1.2 行业普及： 中国制造2025和工业互联网（2018）

去年夏天，被朋友约稿，说是要给各省经信委的工作人员出本书，后来朋友们时间和工作负担都不够，独自赶着编稿，节奏没跟上出版社工作流程，导致出书失利。后来非常畏惧正规出版社那么多的流程和麻烦出版意愿剧减。鉴于工业互联网事业如火如荼，某认为稿件烂在电脑里面，肯定没价值。独乐乐不如众乐乐，决定在网上post出来和大家分享分享。正好最近刚买到观察员的身份，没想好要写点啥帖子，先暑假期间，拿到观察者网上晒晒。2019年中美贸易战大热，科技发展目测没超出2018年的内容范围，很开心拿出来给大家普及普及。我们生活在这个时代，也见证着这时代发生的变化。希望此系列能给观察者网的好友们一定的知识铺垫，有利于你们现在从事的事业和项目，更好的建设我国的制造业能力和国家能力。某在企业管理咨询和企业信息化圈里面浸淫多年，很乐意帮助有需要的读者，若有问询指教可以直接回复和私信。本稿本着天下文章一大抄，抄来抄去有提高的精神非百分百原创原撰。所以有见到相看似相识的段落，请勿为怪！

第一讲 工业革命新时代 之

    第二节 国际工业的数字化转型

从全球来看，美国和德国是两个有着清晰的利用信息化技术推动工业和制造业发展战略的两个国家。美国先进制造发展战略、德国“工业4.0”发展战略均聚焦于推动工业互联网发展，其产业联盟是重要抓手。国外工业互联网联盟机构在推动信息技术与制造技术深度融合，促进工业数字化、互联化、智能化的发展进程中起到推波助澜的作用。下面先介绍十多年前学术界出现的新词“信息物理系统Cyber-Physical System”，简写为CPS，也有翻译成“赛博物理系统”的。

一、信息物理系统

2005年5月，美国国会要求美国科学院评估美国的技术竞争力，并提出维持和提高这种竞争力的建议。同年10月，基于此研究的报告《站在风暴之上》发表。2006年2月发布的《美国竞争力计划》把信息物理系统（CPS）当成最重要研究项目立项。2007年7月，美国总统科学技术顾问委员会赞助推出《挑战下的领先——竞争世界中的信息技术研发》报告，报告罗列出8大关键的信息技术，其中CPS位列首位。2014年6月30，美国商业部下属的国家标准技术局成立了信息物理系统公共工作组。该工作组聚集众多科学家和工程技术专家学者来对信息物理系统的标准、特性、核心和框架给予定义和塑造。该工作组还对多个行业，诸如制造、运输、能源、保健等领域，推广和衍生出基于信息物理系统的核心和框架的各种行业应用系统。信息物理系统是计算进程和物理进程的交互网络和统一体，是集成计算、通信与控制于一身的新一代信息化智能系统。信息物理系统通过人机交互接口实现和物理进程的交互，通过网络化空间，可以远程地、可靠地、实时地、安全地、协作地方式来操控物理实体。信息物理系统包含未来无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，这让物理系统能具备计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。信息物理系统强调计算资源与物理资源的紧密结合与协调。在环境感知的基础上，通过可控、可信、可扩展的网络；通过安全、可靠、实时的数字化计算；信息物理系统全面融合计算、通信和控制以及物理实体的操作；可以实现各种正负反馈的系统循环。随着物理世界和信息世界的深度融合和实时交互，信息物理系统就能增加或扩展出截然不同，崭新表现的新系统以及系统之上的系统。

信息物理系统涉及应用领域非常广泛，可以包括智能电网水网、智能基础设施、智能交通系统、新航天航空系统、建筑气候系统、城市环境系统、可穿戴人体增强、新医疗系统、智能制造生产等很多领域。如果说互联网的普及给人类社会带来翻天覆地的变化，那么CPS的推广和普及将强烈冲击人类社会现状，带来前所未有的工业和社会革命。

