工業為本，“新基建”助力工業互聯網發展

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 以下文章來自  中國航空工業集團信息技術中心  寧振波

   2020年注定是一個不（bú）平凡的（de）一年，新（xīn）冠疫情蔓延，多個城市社區封閉，使得全（quán）國靜（jìng）下心來（lái）重新思考中國的（de）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（yè）互聯網等為核心的新型數字基礎設施建設，既符合我國產業升級（jí）需（xū）要，也代（dài）表著中國經濟高質（zhì）量發展的方向。眾（zhòng）所周知，工（gōng）業和製造業是國家的命脈，是國之重（chóng）器。新基建以工業為本，必然會（huì）為我國工（gōng）業發展打下堅實基礎。

一、“新（xīn）基建”背景下的工業互聯網

中國有句老話，開門七件事：“柴、米、油、鹽、醬、醋、茶。”為什麽把（bǎ）柴放在第一位？因（yīn）為柴是能量，是能源。從柴到煤炭，再到石油天然氣，到太陽（yáng）能、風能、核能，現在我們用（yòng）得最多的（de）就是電能，它對日常生活（huó）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（le）電就有了能量，就有了我們人類衣食住（zhù）行的生活基礎。人類的精神文明從哪裏（lǐ）來？我們日（rì）常的（de）文化生活，沒有電網就沒有電力供應，沒有（yǒu）電力供應，就沒有通（tōng）訊網絡，就沒有現代社會人和人之間的交流（liú），也沒有各種精神生活的分享和共享。武（wǔ）漢疫情期間，如果沒有電（diàn），沒有網絡，1000萬人被封閉在武漢，人們該如何過日（rì）子？新基建的七項內容就是（shì）能源和（hé）網絡，就是為我國的工業高質量發展打基礎的。    

 近幾（jǐ）年，國家特別重視工業互聯網的發展，工業互聯網就（jiù）是（shì）連接（jiē）工業和生產要素的，是“有線”加“無線”。國家多年布局的高速有（yǒu）線光纖主幹網絡，為（wéi）5G應用（yòng）打下了（le）基礎。高速的有線光纖加上5G的基站，再（zài）加上現場的“有線”加“無線（xiàn）”就可（kě）以構建最（zuì）合理的工業互聯網體係。當然“新基建”中（zhōng）最重要的是人才。從推動兩化融合、到兩化深度融合（hé）、到現在的智能（néng）製造、工業互聯網，我們需要大量的既懂工業、又懂通訊（xùn）和（hé）IT技術的人才。而這方麵的人才奇缺，需要建立國家級的（de）工業新智庫，各（gè）個省市也要建。要把真正能夠懂工業（yè）、又懂信息化（huà）的專業人才，納入工業新智庫。

二、工業互聯網的（de）係統化思維

工業（yè）互聯網不能單獨理（lǐ）解（jiě），我（wǒ）們要（yào）建立一個係統化的總體思維。

1.雲、大、移、物、智

上圖寧振波教授（shòu）具有自主版權

“雲（yún）”是雲計算，“大”是大數據，“移”是移動互聯網，“物”是物聯（lián）網，“智”包含兩（liǎng）個概念（niàn），人工智能和智能製造。我（wǒ）們不能拋開工業企業，空（kōng）談“雲大移物智”。 

最下麵是製造（zào）業的產品研發（fā）體係，從產品的設計、仿真工藝、生產製造、檢測、實驗、運行、服務（wù）、維護、維修，到退役，這是整個的產品壽命周期。這（zhè）個壽命周期中，產生（shēng）的大量數據就是工業大數據。當然，很多地方（fāng）要裝傳感器，才能感知到環境中的數據，這就是“狀態感知”。 

采集的工（gōng）業大數據，通過工業互聯網傳遞到雲平台“實時分析（xī）”。雲（yún）平台有大量的服務器和軟件，隨著前端計算能力的加強，出現了邊緣計算。就會一部分在邊緣層實時分（fèn）析，一些複雜的問題傳遞到（dào）雲上實時分析。實時分析計算出結果，最後實現“自主決策”。需（xū）要注意的是：這個（gè）決策既不（bú）是僅靠電腦（nǎo），也不是僅僅靠人，而是人的大腦和（hé）電腦相結合的智能製造和人工智能決策。決策反饋回到（dào）整個產品的研發工業（yè）體係中“精準執行”，從而構成了一個完（wán）整的閉環平（píng）台。 

