清华大学杨铮：工业互联网的边界、维度与原点

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　　工业互联网最近频繁出现在大众的视野中。无论是工业还是互联网，都牵动着社会发展的神经。本来工业没什么好担心的。虽然新中国工业起点很低，但是经过第一个五年计划，就发生了巨大改变；之后又经过几十年的发展，我国工业增加值从1952年的120亿元增加到2018年的30多万亿元，成为全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家。然而，美国的制裁与封锁，让人们认识到我国工业还处在大而不强的窘境。不仅国家着急，老百姓也跟着着急。每次美国公布实体名单，工业互联网都被人们拎出来讨论一番。　　“工业互联网是新工业革命的基石。”　　这句话把工业互联网的重要性提升到了一个非同一般的位置，因为工业史上的历次工业革命极大提升了人类的物质文明。特别是中国错失之前历次工业革命的现实，使得我们更加重视预期中的这次新工业革命。经过七十多年的发展，我国也许有机会与其它发达国家站在同一起跑线，亲身参与这次浪潮，从之前被拍在沙滩上变成如今的弄潮儿，这是历史上前所未有的事情。工业互联网中寄托着我国从制造大国向制造强国转变的美好期望。　　“互联网下半场是属于产业互联网。”　　——马化腾，腾讯董事会主席　　除了工业的原因，工业互联网的吸引力还来自互联网。如果说工业革命太久远人们没有耳闻目睹，那么互联网对传统行业的变革是人们切身感受到的。这使得人们对于工业与互联网的结合充满了期待。　　所以人们愿意了解学习工业互联网。但是人们很快发现，工业互联网当真是海纳百川，覆盖的内容林林总总、五花八门。从德国的工业4.0到美国的工业互联网联盟，从石油钢铁到物流快递，从卡奥斯树根到华为阿里，从PLC到Cloud。工业互联网产业联盟（AII）在2020年发布的工业互联网垂直行业应用案例中，包括制造与工艺管理、产品研发设计、资源配置协同、企业运营管理、生产过程管控、设备管理服务六大应用场景，覆盖轻工家电、船舶、机械、纺织、石化、电子信息、航空航天、钢铁、医疗等十几个行业领域，涉及的技术包括5G、SDN、TSN、工业PON、SD-WAN、机器视觉、数据挖掘、工业大脑、AGV、深度学习、人工智能、大数据、AR/VR、区块链、数据中心、边缘计算、云平台、物联网、SaaS等，将这些年流行的计算机、通信技术一网打尽。　　看了这些案例，除了感叹高大上，我也有疑惑：一些普通的企业信息化的项目换上了“工业互联网”的帽子，喊着“同去、同去”，于是参加了革命——新工业革命。　　工业互联网的边界究竟在哪里呢？　　如果从工业自动化的视角来看，疑惑就更多了。工业互联网作为IT（信息技术）与OT（操作技术或生产技术）技术融合的产物，理解起来有个天然的障碍：搞IT的和搞OT的两拨人互相不懂，但有时候以为自己懂对方，更有时候以为懂自己就够了。所以才有了工业互联网究竟姓“工”还是姓“网”的争论。　　梅宏院士讲过一段有趣的经历：他在和别人介绍“软件定义”这个概念时遇到了困难，特别是“软件定义+行业”（例如软件定义汽车等），引来不同行业的广泛的不认同。大家能接受的说法是，软件作为一个工具服务于行业。梅院士自认为是“定义”这个词太过强势了，不容易让人接受。如果不出圈的话，“软件定义”接受起来就会更容易，例如软件定义网络（SDN）。　　“信息技术企业看工业互联网的市场是叫得响、门槛高、看得见、摸不着 。”　　—— 邬贺铨 中国工程院院士　　信息技术企业提着猪头找不到庙门，这多尴尬。　　工业互联网的核心在哪里？　　为了理解工业互联网的核心与边界，我来说点外行能听懂的。　　如果把工业互联网看做一个生态空间，下面将从边界、维度、原点三方面来解释这个空间——1. 边界：工业互联网的内涵和外延不断丰富；2. 维度：理解工业互联网的框架；3. 原点：IT与OT的交汇点。　　