CPS高度重视通信和网络能力。在人们日常居家生活中的各种家电都具有控制功能，但大部分控制系统是封闭的独立系统。从20世纪40年代美国麻省理工学院发明了数控技术开始，工业界已经广为使用各种基于嵌入式计算机的工业控制系统，工业自动化早已成熟遍地开花。已有的某些工控网络具有联网和通信的基础功能，但其内部总线基本都使用专业私有的工业控制总线，其通信距离很短，通信功能比较弱，网络内部各个独立的子系统或者说设备难以通过开放总线或者互联网进行互联。CPS把通信放在与计算和控制同等地位上，CPS强调的分布式系统中物理设备之间的协调是离不开通信的。CPS网络对内部设备的远程协调、自治能力的要求，网络控制对象的种类和数量规模，都远远超过现有的工控网络。CPS将有形的机器设备联网，连到互联网，可以赋予机器设备计算、通信、精确控制、远程协调和自治等五大功能。本质上说，CPS是具有互操作、自组织、实时交互、逐级控制，能实现某种社会或生产活动的智能网络系统，可以通过微系统组织成大系统，大系统组织成巨系统。CPS将整个世界互联起来，如同互联网改变了人与人的互动一样，CPS将会改变我们与物理世界的互动。

CPS不是物联网。物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，把世界上各种实体物体连接起来的网络。在这个网络中，物体(产品)能够彼此进行信息交换而无需人的干预。CPS对接入网络的设备的计算能力的要求远非射频自动识别技术能比。以基于CPS的智能交通为例，虽然目前人们使用的汽车都嵌入众多具有计算功能的微电子系统，但是这些嵌入式系统的计算能力还远未达到CPS对汽车之间的协同能力的要求。物联网中的物体（产品）大多不具备满足控制和自治能力的海量计算能力，仅仅是实现少量数据交换而已。物联网中的通信多是单向的从物品（产品）到服务器或者云系统，物体（产品）之间并不存在协同操作。

CPS概念可以涵盖从小到智能家庭网络大到工业控制系统乃至智能交通系统等国家级甚至世界级的应用。这种涵盖并不仅仅是将现有物理实体简单地连接，还要催生出众多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的设备。下一代工业体系必然将建立在CPS之上。随着CPS技术的发展和普及，使用计算机和网络实现功能扩展的物理设备无处不在，必将推动工业产品和技术的升级换代，极大地提高汽车、航空、航天、国防、工业自动化、健康医疗、重大基础设施等主要工业领域的竞争力。CPS不仅会催生出新的工业，甚至会重组合再造现有产业布局。

CPS中的复杂网络是应用创新前沿。复杂网络在经历多年的发展之后，目前正朝众多应用领域前进。CPS的出现给复杂网络领域的研究者带来无限机遇。CPS最大的特点就在于它是由很多具有通信，计算和决策控制功能的设备组成的智能网络，设备之间通过相互作用使得整个系统处于稳定可控状态。大家如果记得，2018年央视春晚，出现过无人船航行表演【6】。里面每一艘无人船航行中都要实时报出出自己的位置、航速、方向，同时必须接受领队控制网络的实时控制信息，做到实时协同加、减速、转弯等操作。所有小艇行动一致，才能在水面上产生可控制的队形和图案，产生表演效果。在无人船控制领域，大规模多艇协同航行是公认的技术难题。类似的CPS系统设计可以应用于很多其他的应用场景。CPS智能交通系统中自主智能驾驶车辆之间，可以协同出最佳行车次序和路线，实时预判实现安全驾驶通过；电网系统中各个站点可以通过实时信息传递，同步实现动态负荷调整，避免大规模级联故障出现。这些系统的运行过程都是复杂网络的动力学过程实际展现。CPS运行过程必须要集合信息传播、同步、博弈等多种复杂网络的动力学过程。CPS的出现为复杂网络研究提出巨大挑战和多种课题，复杂网络的理论研究也必将极大地推进CPS的研发和应用。

二、德国工业4.0

“工业4.0“最先的详细解读发布于2013年4月的德国国家科学工程院——acatech的工业4.0工作小组的工作报告【32】。这个报告的名称是“对于实施工业4.0战略行动的建议——安定德国制造业的未来”。 大家一定要理解德国的工业4.0战略行动的目标就是保证德国制造业在全球制造业发展中的领先地位和产业未来。“工业4.0”作为一个战略行动的名称，最早是在2011年举行的汉诺威工业博览会上，率先由德国政府推出的“高科技战略2020行动计划”项目提出的。项目团队中的合作企业包括西门子、博世、大众汽车、戴姆勒、汉莎航空等等，而研究机构就是神秘而又著名的“弗劳恩霍夫研究所”。弗劳恩霍夫研究所作为主导研究机构，参与了德国工业4.0战略(2013年)的起草，并落实到其下属的多项生产领域的研究中。德国学术界对于“工业4.0“的定义，就是第四次工业革命，是基于信息物理系统的第四次工业革命。

