1.1　工业互联网的提出、现状与演进

1.1.1　工业互联网的提出

2006年，谷歌（Google）首席执行官（chief executive officer，CEO）埃里克·施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大会上首次提出了“云计算”（cloud computing）的概念[1]，立即引起了各界的广泛关注，催生了互联网的第三次革命[2]，世界各国对云计算投入了大量精力，试图抢占技术发展变革的最前沿，全球的信息技术企业也纷纷向云计算转型。依托于云计算，云服务应运而生，主要包括软件即服务（software as a service，SaaS）、平台即服务（platform as a service，PaaS）、基础设施即服务（infrastructure as a service，IaaS）三种服务模式，电信运营商、信息技术（information technology，IT）企业、互联网企业等纷纷推出云服务。目前，云计算已渗透到社会各行业、各领域的信息化应用中。

工业互联网正是起始于云计算在工业领域的落地、延伸和拓展，它丰富、扩展了云计算的资源共享内容、服务模式和支撑技术[3-4]。

2012年，“工业互联网”这个名词及其初始理念由美国通用电气公司（General Elect Company，GE）正式提出[5]。我们将其解读为工业互联网1.0：“它将人、智能机器、高级分析系统通过网络融合在一起，通过数据/信息、硬件、软件和智能分析/决策的交互，提高创新能力、优化资产运营、提高生产效率、降低成本和减少废物排放，进而带动整个工业经济发展。”

1.1.2　工业互联网的发展现状

1．国外工业互联网的发展现状

1）国外工业互联网相关的政策近年来，工业互联网深受工业强国高度重视，各国分别颁布适用于本国发展工业互联网的战略规划，旨在推广和应用工业互联网，带动本国工业转型升级，发力高端制造业，促进经济繁荣发展。

其中，制造业先进国家（如美国）围绕云计算、数据传输网络、信息通信、大数据及人工智能等技术的快速发展及其稳定性和安全性等开展新一轮技术研究，支撑其构建市场化的工业互联网和未来智能制造系统；德国在产业政策上对工业互联网相关的技术和应用给予了大力的支持；英国认为云计算技术能极大地改变制造业的生产模式，推进产业的创新发展；日本高度重视以工业机器人和人工智能为核心的综合科技的发展。各国在工业互联网相关领域的战略布局及重点内容见表1-1。

2）国外工业互联网的发展现状分析

总的来看，全球工业互联网的发展呈现出关键技术加速突破、基础支撑日益完善、融合应用逐渐丰富、产业生态日趋成熟的良好态势[21]。美国、欧洲、亚太地区是工业互联网发展的重点区域，各国凭借各自的优势布局，推动了工业互联网的发展，出现了一些国际领先的工业互联网创新与实践。

（1）技术方面国外龙头企业深化边缘计算、物联网、人工智能（artificial intelligence，AI）技术应用，全面提高工业互联网设备接入及大数据分析应用水平。它们将研发、构建与运行工业互联网平台作为工业互联网的发展重点，重视投入回报率，期望以最小的成本投入获得最大的市场收益。

例如，美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation, PTC）发布了ThingWorx®平台，它是由快速应用开发平台、设备连接、机器学习功能、增强现实以及领先设备互联网等集成组成，能够提供全面的工业物联网（industrial internet of things，IIoT）技术堆栈，支持数据、流程、资源和人员的集成、统一和决策；在国际数据公司（International Data Corporation，IDC）发布的2019版《能源和制造业工业物联网供应商评估报告》中，在对11家供应商展开评估后，微软被评为制造业和能源行业工业物联网平台的“领导者”[22]。微软致力于推动人工智能与物联网、智能边缘的无缝衔接，其研发的Azure数字孪生（Azure digital twins）帮助开发者为现实的物理环境创建出完整的虚拟模型，Azure边缘计算平台可以让云端智能直接运行在独立的物联网设备上，Azure物联网中心（Azure IoT central）能够帮助开发者和合作伙伴快速搭建起一个物联网应用的框架，用几个小时进行定制设计，在一天之内就可以投入生产运行。此外，物联网相关技术已成为德国博世公司研发的主要聚焦点，近年来博世推出了物联网（internet of things，IoT）软件套件、Bosch IoT云等一系列解决方案，2018年博世物联网软件套件服务在华为云实现落地应用，加速了物联网在中国市场的发展。

