工（gōng）業為（wéi）本，“新基建”助力工業互聯網發展

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 以下文章來自（zì）  中國航空工業集團信息技術中心（xīn）  寧（níng）振波

   2020年（nián）注（zhù）定是一個不平凡的一年，新冠疫情蔓（màn）延（yán），多個城市社區封閉，使得全國靜下心來重新思考中國的發展問題，在這個大背景下中央政治局適時提出的 “新基建”。就是以5G、人工智能、工業互聯網等為核心的新型數字基（jī）礎設施建設（shè），既符合我國產（chǎn）業升級需要，也代表著中國經濟高質量發展的方向。眾所周（zhōu）知，工業和製造業是國家的命脈，是國之重器（qì）。新基建以工業（yè）為（wéi）本，必然會為（wéi）我國（guó）工業發展打下堅實基礎。

一、“新基建”背景下（xià）的工業互聯網

中國有句老話，開門七件事：“柴、米、油、鹽、醬、醋（cù）、茶。”為什麽把柴放在（zài）第一位？因為柴是（shì）能量，是能源。從柴到煤炭，再到石油天然氣，到太陽能、風能、核能，現在我們用得最多的就是電能，它對日常生活來說太重要了。我們始終說物質文明和精神文明兩手一起抓，兩手都要硬。有了電就有了能（néng）量，就有了我們人類衣食住行的生活基（jī）礎（chǔ）。人類的精神文明從哪裏來？我們日常的文化生活，沒有（yǒu）電網就沒有電力供（gòng）應，沒有電力供應，就沒有（yǒu）通訊網絡，就沒有現代社會人和人之間的（de）交流，也沒有各種精神生活的分享和共享。武漢疫情期間，如（rú）果沒有電（diàn），沒有網絡，1000萬人被封閉在武漢，人們該如何過日子？新基建的七項內容就（jiù）是能源（yuán）和網絡，就是為我國的工（gōng）業高質量發展打基礎的。    

 近幾年，國家特別重（chóng）視工業互聯網的發展，工業互聯網就（jiù）是（shì）連接（jiē）工業和（hé）生產要素的，是“有線”加（jiā）“無線”。國（guó）家多年布局的高速有線光纖主（zhǔ）幹網絡，為5G應用打下了基礎。高速的有線光（guāng）纖加上5G的基站，再加上現（xiàn）場的“有線”加“無線”就可以構建最合理的工（gōng）業互聯網體係。當然“新基建（jiàn）”中最（zuì）重要的是人才。從推動兩化融合、到兩化深度融合、到現在的智能製造、工業互聯網，我們需要大量的（de）既懂工業、又懂通訊和IT技術的人才。而這方麵的人才奇缺，需要建立國家級的工（gōng）業新智庫（kù），各個省市也要建。要把（bǎ）真（zhēn）正能夠懂工業、又懂信息化的專業（yè）人才，納入工業新智庫（kù）。

二、工業互聯網的係統化思（sī）維

工業互聯網不能單獨理解（jiě），我們（men）要建立一個係統化的總（zǒng）體思維。

1.雲、大（dà）、移、物、智

上圖寧振波教授具有自主版權

“雲”是雲計算，“大”是大數（shù）據，“移”是移動互聯網，“物”是物聯網，“智”包含兩個概念，人工智能和智能製造。我們不能拋開工業企業，空談“雲（yún）大移物智”。 

最下麵是製造業的產品研發體係，從產品的（de）設計、仿真工（gōng）藝（yì）、生產製造（zào）、檢測、實（shí）驗、運行、服務、維護、維（wéi）修，到退役，這是整（zhěng）個的產品壽命周期。這個壽命周（zhōu）期中，產生的大量數據就是工（gōng）業大數據。當然，很多地方要裝傳（chuán）感器（qì），才能感知到環境中的數據，這（zhè）就是“狀態感知”。 

采集的（de）工業大數據，通過工（gōng）業互聯網傳遞到雲平台“實時分析”。雲平台有大（dà）量的服務器和軟件，隨著前（qián）端計算能力的加強，出現了邊緣計算。就（jiù）會一部分（fèn）在邊緣層實時分析（xī），一些複雜（zá）的問題傳遞到雲上實時分析。實時分析計（jì）算出結果（guǒ），最後實現“自主決策”。需要（yào）注意的是：這個決策既不是僅（jǐn）靠電腦，也（yě）不是僅僅靠人，而是人的大腦和電（diàn）腦相結合的智能（néng）製造和人工智能決策。決策反（fǎn）饋回到整個產品的研發工業體係中（zhōng）“精準執行（háng）”，從而構成了（le）一個完整的閉（bì）環平台。 

