工(gōng)业为本，“新基建”助力工(gōng)业互联网发展

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 以下(xià)文章来自  中(zhōng)国航空工(gōng)业集团信息技术中(zhōng)心  宁振波

   2020年注定是一(yī)个不平凡的一(yī)年，新冠疫情蔓延，多个城市社区封闭，使得全国静下(xià)心来重新思考中(zhōng)国的发展问题，在这个大(dà)背景下(xià)中(zhōng)央政治局适时提出的 “新基建”。就是以5G、人工(gōng)智能、工(gōng)业互联网等为核心的新型数字基础设施建设，既符合我(wǒ)(wǒ)国产业升级需要，也代表着中(zhōng)国经济高质量发展的方向。众所周知(zhī)，工(gōng)业和制造业是国家的命脉，是国之重器。新基建以工(gōng)业为本，必然会为我(wǒ)(wǒ)国工(gōng)业发展打下(xià)坚实基础。

一(yī)、“新基建”背景下(xià)的工(gōng)业互联网

中(zhōng)国有句老話(huà)，開(kāi)门七件事：“柴、米、油、盐、酱、醋、茶。”为什么把柴放(fàng)在第一(yī)位？因为柴是能量，是能源。从柴到煤炭，再到石油天然气，到太阳能、风能、核能，现在我(wǒ)(wǒ)们用得最多的就是电能，它对日常生(shēng)活来说太重要了。我(wǒ)(wǒ)们始终说物(wù)质文明和精神文明两手一(yī)起抓，两手都要硬。有了电就有了能量，就有了我(wǒ)(wǒ)们人类衣食住行的生(shēng)活基础。人类的精神文明从哪里来？我(wǒ)(wǒ)们日常的文化生(shēng)活，没有电网就没有电力供应，没有电力供应，就没有通讯网络，就没有现代社会人和人之间的交流，也没有各种精神生(shēng)活的分(fēn)享和共享。武汉疫情期间，如果没有电，没有网络，1000万人被封闭在武汉，人们该如何过日子？新基建的七项内容就是能源和网络，就是为我(wǒ)(wǒ)国的工(gōng)业高质量发展打基础的。    

 近几年，国家特别重视工(gōng)业互联网的发展，工(gōng)业互联网就是连接工(gōng)业和生(shēng)产要素的，是“有线”加“无线”。国家多年布局的高速有线光纤主干网络，为5G应用打下(xià)了基础。高速的有线光纤加上5G的基站，再加上现场的“有线”加“无线”就可以构建最合理的工(gōng)业互联网體(tǐ)系。当然“新基建”中(zhōng)最重要的是人才。从推动两化融合、到两化深度融合、到现在的智能制造、工(gōng)业互联网，我(wǒ)(wǒ)们需要大(dà)量的既懂工(gōng)业、又(yòu)懂通讯和IT技术的人才。而这方面的人才奇缺，需要建立国家级的工(gōng)业新智库，各个省市也要建。要把真正能够懂工(gōng)业、又(yòu)懂信息化的专业人才，纳入工(gōng)业新智库。

二、工(gōng)业互联网的系统化思维

工(gōng)业互联网不能单独理解，我(wǒ)(wǒ)们要建立一(yī)个系统化的总體(tǐ)思维。

1.云、大(dà)、移、物(wù)、智

上图宁振波教授具有自主版权

“云”是云计算，“大(dà)”是大(dà)数据，“移”是移动互联网，“物(wù)”是物(wù)联网，“智”包含两个概念，人工(gōng)智能和智能制造。我(wǒ)(wǒ)们不能抛開(kāi)工(gōng)业企业，空谈“云大(dà)移物(wù)智”。 

最下(xià)面是制造业的产品研发體(tǐ)系，从产品的设计、仿真工(gōng)艺、生(shēng)产制造、检测、实验、运行、服务、维护、维修，到退役，这是整个的产品寿命周期。这个寿命周期中(zhōng)，产生(shēng)的大(dà)量数据就是工(gōng)业大(dà)数据。当然，很多地方要装传感器，才能感知(zhī)到环境中(zhōng)的数据，这就是“状态感知(zhī)”。 

采集的工(gōng)业大(dà)数据，通过工(gōng)业互联网传递到云平台“实时分(fēn)析”。云平台有大(dà)量的服务器和软件，随着前端计算能力的加强，出现了边缘计算。就会一(yī)部分(fēn)在边缘层实时分(fēn)析，一(yī)些复雜(zá)的问题传递到云上实时分(fēn)析。实时分(fēn)析计算出结果，最后实现“自主决策”。需要注意的是：这个决策既不是仅靠电脑，也不是仅仅靠人，而是人的大(dà)脑和电脑相结合的智能制造和人工(gōng)智能决策。决策反馈回到整个产品的研发工(gōng)业體(tǐ)系中(zhōng)“精准执行”，从而构成了一(yī)个完整的闭环平台。 

