發達國家的再工業思潮與作為新經濟代表的中國的工業化和信息化深度融合發展模式，幾乎在同一時期推出，預示著人類工業文明的發展又到了一個新的轉折點。2012年11月，美國GE公司發布了《工業互聯網：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博覽會上提出了“工業4.0”的國家發展戰略。2015年上半年，中國政府提出“中國制造2025”的發展規劃。世界上規模最大的幾個經濟體不約而同地提出各自的發展戰略，并且都把工業互聯網和智能制造緊密地聯系在一起，這絕對不是一種巧合。在此背景下，分析工業互聯網的內涵，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濟來說是非常有意義的。

工業互聯網的內涵

從目前工業界關于工業互聯網的研究與實踐情況來看，要想給出工業互聯網的準確定義，還是一件比較困難的事情。眾所周知，全球互聯網應用始于上個世紀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、企業與政府的網頁，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網的世界里感受著工作和生活的變化。如今，人們已經感覺到互聯網能夠做的事情還遠不止于這些，互聯網還可以在智能機器之間的相互連接方面發揮重要的作用，并促成人與機器的高度協同。根據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，而這個數字在2003年只有0.08臺。這充分說明隨著工業軟件和大數據分析技術的持續演化，工業互聯網將賦予工業價值更多新的內涵，從而成為改變人類生活和生產方式的新動力。今天的信息技術能夠給工業互聯網提供三種能力：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;三是數據、軟件與物理世界之間的關系是可重新定義的。工業互聯網對于現代工業生產的意義在于它把“互聯網的思維”作用到了產品設計、制造、應用和服務的全過程，實現了生產人員、機器和數據的有效連接與融合，從而達到資源配置優化、產品生產總擁有成本最低且品質最佳的目的。

除了工業互聯網外，現階段同樣受到高度關注的新概念還有云計算、物聯網和工業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。云計算和物聯網更多的是在技術實現的層面上去勾畫一種計算資源與物理環境深度融合的體系架構，是工業互聯網或工業4.0這類新生產方式的技術基礎。2006年，美國科學院發布的《美國競爭力計劃》還提出了一種稱作“信息物理系統”（CPS）的新概念及其相應的研究規劃，這同樣也是為未來更大規模的計算智能系統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4.0戰略更注重在工廠層面的智能化技術的發展及應用;而美國提出的工業互聯網戰略則更強調如何從產業鏈上去挖掘信息的價值，以及如何從大數據的融合中去全面提升產品全壽命周期的價值，從而實現更少的資源消耗、更高的產品質量、更好的技術性能、更周全的運維服務等目標。顯而易見，無論是工業互聯網還是工業4.0戰略，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、網絡通信、數據挖掘等一般方法能夠在新的技術環境中得到最有效的應用。

智能制造生產體系

談到工業互聯網，就不能不涉及智能制造。因為如果沒有工業互聯網強大的計算與通信能力支撐，智能制造的生產體系也就無法建立。智能制造是指在工業制造的各個環節 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，進行生產組織與產品加工的一種活動。要實現智能制造的生產模式，必須具備以下幾個基本的特征：即生產過程已經實現了數字化和自動化;生產過程的各個環節，甚至于供應鏈和產業鏈之間，均已實現了信息的互聯互通;生產過程的管理，包含資源的配置、流程的設定、效能的優化等事務均已采用數據融合、機器學習等方法進行處理。目前，美國、日本和德國等少數幾個工業發達國家，在部分工業產品生產過程中已初步采用了智能制造的生產模式。例如，美國智能制造領袖聯盟 （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據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，可實現對過程設備的實時控制和在線優化，從而大幅減少能耗，并主動地管理整個生產系統、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絡控制技術，使得工廠內大多數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。有趣的是執行這些智能控制算法的機器也就是同一個生產線的產品，這至少說明智能制造也并非是難以實現的復雜技術。

