工业互联网与能源互联网对比及其融合发展探析

陈 磊，杨建新，黄思翰，范 鑫，李雅静

（1.中国工程院战略咨询中心，北京 100088；2.中国兵器工业信息中心，北京 100089；3.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；4.北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144；5.北京交通大学建筑与艺术学院，北京 100091）

1 研究背景

进入21 世纪之后，信息通信技术创新和迭代演进速度不断加快［1］，信息技术与能源、材料等技术呈现渗透、交叉、融合发展的趋势，进而催生出若干新兴技术和新兴产业，引发新的技术变革和产业革命［2］。“工业4.0”概念的正式提出，拉开了以人工智能为标志的信息革命引领和推动的第四次工业革命的序幕［3］。中国提出有关先进制造发展战略，参与到新工业革命发展方向话语权的角逐中。随着互联网、物联网、传感器、人工智能等新一代信息技术的快速发展及其与工业领域的深度融合，中国在经济社会发展中涌现出了一大批新的产业模式和新业态，创造了经济发展的新增长点［4］。随着新工业革命的推进，状态感知、万物互联、数据挖掘、智能化、协同化等逐渐成为主题，工业互联网的重要性逐渐凸显，世界各国都将工业互联网作为本国提升传统工业制造、塑造未来产业竞争力的共同选择。

随着传统能源的日益枯竭、气候环境的要求和新能源的快速发展，世界能源系统正在发生巨大变革，以多种能源之间的转化和互联为主要形式的能源互联网正在成为能源发展的新方向，推动能源新业态的产生与发展，传统的能源体系已经无法满足新工业革命提出的新要求，能源体系的网络化、智能化势在必行。新能源技术将为新工业革命创造强大的新基础设施，推动生产方式产生变革，对新工业革命的进程具有重要影响［5］。“能源互联网”概念的提出符合时代发展需求，对能源互联网的研究以及能源互联网与工业界的深度融合也是新工业革命成功的必经之路。

工业互联网和能源互联网的影响力开始显现，其中以新一代人工智能与先进制造融合形成的新一代智能制造，正在从工业领域延伸到能源、交通、医疗等其他领域，促进形成智能生态大系统——智能社会［6］。但是，到目前为止，对于工业互联网和能源互联网的研究还不够深入，工业互联网和能源互联网的概念、体系框架和核心技术等方面并未形成共识。鉴于工业互联网和能源互联网对新工业革命的重要作用，有必要对工业互联网和能源互联网的发展现状进行总结分析，对比分析它们的异同点和发展趋势，及其与新工业革命的结合点，从而更好地服务于新工业革命。

2 工业互联网和能源互联网的概念

2.1 工业互联网概念

“工业互联网”的概念最早由通用电气公司于2012 年提出［7］。工业互联网拟通过构建网络、平台、数据、安全四大功能体系，将人工智能、大数据、5G 等新一代信息技术与传统产业深度融合，把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来，实现人-机-物全面互联，形成一种全新的产业生态、产业基础设施和新技术应用模式［8］，如图1 所示。

图1 工业互联网基本体系

2.2 能源互联网概念

美国学者杰里米·里夫金［9］在其著作《第三次工业革命：新经济模式如何改变世界》中首次提出了能源互联网的构想，尝试将新能源技术和互联网技术结合起来，以解决化石能源衰竭的问题。马钊等［10］和田世明等［11］的研究指出，能源互联网是以智能电网为骨干，以互联网、云计算、大数据等信息通信技术为纽带，将智能电网与天然气网、氢能源网等多种能源网络融合在一起，实现横向多源互补、纵向“源-网-荷-储”协调的新一代能源体系，如图2 所示。

图2 能源互联网体系

3 工业互联网和能源互联网的发展现状

3.1 工业互联网发展现状

工业互联网是新一代工业革命的重要抓手，制造大国都高度重视工业互联网，想要抓住产业升级的重要契机，在工业领域实现跨越式发展。基于此，各国都在探索符合自身国情和工业发展现状的工业互联网发展之路。