由于现代各种有线、无线通信技术的发展和更小更便携的计算设备的广泛应用，整个社会已经构建起了一个极为广泛便利无处不在的信息化智能化的网络基础。整个社会的互联网化和设备小型化，使得随处计算已经成为生活中的现实。各种强大的工业嵌入式计算设备也通过有线或者无线的方式接入到企业内网或者互联网，形成信息数字化空间和现实物理世界的交汇和聚合。现代信息通信技术使得信息世界和物理世界相互汇聚。以互联网接入无处不在，小型化便携个人设备广泛可得，高计算存储密度计算机迅速普及，新IPv659互联网协议对巨量设备接入的支持为基础，人类历史前所未有的获得一个机会，可以把人、物体、信息、各种客观物体、生产资料通过有线或者无线互联网络连接起来。基础工业和制造业能够利用这种信息化技术能力来改善工业的方方面面，第四次工业技术革命就此诞生和发展。这是一个基于信息世界和物理世界互操作技术来推动的工业技术革命，德国学术界把这崭新和即将来到的工业革命强行命名为“工业4.0”。

18世纪末，英国率先开动的蒸汽机和水力推动的纺织机械化工业革命被认为是第一次工业革命——“工业1.0”。“工业1.0”时代，人类发明出一种新的机械方法，能高效利用蒸汽能——煤燃烧后加热水体蒸发转换出的结果。此工业革命之前人类所能利用不过是人力畜力转换的机械能。蒸汽动力带动的机械生产使得机器变得越来越强大、越来越复杂、越来越高级。人类社会生产活动的规模远远超过前代。“工业1.0”深刻的改变和提高了人类社会工业生产的能力、规模和效率。

20世纪初，第二次全球工业革命在西方国家全面爆发，人类进入“工业2.0”时代——电气时代。新科技在整个西方工业国家全面发展和兴起，奠定了几乎所有的重工业基础。新工业产品层出不穷，诸如内燃机、燃气轮机、发电机、交流电、煤化工、石油化工、钢铁、汽车、电报、电话等都是这个工业时代的产物。总装线生产方式和电气控制系统开始出现。工业界广泛的利用电能来从事各种工业生产，工业生产出现大规模的分工，零部件和最终产品生产成功分离。在更大的规模和速率上，工业生产效率达到新的高度。

20世纪70年代，随美国之后，德国日本都相继发明出可编程逻辑控制器（PLC43）并在工业领域展开大规模的使用。与此同时，机械加工领域，尤其是在精密机床和自动化机床领域开始广泛使用计算机数字控制系统（CNC10）。计算机技术和电子元器件技术的发展，推动了“工业3.0”——暨第三次工业革命的产生，发展和壮大。“工业3.0”的特点就是工业生产过程中广泛的嵌入以微型计算机电路板控制线路为基础的数字化技术，在更高水平的自动化生产中实现效率，质量和加工精度的全面提升。机械和机器不仅能取代传统人类体力劳动，还在相当程度上取代人类独有的，判断和思考的脑力工作。

德国工业界对“工业4.0”能带来的未来变化做出如下展望：

1）继续保持德国制造业尤其是装备制造业的领先地位。

2）改善德国制造业的工作环境，降低制造业工作的体力消耗，使得老弱劳动力可以充分就业。提供更高劳动生产率的同时，还能保证劳动者的个人尊严和生活时间，不用延长每日个体劳动时间。

3）工业品不再是千篇一律。消费者在产品生产周期和成本不增长的情况下可以广泛地得到个性化的产品供应。

4）工业生产可呈现柔性化生产形态。单一生产线和生产设施能生产多型号和序列的最终产品。柔性化生产形态提高生产设施——资产的利用率，让整个产业界更具经济性，竞争力得到提高。

5）通过更全面的信息，企业信息化系统可以提供更快更准确的决策支撑，整个工业界可以更好的应对市场变化和全球经济变化。

6）诱发新的商业模式，工业企业从交付产品转化成交付服务、交付使用量和满意度。“工业4.0”促进更广泛的社会分工，改变社会组织形态，提供更多个体创新的空间和可能，甚至会导致新的工商业和公司制度出现，推动公司经营和管理变革。

德国工业4.0通过几个阶段而不断发展。德国国家科学和工程院（acatech）发展和完善“工业4.0”这个概念后，德国科学界、工业界的联合体与政治家一起，向德国联邦政府建议在几个特定的领域培育数字化。2015年4月，德国经济技术部、教育研究部成为“工业4.0”平台的指导机构。而后更多企业、科技、工会组织也成为平台成员。

最终德国政府将工业4.0从一个项目，最终确立为国家级的工业4.0战略。2015年3月，德国正式提出工业4.0的参考架构模型，它是德国“工业4.0”的顶层设计。这是一个三维模型，定义出“层、流、级”三个维度，分别是生产层、生命周期价值流、系统级。而在每一个维度上，都有相应的技术指南和标准。