讲到工(gōng)业的数字化转型，讲以上任何一(yī)点都是片面的。我(wǒ)(wǒ)们讲“云”也好，说大(dà)数据也好，做移动互联网、物(wù)联网、人工(gōng)智能、智能制造，不能離(lí)開(kāi)大(dà)的环境。“云、大(dà)、移、物(wù)、智”基础是集成电路和软件。自主版权的软件和集成电路太重要了，除了基础的操作系统，数据库、互联网软件之外(wài)，最重要的就是工(gōng)业软件。

2.工(gōng)业互联网复姓“工(gōng)业”名叫“网络”

前几次工(gōng)业革命形成的流水线式的生(shēng)产，都是单件大(dà)批量生(shēng)产模式。生(shēng)产方式的变革，出现了多件、小(xiǎo)批量生(shēng)产；随着人们对单件定制化的要求越来越高，但是单件化定制是非常困难，比如英国的劳斯莱斯汽車(chē)，就是典型的单件定制的模式，因为有4000-5000多个钣金件，焊接形成車(chē)型，仅仅做这种个性化汽車(chē)的冲压模具，就需要数千万元人民币，成本很高，因而价格就非常高。

我(wǒ)(wǒ)们未来大(dà)规模单件定制怎么解决？既要节约材料，又(yòu)要环境保护，于是人们就想到用软件来解决个性化定制的问题，用软件定义的通用模具和柔性模具代替过去(qù)单一(yī)的固定模具来生(shēng)产不同的个性化产品。实际上，用软件来控制数据的自动流动，解决复雜(zá)产品的不确定性，就是智能制造。具體(tǐ)就是：用软件来定义和控制产品的设计、工(gōng)艺、生(shēng)产制造过程。以汽車(chē)为例，就是要让参与研制汽車(chē)的各类人員(yuán)、各种机器和物(wù)料互联、互通、互动，生(shēng)产出来汽車(chē)。因此，智能制造重点要解决人、机、物(wù)的互联互通问题。国际互联网连的是人，工(gōng)业互联网连的是机器和设备，物(wù)联网连的是物(wù)料。

因此说，工(gōng)业互联网复姓“工(gōng)业”。工(gōng)业互联网的特征是工(gōng)业，工(gōng)业的特征是什么？工(gōng)业要有产品，产品的设计、工(gōng)艺、生(shēng)产制造过程、交付过程，制造过程中(zhōng)采用大(dà)量的生(shēng)产制造设备、机器，工(gōng)业互联网连接的是生(shēng)产要素，不是消費(fèi)要素。工(gōng)厂里面连着所有机器设备，都是工(gōng)业互联网，厂里配的水、电、气、暖等，都是生(shēng)产要素，不是消費(fèi)要素。

三、工(gōng)业互联网的定义

1.什么是工(gōng)业互联网？

工(gōng)业互联网分(fēn)为广义和狭义的概念。

广义的工(gōng)业互联网就是第四次工(gōng)业革命的代名词。与德国工(gōng)业4.0以及中(zhōng)国制造2025类同，都是工(gōng)业體(tǐ)系转型的国家发展规划。

狭义的工(gōng)业互联网仅仅指的是设备的联网。设备联网指的就是产品研制过程中(zhōng)设计用的设备（包括硬件和软件，其中(zhōng)软件叫软设备）、工(gōng)艺设备、生(shēng)产制造中(zhōng)用的装备、以及保证生(shēng)产制造过程的水暖电气等等环境设备；当然，制造出来的零件、组件、部件、全机产品；都要做大(dà)量的物(wù)理实验和测试计量工(gōng)作；这些用于物(wù)理实验和测试计量的各类设备也是工(gōng)业设备，当然，用于复雜(zá)产品运行、维护、维修、健康管理等等的联网诊断也是工(gōng)业互联网。因此狭义的工(gōng)业互联网：包含了设计工(gōng)艺、生(shēng)产制造、环境控制、实验室测试、计量、运行、维护等等连接的各种设备。这些设备的连接就是狭义的工(gōng)业互联网连接。