西方发达国家的工业产业发展基础良好，并且长期引领着世界先进制造技术和信息技术的发展方向，因此，其在工业互联网的发展目标和侧重点方面有着更为清晰的脉络。从发展目标来看，美国发展工业互联网旨在实现工业生产全要素融合，构建“智能机器-互联网络-工业云平台”的智能制造新形态［7］；德国的工业互联网发展目标是对制造业进行智能化改造，通过信息技术将人、机器和信息融合起来，构建集成工程、生产制造、供应链和企业管理的网络协同制造系统［12］；日本政府则发布了机器人新战略——Japan's Robot Strategy，利用传感器、人工智能等技术推动机器人技术向自主化、网络化和终端数据化方向发展，并通过机器人技术提升制造业、服务业的竞争力［13］。从发展侧重点来看，美国侧重于通过信息数据的智能分析能力来提升制造业发展水平；德国将资源整合化能力当作发展重点，提出工业4.0，旨在构建信息物理系统来对制造业进行智能化改造。在研究方面，Jeschke 等［14］深度讨论了工业互联网和数字化制造融合面临的挑战和要求，及其在工业4.0 中的应用潜力；Bahga 等［15］提出了一个基于区块链技术的去中心化、点对点的工业物联网平台，对等节点无需信任中介就可以相互交互；Sisinni 等［16］对工业互联网面临的挑战、机会和未来的发展方向进行了总结分析。

国内工业互联网起步较晚，但是中国不仅具有世界上完整的工业体系，而且新一代信息技术网络规模大、范围广，为工业互联网的发展壮大奠定了重要基础。目前，以政府为主导、大型企业持续助力、中小企业应用跟进的方式，中国形成了一股强劲的工业互联网发展新势力。在顶层设计方面，国家出台了有关先进制造发展战略，以及《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》《工业互联网发展行动计划（2018—2020 年）》等一系列政策措施，为工业互联网的发展进行规划和指导。在理论研究方面，李伯虎院士等［17-19］在2010 年提出了“云制造”的概念，即利用网络化制造服务平台，按用户个性化需求重构云上虚拟制造资源，为用户提供定制化制造服务的新型网络化制造模式，之后进一步提出了云制造2.0 和云制造3.0，强调基于泛在互联网，借助新一代智能科学技术形成互联化（协同化）、服务化、个性化（定制化）、柔性化、社会化、智能化的智能制造新模式和万物互联、智能引领、数据驱动、共享服务、跨界融合、万众创新的新业态，优质、高效地完成企业制造全生命周期的各种相关活动，从而提高制造企业的市场竞争能力。在产业生态领域，2016 年中国工业互联网产业同盟发布《工业互联网体系架构（版本1.0）》，为工业互联网的实践活动提供参考架构［20］，一批龙头企业通过平台开发推动工业互联网落地，如航天科工集团的CASICloud、海尔集团的COSMOPlat 等。基于此，大量中小企业加强了上下游企业间合作关系，在信息共享、供应链金融和制造能力交易方面取得突破，推动构建工业互联网平台应用生态。

3.2 能源互联网发展现状

国外能源互联网发展相对成熟，如美国北卡罗来纳州立大学开展了未来可再生能源传输和管理系统（FREEDM）的研究，该项目在传统能源网络中引入信息互联网的系统架构和分布式开放理念［21］，重点研究高渗透分布式可再生能源发电和分布式储能并网的高效配电系统，并称之为“新型能源互联网”［22］。除了理念和技术革新，国外在能源互联网的发展过程中还形成了一批示范工程，如，2008年德国启动了E-Energy 促进计划，以信息与通信技术（information and communications technology，ICT）为基础建立能源互联网，推动传统能源体系转型升级，使全德国的能源利用更加环保、经济、安全，奠定了德国构建能源互联网的基础［23］；美国的能源互联网已经进入实际应用阶段，借助能源互联网，能源需求端可以对能源进行互联和转换，能源提供方可以根据市场需求制定最合理的销售方案；欧盟在2011 年提出了“智能能源的未来网络”的能源互联网项目，通过构建未来能源互联网平台将能源与信息融合发展，给出具有创造性的能源解决方案，从而优化能源的传输效率［22］。

中国的能源产业发展已经进入新时期，国内企业、院校和科研机构围绕能源互联网开展有关研究，探索新一代信息技术与传统能源产业融合发展模式，逐渐找到一条具有中国特色的能源互联网发展之路。在顶层设计上，从2015 年开始，中国陆续出台了《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》《能源技术革命创新行动计划 (2016—2030 年)》《关于推进“互联网+”智慧能源（能源互联网）示范项目的通知》等规划和指导意见，旨在推进能源与信息等领域新技术深度融合，统筹能源与通信、交通等基础设施网络建设，建设“源网荷储”协调发展、集成互补的能源互联网［24］。在理论研究方面，王君安等［25］对能源互联网的商业模式创新进行了研究，旨在改变传统商业模式在新形势下难以为继的局面；国家电网则提出了建设全球能源互联网的构想，以统筹全球能源资源开发、配置和利用，创造安全、清洁、高效和可持续的能源供应新体系［26］；刘奇等［27］通过简历非均衡蛛网模型对能源互联网的区域协调优化策略进行了研究；黄豫等［28］针对能源互联网的多能需求响应问题进行了研究，指出信息物理系统与接口标准化是需求响应技术的关键。在应用层面，中国在智能电网领域确定了建设坚强智能电网的总体目标，并提出互通电网的基本发展模式［29］；在可再生能源方面，国家启动多项“863 计划”项目来支撑能源互联网的发展［30］。

