工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內涵

發(fā)達國家的再工業(yè)思潮與作為新經(jīng)濟代表的中國的工業(yè)化和信息化深度融合發(fā)展模式，幾乎在同一時期推出，預示著人類工業(yè)文明的發(fā)展又到了一個新的轉折點。2012年11月，美國GE公司發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：突破智慧與機器的界限》白皮書。2013年4月，德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會上提出了“工業(yè)4.0”的國家發(fā)展戰(zhàn)略。2015年上半年，中國政府提出“中國制造2025”的發(fā)展規(guī)劃。世界上規(guī)模最大的幾個經(jīng)濟體不約而同地提出各自的發(fā)展戰(zhàn)略，并且都把工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造緊密地聯(lián)系在一起，這絕對不是一種巧合。在此背景下，分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內涵，并揭示它在智能制造中的作用，對于正處在轉型升級關鍵期的中國經(jīng)濟來說是非常有意義的。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內涵

從目前工業(yè)界關于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的研究與實踐情況來看，要想給出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的準確定義，還是一件比較困難的事情。眾所周知，全球互聯(lián)網(wǎng)應用始于上個世紀90年代，距今雖然只有短短的20年左右的時間，卻帶來了許許多多令人矚目的變化。從電子郵件、企業(yè)與政府的網(wǎng)頁，直到娛樂、購物、旅游等生活的方方面面，人們時時刻刻都在互聯(lián)網(wǎng)的世界里感受著工作和生活的變化。如今，人們已經(jīng)感覺到互聯(lián)網(wǎng)能夠做的事情還遠不止于這些，互聯(lián)網(wǎng)還可以在智能機器之間的相互連接方面發(fā)揮重要的作用，并促成人與機器的高度協(xié)同。根據(jù)美國思科公司的報告，到2020年世界人口預計是76億，平均每個人要連接的設備將達到6.58臺，而這個數(shù)字在2003年只有0.08臺。這充分說明隨著工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)分析技術的持續(xù)演化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將賦予工業(yè)價值更多新的內涵，從而成為改變人類生活和生產(chǎn)方式的新動力。今天的信息技術能夠給工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供三種能力：一是機器與機器之間是可互通的;二是機器與人之間是可交互的;三是數(shù)據(jù)、軟件與物理世界之間的關系是可重新定義的。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的意義在于它把“互聯(lián)網(wǎng)的思維”作用到了產(chǎn)品設計、制造、應用和服務的全過程，實現(xiàn)了生產(chǎn)人員、機器和數(shù)據(jù)的有效連接與融合，從而達到資源配置優(yōu)化、產(chǎn)品生產(chǎn)總擁有成本最低且品質最佳的目的。

除了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)外，現(xiàn)階段同樣受到高度關注的新概念還有云計算、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0等熱詞。事實上，我們認為這些概念都是同一個問題的不同方面，只是觀察的角度不同而已。云計算和物聯(lián)網(wǎng)更多的是在技術實現(xiàn)的層面上去勾畫一種計算資源與物理環(huán)境深度融合的體系架構，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0這類新生產(chǎn)方式的技術基礎。2006年，美國科學院發(fā)布的《美國競爭力計劃》還提出了一種稱作“信息物理系統(tǒng)”（CPS）的新概念及其相應的研究規(guī)劃，這同樣也是為未來更大規(guī)模的計算智能系統(tǒng)研究和應用建立必要的理論基礎，提供更有效的技術架構。相對來說，德國提出的工業(yè)4.0戰(zhàn)略更注重在工廠層面的智能化技術的發(fā)展及應用;而美國提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略則更強調如何從產(chǎn)業(yè)鏈上去挖掘信息的價值，以及如何從大數(shù)據(jù)的融合中去全面提升產(chǎn)品全壽命周期的價值，從而實現(xiàn)更少的資源消耗、更高的產(chǎn)品質量、更好的技術性能、更周全的運維服務等目標。顯而易見，無論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0戰(zhàn)略，都需要給信息技術的內涵和外延注入更多新的元素，使得自動控制、機器學習、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)挖掘等一般方法能夠在新的技術環(huán)境中得到最有效的應用。

