1.2 工业互联网发展的技术背景
随着科技的发展，传统产业与新一代信息技术诸如云计算、大数据、互联网、物联网和人工智能等加速融合，新的生产方式、组织方式和商业模式方兴未艾，工业互联网汇聚了物联网、云计算、大数据、移动宽带等新一代信息技术的创新成果，并与智能制造有关的软硬件技术相结合，将信息连接对象由人扩大到具备自我感知能力和执行能力的智能物体，体现了互联网、通信技术等的集成优势，推动全球工业体系的智能化变革。
1.2.1 工业互联网兴起的技术背景
传统制造系统工业数据的获取、计算分析和决策优化是分离的，时间维度的不统一导致围绕历史数据分析的结果难以实时、精确地控制设备运行。传统仪表自动化系统只能感知当前的过程变量，信息维度低，不能反映制造过程的深层次动态特性，感知深度不足；传统互联模式与工厂外难以互联互通，导致互联网广度不足；传统工业运行数据处理挖掘深度有限，导致分析综合预见性不足。工业互联网的出现解决了传统工业制造数字化和智能化面临的上述问题。
互联网、计算机等信息通信技术的发展给人们的生活、生产方式带来了巨大的变化，一方面加速了传统产业结构的改革创新，另一方面构建了新的产业体系，并通过技术创新和模式创新逐渐融入和渗透到实体经济领域，为传统产业变革带来巨大机遇。伴随着制造业转型与数字经济浪潮的交叉相融，物联网、云计算、大数据等信息技术与制造技术的不断发展与创新，基于物联网技术全面、深度地感知制造物理过程，基于互联网实现信息资源跨学科、跨领域的协同运作与开放共享，基于大数据技术准确地分析海量数据，工业互联网平台应运而生。从技术角度来说，以互联网为代表的新一代信息技术与制造系统的深度交汇融合必然会催生工业互联网。工业互联网集成、应用了物联网、人工智能、云计算、大数据、移动通信、区块链等新一代信息技术，催生了新技术、新模式、新应用，显示了工业互联网蓬勃的生命力。Machina Research公司预计，2025 年全球物联网设备（包括蜂窝及非蜂窝）联网的数量将进一步增加到 251 亿。在可预见的将来，所有的智能设备与智能物体都将会被接入互联网，形成一个物体与物体、物体与人、人与人之间全面互联的社会。
工业互联网技术实现的核心是整体、全面地感知海量工业数据，通过端到端的深度数据分析与建模分析，实现智能化的指令控制和决策结果，形成个性化定制、智能化生产、网络化协同、服务化延伸等新型制造模式。物联网、云计算、大数据和区块链技术的发展满足了上述要求。
1.物联网技术实现全面感知海量的工业数据
物联网是在互联网的基础上再向外扩展和延伸的信息网络，根据响应的传输协议和规定，不同的信息传感设备把互联网和对应的智能物体进行连接、通信，进而实现不同信息在各个维度的交互。物联网最根本的特点就是对信息的全面感知、可靠性传输，然后进行智能处理。物联网采集工业制造过程中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、音视频数据、标识等，物联网的数据采集涉及传感器、多媒体信息采集、RFID标识和实时定位等技术。物联网技术直接通过现有互联网（IPv4/IPv6网络）、移动通信网（如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、LTE、IG、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。
2.云计算技术实现端到端的数据深度集成与建模分析
根据美国国家标准与技术研究院的定义，云计算是一种利用互联网实现随时随地、按需、便捷地访问共享资源池（如计算设施、存储设备、应用程序等）的计算模式。云计算中较为重要的表现形式是计算机资源服务化，它为用户屏蔽了数据中心管理、大规模数据处理、应用程序部署等问题。通过云计算，用户可以根据其业务负载快速申请或释放资源，并以按需支付的方式对所使用的资源付费，在提高服务质量的同时降低运维成本。云计算具有如下特点。
（1）弹性服务
为了自适应业务承载量的动态变化，服务的规模可快速伸缩。将用户使用资源和其业务需求统一化，可避免因服务器性能过载或冗余而导致的服务质量下降或资源浪费。
（2）资源池化
用共享资源池的方式对资源进行统一管理。不同的用户通过虚拟化技术获取不同的资源，同时资源的放置、管理与分配策略对用户透明。
