第1章　工业互联网技术基础

1.1　工业互联网的概念

工业互联网（Industrial Internet）最早是由美国GE公司（通用电气公司）于2012年年末提出的，GE公司将工业互联网定义为：全球工业系统与具有先进计算、分析能力和低成本的传感器及互联网提供的高水平连通性进行融合。GE公司对工业互联网的定义包括两个关键部分：将工业机器、传感器和执行器的本地处理与互联网连接；与其他能够独立产生价值的重要工业网络的前端连接。消费者/社交互联网和工业互联网的主要区别在于创造价值的方式和数量。尽管在这两种应用中，互联网的功能都是提供广域连接能力，但这一表述清楚地将互联网和工业互联网区分开。换个角度理解，工业互联网可以被认为是工业控制系统中的万物互联，因此，国际工业界有时也将工业互联网等同于工业物联网（IIoT）。

另外，GE公司的研究者们认为工业互联网是工业控制高效运转和一系列激动人心的技术创新成果相结合的根源：首先，那些使得几乎每个工业部门的数据规模呈指数级增长的技术，即工业大数据的出现，促进了工业设备中新型传感器和数据采集技术的发展；其次，物联网技术的出现与广泛应用，产生了更多的来自设备、产品、工厂、供应链、医疗设备等源头的数据，而类似数据湖（Data Lakes）等新技术的出现，使得采集和处理这些多样异构数据成为可能；再次，数据分析领域的技术进步，实现了通过挖掘和分析数据洞察工业设备状态，并将状态数据作为设备资产绩效管理（APM）的一部分，或基于健康状态数据，进而具备预测故障或其他类型事件的能力；最后，设备自身状态或病人状态数据是工业控制和医疗救治的核心，监视工业设备输出服务的能力和病人的康复状态可以产生显著的经济效益，甚至在有些极端情形下可以挽救生命。所有这些方面的叠加将展现出工业互联网的清晰内涵——物理和数字世界的紧密结合。工业互联网使制造企业可以使用各种传感器、软件、机器和机器的学习及其他技术，汇集和分析由物理实体或其他大型数据源产生的数据，并使用这些分析结果管理操作过程及在有些情形下提供新的增值服务。

除了GE公司对工业互联网做出的定义，近几年随着工业互联网在全球范围内受到广泛关注并成为热点领域，世界各国多家研究机构对工业互联网也做出了不同的定义。

百度百科（https://baike.baidu.com/）将工业互联网定义为（2020年11月查询）：工业互联网（Industrial Internet）是开放、全球化的网络，将人、数据和机器连接起来，属于泛互联网的目录分类。它是全球工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网的高度融合。工业互联网的本质和核心是通过工业互联网平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接、融合起来。工业互联网可以帮助制造业拉长产业链，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，推动整个制造服务体系智能化。同时，工业互联网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，使工业经济各种要素资源能够高效共享。

维基百科（https://en.wikipedia.org/wiki/）对“Industrial Internet”的定义（2020年11月查询）翻译成中文是：工业互联是指互相连接的传感器、仪表及其他与计算机中的制造和能源管理应用软件连接的设备。这种连接允许数据采集、交换和分析，有助于提高生产率和效率及其他经济效益。工业互联网通过应用云计算改善和优化过程控制，实现更高程度的自动化，是分布式控制系统的高级形态。

美国工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）是由美国电报电话公司（AT＆T）、思科（Cisco）、通用电气（GE）、国际商用机器（IBM）和英特尔（Intel）五家企业在2014年3月27日发起成立的，该组织试图将多国的企业、学术界、政府聚集起来，共同推动工业互联网技术的开发、普及、传播及广泛使用。美国工业互联网联盟定义工业互联网是“一种物品、机器、计算机和人的互联网，它利用先进的数据分析法，辅助提供智能工业操作，改变商业产出模式。它包括全球工业生态系统、先进计算和制造、普适感知、泛在网络连接的融合。”需要说明的是：定义中的“互联网”对应的英文是“Internet”，表示采用因特网（Internet）技术构成的、相互连接的网络，而Internet则是联通全球的因特网专有的名称，所以，这里的“互联网”与“Internet of Things”（物联网）中的“Internet”的含义不同。物联网直接的中文译名应该是“物品因特网”，当然，现在公认的物联网同样包括人与人、人与物的互联。所以，工业互联网并不属于“因特网”这类全球的信息基础设施，而属于应用于工业领域的特殊的互联网技术，或者可以说至少目前还没有成为Internet的一部分。但是，物联网技术标准应该充分考虑工业互联网的需求，并且能够支持工业互联网的技术，通过未来的全球信息基础设施，支持工业互联网的组网与应用[1]。