講（jiǎng）到工業（yè）的數（shù）字化轉型，講（jiǎng）以上任何一點都是片麵的。我們講“雲”也好，說大數據也好，做（zuò）移動互（hù）聯網、物聯網、人工智能、智能製造，不能離開大的環境。“雲、大（dà）、移、物、智”基礎是集成電路和軟件。自主版權的軟件（jiàn）和集成電路太（tài）重要了，除了基礎的操作係（xì）統，數（shù）據庫、互聯網軟件之外，最重要的就是工業軟件。

2.工業互聯網複姓“工業”名叫“網絡”

前幾次工業革命形成的流水線式的生產，都是單件大批（pī）量（liàng）生產模（mó）式（shì）。生產方式的變革（gé），出現了多件、小批量生產（chǎn）；隨著人們對單件定製化的要求越來越高，但是單件化定製是非常困難，比如英國的勞斯萊斯汽車，就是典型的單件定製的模式，因為有4000-5000多個鈑金件，焊接形成車型，僅僅做這種個性化汽車的衝壓模具，就需要數千萬元人民幣，成本很高，因（yīn）而價（jià）格就非（fēi）常高。

我們未來大規模單件定製怎麽解決（jué）？既要節約材料，又要環境保護，於是人們就想到用軟件來解決個性化定製的問題（tí），用軟件定義的通用模具和柔性模具代替過去單一的固定模具來（lái）生產不同的個（gè）性化產品。實際上，用軟件來控製數據的自動（dòng）流動，解決複雜產（chǎn）品的不確（què）定性，就是智能製造。具體就是：用（yòng）軟件來定義和控製產品的設計、工藝、生產製造過程。以汽（qì）車為例，就是要讓參與研製汽車的各類人員、各種機器和物料（liào）互（hù）聯、互通、互動，生產出來汽（qì）車。因此，智（zhì）能製造重點要解決人、機（jī）、物的互聯互通問題。國際互聯（lián）網連（lián）的是人，工業互聯網連的是機器和設備，物聯網連的是物料。

因此說，工業互聯網複姓“工業”。工業互聯網的特征是工業（yè），工業的特征是什麽（me）？工業要有產品（pǐn），產品的設（shè）計、工（gōng）藝、生產製造過程、交付過程，製造（zào）過程中采用大量的生產製造設備、機器，工（gōng）業互聯網連接的（de）是生產要素，不是消費要素（sù）。工廠裏麵連（lián）著所有機（jī）器設備，都是工業互聯網（wǎng），廠裏配的（de）水、電、氣、暖（nuǎn）等，都（dōu）是生產要素，不是消費要素。

三（sān）、工業互聯網的定義

1.什麽是工業互（hù）聯網？

工業互聯網分為（wéi）廣義和（hé）狹義的（de）概念。

廣義的工業互聯網就是第四次工業革命的代名詞。與德國（guó）工業4.0以及中國製造2025類（lèi）同，都是工業體係（xì）轉型的國家發展規劃。

狹義（yì）的工業互（hù）聯網僅僅指的是設備的聯網。設備聯（lián）網指的就是產品研製（zhì）過程（chéng）中設計用（yòng）的設備（包（bāo）括硬件和軟件（jiàn），其（qí）中軟件叫軟設備）、工藝設備、生產製造中用的裝備、以及保證（zhèng）生（shēng）產製造過（guò）程的（de）水暖電氣等等環境設備；當然，製造出來的零件、組件、部件、全機產品；都（dōu）要做大量的物理實驗和測試計量工作；這（zhè）些（xiē）用於（yú）物理實驗和測試計量（liàng）的各類設備也是工業設備，當（dāng）然，用於複雜產品運行、維護、維修、健康管理等等的聯網診斷也是工業互聯網。因此（cǐ）狹義的工業互聯（lián）網：包含了設計工藝、生產製造、環境控製、實驗室測（cè）試、計量、運行、維護等等連接的各種設備。這些設備的（de）連接就是狹義的工業互聯網連接。

而現在我們國（guó）家推動的工業互聯網行動計劃，實際（jì）上指的是廣義的（de）工業互聯網（wǎng）。廣義的工業互聯網核心是提升一個國家的工業能力和工業水（shuǐ）平，當然也（yě）是我們（men）國（guó）家製造業轉型升（shēng）級的（de）一個重大推手和抓手。我們來看一看到底什麽（me）是廣義的工（gōng）業（yè）互聯網。