（3）按需服务
以服务的形式为用户提供基础设施、应用程序、数据存储等资源，并可以根据用户的需求差异化地对资源进行自动分配，而不需要系统管理员干预。
（4）服务可计费
实时监控用户的资源使用量，并根据资源的使用情况对服务进行计费。
（5）泛在接入
用户可以利用各种终端设备（如智能手机、笔记本电脑、台式计算机等）实时通过互联网访问云计算服务。
从云网端的角度来看，工业互联网平台以云计算为核心，通过网络的泛在连接，实现对海量终端、资源、数据和主体的汇聚集成与优化配置。
3.大数据技术实现智能化的决策与控制
由于互联网的迅速发展、数据库技术的日趋成熟和普及、各种优质的存储介质被应用，以及高内存、高性能的存储设备的出现，人类在日常生活、学习、工作中产生的数据量正以指数形式爆炸式增长，在这样的大背景下，“大数据问题”逐渐浮出，如何收集、处理和分析数据成为网络信息研究的重点和难点。大数据既是挑战又是机遇，“大数据”之“大”，并不仅仅指“容量大”，更大的意义在于通过对海量数据的交换、整合和分析，发现新的知识，创造新的价值，带来“大知识”“大科技”“大利润”和“大发展”。美国互联网数据中心（IDC）将大数据技术定义为：为更经济地从高频率的、大容量的、不同结构和类型的数据中获取价值而设计的新一代架构和技术。
大数据处理的核心是分析处理数据，“云计算”是大数据处理的基础，也是大数据分析的支撑技术。分布式文件系统为整个大数据提供了底层的数据存储支撑架构，为了方便数据的管理，在分布式文件系统的基础上建立分布式数据库，提高数据的访问速度；在一个开源的数据实现平台上利用各种大数据分析技术对不同种类、不同需求的数据进行分析整理，得出有益信息，最终利用各种可视化技术形象地显示给数据用户，满足用户的各种需求。
工业互联网需要处理海量和异构的、结构化、半结构化和非结构化的数据，包括来自各种设备、产品、信息系统及其生产过程产生的工业大数据，利用大数据技术来存储、分析、展现这些数据，通过数据驱动，实现对产品、制造工艺和设备进行监控、控制和优化等功能。
4.区块链技术实现数据隐私安全和跨主体信任协作
区块链是将分布式数据存储、点对点传输、共识机制和加密算法等计算机技术结合起来，形成的一种去中心化的数据存储系统。直观上理解，区块链是一种“去中心化”的数据库，包括一张被称作“区块”（Block）的列表，其中每个区块都含有一个“时间戳”（Timestamp）、一条与前一个区块的“链接”（Link）和交易数据，具有去中心化、时序数据、集体维护、可编程和安全可信等特点。工业互联网和5G时代的物联网将更倾向于综合区块链、边缘计算、云计算和AIoT的混合架构。在智能装备、智能制造等领域，区块链技术还可以解决工业设备注册管理、访问控制、监控状态、数据传输可信度及工业互联网平台的可控管理、生产质量追溯、供应链管理等问题，确保工业互联网下智能制造的安全和效率，推动制造业的转型、升级。
1.2.2 工业互联网发展的必然性
工业互联网是互联网和新一代信息技术如云计算、大数据等与工业制造系统全方位深度交汇相融所形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的基础。其本质是以机器、原材料、信息系统、控制系统产品，以及人之间的网络互联为基础，通过全面感知海量数据和分析大数据进行合理决策，实现智能控制、优化生产组织方式与运营的变革，从而能更有效地发挥不同机器协作运转的潜能，提高生产力。工业互联网最显著的特点是在大大提高生产效率的同时节省成本，推动设备技术的升级，提高效益。本节从工业技术和互联网技术两个维度对工业互联网进行分析，进一步阐述工业和互联网各自的特点和两者之间的关系。
1.工业技术角度
（1）工业1.0—机械化
工业1.0，即第一次工业革命。蒸汽革命是人类技术发展历史的第一次巨大革命，于18世纪首先开启于英国，蒸汽革命开创了以机器代替手工劳动的时代。蒸汽机标志着第一次工业革命的诞生，工厂制代替了手工制，机器代替了手工劳动。英国由于率先完成了工业革命，很快成为世界霸主。工业1.0解决了大规模工业生产过程中的动力问题，从此工业进入了机械化时代。
（2）工业2.0—自动化