講到工業的數（shù）字化轉型，講以上任何一點都是（shì）片麵的。我們講“雲”也好，說大（dà）數據也好，做移動互聯網、物聯網、人工智能、智能製造，不能離開（kāi）大的環境。“雲（yún）、大、移、物、智”基礎是（shì）集成電路和軟件。自主版權的（de）軟件和集成電路（lù）太重要了，除了基礎的操作係統，數據庫、互聯（lián）網軟件之外，最重要的就是工業（yè）軟件。

2.工業互聯網複姓“工業”名叫“網絡”

前幾（jǐ）次工業革命形成（chéng）的流水線式的生產（chǎn），都是單件大批量生產模式（shì）。生產方式的（de）變革，出現了多件、小批量（liàng）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（sī）汽車，就是典型的單（dān）件（jiàn）定製的模式，因為有4000-5000多個鈑金件，焊接（jiē）形成（chéng）車（chē）型，僅僅做這種個性化汽車的（de）衝壓模具（jù），就需要數千萬（wàn）元人民幣，成本很高，因而價格就非常高。

我們未來大規模單件定製怎麽（me）解決？既要節約材料，又要環境保護，於是人們就（jiù）想到用軟件來解決個性化定製的問題，用軟件定義（yì）的通（tōng）用模具和柔性模具代替過（guò）去單一的固定模具來生產不同的個性化產品。實際上，用軟件來控（kòng）製數據的（de）自動流動，解決複雜（zá）產（chǎn）品的不確定性，就是智能製造。具體就是：用軟件來定（dìng）義和控製產品的設計、工藝（yì）、生（shēng）產製造過程（chéng）。以汽（qì）車（chē）為例，就是要讓參與研製汽（qì）車（chē）的各類人員、各種機器和物料互（hù）聯、互（hù）通、互動，生產出來汽車。因此，智能製造重點要解決人、機、物的互聯互通問題。國際互聯網連的是（shì）人，工業互聯網連的是機器和設備，物（wù）聯網連的是物料。

因此說（shuō），工業互聯網複姓“工業”。工業互聯網的特征是工業，工業的特征是什麽？工業要有產（chǎn）品，產品的設計、工藝、生產製造過程、交付過程（chéng），製造過程（chéng）中采用大（dà）量（liàng）的生產製造設備、機器，工業互（hù）聯網連接的是生（shēng）產要素，不是消費要素。工廠裏（lǐ）麵（miàn）連（lián）著所有機器設（shè）備，都（dōu）是工業互聯網，廠裏配的水、電、氣、暖等，都是生產要素，不是消費要素。

三、工業互聯網的（de）定義（yì）

1.什麽是（shì）工業互聯網？

工業（yè）互聯網分為（wéi）廣義和狹義的概念。

廣義的工業互聯網就是第四（sì）次工業革命的代名詞。與德國工（gōng）業4.0以及中國製造（zào）2025類同，都是工業體係轉型的國家發展規劃。

狹義的工業互聯網僅僅指的是設備的聯網。設備聯網指的就（jiù）是產品研製過（guò）程中設計用的設備（bèi）（包（bāo）括硬件和軟件，其（qí）中軟（ruǎn）件叫軟（ruǎn）設（shè）備）、工藝設備、生產製造中用的裝備、以及保（bǎo）證生產製造過程的水暖電氣等等環境設備；當然（rán），製造出來（lái）的零件、組件、部件、全（quán）機產（chǎn）品；都要做大量的物理實驗和測（cè）試計量工作；這些用於物理（lǐ）實驗和測試計量的各類設備也是工業設備，當然（rán），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（lián）網。因此狹義的工業互聯（lián）網：包含了設計（jì）工藝、生產（chǎn）製造（zào）、環境控製、實驗室測（cè）試、計量、運行、維護等等連接（jiē）的各種設備（bèi）。這些設備（bèi）的連接就是狹義的工業互聯網連接。

而現在我們國家推動的工業互聯網行動計劃，實際上指的是廣義的工業互聯網。廣義的（de）工業互聯網核心是提升（shēng）一個國家的工（gōng）業能力和工業水平，當然也是我們國家製造業轉型升（shēng）級的一個重大推手（shǒu）和抓手。我們來看一（yī）看到底什麽是廣義的工業互聯網。