而现在我(wǒ)(wǒ)们国家推动的工(gōng)业互联网行动计划，实际上指的是广义的工(gōng)业互联网。广义的工(gōng)业互联网核心是提升一(yī)个国家的工(gōng)业能力和工(gōng)业水平，当然也是我(wǒ)(wǒ)们国家制造业转型升级的一(yī)个重大(dà)推手和抓手。我(wǒ)(wǒ)们来看一(yī)看到底什么是广义的工(gōng)业互联网。

1946年出现第一(yī)台电子计算机； 1956年提出人工(gōng)智能的概念；1967年美国国防部预研局为连接几台不同的大(dà)型计算机建立的ARPA（阿帕网，国际互联网前身），到1969年第一(yī)台PLC的出现（工(gōng)业互联网的雏形），90年代国际互联网的推广和应用。这些都是连接。设备连接起来了，我(wǒ)(wǒ)们就可以快速的互通信息、快速的交流。

复雜(zá)的工(gōng)业现场和多样的工(gōng)业设备是工(gōng)业互联网平台建设中(zhōng)的一(yī)大(dà)阻碍。据不完全统计，工(gōng)业总线现在有120多种，各类终端设备的通讯协议大(dà)概400-5000种左右；全部5000余种驱动（工(gōng)业数据的采集、解析和转换），包括PLC、变頻(pín)器、板卡、智能模块、智能仪表、标准协议、机床等。

智能制造最重要的基础——是系统之间实现信息交互，由于每一(yī)个独立系统都遵从各自标准，因此实现不同系统之间信息交互必须通过标准化的方法。我(wǒ)(wǒ)国正在開(kāi)展通过OPC-UA 标准解决不同系统之间互联互通的研究。

2.工(gōng)业的三个工(gōng)业特征决定了工(gōng)业互联网的特殊性。

第一(yī)，行业特征。同行业内，每个企业都是产品的竞争关系。比如说美国GE公司的工(gōng)业互联网Predix，自己、下(xià)游企业、配套企业、用户企业，都可以使用；但是英国的罗罗、美国的普惠以及相关企业不会使用。因为其中(zhōng)有产品的技术秘密、商(shāng)业秘密等，不可能把企业的生(shēng)命线交给同类的竞争企业。国内也一(yī)样，三一(yī)重工(gōng)、徐工(gōng)、中(zhōng)联重科等工(gōng)程机械公司，海尔、美的、格力等等家电巨头，他们不可能用同一(yī)张工(gōng)业互联网来解决问题。

第二，产品复雜(zá)度。国际互联网可以接入任何人員(yuán)和任何电脑类设备，沟通的是信息流，接入的数量越大(dà)就越有价值，它像X轴，是扁平的。但是工(gōng)业互联网像Y轴，做的越深入越好。比如以海尔的产品来讲，家电最复雜(zá)的产品可能就几十个传感器，就可以深入检测需要的零组件工(gōng)作状态。工(gōng)程机械产品传感器一(yī)般来说有100多个，这100多个传感器的整體(tǐ)感知(zhī)，深入检测需要的零组件工(gōng)作状态，判断诊断机器设备的健康情况，它连接的复雜(zá)度、传输的复雜(zá)、应用的复雜(zá)度、管理的复雜(zá)度、工(gōng)业APP開(kāi)发的复雜(zá)度和家电产品不一(yī)样。目前单一(yī)产品传感器最多的是空客A380飞机。每个发动机有2000个传感器，每架飞机上总共有超过2万个传感器。因此应用于飞机的工(gōng)业云平台以及工(gōng)业互联网平台，和汽車(chē)、工(gōng)程机械以及家电的工(gōng)业互联网平台复雜(zá)度完全不在一(yī)个层级。所以我(wǒ)(wǒ)认为工(gōng)业互联网平台降维可用，升维非常困难。就是说为复雜(zá)产品研制的工(gōng)业互联网平台可以降维用于简单产品；为简单产品研制的工(gōng)业互联网平台没有升维用于复雜(zá)产品的机会。

第三，工(gōng)业设备的安全性要求极高。由于工(gōng)业网络開(kāi)放(fàng)，对安全和保密要求特别高，普通的国际互联网，网络侵入丢失的是信息，工(gōng)业设备网络如果侵入就是灾难性的，如：伊朗核浓缩机事件，炼铁炉、炼钢炉、核电站等等事关国家安全的极其重要的工(gōng)作场所，都对安全性提出了苛刻的安全要求。因此一(yī)个国家的工(gōng)业安全是国家命脉，不能有任何疏忽。

