工业互联网——自适应的工业生态系统

工业互联网

古人云：多多益善。多台机器组成的系统会极大地超越、扩展机器个体的能力，在用途和使用价值上实现“1+1>2”。例如，在邮寄包裹中嵌入一个小小的RFID芯片，简单枯燥的物流之旅立刻变得“高大上”起来，每个包裹变成了物联网的一个移动节点，实时传递信息，让物流公司插上了互联网的翅膀。它能帮助物流公司对货物进行实时追踪，防止遗失；对物流资产实时监控，洞察资产使用率；实时跟踪存货量，减少浪费。它还能帮助物流公司预测需求，发现瓶颈，制定计划，提升效率，平衡负载，优化人员配置。工业互联网是一个由智能机器和人组成的自适应工业生态“大系统”。

软件定义机器就是一种典型的自适应技术，即通过软件定义机器所有功能。硬件与软件的解耦使得机器可以实现远程自动升级，用当下时髦的词来说就是从“云端”升级。工业互联网作为智能机器（软件定义的机器）和人及智能机器之间互联互通的生态系统，它诞生之初就具备与时俱进的能力。在互联的智能机器世界里，每个机器都具备交流能力，知道该与谁（其他机器和人）互通有无。让我们想象一下未来的火力发电厂：锅炉能够主动寻求和蒸汽轮机打交道，蒸汽轮机会自然的联系发电机，发电机则会默契的和变压器沟通交流，而变压器又会轻松的寻找联系到电网中的其他输配电设备，最终将电力提供给用户。这些智能电力设备和人（运营商、用户等）相互融合成就了智能电网，这就是一个典型的工业互联网系统。

工业互联网涵盖了智慧园区、智能工厂、智能电网、智慧能源系统、智慧农业系统等各种工业社区或生态系统，它将具有“使命感”和“自我意识”的智能机器融合在一起。

赋予使命

智能机器，知己知彼。它可以感知自己的运行状态，包括健康、潜能和自身所处的环境等。智能机器被赋予了充分释放自身潜能，并服务整个工业互联网，使其达到最优运行状态的使命。通过协同合作，智能机器可以不断继承机器本体和所处环境的历史数据。它们分享经验和知识的能力与生俱来，因此，能够在残酷的市场竞争中存活下来并保持繁荣昌盛。

过去20年来，人类社会生产力随着商业互联网的发展而呈指数级增长，互联互通的人口达数十亿之多。商业互联网彻底改变了我们的娱乐、社交、沟通和商业模式。尤其是移动互联网将制造者和消费者“零距离”连接，颠覆了人类传统的生活和工作方式。

可以预见的是，一旦通过工业互联网将目前全世界500多亿台机器全部连接在一起，各个工业行业都会产生天翻地覆的变化。但有个前提条件：系统中所连接的机器必须足够智能，才能将整个系统的智能化水平提升到新的高度。工业互联网的设计者必须确保工业生态系统中的每个层级、每个节点都是智能的。“傻瓜”的温控器只能承担维持设定温度的简单功能，而智能温控器可以思考“我该如何让人们感觉舒适”，以节能的方式自动调节温度和湿度，让人“如沐春风”。智能机器具有思维能力，知道如何减少零部件的磨损来延长寿命，减少损耗的同时尽量提高产出。它是智能的，目标导向的，并且具有“我可以协助社会持续发展”的“自我”意识。一个自适应的工业互联网系统会最大限度的减少人的干预，并且通过机器之间有针对性的交流来实现服务全局的目标。用技术语言来描述就是：将分析和思考能力“植入”传感器、执行器、组件、子系统、系统和边缘设备等工业互联网的节点中，它们能相互交换信息并采取相应行动来优化工业生态系统。

设计方案

工业互联网系统是网络化的控制系统，它必须从一个个简单、处于互联网边际的控制系统生长起来。复杂是工业互联网系统的自然属性，而这种复杂性是无数小系统聚沙成塔发展出来的。下面是一些工业互联网的设计准则：

