2023工业数字化关键技术及发展趋势报告.pdf

前言 工业数字化，是在工业领域基于网络信息技术，推动技术进步、组织变革和效率提升的融合应用模式。20 多年来，我国以电子信息制造业为重点，大力推动一、二、三产业信息化发展，部分重点产业如电子信息制造业、通信业取得较大突破。当前，我国工业数字化产业整体规模持续增加，工业数字化应用持续延伸至数十个国民经济大类中，并催生了平台化设计、智能化制造等新模式和业态。在此背景下，本研究报告回顾了工业数字化发展历程的背景，并对工业数字化产业发展层级进行梳理，针对关键技术展开重点分析，讨论了技术发展趋势和行业动态。报告指出，伴随着我国工业数字化平台整体能力的提升，低代码开发、工业模型、数据模型等平台关键能力提升明显，数字孪生等新技术在平台探索应用。“5G+工业数字化”实践已初步展现变革性的赋能意义，为我国经济社会发展开启了新模式、新空间、新未来。同时，报告也聚焦业界实践，总结了若干工业数字化领域技术衍生下的新商业模式，分析行业特点与需求，探索应用模式与路径，为工业数字化技术落地提供参考。工业数字化是数字经济的重要组成，通过各类企业及机构的交互式创新活动，将有力推动我国工业制造企业创新能力的提升和向服务型制造转型，把握技术发展关键路径，推动企业走出低端制造的困境，真正实现各行业各细分领域的数字化转型发展。目录 01 新常态：回归长期主义.1（一）工业数字化发展历程与现状.1（二）工业数字化驱动因素.4（三）国家战略及关键政策.6（四）工业数字化投融资情况.8 02 新生态：产业全景概览.10（一）工业数字化产业全景.10（二）基础设施层.15（三）边缘层.26（四）平台层.33（五）应用层.37 03 新技术：从跟随到超越.38（一）工业软件.38（二）工业 App.48（三）人工智能.49 （四）工业机器人.50（五）数字孪生.51（六）技术发展趋势.53 04 新趋势：技术衍生新商业模式.55（一）协同制造.55（二）云边一体.62（三）柔性生产线/个性化定制.68（四）技术发展路径探索.76 05 新势力：优秀企业案例.78（一）捷配.78（二）班德瑞.85（三）用友.89（四）华磊迅拓.94（五）蓝卓.99 图目录 图 1 数字化转型.1 图 2“信息化”、“数字化”与“数字化转型”概念对比.2 图 3 各国政府的“工业数字化”政策.3 图 4 2022 年跨行业跨领域工业数字化平台名单.7 图 5 工业数字化细分领域 .9 图 6 2022 工业数字化领域重点投资事件.10 图 7 工业互联网功能架构图.11 图 8 国外部分重点企业.13 图 9 我国多层次系统化平台体系.13 图 10 网络通信结构图.19 图 11 标识解析服务器节点框架.24 图 12 现有标识解析体系.25 图 13 设备接入示意图.28 图 14 多种接口设备.30 图 15 边缘计算结构示意图.33 图 16 PaaS 层功能.35 图 17 SaaS 多种应用场景.38 图 18 智能制造各层级结构示意图.40 图 19 MES 功能流程图.41 图 20 PLM 产品生命周期管理示意图.43 图 21 计算机辅助软件使用流程.44 图 22 AI 助力产业发展阶段图.50 图 23 数字孪生应用层级结构.53 图 24 工业数字化平台能力对比.55 图 25 PCB 行业产业链概述.56 图 26 捷配数智化协同工厂.58 图 27 协同制造服务体系 ECMS.59 图 28 数字经济推动服务贸易全球化.60 图 29 传统供应链（左）和数字化供应网络（右）.62 图 30 汽车产业供应链微笑曲线.63 图 31 新能源汽车“数字化智能化”流程.64 图 32 装备平台管理模式图.65 图 33 智能家居产业链.67 图 34 家装行业传统业务流程.69 图 35 家装行业应用模式与路径.70 图 36 服装行业产业链.72 图 37 服装智能+应用场景.74 图 38 PCB 