1946年出現第一台電子計（jì）算機； 1956年提出人工智能的概念；1967年美國國防部預研局為連接幾台不同的大型計算機建立的ARPA（阿帕網，國際互聯網前（qián）身），到1969年（nián）第一台（tái）PLC的出現（工業互聯網（wǎng）的雛形），90年（nián）代國際（jì）互聯網的推廣和（hé）應用。這些都是連接。設備連接起來了，我們（men）就可以快速的互通信息、快速的交流。

複雜的工業現場和多樣的工業設備是工業互聯（lián）網平台建設中的一大阻礙。據不完全統計（jì），工業總線現在有120多種，各類終（zhōng）端設備的通訊協議大概400-5000種左右；全部5000餘種驅動（工業數據的采集、解析和（hé）轉換），包括PLC、變頻（pín）器、板卡、智能模塊（kuài）、智能儀表、標準協議、機床等。

智能製造最重要的基礎——是係統之間實現信息交互，由於每一個獨立係統都遵從各自標（biāo）準，因此實現（xiàn）不（bú）同（tóng）係統之間信息交互必須通過標準化的方法（fǎ）。我國正在（zài）開展（zhǎn）通過（guò）OPC-UA 標準解決不同係統之間互聯互通的研究。

2.工業的三個工業特征決定（dìng）了工業互聯網的（de）特殊性。

第一，行業特征。同行業內，每個（gè）企業都是產品的競爭關係。比如說美國GE公司的工業互聯網Predix，自己、下遊企業、配（pèi）套企業、用戶企（qǐ）業，都可以使用；但是英國的羅羅、美國的普惠以及相關企業不會使用。因為其中（zhōng）有產品（pǐn）的技術秘密、商業秘密等，不可能把企業的生命線交給同類的競爭企業。國內（nèi）也一樣，三一重工、徐（xú）工、中聯重科（kē）等工程機械公司，海爾、美的、格力等等家電巨頭，他（tā）們不可能用（yòng）同一張工業互聯網來解決問題。

第二（èr），產品複雜度。國際互聯（lián）網可以接入任何（hé）人（rén）員（yuán）和任何電腦類設備，溝通的是（shì）信息流（liú），接入的數（shù）量越大就越有價值，它像X軸，是（shì）扁平的。但是工業互聯網像Y軸，做的越深入越好（hǎo）。比如以海爾的（de）產品來講，家電最複雜的產品可能就幾十個傳感器，就可以深入檢測需要的零組件工作狀態。工程機械產品傳感器一（yī）般來說有100多個，這100多個傳（chuán）感器的整體感（gǎn）知，深入（rù）檢測（cè）需（xū）要的零組件工作（zuò）狀態，判斷診斷機器設備（bèi）的健康情況，它連接（jiē）的複雜（zá）度、傳輸的複雜、應（yīng）用的複雜度、管理的（de）複雜度、工業APP開發的複雜度和家電產品不一樣。目前單一產品傳感器最（zuì）多的是空客A380飛機。每個發動機（jī）有2000個傳感器，每架飛機上總（zǒng）共有超過（guò）2萬個傳感器。因（yīn）此應用於（yú）飛機的工業雲平台以及工業互聯網平台，和汽（qì）車、工程（chéng）機械以及家電的工業互聯網平台複雜度完全不在（zài）一個層級。所以我認為工（gōng）業互聯網平（píng）台降維可用（yòng），升維非常困難。就是說為複雜產品（pǐn）研製的（de）工業（yè）互聯網平台可以降維用於簡單產品；為簡單產品（pǐn）研（yán）製的工業互聯網平台沒有升維用於複雜（zá）產品的機會。

第（dì）三，工業（yè）設備的安全性要求極高。由於工業網絡開放，對安（ān）全和保密要求特別高（gāo），普通（tōng）的國際互聯網，網絡侵入丟失的是信息，工業設備網絡如果侵入就是（shì）災難性（xìng）的（de），如：伊朗核濃縮機事件，煉鐵爐、煉鋼爐、核電站等等事關國家安全（quán）的極其（qí）重要的工作場所，都對安全性提出了苛刻的（de）安全要求。因此一個國家的工業安全是國（guó）家命脈（mò），不（bú）能有（yǒu）任何疏忽。

鑒於以上三個（gè）原因，工業互聯網是多行業、多地區的多張網絡，而不是（shì）國際互聯網的一張網。

3.工業互聯網的起源。

第一次工業革命是機械化。電氣化（huà）時代有了網絡的概念。但這個網絡概念是電網絡。從電力聯網到電氣網絡的自動化過程，再到數字化的過程，就（jiù）進入（rù）了工業互聯網的範疇，上個世紀是工業（yè）互聯網（wǎng）的萌芽期。

