當前，社會對現代工業系統發展有著迫切的需求。未來工業互聯網作為工業制造與互聯網深度融合的新工業生態，具有全要素連接、動態實時變結構、系統開放、柔性配置、安全可靠等特征。未來工業互聯網的到來，將引起社會生產力的劇變。

　　工業互聯網進入新探索階段

　　數字化智能化方興未艾。中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》掀起新的高潮。工業作為國家競爭力的基石，工業系統的數字化智能化必然成為關鍵著力點。

　　人類的生存長期受困于物質的匱乏。自工業化以來，人們將物質、能量、信息重新組配，使人類所需物品得到極大豐富。目前，絕大多數產品完全能夠滿足人類的需求，甚至不少產品僅一家工廠就足以生產出滿足全世界人口需求的總量。人類進入過剩時代，正面臨新挑戰——TQCSE，即短交期（T）、高質量（Q）、低成本（C）、優質服務（S）、環境友好（E）。當然，這些指標項也可能是相互沖突的。對于一個具體的工業企業，每一個指標項都會涉及多個設計和制造參數，因此，企業需要對成百上千個參數進行綜合分析、實時計算、平衡優化、不斷迭代，以達到更高目標，并在激烈競爭中獲勝。柔性、敏捷是現代工業系統達到更高目標的途徑，也是當前最迫切的需求。

　　信息在物質與能量的組配中發揮著樞紐性作用。相較于物質與能量而言，信息源自人類對世界的認知，信息的載體原本是人類本身，但計算機的出現使信息有了新的載體。有關物質與能量的知識可以在計算機上進行存儲、加工、傳遞。牛頓等科學家將物理世界轉換為數學世界，使得物理世界的知識能夠用數學邏輯嚴密刻畫，奠定計算機對知識進行加工、傳遞、使用的基礎，并使物理世界與信息世界深度連接。數字信息技術成為應對上述挑戰的最有力手段。

　　亞當·斯密在《國富論》中揭示，經濟發展源于因交通連接而產生的商貿交換?；ヂ摼W的本質在于連接——連接產生交換，交換產生價值。那么，工業互聯網的價值點又在哪里呢？這是我們首先需要考慮的問題。

　　無論是美國工業互聯網體系，還是德國工業4.0體系，目前也都只是給出框架性文件，并沒有針對具體的工業實踐指導。智能工廠被普遍認為是工業互聯網應用于工業企業的載體，除各種新概念外，還缺乏有指導性的智能工廠理論及方法。

　　當前工業互聯網存在的問題

　　互聯網對社會的改變有目共睹，其價值主要在于發揮了信息的樞紐性作用，對各種社會資源重新組配，使其運轉效率極大優化。

　　傳統消費互聯網本質上是人與網絡的連接，網絡主體是人，而工業互聯網連接的對象是工業要素，比如機器、軟件（業務流程、模型算法）、產品、原料、工裝及人等，網絡主體主要是工業要素。由于網絡的主體不同、遵循的規律不同，依賴的基礎理論也會不同。因此，會引起諸多方面的差異。

　　第一，在模式層面，工業互聯網企業的運營模式和傳統互聯網企業的運營模式有很大不同，傳統消費互聯網的商業模式無法照搬。對于傳統消費互聯網而言，用戶（流量）是最寶貴的資產，也是價值點，其運營基本上是以提升流量來實現商業目的。工業互聯網連接的是工業要素，難以通過流量來變現。目前，平臺廠商眾多，傳統企業平臺積極性不高，云化的企業管理軟件（ERP、MES等）應用范圍并不大，企業界的顧慮很多，平臺數據增長緩慢，平臺企業基本在虧損狀態。

　　第二，在驅動力層面，傳統消費互聯網的動力來源依靠個人用戶端拉動，而工業互聯網主要是依靠平臺企業在推動。如果互聯網與工業系統的結合只是簡單相加，那么互聯網和工業系統就像油和水的關系，層次分明，互聯網對工業要素資源的配置效能就無法發揮出來，更談不上真正的工業互聯網，也解決不了工業所面臨的問題。換句話講，如果沒有多大用處，企業自然沒有上云的動力。

　　第三，在接入層面，工業要素需要接入工業互聯網平臺，包括公有云平臺或私有云平臺。以解決物品稀缺問題而發展出來的傳統工業系統是建立在剛性集成生產系統基礎上的，也是封閉的、條塊分割的、僵化的，難以適應在平臺算法調度下的靈活定制、柔性配置和按需生產。傳統的工業信息系統向工業互聯網模式下企業數字化、智能化轉變，這就需要進行傳統工業體系“入網”技術研究。

