智能制造与工业互联网

近年来，智能制造相关话题持续升温，关于智能制造的讨论也一直在持续。谈到智能制造，很多人会想到工业互联网。工业互联网是如何诞生的，它与智能制造之间存在怎样的联系，未来发展的重点在何处？不如带着疑问去文中找寻答案。

智能制造有三个重要支点，具备这三点，智能制造的体系就会比较完善。

智能制造的三个支点

一是产品。众所周知，国民经济的发展依靠产业，产业的发展依靠企业，企业的发展依靠产品。产品是企业面向社会的表现，是企业竞争力的核心表现。智能制造如果不能生产出智能的产品，智能制造就失去了时代意义。

二是装备。装备解决生产过程中“关键结点”的智能化问题。

三是过程。过程智能化解决企业生产过程，或是“全系统”，乃至企业管理和决策的智能化问题。

从产品角度看，智能产品具有三大特征。

智能制造有三个重要支点，具备这三点，智能制造的体系就会比较完善。

智能制造的三个支点

一是产品。众所周知，国民经济的发展依靠产业，产业的发展依靠企业，企业的发展依靠产品。产品是企业面向社会的表现，是企业竞争力的核心表现。智能制造如果不能生产出智能的产品，智能制造就失去了时代意义。

二是装备。装备解决生产过程中“关键结点”的智能化问题。

三是过程。过程智能化解决企业生产过程，或是“全系统”，乃至企业管理和决策的智能化问题。

从产品角度看，智能产品具有三大特征。

一是数据采集，具备必须的信息感知和采集能力。

二是智能计算，实现产品设计中定义的各种功能计算;实现从数据分析到高端计算的人工智能。

三是始终在线，自动连接和定位，自动识别和数据交换;按照需求实现边缘计算等功能。这与工业互联网的要求密切相关。

未来，嵌入式系统不仅将成为智能制造最重要、最具有代表性的技术，而且会形成一个庞大的产业链。

从装备角度看，企业关键生产装备的智能化，是实现智能制造的前提条件。没有生产装备的数字化、网络化、智能化，智能制造的一切问题都无从谈起。机器人成为重要的智能装备，自主化、无人化成为大趋势。生产装备，不仅要考虑“硬装备”，更要关注“软装备”。智能装备的主要困难目前集中在软装备上，特别是以工业软件为代表的软装备。

从过程角度看，发达国家的先进制造业，已经在关键装备（点）和过程（线）的智能化方面取得了重要进展。大集成和“全过程”的智能化提上了议事日程。

企业信息化走向大集成和系统智能，是工业4.0和工业互联网的基本出发点。下面，从企业信息化发展的历史进程，来观察和理解工业4.0和工业互联网的主要发展目标。

企业信息化早期的发展

企业信息化涉及诸多方面，包括研发、产品（设计）、生产、管理，以及业务流程和组织再造。

上世纪90年代中后期，互联网在全球普及应用之后，内部网在很多大企业内部迅速发展。内部网将企业内部的各个部门，从研发设计到生产，从原材料、零部件供应到销售，都连接成为一个整体，极大地提高了企业内部业务活动的效率和有效性。企业内部信息系统实现了一体化，数据交换打通了，但并不一定“智能”。

在内部网搭建完成，收获成效之后，外部网也在很多大企业内部迅速发展。本世纪初，外部网成为各企业与其在全球的关联单位信息系统数据交换、业务互通最便捷的手段，实现了企业外部信息系统的一体化。数据/信息交换打通了，但并不一定“智能”。

内部网和外部网的结合对企业影响非常之大，产生了非常重要的影响。例如，网络化协同平台，在企业集团产品研制和生产过程中，实现下属的各个专业生产厂和研究部门之间，跨企业的数据集成、流程集成、业务集成，支持跨地域、跨企業的联合研制和生产。又如，关联设计系统，实现在虚拟现实环境下的设计协调、干涉检查与分析。支持成百上千在线用户进行实时并行设计。使得一个系统或一台装备的总体、各子系统、机械结构等三维设计的结果相互关联。再如，全三维标注技术，在三维模型中表达零部件尺寸标注、公差要求、加工制造要求、检验要求等特征信息，直接通过三维模型传递所有零部件制造信息，保证单一数据源。

互联网在制造业的发展走向何方

有了内部网和外部网，下一步怎么办？2012年，通用电气公司提出了“工业互联网”的概念;2013年，德国政府提出了“工业4.0”战略，下面简单介绍一下上述两项内容。

工业4.0有两个要点。第一个要点是企业信息系统走向完全一体化。“工业4.0”特别强调企业信息系统的两个一体化，即纵向一体化和横向一体化。纵向一体化（内部网）是指整合不同层次（如执行装置、传感装置、控制、生产管理、制造、执行及企业计划）的各种信息系统。横向一体化（外部网）是指整合制造和业务规划流程不同阶段使用的各种信息系统，涉及公司内部（如进出厂物流、生产、营销）和公司外部（价值网络）的材料、能源、信息交换。第二个要点是要构造一个企业级的“计算机网络-物理系统（Cyber- Physical System）”，将“Cyber- Physical System”翻译为“信息物理系统”是不妥当的，没有反映出工业4.0的本质和时代的背景。工业4.0提出的“计算机网络-物理系统”是一个智能化、自动化、人机物一体化的大系统，一个企业信息系统端到端的解决方案。