1946年出現第一台電子計算機； 1956年提出人工智能的（de）概念；1967年美（měi）國國防部預研局為連接（jiē）幾台不同的大（dà）型計算機建立的ARPA（阿帕網（wǎng），國際互聯網前身），到1969年第一台PLC的出現（工業互聯網的雛形（xíng）），90年代國（guó）際互聯網的推廣和（hé）應用。這些（xiē）都是連接。設備連接起來了，我（wǒ）們就（jiù）可以快速的互通信息、快速的交流。

複（fù）雜的工（gōng）業現場和多樣的工業設備是工業互聯網平台建設中的一大阻礙。據不完（wán）全統計，工業總線現在有120多種，各類終端（duān）設備的通訊協議大概400-5000種左右（yòu）；全部5000餘種驅動（dòng）（工業數據（jù）的采集、解析和轉換），包括PLC、變頻器、板卡、智能模塊、智能儀表（biǎo）、標準協議（yì）、機床等。

智能製造最重要的（de）基礎——是係統之間（jiān）實現信息交互，由於每一個獨立係統都遵（zūn）從各自標準，因此實現不同係統之間信息（xī）交互必須通過標準化的方法。我國正在（zài）開展通過OPC-UA 標準解決不同係統之間互（hù）聯互通的研究。

2.工業的三個（gè）工業特征決定了工業互（hù）聯（lián）網的特殊性。

第一，行業特征。同行業內，每個企業都是產品的競爭關係。比如說美國GE公（gōng）司的工業互聯網Predix，自己、下遊企業、配套企業、用戶企業，都可以使用；但是英國的羅羅、美國的普（pǔ）惠以及相關企業不會使用。因為其中有產品的技術秘密、商業秘（mì）密等，不可能把企業的生命線交（jiāo）給同類的競爭企業。國內也一樣，三一重工、徐工、中聯重科等工程機械公司（sī），海爾、美（měi）的、格力等等家電巨頭，他們不可能用同一張工業互聯網來解決問題。

第二，產品複雜度。國際互聯網可以（yǐ）接入任何人員和任何電腦類設備（bèi），溝通的是（shì）信息流，接入的數量越大就越有價值，它像X軸，是（shì）扁（biǎn）平的（de）。但是工業互聯網像Y軸，做的越深入越好。比如以海（hǎi）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（shēn）入檢測需要的零組件工作狀態（tài）。工（gōng）程（chéng）機械產（chǎn）品傳（chuán）感器一般來（lái）說有100多個，這100多個（gè）傳感器的整體感知，深入檢測需要的零組件工作狀態，判斷診斷機（jī）器設備的（de）健康情況（kuàng），它連接（jiē）的複雜度、傳（chuán）輸的複雜、應用的複雜（zá）度、管理的複雜度（dù）、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（měi）個發動機有2000個傳感器，每架飛機上總共有超過（guò）2萬個（gè）傳感器（qì）。因此應用於飛機的工（gōng）業雲平台（tái）以及工業互聯網平台，和汽車、工程機械以及家電的工業互聯網平台複雜度完全不在一個層級。所以我認為工業互聯網平台降維可用，升維非常困難。就是說為複（fù）雜產品研製的工業互聯網平台（tái）可（kě）以降維用（yòng）於簡單產品；為簡單產品研製的工業互聯網平台沒有升維用於複雜產品的機（jī）會。

第三，工業設備的安全性要求極高。由於（yú）工（gōng）業網絡開放，對安全和保密要求特別高，普通的國際互聯（lián）網，網絡侵入丟失的是（shì）信息，工業設（shè）備網絡如果（guǒ）侵入就是災難性的，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的極其重要的工作場所，都對安全性提出（chū）了苛刻的安全要求。因此一個國家的工業安全是國家命脈，不能有任何疏忽。

鑒於以（yǐ）上（shàng）三個原因，工業互聯網是多行業、多地區的多張網絡，而不是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。電氣化時代有了網絡的（de）概念。但這個網絡概念（niàn）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，就進入了工業互聯網的範疇，上（shàng）個世紀是工業互（hù）聯網的萌芽期。