智能制造生產(chǎn)體系

談到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就不能不涉及智能制造。因為如果沒有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)強大的計算與通信能力支撐，智能制造的生產(chǎn)體系也就無法建立。智能制造是指在工業(yè)制造的各個環(huán)節(jié) 采用高度柔性與高度融合的方式，通過計算機來模擬人類專家的知識，進行生產(chǎn)組織與產(chǎn)品加工的一種活動。要實現(xiàn)智能制造的生產(chǎn)模式，必須具備以下幾個基本的特征：即生產(chǎn)過程已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化和自動化;生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，甚至于供應鏈和產(chǎn)業(yè)鏈之間，均已實現(xiàn)了信息的互聯(lián)互通;生產(chǎn)過程的管理，包含資源的配置、流程的設定、效能的優(yōu)化等事務均已采用數(shù)據(jù)融合、機器學習等方法進行處理。目前，美國、日本和德國等少數(shù)幾個工業(yè)發(fā)達國家，在部分工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中已初步采用了智能制造的生產(chǎn)模式。例如，美國智能制造領袖聯(lián)盟 （SMLC）在2013年開始建造“開放的智能制造技術平臺”，這是一種可以運用數(shù)據(jù)建模和仿真技術的通用平臺，通過高仿真建模和新型傳感器，可實現(xiàn)對過程設備的實時控制和在線優(yōu)化，從而大幅減少能耗，并主動地管理整個生產(chǎn)系統(tǒng)、工廠乃至供應鏈的能源使用情況。在德國，西門子公司的可編程控制器制造廠通過網(wǎng)絡控制技術，使得工廠內大多數(shù)設備能夠在脫離人類操作的情況下對零部件進行選擇和組裝。有趣的是執(zhí)行這些智能控制算法的機器也就是同一個生產(chǎn)線的產(chǎn)品，這至少說明智能制造也并非是難以實現(xiàn)的復雜技術。

一般來說，智能制造生產(chǎn)體系是由復雜的系統(tǒng)組成的，其復雜性一方面來自智能機器的計算機理，另一方面則來自智能制造網(wǎng)絡的形態(tài)。依靠這些復雜的元素，智能制造生產(chǎn)體系能夠給工業(yè)企業(yè)帶來相當多的效益。與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，智能制造需要更多的傳感元件，也需要像機器人那樣更加精巧的執(zhí)行設備。這些元件和設備提供的信息可以為智能制造提供必要的控制和決策依據(jù)。在美國GE所規(guī)劃的智能制造生產(chǎn)體系中，甚至還包含了安裝在產(chǎn)品（例如航空發(fā)動機）中的大量傳感器，它們可通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)獲得實時的信息綜合，從而為這些產(chǎn)品的優(yōu)化運行提供科學的決策依據(jù)。智能制造一般情況下都不是孤立的系統(tǒng)，而是由大量的生產(chǎn)環(huán)節(jié)或以產(chǎn)業(yè)鏈的方式連接起來的部分組成的。這些部分能否協(xié)同執(zhí)行，主要取決于它們之間信息互聯(lián)互通的技術性能。此外，在智能制造生產(chǎn)體系中，不僅在機器的自動化與智能化工作方面需要大量的數(shù)據(jù)采集和計算，而且在制造執(zhí)行層面的管理上也需要大量的數(shù)據(jù)融合與分析。由此可見，在智能制造生產(chǎn)體系復雜性的背后，人們所遭遇到的問題實質上是如何去處理規(guī)模巨大的生產(chǎn)過程或產(chǎn)品特性的狀態(tài)數(shù)據(jù)。20多年的發(fā)展實踐表明，將互聯(lián)網(wǎng)技術引入到智能制造的生產(chǎn)體系中來，是解決這類問題的最有效方法。