1. 边界：工业互联网的内涵和外延不断丰富　　我以前向别人介绍物联网的时候，往往略去定义，坦白承认物联网是个筐，筐中装满了各项具体的技术。我这样做也是因为吸取了经验教训。物联网范围太广泛，以至于任何定义都必然是高度抽象的，否则无法覆盖全部内容。与其抛出一个不好解释的定义给自己挖坑，不如老老实实承认物联网的千姿百态。　　工业互联网也是相似的情况，其内涵和外延不断丰富，现如今筐里已经装了不少东西了。　　工业互联网甚至还有点出圈。它带着互联网的光环，不仅仅要解决生产环节中的问题，还要解决企业方方面面的问题，例如商业模式、资源配置、生产运营、研发创新、组织机制等。这样一来，工业互联网极大地拓展了边界，与企业数字化转型站到了一起，希望利用互联网解决企业数字化转型过程中的所有问题。拎着互联网（IT技术）这个锤子，在企业中四处找找钉子。正所谓，手里有锤子，看什么都像钉子。　　这里的互联网不仅仅是互联网，而是先进信息技术的代称，包括物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链等。2017年11月，国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，其中就涉及了互联网、大数据、人工智能。而在此之前，工业互联网这个词并没有成为主角，而是以智能制造、先进制造、制造业与互联网融合发展等面貌出现在国家政策中。因此，至少在国内的语境下，工业互联网蕴含工业物联网、工业大数据、工业云、工业智能、工业区块链等。　　如果有一天，工业互联网跳出了技术圈，也未必不可能。回想一下互联网这三个字，脱胎于计算机互联，但是早已脱离了技术领域。比如，同学们找工作时去的互联网公司，不再是制造网络设备的华为思科，也不再是提供互联网接入服务的移动联通，而是阿里腾讯百度这样的公司。当我第一次听说互联网思维的时候，我是震惊的。我以为是开放、分层、标准、瘦腰、开源、免费；结果是闭环、粘性、流量、风口、变现、红海、蓝海、反哺、头部、腰部、下沉、裂变、赋能……以及“羊毛出在狗身上，猪来买单”。　　所以，我觉得不用太纠结什么是工业互联网，只要是为企业数字化做贡献，无论是在哪个阶段、哪个层次、哪个角度，都和工业互联网搭边。当然，工业互联网是有边界的，就是企业数字化；工业互联网也是有重点的，也就是我后面将要介绍的工业互联网的原点。　　华为这样的创新的企业，在整个人类社会数字化、智能化发展的过程中，一定是有价值的，一定会有它的一席之地。　　——胡厚崑 华为轮值董事长　　套用华为轮值董事长胡厚崑评价华为的话，我认为凡是对企业数字化转型做贡献的技术都可以算是工业互联网技术。不同的技术从不同角度、不同层次、不同阶段来切入企业数字化，解决一个个具体的问题。这就是工业互联网的“各美其美、美人之美”。　　2. 维度：理解工业互联网的框架　　随着工业互联网内涵的不断丰富，准确概括并清晰梳理工业互联网的内容就变得愈加困难。中国工业互联网研究院将工业互联网技术分为网络、平台、安全三部分。“网络是基础、平台是核心、安全是保障”，这是大家耳熟能详的。工业互联网产业联盟也有类似的划分理念，分为网络、数据、安全三部分。　　我在这里选择一种不同的方式来构造工业互联网的理解框架。所谓理解框架，就是我们以什么样的线索来理解工业互联网。因为工业互联网包含的内容很丰富，好的理解线索可以让我们理解起来更容易。　　我选择用“一个趋势、三个维度”来解释工业互联网。一个趋势就是互联——全生产要素的互联互通。随着联网设备的不断增加，工业生产中的全要素（人机料法环）逐步实现互联互通，为未来各种可能性（例如无人工厂、个性化定制等）打下基础。三个维度是指“全生产系统、全产业链、全生命周期”。整合起来，工业互联网就是互联在三个维度上不断扩展。　　维度一：全生产系统互联。企业内网的发展逐渐将企业内的BI、ERP、MES、SCADA等全生产系统连接起来，使得信息技术与生产技术深度融合。