鉴于以上三个原因，工(gōng)业互联网是多行业、多地区的多张网络，而不是国际互联网的一(yī)张网。

3.工(gōng)业互联网的起源。

第一(yī)次工(gōng)业革命是机械化。电气化时代有了网络的概念。但这个网络概念是电网络。从电力联网到电气网络的自动化过程，再到数字化的过程，就进入了工(gōng)业互联网的范畴，上个世纪是工(gōng)业互联网的萌芽期。

工(gōng)业互联网是通过工(gōng)业互联网平台把设备、生(shēng)产线、工(gōng)厂、供应商(shāng)、产品和客户紧密地连接融合起来，可以帮助制造业优化产业链，形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提高效率，推动整个制造服务體(tǐ)系智能化，还有利于推动制造业融通发展，实现制造业和服务业之间的跨越发展，使工(gōng)业经济各种要素資(zī)源能够高效共享。国家顶级节点是整个工(gōng)业互联网标识解析體(tǐ)系的核心环节，是支撑工(gōng)业万物(wù)互联互通的神经枢纽。在工(gōng)业互联网中(zhōng)，网络是基础。平台是核心。安全是保障。如果没有工(gōng)业这个主體(tǐ)，就不是工(gōng)业互联网。 

工(gōng)业互联网有三大(dà)系统需要系统思考：1.工(gōng)业机理模型，是中(zhōng)国的薄弱环节；2.工(gōng)业APP的建设；3.前端传感器以及工(gōng)业总线、通讯协议的自主化。工(gōng)信部苗部长多次讲过：推动中(zhōng)国制造业百万工(gōng)业APP建设，也安排了多项研究项目，以此推进工(gōng)业互联网的建设。

4.工(gōng)业互联网APP（简称工(gōng)业APP）。

工(gōng)业APP是基于工(gōng)业互联网，承载工(gōng)业知(zhī)识和经验，满足特定需求的工(gōng)业应用软件，是工(gōng)业技术软件化的重要成果。工(gōng)业APP是面向工(gōng)业产品全生(shēng)命周期相关业务（设计、生(shēng)产、实验、使用、保障、交易、服务等）的场景需求，把工(gōng)业产品及相关技术过程中(zhōng)的知(zhī)识、最佳实践及技术诀窍封装成应用软件。其本质是企业知(zhī)识和技术诀窍的模型化、模块化、标准化和软件化，能够有效促进知(zhī)识的显性化、公有化、组织化、系统化，极大(dà)地便利了知(zhī)识的应用和复用。

工(gōng)业APP作为一(yī)种新型的工(gōng)业应用程序有6个典型特征：（1）完整地表达一(yī)个或多个特定功能，解决特定问题；（2）特定工(gōng)业技术的载體(tǐ)；（3）小(xiǎo)轻灵，可组合，可重用；（4）结构化和形式化；（5）轻代码化；（6）平台化可移植。到2025年，中(zhōng)国要打造百万个工(gōng)业APP支撑中(zhōng)国新型工(gōng)业體(tǐ)系的建设。

设计、制造和实验是制造业三大(dà)技术，是新工(gōng)业革命的管理體(tǐ)系。过去(qù)的制造业三大(dà)技术，从设计、生(shēng)产到实验，都是基于藍(lán)图，就是爱迪生(shēng)的试错法。现在的新工(gōng)业革命的技术體(tǐ)系，是基于虚拟的环境。这和原来流程完全不一(yī)样，制造业信息化实际上就是软件在传统體(tǐ)系和流程中(zhōng)的单点应用。 过去(qù)设计过程中(zhōng)用CAD软件，现在我(wǒ)(wǒ)们把产品也数字化了，从方案设计、产品的初步设计、到详细设计产品分(fēn)析、仿真工(gōng)艺设计、工(gōng)艺仿真、工(gōng)装设计装配，产品研制过程全数字化了，形成了虚拟的模型。 在虚拟空间中(zhōng)完成了产品的设计生(shēng)产和实验没有问题之后，把它的模型映射到生(shēng)产过程中(zhōng)，指导实物(wù)生(shēng)产。 过去(qù)的实物(wù)生(shēng)产是手工(gōng)生(shēng)产线，现在建数字化生(shēng)产线，未来是智能化的生(shēng)产。 新工(gōng)业革命的技术體(tǐ)系，最重要的就是以虚拟空间为主，把东西做好之后指导生(shēng)产、指导实验。这样，我(wǒ)(wǒ)们就可以节省大(dà)量的資(zī)源。快速降低成本、优化資(zī)源、进行绿色生(shēng)产的指导。

