工业互联网展望「赵骥 吴澄：未来工业互联网的发展与应用」

通信世界网消息（CWW）当前，社会对现代工业系统发展有着迫切的需求。未来工业互联网作为工业制造与互联网深度融合的新工业生态，具有全要素连接、动态实时变结构、系统开放、柔性配置、安全可靠等特征。未来工业互联网的到来，将引起社会生产力的剧变。

工业互联网进入新探索阶段

数字化智能化方兴未艾。中共中央、国务院印发的《数字中国建设整体布局规划》掀起新的高潮。工业作为国家竞争力的基石，工业系统的数字化智能化必然成为关键着力点。

人类的生存长期受困于物质的匮乏。自工业化以来，人们将物质、能量、信息重新组配，使人类所需物品得到极大丰富。目前，绝大多数产品完全能够满足人类的需求，甚至不少产品仅一家工厂就足以生产出满足全世界人口需求的总量。人类进入过剩时代，正面临新挑战——TQCSE，即短交期（T）、高质量（Q）、低成本（C）、优质服务（S）、环境友好（E）。当然，这些指标项也可能是相互冲突的。对于一个具体的工业企业，每一个指标项都会涉及多个设计和制造参数，因此，企业需要对成百上千个参数进行综合分析、实时计算、平衡优化、不断迭代，以达到更高目标，并在激烈竞争中获胜。柔性、敏捷是现代工业系统达到更高目标的途径，也是当前最迫切的需求。

信息在物质与能量的组配中发挥着枢纽性作用。相较于物质与能量而言，信息源自人类对世界的认知，信息的载体原本是人类本身，但计算机的出现使信息有了新的载体。有关物质与能量的知识可以在计算机上进行存储、加工、传递。牛顿等科学家将物理世界转换为数学世界，使得物理世界的知识能够用数学逻辑严密刻画，奠定计算机对知识进行加工、传递、使用的基础，并使物理世界与信息世界深度连接。数字信息技术成为应对上述挑战的最有力手段。

亚当·斯密在《国富论》中揭示，经济发展源于因交通连接而产生的商贸交换。互联网的本质在于连接——连接产生交换，交换产生价值。那么，工业互联网的价值点又在哪里呢？这是我们首先需要考虑的问题。

无论是美国工业互联网体系，还是德国工业4.0体系，目前也都只是给出框架性文件，并没有针对具体的工业实践指导。智能工厂被普遍认为是工业互联网应用于工业企业的载体，除各种新概念外，还缺乏有指导性的智能工厂理论及方法。

当前工业互联网存在的问题

互联网对社会的改变有目共睹，其价值主要在于发挥了信息的枢纽性作用，对各种社会资源重新组配，使其运转效率极大优化。

传统消费互联网本质上是人与网络的连接，网络主体是人，而工业互联网连接的对象是工业要素，比如机器、软件（业务流程、模型算法）、产品、原料、工装及人等，网络主体主要是工业要素。由于网络的主体不同、遵循的规律不同，依赖的基础理论也会不同。因此，会引起诸多方面的差异。

第一，在模式层面，工业互联网企业的运营模式和传统互联网企业的运营模式有很大不同，传统消费互联网的商业模式无法照搬。对于传统消费互联网而言，用户（流量）是最宝贵的资产，也是价值点，其运营基本上是以提升流量来实现商业目的。工业互联网连接的是工业要素，难以通过流量来变现。目前，平台厂商众多，传统企业平台积极性不高，云化的企业管理软件（ERP、MES等）应用范围并不大，企业界的顾虑很多，平台数据增长缓慢，平台企业基本在亏损状态。

第二，在驱动力层面，传统消费互联网的动力来源依靠个人用户端拉动，而工业互联网主要是依靠平台企业在推动。如果互联网与工业系统的结合只是简单相加，那么互联网和工业系统就像油和水的关系，层次分明，互联网对工业要素资源的配置效能就无法发挥出来，更谈不上真正的工业互联网，也解决不了工业所面临的问题。换句话讲，如果没有多大用处，企业自然没有上云的动力。

第三，在接入层面，工业要素需要接入工业互联网平台，包括公有云平台或私有云平台。以解决物品稀缺问题而发展出来的传统工业系统是建立在刚性集成生产系统基础上的，也是封闭的、条块分割的、僵化的，难以适应在平台算法调度下的灵活定制、柔性配置和按需生产。传统的工业信息系统向工业互联网模式下企业数字化、智能化转变，这就需要进行传统工业体系“入网”技术研究。

