1.1 工业互联网发展的社会背景
1.1.1 工业互联网概念的提出
1.互联网的形成与全球信息化的趋势
信息是人类认知世界万物的主要途径。从某种程度来说，人类文明的表征之一就是信息的获取与传承，信息的获取与传输技术也是人类文明提升的推动力和象征。30万年前，语言的出现使人类获取了极为重要的交流手段，从而有了保留和传播人类创造的文明成果的可能；大约5 400年前，楔形文字的出现，标志着人类进入文明时代，文字使人类从生产中获取的经验知识得以继承、积累和传递；大约1 900年前，造纸术的改进是书写材料的一次革命，为人类文化发展作出了巨大的贡献；19世纪，查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）、威廉·库克（William-Cooke）及塞缪尔·莫尔斯（Samuel Finley Breese Morse）发明的电报和伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi）发明的无线电报使人类获得了实时可靠的远距离通信方式，信息的获取和交换逐步突破时间和空间的限制。随着通信技术和电子计算机技术的发展，互联网（Internet）应运而生，并在信息获取与传播的效率、靶向性、实时性、便捷性、互动联系、展现方式等各方面产生了革命性的创新与发展，标志着人类正式进入信息化时代。
互联网的本质是计算机网络，是用传输介质把位于不同地理位置的计算机和其他网络设备比如交换机、网桥、路由器等连接起来，实现资源共享、信息交互的系统。互联网是网络与网络之间连接起来的巨大网络，这些网络通过一组普遍适用的协议连接起来，在逻辑上形成单一且庞大的全球化网络。互联网最初起源于1969年美国国防部高级研究计划署的阿帕网（Advanced Research Projects Agency Network，ARPANET），该网络主要应用于军事指挥系统，它由多个分散的指挥站点构成，并确保当个别指挥站点被破坏后，其他所有站点间的通信仍是正常的。20世纪80年代中期，为了促进各高校的科学技术研究及确保政府机构顺利开展工作，美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）在美国建立了6个超级计算机中心。1986年7月，NSF资助建立了一个主干网络NSFNET，它可以直接连接6个超级计算机中心，并且允许研究工作者对网络进行访问，从而能够检索资料并且共享研究成果。在美国发展NSFNET的时候，其他一些国家的高校和科研机构也在建设自己的广域网络，这些网络能兼容NSFNET，它们最终奠定了互联网在世界各地的基石。20世纪90年代以来，随着这些网络逐渐连接到互联网，当今世界各国的互联互通的网络也在逐步构建。1993年，美国的信息高速公路计划在世界范围内掀起了信息高速公路的热潮，这同时标志着互联网发展的成熟与完善。
进入20世纪90年代后，互联网的使用人数呈指数增长。1999年3月，全球互联网用户数仅有1.71亿，而到2019年，该数值达到43.9亿，全球有一半的人口“触网”。1994年中国有了第一条互联网国际专线，中国真正意义上接入了互联网。而截至2020年12月，中国的网民规模达9.89亿，已占全球网民的1/5，互联网普及率达70.4%，高于全球平均水平。中国网民数量比美国和印度的总和还多，毋庸置疑，中国已经成为互联网用户数量最多的国家。互联网就像一张永远在扩张的蜘蛛网，将世界各地的人们连接起来，信息的获取和流动跨越了时间、空间的界限。
互联网作为一种仍处于快速发展时期且潜力无穷的信息获取和信息交换中心，造就了人类历史上最庞大的信息世界。根据国际数据公司（International Data Corporation，IDC）发布的《数据时代2025》报告，如图1-1所示，全球每年产生的数据将从2018年的33ZB增长到2025年的175ZB，相当于每天产生 491EB的数据。1ZB相当于1.1万亿GB，如果把175ZB全部存在DVD光盘中，DVD叠加起来的高度将是地球和月球距离的23倍（月地之间最近的距离约39.3万千米），或者绕地球222圈（1圈约为4万千米）。目前美国的平均网速为25Mbit/s，一个人要下载完175ZB的数据，需要18亿年。