在工业互联网的发展上，国外大多数国家依托创新技术加快发展技术密集型的先进制造，促使网络空间和物理世界高度融合，通过数据融合应用催生新价值和新服务，并通过逐步完善数字化转型计划，为企业提供良好的发展环境[23]。

（2）产业方面

国外的工业互联网产业发展主要是龙头企业、信息与通信技术（information and communications technology，ICT）领先企业、互联网主导企业等，基于各自优势，从不同层面与角度搭建的面向部分行业与领域的工业互联网平台，并以联盟形式加快互联模式推广和市场布局。

美国在工业互联网领域产业的发展，主要通过GE、AT&T、思科（Cisco）、IBM、英特尔（Intel）等5家企业联合成立美国工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC），积极吸纳各类企业巨头和顶尖机构加盟，突出体系架构和测试床建设，加快互联模式推广和市场布局。美国GE公司作为制造业的巨头，率先意识到数字化转型的重要性，于2013年推出Predix工业互联网平台，大力推动工业互联网发展。随后GE投入大量资源，以Predix为核心成立新的业务部门GE Digital，将其作为GE战略的关键部分。GE还与英特尔、思科、IBM等巨头建立合作关系，共同推动工业互联网发展，强化平台服务能力。2018年GE正式宣布出售部分GE Digital业务，并成立新的工业互联网公司，独立运营Predix平台及相关数字化业务，在工业互联网发展道路上进行新一轮的尝试。

作为德国领军企业，2018年8月，西门子公司发布的《愿景2020+》战略中[24]，将“数字化工业”作为未来三大运营方向之一，并推出Mind Sphere平台3.0版本，联合库卡、Festo、艾森曼集团等18家合作伙伴公司共同创建Mind Sphere World，打造围绕Mind Sphere平台的生态系统，并扩展其全球影响力。Mind Sphere平台主要接入以西门子产品为主的各类工业设备，提供维修预警分析、售后数据管理、设备资源优化等跨领域工业应用，并使用产品生命周期管理（product lifecycle management, PLM）等系统实现设计仿真协同、生产订单监控等，帮助企业进行预防性维护、能源数据管理以及设备综合效率评估，重点关注在生产运行阶段的生产设备维护与工厂运营。

日本工业互联网产业发展主要是以发那科、三菱电机等为代表的日本制造企业进行布局，但它们的侧重点有所不同，分别从故障检测、智能服务、设备互联等角度推出智能工厂解决方案。发那科提出的“零停机”工厂解决方案，通过工业互联网将机器人连接，终端检测机器人状况，提前发现隐患、安排任务，避免工厂因设备故障而停工。三菱电机推出智能工厂方案“e-F@ctory”，以“e-F@ctory”为基础架构形成先进的工业互联网平台，通过IoT、AI等领先科技技术，将开发和制造、物流、包装等领域的所有机器和设备联系起来，分析并灵活运用所收集的海量数据，实现“可视化、可分析、可改善”，以降低供应链和工程链的成本，推动尖端制造。

国外许多龙头企业还通过收购、投资、跨行业合作打造工业互联网生态系统。

在收购和投资方面，美国软件服务提供商Salesforce通过收购和投资，不断增强其客户关系管理（customer relationship management，CRM）软件应用功能，同时向人力资源（human resource，HR）管理软件服务市场进军，并拓展了针对开发者的开放平台和企业交流平台Chatter；德国西门子公司通过收购云原生低代码应用开发领域的先驱和领导者Mendix公司，并将Mendix平台集成至Mind Sphere平台上，实现基于互联网的应用程序的快速开发、部署和执行，加速工业互联网的落地速度。

