工业互联网与行业融合应用的探索与实践

□ 文 王 峰 王润鹏 蒋昕昊

0 引言

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的关键基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径。在我国制造业由高速增长阶段转向高质量发展阶段，一批有基础条件的制造企业顺应趋势率先探索工业互联网建设应用，提质、降本、增效、绿色、安全等成效初显。但总体来看，我国大量企业仍存在对工业互联网认识不到位、应用模式不清晰、建设路径待探索等问题，可复制、可推广的解决方案和经验模式仍需不断挖掘培育。

目前，工业互联网落地的关键在于与行业特性有机结合，制造业各领域千差万别，工业互联网发展既要牢牢立足于千行百业的特殊性，也需要挖掘总结蕴含于这些特殊性中的普遍性。因此，有必要不断结合产业实践完善工业互联网与行业融合应用的方法论，进而为更广范围的推广普及、带动产业数字化水平提升提供参考和指导。德国工业4.0平台提出了RAMI4.0架构，日本工业价值链促进会提出了IVRA架构、工业物联网联盟（IIC）提出了IIRA架构，我国工业互联网产业联盟相继提出《工业互联网体系架构（版本1.0）》《工业互联网体系架构（版本2.0）》，都为各国工业互联网产业实践提供了框架指导。特别是《工业互联网体系架构（版本2.0）》，系统性提出工业互联网理论模型，构建了由业务需求到功能定义再到实施架构的层层深入的完整体系。本文将以《工业互联网体系架构（版本2.0）》为主要基础，结合典型案例的比较分析，进一步细化提出工业互联网与行业融合应用的方法论。

1 工业互联网与行业融合应用方法论

推进工业互联网落地应用总体可分为业务层、能力层、系统层与实施层四个层次，如图1所示。四层体系自下而上层层支撑，自上而下层层细化，厘清了从行业发展业务需求到工业互联网实施推进的逻辑关系，给出了工业互联网与行业融合应用的基本路径。

图1 工业互联网与行业融合应用视图体系

能力层描述了为支撑业务层的融合，企业所需具备的关键数字化能力。

1.1 业务层

业务层描述了行业企业与工业互联网融合的业务方向和领域。一是进行融合应用战略选择，由于各行业特点不同，发展程度各异，企业应根据自身实际制定符合总体发展方向的融合应用战略，从研发设计、生产制造、智能产品、服务创新、商业营销等方向确定切入角度。二是融合应用业务场景规划，一方面是生产运营相关场景规划，通过工业互联网的应用——如设备预测性维护、能源优化管理、智能计划排产、智能财务管理等，从而提升生产经营效率；另一方面是产品服务相关场景规划，通过工业互联网创新服务模式与产品功能体验——如基于智能产品的后市场服务、基于平台提供的供应链金融等，从而创造增量价值。三是资源组织方式变革，打造与工业互联网相契合的组织架构，使企业管理体系更加适配生产力数字化转型的需要（本文侧重业务场景融合，对资源组织方面不做深入探讨）。

1.2 能力层

能力层描述了为支撑业务层的融合，企业所需具备的关键数字化能力。一是泛在感知，通过部署传感器或软件，提升管理者对于重点设备、生产环境等关键节点以及生产经营流程的状态感知水平。二是智能决策，通过工业互联网平台打通各层级、各业务、各流程的信息系统，通过广泛深入的数据分析提升决策科学性。三是敏捷响应，企业利用工业互联网连接外部市场，快速根据市场变化配置资源，满足多样化的需求。四是动态优化，通过工业互联网提供的强大运算能力与海量实时数据，不断基于当前实际情况优化企业运营与生产过程，实现全局化、精细化管控。

1.3 系统层

系统层描述了为实现上述能力，需要进行的工业互联网实施部署。行业企业工业互联网实施部署遵循工业互联网产业联盟发布的《工业互联网体系架构（版本2.0）》实施架构部分如图2所示。总体分为设备层、边缘层、企业层、产业层四个层级，具体实施包括网络/标识、平台、安全方面的实施建设。设备层、边缘层包含有边缘设备接入、工业数据采集、控制信息传输等功能实现，同时重点关注相关设备安全与控制安全风险。企业层由企业生产制造、经营决策、产品全生命周期管理等各类业务系统组成，提高各工序、各业务、全流程的运营效率和管理水平。产业层重点是通过跨企业的网络连接与产业协同平台应用，提高跨企业、跨区域的数据互联互通效率及供应链资源优化配置。