　　我們借用美國國家標準與技術研究院（NIST）智能制造生態系統的三個維度來說明工業系統在互聯網加持下的嬗變（見下圖）。在商業維度上，互聯網是首先滲透并已經很深入；在產品維度上，早已有面向產品全生命周期的互聯網協同設計概念，但鮮見應用案例；在生產維度上，面向供應鏈的生產排程、可預測性制造等方面有一些互聯網應用。然而，在這三個維度交叉點上的“制造金字塔”，互聯網并沒有滲透進去。傳統的工業體系是面向常規的、穩定的大批量制造，體系是ISA-95（企業系統與控制系統集成國際標準，95代表的是ISA的第95個標準項目），是金字塔式、遞階式管控，是自上而下地下達命令并執行。而互聯網強調的是速度、彈性，能適應環境的快速變化，通過對所連接的要素進行快速重組以體現效率。若要滿足現代社會對工業的柔性、敏捷的迫切需求，就需要處理工業全要素的動態加入和動態退出?；ヂ摼W的工業應用必然要深入到“制造金字塔”，才能實現更高的優化目標。

互聯網需要深入“制造金字塔”

　　我們希望通過互聯網推動新一輪工業革命，但現實的工業需求并未能因此而滿足。在目前的工業體系內部，難以實現信息及算法調配下工業要素的靈活組配。表面上看，這是應用問題，但歸根結底是理論缺乏問題。換言之，就是原有的面向規?；a的、基于封閉的工業體系理論不適用了，而新的理論又沒有建立起來。

　　未來工業互聯網的深入應用

　　工業互聯網需要滿足當前社會對現代工業系統的需求，不僅要實現互聯，還要對工業要素進行組配、優化，其根本點在于需要建立柔性、敏捷的生產體系。

　　目前，“工業互聯網平臺+工業系統”仍是剛性集成的生產互聯系統，具有體系結構固化、工業要素緊密聯接的特征，難以實現在互聯網平臺算法調度下的要素柔性配置、訂單靈活定制、按需生產的需求。

　　工業互聯網的深入應用需要將原有的“制造金字塔”體系各環節打散，在信息和算法的支持下，在較小的粒度上進行工業要素的重組、格式化等，并從一個企業內部延展到全供應鏈，重新配置工業全要素。工業互聯網平臺就如同一個隱形的管理者，它會持續收集數據和配置工業要素，集反饋、控制、優化于一體。平臺對全供應鏈的運營管控過程進行“精打細算”，優化產品設計、產品生產、服務過程，進行柔性、敏捷化制造。這就是未來的工業互聯網（見下圖）。

未來工業互聯網

　　滿足工業需求的工業互聯網的深度應用會引起社會生產力的劇變。未來工業互聯網應當是全新的工業生態。未來工業互聯網及接入的工業系統（簡稱“工業互聯系統”）應當能處理工業要素的動態加入和動態退出，也能滿足柔性、敏捷化的需求。

　　未來工業互聯網松耦合結構

　　由于全要素互聯需要連接的對象量級巨大、系統復雜，未來工業互聯網需要的也是松耦合系統結構模型，只有松耦合系統結構才能適配全要素互聯產生的系統復雜性。工業系統本質上是物質、能量、信息的融合體，在工業互聯系統中，機械連接用以傳遞力，能量連接用以供給能源，信息連接用以傳遞信息。在以數據為中心的聯邦式松耦合體系架構中，聯邦式系統如同社交網絡，采用“Link（紐帶）”“群”“群成員”“QoS（Quality of Service，服務質量）”定義交互網 G（V，E，W），G就是一個有向加權網絡，它可以清晰地刻畫出一個動態松耦合系統。

　　工業要素之間采用發布/訂閱模型進行數據交換，以發布/訂閱關系定義各個工業要素間的連接，節點的動態加入和退出并不會影響到網絡中的其他節點。

　　松耦合計算模型應該是以概率和不確定性為數學基礎（允許有小范圍誤差，保持有松動空間），主要采用逼近方法（如概率和神經網絡），而不只是精確計算方法。

　　未來工業互聯網的一種可靠性設計方法

　　構建滿足未來工業互聯網所要求的動態實時變結構系統，解決工業全要素按需互聯和要素數據可靠交換問題，是工業互聯網深度應用需要解決的關鍵科學問題。

　　我們把復雜網絡系統的理論用于工業互聯網，解決可靠性問題。對系統網絡中數據交換的均衡性、關鍵點（脆弱性）要進行計算、評估、優化，才能設計出性能更優、更可靠的工業互聯網系統。要點如下：第一，采用復雜網絡系統理論方法，分析工業互聯松耦合系統結構；第二，用強度（Strength）度量網絡中成員的重要性；第三，用耦合性（Coupling）來度量網絡中成員與成員之間的依賴程度；第四，將上述這兩個概念結合，用復合中心性表示，也可稱為強度-信息熵中心性（SEC，Strength-Entropy Centrality）。