智能工厂整体解决方案.81 图 39 班德瑞工业数字化产品的技术架构简述.87 图 40 环保领域大型国企加速数字化转型的实践应用.88 图 41 集团化企业如何实现分公司的全流程管理.89 图 42 MES 工业互联网智能制造架构图.96 图 43 0rBit-MES/MOM 数字化工厂应用场景.97 图 44 supOS 工业操作系统架构.101 图 45 基于 supOS 数字化底座的智能工厂数据流向.103 1 一、新常态：回归长期主义（一）（一）工业数字化发展历程与现状工业数字化发展历程与现状 1.工业数字化的定义与内涵 所谓工业数字化，是在工业领域基于网络信息技术，推动技术进步、组织变革和效率提升的融合应用模式。数字化转型是通过信息通信等数字技术驱动的产业变革过程，以数据为关键要素，以网络信息技术在各个行业全面融合应用为主要过程，以提升企业整体质量和效益为目标，系统性变革企业的生产方式、商业模式和产业组织形式，包括“数字化、网络化、智能化”方面的转型升级。来源：中国信息通信研究院整理 图 01 数字化转型 从“信息化”、“数字化”到“数字化转型”是一个信息技术赋能不断进化的过程。信息化指的是从模拟信息向数字信息转变，以数字形式提供和获取信息；数字化则是在信息化的基础上在流程中应用数字化信息，让工作数字化、标准化。相较于信息化，数字化强调基 2 于信息数据反哺业务，业务进一步促进系统迭代优化。至于数字化转型，则侧重于基于数字化创造新的商业概念，诞生新的商业模式，是整个行业层面的转型升级。2.工业数字化的国际发展历程 美国工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）在其2020 年发布的工业数字化转型白皮书中，针对工业领域的数字化转型作出定义：工业数字化转型是利用物联网技术来改进流程和运营并取得更好的效果，包括新的商业模式、合作模式、运营模式、服务模式，以 IT 与 OT 的融合为主要特点。来源：中国信息通信研究院整理 图 02“信息化”、“数字化”与“数字化转型”概念对比 如今，工业数字化在世界范围内都深受重视，各国都在积极推动本国的数字化进程。作为世界上最早出台数字化相关政策的国家之一，英国政府先后多次推出数字化转型战略，为英国的数字化转型作全面部署，相关战略政策包括数字技能与包容性战略、连接战略、数字经济战略、网络空间战略、数字转型战略、数字政府战略和数据经济战略等等；德国则以“工业 4.0”概念为核心，逐步完善本国产业数字化转型计划，为当地中小企业提供更加良好的发展环境。所谓工业 4.0 3（Industry4.0）是德国基于工业发展的不同阶段所作出的划分：工业1.0 是蒸汽机时代，工业 2.0 是电气化时代，工业 3.0 是信息化时代，而工业 4.0 是智能化时代，是利用电子信息技术推动全产业变革的时代。在经历了金融危机，国内工业衰退之后，为了对抗产业“空心化”，美国推行“再工业化”战略，奥巴马时期先后发布了“先进制造伙伴计划”、“先进制造业国家战略计划”、“加速美国先进制造业发展”“美国制造业及创新复兴法案”等一系列的政策举措，力图将美国的发展轨迹引导到能够充分发挥信息技术优势的战略轨道上来。特朗普上任之后，延续和发展了关于制造业发展的相关政策措施。2018 年以来，美国政府发布产业政策的频率明显加快，除了先进制造业战略、，大数据、云计算、人工智能等相关战略也相继出台，美国促进发展先进制造业相关政策体系不断完善，战略目标也愈发清晰：以发展先进制造业为契机，带动上下游产业逐渐向美国本土回流，并最终在美国本土建立完整的产业链。来源：中国信息通信研究院整理 图 03 各国政府的“工业数字化”政策 3.工业数字化的国内发展历程 4 20 多年来，我国以电子信息制造业为重点，大力推动一二三产业信息化发展，部分重点产业如电子信息制造业、通信业取得较大突破。2012 年以来，随着新一代网络信息技术的快速发展，我国逐渐在部分领域建立局部优势。