工业互联网｜从边缘智能迈向边缘自治

工业互联网得到全球主要国家重视，主要目标均指向先进制造业，发展战略上均体现出国家产业政策引领的特点，行动路径上强调平台和标准化并发展上体现出一定的曲折性，产业整体上处于高速增长阶段；-为推进工业互联网的健康发展，各国纷纷定义工业互联网标准架构。中国工业互联网平台中的边缘层提供海量工业数据接入、转换、数据预处理和边缘分析应用等功能；边缘计算在工业互联网中的应用在最近几年得到了极大的拓展，包括工业边缘网关、低成本多源异构数据采集和可视化应用和5G+工业边缘云的机器视觉检测。

01、工业互联网的概念和内涵

人类社会的现代化是伴随着工业化革命进程而发展的。始于 18 世纪 60 年代的工业革命拉开了机器加速替代手工劳动的序幕，伴随着科学技术的进步，工业革命经历了机械化、电气化、自动化三个阶段，推动人类社会以超越历史上所有时期的速度加速前进，其影响力不仅局限于最开始的工业制造领域，也改变了其它所有的行业。正如以前的三次工业革命一样，科学技术是第一推动力，信息技术的极大发展正在推动第四次工业革命的发生，而这一阶段是以智能化为特征，工业互联网正是在这一进程中出现的。

工业互联网的概念最早由美国全球领先的工业企业——通用电气（GE）于 2012 年 11 月，在其发布的《工业互联网：打破智慧与机器的边界》白皮书中提出，将工业互联网定义为一个开放、全球化的，将人、数据和机器连接起来的网络，其核心三要素包括智能设备、先进的数据分析工具、以及人与设备的交互接口。2013 年，另一个工业强国——德国，在汉诺威工业博览会上正式推出了工业 4.0 的概念，并在随后被德国政府列入《德国 2020 高技术战略》中所提出的十大未来项目之一。从工业 4.0 的内涵来看，是指利用物理信息系统（CPS：Cyber - Physical System）将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后实现快速、有效、个人化的产品供应。亚洲的工业强国——日本则从解决自身一些迫切性很强的社会问题，包括老龄化、人手不足、社会环境能源制约等角度出发，提出了社会 5.0 的概念，并将历史上的社会分为：1.0 狩猎社会、2.0 农耕社会、3.0 工业社会、4.0 信息社会。

与之相比，社会 5.0 是超智能社会，更加注重以人为本，会发生产业、生活与生存方式的改变。社会 5.0 的内涵是以数据代替资本，从而可以用人工智能、机器人和物联网等技术来推动经济增长，并缩小贫富差距。作为工业制造大国，中国对工业互联网的关注也一直没有缺位。2016 年成立的工业互联网产业联盟（AII）将工业互联网定义为：工业互联网是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。其本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织变革。网络，数据及安全构成了工业互联网三大体系，其中网络是基础，数据是核心，安全是保障。从美国、德国、日本和中国对工业互联网的定义来看，其实质是一致的。首先从其提出背景来看，一方面上一轮科技革命的传统动能规律性减弱趋势明显，导致经济增长的内生动力不足，而另一方面以互联网、大数据、人工智能为代表的新一代信息技术发展日新月异，但科技泡沫破灭带来的经济危机使得两者有加速融合的驱动力。其次从其目标来看，都是将新一代经济技术引入传统的产业中，实现工业效率和国家竞争力的提升。最后，从技术手段来看，同样强调全链条的连接、全过程的数据化和智能化。

02、工业互联网的发展趋势

工业互联网概念一经提出，得到了世界上主要国家的重视，美国于 2012 年启动了“先进制造业国家战略计划”，并在 2013 年进一步推出《制造业创新国家网络》（简称 NNMI），2014 年《振兴美国制造与创新法案》成为法律，又被称之为 Manufacturing USA，并于 2020 年 1 月对这一法案进行了修订。德国出台了包括《保障德国制造业的未来：关于实施“工业 4.0”战略的建议》、《“工业 4.0”标准化路线图》、“数字战略 2025”、“高技术战略 2025”（HTS2025）等系列政策文件。日本、英国、中国也都推出了自己的工业互联网推进政策和计划。经过近 10 年的发展，工业互联网基本已经成为全球主要工业国家的发展共识，尽管在愿景、发展目标、技术领域、行动路径等方面由于各国实际面临的国情不同，但整体上体现出以下发展趋势。

主要目标均指向先进制造业。经过对国内、国际产业形势的研判，结合自身的经济发展实际情况做出决策。美国指向延续高科技领域的领先，通过工业格局的重塑实现先进制造业的创新，开拓新产业，引领全球制造业的走向；德国立足自身制造业优势，通过推动解决面临的资源短缺、能源利用效率及人口变化等问题，通过制造过程、模式、产品的关注保证制造业的领先地位；中国则是通过先进制造技术的创新与先进信息技术的结合，实现跻身世界制造强国行业。