德国工业4.0平台参考架构模型

“工业4.0”与平台经济密切相关，最重要的关联点就是智能工厂。在智能工厂中，整个生产流程和供应链可以虚拟化，而且高度柔性化。最极端的批量为1件产品。这些都由单独的个人订单所驱动。在智能工厂可以广泛地生产智能产品，后者是高度互联的物理实体、设备和机器，从而产生大量的数据。通过有意义的分析、解读、连接和补充，这些数据可以重新定义，成为“智能数据”。基于这一点，企业不仅仅可以有效地控制、维护和提升智能产品，而且可以生成知识，从而作为“智能服务”的基础。实际上，智能服务是全新的、定制化的服务，并且基于数据驱动的商务模式，从而提供了更多商业化的机会。

要提供智能服务，所有的机器、设施和工厂都必须通过数字化平台连接到互联网上，而这个数字化平台就会逐渐演化成一个生态系统。这个生态系统有一个基本原则，那就是“即插即用”。通过数字服务平台，一个公司的服务就可以模块化，与第三方的各种服务平台有机结合，共同对外来满足用户的各种实时需求。在平台经济或者服务驱动的商业模式下，单独的供应商和其产品就不再是重点，重点都转移到用户的个性化需求上。从工业生产的实例来看，一个压缩机不再是出售空压机，而是将“提供压缩空气”当作一种服务。这就打破了既有的商业模式，代表了一种新的范式转换。高品质的产品供应商，将转向搭建基于产品提供服务或者智能服务的系统。

三、美国工业互联网

2012年，美国GE公司期望自己能够转型成为软件业企业，首先提出工业互联网——Industrial Internet of Things(IIOT)的概念。2014年3月，美国五家顶级企业作为主要代表，发起了工业互联网联盟——Industrial Internet Consortium（IIC)。这五家企业分别是GE、AT&T、IBM、Intel、思科，一开始由GE主导。在此之前，后四家通信、IT公司都有相关的物联网概念提出，AT&T倡导“M2M”，IBM推出“智慧地球”，而思科打造了万物互联——Internet of Everything（IOE)。各家的概念不同，但愿景一致，其发展方向不仅是像“工业4.0”那样实现制造业的信息化和智能化，更是希望实现各产业整体的数字化转型。IIC刚成立时主要成员集中在电信和IT领域，工业企业相对较少。到了2015年初，工业4.0平台中的西门子、博世、SAP加入了工业互联网联盟。IIC主要的工作目标是为物联网制定标准，在2015年6月，发布工业互联网标准化的参考架构模型：美国工业互联网参考架构——Industrial Internet ReferenceArchiteture (IIRA)版本1.7。IIRA是朝向物联网工业部门开放、创新和蓬勃发展的技术开发生态系统迈出的第一步。工业互联网是机器、物品、控制系统、信息系统、人之间互联的网络，为智能制造提供信息感知、传输、分析、反馈、控制支撑。对象管理组织——Object Management Group (OMG)管理美国工业互联网联盟。工业互联网要实现技术创新、互联互通、系统安全和产业提升均离不开标准化的引领。2017年1月底发布了IIRA版本1.8，继续为IIoT群体提供技术或其它方面的有效的指导。

IIC发布的IIRA包括商业视角、使用视角、功能视角和实现视角四个层级，并论述了系统安全、信息安全、弹性、互操作性、连接性、数据管理、高级数据分析、智能控制、动态组合九大系统特性。

美国工业互联网参考架构

工业互联网四层视角：

1、商业视角。从商业视角来看，在企业中建立工业互联网系统之后，利益相关者的企业愿景、价值观和企业目标被更多聚焦。它进一步明确了工业互联网系统如何通过映射基本的系统功能去达到既定目标。这些问题都是以企业为主体，特定的企业决策者、产品经理和系统工程师会对此产生兴趣，如果将商业实现与复杂系统流程对接。

2、使用视角。使用视角指出系统预期使用的一些问题，它通常表示为涉及在最终实现其基本系统功能的人或逻辑用户活动序列。这些问题通常牵涉到系统工程师、产品经理和其他利益相关者，包括参与到工业互联网系统规范制定和代表最终使用用户的人。

3、功能视角。功能视角聚焦工业互联网系统里的功能元件，包括他们的相互关系、结构、相互之间接口与交互，以及与环境外部的相互作用，来支撑整个系统的使用活动。该视角确定了商业、运营、信息、应用和控制五大功能领域，对系统组件建筑师、开发商和集成商有强大的吸引力。