推進智能制造生產(chǎn)體系建設是在全球化經(jīng)濟模態(tài)下提升國家競爭力的最重要的手段之一，世界各國都想在這一領域中取得發(fā)展的先機。我國出臺的“中國制造2025”規(guī)劃中就包含了智能制造工程、制造業(yè)創(chuàng)新建設工程、工業(yè)強基工程、綠色制造工程、高端裝備創(chuàng)新工程五個重大工程的建設內容，其中智能制造是最核心的工程。這項規(guī)劃的目標是到2025年，我國的工業(yè)生產(chǎn)制造智能化水平應達到能夠進入國際第一方陣的程度，實現(xiàn)從制造大國到制造強國的轉型。這充分說明智能制造的技術研發(fā)和工程應用已成為我國工業(yè)政策制定、科技創(chuàng)新規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)資源配置的重點領域。因此，在未來10年的時間里，我國勢必將按照“中國制造2025”規(guī)劃中關于“新一代信息技術”的目標和任務要求，進一步加大對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎技術研究和公共設施建設的實質性投入，以便為智能制造生產(chǎn)體系的形成并發(fā)揮重要的作用提供更好的條件。目前，有關方面正在進行智能制造研究與發(fā)展的路線圖規(guī)劃，根據(jù)我國現(xiàn)有的技術基礎，做出研究路線、發(fā)展進程、關鍵技術等方面的具體部署。作為智能制造生產(chǎn)體系的一個重要組成部分，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展問題，也應該成為一個專題，并把它列入到相應的發(fā)展路線圖中來。

面向智能制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

作為服務于智能制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，它所面對的一個重要的科學問題是：是否能夠建立一種通用性、靈活性、可靠性都很好的服務環(huán)境，既能最大限度地滿足不同行業(yè)智能制造的需求，又能有效地控制工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)成本。解決這個問題的最好方法就是建設一種平臺化的服務環(huán)境。一種技術環(huán)境何以能稱之為平臺，只因它能夠給開發(fā)者提供科學高效的工具，能夠給應用提供可靠穩(wěn)定的執(zhí)行機制，能夠給管理者提供便捷靈活的監(jiān)控手段。這就好比說一個連接各大城市的路網(wǎng)，只要它有平坦的路面、合理的交叉路口、科學的交通規(guī)則和嚴格的路政管理，那么它就是一種服務性的平臺環(huán)境，因為所有汽車的擁有者，無論什么車型（對應不同的應用），都能夠得到平臺提供的相關資源和服務。這種路網(wǎng)平臺只要有合理的屬性（例如道路的寬度、坡度等），就能夠為眾多的用戶提供滿足不同需求的服務。用戶只需要投資運載工具的費用和為相應的服務支付必要的費用（如過橋費），而不必為路網(wǎng)平臺巨額的基礎設施建設成本而發(fā)愁。由此可見，建設一種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術平臺就和建設一個路網(wǎng)平臺一樣重要，人們需要平臺提供的工具進行智能制造系統(tǒng)的開發(fā)，需要平臺提供的資源執(zhí)行智能制造的算法，需要平臺提供的方法管理智能制造的過程。

