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工业互联网平台与智能制造

2018-03-30 10:28:16 点击率:1098 来源:

各位群友晚上好！我们又在“百群万人”的宣讲活动中见面了！

在第一季的工业互联网平台宣讲中，工信部信通院余晓晖总工、信通院两化所朱敏副所长和中航工业信息技术中心宁振波首席顾问已经对《工业互联网平台白皮书》做了很深入的解读和宣讲，工信部信软司副司长、中国信息化百人会执委安筱鹏博士也多次撰文引领业内的研究与讨论，让业界同行和各个微信群中成千上万的群友包括我本人都受益匪浅，收获良多。大家的反响都非常积极和热烈，对工业互联网平台的认识也在逐渐加深。

在三月中旬刚刚结束的两会上，不少来自业界的与会代表热议工业互联网。在二月初的工业互联网峰会上，工信部部长苗圩表示，工信部将统筹推进工业互联网发展的“323”行动，即打造网络、平台、安全三大体系。显然，工业互联网平台已经是热点中的重点。最近一两个月，关于工业互联网平台的介绍与讨论的文章，在媒体和坊间越来越多，非常积极、正面地促进着工业互联网平台向着推广应用的方向良性发展。

与传统的操作系统、工业软件等软件产品不一样，工业互联网平台是一个以前从未出现的新生事物，有着丰富的组成、新颖的架构和看得见、看不见的属性。因此，对它的了解和认识也应该是多角度、多层次和多观点的。

更有意思的是，工业互联网平台不是凭空诞生的。尽管它很新颖，但是它是由既有的技术基础、新颖的组合理念和创新的系统架构所构成的。经过前一段时间的学习和分析，我总结了一下它的关键组成部分，认为可以由六大块已知要素来表示。这也算是我以一个与此前不同的视角来观察和解读工业互联网平台。请大家看以下这张示意图。

图的中心部分是工业互联网平台，周边围绕的是工业互联网/工业物联网/物联网、CPS（赛博物理系统）、工控通信协议/工业大数据、消费互联网/商业互联网、工业云/中小企业信息化、工业技术或知识软件化/工业APP这六大基本要素。

我将逐个简要讲解每一块基本要素的内容，重点讲解CPS、工业技术或工业知识软件化/工业APP的内容。首先从工业互联网/工业物联网/物联网说起。

首先说物联网，是因为物联网是工业互联网的基础。物联网的概念是由凯文·艾什顿（Kevin Ashton）在1999年互联网的高峰期最早提出的。

Ashton与Sanjay Sarma和David Brock在麻省理工学院自动识别中心做了一件当时还不知道是多么有意义的事情，即用RFID标签将某个物件联接到互联网上。随后，他在给宝洁高管做演讲时，把通过RFID标签将物件联接到互联网的技术称之为“Internet of Things（IoT）”，于是，“物联网（IoT）”的概念由此而诞生。

而物联网在工业领域的应用，就是“工业物联网或工业互联网”了。2014年，世界经济论坛（WEF）与工业互联网联盟（IIC）和埃森哲合作，做了一个工业互联网研究项目，给出了他们对工业互联网的理解与定义。

该研究项目命名为：“工业互联网：释放互联产品和服务的潜力”；英文原文是：Industrial Internet of Things: Unleashing the Potential of Connected Products and Services，大家可以很容易在WEF的官网上检索到这个报告。

在该报告中，对工业互联网术语做出了如下定义：

英文：“Industrial Internet: A short-hand for the industrial applications of IoT, also known as the Industrial Internet of Things, or IIoT”；

中文：“工业互联网：IoT工业应用的简称，也称为工业物联网或IIoT”。

大家从上面的术语定义可以看到，在WEF的工业互联网定义中，工业互联网就是工业物联网，二者没有什么不同，只是一个简称，一个是全称。当然，这只是一家之见。不同的专家对工业互联网的理解和定义并不完全相同。

工业互联网联盟（IIC）架构组联合主席林诗万先生认为，工业互联网比工业物联网所覆盖的联接范围要更宽泛一些。工业物联网侧重联接物，而工业互联网还会联接物以外的要素，同时林先生也指出，在北美和欧洲，不少人不再区分工业互联网和工业物联网，而是将其统称为“工联网”。