工业2.0，即第二次工业革命，于19世纪70年代到20世纪初，开启于德国和美国，是世界近代史上的第二次技术革命。内燃机的发明和电能的应用标志着第二次工业革命的诞生，电器开始用于代替机器，电能逐步成为补充和取代以蒸汽机为动力的新能源，内燃机的应用解决了交通工具的发动机问题，推动了汽车、轮船、飞机等交通工具的发展，石油开采、石油化工及电子通信行业成为影响经济、民生发展的重要新兴产业。德国和美国率先完成电气革命，后来居上，超越英国，成为新一代资本主义强国。工业2.0解决了大规模工业生产的自动控制问题，从此工业进入了自动化时代。
（3）工业3.0—信息化
工业3.0，即第三次工业革命，从20世纪四五十年代起，开启于美国的世界第三次技术革命。以空间技术、生物工程、电子计算机、原子能的发明和应用为主要标志，涉及生物技术、空间技术、海洋技术、新能源技术、新材料技术、信息技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。尤其是从1980年开始，微型计算机的迅速发展加速推动了信息控制技术革命。电子计算机的广泛应用，促进了生产自动化、管理现代化、科技手段现代化和国防技术现代化，也推动了情报信息的自动化。以全球互联网络为标志的信息高速公路正在缩短人类交往的距离。信息革命的起源地—美国进一步加强了世界第一超级大国的地位。工业3.0解决了大规模工业生产的信息处理问题，从此工业进入了信息化时代。
（4）工业4.0—智能化
工业4.0，即是以智能制造为主导，以人工智能、物联网、机器人及云计算等技术作为驱动的第四次工业革命。通过通信技术和网络空间虚拟系统—CPS之间的渐进式融合，传统制造业逐步转型为智能制造。德国在2013年的汉诺威工业博览会上正式提出工业4.0的概念，旨在提高德国工业的国际竞争力，在新一轮工业革命中抢占先机。工业生产的智能制造问题是工业4.0首要解决的问题，从此工业将进入智能化时代。
继蒸汽机的发明应用（机械化）、电力的发明应用（自动化）和电子信息技术的应用（信息化）等三次工业革命后，人类将迎来以CPS为基础，以生产高度网络化、数字化、机器智能自动化为标志的第四次工业革命。“工业4.0”概念在全球工业领域引起了极大的关注和认同。
从工业视角来看，工业互联网是工业智能化发展趋势的内在表现。主要表现为从生产过程到商业应用等一系列流程中的智能化，由表及里，由内及外，生产系统自身通过采用互联网通信技术，实现机器之间、机器与系统、企业不同部门之间的实时连接与智能交互，也对商业活动的优化起到一定的带动作用。其业务需求包括面向工业体系各个层级的优化，如实时监测、泛在感知等业务需求。从出发点来看，工业互联网与工业4.0都是为了适应需求的个性化与工业生产的批量化。前者通过软件带动硬件的方式实现制造升级，后者通过设备的智能化与工业软件的结合，实现智能工厂，最终实现智能制造，提高生产力。相比于工业4.0，工业互联网的范畴要小，弱化了对设备智能化及智能设备数字化的描述。
2.互联网技术角度
互联网指的是以一些标准通用的网络协议互联互通，连接全世界几十亿个智能设备，形成逻辑上单一的巨大国际网络，由各个国家、各个地方到全球范围内数以百万私人的、学术界的、企业的和政府的网络所构成，并且通过电子设备、无线网络和光纤网络技术等一系列信息通信技术联系在一起。互联网的兴起与发展极大地改变了人类的生活，促进了人与人、人与信息之间的互相交流，同时以互联网为代表的信息产业是各国经济发展的重点，它显著提高了国民经济的效率与效益，成为经济增长的原动力。互联网的前身起源于1969年的ARPANET，并在20世纪90年代后获得了突飞猛进的发展，经历了如下4个阶段。
（1）互联网1.0
1983年，TCP/IP成为ARPANET的标准协议。从此之后，所有使用TCP/IP的计算机都能利用互联网进行通信，因此1983年被公认为互联网元年。随着世界上的许多公司纷纷接入互联网，网络上的通信量急剧增大。互联网服务提供者（Internet Service Provider，ISP）开始出现，多层次、多维度ISP结构的互联网逐渐形成。互联网服务工作者可以从互联网管理机构申请一个或者多个IP地址，同时拥有通信线路及路由器等联网设备。用户只需向ISP缴纳相应费用就能获取需要的IP地址，并通过该ISP接口接入互联网。1993年3月，中国与国际互联网络连通。20世纪90年代初，国外以美国在线、雅虎等为代表，国内以新浪、搜狐、网易、百度为代表的门户网站，改变了人与信息交互的形式。这种信息传递是单向传播的，网站生产内容并向用户提供，受制于有限的网络带宽，内容以在线文本为主。