美國GE公司是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的積極倡導者。該公司為此所付出的努力主要包括兩個方面：一是領導了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（IIC），二是與網(wǎng)絡技術巨頭思科公司合作研究開發(fā)了Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟件平臺。GE和思科的目的是要把這種平臺作為事實上的工業(yè)標準，將眾多的工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)過程尤其是智能制造的生產(chǎn)體系都融入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中來，從中可獲得巨大的收益。為此，GE的CEO在Minds+Machines大會上的開場白中直言：昨晚入睡前你還是一個工業(yè)企業(yè)，今天一覺醒來卻成了軟件和數(shù)據(jù)分析的公司，這就是現(xiàn)實中發(fā)生的巨變。在GE看來，Predix有機會成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)標準，而且能大幅度地降低企業(yè)采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的門檻。但是，我們也注意到，也有不少專家認為，Predix目前還僅僅是一套工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)工具，它能夠幫助企業(yè)把設備上的數(shù)據(jù)上傳到云端，而真正有可能為這些數(shù)據(jù)提供分析能力的是GE的APM（企業(yè)資產(chǎn)性能管理系統(tǒng)）。那么，APM是否已經(jīng)具有了適合所有企業(yè)生產(chǎn)體系的數(shù)據(jù)分析的能力，這一點顯然是有存疑的。另一方面，Predix作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用開發(fā)平臺，并沒有賦予相應的智能制造控制層的應用軟件的開發(fā)功能，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有可能不得不分處于兩個獨立的世界：一個是云上的數(shù)據(jù)分析層，一個是云下的智能控制層，其間存在著巨大的技術鴻溝。

能否填補這樣的鴻溝，已成為這場由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來的第三次工業(yè)革命能否取得成功的重要標志。我們認為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)很重要，它是智能制造的重要條件之一，因此它必須能夠通達云上和云下的所有地方，也必須能滲透到智能制造系統(tǒng)的每一個控制環(huán)節(jié)。福建中海創(chuàng)集團研究開發(fā)的“工業(yè)自動化通用技術平臺IAP”這方面已經(jīng)取得了重要突破。研究者試圖從Predix最薄弱的控制端應用開發(fā)切入，希望IAP的技術能朝著既是一種面向異構環(huán)境的智能控制軟件開發(fā)平臺，又是向著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用軟件的操作系統(tǒng)方向發(fā)展，成為又一種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的軟件開發(fā)平臺。目前，IAP提供了一套標準的智能控制算法的模塊化組態(tài)工具和一種能適應于不同計算機操作系統(tǒng)的控制算法執(zhí)行中間件——數(shù)據(jù)引擎，它一方面解決了異構控制系統(tǒng)的技術統(tǒng)一問題，為智能制造的應用軟件開發(fā)提供了有利的條件，另一方面也解決了基于互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的應用開發(fā)問題，為企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構建提供了重要的技術基礎。具體來說，采用IAP控制平臺，生產(chǎn)企業(yè)可以利用組態(tài)模塊進行智能制造系統(tǒng)的應用設計，并通過互聯(lián)網(wǎng)在不受時間和空間限制的前提下將應用組態(tài)下載到相應的控制器中。所有智能制造系統(tǒng)中的控制器組態(tài)模塊的實時信息也可以通過互聯(lián)網(wǎng)被實時地傳送到其它控制器或系統(tǒng)中，包括資產(chǎn)的性能管理系統(tǒng)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新

在探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及其在智能制造生產(chǎn)體系中的應用方面，工業(yè)社會目前仍然要直面巨大的技術挑戰(zhàn)。例如，我們應該如何進一步提升大量數(shù)據(jù)的處理和管理能力，如何將基于這些海量數(shù)據(jù)的分析轉化為有效的服務提供給客戶，又如何將物理世界和軟件世界更好地融合在一起。總之，要在工業(yè)界全面采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，形成有利于智能制造生產(chǎn)體系發(fā)展的生態(tài)環(huán)境，我們還必須付出更多的努力，尤其是要做好以下幾個方面的研究工作：

深度學習技術的探索。智能制造在很大程度上需要借助人工智能的技術，而深度學習是受到科學界高度關注的一種人工智能方法，因此對深度學習的研究應該被列為智能制造的重要子課題。深度學習與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關系主要體現(xiàn)在提供給學習機制的數(shù)據(jù)未來可能都得來自智能制造生產(chǎn)體系的各個方面，而且需要學習的樣本數(shù)據(jù)隨著學習能力要求的提高而不斷擴大。為此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術發(fā)展，必須適應未來人工智能、深度學習、先進控制等復雜系統(tǒng)管理和計算的要求，為智能制造提供更好的服務。

