作者

李伯虎

中國工程院院士、工業網際網路產業聯盟專家委員會副主任

柴旭東

航天雲網科技發展有限責任公司研究員

侯寶存

航天雲網科技發展有限責任公司研究員

劉陽

航天雲網科技發展有限責任公司高階工程師

一場以科技革命與產業變革為主要內容的新一輪工業革命已在全球快速展開。“工業網際網路”作為新一代資訊通訊技術與工業深度融合的產物，是新一輪工業革命的關鍵支撐。當前，我們正步入“智慧+”[1-2]與後疫情間相互矛盾的新時代，正面臨我國新發展理念實施與單邊霸凌惡行間相互矛盾的新形勢，正逢新資訊通訊技術深度融合製造技術與製造業轉型升級發展間相互矛盾的新需求。在“新時代/新形勢/新需求”中的機遇與挑戰並存，任重道遠。我們認為，“智慧工業網際網路”是一種適應新時代/新形勢/新需求的新模式、新技術手段與新業態。

2.1 工業網際網路提出

工業網際網路的名詞及其初始理念於2012年由美國GE公司提出[3]。我們將其解讀為工業網際網路1.0：“它將人、智慧機器、高階分析系統透過網路融合在一起，透過資料/資訊、硬體、軟體和智慧分析/決策的互動，使創新能力提高、資產運營最佳化、生產效率提高、成本降低和廢物排放減少，進而帶動整個工業經濟發展。”

為了適應新時代/新形勢/新需求，結合本團隊在工業網際網路方面的研究成果和初步實踐，下文給出“智慧工業網際網路”的內涵、體系架構、技術體系，簡述其中國特色及其對工業網際網路1.0的拓展。

2.2 智慧工業網際網路的內涵

1️⃣ 智慧工業網際網路是一個複雜系統

2️⃣ 智慧工業網際網路是一種新型工業網際網路系統

宏觀地講，智慧工業網際網路系統是在新一代人工智慧技術引領下的“人、資訊（賽博）空間與物理空間”融合的“新智慧製造資源/能力/產品”智慧互聯協同服務的工業網際網路系統——一種新型工業網際網路。

智慧工業網際網路系統的“智慧”意指在新一代人工智慧技術引領下的，相互聯絡、層層遞進的系統的“數字化、物聯化、虛擬化、服務化、協同化、定製化、柔性化和智慧化”（簡稱八化）。

智慧工業網際網路將具備“新技術、新模式、新業態、新特徵、新內容、新目標”（簡稱六新），具體來講：

（1）新技術手段

基於泛在新網際網路，在新一代智慧科學技術引領下，藉助新一代智慧科學技術、新制造科學技術、新資訊通訊科學技術、及新制造應用領域專業技術等4類新技術深度融合的數字化、網路化、雲化、智慧化技術新工具，構成以使用者為中心的統一經營的多層新智慧製造資源/能力/產品的服務雲（網），使使用者透過新智慧終端及新智慧製造服務平臺便能隨時隨地按需獲取新智慧製造資源/能力/產品服務，進而優質、高效完成製造全生命週期的各類活動。

（2）新模式

一種“使用者為中心，人/機/物/環境/資訊最佳化融合”，“互聯化（協同化）、服務化、社會化、個性化（定製化）、柔性化、智慧化”的先進製造新模式；

（3）新業態

“萬物互聯、智慧引領、資料驅動、共享服務、跨界融合、萬眾創新”的新業態；

（4）新特徵

對新制造全系統、全生命週期活動（產業鏈）中的人、機、物、環境、資訊進行自主智慧地感知、互聯、協同、學習、分析、認知、決策、控制與執行；

（5）新實施內容

促使製造全系統及全生命週期活動中的人、技術/裝置、管理、資料、材料、資金（六要素）及人流、技術流、管理流、資料流、物流、資金流（六流）新整合最佳化；

（6）新目標

高效、優質、節省、綠色、柔性、安全地製造產品和服務使用者，提高企業（或集團）的市場競爭能力。

2.3 智慧工業網際網路的體系架構

智慧工業網際網路的體系架構如圖1所示，主要包括以下6個層次[2,4-5]：① 新智慧製造資源/能力/產品層；② 新智慧感知/接入/通訊層；③ 新智慧邊緣處理平臺層；④ 新智慧製造系統雲端服務平臺層（該層包括新虛擬智慧製造資源/能力/產品層、新智慧製造雲端服務支撐共性/製造服務功能層、新智慧使用者介面層）；⑤ 新智慧製造雲服務應用層；⑥ 新人/組織；此外，各層具有新標準及新安全管理支撐。