2015 年，国务院发布“互联网行动计划，并于两年后又发布关于深化”互联网先进制造业“发展工业互联网指导意见，将工业数字化视为支撑我国制造业数字化转型的重要路径和方法。4.工业数字化的产业规模 2021 年，我国工业数字化产业整体规模突破 1 万亿元，超 300 座城市覆盖了高质量外网，连接了超过 18 万家工业企业；大型工业数字化平台超过 100 家，总接入设备超过 7600 万台。工业数字化应用已经延伸至 45 个国民经济大类，催生了平台化设计、智能化制造等新模式和业态。我国重点领域关键工序数控化率超过 55，数字化研发、设计工具的普及率高达 74.41。（二）（二）工业数字化驱动因素工业数字化驱动因素 1.国际格局动荡，夯实制造业根基 近年来，国际局势风云激荡，黑天鹅、灰犀牛事件层出不穷。16年特朗普就任美国总统，不久向中国举起贸易制裁“大棒”，自此引发世界范围内一股“逆全球化”浪潮，全球产业链、贸易链面临严峻挑战；20 年新冠疫情波及全球，国际贸易和人员往来几乎停滞；22 年初战火在乌克兰燃起，主要大国间对立加剧，世界粮食和能源安全再 1 数据来源：中华人民共和国工业和信息化部 5 受冲击。在愈发不稳定的国际局势下，深度嵌入全球产业链的中国自然不可能独善其身。在制造业领域，中兴、华为等科技企业先后遭遇制裁，美西方屡屡在高科技领域对华“卡脖子”，先进制程芯片等科技产品成为了我国工业发展的瓶颈。为了应对外国技术封锁，保护我国国家安全，也为了推动我国制造产业的全面转型升级，实现高质量发展，夯实制造业根基，用先进数字技术赋能广大制造行业，突破瓶颈，提高生产效率成为制造业发展的重中之重。2.流量红利见顶，供应链价值凸显 中国是一个有 15 亿人口的庞大市场，在过去，中国企业立足庞大的本土市场便足以实现高速增长，早先的互联网企业更是热衷于走流量路线。然而近年来随着市场的逐渐饱和，蓝海变红海，流量红利几乎见顶，走量需要向走质量转变。提升服务水平，加强供应链质量受到越来越多的企业重视。要提升服务水平，抓住消费者，数据是极好的粘合剂，通过全场景的数字化，把海量碎片化信息整合起来，针对性提升运营服务，从而获得市场信任。而在生产端，中国国内庞大而全面的供应链一直是“中国制造”的坚实地基，在全球大环境恶化的背景下，稳定的中国供应链吸引着全世界企业投资布局。抓住时机，不断推进中国制造业的数字化进程，保持并扩大我国在供应链上的优势，是面对“百年未有之大变局”的必要准备。3.国家政策倾斜，顶层设计协调统筹 中国政府一直对我国工业的高质量发展和数字化转型升级给予高度重视。在 2021 年给世界互联网大会的贺信中，习近平总书记写 6 到：“数字技术正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、政治、文化、社会、生态文明建设各领域和全过程，给人类生产生活带来广泛而深刻的影响。”这体现出中央对数字化工作重要性的肯定。国务院于 2015 年出台了促进大数据发展行动纲要，指出工业制造是国民经济的主体，大数据是工业发展的必然选择，企业是推进大数据创新的主体，再次强调了工业与数字化结合。2017 年底，国务院出台 关于深化“互联网先进制造业”发展工业互联网的指导意见，成为了指导我国工业互联网发展的纲领性文件。2020 年 5 月，工信部发布关于工业大数据发展的指导意见，围绕进一步深化工业数据应用，从开展应用示范、提升平台支撑作用、打造应用生态等方面进行了重点部署，为推进更大范围、更高水平、更深层次的工业数据应用创新指明了发展方向。（三）（三）国家战略及关键政策国家战略及关键政策 1.工信部双跨平台 2019 年 4 月，工信部发布了工业互联网发展行动计划(2018-2020 年)，提出到 2020 年底实现我国“初步建成工业互联网基础设施和产业体系”的发展目标，培育出一批独立经营的企业级工业互联网平台，建成工业互联网平台公共服务体系。2019 年 8 月，工信部公示了首批十家国家级“跨行业跨领域工业互联网平台”。