在跨行业合作方面，思科和GE合作，推出了支持Predix的思科路由器，该路由器外部经过强化处理，能经受石油和燃气设施的恶劣环境考验[25]；德国西门子、地区公用事业公司AW、电网运营商Allgu Netz等合作开发了Pebbles电力交易平台，将区块链技术应用在平台上，使生产者、消费者和存储设备联结起来，从而优化当地能源交易方式，提升彼此间交易的灵活性。

目前大多数平台主要是服务于企业用户，以解决企业单点痛点为主；重视设备互联，在平台工具供给、工业模型沉淀等方面表现突出；通过打通产业链要素，提升上、下游协同与资源整合能力等[26]。

（3）应用方面

国外工业互联网主要应用在设备健康管理及生产过程管控、基于数据智能的服务等领域。

据艾瑞研究院统计，2018年国外工业互联网应用场景中，设备管理服务分析占比为49%，生产过程管控分析占比为24%[27]。如美国硅谷公司Litmus Automation提供了一个端到端平台，依靠其设备边缘端的优势，通过工业互联网来部署物联网应用程序，在管理设备传感器的同时将数据发送到CRM、企业资源计划（enterprise resource planning，ERP）等企业应用程序，华冠科技自动化的工业互联网平台Loop和边缘计算产品Loop Edge，可支持从任何设备收集数据、进行数据操作和快速分析，并具有实时可视化功能。如德国联邦政府将智能数据计划作为数字化战略之一，将其加入整个工业4.0战略计划之内，其中的“智能数据研究计划”（Smart Data）的研究成果主要包括数据科学研究、数字经济、从大数据到人工智能、伦理与法律等方面。作为“智能数据研究计划”之一的高速工厂（speed factory）项目，利用用户在阿迪达斯体验店的跑步机采集到的身体数据，通过3D打印的方式定制出最适合用户的运动鞋，将C端和B端运作更紧密地结合起来，将制造阶段延伸到售后服务阶段。如日本电气公司（Nippon Electric Company，NEC）在日本甲府营业点所在的服务器制造工厂采用数据平台技术，利用客户提供的数据进行定制生产，同时将其自主研发的基于异构混合学习技术的人工智能预测功能运用到生产计划制订中，成功将生产成本降低了45%[28]。

目前，国外工业互联网在协同研发、运营服务、供应链管理等领域的场景应用有待延伸丰富。

2．国内工业互联网的发展现状

1）国内工业互联网的相关政策

我国高度重视工业互联网的发展。近年来，国家出台了一系列政策鼓励工业互联网的发展，积极推进工业互联网的应用，见表1-2。

2）国内工业互联网发展现状分析

在国家相关政策的推动下，我国工业互联网的技术、产业、应用全面推进。在发展过程中涌现出一批丰硕成果，创新发展成效显著，工业互联网平台体系建设不断深入落实，以“平台+技术”“平台+行业”“平台+区域”“平台+双链”“平台+生态”等形成体系化推进，工业互联网已经成为加速制造业旧动能改造和新动能培育的重要载体。