本體系架構適用於系統縱向範圍、系統橫向範圍（全產業鏈)以及端對端間連線。

該體系架構具有的新特色：在新一代人工智慧技術引領下，①邊緣/雲端協同製造新架構；②雲計算/人工智慧/大資料/新網際網路等為代表的新資訊通訊技術與新制造技術融合；③感知/接入/通訊層虛擬化、服務化，進而全系統實現了虛擬化、服務化；④各層具有新時代“新”內涵及內容；⑤使用者為中心的新智慧製造資源/能力/產品智慧共享服務。

圖1 智慧工業網際網路的體系架構

2.4 智慧工業網際網路的技術體系

智慧工業網際網路的技術體系是六維的技術體系群[2,4-5]。

1️⃣ 智慧工業網際網路技術體系的總體架構子體系

技術體系的總體架構子體系如圖2所示，包括總體技術、智慧產品專業技術、智慧感知/接入/通訊層技術、智慧邊緣處理平臺技術、智慧雲端服務平臺技術、智慧產品設計技術、生產/裝備技術、經營管理技術、模擬與試驗技術、售前/售中/售後技術等。

圖2 智慧工業網際網路的總體架構子體系

2️⃣ 智慧工業網際網路的工業軟體子體系（新一代人工智慧引領）

工業軟體子體系包括系統軟體、平臺軟體、應用軟體等，如圖3所示：

圖3智慧工業網際網路的工業軟體子體系

3️⃣ 智慧工業網際網路的安全技術子體系（新一代人工智慧引領）

安全技術子體系包括物理安全防護技術、技術安全防護技術、管理安全防護技術、商業安全防護技術等，如圖4所示：

圖4 智慧工業網際網路的安全技術子體系

4️⃣ 智慧工業網際網路的標準技術子體系（新一代人工智慧引領）

標準技術子體系包括共性標準、總體標準、平臺標準、應用標準等，如圖5所示：

圖5 智慧工業網際網路的標準技術子體系

5️⃣ 智慧工業網際網路的評估技術子體系（新一代人工智慧引領）

評估技術子體系包括水平與能力評估及效能與效益評估等，如圖6所示：

圖6 智慧工業網際網路的評估技術子體系

6️⃣ 智慧工業網際網路的支撐技術子體系（新一代人工智慧引領）

撐技術子體系包括新制造技術，新資訊通訊技術，新智慧科學技術，新制造應用領域專業技術等，如圖7所示：

圖7 智慧工業網際網路的支撐技術子體系

2.5 智慧工業網際網路對工業網際網路1.0的發展

新技術、新模式、新業態是智慧工業網際網路的核心。如圖8所示：

圖8 智慧工業網際網路的新技術、新模式、新業態

智慧工業網際網路是工業網際網路1.0的持續拓展與發展。較工業網際網路1.0在技術手段、模式、業態、特點、實施內容、體系架構、技術體系等方面，特別是在新一代人工智慧技術引領下的人、資訊空間和物理空間融合及多學科技術整合與最佳化方面皆有較大的拓展。

2.6 智慧工業網際網路的中國特色

圍繞提高製造企業市場競爭力的目標，以兩化融合為主線，智慧工業網際網路的中國特色體現在以下四個突出：①突出問題(製造大國向製造強國邁進）導向牽引智慧工業網際網路建設，加快推進中國製造業的5個轉型升級；②突出在新一代智慧科學技術引領下，建立智慧工業網際網路新手段、新模式、新業態為核心的系統；③突出工業2.0/3.0/4.0同步發展，即處於數字化、網路化、智慧化不同階段的製造企業皆能在“雲”（智慧工業網際網路）中實現“資訊互通、資源共享、能力協同、產品智造，互利共贏、萬眾創新”轉型升級；④突出發揮“政、產、學、研、金、用”的團隊力量。

3.1 智慧工業網際網路雛型——“航天雲網2.0”的關鍵技術

“航天雲網2.0”由中國航天科工集團的航天雲網公司研發成功。“雛型”意指僅僅融合了部分的新一代人工智慧技術/新制造科學技術/新資訊通訊科學技術/新制造應用領域專業技術。目前，涉及的關鍵技術主要包括以下幾類[6-7]：

1️⃣ 航天雲網體系架構/平臺技術

航天雲網的體系架構如圖9所示，包括新資源/產品/能力層，新工業物聯網/接入層，新邊緣處理層，新雲端平臺共性服務層，新雲端工業SaaS層（CMSS，Cloud Manufacturing Support System），新使用者應用層，使用者層，以及標準體系，安全體系。