到了 2022年，名单增至 28 家企业平台。7 来源：中国信息通信研究院整理 图 04 2022 年跨行业跨领域工业数字化平台名单 2.双碳目标影响 随着以全球变暖为代表的一系列生态环境问题成为国际上被长期关注的热点问题，推行低碳绿色的生产生活方式成为国际社会的共识。中国在 2020 年 9 月的联合国大会上正式提出将在 2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和目标，这也是“双碳”目标的首次提出。中 8 国经济要实现高质量发展，低碳绿色也是“高质量”的重要组成部分，构建高效、清洁、低碳、循环的绿色制造体系是中国未来发展的应有之意，当前制造业转型升级也必须是向着更低碳、绿色的方向发展。工业数字化降低了企业经营管理成本，提高生产效率，在减少纸张消耗、减少出行碳排放等方面卓有成效，数字化后被系统管理企业各项指标也有助于企业更好地管理自身的碳排放与资源消耗。3.专精特新企业 2021 年 1 月，财政部、工信部联合印发关于支持“专精特新”中小企业高质量发展的通知，这是中央支持“专精特新”中小企业高质量发展的重要政策。“专精特新”是指具备专业化、精细化、特色化、新颖化特征的中小企业，这类企业在发达国家数量众多，体量小但利润高，在各自的细分领域难以替代。“专精特新”企业也是中国未来产业链的不可或缺的一环，是强链补链的主力军。当前，我国中小企业的数字化水平远远落后与大型企业，对数字化的应用还停留在大众即时通讯软件的使用上。面对经济下行压力和愈发“内卷”的国内市场，中小企业要在大企业夹缝中生存下来乃至脱颖而出，更应该积极进行数字化转型，运用数字技术加强自身比较优势，紧跟时代浪潮，最终成长为产业链上小而重要的一环。（四）（四）工业数字化投融资情况工业数字化投融资情况 1.资本集体转投硬科技 随着科创板设立及创业板注册制改革，越来越多的战略性新兴产业步入资本市场。“硬科技”是指具有较高技术门槛和明确应用场景，9 代表世界科技前沿和引领科技产业变革的关键核心技术，对经济社会发展能起到重大支撑作用，互联网、新能源、新材料、高端装备等重点领域是发展“硬科技”的主力军。2018 年 11 月首届进博会上，习近平主席宣布了设立科创板的决定。科创板独立于主板，试点注册制改革，专注于支持战略性新兴企业和高新技术产业发展，推动大数据、云计算、物联网等新一代信息技术与制造业的深度交融，提升资本市场和科技创新的深度融合，为我国高新技术企业的发展提速，为科技创新保驾护航。自科创板设立和创业板注册制改革后，硬科技企业越来越成为资本市场追捧的对象。在国内股市整体上看，A 股市场的“硬科技”相关板块持续扩张，十年来新增上市公司已经过千，总市值占比持续上升，过去三年里，科创板一批科技企业借助资本市场快速发展，资本与科技通过科创板实现了完美的联接。来源：中国信息通信研究院整理 图 05 工业数字化细分领域 2.投资细分领域分析 10 资本市场对科技属性的喜爱有目共睹，对于广大的传统行业，通过工业数字化的形式提升自身数字化水平，不仅能够降本增效，也能提高在资本市场的竞争力。面对传统行业数字化转型需求庞大而缺乏相应技术能力的情况，市场上已经产生了许多成熟的提供工业数字化相关技术服务的企业，事实上这类企业的数量已经颇具规模。工业数字化涉及的投资细分领域十分广泛，包括研发设计、流程生产、项目管理、产品营销、增值服务、办公服务不同方向，从前端到业务端都能涉及。一些提供工业数字化服务的企业比较全面综合，比如阿里巴巴、聪慧集团、网库集团、国联股份等；一些企业更专注于提供垂类服务，比如京东工业品、上海钢联、中农网、汇通达、百布等；此外服务商类企业也数量众多，包括甄云科技、支出宝、励销云、企企通等。来源：中国信息通信研究院整理 图 06 2022 工业数字化领域重点投资事件 二、新生态：产业全景概览（一）（一）工业数字化产业全景工业数字化产业全景 从整个数字化产业来看，我们可以把工业数字化产业看做通过数字技术和信息化手段，对传统工业进行全方位的数字化转型，以提高 11 工业生产效率、优化资源利用、提高产品品质和降低成本。