智能制造與工業互聯網

近年來，智能制造相關話題持續升溫，關于智能制造的討論也一直在持續。談到智能制造，很多人會想到工業互聯網。工業互聯網是如何誕生的，它與智能制造之間存在怎樣的聯系，未來發展的重點在何處？不如帶著疑問去文中找尋答案。

智能制造有三個重要支點，具備這三點，智能制造的體系就會比較完善。

智能制造的三個支點

一是產品。眾所周知，國民經濟的發展依靠產業，產業的發展依靠企業，企業的發展依靠產品。產品是企業面向社會的表現，是企業競爭力的核心表現。智能制造如果不能生產出智能的產品，智能制造就失去了時代意義。

二是裝備。裝備解決生產過程中“關鍵結點”的智能化問題。

三是過程。過程智能化解決企業生產過程，或是“全系統”，乃至企業管理和決策的智能化問題。

從產品角度看，智能產品具有三大特征。

智能制造有三個重要支點，具備這三點，智能制造的體系就會比較完善。

智能制造的三個支點

一是產品。眾所周知，國民經濟的發展依靠產業，產業的發展依靠企業，企業的發展依靠產品。產品是企業面向社會的表現，是企業競爭力的核心表現。智能制造如果不能生產出智能的產品，智能制造就失去了時代意義。

二是裝備。裝備解決生產過程中“關鍵結點”的智能化問題。

三是過程。過程智能化解決企業生產過程，或是“全系統”，乃至企業管理和決策的智能化問題。

從產品角度看，智能產品具有三大特征。

一是數據采集，具備必須的信息感知和采集能力。

二是智能計算，實現產品設計中定義的各種功能計算;實現從數據分析到高端計算的人工智能。

三是始終在線，自動連接和定位，自動識別和數據交換;按照需求實現邊緣計算等功能。這與工業互聯網的要求密切相關。

未來，嵌入式系統不僅將成為智能制造最重要、最具有代表性的技術，而且會形成一個龐大的產業鏈。

從裝備角度看，企業關鍵生產裝備的智能化，是實現智能制造的前提條件。沒有生產裝備的數字化、網絡化、智能化，智能制造的一切問題都無從談起。機器人成為重要的智能裝備，自主化、無人化成為大趨勢。生產裝備，不僅要考慮“硬裝備”，更要關注“軟裝備”。智能裝備的主要困難目前集中在軟裝備上，特別是以工業軟件為代表的軟裝備。

從過程角度看，發達國家的先進制造業，已經在關鍵裝備（點）和過程（線）的智能化方面取得了重要進展。大集成和“全過程”的智能化提上了議事日程。

企業信息化走向大集成和系統智能，是工業4.0和工業互聯網的基本出發點。下面，從企業信息化發展的歷史進程，來觀察和理解工業4.0和工業互聯網的主要發展目標。

企業信息化早期的發展

企業信息化涉及諸多方面，包括研發、產品（設計）、生產、管理，以及業務流程和組織再造。

上世紀90年代中后期，互聯網在全球普及應用之后，內部網在很多大企業內部迅速發展。內部網將企業內部的各個部門，從研發設計到生產，從原材料、零部件供應到銷售，都連接成為一個整體，極大地提高了企業內部業務活動的效率和有效性。企業內部信息系統實現了一體化，數據交換打通了，但并不一定“智能”。

在內部網搭建完成，收獲成效之后，外部網也在很多大企業內部迅速發展。本世紀初，外部網成為各企業與其在全球的關聯單位信息系統數據交換、業務互通最便捷的手段，實現了企業外部信息系統的一體化。數據/信息交換打通了，但并不一定“智能”。

內部網和外部網的結合對企業影響非常之大，產生了非常重要的影響。例如，網絡化協同平臺，在企業集團產品研制和生產過程中，實現下屬的各個專業生產廠和研究部門之間，跨企業的數據集成、流程集成、業務集成，支持跨地域、跨企業的聯合研制和生產。又如，關聯設計系統，實現在虛擬現實環境下的設計協調、干涉檢查與分析。支持成百上千在線用戶進行實時并行設計。使得一個系統或一臺裝備的總體、各子系統、機械結構等三維設計的結果相互關聯。再如，全三維標注技術，在三維模型中表達零部件尺寸標注、公差要求、加工制造要求、檢驗要求等特征信息，直接通過三維模型傳遞所有零部件制造信息，保證單一數據源。

互聯網在制造業的發展走向何方

有了內部網和外部網，下一步怎么辦？2012年，通用電氣公司提出了“工業互聯網”的概念;2013年，德國政府提出了“工業4.0”戰略，下面簡單介紹一下上述兩項內容。

工業4.0有兩個要點。第一個要點是企業信息系統走向完全一體化?！肮I4.0”特別強調企業信息系統的兩個一體化，即縱向一體化和橫向一體化?？v向一體化（內部網）是指整合不同層次（如執行裝置、傳感裝置、控制、生產管理、制造、執行及企業計劃）的各種信息系統。橫向一體化（外部網）是指整合制造和業務規劃流程不同階段使用的各種信息系統，涉及公司內部（如進出廠物流、生產、營銷）和公司外部（價值網絡）的材料、能源、信息交換。第二個要點是要構造一個企業級的“計算機網絡-物理系統（Cyber- Physical System）”，將“Cyber- Physical System”翻譯為“信息物理系統”是不妥當的，沒有反映出工業4.0的本質和時代的背景。工業4.0提出的“計算機網絡-物理系統”是一個智能化、自動化、人機物一體化的大系統，一個企業信息系統端到端的解決方案。