一般來說，智能制造生產體系是由復雜的系統組成的，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絡的形態。依靠這些復雜的元素，智能制造生產體系能夠給工業企業帶來相當多的效益。與傳統的生產方式相比，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。在美國GE所規劃的智能制造生產體系中，甚至還包含了安裝在產品（例如航空發動機）中的大量傳感器，它們可通過工業互聯網獲得實時的信息綜合，從而為這些產品的優化運行提供科學的決策依據。智能制造一般情況下都不是孤立的系統，而是由大量的生產環節或以產業鏈的方式連接起來的部分組成的。這些部分能否協同執行，主要取決于它們之間信息互聯互通的技術性能。此外，在智能制造生產體系中，不僅在機器的自動化與智能化工作方面需要大量的數據采集和計算，而且在制造執行層面的管理上也需要大量的數據融合與分析。由此可見，在智能制造生產體系復雜性的背后，人們所遭遇到的問題實質上是如何去處理規模巨大的生產過程或產品特性的狀態數據。20多年的發展實踐表明，將互聯網技術引入到智能制造的生產體系中來，是解決這類問題的最有效方法。

推進智能制造生產體系建設是在全球化經濟模態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展的先機。我國出臺的“中國制造2025”規劃中就包含了智能制造工程、制造業創新建設工程、工業強基工程、綠色制造工程、高端裝備創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。這項規劃的目標是到2025年，我國的工業生產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和工程應用已成為我國工業政策制定、科技創新規劃和產業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，進一步加大對工業互聯網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體系的形成并發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展的路線圖規劃，根據我國現有的技術基礎，做出研究路線、發展進程、關鍵技術等方面的具體部署。作為智能制造生產體系的一個重要組成部分，工業互聯網的研究與發展問題，也應該成為一個專題，并把它列入到相應的發展路線圖中來。

面向智能制造的工業互聯網

作為服務于智能制造的工業互聯網，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境，既能最大限度地滿足不同行業智能制造的需求，又能有效地控制工業互聯網的開發成本。解決這個問題的最好方法就是建設一種平臺化的服務環境。一種技術環境何以能稱之為平臺，只因它能夠給開發者提供科學高效的工具，能夠給應用提供可靠穩定的執行機制，能夠給管理者提供便捷靈活的監控手段。這就好比說一個連接各大城市的路網，只要它有平坦的路面、合理的交叉路口、科學的交通規則和嚴格的路政管理，那么它就是一種服務性的平臺環境，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），而不必為路網平臺巨額的基礎設施建設成本而發愁。由此可見，建設一種工業互聯網的技術平臺就和建設一個路網平臺一樣重要，人們需要平臺提供的工具進行智能制造系統的開發，需要平臺提供的資源執行智能制造的算法，需要平臺提供的方法管理智能制造的過程。

美國GE公司是工業互聯網的積極倡導者。該公司為此所付出的努力主要包括兩個方面：一是領導了工業互聯網的產業聯盟（IIC），二是與網絡技術巨頭思科公司合作研究開發了Predix工業互聯網軟件平臺。GE和思科的目的是要把這種平臺作為事實上的工業標準，將眾多的工業企業的生產過程尤其是智能制造的生產體系都融入到工業互聯網中來，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企業，今天一覺醒來卻成了軟件和數據分析的公司，這就是現實中發生的巨變。在GE看來，Predix有機會成為工業互聯網的操作系統標準，而且能大幅度地降低企業采用工業互聯網應用的門檻。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互聯網應用的開發工具，它能夠幫助企業把設備上的數據上傳到云端，而真正有可能為這些數據提供分析能力的是GE的APM（企業資產性能管理系統）。那么，APM是否已經具有了適合所有企業生產體系的數據分析的能力，這一點顯然是有存疑的。另一方面，Predix作為工業互聯網的應用開發平臺，并沒有賦予相應的智能制造控制層的應用軟件的開發功能，工業互聯網有可能不得不分處于兩個獨立的世界：一個是云上的數據分析層，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，已成為這場由工業互聯網帶來的第三次工業革命能否取得成功的重要標志。我們認為，工業互聯網很重要，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的每一個控制環節。福建中海創集團研究開發的“工業自動化通用技術平臺IAP”這方面已經取得了重要突破。研究者試圖從Predix最薄弱的控制端應用開發切入，希望IAP的技術能朝著既是一種面向異構環境的智能控制軟件開發平臺，又是向著工業互聯網應用軟件的操作系統方向發展，成為又一種工業互聯網的軟件開發平臺。目前，IAP提供了一套標準的智能控制算法的模塊化組態工具和一種能適應于不同計算機操作系統的控制算法執行中間件——數據引擎，它一方面解決了異構控制系統的技術統一問題，為智能制造的應用軟件開發提供了有利的條件，另一方面也解決了基于互聯網環境的應用開發問題，為企業工業互聯網的構建提供了重要的技術基礎。具體來說，采用IAP控制平臺，生產企業可以利用組態模塊進行智能制造系統的應用設計，并通過互聯網在不受時間和空間限制的前提下將應用組態下載到相應的控制器中。所有智能制造系統中的控制器組態模塊的實時信息也可以通過互聯網被實時地傳送到其它控制器或系統中，包括資產的性能管理系統。