1、通过将子系统逐个、逐层的叠加构建，形成最高效的互联互通方式。系统的复杂性以自然的方式有机增长，避免“画蛇添足”、“牵强附会”；

2、通过对边缘设备、传感器、执行机构、路由器、数据网关和控制器的智能化，实现系统的逐级赋能，控制权限的分散、下沉；

3、每个节点被赋予“使命”和“自我意识”；

4、节点之间既可以“自治”，又可以相互协作，形成“健康”、“美好”的生态系统；

5、采用稀疏通讯，通讯内容和方式言简意赅、按需而动；

6、授权节点自主选择“如影随形”或“分崩离析”；

解释一下稀疏通讯的必要性：一个典型的海底石油钻井平台，每天会产生TB级的数据量，如果使用当今的通信基础设施，则需要数周的时间才能将数据上传到云端。将大量传感器安装到机器上并直接将海量高分辨率数据收集到云端的“粗暴”方法，在技术和经济上都是不可行的。人类无法通过设计解决的难题，都可以在自然界找到相应的答案。比如，通过研究群居栖息方式的飞鸟和鱼如何进行沟通，我们可以找到灵感。它们通过使用稀疏的局部通讯实现集体的和谐和智能。在一个游动的鱼群中，没有中央指挥官，控制权分散到每个使用同种语言的节点。同理可得，在未来的工业生态系统中，来自不同制造商的机器将使用统一的语言，以稀疏通讯的方式相互沟通，既达目的，又极其经济。

以风电场为例，一个先进的工业互联网风电机组系统具有以下特点：涡轮机内置独特的机载分析功能，可以监控风机运行状态，检测故障，确定优先级和最佳解决方案。就像身边拥有全球的专家团队为其实时解决问题，如果发生问题，风场检修人员会自动收到通知，无需进行故障排查，直接按照提示排除故障即可，从而节省了大量的时间和成本。功率过大的风机会将多余的电能存储进电池储能系统。当遇到风力不足的情况，风机会要求储能系统补充供电。风储互补技术提高了风场供电的稳定性和可靠性，为客户创造了额外的收入。如果某个风机失去了风速或风向的感知能力，它会获取邻近风机的数据继续运行，保证自身的可利用率和能量输出。通过风场之间的相互协调，可以稳定电网电压，保障了电网的广域稳定。

设计像工业互联网这样的复杂系统需要深谙操作技术（OT）和IT技术的专家通力合作。操作技术（OT）包括设计、工程、控制、嵌入式系统、工业通信、人机交互、服务工具、资产管理工具等；IT技术涵盖用户体验、大数据、互联、软件、移动互联网、数字安全性、APPs、ERP等。

OT专家和IT专家必须勇敢迈出自己的领地，将双方的思想、理念融合交汇，给工业互联网注入生机。OT专家和IT专家在各自领域内都可以视为“土著专家”，为了实现OT和IT融合，“土著”专家们必须具备因时制宜、与时俱进的能力，只有这样才能设计出一个适应当下、迎合未来的工业生态系统。他们是设计师，同时也是工业互联网生态系统中的智能节点。事实上，我们每个人都是工业互联网生态系统中的活跃节点，都在顺应时代、不断革新、与时迭代。

结论

工业互联网不是分布式控制，它更不是远程监控和诊断的代名词或品牌重塑。工业互联网也不仅仅是指工业大数据系统。当今的运营技术（OT）可扩展性差、效率低下，缺乏与人的无缝联接。在过去的20年里，分布式控制系统（如SCADA系统）的发展几乎原地踏步。是改变的时候了，工业互联网给我们带来了契机。工业互联网的发展在本质上是渐进的，需要时间来“生长”和“强大”。OT和IT的融合是实现这一目标的关键。

沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春。让我们以更加积极开放的心态拥抱工业化联网时代的到来。