它是以人工智能、物联网、云计算、大数据、区块链等新技术为基础，打造智慧工厂、智能制造和智慧供应链的全新工业模式。工业数字化产业不仅包括传统的工业生产过程，还包括工业生态系统中的各个环节，如供应链、设计、制造、销售等各个环节。通过数字化技术，工业企业可以实现生产过程的实时监测、全局优化和快速调整，同时通过数据分析和人工智能等技术，能够更好地预测和应对市场变化和客户需求，提高生产效率和降低成本。综上所述，工业数字化产业是一个复杂而庞大的系统工程，涉及到许多不同的技术和领域的整合和协同作用，可以帮助企业实现数字化转型和智能化升级，提高工业生产效率、优化资源利用、提高产品品质。来源：中国信息通信研究院整理 图 07 工业互联网功能架构图 1.各环节重点企业 随着工业数字化技术的迅速发展和应用，越来越多的企业开始将 12 数字化和智能化技术应用于工业生产和管理中。在工业数字化产业的全景中，不同环节的企业都扮演着重要的角色，共同推动着工业数字化产业的发展和应用。这些企业涵盖了工业数字化产业的不同领域和细分市场，拥有着不同的技术和产品优势。本文将对工业数字化各环节重点企业进行介绍，从而更好地了解工业数字化产业的生态结构和企业格局。下面本文按照具体工业行业领域列举一些重点企业：德国的西门子、ABB、ZEISS，在工业数字化和自动化、质量控制和人力资源管理领域具有显著影响力；美国的 Hexagon、UPS、IBM 和谷歌等公司则在数字化测量、物流和供应链、ERP 系统以及在线培训领域处于领先地位。这些企业在推动着数字化技术的广泛应用和发展，对于提高生产效率、优化供应链、降低能源消耗等具有重要作用。同时，在工业物联网领域，西门子、GE、ABB、荷兰飞利浦、思科、波士顿科技等企业也在探索数字化工厂和工业自动化的新模式，并致力于实现数字化转型和管理。来源：中国信息通信研究院整理 13 图 08 国外部分重点企业 此外，我国的企业也初步形成了多层次系统化的工业互联网平台体系，主要可以分为三种平台：第一，双跨综合平台，是根据数据、模型、算法等汇聚配置的枢纽，随时间推移规模效应愈发显现。第二，行业/区域特色型平台，可以聚焦特定行业或区域，促进行业知识、机理模型、数字化工具沉淀复用，促进区域资源协同。第三，专业技术型平台，基于自身技术优势和资源积累，聚焦某些技术领域，进行跨行业的解决方案赋能。来源：中国信息通信研究院整理 图 09 我国多层次系统化平台体系 这些企业在工业数字化产业的各个环节中发挥着重要作用，通过 14 数字化技术和解决方案的创新和应用，为工业数字化产业带来了重大的提升和改变。数字化企业为制造业提供了更高效、更精准、更安全的数字化支持，从而实现了生产制造和运营管理的全面转型和升级。除此之外，其在数字化人才培养、数字化生态建设、数字化标准化和合作等方面也做出了突出的贡献，促进了工业数字化产业的全面发展和繁荣，推动着工业数字化产业的发展和应用。2.工业数字化产业组织 美国工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）。该组织成立于 2014 年，旨在推广和应用工业互联网技术，促进工业数字化转型。其成员包括制造商、供应商、服务提供商、研究机构和政府机构等。该组织主要开展智能制造、物联网、人工智能等方面的研究和应用。IIC 在工业互联网技术的标准化和推广方面发挥着重要作用。制定了一系列的技术规范和标准，如工业互联网参考架构、工业互联网安全框架、工业互联网测试床等。同时，IIC 还积极开展工业互联网技术的应用案例研究和实验室试验，推动工业互联网技术在各个领域的广泛应用。德国工业 4.0（German Plattform Industrie 4.0）是德国政府在 2011年提出的战略计划，旨在推动德国产业升级转型。