　　松耦合結構有別于傳統金字塔式的集中控制系統，是去中心化的。對于工業互聯系統而言，在數據可靠交互的前提下，需要降低成員的復合中心性。根據需要，系統可重新分配發布/訂閱關系，動態地對系統重新配置，以保障工業互聯系統穩定運行。

　　未來工業互聯網松耦合系統的實現

　　當未來工業互聯網應用深入到工業現場，無論是冠以“智能化工廠”名稱，還是稱為“燈塔工廠”“未來工廠”或“黑燈工廠”等，其目標都必須是TQCSE需要滿足快速變化的市場需求，必然要發揮信息的樞紐性調度作用，使企業原來的剛性體系柔性而又敏捷。松耦合結構的實現需要解決以下兩方面問題：一是工業互聯網平臺與工業體系適配問題，既有科學問題，也有技術問題和工程問題；二是工業全要素接入后，整個工業互聯系統的聯接關系與結構關系的復雜性難題。以未來工業互聯網松耦合結構理論為基礎實現的工業互聯數據鏈，其中，聯邦式系統如同工業要素的“社交網絡”，有以下特征：第一，定義“Link”“群”“群成員”“QoS”及交互網等概念；第二，用數據發布/訂閱關系定義工業要素的連接關系；第三，建立加權有向聯接矩陣、全局數據空間、適配封裝工業要素、設置各聯邦成員的QoS屬性。工業互聯數據鏈支持工業要素松耦合配置“組網”，聯邦成員靈活建群、數據發布/訂閱、QoS管理、柔性配置、數據交換過程監控，實現工業互聯要素以數據為中心的即時交換，可以達到毫秒級，滿足工業現場的需求。工業互聯數據鏈應用使參與互聯的應用系統（即服務）和設備從強連接、緊耦合轉變為弱連接、松耦合，實現松耦合數據交換及要素互聯。

　　在工業互聯網應用推進中，需要平臺和現場并重，在平臺側需要解決共性問題，如資源調度算法、數據鏈平臺、綜合管理等；在現場側需要做好數據采集與交換、工業現場特有問題等。只有平臺與現場合理的功能匹配，工業互聯網應用才能達到好的效果。

　　工業互聯網在智能工廠中的應用

　　智能工廠作為智能制造概念全方位應用的具象化體現，是工業互聯網深入應用的落點，也是未來的工廠模式。智能工廠的核心是企業大腦，融合算法、軟件、設備的CPS（Cyber Physical Systems）。雖然理想的智能工廠在現階段難以完整展現，但可以進行總體規劃，分步驟實施：第一步，進行工廠設施的計算機化，使工廠物理世界的特征、規律數據化，在信息世界進行計算、存儲；第二步，對機器、軟件、產品、原料、工裝、人等要素全連接，實現連通性；第三步，實現數字孿生，在物理空間可能是“黑燈工廠”，但在虛擬空間可實現數據可見、可操作以及企業運營透明化；第四步，構建企業大腦，也包括各業務領域小腦（營銷小腦、財務小腦、能耗管理小腦、規劃調度小腦等）實現預測性制造；第五步，進入高級階段，構建應對市場變化的自適應性制造工廠，以達到優化各工業要素組配、優化社會生產，以及優化服務過程的目的。

　　這里列舉兩個典型案例進行說明。

　　一是某大型民營廚電設備公司為應對激烈的市場競爭，進行工廠大腦、數字神經系統、“黑燈工廠”、數字孿生系統建設，達到智能工廠的中級階段，使企業的各方面指標獲得很大優化。其中，運營成本降低45.9%，產品研制周期縮短42.6%，能源利用率提高12.3%，企業營收增長5.6倍，經濟利潤提升11.4倍。

　　二是某軍工院所為解決裝配線面臨經常換型號、效率低下等問題，構建數字孿生裝配生產線場景，即從要素連接到數據交換再到雙機器人路徑協同規劃實現虛實聯動仿真等，大大提高了車間運作效率。

　　對未來工業互聯網的展望

　　隨著未來工業互聯網的深入應用，企業各個方面指標將持續優化：優化生產資源大跨度配置（遠程異地設計協同、制造協同、資源共享）；優化產品全生命周期管理（遠程運維、預測性維護、回收與再利用）；優化供應鏈管理、經營決策、銷售策略、財務管理等（經營過程）；優化工藝過程、人員配置、生產流程、在線質量、物料供給、能耗配置、環境效能（制造過程）。

　　在研究方面，未來工業互聯網需要進一步研究的方向包括：對未來工業互聯網松耦合體系架構理論的深入研究；對動態實時變結構系統評估方法研究；對虛實空間系統行為及全要素狀態對齊技術研究；對未來工業互聯網系統實現平臺研究。

　　作者：趙驥系清華大學國家CIMS工程技術研究中心高級工程師；吳澄系中國工程院院士、清華大學國家CIMS工程技術研究中心主任

　　來源：《中國網信》2023年第4期