“计算机网络-物理系统”与嵌入式系统相伴而生，但侧重点非常不同。嵌入式系统是为产品的计算机化服务，强调的是一个物理系统中内含的计算机系统的设计和构造，以扩大产品的功能，提高产品的性能。“计算机网络-物理系统”则更进一步研究一个物理系统与其内含的计算机系统如何协同一致、高效精确地工作，特别是人机互动对系统性能的影响。

“计算机网络-物理系统”带来了很多理论上需要研究的问题，需要发展新一代的“系统工程学”。核心问题是物理系统与计算机系统的实时互动。

工业互联网的概念是什么？2015年6月，IIC（美国工业互联网联盟）发布了工业互联网参考架构，一个工业互联网系统由内至外分为三层，即企业层、平台层、边缘层，各层功能非常清晰。

数据分析和处理在工业互联网系统中极为重要，包括：端点数据的获取、从数据中提取信息的先进数据处理技术，各种决策模型的分析计算，以及系统结果的输出和控制，充分应用信息技术和智能技术的先进成果。

无论是工业4.0还是工业互联网，都可以归纳为5C架构，即智慧连接层（Smart Connection）、数据信息转换层（D/I Conversion）、计算网络层（Cyber）、认知层（Cognition）、配置层（Configuration）。第一层是智慧连接层，要保障企业能够无障碍地获取所需的各种数据，这是最重要的一层;第二层是数据信息转换层，对数据进行智能分析和知识挖掘，得到有价值的信息;第三层是计算网络层，在信息中心枢纽将来自第二层的数据与期望值进行对比分析，对比分析结果送到第四层;第四层是认知层，确认监控资产或设备状况、用户可视和支持决策;第五层是配置层，实现由网络空间至物理空间的反馈，完成实际操作。

工业4.0（工业互联网平台）的5层架构中，计算机和网络“无层不在”，构成了一个以企业为中心的，包括人、（计算）机、物在内的、复杂的反馈系统。计算机和计算机网络给系统带来的将是“智能”，不仅仅是数据的流通和交换。

工业4.0更清晰地描述了企业信息化下一步的目标：智能物理系统，而不只是“基于互联网”。因此，工业4.0对企业信息化的走向给出了更为清晰的表述。过去几十年中，企业信息系统向大集成演进，依次是系统集成、应用集成、业务集成、企业集成。“工业4.0或工业互联网平台”是一个以企业为中心的平台，不是一个“工业”或“产业”的平台，这点我们不应该有误解。

工业互联网平台的演变

工业互联网平台是一个理想的、企业实现“全过程”智能化的系统工程。设想非常完美，系统非常复杂。不能把工业互联网平台理解为智能制造的全部，它只是解决了一个过程的智能化，解决不了产品和装备的智能化。

工业4.0（工业互联网）运行的核心是数据，数据主要来自三个方面：一是企业计算机和网络中储存的信息;二是与企业相关的人的信息;三是与企业相关的物的信息。

有了这些数据，工业互联网系统才有可能对其进行挖掘和分析（大数据技术），将之与企业预期的结果进行比较（云计算技术），通过决策模型和算法做出最优决策（人工智能技术），并对人、（计算）机、物进行调节和控制。

没有任何一个企业，即使是再大的跨国企业，有能力自建获取这些数据的全球网络。全球企业对于“数据无障碍自动获取”的共同需求，导致了对于全球物联网的紧迫需求。物联网的发展随之进入了一个“物联网2.0”的新时期，即“全联网（全球物联网）”时期。

全联网实际上就是“万物互联网（IoE）”。全球所有的对象（Objects）可以通过统一的、可识别的标识地址和标准的通信协议，形成一个彼此互联、按需交换信息的全球网络。全联网将成为下一代互联网。

如今，工业物联网成为全联网当前发展的重点。2015年6月，美国工业互联网联盟发布了工业互联网参考架构，2017年1月其发布了工业互联网参考架构V1.8版。此外，截止至2016年2月，美國工业互联网联盟公开发布了10个工业互联网解决方案试验床（Testbeds）。目前，业界关注的重点已经由“发展工业互联网”演变为以推动工业物联网（IIoT）的应用发展为主要切入点。

国际上，有人将全联网分为工业物联网（IIoT）和消费物联网（CIoT），并对二者进行了比较。当前，工业物联网是全联网发展的重点方向。因为“智能的物”可以给重要的产业带来其需要的核心数据：跟踪库存、管理设备、提升效率、降低成本，甚至保护生命。

（本文根据国家信息化专家咨询委员会原常务副主任、国家制造强国建设战略咨询委员会委员周宏仁在“2020国家制造强国建设专家论坛”上的演讲整理而成，未经演讲人审阅。）