工業互聯網技術創新

在探索工業互聯網及其在智能制造生產體系中的應用方面，工業社會目前仍然要直面巨大的技術挑戰。例如，我們應該如何進一步提升大量數據的處理和管理能力，如何將基于這些海量數據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，要在工業界全面采用工業互聯網技術，形成有利于智能制造生產體系發展的生態環境，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。深度學習與工業互聯網的關系主要體現在提供給學習機制的數據未來可能都得來自智能制造生產體系的各個方面，而且需要學習的樣本數據隨著學習能力要求的提高而不斷擴大。為此，工業互聯網的技術發展，必須適應未來人工智能、深度學習、先進控制等復雜系統管理和計算的要求，為智能制造提供更好的服務。

云端計算環境的重構。工業互聯網應用軟件的開發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自動化廠商的技術，已經基本上能夠滿足智能制造的控制要求。但云上的應用開發方面，目前還缺乏必要的軟件工具和成熟的技術環境的支持。而且工業互聯網的應用也不僅僅只有企業資產的性能管理這一個方面。事實上工業界非常期待在云環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。進入工業互聯網時代，對生產過程控制系統數據的需求與日俱增。讓工業互聯網直接進入控制層獲取數據的做法，極有可能會帶來企業生產過程的安全問題，也很有可能會影響到生產過程的控制性能。為此，需要在智能制造這樣復雜的環境中，建立一種與過程控制完全對稱的平行系統，如果將該系統與工業互聯網對接，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，為降低開發成本，平行的虛擬控制計算環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。

網絡信息安全的保障。工業互聯網的應用，使得比較敏感的工業過程的控制信息暴露在了公共環境中。在工業互聯網環境中，確保網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控制系統的信息安全問題，反而制約了工業互聯網技術的發展。如果我們能夠在控制算法執行機制上進行深度的創新，是有可能建立一種獨特的具有一定免疫特性的安全環境的，并將其延伸到整個工業互聯網。除此之外，將智能制造的生產體系信息安全的實時檢測，與企業資產性能的管理統一起來，也是對信息安全管控的一種貢獻。

前景展望

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

隨著信息技術的快速發展，工業互聯網的功能定位與技術性能發生新變化的可能性越來越大。未來企業不僅要利用工業互聯網資源進行資產的性能管理，而且要利用工業互聯網實現智能制造的云控制，將產業鏈、供應鏈或價值鏈的協同機制建立起來，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體系的創新水平。

21世紀經濟全球化與生產智能化的發展格局已基本成形，世界主要經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”發展規劃的引領下，需要為包括工業互聯網、智能制造在內的技術創新設計更加周密、完善和可操作性強的發展及實施方案，一定要在核心技術與規范標準方面找到自己的位置，積極參與全球經濟信息化生態環境的建設與競爭，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