圖9 航天雲網的體系架構圖

2️⃣ 智慧網際網路系統的整合最佳化技術

提出：基於雲服務匯流排的服務智慧編排和治理技術；基於流程動態最佳化工業網際網路系統組合最佳化技術；基於微服務的API組合與排程技術；實現跨企業、跨平臺、跨領域製造資源、資料和應用服務的互聯、整合與最佳化。

3️⃣ 智慧驅動的工業PAAS平臺技術

提出：基於Kubernetes+CloudFoundry的雙容器引擎及基於聯邦叢集技術的資源統一排程與管理技術；資料驅動的業務流程引擎和麵向數字孿生的模擬引擎及其服務化技術；大資料與機理模型混合驅動的雲原生開發環境及開放API介面技術；基於“邊緣製造+雲製造”的雲邊協同技術；實現多源異構應用動態構建、排程及執行。

4️⃣ 面向豐富應用場景的人工智慧/大資料服務構建技術

提出：基於資料探勘、模型訓練、模型部署的大資料和人工智慧服務構建技術；基於知識圖譜的人工智慧/大資料技術的可解釋模型構建方法；基於跨行業跨領域泛在條件下可擴充套件、可解釋的大資料和人工智慧模型和演算法；形成分類、聚類、關聯分析、神經網路等通用類演算法服務；實現企業研發、生產、經營過程中產生的海量資料處理和分析。

5️⃣ 面向製造全生命週期的智慧雲建模與模擬技術

提出：基於資訊物理系統大資料的非機理建模方法；多級（作業級、模型級、演算法級）並行高效能模擬演算法及面向機器學習的二次建模方法；基於容器的輕量級虛擬化架構的高效能雲模擬方法；實現企業協同生產製造過程模擬資源按需動態構建和協同模擬。

6️⃣ 智慧工業APP快速開發技術

提出:雲製造支撐系統（CMSS）技術架構；基於微服務/FaaS的工業模型服務化開發與動態編排技術；基於知識表示的可解釋機器學習資料建模及面向工業APP的資料/機理模型自適應融合方法；工業資料智慧驅動的工業APP快速建模開發技術；實現工業機理模型服務化封裝和動態組合排程。

7️⃣ “5G+邊緣計算”技術

提出：基於“5G+邊緣計算”的智慧邊緣一體機架構；5G等多協議自適應工業互聯接入與智慧資料採集技術；基於嵌入式系統和深度學習的高效處理決策技術；基於“5G+VR+工業網際網路”的關鍵裝置遠端運維與智慧服務技術；工業應用、演算法、模型的雲邊協同模型與部署執行技術；實現應用、演算法、模型的雲邊協同執行與處理。

8️⃣ 基於智慧工業網際網路的管理技術

提出:面向智慧製造的智慧供應鏈管理軟體技術；基於知識圖譜的供應鏈協同智慧匹配與推薦技術；雲供應鏈動態組織與構建技術;基於“平臺+區塊鏈”的營銷管理技術；支撐政府、企業，實現管理的精準化、智慧化。

3.2 航天雲網應用範例【7】

針對問題，基於技術攻關成果，給出下述典型應用範例。

1️⃣ “5G+VR+數字孿生”遠端運維服務

航天雲網所屬重慶公司基於工業網際網路，利用5G+VR+數字孿生的新技術，實現熱處理工廠爐內溫度場分佈、滲碳過程視覺化，降低人工作業風險；預測碳勢分佈，實時調整整爐內參數，提高工藝穩定性，降低產品報廢率，實現熱處理過程遠端運維新模式。

圖10 “5G+VR+數字孿生”遠端運維服務

2️⃣ 基於區塊鏈的智慧供應鏈服務

針對政府、企業等對防疫物資需求、供給等環節資訊透明、安全、可追溯的需求，運用區塊鏈技術，開發區塊鏈防疫物資可信追溯系統，提供防疫物資上鍊視覺化展示、供需資訊稽核標註等功能，為政府、企業提供了及時可靠的資料。

圖11 區塊鏈防疫物資可信追溯系統

3️⃣ 基於大資料的智慧雲服務

針對工業機器人維修響應慢、運維成本高等問題，利用智慧閘道器對感測器、裝置等資料進行採集及預處理，並傳送至雲平臺，透過平臺大資料智慧引擎及工具,構建裝置管理、執行工況監測、故障診斷等演算法模型，幫助企業實現基於雲智慧服務。