（1）技术方面

工业互联网积极与新兴前沿技术融合创新，体系建设全方位推进，初步培育形成一批“平台+5G”“平台+AI”“平台+区块链”等创新解决方案。

在工业互联网与5G融合发展方面，2020年是5G规模建设元年，5G与工业互联网融合创新发展提速，海尔、徐工信息、东方国信、浪潮、华为等企业均已在开展相关的技术研发和试点应用，如海尔从2018年4月开始对“5G+工业互联网”进行探索，开展了多个“5G+多技术多场景”跨界融合集成测试，目前海尔卡奥斯（COSMOPlat）工业互联网已实现“5G+机器视觉”“5G+AR”等平台化管理。在工业互联网与AI技术融合发展方面，随着人工智能从感知向认知智能演进，AI在工业互联网平台设备层、感知层、边缘层、平台层、应用层等的应用极大提高了工业互联网的感知、集成、决策优化能力。目前国内主流的工业互联网平台均已部署了人工智能引擎，并开展了相关融合应用。例如，阿里云ET工业大脑基于阿里云大数据一体化计算平台，通过工业数据集成套件对企业系统数据、工厂设备数据、传感器数据、人员管理数据等多方工业企业数据进行汇集，借助语音交互、图像/视频识别、机器学习和人工智能算法，激活海量数据价值，为解决工业制造业的核心问题而打造数据智能产品。在工业互联网与区块链融合发展方面，区块链共享账本、机器共识、智能合约和权限隐私四大技术，可以实现工业数据互信、互联、共享，通过区块链技术介入工业互联网，可以形成核心企业内、企业间、工业互联网平台间的互信共享和价值交换。航天云网借助区块链技术，打造“云端营销”平台，建立了可信的工业品营销环境和信用体系，调动了全民参与大众创新、万众创业的热情，赋能云制造产业集群生态发展。

但多数工业互联网平台在工业机理模型和专业技术方面沉淀不足，工业APP的数量和质量不高；尚未形成统一的工业数据采集交换标准与工业控制系统通信协议，工业数据共享与应用安全技术有待突破，这些都制约着设备数据上云、工业互联网内系统间以及跨工业互联网的数据互通与共享等。

（2）产业方面

初步培育了一批实力强、服务广的跨行业、跨领域的工业互联网平台，生态构建呈现多层次推进。

2019年工信部评选出十大跨行业、跨领域工业互联网平台，2020年遴选出15个跨行业、跨领域工业互联网平台，包括海尔COSMOPlat工业互联网平台、航天云网INDICS工业互联网平台、树根互联根云工业互联网平台等。这些平台经过多年发展，在平台架构、云服务能力和云生态建设、企业智能解决方案、产业链整合等方面，发挥了显著作用，具备了核心竞争力和创新能力，形成了多行业、多领域的初步融合。虽然这些跨行业、跨领域工业互联网平台都在拓展行业覆盖和应用领域的范围，但各平台的侧重点仍有不同。其中，航天云网通过打造自主可控工业互联网平台INDICS+CMSS体系，提供跨行业、跨领域、跨地区的覆盖产业链全过程和全要素的生产性服务，服务制造业转型升级国家战略，为我国大/中/小型企业提供各类制造全生命周期服务。同时航天云网申报并成为国家级工业互联网主平台之一，促进各中央企业工业互联网平台融通，加强央企资源共享和能力协同，深化工业互联网在企业生产经营中的应用。海尔COSMOPlat利用平台对接企业与用户，形成个性化定制服务能力，通过云平台打通需求、设计、生产等环节，实现个性化定制应用模式[37]；树根互联等平台通过汇聚需求与供给双方而实现供需对接、资源共享的功能，借助平台打通产业链上、下游，进而优化资源配置[38]；华为基于其公有云业务将产品及其运维和运营实现端到端打通，同时不断与业界顶尖的科研院校积极开展在公有云、AI、大数据、算法等领域的合作[39]；富士康通过工业互联网、大数据、云计算等软件及工业机器人、传感器、交换机等硬件的相互整合，建立了端到端可控、可管的智慧云平台，将设备数据、生产数据和产业专业理论进行集成、处理、分析，形成开放、共享的工业级APP，实现生产过程全记录、无线智慧定位、表面组装技术（surface mounted technology，SMT）数据整体呈现（产能/良率/物料损耗等），通过数据智能实现集中管理数据、基于大数据的智能能源管控等[38]。此外，阿里巴巴、华为、百度、腾讯、浪潮等公司纷纷建立开源社区，以开源模式整合资源，创建共享、协同的创新生态环境，支持开源工业互联网平台的构建[40]。