图2 工业互联网实施架构

1.4 实施层

实施层描述了开展上述工业互联网建设的具体实施推进路径。通过对各行业工业互联网应用案例的调研分析，本文认为工业互联网与行业融合应用，基本可按照“三步走”的路径推进：一是数字化改造，通过结合业务进行智能装备、传感器及工业软件的部署运用，实现数据的广泛采集与积累；二是局部协同优化，打通相关的业务系统，实现关联业务的协同优化，提升业务效率；三是融合创新应用，企业内部协同优化达到一定程度，通过建设行业级平台，汇聚产业链上下游及各类相关方主体，提升行业资源配置效率。需注意的是，不同企业由于所处行业特点不同，所处发展阶段不同，工业互联网的实施推进路径也有所差异，应充分考虑企业自身情况，规划具体推进路径。

在对具体行业运用上述方法论开展工业互联网实践的过程中，业务与能力往往紧密关联，是作为对需求的剖析；而系统与实施往往一体推进，是工业互联网体系的落地。下文对典型行业每类应用路径的具体分析，采取这样的方式进行阐述。

现实中流程型制造业企业应用工业互联网多从生产制造切入，以优化提升生产运营效率为主要目标开展升级建设。

2 制造业典型行业融合应用路径

2.1 流程型制造业融合应用路径

2.1.1 业务与能力

石化化工、钢铁冶金、水泥建材等流程型制造业，往往自动化水平较高，但在精细管控、安全生产、绿色低碳等方面有更为强烈的提升需求。现实中流程型制造业企业应用工业互联网多从生产制造切入，以优化提升生产运营效率为主要目标开展升级建设。

在生产运营方面，普遍需要不断提升生产的智能化水平，目前生产主体广泛部署工业机器人、工业自动化装备和数字化管理系统；同时，大型龙头企业往往多基地、多厂区生产，需要利用工业互联网平台开展跨地域的集中统一管控，实现基地与总部间多层面的协同与整合，生产经营数据跨业务、跨板块贯通，显著提升管理效率与水平。

在产品服务方面，部分大型流程型制造业企业充分发挥龙头地位，利用工业互联网平台聚合行业资源，构建新型大宗产品贸易生态，基于平台拉通大宗商品供需双方，降低交易门槛，助力化解产能过剩。

2.1.2 系统与实施

在设备层，一方面重点部署先进在线分析仪表，提升行业特殊复杂工况下的检化验及时与准确程度，另一方面重点部署危险工序巡点检机器人，提升安全生产水平。在边缘层，重点部署数字化过程控制系统，基于智能化控制模型实现生产线的精准自适应调控，目前以基于现场总线、工业以太网等工控系统为主，部分环节开始探索利用5G等来弥补传统有线网络的不足。在企业层，重点部署一体化的协同管控平台，一方面打通各生产工序、产供销各环节，在提升生产效率的同时，变革传统粗放的计划生产模式，逐渐走向以销定产的精细化生产模式；另一方面加强总部集团对各生产基地的管控服务力度，使企业有能力精准快速掌握集团关键运营信息，提升整体运营效率。在产业层，可部署大宗产品新型交易平台，基于平台提供供应链金融，第三方仓储运输等生产性服务。如图3所示。

图3 流程型制造业工业互联网实施架构

流程型制造业企业应用工业互联网第一阶段可通过生产执行、制造管理、经营管理相关系统部署以及自动化系统升级，实现生产运营等基本环节的数字化、可视化管控。第二阶段可基于工序机器人应用、控制系统模型升级、跨业务大数据平台部署，实现质量、能源、设备管理等业务的集成管控。第三阶段可建设行业级的协同平台，实现行业生态汇集建设，开始基于行业数据实现盈利。

2.2 工业互联网与大众消费品制造业融合应用路径

2.2.1 业务与能力

汽车、家电、食品饮料等行业属于典型的大众消费品制造业，该类型行业往往直接面向大众消费者，随着消费市场的个性化趋势日益明显，行业企业为保持核心竞争力就需要满足快速变化的消费者需求。一是提供高品质、多元化的产品供给，二是通过服务升级与创新，增加客户粘性，三是建立高效透明的生产与物流体系，在降低库存压力的同时以快速交付提升用户体验。现实中大众消费品制造业企业应用工业互联网多以“满足消费市场需求”为主要目标，从研发设计、生产制造、智能产品、服务创新、商业营销等多维度切入。

在生产运营方面，一方面是开展基于用户分析的产品设计，在充分了解市场需求的基础上，快速推出产品设计方案，快速迭代产品设计，打造符合市场的系统产品。另一方面是进行智能化、透明化生产管控，实现订单的全生命周期管理。在产品服务方面，智能化产品及其带动的新型服务正快速发展，在提升用户体验的同时也为制造商创造新的利润增长点。