圖12 基於大資料的裝置執行監控雲平臺

4️⃣ 基於數字孿生的智慧雲服務

針對產品的多品種、小批次、柔性化生產對產線佈局最佳化及資源高效排程的需求，應用AR/VR技術建立產線模型及虛擬生產環境，搭建虛擬工廠，實現遠端監控，並利用模擬工具對產線佈局、物流設計、節拍等進行模擬，構建數字孿生模型，為產線提供最佳化指導。

圖13 AR/VR產線模擬系統

5️⃣ 面向航天覆雜產品的協同雲服務

針對航天覆雜產品研發設計、生產製造等過程存在的多學科、跨專業協同效率低，資源配置不均衡等問題，搭建內部協同共享製造平臺，提供協同研發、協同生產、智慧管控、智慧服務等服務，支撐企業產品全生命週期業務線上開展。

圖14 面向航天科工集團複雜產品的協同雲服務應用

6️⃣ 基於知識圖譜的供應鏈最佳化

基於知識圖譜技術為國家某部委建設了“資源佈局與產業鏈分析監測平臺”，該平臺中覆蓋國民經濟近20個門類、400多領域、1382個行業小類、15餘萬家企業和27500餘種產品，透過知識圖譜技術構建了關係數達到百億邊的全要素、全行業、全地域產業知識圖譜，並對供應鏈中薄弱環節、高風險與堵點斷點進行分析最佳化，助力該部委全面掌握資源佈局情況，提升產業治理能力。

圖15 基於知識圖譜的供應鏈最佳化

在“政府引導，市場主導”，“創新驅動、攻克短板”，“問題導向，技術推動”，“系統規劃，分步實施”等原則下，在國家、地方的戰略規劃和計劃支援下，期望能實現6個加快：

1️⃣ 加快創新體系的建設，特別是企業為中心的“政產學研金用”結合的技術創新體系的建設；

2️⃣ 加快各類人才培養，特別是加快培育產教融合、複合型工業網際網路領域人才培育；

3️⃣ 加快國家/地方基礎建設，特別是重視適時、安全、服務化的泛在網路（如5G、天地一體化網際網路絡）建設；

4️⃣ 加快國家/地方政策的完善與落實，特別是加快推動資料產業立法，完善與落實資料開放共享機制及工業資料安全的政策；完善與落實對中/小/微企業數字化支援政策；

5️⃣ 加快攻克短板，實現我國自主“技術、應用、產業”的協調發展，特別是大力開發異構工業網際網路平臺融通及製造工具軟體的技術與產品；充分培育發展以數字孿生為重要載體的新一代工業APP專件技術與產品；重視研發支援工業2.0/3.0/4.0同步發展的跨領域、跨行業、跨區域工業網際網路系統等。

6️⃣ 加快國內外開放合作，特別是我國自主產業鏈間的開放與合作。

1️⃣ 新時代/新形勢/新需求催生“智慧工業網際網路”。

2️⃣ 本文提出的“智慧工業網際網路”是一種新型工業網際網路。

3️⃣ “智慧工業網際網路”是實施我國“製造強國”“網路強國”戰略規劃和行動計劃等的一種具有“中國特色”的新先進製造模式、新技術手段和新業態。

4️⃣ “智慧工業網際網路”是在“需求牽引、技術推動”下持續發展的製造新模式、新技術手段和新業態。

5️⃣ “智慧工業網際網路”的發展與實施還需要全國、全球的合作與交流，同時又要充分重視各國的特色和各行業、各企業的特點。

致謝

感謝團隊的貢獻，感謝領導與同行們的幫助與支援，感謝航天雲網公司相關成果及應用案例的共享！

參考文獻

1.潘雲鶴. "中國新一代人工智慧"[C]//天津: 首屆世界智慧大會, 2017

2.李伯虎,柴旭東,侯寶存等.雲製造系統 3.0-一種“智慧+”時代的新智慧製造系統[J].計算機整合製造系統,2019,25(12):2997-3012.

3.Peter C.Evans,Marco Annunziata.Industrial Internet:Pushing the boundaries of minds and machines[R/OL].(2012-12-26)[2021-01-19].https://www.researchgate.net/publication271524319_Industrial_Internet_Pushing_the_boundaries_of_minds_and_machines.

4.李伯虎, 張霖等. 雲製造[M]. 清華大學出版社, 2015

5.李伯虎，柴旭東，張霖等，智慧製造雲，化學工業出版社，2020

6.魏毅寅，柴旭東.《工業網際網路：技術與實踐》，電子工業出版社，2017 ISBN: 9787121316975

7.航天雲網技術報告集（內部）

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