“計算機網絡-物理系統”與嵌入式系統相伴而生，但側重點非常不同。嵌入式系統是為產品的計算機化服務，強調的是一個物理系統中內含的計算機系統的設計和構造，以擴大產品的功能，提高產品的性能?！坝嬎銠C網絡-物理系統”則更進一步研究一個物理系統與其內含的計算機系統如何協同一致、高效精確地工作，特別是人機互動對系統性能的影響。

“計算機網絡-物理系統”帶來了很多理論上需要研究的問題，需要發展新一代的“系統工程學”。核心問題是物理系統與計算機系統的實時互動。

工業互聯網的概念是什么？2015年6月，IIC（美國工業互聯網聯盟）發布了工業互聯網參考架構，一個工業互聯網系統由內至外分為三層，即企業層、平臺層、邊緣層，各層功能非常清晰。

數據分析和處理在工業互聯網系統中極為重要，包括：端點數據的獲取、從數據中提取信息的先進數據處理技術，各種決策模型的分析計算，以及系統結果的輸出和控制，充分應用信息技術和智能技術的先進成果。

無論是工業4.0還是工業互聯網，都可以歸納為5C架構，即智慧連接層（Smart Connection）、數據信息轉換層（D/I Conversion）、計算網絡層（Cyber）、認知層（Cognition）、配置層（Configuration）。第一層是智慧連接層，要保障企業能夠無障礙地獲取所需的各種數據，這是最重要的一層;第二層是數據信息轉換層，對數據進行智能分析和知識挖掘，得到有價值的信息;第三層是計算網絡層，在信息中心樞紐將來自第二層的數據與期望值進行對比分析，對比分析結果送到第四層;第四層是認知層，確認監控資產或設備狀況、用戶可視和支持決策;第五層是配置層，實現由網絡空間至物理空間的反饋，完成實際操作。

工業4.0（工業互聯網平臺）的5層架構中，計算機和網絡“無層不在”，構成了一個以企業為中心的，包括人、（計算）機、物在內的、復雜的反饋系統。計算機和計算機網絡給系統帶來的將是“智能”，不僅僅是數據的流通和交換。

工業4.0更清晰地描述了企業信息化下一步的目標：智能物理系統，而不只是“基于互聯網”。因此，工業4.0對企業信息化的走向給出了更為清晰的表述。過去幾十年中，企業信息系統向大集成演進，依次是系統集成、應用集成、業務集成、企業集成?！肮I4.0或工業互聯網平臺”是一個以企業為中心的平臺，不是一個“工業”或“產業”的平臺，這點我們不應該有誤解。

工業互聯網平臺的演變

工業互聯網平臺是一個理想的、企業實現“全過程”智能化的系統工程。設想非常完美，系統非常復雜。不能把工業互聯網平臺理解為智能制造的全部，它只是解決了一個過程的智能化，解決不了產品和裝備的智能化。

工業4.0（工業互聯網）運行的核心是數據，數據主要來自三個方面：一是企業計算機和網絡中儲存的信息;二是與企業相關的人的信息;三是與企業相關的物的信息。

有了這些數據，工業互聯網系統才有可能對其進行挖掘和分析（大數據技術），將之與企業預期的結果進行比較（云計算技術），通過決策模型和算法做出最優決策（人工智能技術），并對人、（計算）機、物進行調節和控制。

沒有任何一個企業，即使是再大的跨國企業，有能力自建獲取這些數據的全球網絡。全球企業對于“數據無障礙自動獲取”的共同需求，導致了對于全球物聯網的緊迫需求。物聯網的發展隨之進入了一個“物聯網2.0”的新時期，即“全聯網（全球物聯網）”時期。

全聯網實際上就是“萬物互聯網（IoE）”。全球所有的對象（Objects）可以通過統一的、可識別的標識地址和標準的通信協議，形成一個彼此互聯、按需交換信息的全球網絡。全聯網將成為下一代互聯網。

如今，工業物聯網成為全聯網當前發展的重點。2015年6月，美國工業互聯網聯盟發布了工業互聯網參考架構，2017年1月其發布了工業互聯網參考架構V1.8版。此外，截止至2016年2月，美國工業互聯網聯盟公開發布了10個工業互聯網解決方案試驗床（Testbeds）。目前，業界關注的重點已經由“發展工業互聯網”演變為以推動工業物聯網（IIoT）的應用發展為主要切入點。

國際上，有人將全聯網分為工業物聯網（IIoT）和消費物聯網（CIoT），并對二者進行了比較。當前，工業物聯網是全聯網發展的重點方向。因為“智能的物”可以給重要的產業帶來其需要的核心數據：跟蹤庫存、管理設備、提升效率、降低成本，甚至保護生命。

（本文根據國家信息化專家咨詢委員會原常務副主任、國家制造強國建設戰略咨詢委員會委員周宏仁在“2020國家制造強國建設專家論壇”上的演講整理而成，未經演講人審閱。）