在这些生产系统中，PLC与S/A（Sensor、Actuator）工作在生产现场，它们由现场级网络连接起来，在这一层级中，OT技术是主导。在现场级网络之上，是车间级网络，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）通常接入到这一级网络，这里也是IT技术与OT技术交汇融合的区域。再往上则是工厂级网络，MES（Manufacturing Execution System）就连接在这一级网络中。在这两层网络之间，通常架设有工业防火墙来保护工业现场的数据与设备的安全。在MES之上就是ERP（Enterprise Resource Planning）系统了，它和BI（Business Intelligence）共同连接在企业级网络上，并通过网络防火墙与工厂级网络分隔。在“全生产系统”这一维度上，随着我们逐渐远离生产现场，OT技术的比重在逐渐下降，IT技术的比重逐渐上升，而在中间地带则是IT与OT融合的区域。　　维度二：全产业链互联。产业链各环节的企业，包括供应商、制造商、销售商和金融机构等，在工业互联网的推动下，逐渐加深合作，增强交流，协同优化，形成合力。在这一过程中，工业互联网平台能够把分散在不同地区的生产设备资源、智力资源等各种核心能力整合在一起，而标识解析体系则是企业间能够实现互联互通的重要基础设施。同时，跨越公网的网络连接的安全问题也不容忽视。　　维度三：全生命周期互联。在产品的全生命周期当中，物联网等重要技术将使得产品永远处于“在线”状态，从最初的设计、制造阶段，用户就可以参与其中，实现产品的个性化定制。产品出厂后，其装备的各种传感器将不断监控产品运行状态，预测可能发生的故障，从而实现服务化延伸（其实我一直觉得叫延伸化服务更合理，也更能配合上智能化制造、个性化定制、网络化协同）。　　我选择以这样的方式（“一个趋势、三个维度”）来解释工业互联网，是因为我觉得好的理解框架可以让原本模糊的理念清晰起来，让原本无处安放的内容各安其位，让原本有一定矛盾的说法在新框架中逐步自洽了。CAII提出的工业互联网四大应用场景（智能化生产、网络化协同、服务化延伸、个性化定制）可以分别对应全生产系统、全产业链、全生命周期的正轴、全生命周期的负轴。同样，CAII提出的工业互联网三大产业生态（生产端、产品端、平台端）可以分别对应全生产系统、全生命周期、全产业链及全生命周期。再比如德国提出的工业4.0参考架构（RAMI4.0）中的从产品（Product）到现场设备（Field Device）、站点（Station）、企业（Enterprise）、最终直到互联世界（Connected World）的连接层次，可以分别对应全生命周期互联，全生产系统互联的各个层次（现场级、车间级、企业级等），最终直到全产业链的互联。　　这样一解释，虽然把自己的研究方向挤压在整个全景图中的很小的一部分，但是不得不说，确实更清晰了。　　如果从技术角度来解释工业互联网，我还推荐刘云浩教授在《从互联到新工业革命》一书中提出的工业互联网三网四层结构以及AII的工业互联网体系架构2.0。三网四层结构最简洁清晰，将工业互联网划分为“实体联网、数据联网、服务联网”三网以及“智能感知、网络互联、数据分析、开放服务”四层。工业互联网体系架构2.0非常全面详细，当然也更复杂，以至于需要17张图来解释工业互联网——包括1张总图、5张子图、以及11张子子图。我在这里仅把总图和部分子图放上来，供大家参考。　　3. 原点：IT与OT的交汇点　　工业互联网在三个维度六个方向上延伸，形成工业互联网的空间（3D全景图）。就像宇宙爆炸有个奇点，那么工业互联网延伸的原点在哪里。　　要解释这个问题，我们还是先来看看物联网。一般来讲，物联网分为感知识别、网络通信、管理服务、综合应用四层，每层都有多种具体的技术形式，例如RFID、传感网、定位、自组网、低功耗广域网等。