我们借用美国国家标准与技术研究院（NIST）智能制造生态系统的三个维度来说明工业系统在互联网加持下的嬗变（见下图）。在商业维度上，互联网是首先渗透并已经很深入；在产品维度上，早已有面向产品全生命周期的互联网协同设计概念，但鲜见应用案例；在生产维度上，面向供应链的生产排程、可预测性制造等方面有一些互联网应用。然而，在这三个维度交叉点上的“制造金字塔”，互联网并没有渗透进去。传统的工业体系是面向常规的、稳定的大批量制造，体系是ISA-95（企业系统与控制系统集成国际标准，95代表的是ISA的第95个标准项目），是金字塔式、递阶式管控，是自上而下地下达命令并执行。而互联网强调的是速度、弹性，能适应环境的快速变化，通过对所连接的要素进行快速重组以体现效率。若要满足现代社会对工业的柔性、敏捷的迫切需求，就需要处理工业全要素的动态加入和动态退出。互联网的工业应用必然要深入到“制造金字塔”，才能实现更高的优化目标。

互联网需要深入“制造金字塔”

我们希望通过互联网推动新一轮工业革命，但现实的工业需求并未能因此而满足。在目前的工业体系内部，难以实现信息及算法调配下工业要素的灵活组配。表面上看，这是应用问题，但归根结底是理论缺乏问题。换言之，就是原有的面向规模化生产的、基于封闭的工业体系理论不适用了，而新的理论又没有建立起来。

未来工业互联网的深入应用

工业互联网需要满足当前社会对现代工业系统的需求，不仅要实现互联，还要对工业要素进行组配、优化，其根本点在于需要建立柔性、敏捷的生产体系。

目前，“工业互联网平台+工业系统”仍是刚性集成的生产互联系统，具有体系结构固化、工业要素紧密联接的特征，难以实现在互联网平台算法调度下的要素柔性配置、订单灵活定制、按需生产的需求。

工业互联网的深入应用需要将原有的“制造金字塔”体系各环节打散，在信息和算法的支持下，在较小的粒度上进行工业要素的重组、格式化等，并从一个企业内部延展到全供应链，重新配置工业全要素。工业互联网平台就如同一个隐形的管理者，它会持续收集数据和配置工业要素，集反馈、控制、优化于一体。平台对全供应链的运营管控过程进行“精打细算”，优化产品设计、产品生产、服务过程，进行柔性、敏捷化制造。这就是未来的工业互联网（见下图）。

未来工业互联网

满足工业需求的工业互联网的深度应用会引起社会生产力的剧变。未来工业互联网应当是全新的工业生态。未来工业互联网及接入的工业系统（简称“工业互联系统”）应当能处理工业要素的动态加入和动态退出，也能满足柔性、敏捷化的需求。

未来工业互联网松耦合结构

由于全要素互联需要连接的对象量级巨大、系统复杂，未来工业互联网需要的也是松耦合系统结构模型，只有松耦合系统结构才能适配全要素互联产生的系统复杂性。工业系统本质上是物质、能量、信息的融合体，在工业互联系统中，机械连接用以传递力，能量连接用以供给能源，信息连接用以传递信息。在以数据为中心的联邦式松耦合体系架构中，联邦式系统如同社交网络，采用“Link（纽带）”“群”“群成员”“QoS（Quality of Service，服务质量）”定义交互网 G（V，E，W），G就是一个有向加权网络，它可以清晰地刻画出一个动态松耦合系统。

工业要素之间采用发布/订阅模型进行数据交换，以发布/订阅关系定义各个工业要素间的连接，节点的动态加入和退出并不会影响到网络中的其他节点。

松耦合计算模型应该是以概率和不确定性为数学基础（允许有小范围误差，保持有松动空间），主要采用逼近方法（如概率和神经网络），而不只是精确计算方法。

未来工业互联网的一种可靠性设计方法

构建满足未来工业互联网所要求的动态实时变结构系统，解决工业全要素按需互联和要素数据可靠交换问题，是工业互联网深度应用需要解决的关键科学问题。

我们把复杂网络系统的理论用于工业互联网，解决可靠性问题。对系统网络中数据交换的均衡性、关键点（脆弱性）要进行计算、评估、优化，才能设计出性能更优、更可靠的工业互联网系统。要点如下：第一，采用复杂网络系统理论方法，分析工业互联松耦合系统结构；第二，用强度（Strength）度量网络中成员的重要性；第三，用耦合性（Coupling）来度量网络中成员与成员之间的依赖程度；第四，将上述这两个概念结合，用复合中心性表示，也可称为强度-信息熵中心性（SEC，Strength-Entropy Centrality）。