来源：西电研究院

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五问工业APP想知道的都在这里

本文首发于2018年9月1日 《中国战略新兴产业》

伴随新工业革命逐渐加速的脚步，工业技术软件化从悄然发生变成了业界共识，工业互联网为工业 APP 的发展带来了强大的活力和增长机遇，基于全新架构和理念开发出来的工业 APP，为工业软件的研制、应用与发展提供了更好的技术路径与应用实践。工业 APP 数量、效果、用户下载量目前已经成为工业互联网平台是否成功的关键指标要素。

由于工业 APP 尚属于新的概念、新的领域，所以各行各业急需对工业 APP 的概念和相关问题进行解释和说明。近期，中国工业技术软件化产业联盟发起编写了《工业互联网 APP 发展白皮书》，尝试系统性地回答工业 APP“是什么”“为什么”“干什么”“怎么干”“未来如何”等一系列重大问题。

一问：什么是工业APP？

工业互联网 APP，简称工业 APP，是基于工业互联网，承载工业知识和经验，满足特定需求的工业应用软件，是工业技术软件化的重要成果。工业 APP 是面向工业产品全生命周期相关业务（设计、生产、实验、使用、保障、交易、服务等）的场景需求，把工业产品及相关技术过程中的知识、最佳实践及技术诀窍封装成应用软件。其本质是企业知识和技术诀窍的模型化、模块化、标准化和软件化，能够有效促进知识的显性化、公有化、组织化、系统化，极大地便利了知识的应用和复用。

相对于传统工业软件，工业 APP 具有轻量化、定制化、专用化、灵活和复用的特点。用户复用工业APP而被快速赋能，机器复用工业 APP 而快速优化，工业企业复用工业 APP 实现对制造资源的优化配置，从而创造和保持竞争优势。

工业互联网平台定位于工业操作系统，是工业 APP 的重要载体，工业 APP 则支撑了工业互联网平台智能化应用。

工业互联网平台通过构建应用开发环境，借助微服务组件和工业应用开发工具，帮助用户快速构建定制化的工业 APP。工业 APP 在工业互联网平台上运行，产生了大数据，随后对大数据进行机器学习和深度学习，最后数据经过提炼、抽取、处理、归纳后形成了工业数字化知识，工业数字化知识最终进一步完善工业 APP。

工业 APP 是实现工业互联网平台价值的最终出口。面向特定工业应用场景，激发全社会资源形成生态，推动工业技术、经验、知识和最佳实践的模型化、软件化和封装，形成海量工业 APP；用户通过对工业 APP 的调用实现对特定资源的优化配置。工业 APP 基于工业互联网平台，进行共建、共享和网络化运营，支撑制造业智能研发、智能生产和智能服务。

二问：为何要建设工业APP？

在当前世界走向开放、共享的时代，传统资源型企业将逐步没落或转型，科技型企业不断引领经济发展方向，知识经济成为时代特征。企业的知识占有量决定着企业的竞争力。

企业可以按照工业 APP 构建自有技术体系。工业技术必须相互支撑、形成体系才能发挥强大作用。工业 APP 通过将行业工业技术结构化、数字化和模型化，可以建立各种工业技术之间的有序关联，形成覆盖工业产品研发、生产和运维全过程的完整知识图谱。借助工业 APP 的可存储、可计算和可升级，不断地促进着企业知识的更新换代。通过以工业 APP 为载体的知识与以工业 APP 驱动的智能硬件相结合，可以打造形成智能化的制造体系。

将制造领域的知识形成工业 APP，有助于推动中国迈入制造强国行列。工业 APP 成为了支撑制造业数字化、网络化、智能化转型升级的一种新型工业软件，有助于实现数据的自由流动与知识工作的自动化，从根本上改善制造业的设计、生产、运维管理和质量保障模式，重建我国自主工业技术和知识体系，为智能制造发展奠定基础。