我从去年就一直考虑一个问题，为什么会产生工业互联网平台？促进工业互联网平台发展的驱动力在哪里？

看了WEF的报告，我找到了其中一个重要的驱动力——答案在于“结果经济”。“结果经济”对我们大多数人来说，是一个相对陌生的词汇。

但是，在多行业相互跨界的今天，哪个行业突然进入了另外一个行业，不是什么新鲜的事情。“结果经济”不经意间，就成为了工业界的一个重要的驱动要素。

按照埃森哲的定义，工业互联网的高速发展，通常要经历四个阶段。四个阶段各自有不同的主题和发展重点。如图所示。

该图显示，从近期来看，工业互联网首先要达成的目标是通过降本增效来提高运行效率，这是第一阶段的目标；第二阶段则要由工业互联网来发展出新模式、新产品、新服务，由此而改善企业的投入产出比。

从长期来看，在第三阶段，“结果经济”的概念被提了出来，在永远追求确定性结果的工业基因驱动下，在网络泛在化发展与市场竞争的综合作用下，客户不再安于只是购买产品，而是希望能够按照结果来付费，即要求生产企业不仅提供产品和服务，而且提供能够产生确切结果的、可以量化的服务，如确切的节能数量、确切的谷物产量或较为准确的机器正常运行时间等。

以一个通俗的例子来比喻“结果经济”，就是客户要的是“直径20毫米的孔”，而不是去买一个20毫米的钻头，也不是买回钻头来自己打孔。因此，当客户需求从“购买钻头”转变成为需要“20毫米的孔”这样一个确切结果之后，生产企业就必须要考虑以新模式、新技术、新生态来提供新型的“结果经济”服务。

因此，企业必须要改变原有的商业模式了！这就不难理解为什么现在不少生产企业开始免费提供产品，按照用户开机使用的有效结果时间或使用效果来收费，用了产品才收费，不用不收费，彻底改变了原有的卖产品的商业模型。

结果经济的需求牵引要求各种设备必须时刻在网，泛在联接，准确感知，实时分析，精确计算，随时服务。于是，一批与这类服务有关的企业就找到了生存与发展空间，就能与设备生产厂商建立优势互补的关系，生态系统自然建成，工业互联网平台必然出现，人们需要构建在云上的操作系统（从单机操作系统、工业局域网操作系统到基于云的操作系统）来采集边缘层的设备数据，监测客户使用情况，预测设备寿命和客户需求，实现弹性供给、资源优化、高效配置。

而到了第四阶段，会出现大规模的“劳动力转型”，即人体、人脑离开系统回路，基于“人智”的数字化劳动力（智能机器）大规模登场，真正实现机器换人，以泛在联接、自主自治的智能机器来拉动经济的彻底转型。这就是智能制造发展到第三代范式的美好前景（参阅中国工程院院刊中“走向新一代智能制造”文章）。

生产企业需要注意的是，为客户（买方）提供量化结果，意味着厂家（卖方）需要承担更大的风险，而管理这些风险，需要自动量化的能力，而自动量化的能力，只有高度数字化、网络化、并具备一定智能化的工业互联网平台可以提供这种能力。

从以上介绍不难看出，工业互联网及工业互联网平台产生与应用的时代背景和客户需求。全球的工业体系在转变，客户的需求在转变，工业互联网平台面世，既是“互联网与制造业深度融合”的结果，也是由“结果经济”的拉动与牵引的结果。

安筱鹏博士前不久在信通院与智研院联合举办的“工业互联网平台高端研讨沙龙”中，专门讲了工业互联网平台所带来的“两个不变”和“六个变化”。讲得通俗易懂，非常精彩，大家可以看一下有关报道。http://mp.weixin.qq.com/s/O0K1QZysatpwG4qgndoOmQ

我们再来看组成工业互联网平台的第二大要素CPS（赛博物理系统）。

德国的工业4.0，在技术上是通过建立CPS来构织一张基于物联网的超级大网，由此而建立“智巧工厂（Smart Factory）”——请注意“智巧工厂”是我在2017年提出的对“Smart Factory”的一种翻译方式，并且在今年一月份发表的中国工程院的“中国智能制造发展战略研究报告”解读文章中也专门讲了这个术语。

美国NIST提出了由产品、生产、业务三个维度构成的三维模型，每一个维度都在装置、机器、工厂和企业信息化系统的垂直集成中发挥着作用，被称之为“制造金字塔”。

日本人则在学习领会工业4.0的基础上，提出了“社会5.0”视野下的“互联工业”，面向各种各样的产业，通过企业、人、数据、机械相互连接，而创造出新价值，新产品和新服务。SMU（智能制造单元）是工业价值链中的基本组件。日本人其实追求的是一种“工4+工互”的、符合自己国情的工业发展模式。