图1-1 全球数据圈每年的规模（2010—2025）
在互联网飞速发展和广泛应用的前提下，全球信息化已成为当今时代发展的趋势。继农业时代和工业时代后，人类社会正逐步向信息时代靠拢，跨进人类历史发展的第3次浪潮。信息作为第一生产要素，构成了信息时代的重要技术基础和物质基础。信息化对社会的产业结构、生产活动方式、全球经济格局、组织结构、管理决策等诸方面产生了深刻而久远的变化。
2.物联网实现信息世界与物理世界的融合
现实社会中物理世界与网络虚拟世界是分离的，物理世界的基础设施与信息基础设施也是分开建设的。如图1-2所示，在2005年信息社会世界峰会上，国际电信联盟正式提出“物联网”（Internet of Things，IoT）的概念。随着物联网的产生和发展，越来越多来自设备和物理世界的数据变得可用。物联网通过感知信息、连接万物和智能应用，将信息世界和物理世界的界限打破，并进一步融合。
物联网是指在物理世界中部署各种信息传感设备，这些设备具有一定的感知能力和计算能力，通过网络设施满足获取、传输与处理信息的需求，从而实现广域或大范围的人与各种物品或人与人之间甚至对象与对象之间的信息交换与互联。物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的与物相连的网络，是互联网的一种。
图1-2 工业互联网等相关概念的演化
互联网的电子邮件、文件传输、万维网、搜索引擎、即时通信、网络音乐、网络视频、电子商务等，为人类构建了一个人与人之间进行信息交互与共享的信息世界。互联网中的信息是由人自己产生的，而物联网的大量信息是通过射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签和传感器等自动产生的。通过网络通信系统的传输，由计算机用特定的智能信息处理软件处理之后，生成智慧处理策略，再通过控制终端设备对物理世界中的对象进行控制。例如在智能家居应用中，通过射频识别、红外感应器、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、音视频等信息传感设备，按照通用的传输协议把各个物品与网络链接进行通信与信息交互，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和联动报警管理。2006年，美国国家基金委员会首次提出物联网应用的重要技术形态—信息物理融合系统（CyberPhysical Systems，CPS）。CPS是综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，突出对物的实时、动态的信息控制与服务。
推而广之，物联网借助到处存在的环境感知、网络通信和智能控制等系统设备，通过计算进程和物理进程彼此作用的反馈机制，实现深度融合和实时信息交换、传输来增加或扩展新的功能。各个物理实体受到不同系统工程安全、可靠、高效和实时的检测或控制，从而使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治的功能。互联网的出现改变了人与人之间交互的方式，而物联网的出现将改变人与物理世界交互的方式。物联网将整个世界互联起来，通过“泛在感知、可靠传输、智能处理”，最终实现信息世界与物理世界的融合。
3.工业互联网实现信息传感设备与互联网的结合
工业互联网的概念由美国通用电气公司（General Electric Company，GE）在2012年11月发布的《工业互联网：突破智慧和机器的界限》白皮书中首先提出。该白皮书指出，工业互联网将整合两大革命性转变优势：其一是工业革命，伴随着工业革命，出现了无数台机器、设备、机组和工作站；其二则是更为强大的网络革命，在其影响之下，机器、信息与通信系统应运而生、不断发展。
该白皮书还指出体现工业互联网精髓的3种元素：智能机器、高级分析、工作人员。智能机器是指以先进的科学技术将现实世界中的机器、设备、团队和网络通过先进的传感器、控制器和软件应用程序连接起来。高级分析是使用基于物理的分析法、自动化和材料科学、预测算法、电气工程及其他相关学科的专业理论和知识来理解机器与大型系统的运作方式。工作人员用来建立员工之间的连接，实时与不同场所的人员进行交流，以实现更加高效智能的设计、操控、维护及高质量的后台服务与安全保障。有效融合工业互联网的三大要素，将为企业与经济体提供新的机遇。例如，传统的统计方法采用历史数据采集技术，这种技术往往将数据采集、分析结果和决策行为分离开来。随着系统监控技术的发展和信息技术成本的下降，在处理实时数据能力大大提高的同时，其工作规模也得以飞速壮大，高效的实时数据处理为整体系统的操作提供了新颖、开阔的视野。