工业 APP 是以“工业互联网平台+APP”为核心的工业互联网生态体系的重要组成，是工业互联网应用体系的主要内容和工业互联网价值实现的最终出口。

在我国，相当多的工业从业人员从事着重复、低端、枯燥乃至危险的研发、操作、检测和检修等工作。智能制造的实施将让这部分从业人员的工作形式和工业内容发生根本性转变，逐渐离开生产一线，从而享有更好的工作岗位与劳动环境。将已有的工业技术转换为工业 APP，人的工作将从复杂地直接控制机器和生产资源转为轻松的通过工业 APP 控制机器，甚至是由工业 APP 自治控制机器。人的劳动形式将由体力劳动工作逐步转变为更有意义的知识创造工作，从而大大提高个体劳动价值。

三问：有哪些工业APP可供使用？

工业 APP 体系庞大，涉及到的工业技术很多。不同行业的工业技术不同，工业 APP 不同；不同产品生命周期的工业技术不同，工业 APP 不同；不同企业管理模式、质量管理手段和用户需求等不同，工业 APP 也不同。所以工业 APP 体系中 APP 个性化强，对象众多，关系非常复杂。

当前尚没有工业技术体系标准，也没有工业 APP 参考体系架构。依据过去十几年工业APP策划、开发和应用经验，参考工业产品制造模式的一些典型特征和参考架构模型，《工业互联网 APP 发展白皮书》给出了工业 APP 体系框架。依据这些框架可以有层次、有联系地认识各种工业 APP，从而更加有目的地开展工业 APP 规划、开发与应用。

工业 APP 体系框架是一个三维体系，包含了工业维、技术维和软件维三个维度。三个维度彼此呼应，和谐地构成和体现了“工业·技术·软件（化）”的工作主旨。

工业维：一般工业产品及相关生产设施从提出需求到交付使用，具有较为完整的工业生命周期。该维度涉及到研发设计、生产制造、运维服务和经营管理四大类工业活动，在每一个工业活动中，都可以细分为若干小类的活动，都可以开发、应用到不同技术层次的工业 APP。

技术维：开发各类工业产品需要不同层次的工业技术。根据工业产品体系的层次关系，并映射形成工业 APP 的三大层级结构，即由机械、电子、光学等原理性基础工业技术形成了基础共性 APP；航空、航天、汽车和家电等各行业的行业通用工业技术形成了行业通用 APP；企业和科研院所产品型号、具体产品等特有的工业技术形成了工程专用 APP。

软件维：按照工业技术转换为工业 APP 的开发过程以及参考软件生命周期，该维度分为体系规划、技术建模、开发测评和应用改进四大阶段的软件活动，每个软件活动可以细分为更具体的软件活动。

任何工业 APP 都可以按照工业 APP 体系框架来分解和组合，同时可具有多个维度的属性，例如螺栓机加工艺仿真 APP 的应用，既属于基础 APP，同时也属于生产 APP，还属于应用改进环节。

四问：如何培育工业APP？

培育工业 APP 是通过工业技术软件化手段，借助互联网汇聚应用开发者、软件开发商、服务集成商和平台运营商等各方资源，提升用户粘性，打造资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的工业互联网应用生态，是推动工业互联网持续健康发展的重要路径。

技术支撑，夯实工业 APP 发展基础。一是建设工业 APP 标准体系。加快研制工业 APP 接口、协议、数据、质量、安全等重点标准，推动行业建立共识，引导和规范工业 APP 培育。二是建设通用的工业 APP 开发环境。整合主流工业系统和平台的各种 API，开发适用于多种框架、语言、运行环境的开发环境插件，从而保证开发人员快速、便捷的实现功能。三是推动开发工具的开发和共享。提供强化的实现功能，包括对运行环境进行仿真的开发沙盘、资源管理工具等。四是加快建设工业知识库。推动制造业工业知识关键技术研发，鼓励大型企业围绕产品设计、制造、服务等各生产周期，以及工业数据采集、传输、处理、分析等各数据周期提炼专业工业知识，进行软件化、模块化，并封装成可重复使用的标准模块。五是建立工业APP测评认证体系。围绕协议异构、数据互通、应用移植、功能安全、可靠性等测试需求，建设工业APP测试平台，提供在线测试认证等服务。