2.2.2 系统与实施

在设备层，重点关注生产设备的数字化改造、智能化升级，包含机器视觉等各类新型数据采集分析技术的应用，同时还关注AGV小车、机器人等智能装备的应用，用于提升生产流水线的工作效率。在边缘层，重点关注流水线工控电脑及其搭载的用于多设备协同控制、机器视觉质检等生产核心业务软件应用，提升产线车间的生产管控效率，把控产品品质与生产速度。在企业层，重点关注企业级资源协调平台部署，用于开展资源计划、生产执行等相关活动，实现企业资源调度与生产经营管理优化。在产业层，重点关注智能服务生态平台社区的部署运营，企业基于平台一方面与下游市场用户开展交互，为用户提供高质量服务，同时精准了解市场动态趋势与用户行为，进而指导企业研发、生产、销售等各类活动，另一方面与上游供应商开展商业合作，保障采购供应链的低成本与高效率。如图4所示。

图4 大众消费品制造业工业互联网实施架构

大众消费品制造企业应用工业互联网，第一阶段可开展面向生产、营销等环节的单点数字提升，通过部分业务的数字化、线上化来提升单环节业务效率；第二阶段企业可开展集成化的业务协同，基于平台打通产销等关键业务流程，提升对市场的响应能力水平；第三阶段企业可基于智能化产品及服务平台，探索新型商业模式。

2.3 工业互联网与大型装备制造业融合应用路径

2.3.1 业务与能力

船舶、航空航天、轨道交通等大型装备制造业是国之重器，具有重要的战略性地位。这些行业产业链条长、配套复杂，上游供应体系管控难、中游设计及生产流程多、下游产品后市场运维难度大。现实中大型装备制造企业往往从协同设计与供应链优化入手，逐渐探索复杂产品的远程运维。

在生产运营方面，一是开展基于平台的复杂产品协同设计；二是开展基于平台的复杂供应体系管控；三是智能化辅助生产制造，由于该类产品装备具有高度的复杂性，同时产品体积庞大，导致其生产装备过程仍需要大量人工参与，自动化水平相对较低，智能化辅助生产制造更多关注基于模型的装配工艺设计模拟、辅助定位测量与检验以及整体装配过程的数字化调度管控。

在产品服务方面，重点关注高价值产品的使用过程中的远程运维，开展产品远程运维服务。

在产品服务方面，重点关注高价值产品的使用过程中的远程运维，开展产品远程运维服务。

2.3.2 系统与实施

在设备层，重点关注新型传感装置以及焊接、喷涂机器人等智能装备的部署，用于提升数据采集能力和现场作业效率。在边缘层，重点关注用于能源监测、设备运维、视觉质检等业务的软件及应用部署，用于提升车间现场整体生产管控水平。在企业层，重点关注协同管理类平台的部署应用，用于加强总体单位与各子系统单位的协同工作效率，加快复杂产品交付速度。在产业层，一方面重点关注用于产品远程运维等后市场服务平台的部署，另一方面关注供应链协同平台部署，用于提升主要研发设计单位与各级供应商的协作效率，提升复杂供应体系管理效能。如图5所示。

图5 大型装备制造业工业互联网实施架构

大型装备制造企业处于产业链龙头地位，基本已具备了良好的信息化水平，研发设计、供应链管理等关键业务都部署了相应的软件系统，部署工业互联网可从产业链视角出发，加强行业平台的建设，加强各类系统的打通，促进数据的流动与共享，加强协同研发、协同设计、协同管理、协同生产、协同运维，积极带动大中小企业融通发展。而为龙头企业提供配套的中小企业，则需要加强数字化基础改造，积极接入龙头企业平台，带动业务流程优化，融入工业互联网。

3 结束语

本文基于《工业互联网体系架构（版本2.0）》提出了工业互联网与行业融合应用的方法论，并基于该方法论给出了流程型制造业、大众消费品制造业、大型装备制造业应用工业互联网的一般参考建议。

近年来我国工业互联网正经历快速发展，众多行业龙头企业纷纷开展工业互联网建设并取得显著成效。与此同时，当前我国工业互联网应用还存在诸多问题与挑战，比如整体投入产出比不高、中小企业覆盖普及率不够、核心业务应用深度不足等，应当进一步发挥市场在资源配置中的决定性作用，更好的发挥政府作用，通过树立标杆典型、完善公共服务、促进融合技术、完善产业生态等方式多措并举，推动更多企业将工业互联网的理念、技术、模式与自身业务实际紧密结合，加快实现数字化转型和高质量发展。