发展战略上均体现出国家产业政策引领的特点。不管是在强调自由市场的美国，还是德国、英国、中国等，都针对工业互联网的发展推出了国家战略和计划，推动建立行业联盟和创新计划、示范项目等。技术领域上均强调融合创新的作用。首先是制造技术的创新，主要包括新能源技术、新材料技术、新装备技术等；其次是信息技术与制造技术的融合创新，实现制造过程的自动化和智能化；第三是信息技术与产业的融合创新，实现从需求、供应链、制造、销售供给全链条的整合。行动路径上强调平台和标准化。各国均推出各自的工业互联网架构体系，并针对体系中各关键领域和环节制定标准，同时在工业互联网发展上呈现出平台化的倾向，各工业领先公司、互联网公司、国家背景研究机构等纷纷推出平台产品，在市场化的公司来看主要是卡位工位互联网关键领域，就整体来看则是集中资源以提高效率，减小推进阻力。

发展上均体现出一定的曲折性。比如尽管美国在工业互联网领域全球领先，但 GE 的工业互联网平台 Predix 在商业上并未取得成功；德国的工业互联网并未立即扭转企业的市场份额下降趋势；日本、英国在智能制造上成绩了了。工业互联网注定是一个长期的过程，只有在发展中不断调整策略，才能通过长期效应实现目标。工业互联网产业整体上处于高速增长阶段。据 Markets and Markets 统计，2018 年全球工业互联网平台市场规模初步估算达到 33 亿美元左右，较 2017 年增长 22.22%；2023 年将增长至 138 亿美元左右，年均复合增长率达 33.4%。整体工业互联网经济规模方面，据中国信通院报告分析，2018 年、2019 年我国工业互联网核心产业同比分别增长 30.1%和 22.2%。工业互联网融合带动的经济规模方面，2018 年、2019 年比上年分别增长 95.7%、62.7%。2017-2020 年期间，工业互联网融合带动的经济影响规模增长了接近 4 倍，年复合增长率达 70.5%。

03、工业互联网中的边缘计算

为了推进工业互联网的健康发展，各国纷纷定义工业互联网标准架构。如美国推出了工业互联网体系架构简称为 IIRA（Industrial Internet Reference Architecture），注重跨行业的通用性和互操作性，提供一套方法论和模型，以业务价值推动系统的设计，把数据分析作为核心，驱动工业联网系统从设备到业务信息系统的端到端全面优化。

德国的工业互联网架构简称为 RAMI4.0（Reference Architecture Model Industrial 4.0）即工业 4.0 参考架构模型。基于高度模型化的理念构建三维架构体系，通过垂直轴层（Layers）、左水平轴流（Stream）、右水平轴级（Levels）三个维度，构建并连接了工业 4.0 中的基本单元——工业 4.0 组件。理论上，任何级别的企业，都可以在这个三维架构中找到自己的业务位置。中国工业互联网体系架构由中国信息通信研究院联合制造业、通信业、互联网等企业于 2016 年 2 月共同发起成立的中国互联网产业联盟制定，目前已经更新到了 2.0 版本。包括业务视图、功能架构、实施框架三大板块，形成以商业目标和业务需求为牵引，进而明确系统功能定义与实施部署方式的设计思路，自上向下层层细化和深入。在工业互联网平台中定义了边缘计算：

工业互联网平台中的边缘层提供海量工业数据接入、转换、数据预处理和边缘分析应用等功能。

一是工业数据接入，包括机器人、机床、高炉等工业设备数据接入能力，以及 ERP、MES、WMS 等信息系统数据接入能力，实现对各类工业数据的大范围、深层次采集和连接。

二是协议解析与数据预处理，将采集连接的各类多源异构数据进行格式统一和语义解析，并进行数据剔除、压缩、缓存等操作后传输至云端。

三是边缘分析应用，重点是面向高实时应用场景，在边缘侧开展实时分析与反馈控制，并提供边缘应用开发所需的资源调度、运行维护、开发调试等各类功能。

实施框架中也定义了边缘层，实施框架是工业互联网的操作方案，以传统制造体系的层级划分为基础，适度考虑未来基于产业的协同组织，实施框架按“设备、边缘、企业、产业”四个层级开展系统建设。

其中边缘层对应车间或产线的运行维护功能，关注工艺配置、物料调度、能效管理、质量管控等应用。

工业互联网的标准制定主要依赖于一些联盟组织，如美国的工业互联网联盟（IIC）发布的 IIRA，德国工业 4.0 平台组织中的德国电气和电子工业联合会发布的 RAMI4.0，以及中国工业互联网产业联盟（AII）。这些联盟组织主要从工业互联网自身需求出发，引用或者制定边缘计算相关的标准体系，同时各联盟组织也和边缘计算相关的标准组织联合，如 ECC 已与工业互联网产业联盟（AII）、工业互联网联盟（IIC）、SDNFV 产业联盟、中国自动化学会（CAA）、Avnu Alliance 等组织建立正式合作关系，在标准制定、联合创新、商业推广等方面开展全方位合作。

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