工（gōng）業互聯網是通過工業互聯網平台把設備、生產線（xiàn）、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接融合起來，可以幫助製造業優（yōu）化產業（yè）鏈，形（xíng）成跨設備、跨係統、跨廠區、跨（kuà）地區的互聯（lián）互（hù）通（tōng），從而提高效率，推動整個製造服（fú）務體係智能化，還有利於推動製造業融通發展，實現製造（zào）業（yè）和服務業（yè）之間的跨越發展（zhǎn），使工業經濟各種要素（sù）資源能夠高效共享。國家（jiā）頂級節點是整個工業互聯網標識解（jiě）析體係的核（hé）心環節，是支（zhī）撐（chēng）工業萬（wàn）物互聯互通（tōng）的神經樞紐。在工業互聯網中，網絡是基礎。平台是核心。安（ān）全是保障。如果沒有工業這個（gè）主體，就不是工業互（hù）聯網。 

工業（yè）互聯（lián）網有三大係統需要係（xì）統思考：1.工業機理模型，是中國的薄弱環節；2.工業APP的建設；3.前端（duān）傳感器以及工業（yè）總（zǒng）線、通訊協議的自主化。工信部苗部長多次講過：推動中（zhōng）國製造業（yè）百萬工（gōng）業APP建設，也安排（pái）了多項研究項目，以此推（tuī）進工業互（hù）聯（lián）網的（de）建設。

4.工業（yè）互聯網APP（簡稱工業APP）。

工業APP是基於工業互聯網，承載工業知識和經驗，滿足特定需（xū）求的工業應用軟件，是工業技術軟（ruǎn）件化的重要成果。工業APP是麵向（xiàng）工（gōng）業產品全生命周期相關業務（wù）（設計、生產、實驗、使用、保障、交易、服務等）的場景需（xū）求，把工（gōng）業產品及相關技術過程中的知（zhī）識、最佳實踐（jiàn）及技術訣竅封裝成應（yīng）用軟（ruǎn）件。其（qí）本質是企業知（zhī）識和技術訣竅的模型化、模塊化、標（biāo）準化和軟件化，能夠有（yǒu）效促進知識的（de）顯性化、公有化、組織化（huà）、係統化，極大（dà）地便利了（le）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6個典型特征：（1）完（wán）整地表達一個或多（duō）個特定功能，解決特定問題；（2）特定工業技術的載體；（3）小輕靈，可組合，可重用；（4）結構化和形式化；（5）輕代碼化；（6）平台化可移植。到2025年（nián），中國要打造百萬個工業APP支撐中國新（xīn）型工（gōng）業體係的建設（shè）。

設計、製（zhì）造和（hé）實驗是製造業三大（dà）技術，是新工業革命的管理體係。過（guò）去的製造業三大技（jì）術，從設計（jì）、生產到（dào）實驗（yàn），都是基於藍圖，就（jiù）是愛迪生的試錯（cuò）法。現在的新（xīn）工業革命的技術（shù）體係，是基於虛擬（nǐ）的環境。這和原（yuán）來流程完全不（bú）一樣，製造業（yè）信息化實際上就（jiù）是軟件在傳統體係和流程中（zhōng）的單點應用。 過去設計過程中用CAD軟（ruǎn）件，現在我們（men）把產品也數字（zì）化了，從方案設計、產（chǎn）品的（de）初步設（shè）計、到詳細設計產品分析、仿真工藝設計、工藝仿（fǎng）真、工裝設計裝配，產品研製過程全數（shù）字化了，形成了虛擬的模型。 在虛擬空間中完成了（le）產（chǎn）品的設計生（shēng）產和實（shí）驗沒有問題之後，把它的模型映射到生產過程中，指導實物生產。 過去的實物生產是（shì）手（shǒu）工生產線，現在建數字化生產線，未來是智能化的生產。 新工業（yè）革命的技術體係，最（zuì）重要的就是以（yǐ）虛（xū）擬空間（jiān）為主，把（bǎ）東西做好之（zhī）後指導生產、指導實驗。這樣，我們就可以節省大量的資源。快速降低成本、優化資源、進行綠色生產（chǎn）的指導。