4 工业互联网和能源互联网的对比分析

4.1 体系架构对比

（1）工业互联网体系架构。工业互联网是在互联网的基础上，通过融入大数据、人工智能、云计算等新一代信息技术形成超级互联网，然后把工业生产的各个环节连接起来，通过传感器收集智能物体数据，并将数据实时上传工业互联网平台，工作人员可以对数据实时监控分析，保障生产安全、提高生产效率。

沈苏彬等［31］基于物联网体系架构，通过需求模型、用例模型、功能模型和实现模型等4 个模型对工业互联网体系架构进行了总结，基于此提出了工业互联网多个视角建模方法，包括商业视角、用法视角、功能视角和实现视角，其中商业视角主要用于需求分析，用法视角主要用于描述典型使用过程，功能视角主要用于功能分类和设计，实现视角则主要用于功能实现和部署。周宏仁［32］认为工业互联网体系架构主要包括3 个层次：外缘层、平台层和企业层，智能物体上的数据通过外缘层进入平台层，经过分析和转换后,形成决策所需数据并传入企业层，企业层根据数据综合判断企业发展规划，并将具体发展指标信息传入平台层，平台再对数据进行部门分类后传入外缘层，从而形成互通互联闭环。夏志杰［33］从功能角度出发，提出了由感知识别层、网络连接层、平台汇聚层、数据分析层4 个部分组成的工业互联网体系架构，其中，感知识别层负责从智能物体上采集工业数据，是工业互联网的基础；网络连接层用于传输感知识别层采集获得的工业数据；平台汇聚层除了用来存储相关工业数据，还可以提供数据计算所需的计算机服务器；数据分析层则依托平台汇聚层提供的强大数据计算能力对数据进行分析。

虽然目前还没有形成对工业互联网体系架构的共识，现有研究成果对工业互联网体系架构的认识也各有侧重，但是总体来看，工业互联网体系架构的核心索引是工业大数据。从图3 可以看出，工业互联网围绕工业大数据，利用新一代信息技术对工厂、设备等工业要素进行感知，通过工业以太网等网络设施实现数据传输，并在云平台上进行数据处理和服务化、定制化应用开发，为不同的企业或者业务过程提供服务，提高生产效率。

图3 工业互联网体系架构

（2）能源互联网体系架构。能源互联网体系架构是建立在“物理结构+信息结构”的基本框架之上，其中物理结构是指传统能源网络连接在一起，可以信息共享；信息结构是把新一代互联网与传统能源互联网融合起来，建立具有开放、互联、对等和共享特点的新型能源互联网。

于慎航等［34］把能源互联网系统划分为智能能量管理系统、分布式可再生能源、储能装置和变流装置等，重点关注了能源互联网中的分布式特点，其中，智能能量管理系统强调对能源信息的集中管理和独立控制；分布式可再生能源装置主要是指发电技术；储能装置用来维持能源互联网系统的稳定性，持续向用户提供电能，并提高经济效益；变流装置可以对分布式可再生能源装置产生的电能进行转换与控制。邓建玲等［35］把能源互联网划分为6个层次：对象层、数据采集与信息形成层、存储层、特征提取及知识合成层、解析层和平行控制层。曾鸣等［36］根据能源互联网的特点对电力系统的“源-网-荷-储”内涵进行了扩展：源指电力、石油、太阳能等多种能源资源，网指多种能源资源网络，荷指多种能源资源需求，储指多种能源资源存储，并基于此提出了横向多源互补、纵向“源-网-荷-储”协调的能源互联网体系架构。张国荣等［37］提出了包括终端设备层、区域联控层、全网协调层和商业服务层在内的能源互联网层次架构，其中，终端设备层包含各类供能、用能和储能的分布式设备；区域联控层通过互联网设施将能源网络中的分布式设备连接起来，从而实现区域独立可控；全网协调层用于协调能源互联网系统，以保证系统稳定运行，同时也可以模拟完成智能调度、能源资源质量控制等功能；商业服务层是能源服务层，是能源交易平台，以市场化方法推动能源的合理配置，提高能源利用率。

