多，發展基礎和階段升級目標各不相同，各個行業對于智能制造實施方案的需求差異較大。受限于資金投入不足、技術研發周期較長、工藝壁壘和市場風險等因素，單個廠商提供的解決方案很難滿足各個細分行業的智能制造發展需要，企業間需采取聯手合作、優勢互補的策略，不斷加強協同創新，以補全、完善和提升智能制造系統解決方案能力。

第三特征：知識積累。工業互聯網能夠提供基于工業知識機理的數據分析能力，并實現知識的固化、積累和復用。通過工業互聯網平臺賦能，企業可以快速適應進度以及產品迭代變更，并將其影響降至最低。還可根據正在生產的產品以及進度調整，自動配置設備與物料流程，進而實時掌控這些變更所造成的影響。此外，還促使在進度與產品發生變更時，最大程度上降低調整幅度，從而提高運行時間與產量并確保靈活的進度安排。

工業互聯網平臺的核心競爭力體現在工業知識與大數據、人工智能技術的深度融合應用，加速知識創新和價值創造。借助萬物互聯，產品和原料全都被直接連接到各類相關的知識和經驗數據庫，在故障診斷時，可參考海量的經驗和專業知識，提高問題定位精準度，從而實現產品全生命周期管理，管理產品從需求、規劃、設計、生產、經銷、運行、使用及維修保養直到回收再用處置的全生命周期中的信息與過程。

此外，有了“知識積累”的工業互聯網具備制造能力的共享，通過數據模型的加工融合和優化，制造能力的平臺部署和平臺交易部署和實現可以資源共享，達到了可共享的制造資源。通過大數據分析制造能力的供需精準對接，實現制造資源按需求動態配置的同時，實現對其他企業的知識賦能，讓其他企業瞬間掌握生產管理經驗。

傳統工業經濟正在向數字經濟過渡，以數字化、網絡化、智能化為主要特征的第四次工業革命正在洶涌而來。而工業互聯網無疑是數字經濟的重要引擎，是工業4.0的關鍵基礎設施。唯有加快工業互聯網發展，才能加速實現智能制造，更高效率、更加動態、更加精準地優化生產和服務等資源的配置，才能促進傳統產業升級，帶動企業數字化轉型，催生新技術、新業態、新模式，為經濟社會發展建設提供新動能。

文章來源：《學術前沿》雜志2020年7月（上）（數字化優先出版），微信有刪節
作者：南昌理工學院客座教授，九三學社中央科技委員會委員 王喜文