当今的工业互联网是通过物联网将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。工业互联网的概念不难理解，但其内涵十分丰富。工业互联网是工业智能化发展的重要综合信息基础设施，从产业视角来看，工业互联网是互联网和新一代先进信息技术与工业系统全面深度交融所形成的产业和应用生态。其本质是以原材料、机器、信息系统、控制系统、产品以及人之间的互联互通为基础，通过对工业互联网数据的全面深度感知、实时动态输送与具体建模分析，形成智能决策方案与控制，促进智能制造业的发展，创建制造业智能化发展的核心。工业互联网的本质特性是以开放互联网络为基础实现互联互通，以数据为核心创造商业价值，以云平台为载体实现要素资源的整合，具体描述如下。
（1）互联网络为基础
工业互联网依托的网络包括传统互联网、移动互联网、物联网、通信网络等各类泛在网络，平台互联、生态构建、数据互通都基于网络。工业互联网是由许多应用、平台、生态等基于各类网络构建的，具有较强的水平区域、垂直行业的属性，因此它的平台效应、马太效应、网络外部性没有消费互联网那么强烈。工业互联网是企业互联的一种形式，从信息层面实现全产业链企业间的整合，形成信息对称和规模红利，具备互联网经济的利他特征，进而降低整个产业链（水平、垂直形态）的整体运营成本。
（2）数据为核心价值
信息经济、数字经济时代，数据取代物质资料成为核心资产，通过数据挖掘、应用，能够创造核心商业价值。数字化是网络化、智能化、虚拟化、个性化、去中心化和柔性化的基础。在产品整个生命周期、企业生产全流程中，现代设计、研发、仿真、制造、流程管理、营销服务、支付等都基于数字技术完成，这会沉淀下海量的数据资产。数据是生产、交换、分配、消费各个环节中不可或缺的纽带，技术流、物质流、资金流、人才流、服务流、信息流等通过大数据整合、催生、赋能，工业互联网本质上也是数字化的生产力，它沉淀了以产业为版图的全息大数据池，是大数据基础上的生产力创新与升级。
（3）云平台为载体
工业互联网通过平台载体整合汇聚、协同共享、优化配置生产要素资源，实现商业模式的创新，并提供各类协同创新服务。无论是工业领域的工业云、云制造等工业互联网，还是物流互联网、金融互联网、知识产权服务平台等生产服务业领域的服务业互联网，都基于云平台实现其资源汇聚、企业汇聚。通过平台实现研发模式、商业模式、应用模式、服务模式的创新，实现工业互联网的赋能作用。工业互联网的线上平台形式多样，既可以是生态类的平台，又可以是基于专业分工的技术类、专业类平台，也可以是提供综合服务的综合平台，还可以是细分垂直服务业的专业平台。
工业互联网应用于企业生产，带来4个方面的变革。一是智能化生产。基于海量数据的建模分析，形成智能决策和动态优化，显著提升生产效率，降低生产成本。二是网络化协同。借助网络整合分布于全球的设计、生产、供应链和销售资源，形成众包众创、协同制造等新模式，大幅度降低开发成本，缩短产品上市周期。三是个性化定制。基于互联网用户个性化需求，通过灵活地组织设计、制造资源和生产流程，实现低成本、大规模定制。四是服务化转型。通过对产品运行的实时监测，提供远程维护、故障预测、性能改进等一系列服务，实现工业企业服务化转型。
1.1.2 工业互联网的定义
工业互联网归类于泛互联网。作为最早提出工业互联网概念的公司，GE认为工业互联网使用开放性网络将人、数据与机器三者之间进行连接，从而提高工业化生产力。工业互联网（Industrial Internet）在英文中和当前全球互通的互联网一致，也在一定程度上表明工业互联网是在当前的互联网技术基础上实现互联互通。