Techopedia将工业互联网定义为：工业互联网融合了智能机器或特定设备的思想，以及嵌入式技术和物联网（IoT）技术。例如，装备了智能技术的机器或车辆部件，包括允许制造设备或其他类型设备双向发送数据或能够实现“相互交谈”的机器和机器的通信技术。工业互联网广泛应用于各个行业，如智能汽车、轨道交通、医疗制药、能源化工、服装制造、食品加工、装备制造等。

工业互联网是一个不断发展的技术和产业复合体系，各工业大国都积极在该领域开展原始创新，如德国工业界提出的“工业4.0战略”，日本的“工业价值链参考框架”（Industrial Value Chain Reference Architecture，IVRA），英国工业界提出的“英国制造业2050”，法国政府倡导的“新工业法国战略”，以及俄罗斯大力发展无人机、机器人和3D打印三大领域的智能制造发展战略。

工业互联网使用许多与物联网相关的技术，并将其应用于工业环境的复杂需求和场景中。工业互联网是一系列技术的组合，用于在传统隔离的工业设备内收集和传输数据，这些设备位于监控和数据采集（SCADA）系统和其他工业控制系统中。通过云平台、大数据等“纽带”，使得原来相对隔离的工业控制系统及其各个环节互联起来，实现信息互通，从而改变工业生产的基本模式和格局，极大地提高工业生产效率。

工业互联网是由许多通过通信软件连接的设备组成的，由此产生的系统，甚至是组成它的单个设备，都可以监控、收集、交换、分析信息，并立即对信息进行分析处理，从而智能地改变它们的行为或环境，而所有这些操作都可以不需要人工干预。

工业互联网应用案例有：ABB的智能机器人——ABB是全球范围内最能接受预测性维护概念的公司之一，使用与机器人连接的传感器，监测机器人的运行状态和维护需求（跨越全球五大洲），并在零件损坏前触发维修预警。与工业互联网相关的，还有该公司的协作机器人技术。ABB小件装配机器人YuMi，是为机器与人类合作而设计的协作机器人，可以通过以太网和工业协议（如Profibus和DeviceNet）进行信息交互。空中客车公司（Airbus）——未来工厂项目。飞机制造涉及数百万个组件和数以万计的组装步骤，在这个过程中出错的可能性和代价是十分巨大的。为了解决这一复杂性问题，空中客车公司推出了一项名为“未来工厂”的数字化制造计划，以实现简化运营并提高生产能力。该公司将传感器集成到车间级的工具和机器上，并为工人提供了可穿戴设备（包括工业智能眼镜），可以辅助其操作过程，并减少错误和提高工作现场的安全性。例如，在一个被称为座舱座椅识别的过程中，可穿戴设备在几乎消除错误的同时，使生产效率提高了500%。日立公司（Hitachi）——大力推广工业互联网技术。日立公司在运营和信息技术方面的整合和经验，在其他工业制造企业中独树一帜。日立公司研发了一个名为Lumada的工业互联网平台，通过该平台生产了大量基于互联技术的产品，包括轨道交通列车系统，并将火车作为一种服务进行销售。日立公司还开发了一种以工业互联网为基础的增强型生产模式，该模式将其为电力、交通、钢铁制造和其他行业生产控制设备的工厂的生产周期缩短了一半。马士基公司（Maersk）——智能物流。这家丹麦航运巨头向全球121个国家运送数百万个集装箱，并采用工业互联网技术跟踪其资产，优化燃料消耗和船舶航线。基于工业互联网的集装箱运输管控技术在长距离冷藏集装箱管控方面特别有用，如果不进行严格的温度控制，集装箱内的货物可能会变质。马士基公司每年花费约10亿美元用于运输空集装箱，其利用传感器和数据分析应用程序对集装箱的存储、定位和运输过程进行预测性规划后，极大地节约了开支并产生了明显的经济效益，而且该公司还正在利用区块链技术进一步优化其供应链运营管理水平。工业互联网技术在全球工业界的应用已经日益成熟，成功的案例非常多。

变革、变化、超越、多样是目前全球各国工业互联网技术发展的基本形态，尽管存在明显的差异性，但是积极拥抱人工智能、制造要素可重构、人机协同、机器自主控制、数字孪生等新技术和新理念，进而推动智能制造技术的不断演进，是世界各国政府、产业界和学术界的共识。