该计划主要基于先进的信息技术，包括物联网、云计算、大数据、人工智能等，将现有的制造业与信息技术相结合，形成一个智能化的制造系统，从而实现生产流程的高效自动化和灵活化。这样可以提高企业的竞争力，同时也有可能带来更高的利润和就业机会。德国政府重视工业 4.0 的发展，15 并且积极推动相关产业的发展。总的来说，德国工业 4.0 是一个具有远见和实践价值的策略计划，通过数字化和智能化手段，将传统的制造业升级为更加高效、灵活和可持续的产业体系，使德国成为全球领先的制造业大国之一。中国工业互联网产业联盟是由中国工信部领导成立的，它旨在促进工业互联网的发展、普及、发展和应用。它的任务包括推动工业互联网标准和规范的制定，支持产业创新和应用，加强国内外交流与合作等方面的工作。该联盟是由相关政府机构、企业、高校、科研院所等组成的。联盟的主要职责包括：建立工业互联网发展的技术标准和规范；推广工业互联网的应用及其技术创新；搭建工业互联网的服务平台，为会员提供相应的技术支持和服务；加强国内外工业互联网领域的合作与交流等。目前，中国工业互联网产业联盟已经成为我国工业互联网领域的重要组织之一，得到了国内外众多企业和机构的积极参与和支持，为工业互联网的快速发展提供了有力的技术和政策支持。（二）（二）基础设施层基础设施层 随着信息技术的不断发展，工业互联网正逐渐成为工业领域中的热门话题。而作为支撑整个工业互联网系统的基础设施层，则是实现工业互联网应用的关键。IaaS（Infrastructure as a Service）层中间桥梁连接设备和平台应用，为平台层和应用层的稳定运行提供坚强的基础服务保障。该层的主要作用是为其它层提供云基础，例如向其它层提供存储资源、网络资源、计算资源等，为整个工业互联网平台平稳运行提供支持。这一层的重要技术是虚拟化技术，该层通过利用高负载 16 调度、并发式计算、分布式存储等数字化技术来实现资源服务设施的动态管理，这些技术的融合与应用，可为企业提供强有力的支持，使其更好地应对复杂的市场环境和激烈的竞争态势。1.智能终端生产设备 智能终端生产设备是指利用先进的信息技术和自动化技术对传统生产线进行改造，建立起基于数据、互联网和人工智能的全新生产模式。智能终端生产设备具有高度集成化、高效自动化、高质量稳定性、高灵活性等特点。智能终端生产设备已经广泛应用于汽车、电子、机械制造等领域，并且正在不断地向更多的行业和领域扩展。未来，随着信息技术和自动化技术的不断发展，智能终端生产设备将会更加普及和完善，为企业带来更多的商业价值和竞争优势。智能终端生产设备是工业数字化技术在生产线上的具体应用，二者有着密不可分的关系。智能终端生产设备的发展推进了工业数字化的进一步普及和应用，而工业数字化技术的不断发展也为智能终端生产设备的进一步升级和优化提供了更多的可能性。2.Iot 传感器 物联网传感器（IoT Sensors）是指可以将现实世界的物理量转换成数字信号，并能够通过互联网连接到其他设备和应用程序的装置。这些传感器能够感知和收集环境中的各种信息，例如温度、湿度、光线、声音、位置和运动等等。通过安装物联网传感器，可以将现实世界中的数据收集起来，然后将其发送给云端服务器进行处理和分析。17 这些传感器可以帮助我们更好地了解我们周围的环境，从而使我们可以更有效地管理和控制我们的生活和工作空间。此外，物联网传感器在工业上的应用非常广泛，可以帮助企业实现智能制造和自动化控制，提高生产效率和产品质量。在工业自动化领域，物联网传感器可以协助工厂实现智能制造和自动化控制。例如，流量传感器可以监测产品流程的变化，控制产线的速度和效率；温度传感器可以检测生产过程中的温度，防止设备过热或过冷；振动传感器可以检测设备的震动和噪音，预测可能出现的故障等等。物联网传感器在工业上的应用已经逐渐成为趋势，它可以帮助企业实现更高效、更安全、更节能、更环保、更优质的生产和服务，从而提高企业的竞争力和市场份额。3.网络通信 工业数字化是实现将物理设备、生产流程和企业组织等各个方面通过网络连接起来，实现数据共享和协同处理的一种新型工业模式。