工业互联网是全新的技术领域和产业形态，目前没有明确的定义。IT领域的在线词典Techopedia对工业互联网的解释是：工业互联网将智能机器或特定类型的设备与嵌入式技术和物联网相互联系起来。维基百科将“工业互联网”词条定向到“工业物联网”（Industrial Internet of Things，IIoT），IIoT是指与计算机的工业应用程序（包括制造和能源管理）联网互联的传感器、仪器和其他设备。这种连通性允许数据收集、交换和分析，从而有可能促进生产力和效率的提高及其他经济利益。IIoT是分布式控制系统的发展，它通过使用云计算来完善和优化过程控制，从而实现了更高程度的自动化。
2016年我国成立工业互联网产业联盟，其对工业互联网的概念进行了权威的阐述，重点强调工业互联网中的角色，这包括了机器、物品、计算机与人，工业互联网将通过先进算法将信息网络、大数据、机器学习等各领域的应用技术与机器装备深度整合，从而令机器更加智能，保证相关机器在网络中复杂物理结构的接卸与传感装置和功能软件的集成的可实现与高效性。
本书采用中国工业互联网产业联盟发布的《工业互联网体系架构》对工业互联网的定义：工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。工业互联网的本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品及人的网络互联为基础，通过对工业数据的深度感知，实时传输、交换，快速计算处理及高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式的变革。
1.1.3 各国工业互联网产业发展规划
当前，工业互联网正成为世界各国关注的热点、发展的重点、竞争的焦点。工业互联网产业体系与工业体系深度叠加，涵盖工业数字化转型的各个方面，加速工业数字化、网络化、智能化转型升级的历史进程，展现出难以估量的潜力空间。工业互联网日益成为第四次工业革命的基石。发展工业互联网是抢占这一轮工业革命制高点和主导权的必由之路。
1.美国先进制造业
美国是互联网领域的大国，具备先进的互联网技术及在消费行业方面广泛的应用基础和经验，美国正在将大数据采集、分析、反馈及互联网技术在消费行业的应用经验引入工业领域。2011年7月，以GE为代表的企业将工业互联网作为制造业升级的核心，提出了工业互联网的概念。国家层面上，美国政府认为，推动国家未来经济发展的引擎要背靠以工业互联网为基础的智能化制造业，持续推出先进制造业战略行动，并充分发挥信息时代先进科学技术的优势，积极挖掘互联网与制造业等信息科学技术交融创新的发展路径，以工业互联网为抓手，强化创新驱动的前沿引领优势，确保全球领先地位。
全球金融危机之后，美国政府重新关注制造业问题，于2012年提出先进制造业伙伴计划（Advanced Manufacturing Partnership，AMP）。如图1-3所示，在2014年发布的AMP2.0报告《加速美国先进制造业》中，美国明确了3个优先发展领域：制造业中的先进传感、先进控制和平台系统；虚拟化、信息化和数字制造；先进材料制造。在基础科学和应用科学研究领域，工业互联网的核心使能技术CPS的研发连续14年受美国国家科学基金会的资助。2018年，美国国家科学技术委员会下属的先进制造技术委员会发布了《先进制造业美国领导力战略》报告，提出了发展和推广新的制造技术，教育、培训和匹配制造业劳动力，扩大国内制造业供应链能力三大任务，确保美国国家安全和经济繁荣。
图1-3 中、德、美工业互联网产业发展规划时间图
在GE、亚马逊、IBM、谷歌、思科和微软等诸多领头企业的带领作用下，美国充分发挥人工智能、云计算、大数据等强大的技术支撑作用及企业强烈的工业互联网应用需求，快速形成了多层次、多方位的产业群体，从而在工业互联网发展领域逐步占据了主导地位。
2.德国工业4.0
相比于美国在互联网领域的领先优势，德国的竞争优势在制造业。在此背景下，结合传统的制造业优势，德国在2013年的汉诺威工业博览会上正式提出工业4.0战略的概念。此外，德国陆续发布《新高科技战略（3.0）》《数字化战略2025》和《德国工业战略2030》等，在标准规范、技术研发、数字化转型和工业4.0发展等方面做出了全面战略部署。《德国工业战略2030》指出，互联网与机器的相互连接技术在工业4.0时代中占据举足轻重的地位，互联网在工业领域中的应用慢慢成为标配。