（2）互联网2.0（Web 2.0）
Web 2.0是继TCP/IP之后的一种新的互联网方式，通过网络应用（Web Applications）促进人与人之间在网络上的信息交换和合作交流，Web 2.0模式更加以用户为中心。但是与互联网1.0不同的是，其开放和共享的特征更加显著，彰显了互联网2.0“去中心化”的特点。在开放的平台下，用户可以不受时间限制、不受地域限制地分享和发布各种信息动态，同时信息在网络聚集、存储、积累。典型的Web 2.0站点有：网络应用程序、社交网站、网络社区、博客等。同时，随着光纤等技术的发展，数据存储量日益攀升，音频、视频等多媒体信息开始占据主流。
（3）移动互联网
移动互联网是有线互联网后的下一代互联网—Web 3.0，是无线通信网络和互联网融合的产物，具有无线通信网络可以不受时间、不受地域限制进行通信的特点，也继承了互联网开放、分享和互动的优势。移动互联网业务和应用包括移动环境下的文件下载、网页浏览、视频浏览和位置服务等业务。宽带业务的发展是互联网发展的一个推动力，而紧随其后出现的移动互联网技术进一步推动了互联网的发展，为互联网的发展提供了一个新的平台，使得互联网更加普及。相比于传统的PC互联网，移动互联网的便携性结合智能手机终端的精确性、感触性等特点催生了完全不同的用户体验生态，如更精确的个性化服务、基于LBS的位置服务、更私密的终端服务如手机支付等新业态。移动互联网对人们的生活、工作、娱乐等方面渗入更强，成为过去10年推动产业发展乃至社会经济发展最强有力的技术力量。
（4）物联网
物联网是互联网、传统电信网等信息的承载体，是让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。其核心和基础仍是互联网，物联网通过传感器、射频识别、定位系统等信息传感设备，利用互联网连接与无线通信传输，进行信息交换和通信，实现对物品的智能化信息处理和控制管理，其本质上是互联网的延伸和扩展。5G标准制定时就针对物联网应用的需求，涵括了低延时、广覆盖和泛在网等技术特点，5G的到来将推动物联网的大规模应用和发展，物联网与人类社会的联系将更加紧密，世界也将进入一个全新的万物互联的时代。
互联网从最开始的研究机构的局域网，发展到国家级别的互联网，再到全球互联网，从受限于计算机的体积和有线通信的固定网络到随时随地的移动互联网，人类可以不受空间约束进行高效率的信息传递。互联网已成为人与人之间沟通交流、相互传递信息的纽带。物联网的发展将人与人之间的互联进一步延伸到人和物、物和物之间的互联。随着云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展，物联网将进一步从“万物互联”走向“万物智联”。
从互联网视角来看，工业互联网是万物互联发展趋势在工业领域的体现。工业物联网是一个物品与互联网服务交叉相融的网络体系，是互联网演进和发展的新阶段，适应了新时代的信息交互需求，即从人与人之间的交流延拓到人与物理空间的交流，从而形成信息通信技术支撑信息社会发展的新手段。同时，它也是信息化和自动化深度交叉融合的突破口，在全面互联的基础上，通过数据流动和分析，形成智能化变革，形成全新的业务生态和模式。工业互联网的基础是互联，将工业系统的各种元素互联起来，包括人、机器和系统。与互联网不同的是，工业互联网更加注重各类元素的连接数据的流动和集成，以及分析和建模。值得一提的是，工业互联网并不等同于工业物联网，工业物联网指的是物联网在工业领域的应用，工业互联网包含了工业物联网，但进一步延伸到其所涉及企业的人员、业务流程和信息系统。
综合来看，工业互联网是连接工业全系统、全价值链、全产业链，支撑工业向智能化发展的重要基础设施，是新一代信息通信技术与制造业深度交叉融合所形成的新业态与新模式。与传统意义上的互联网不同，工业互联网作为制造业网络化、数字化和智能化的重要承载体，使得工业系统的各种元素如机器、人或者系统交互联结，是工业系统与高级分析、计算、传感技术及互联网的高度融合。