工業互聯網是通過工業互聯網平台（tái）把（bǎ）設備、生（shēng）產線、工廠、供應商、產品和（hé）客戶緊密地連接融合起來，可以幫助製造業優化產業鏈，形成（chéng）跨設備、跨係（xì）統、跨廠區、跨（kuà）地區（qū）的互聯互通，從（cóng）而提高效率，推動整個製造服務體係（xì）智能化，還有利於推動製造業融通發展，實現製造業和服務業之間的跨越發展，使工業經濟各種（zhǒng）要素資源能夠高效共享。國（guó）家頂級節點是整個工業互聯網標識（shí）解（jiě）析（xī）體係的核心環節，是支撐工業萬（wàn）物互（hù）聯互通的神經樞（shū）紐。在工業互聯網中，網絡是基礎。平台是核心。安全是保障（zhàng）。如果沒有工（gōng）業這個主體，就不（bú）是工（gōng）業互聯網。 

工業互聯網有三大係統需要係統思考：1.工業機理（lǐ）模型，是中國的薄弱環節；2.工業APP的建設；3.前端傳感器（qì）以及工業總線（xiàn）、通訊協議的自主化。工信部苗部長多次講過（guò）：推動中（zhōng）國製造業百（bǎi）萬工業APP建設，也安（ān）排了多項研究項目，以此推進工業互（hù）聯網的建設。

4.工業互聯網APP（簡稱工業（yè）APP）。

工業APP是基於工業互聯網，承載工業知識和經驗，滿（mǎn）足特定需求的工業（yè）應（yīng）用軟件，是工業技術軟件化的重要成果。工業APP是麵向工業產品（pǐn）全生命（mìng）周期相關業務（設計、生產、實驗、使用、保障、交易、服務等）的（de）場景（jǐng）需求，把工業產（chǎn）品及相關技術過程中的知識、最佳實踐及技術訣竅封（fēng）裝成應用軟件。其本質是企業知識和技術訣竅的模型化、模塊化、標準化和軟件化，能夠有效促進知識的顯性化、公有化、組織化、係統化，極大地便利了知識的應用和複用。

工業APP作為一種新型的工業應用程序有（yǒu）6個典型（xíng）特征：（1）完整地表達一個或多個特定功能，解決特定問題；（2）特定（dìng）工業技術的載體；（3）小輕靈，可組合，可重（chóng）用（yòng）；（4）結構化和形式化；（5）輕代碼化；（6）平台化可移植。到2025年，中國（guó）要打（dǎ）造百萬個工業APP支撐中國新型工業體係的（de）建設。

設計、製造和實驗是製造（zào）業三大技術，是新工（gōng）業革命的管理體係。過去的製造業三大（dà）技術，從（cóng）設計（jì）、生產到實驗，都是（shì）基於藍圖，就是愛迪生的試錯（cuò）法（fǎ）。現在的新工業革命的技術體係，是基於虛擬的環境。這和原來流程完全不一（yī）樣，製造業信息化實際上就（jiù）是軟件在傳統體係和流（liú）程中的單點（diǎn）應用。 過去設計（jì）過程中用CAD軟件，現在我們把產品也數字化了，從方案（àn）設計、產品的初步設計、到詳細設計產品分析（xī）、仿（fǎng）真工藝設計、工藝仿真、工裝設計裝配，產品（pǐn）研製過程全數字化了，形成了虛擬（nǐ）的模型（xíng）。 在虛擬空間中完成了（le）產品（pǐn）的設計生（shēng）產和實驗沒有問題之後，把它的模型映（yìng）射到生（shēng）產過程中，指導（dǎo）實物生產。 過去的實物生產是手工生產線，現在建數（shù）字化生產線，未來是智能化的生產。 新工業革命的技術體係，最重要的就是以虛（xū）擬空間為（wéi）主，把東西做好之（zhī）後指導生產、指導實驗。這樣，我們就可以節（jiē）省大量的資源。快速降低（dī）成本、優化資源、進行（háng）綠色生（shēng）產的指導。