网络通信技术是工业数字化建设和运营中不可或缺的一环，它可以帮助企业搭建高效稳定的通信网络，实现信息的快速传输和数据的集成分析，对提升企业生产效率、降低成本、优化生产过程等方面都具有重要意义。通过网络通信技术实现设备之间的数据共享和协同处理，可以更加精准地掌握生产情况，及时发现问题并进行调整，从而提高生产效率。按照有线无线标准进行分类，有线网络主要由现场总线和工业以太网等技术组成，当前，运行在工业现场的设备主要由采用了有线通 18 信网络技术的设备组成，这是因为有线通信技术能够满足信息采集和上传的实时性要求，可以对生产过程进行实时监控。首先，现场总线（Fieldbus）是一种用于工业控制系统中的通信协议，它允许各种设备在控制系统内进行通信和数据交换。现场总线可以将传感器、执行器、控制器和其他设备连接到一个单一的网络上，从而实现智能化控制和集成化管理。现场总线有很多不同种类的标准，包括 Foundation Fieldbus、Profibus、DeviceNet、CANopen 等等。每种标准都有其特定的应用领域和功能，但它们都具有以下一些共同特点：数据传输速度快。现场总线可以实现高速数据传输，例如快速读取传感器的数据或控制执行器的动作。数据可靠性高：现场总线采用数字信号传输，避免了模拟信号传输时的干扰和误差。系统灵活性强：现场总线可以容易地添加或删除设备，同时支持多种设备类型之间的互联。系统维护方便。现场总线可以通过软件进行诊断和故障排除，从而简化了系统的维护和管理。现场总线在生产一线的经过长期检验，已经成为工业通信的主要通信方式，它在测控设备间进行双向串行多节点的数字通信方式，相当于工业生产当中的局域网。当然，现场总线技术还存在相当多的局限性，现场总线技术的类型很多，而且硬件和软件都有其自己拥有的体系，不同的总线技术相互之间不能兼容；其开发难度高，并且其成本比较高，现场总线的通信传输速度收到限制，可以提供支撑的应用范围小。19 来源：中国信息通信研究院整理 图 10 网络通信结构图 工业以太网是指将以太网相关构件和技术应用于工业生产领域自动化控制和过程控制的一种工业网络。工业以太网的特点如下：工业以太网传输速率高，其传输介质类型种类丰富可以根据不同场景进行选择，并且工业以太网可以很容易的实现组网，并且与 Internet 连接也可以很容易的实现。此外工业以太网具有电磁兼容性和耐受高低温环境的优势，这种特点让其满足在一般工业环境下进行采集数据的工作需求。最近几年来，工业以太网逐渐在工业数据采集的市场领域占比开始逐步上升，但其局限性也在实践中体现：工业以太网主要依靠主设备的专用网卡或硬实时操作系统来实现周期管理，这会增加系统成本并降低通用性。同时，主站开发环境所需的许可证和从站专用芯片或IP 核的价格也相当昂贵。虽然工业以太网技术提高了开放性和协议间的兼容性，但由于它们在链路层、网络层、传输层和应用层所采用的 20 技术不同，导致互联互通性仍存在问题。随着大数据和云计算等技术进入工控领域，需要保证数据传输的实时性和确定性。然而，现有的实时以太网协议已经无法满足这个需求。此外，无线网络通信技术也正在逐步应用于工业数字化转型，具有代表性的技术有：在短距离通信技术方面有Bluetooth、RFID、Zigbee、WIFI 等，这些技术可以用于生产过程当中的传感数据读取、资产管理、AGV 网络连接；在专用工业无线通信技术方面有 WIA-PA/FA、WirelessHART、ISA100.11a 等通信协议标准；此外还有蜂窝无线通信技术，其主要用于智能产品、移动设备、手持终端等的网络连接。工业无线网络通信的优势：一是可大幅降低网络建设和维护成本。无线网络能快速部署，无须铺设线缆及相关保护装置。二是提高生产线的灵活性，无线技术实现了现场设备的移动性，可以根据工业生产及应用需求，快速的实现生产线的重构，为实现柔性生产线奠定技术基础。