生态引领，优化工业 APP 发展环境。一是发挥联盟纽带作用，有效整合政产学研用金各方资源，建立政府、企业、联盟协同工作体系和工业APP发展咨询评估服务体系，开展各项产业化工作，推动我国工业 APP 产业发展。二是建立工业 APP 交易配套制度、信用评价体系、知识产权保护制度及知识成果认定机制，保障 APP 交易生态的顺利运行，支持“众包”、“众创”等创新创业模式参与工业 APP 研发，形成工业 APP 开发、流通、应用的新型网络生态系统。三是构建开源的开发者社区，形成创新生态。打造完整的开发环境及社区，通过向开发者提供丰富的 API、开发模板、开发工具、微服务等多种方式，吸引并鼓励开发者进行应用开发及技术经验交流共享。四是拓宽校企、院企等人才培养合作渠道，建立复合型人才培养基地，建设国家级高水平工业 APP 规划、开发、评测的专家团队，提升产业人才供给能力。五是广泛吸引社会资本成立产业投资基金，探索引导和组织国内产业链上下游企业以资本为纽带，集中力量共同开发和推广工业 APP，构建产业生态体系。六是举办工业 APP 开发者大赛，甄选并落地一批工业 APP 优秀解决方案，挖掘并培育一批富有活力的工业 APP 设计开发人才队伍，筛选并扶持一批具备潜力的工业 APP 创新型企业，营造有利于工业 APP 培育的环境，推动工业互联网平台应用生态建设。

五问：未来工业APP将如何发展？

随着世界纷纷开展智能制造和工业 4.0 的推进与实践，工业 APP 将迎来快速发展时期。回望过去的 30 年、50 年、100 年和 200 年，工业界实际发生的变化总是超出了当初人类的各种想象空间。在这一轮新的科技革命浪潮中，工业 APP 的发展速度将超过历史工业动力、能源、自动化和软件等技术的发展，并迅速与工业实现激烈碰撞，最终深入工业内部和外部的场景实在难以预估。

为了更好地发展工业 APP 环境与生态，为此对工业 APP 的未来发展进行了尝试性地展望。这个展望是基于当前智能制造的态势和工业 APP 已有的发展趋势做出的，所以仅仅代表着一种看法。未来，随着相关发展过程日益显现，可以更为精准地预测其发展轨迹和过程特征。

截至 2017 年，工业 APP 刚刚走过萌芽阶段。航空、航天、船舶、兵器、电子和汽车等多个高端制造行业开展了大量试点，并形成了众多企业通用 APP 和专用 APP。在此期间，工业 APP 的开发逐步从早期的基于代码的开发模式转为基于平台的开发模式。

预计到 2020 年，工业 APP 开发生态初步形成。随着各行业对工业 APP 的认识和投入的显著增强，工业 APP 相关开发标准、接口标准和应用标准等标准体系初步形成，专职从事工业 APP 开发的新行业形成，各行业涌现大批工业 APP 典型应用示范。

预计到 2025 年，工业 APP 初具百万规模。基础工业 APP 大量开发完成，基本完全覆盖了工业各个基础行业。与此同时，随着通用工业 APP 开发企业和开发者的涌入，历史积累的大量国内外工业技术快速转化形成工业 APP，促使通用工业 APP 规模迅猛发展，成为工业 APP 的主要组成部分。届时，工业 APP 规模预计达到百万水平，有力地助推中国从制造大国向制造强国的转变。

预计到 2030 年，智能技术促成工业 APP 快速开发。工业 APP 的快速发展，成为一个重要的经济市场。以神经网络、深度学习等人工智能技术的发展，人工智能技术从当前简单的生产过程管控等应用，转为对工业复杂系统的大规模、网络化和动态性的建模、仿真、优化与控制。工业 APP 开发和应用过程都将被人工智能技术颠覆，从而使工业 APP 在工业内无处不在。（作者：中国工业技术软件化产业联盟）

来源：产业智能官