德国明确提出，要加速推动工业4.0（机器与互联网互联）数字化发展的创新技术，为了确保率先拥有新技术的主导权，必要时可通过政府直接干预的手段来提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及基因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴资源，保证在竞争中处于领先地位。其要点是建设CPS网络，并在智能生产、智能工厂、智能物流、智能服务等方面实现横向集成、纵向集成和端对端集成，在标准化和参考架构、管理复杂系统、工业宽带基础、安全和保障、工作的组织和设计、培训与再教育、监管框架、资源利用效率等8个领域推动工业4.0的融合发展。
工业4.0要实现产品和机器的互联，工厂、消费者、信息数据、产品的互联，最终实现万物互联互通，重新构造整个社会的生产方式。德国制造业的许多工厂已经具备建设的条件，但是在智慧连接方面还稍显欠缺。而这种虚拟和现实的互联可通过CPS实现，CPS即为工业4.0的核心。它通过将物理设备与互联网进行连接，让物理设备具有通信、计算、控制、远程协调和自动调节等智能功能，并将信息、资源、物体及人紧密联系在一起，从而创建万物互联的物联网及其相关服务。从某种意义上说，工业4.0是德国针对自身特点推出的超越计划。他们不盲目跟随美国互联网发展的方向，而是根据自身在制造研发领域的特点，制定个性化方案，力图实现弯道超车。
虽然美国和德国针对智能制造业分别提出工业互联网和工业4.0两个不同的概念，但二者都是为了适应自身的不同需求和工厂批量化生产的矛盾提出的应对方案。美国侧重利用基础科学、信息技术、工业、互联网等领域的综合优势，构建全球性的生态体系组织，从大数据应用等软科技切入，带动制造业全流程、全环节竞争力的整体提升；德国是基于制造装备、工业软件、工业自动化等方面的行业领军地位，通过整个工业体系的协同运转，强化硬科技优势，同时拓展软科技的能力。
3.我国工业互联网产业发展规划
（1）智能制造
新中国成立以来尤其是改革开放以来，我国制造业持续快速发展，建成了门类齐全、独立完整的产业体系，有力地推动了工业化和现代化进程，显著地增强了综合国力，支撑起世界大国的地位。然而，与世界先进水平相比，我国制造业仍然大而不强，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显，转型升级和跨越发展的任务紧迫而艰巨。放眼世界各国，德国提出了“工业4.0”的概念，美国提出了先进制造业、“再工业化”和国家战略计划，欧美发达国家的工业和制造业发展战略对我国工业造成了较大的影响，客观上要求我国提高整体制造业水平。
相比工业4.0侧重于技术上的引领，智能制造更多的是政策上的引导，是由上而下的顶层设计。智能制造在中国经济转型的过程中起着非常重要的推动作用，有利于促进制造业创新，实现产业升级换代，保持我国制造业的国际竞争力。
（2）互联网+
“互联网+”是把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合，推动技术进步、效率提升和组织变革，提升实体经济的创新力和生产力，形成更广泛的以互联网为基础设施和创新要素的经济社会发展新形态。在全球新一轮科技革命和产业变革中，互联网与各领域的融合发展具有广阔的前景和无限的潜力。国务院在2015年7月正式发布的《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》中明确，围绕“互联网+”，把互联网的创新成果与经济社会各领域深度融合，进一步促进社会发展。
积极发挥中国互联网已经形成的比较优势，对实现中国经济的提质增效升级具有重要意义。2020年，中国提出要加快5G、数据中心、工业互联网等新型基础设施建设的进度。作为实现人、机、物全面互联的重要载体，工业互联网成为加快制造业转型升级、实现经济高质量发展的关键基础支撑。2021年1月13日，工业和信息化部印发《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》，提出在网络体系、标识解析、平台体系、数据汇聚、新型模式、融通应用、关键标准、技术能力、产业协同、安全保障和开放合作等重点方面采取措施。到2023年，工业互联网新型基础设施建设量质并进，新模式、新业态大范围推广，产业综合实力显著提升。