以“工业互联网平台+APP”赋能工业应用软件产业，发展形成了面向软件即服务的行业新业态。国内形成了一批面向特定行业、特定场景，基于新一代人工智能技术的“工业互联网平台+APP”服务新业态。国内主要以工业互联网平台为载体，依托开源模式推动工业APP发展，夯实工业技术软件化基础，创造基于工业互联网的应用软件服务生态。在抗击新冠肺炎疫情期间，通过帮助企业构建高效、便捷、远程协同的生产组织、制造流程、运营体系，降低了疫情对实体经济的影响。例如航天云网基于其“工业互联网云空间（industrial internet cloud space，INDICS）+云制造支持系统（cloud manufacturing support system，CMSS）架构”构建复工抗疫专区，提供企业复工复产工具集；百度基于“云+AI”技术构建的智能质检系统助力精研科技等数十家制造企业实现无人安全生产；阿里基于“阿里云+钉钉”帮助制造企业实现组织和管理模式的创新，支撑远程办公、网络视频、远程诊断等。

我国大多数的工业互联网平台通常对应用企业的关联生产要素互联互通、对行业的特定应用场景和需求重视不足；缺乏面向行业的公共服务平台，在平台服务赋能能力、跨行业应用服务等方面尚未形成成熟可复制的解决方案；部分企业的生产装备数字化程度低，业务系统间存在信息壁垒、有价值的数据资源获取困难等问题[41]。

（3）应用方面

工业互联网正成为我国各地政府振兴实体经济、推动制造业高质量发展的重要抓手。

全国各地方政府在国家政策的牵引下，纷纷进行工业互联网发展规划，积极推进工业互联网的发展。其中，广东、江苏、浙江等省份在工业互联网领域发展较好。2017年11月，广东省工业互联网产业联盟成立，为广东省工业互联网产业进行顶层设计，统筹广东省工业互联网的发展全局，国内重要工业互联网企业如华为、富士康、腾讯等也纷纷落户广东省。2018年，江苏省经济和信息化委员会（简称经信委）联合华为启动实施江苏省工业互联网创新发展“365”工程[42]，充分发挥华为“云+联接”能力，重点围绕五星级上云企业、工业互联网标杆工厂、工业互联网平台等创新发展方向，聚焦新型电力（新能源）装备、工程机械、物联网、生物医药和新型医疗器械、核心信息技术、汽车及零配件等六个先进制造业集群，打造工业互联网创新发展标杆项目，助力江苏省工业互联网发展示范区和品牌企业建设。江苏省2017年有上云企业16万家左右，2018年新增上云企业超过5万家，而且核心业务上云的企业逐渐增多。浙江省工业互联网发展快速推进，制造业数字化转型步伐不断加快，2018年，浙江省在实施传统制造业智能化改造提升中，新建数字化车间60个、无人工厂6家，新增工业机器人1.6万台；在企业上云（云计算）中，2018年浙江省新增上云企业超12万家，累计达28万家，重点工业企业的上云普及率为65.81%，数字经济已成为浙江省经济高质量发展的动力支撑[43]。

在行业应用方面，工业互联网成为推进新技术与各行业融合应用落地的重要路径。主要聚焦信息通信技术、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、生物医药及高性能医疗设备、农业机械装备、家电等重点行业的特点和需求痛点，以工业互联网平台为载体，实现人工智能、5G、边缘计算、区块链、数字孪生等新一代信息技术与制造技术的深度集成融合，形成面向重点行业和典型工业场景的“工业互联网+垂直行业”的解决方案、实施路径和典型案例等。

在工业互联网赋能多行业企业数字化转型中，服务业、轻工、机械、电子信息、建筑业、建材、石化化工、汽车等行业位居前列。家电、采矿、有色金属等行业在工业互联网平台的活跃度最高[26]。