与工业互联网类似，关于能源互联网的体系架构还没有定论，但是学者们已存在一些共识，其中最典型的就是围绕传统电力系统的“源-网-荷-储”进行全方位扩展，基于能源大数据，利用人工智能、输送管网、信息网络等技术手段对能源供需进行统筹规划，实现能源的智能化管理和交易，提高能源的利用效率。如图4 所示。

图4 能源互联网体系架构

4.2 核心技术对比

（1）工业互联网的核心技术。随着第四次工业革命的推进，工业互联网平台快速发展并不断完善，在这个过程中，离不开相关核心技术的支撑，包括工业控制系统、工业软件、工业网络和工业信息安全等，如表1 所示。

表1 工业互联网核心技术

（2）能源互联网核心技术。能源互联网是在传统能源体系基础上引入智能输电技术、智能信息通信技术、先进储能技术、智能能量管理和控制技术、智能数据分析技术等技术，实现分布式清洁能源的高效传输、存储和利用。如表2 所示。

表2 能源互联网核心技术

5 工业互联网和能源互联网的发展趋势分析

5.1 工业互联网多层次、多元化发展

在政府、企业、科研院所等各方的共同努力下，全产业链的数字化、网络化和智能化水平稳步提升，工业互联网的应用场景呈现出多层次、多元化等特点，从大型企业向中小企业渗透的趋势明显；同时在政策的进一步引导下，工业互联网的基础设施建设将会更加完善、行业联动愈加充分、企业间的协同也会更加深入。在未来，工业互联网的部署、应用和推广方面会得到强化，从而在各行业、各领域、各层级企业形成一批有代表性的应用示范，随着工业互联网跨行业、跨地区、跨企业的深度融合，逐渐形成内容丰富、个性鲜明的工业互联网应用生态，在新工业革命中发挥更重要的支撑作用；另外，在这个过程中，工业互联网的关键核心技术也会得到长足的发展，包括传感器、大数据、深度学习、数字孪生、信息物理系统（cyber-physical systems，CPS）等基础支撑技术和围绕“云、边、端”各层级的智能装备、工业软件、网络安全等卡脖子技术进一步夯实自主知识产权，构筑技术生态体系。

5.2 新技术驱动能源互联网高质量发展

能源互联网高质量发展是未来的主题。围绕“源-网-荷-储”一体化集成能源系统，借助新一代ICT技术，统筹能源的生产、传输、存储、分配等，实现各能源子系统之间的高效协同、优化利用。在能源结构方面,能源将向着清洁、环保、高效、节能方向发展,逐渐演变出新的能源供应结构，最终促成集中式能源供应和分布式能源供应协调、高效、并行发展。在技术攻关方面，随着信息技术的发展，高效整合能源生产、传输等各个环节的数据成为了可能，并依靠不同的算法实现能源的综合管控。另外，能源类型逐渐向绿色低碳方向发展，需要在关键技术支撑和新型商业模式上进行突破，借助能源互联网的优势，引导低碳、节能和高效的能源生产、利用方式。

5.3 工业互联网与能源互联网深度融合发展

从从属关系的角度看，能源互联网也是工业互联网的一种。从功能属性的角度看，能源互联网是工业互联网的核心驱动力。在工业互联网推动智能制造向智能化、数字化方向发展过程中，突破发展制约的关键因素之一便是突破能源限制，随着新工业革命的推进，能源互联网的驱动作用愈加明显，工业互联网和能源互联网深度融合、寻求整体能效最优是未来不可避免的趋势。在智能传感器、信息物理系统、大数据、云计算、机器学习等技术的加持下，依托开放式的互联网架构，工业互联网的参与主体更加多样、参与方式也更为灵活，基于此，能源互联网能够深入融合到工业互联网的大框架中，工业互联网也能从更高的层面对整个工业生产过程进行整合，进一步提升生产效益和效率，全面深化新工业革命。

6 结论

在新一轮工业革命中，工业互联网为企业数字化转型提供重要支撑，也正在重塑着整个工业体系，从而实现工业过程的高质量、高效率、高效益发展。发展能源互联网旨在推动中国传统能源产业转型升级、创新发展，推动能源的优化配置和协调互补。工业互联网和能源互联网的快速发展高度依赖于新一代信息技术，特别是通信、控制和数据分析等技术；此外，工业软件是工业互联网的重要驱动力，而能源互联网则需要重点关注先进储能、智能输电等技术的突破。本研究对工业互联网和能源互联网的概念、体系架构、关键技术等方面进行了全面对比分析，指出工业互联网和能源互联网的融合发展是未来的重要趋势。

由于篇幅所限，本研究未能对工业互联网和能源互联网的应用情况和生态构建现状进行研究，考虑其对新工业革命成果落地的重要性，将在未来的研究工作中进行深入分析与讨论。