4、实现视角。实现视角主要关注功能部件之间通信方案与生命周期所需要的技术问题。这些功能部件通过活动来实现协调并支持系统能力。此视角所关注的问题与系统组件工程师、开发商、集成商和系统运营商有密切联系。

工业互联网的系统特性：

1、系统安全。系统安全是系统运转的主要核心问题，单个组件的安全不能保证整个系统的安全，缺乏系统行为预测前提下很难预警系统安全问题。

2、信息安全。为了解决工业互联网中的安全、信任与隐私问题，必须保障系统端到端信息安全。

3、弹性。弹性系统需要有容错、自我配置、自我修复、自我组织与计算的自主计算概念。

4、互操作性。工业互联网系统由不同厂商和组织的不同组件装配而成，这些组件需确保基于兼容通信协议的相互通信功能，基于共同概念模型互相交换与解释信息，基于交互方期望在重组方式下相互作用。

5、连接性。无处不在的连接是工业互联网系统运行的关键基础技术之一，针对系统内的分布式工业传感器、控制器、设备、网关和其他子系统，有必要定义新的连接性功能层模型。

6、数据管理。工业互联网系统数据管理包含涉及从使用角度考虑的任务角色和从功能角度看的功能功能组件的具体协调活动，如数据分析、发布与订阅、查询、存储与检索、集成、描述和呈现、数据框架和权限管理。

7、高级数据分析。分析与先进的数据处理过程将来自传感器的数据进行转换与分析，从而提取能提供特定功能的有效信息，给运营商有见地的建议，支持实时业务与运营决策。

8、智能控制。智能控制提出相关的概念模型，并就如何建立智能弹性控制提出关键的概念。

9、动态组合。工业互联网系统需要对各种来源的分散组件进行安全、稳定和可扩展组合。这些组合通常基于不同协议，提供可靠地端到端服务。

工业互联网参考架构(IIRA)将现存的和新兴的标准统一在相同的结构中，与此同时，IIC正建立垂直领域应用案例分类表，在参考架构下体系化推进应用。IIRA v1.8添加了一些新的实质性的内容，例如探讨IIRA功能域如何映射到计算部署的连续空间，反映了IIoT架构中的最新的在边缘计算方面的思考。作为确定IIoT系统内部和跨系统的互操作性需求和解决方案的基础，支持产业垂直系统内部和跨产业的广泛互操作性。美国工业互联网的关注点与发力点比较注重软件、云计算、大数据等对于工业领域服务方式的颠覆，着力于工业互联新型平台的研发投入和推广，看重企业业务合作和资本布局。

2016年3月，“工业4.0”平台和工业互联网联盟的代表在瑞士苏黎世探讨分别推出的工业4.0参考架构模型和工业互联网参考架构的潜在一致性，从结果看，双方对两种模型的互补性达成共识，制订确保可互操作的技术路线图，并促成工业互联网中标准化、架构和业务成果方面的若干合作，为更多国家和企业融入工业互联网生态圈铺平道路。同时，双方联合成立非正式工作组，该工作组将维续致力于探索“工业4.0”平台和工业互联网联盟之间协调合作的可能性与主要方向。

“工业4.0”是以生产车间为核心的信息化革命，工厂的数字化和智能化是产业升级的核心部分，互联网、大数据、云计算、以及大众消费市场的服务，都处于体系的边缘位置。德国“工业4.0”主要关注的是复杂生产场景中的工业自动化、软/硬件的融合和内部信息系统的智能化。“工业4.0”更关注工厂内部的制造环节，对大数据和互联网并不特别关注。美国工业互联网从信息系统出发，去触动产业链整体的智能化。工业互联网意在通过提供互联网上的计算服务，提升传统工业企业的IT和软件实力，在面向工业领域企业的服务中获取价值，并实现产业升级。工业互联网中的IT企业通常会从自身擅长的互联网、云计算等信息技术领域入手，将大数据和人工智能注入进工业领域的企业系统中，触发产业创新和升级。工业互联网的主旨是提供信息化服务，与工业结合并创造价值。德国的“工业4.0”和美国的工业互联网各有优势和短板，整体架构之间有一定的映射关系。“工业4.0”钻研的是制造业的价值链重构，工业互联网则聚焦在跨领域的工业互联服务。 

点评下，德国人还像二战时候一样的缺谋略，美国人对产业研究有更独到的见解！从中国人的角度看，“小孩子才做选择题，成年人当然是全都要”。

下一节是 “第三节 中国制造2025，向先进制造业前进”