四、工業互聯網的挑戰

複雜的（de）工（gōng）業生產和多樣的工業設備，是工業互聯網平台建設一（yī）大阻（zǔ）礙。工業設備成千上萬。據不完全統計，全世界有超過100種工業總（zǒng）線，各類終端設備的通訊協議大概有4000~5000種，有5000多種驅動，挺複雜的。當然包括PLC、變頻器、板（bǎn）卡、智能模塊（kuài）、智能儀表、標準協議、機器人和機床等。目前已開（kāi）發出40多種現場總線，符合國際標（biāo）準規定的有8種總線，當然還有幾種在工業控製領域廣泛應用的總線，包含（hán）德國博世公司為汽車開發的can總線，還有美國Echelon公司開發的LonWorks總線等。另外還有20多種（zhǒng）儀表通訊協議。因此，我們搞工業互聯網必須從底層（céng）做（zuò）起，要標準（zhǔn）化，標（biāo）準化（huà）是實現（xiàn）不同係統之間的信息交互。怎麽交互，每一個獨（dú）立係（xì）統都要尊（zūn）重各自（zì）的標準，形成不同係（xì）統之間的信息交互才可以。中國工程院已經組織相關專（zhuān）家把OPC-UA國際標準轉化成了中國（guó）國（guó）家標準（zhǔn），這個國際標準是IEC62541，國家標（biāo）準（zhǔn）是GB/T33863。這個實際上是工業互（hù）聯網做底層的必經之路和要（yào）做的功（gōng）課。

設備之間具有高實時性要求（qiú）的（de）信息交互（hù）采用各種現場總線標準，設備層與控製層、管理層以及決策層之間的信（xìn）息交（jiāo）互采用OPC-UA標準。

五（wǔ）、工業互（hù）聯網應用案例

工業APP要有多平台，多（duō）操作係統支（zhī）持，近年來湧現了大量的工業互（hù）聯網軟件。世界上第一個推出的工業APP就（jiù）是（shì）2019年1月4日達索公司推出的CATIA xDesign，它可以在達索公司的公有雲平台上（shàng），通過瀏覽器（qì）網頁，就可以完成實體設計、曲麵設計、裝（zhuāng）配設計以及基本的CAE分析及優（yōu）化。因此，無論是在計算機上，還是在各種移動終端上都可以通過瀏覽器網頁進行CAD設計。

當（dāng）然 ，我們（men）國內也有許多優秀的公司推出了工（gōng）業互聯網軟件。如山東（dōng）華天軟件（jiàn）子公司華雲三維科技有限公司研發的國內首款、完全（quán）自主版權可控的新一代基於雲架結構的三維CAD產品CrownCAD 正式上線。這是國內唯一的完全自（zì）主三維雲產品，構建在自主的“三維幾何建模（mó）引擎”和自（zì）主（zhǔ）的“幾（jǐ）何約束（shù）求解器”之上，打開（kāi）網頁就能進行產品三維設計 。同時CrownCAD 適配國（guó）產芯片和國產操作係統，同時支持私有雲（yún）部署，安全性得到有效保證，非常適（shì）合自主可控要求（qiú）高的中國製（zhì）造企業。還有東方國信工業（yè）互聯網平台Cloudiip技術（shù）架構（gòu），在國外一些一帶一（yī）路的國家有許多成熟的案例。

在（zài）工信部領導下，2019年開展了工（gōng）業互（hù）聯網全國雙跨的評審，上圖是中國十大雙跨平（píng）台。

圍繞行業（yè）生產特點和企業痛點（diǎn）問題，平台企（qǐ）業在智能化生產、網絡化協同、個性化定（dìng）製、服（fú）務（wù）化延伸等領域開發形成（chéng）了一批係統解決方案，推動形成了不（bú）同的（de）行（háng）業數字化賦能路徑，提升了全流程生產效率、提高質量、降低成本、縮短上市周期，創造出顯（xiǎn）著經濟效益。

在本次新冠肺炎（yán）疫情期間，工（gōng）業互聯網極大（dà）提升了疫（yì）情防（fáng）控和複工（gōng）複產的處置效率（lǜ），顯示出工業互聯網（wǎng）的內在優越性，預計未來會有（yǒu）更多工業企業投入資金建設工業互聯網，以提（tí）升企業的業務質量和風險防控能力，推動業務創新，工業乃至實體經濟各個行（háng）業的（de）數字（zì）化轉型會進一步加（jiā）快，全（quán）球範圍內以工業互聯網為基石的第四次工業革命將進一步提速（sù）。從技（jì）術趨勢看，新一代信息技術的發展創新將推動工業互聯網持續（xù）升級迭代（dài），5G、人工智能、區塊鏈、數字孿生等新興技術與製（zhì）造（zào）業的融合將進一步加（jiā）快和深化，顯著提升工業互聯網創新發展能力和水平。

我國新型基礎（chǔ）設施的布局為工業互（hù）聯網的發展提（tí）供了積極的政策引領，預計工業互聯網網絡、標識（shí）解析、平台、安全等基礎能力（lì）建設將進一步加（jiā）速，並與其他數字基礎設施的建設相互促進，為工業互聯網應用（yòng）推廣普及提供良好基礎條（tiáo）件，有（yǒu）力支撐產業轉（zhuǎn）型升級和經濟高質量發展。