松耦合结构有别于传统金字塔式的集中控制系统，是去中心化的。对于工业互联系统而言，在数据可靠交互的前提下，需要降低成员的复合中心性。根据需要，系统可重新分配发布/订阅关系，动态地对系统重新配置，以保障工业互联系统稳定运行。

未来工业互联网松耦合系统的实现

当未来工业互联网应用深入到工业现场，无论是冠以“智能化工厂”名称，还是称为“灯塔工厂”“未来工厂”或“黑灯工厂”等，其目标都必须是TQCSE需要满足快速变化的市场需求，必然要发挥信息的枢纽性调度作用，使企业原来的刚性体系柔性而又敏捷。松耦合结构的实现需要解决以下两方面问题：一是工业互联网平台与工业体系适配问题，既有科学问题，也有技术问题和工程问题；二是工业全要素接入后，整个工业互联系统的联接关系与结构关系的复杂性难题。以未来工业互联网松耦合结构理论为基础实现的工业互联数据链，其中，联邦式系统如同工业要素的“社交网络”，有以下特征：第一，定义“Link”“群”“群成员”“QoS”及交互网等概念；第二，用数据发布/订阅关系定义工业要素的连接关系；第三，建立加权有向联接矩阵、全局数据空间、适配封装工业要素、设置各联邦成员的QoS属性。工业互联数据链支持工业要素松耦合配置“组网”，联邦成员灵活建群、数据发布/订阅、QoS管理、柔性配置、数据交换过程监控，实现工业互联要素以数据为中心的即时交换，可以达到毫秒级，满足工业现场的需求。工业互联数据链应用使参与互联的应用系统（即服务）和设备从强连接、紧耦合转变为弱连接、松耦合，实现松耦合数据交换及要素互联。

在工业互联网应用推进中，需要平台和现场并重，在平台侧需要解决共性问题，如资源调度算法、数据链平台、综合管理等；在现场侧需要做好数据采集与交换、工业现场特有问题等。只有平台与现场合理的功能匹配，工业互联网应用才能达到好的效果。

工业互联网在智能工厂中的应用

智能工厂作为智能制造概念全方位应用的具象化体现，是工业互联网深入应用的落点，也是未来的工厂模式。智能工厂的核心是企业大脑，融合算法、软件、设备的CPS（Cyber Physical Systems）。虽然理想的智能工厂在现阶段难以完整展现，但可以进行总体规划，分步骤实施：第一步，进行工厂设施的计算机化，使工厂物理世界的特征、规律数据化，在信息世界进行计算、存储；第二步，对机器、软件、产品、原料、工装、人等要素全连接，实现连通性；第三步，实现数字孪生，在物理空间可能是“黑灯工厂”，但在虚拟空间可实现数据可见、可操作以及企业运营透明化；第四步，构建企业大脑，也包括各业务领域小脑（营销小脑、财务小脑、能耗管理小脑、规划调度小脑等）实现预测性制造；第五步，进入高级阶段，构建应对市场变化的自适应性制造工厂，以达到优化各工业要素组配、优化社会生产，以及优化服务过程的目的。

这里列举两个典型案例进行说明。

一是某大型民营厨电设备公司为应对激烈的市场竞争，进行工厂大脑、数字神经系统、“黑灯工厂”、数字孪生系统建设，达到智能工厂的中级阶段，使企业的各方面指标获得很大优化。其中，运营成本降低45.9%，产品研制周期缩短42.6%，能源利用率提高12.3%，企业营收增长5.6倍，经济利润提升11.4倍。

二是某军工院所为解决装配线面临经常换型号、效率低下等问题，构建数字孪生装配生产线场景，即从要素连接到数据交换再到双机器人路径协同规划实现虚实联动仿真等，大大提高了车间运作效率。

对未来工业互联网的展望

随着未来工业互联网的深入应用，企业各个方面指标将持续优化：优化生产资源大跨度配置（远程异地设计协同、制造协同、资源共享）；优化产品全生命周期管理（远程运维、预测性维护、回收与再利用）；优化供应链管理、经营决策、销售策略、财务管理等（经营过程）；优化工艺过程、人员配置、生产流程、在线质量、物料供给、能耗配置、环境效能（制造过程）。

在研究方面，未来工业互联网需要进一步研究的方向包括：对未来工业互联网松耦合体系架构理论的深入研究；对动态实时变结构系统评估方法研究；对虚实空间系统行为及全要素状态对齐技术研究；对未来工业互联网系统实现平台研究。