不管是中国的智能制造、德国的工业4.0、美国的工业互联网、工业物联网或智能制造生态系统、日本的“互联工业”或工业价值链，智研院认为，其最大公约数是“CPS”。如图所示。

走向智能研究院认为，CPS是基础中的基础，关键中的关键。必须充分重视CPS与工业互联网平台的关系的研究。我稍感遗憾的是，在今年二月初的工业互联网峰会上，我听了那么多的报告，没有几个讲演者提到CPS，只有IIC的林诗万先生在讲演中明确提到了CPS与工业互联网平台的关系，认为CPS是工业互联网平台的基本使能技术，在工业互联网下沉到制造业以及工业软件的架构演进中起着基础性、关键性的支撑作用。

在德国ZVEI提出的“平台工业4.0”标准中，给出了“工业4.0参考架构模型（RAMI 4.0）”，其中的资产层，是指企业的所有“物件（Thing）”，而通信层、信息层、功能层，则共同构成了“管理壳”，形成一种提供服务架构的管理软件。两者之间的集成层，成为了物理系统与赛博系统的融合层。由此，当常规的“物”，按照RAMI 4.0的规定与步骤加上管理壳之后，就形成了多种种级别的CPS。一个智能工厂与外界智能工厂的互联，将形成“互联世界”。由此，从工业物联网的视角，有效地管理、配置与优化企业的各种资产。

我们再来看工业互联网的参考架构。如图所示。

在工业互联网参考架构（IIRA）中， IIC给出了对跨行业IIoT的独到理解，强调跨行业的通用性和互操作性（如图中所示的“跨域功能”），即通过安全、可靠的工业互联网系统来实现诸如制造业、医疗保健、交通运输、能源、公共领域基础设施的互联、互通和互操作。

德国平台工业4.0自主开发了工业互联网参考架构模型（RAMI 4.0），美国工业互联网联盟独立开发了工业互联网参考架构（IIRA），看似各不相同，实际上二者是有对应关系的。IIC联合平台工业4.0的专家，在去年2月专门写了一个白皮书——《架构对齐和互操作性白皮书》，将两个参考体系架构进行映射和对齐，揭示了两个参考体系架构的相互补充、相互支撑的要素，以此共同应对和解决来自不同角度和跨不同工业领域的IIoT挑战。

《架构对齐和互操作性白皮书》指出：IIRA和RAMI4.0的创建都是为了实现物理和数字世界的融合，特别是信息技术（IT）和业务技术（OT）的融合。而区别在于，工业4.0是关注巧妙地制造事物，而工业互联网则是让事情巧妙地工作。二者之间可以相互配合，相得益彰，即IIRA所强调的工业分析将有利于构建智能工业4.0系统，工业4.0组件将有助于在制造环境和其他领域为工业4.0和IIoT系统提供广泛的互操作性。

根据我对RAMI 4.0和IIRA的跟踪研究与对比，我认为二者的“落脚点”都聚焦在“物理和数字世界的融合”，都需要赛博物理系统CPS作为技术使能系统。如图所示。

CPS在RAMI 4.0中讲得很清楚，但是在IIRA中关于CPS的介绍不是很多。根据IIC给出的参考架构图，实际上其藉由“感知-控制-执行-物理效应”智能闭环所形成的CPS过程已经展示出来（蓝色图的下方）。如果一定要做一个对比的话，那么，可以参照管理壳的表现方式抽取出IIRA中的CPS结构，立即可以看出它与RAMI 4.0中的CPS组件结构非常类似。二者大道相通，机理相同。

根据RAMI 4.0的介绍，当众多的CPS组件联接到一起的时候，就形成了工业物联网（也即工业互联网），当形成工业互联网的CPS中的通信层、信息层、功能层逐渐云化之后（即各类要素上云，后面继续介绍），工业互联网平台从技术层面就逐渐现身了。

工业互联网平台与工业互联网、CPS的关系如下图所示。

该图是我在2017年12月24日“工业互联网平台研讨沙龙”上首次提出的，是对工业互联网平台与智能制造及CPS之间关系的首次独创视角的图示化解读。

电标院孙文龙副院长也描述了工业互联网平台与CPS的关系：CPS通过感知和自动控制、工业网络等“一硬”和“一网”技术，可将制造末端的数据接入，在虚拟的信息空间构造一个新的制造体系，有效支撑了平台数据的汇聚和流动；通过工业软件等“一软”技术，可构建数据流动的规则体系，实现资源的有效配置；通过大数据和数字孪生等“一平台”技术，可将物理世界的隐性数据显性化、知识化，并能反向控制物理世界，为工业App的创新应用提供实现手段。