四、工(gōng)业互联网的挑战

复雜(zá)的工(gōng)业生(shēng)产和多样的工(gōng)业设备，是工(gōng)业互联网平台建设一(yī)大(dà)阻碍。工(gōng)业设备成千上万。据不完全统计，全世界有超过100种工(gōng)业总线，各类终端设备的通讯协议大(dà)概有4000~5000种，有5000多种驱动，挺复雜(zá)的。当然包括PLC、变頻(pín)器、板卡、智能模块、智能仪表、标准协议、机器人和机床等。目前已開(kāi)发出40多种现场总线，符合国际标准规定的有8种总线，当然还有几种在工(gōng)业控制领域广泛应用的总线，包含德国博世公司为汽車(chē)開(kāi)发的can总线，还有美国Echelon公司開(kāi)发的LonWorks总线等。另外(wài)还有20多种仪表通讯协议。因此，我(wǒ)(wǒ)们搞工(gōng)业互联网必须从底层做起，要标准化，标准化是实现不同系统之间的信息交互。怎么交互，每一(yī)个独立系统都要尊重各自的标准，形成不同系统之间的信息交互才可以。中(zhōng)国工(gōng)程院已经组织相关专家把OPC-UA国际标准转化成了中(zhōng)国国家标准，这个国际标准是IEC62541，国家标准是GB/T33863。这个实际上是工(gōng)业互联网做底层的必经之路和要做的功课。

设备之间具有高实时性要求的信息交互采用各种现场总线标准，设备层与控制层、管理层以及决策层之间的信息交互采用OPC-UA标准。

五、工(gōng)业互联网应用案例

工(gōng)业APP要有多平台，多操作系统支持，近年来涌现了大(dà)量的工(gōng)业互联网软件。世界上第一(yī)个推出的工(gōng)业APP就是2019年1月4日达索公司推出的CATIA xDesign，它可以在达索公司的公有云平台上，通过浏览器网页，就可以完成实體(tǐ)设计、曲面设计、装配设计以及基本的CAE分(fēn)析及优化。因此，无论是在计算机上，还是在各种移动终端上都可以通过浏览器网页进行CAD设计。

当然 ，我(wǒ)(wǒ)们国内也有许多优秀的公司推出了工(gōng)业互联网软件。如山东华天软件子公司华云三维科技有限公司研发的国内首款、完全自主版权可控的新一(yī)代基于云架结构的三维CAD产品CrownCAD 正式上线。这是国内唯一(yī)的完全自主三维云产品，构建在自主的“三维几何建模引擎”和自主的“几何约束求解器”之上，打開(kāi)网页就能进行产品三维设计 。同时CrownCAD 适配国产芯片和国产操作系统，同时支持私有云部署，安全性得到有效保证，非常适合自主可控要求高的中(zhōng)国制造企业。还有东方国信工(gōng)业互联网平台Cloudiip技术架构，在国外(wài)一(yī)些一(yī)带一(yī)路的国家有许多成熟的案例。

在工(gōng)信部领导下(xià)，2019年開(kāi)展了工(gōng)业互联网全国双跨的评审，上图是中(zhōng)国十大(dà)双跨平台。

围绕行业生(shēng)产特点和企业痛点问题，平台企业在智能化生(shēng)产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等领域開(kāi)发形成了一(yī)批系统解决方案，推动形成了不同的行业数字化赋能路径，提升了全流程生(shēng)产效率、提高质量、降低成本、缩短上市周期，创造出显著经济效益。

在本次新冠肺炎疫情期间，工(gōng)业互联网极大(dà)提升了疫情防控和复工(gōng)复产的处置效率，显示出工(gōng)业互联网的内在优越性，预计未来会有更多工(gōng)业企业投入資(zī)金建设工(gōng)业互联网，以提升企业的业务质量和风险防控能力，推动业务创新，工(gōng)业乃至实體(tǐ)经济各个行业的数字化转型会进一(yī)步加快，全球范围内以工(gōng)业互联网为基石的第四次工(gōng)业革命将进一(yī)步提速。从技术趋势看，新一(yī)代信息技术的发展创新将推动工(gōng)业互联网持续升级迭代，5G、人工(gōng)智能、区块链、数字孪生(shēng)等新兴技术与制造业的融合将进一(yī)步加快和深化，显著提升工(gōng)业互联网创新发展能力和水平。

我(wǒ)(wǒ)国新型基础设施的布局为工(gōng)业互联网的发展提供了积极的政策引领，预计工(gōng)业互联网网络、标识解析、平台、安全等基础能力建设将进一(yī)步加速，并与其他数字基础设施的建设相互促进，为工(gōng)业互联网应用推广普及提供良好基础条件，有力支撑产业转型升级和经济高质量发展。