云端計算環(huán)境的重構。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用軟件的開發(fā)平臺應能夠同時滿足云上和云下的應用設計和運行管理要求。但是，目前這兩種情況差異較大。云下的端設備依靠工業(yè)自動化廠商的技術，已經(jīng)基本上能夠滿足智能制造的控制要求。但云上的應用開發(fā)方面，目前還缺乏必要的軟件工具和成熟的技術環(huán)境的支持。而且工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用也不僅僅只有企業(yè)資產(chǎn)的性能管理這一個方面。事實上工業(yè)界非常期待在云環(huán)境中能夠有一種可重構其應用設計的軟件方法。

虛擬控制計算的研究。進入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，對生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求與日俱增。讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)直接進入控制層獲取數(shù)據(jù)的做法，極有可能會帶來企業(yè)生產(chǎn)過程的安全問題，也很有可能會影響到生產(chǎn)過程的控制性能。為此，需要在智能制造這樣復雜的環(huán)境中，建立一種與過程控制完全對稱的平行系統(tǒng)，如果將該系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對接，即可避免上述問題。但這必須解決技術上的一些關鍵問題。例如，為降低開發(fā)成本，平行的虛擬控制計算環(huán)境與智能制造的實際控制器的關系，在形式上應嚴格保持軟件結構的一致性。

網(wǎng)絡信息安全的保障。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用，使得比較敏感的工業(yè)過程的控制信息暴露在了公共環(huán)境中。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，確保網(wǎng)絡信息安全的技術是目前最為迫切的研究課題。采取完全物理隔離的方法不僅并不能徹底解決工業(yè)控制系統(tǒng)的信息安全問題，反而制約了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展。如果我們能夠在控制算法執(zhí)行機制上進行深度的創(chuàng)新，是有可能建立一種獨特的具有一定免疫特性的安全環(huán)境的，并將其延伸到整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。除此之外，將智能制造的生產(chǎn)體系信息安全的實時檢測，與企業(yè)資產(chǎn)性能的管理統(tǒng)一起來，也是對信息安全管控的一種貢獻。

前景展望

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造的生產(chǎn)體系中承擔著數(shù)據(jù)通信和信息融合的重要任務，是智能制造系統(tǒng)不可或缺的組成部分。智能制造系統(tǒng)龐大、數(shù)據(jù)量大、時空分布范圍廣闊等特點，給工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的研究和應用提供了極大的發(fā)展空間。因此，我們在實施中國制造2025發(fā)展規(guī)劃的進程中，應該把工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎技術和設施的研究及建設，與智能制造技術的開發(fā)及應用研究放在同一個發(fā)展路線圖上，在計劃安排、資源配置、標準制定等方面予以協(xié)同和均衡的管理。

隨著信息技術的快速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能定位與技術性能發(fā)生新變化的可能性越來越大。未來企業(yè)不僅要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源進行資產(chǎn)的性能管理，而且要利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能制造的云控制，將產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈或價值鏈的協(xié)同機制建立起來，或將先進控制技術資源的公共服務體系建立起來，不斷提升智能制造生產(chǎn)體系的創(chuàng)新水平。

21世紀經(jīng)濟全球化與生產(chǎn)智能化的發(fā)展格局已基本成形，世界主要經(jīng)濟體在先進制造領域的競爭也會日趨激烈。我國在“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃的引領下，需要為包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造在內的技術創(chuàng)新設計更加周密、完善和可操作性強的發(fā)展及實施方案，一定要在核心技術與規(guī)范標準方面找到自己的位置，積極參與全球經(jīng)濟信息化生態(tài)環(huán)境的建設與競爭，為在新中國成立100年之際跨入世界綜合國力強國之列打好堅實的基礎。
責任編輯：tzh