四、工業互聯網的挑戰

複雜的工業生產和多樣的工業設備，是工業（yè）互聯網平台建設一大阻礙。工業設備成千上萬。據不完全統計，全（quán）世界有超過100種工業總線，各（gè）類終（zhōng）端設備的通訊協議（yì）大概有（yǒu）4000~5000種，有5000多種驅動，挺複雜的（de）。當然包括PLC、變頻器、板卡、智（zhì）能模塊、智能儀表、標準協議（yì）、機器人和機床（chuáng）等。目（mù）前已開發出40多種現場總線，符合國際標準規定的有8種（zhǒng）總線，當然（rán）還（hái）有幾種在工業控製領域（yù）廣泛應用的總線，包含德（dé）國博（bó）世公司為汽車開發的can總（zǒng）線，還有美國Echelon公（gōng）司（sī）開發的LonWorks總（zǒng）線等。另外（wài）還有20多種儀表通訊協議。因此，我們搞工（gōng）業互聯（lián）網必須從底層做（zuò）起，要（yào）標準化，標準化是實現不同係統之間的信息交互。怎麽交互，每一個獨立係統都要尊重各自（zì）的標準（zhǔn），形成不同係統之間（jiān）的信息（xī）交互才可以。中國工（gōng）程院已經組織相關專家把OPC-UA國際標準轉化成了中國國家標準，這個國際標準是IEC62541，國家標準是GB/T33863。這個實際上是工（gōng）業互聯網做底層的必經之路和要做的功課。

設（shè）備之間具有高實時性（xìng）要求的信（xìn）息交（jiāo）互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息交互采用OPC-UA標準。

五、工業互聯網應用（yòng）案例

工業APP要有多平台，多操（cāo）作係統支持，近（jìn）年來湧（yǒng）現了大量的工業互聯網軟件。世界上第一個推出的工業APP就是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），通過瀏覽器網頁，就可以完成實體設計、曲麵設計、裝配設計以及（jí）基本的（de）CAE分析及優化。因此，無論是在計算機上（shàng），還是在各種移（yí）動終端上都可以通過瀏覽器網頁進行CAD設計。

當然 ，我們國內也有許多優秀的公司推出（chū）了工業互聯網軟件。如山東華天軟（ruǎn）件子公司華雲三維科技有限公（gōng）司研（yán）發的國（guó）內首款、完全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主三維雲產品，構建在自主的“三維幾何建模引擎”和自主的“幾何約束求（qiú）解器”之上，打開網頁就能進行產品三維設計 。同時CrownCAD 適（shì）配國產芯片和國產（chǎn）操作係統，同時（shí）支持私有雲部署（shǔ），安全性（xìng）得到有（yǒu）效保證，非常（cháng）適合自主可控要（yào）求高的中國（guó）製造企業（yè）。還有東方國信工（gōng）業互聯網平台Cloudiip技術架構，在國外一些一帶一路的國家有（yǒu）許多成熟的案例。

在工（gōng）信部領導下，2019年開展了工業互聯網全國雙（shuāng）跨的評審，上圖是中國十大雙跨平台。

圍繞行業生產特點和企（qǐ）業痛點問題，平台企（qǐ）業在智能化（huà）生產（chǎn）、網絡化協同、個性化定製、服務化（huà）延伸等領域開發形成了（le）一批係統解決方案（àn），推（tuī）動形成了不同的行（háng）業數字化賦能路徑，提升了全流程（chéng）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（běn）次新冠肺炎（yán）疫情期間，工業互聯網極大提升（shēng）了疫情防控和複（fù）工複產的處置效率，顯示出工業互聯網的內在優越（yuè）性，預計未來會有更多工業企業投入資金建設（shè）工業互聯網，以提升（shēng）企業的業務質量和（hé）風險（xiǎn）防控能力，推動業務創（chuàng）新，工業乃至實體經濟各個行業的數字化轉型會（huì）進一步加快，全球（qiú）範圍內以工業互聯網為基石的第四次（cì）工業（yè）革命將進一步提速。從技術趨勢看，新（xīn）一代（dài）信息技術的發展創新（xīn）將推動工業互聯網持續升級迭（dié）代，5G、人工智能、區塊鏈、數（shù）字孿生等（děng）新興技術與製（zhì）造業的融合將進一步加快和深化，顯著提升工業互（hù）聯網創新發展（zhǎn）能力和水平。

我國新（xīn）型基礎設施的布局為工業互聯網的發展提供（gòng）了積（jī）極的政策引領，預計工業互聯網網絡（luò）、標識解析、平台、安全等基礎能力建（jiàn）設將進一步加速，並與其他數字基礎設施的建設相互促進，為工業互聯（lián）網應用推廣普（pǔ）及（jí）提供良好基礎條件，有力支撐產業轉型升級和經濟高質量發展。