同时，新一代信息通信技术、工业互联网等与制造业的探索融合中，初步实现了丰富的应用场景。如“5G+工业互联网”，企业在研发设计、生产制造、运维服务等环节探索出多项应用。如在研发设计环节，基于5G网络，结合虚拟现实（virtual reality，VR）技术/增强现实（augmented reality，AR）技术，实现虚拟、多方的远程协同，并可帮助解决实时的工业制造问题[44]。如“5G+边缘计算”在制造业的应用场景贯穿工业制造的全过程，覆盖自动导引运输车（automated guided vehicle，AGV）、生产过程控制、机器协作等各个环节，助力制造业实现质量效益提高、产业结构优化、发展方式转变、增长动力转换，为工业互联网提供有力保障[45]。

目前工业互联网在各行业的应用，场景相对丰富，但总体仍处于融合实践的探索期，中国的制造企业大多处在工业1.0/2.0/3.0/4.0并存的发展阶段，企业的数字化、智能化水平参差不齐，工业互联网应用的深度和广度不足，可规模化复制推广的场景相对较少，还需进一步在技术、应用模式等方面进行突破。

1.1.3　工业互联网的演进

通过研究与实践，我们认为工业互联网的演进经历了三个阶段。

第一阶段，“工业互联网”这个名词虽未提出，但是其类似的理念、模式、技术已经涌现。以我国的实践为例，本书的作者团队于2009年便提出并研发了基于云制造理念的制造云[46]；2009年9月北京市计算中心已打造了工业云服务平台；2011年“工业云”已成为北京市“祥云计划”重点示范工程项目之一等。概括地讲，它们是一种基于网络的、面向服务的新技术手段、新模式和新业态。它融合发展了现代信息化制造（设计、生产、试验、仿真、管理、集成等）技术与云计算、物联网、服务计算、高性能计算等新兴信息通信技术。形成了“网络化、服务化”的新制造模式和“泛在互联、共享服务、跨界融合”的新业态。

第二阶段，2012年“工业互联网”这个名词正式提出[5]，它在技术手段、模式和业态等方面得到进一步的发展。经过相关技术的发展和实践，在技术手段方面，工业互联网融合了大数据、云计算、移动互联网、仿真等新兴信息通信技术及部分人工智能技术（主要是部分大数据智能）与3D打印、智能机器人、智能制造装备等新兴的部分智能化制造技术。它是以互联化（协同化）、服务化、个性化（定制化）、柔性化、社会化为主要特征的智能制造新模式。在业态方面，进一步增加了“数据驱动、自主智慧、万众创新”的新特征，构成了“互联网+”时代的新产业业态。它是“互联网+”时代的一种制造模式、手段与业态。

第三阶段，随着新时代、新形势、新需求的到来，即正在发生重大变革的信息新环境、持续提高的人类社会发展的新目标，以及快速发展的新技术，特别是大数据的进一步涌现及其智能处理技术的发展、高性能计算能力大幅提升、以深度学习为代表的人工智能模型预算法的突破等推动了新一代人工智能技术的快速发展，因此工业互联网将在新一代人工智能技术的引领下进入崭新的阶段——“智慧工业互联网”，它在技术手段、制造模式与业态等方面又有新的发展。在技术手段方面，进一步融合以大数据智能、人机混合智能、群体智能、跨媒体智能、无人自主智能为主要方向的新一代人工智能技术，建模与仿真/数字孪生、边缘计算、5G、区块链等新信息通信技术及新智能化制造技术。在制造模式方面，强化了更完善的智能化。工业互联网制造模式的发展正在迈向以互联化、服务化、协同化、个性化（定制化）、柔性化、自主智能化为主要特征的新阶段。在业态方面，进一步突出了“万物智联、智能引领、数/模驱动、共享服务、跨界融合、万众创新”的新业态。工业互联网的演进历程如图1-1所示。