尽管各项技术都很重要，物联网的原点还是应该落在EPC上。1999年，麻省理工学院Auto-ID实验室提出了产品电子码（Electronic Product Code, EPC）的概念，并在此基础上研究利用RFID、无线网络、互联网构建物物互联的解决方案。从此，物联网有了发展的原点，各项其它技术纷纷加入进来，共同推动万物互联的趋势。　　我认为，工业互联网的原点在IT与OT技术的交叉点，说得更准确一点，就是生产设备互联。这里的互联包括三个层次——实体互联、数据互联、服务互联。物联网经过20年的发展，已经可以提供用于物品互联的一系列技术。尽管如此，人们发现，生产设备互联竟然比普通物品互联还要难。物品互联是处女地，各项技术跑马圈地，没有历史包袱，解决的是没有上网能力的物品如何上网；而生产设备互联是有护城河的，目前以专用的、封闭的、非标准的方式实现受限的互联，被戏称为“七国八制”。　　目前的生产设备互联协议多种多样，例如德国倍福公司主推的EtherCAT、西门子公司主推的PROFINET以及奥地利公司B&R主推的Ethernet Powerlink等等。这些专用的工业控制网络协议都有各自的商业巨头在推动，每一种协议都有自己的小生态圈但彼此之间无法互联互通，更不用说与IT系统的连通了。在这样的背景下，时间敏感网络（TSN）作为一种开放的、标准的、统一的新一代网络技术应运而生，一方面，TSN兼容传统的以太网技术，可以无缝接入各种IT系统；另一方面，TSN具有精准的流量调度能力，可以为实时流量的传输提供确定性的超低时延，从而满足各种生产设备对网络传输的需求。　　TSN解决了实体互联的问题，即让各个实体能够听到彼此的“声音”。为了让它们能够进一步理解对方的语言，即实现数据互联与服务互联，我们还需要OPC UA。OPC UA是OPC基金会发布的机器对机器传输协议，它和TSN的结合（OPC UA over TSN）将成为支撑原点（IT与OT融合）的网络解决方案。与 TSN 一样，OPC UA 是一种开放的标准技术，独立于厂商，可用于广泛的工业应用。因此，OPC UA 和TSN 的组合提供了一个全面、开放、可互操作的标准解决方案，可以满足大多数工业通信需求。　　原点的重要性体现在它在三个维度上都处在核心位置。在全生产系统维度上，智能化生产的需要生产设备与ERP、BI系统的互联。单纯的自动化、无人化生产可以仅通过OT技术实现，而智能化生产要在这些基础上，将来自上层ERP、BI以及下层MES、SCADA的信息等进行全局优化，最后体现在生产设备的生产过程中。在全生命周期的维度上，用户的个性化定制最终也要体现在生产系统上，需要生产设备与用户需求的互联。因为工业互联网要解决的问题是大规模个性化生产，单独的大规模生产和个性化定制都不是难题，两者结合起来才是难题。在全产业链的维度上，网络化协同的目的是连接供应商、制造商、销售商、与金融机构，让企业充分利用产业链上下游的信息，更高效的管理生产资源，而这些最终也要体现到生产系统上，需要生产设备与产业链上下游的互联。　　原点不一定是最受关注的点，也不一定是最先取得突破的点。在工业互联网中，我觉得，最容易产生效果、最吸引眼球的应该是全生命周期这个维度上的各类应用；而其原点，即生产设备互联，恰恰相反，是最难取得突破、最硬核的点，也是离普通人最远、最没有感受的点，更是应该投入力量解决的基础关键点。　　总结　　工业互联网的边界在企业数字化，核心趋势是生产全要素之间更广泛的互联互通，互联互通在全生产系统、全产业链、全生命周期三个维度上展开，三个维度的原点在于生产设备的互联，这也正是IT与OT技术的交汇点。有了边界、维度、原点，工业互联网的空间也就形成了。各项技术与各类应用在这个空间中各就各位，共同推动工业升级。这就是工业互联网的“美美与共，天下大同”。



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