三是实现部署环境的广泛性，由于无线技术突破线缆部署限制，具有网状网、星型网等多种网络部署架构，在各种工业场景下都可实现快速部署。德国在其工业 4.0 计划中，已经将无线通信技术列入工业 4.0 网络通信技术的重点研发部分，其最初计划要在 2018 年设计完成公共5G 网络基础设施的设计和标准，为其在工业中实现无线网络覆盖奠定基础；2020 年，计划将最新的无线局域网和近场技术投入工厂使用。美国工业互联网联盟 IIC 也将无线技术视为工业中的重要应用，成立了专门的网络连接组来研究网络技术，其中 Wi-Fi、NFC、Zigbee、21 2G/3G/4G 等无线技术被认为是连接传输层的重要技术。在网络连接文档中，对网络的时延、可靠性、可扩展性等都有明确的规定，这表明无线技术在工业中应用的发展需要建立在稳定、高效和可靠的基础之上。此外，无线通信方式虽然在工业环境使用中有以上的便利，但是还是存在着很多需要解决的问题，主要包括接入能力限制、技术局限性与设备融合问题等。由以上几种网络通信方式可知，在工业数字化方面，以有线通信和无线通信为代表的一些通信技术正在快速发展，在不久的将来随着更先进的通信技术应用，工业领域会更加深入的实现数字化转型。4.云基础设施 传统工业企业随着数字化转型迎来了上云潮流，工业企业上云是将企业的信息和应用程序迁移到云端，以提高企业的效率、灵活性和可靠性。企业采用云服务后可以降低成本，云计算服务通常采用按需付费模式，使得企业可以根据实际需求灵活地使用计算资源，避免过度投资和浪费。此外，云服务商提供的基础设施和管理服务也可以帮助企业降低 IT 运维成本。企业采用云服务后也加强了企业的灵活性，通过云计算，企业可以快速响应市场变化和业务需求，灵活地调整计算资源和应用程序。采用了云平台可以加强企业内部的协作，云计算提供了多种协作工具和软件，使得企业内部的沟通和协作更加高效和便捷，并且支持远程协作。基于云平台对于企业的赋能和提升，工业和信息化部为加快工业 22 互联网以及工业数字化基础设施建设及推广，在 2019 年 1 月 18 日印发了 工业互联网网络建设及推广指南。根据 推广指南，到 2020年，工业互联网应形成相对完善的网络顶层设计，并初步建立起基础设施和技术产业体系。其中一项任务是建设适用于工业互联网高可靠、广覆盖、大带宽、可定制的企业外部网络基础设施，以满足试验和商业需求，并支持互联网协议第六版（IPv6）。同时还要建立一批工业互联网企业内标杆网络，以作为企业内部网络建设和改造的典型模式，并完成 100 个以上企业内部网络的建设和升级。基于此对于云基础设施建设已经是迫在眉睫的行动。工业互联网云基础设施可以帮助生产企业实现生产过程的数字化、网络化、智能化和安全化，提升生产效率和管理水平，进而促进工业转型升级和智能制造的发展。这些基础设施的组件包括硬件设施和软件设施并且依靠跨层工业 SDN 进行连接。分别按硬件和软件进行介绍，硬件设施由应用服务器、存储、组网设备等组成；软件设施由系统、数据、操作系统、消息队列、消息代理等组成。这些物理组网设备可以使应用服务器和存储实现高速的可靠的连接，这些设备有交换机、路由器和其它组网设备。工业 SDN 的一部分由这些设备组成，它们进行组合运行后可以搭建虚拟化网络结构，并且与 SDN、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization,NFV）等一些组网技术协作，可以满足各种服务等级协议的网络服务，并将并将这些服务分布在不同的网络逻辑切片中。这些网络设备具有快速 23 安装、调整和回收的特点，同时满足高质量的业务要求(QoS)。软件设施直接参与进行云设施架构。云平台化软件直接提供云服务例如：虚拟计算、存储和网络资源，以及云基础架构能力，例如Hadoop、OpenStack、Cloud Foundry 等软件；Hadoop 分布式文件系统（Hadoop Distributed File System,HDFS）、云数据库等可以提供云存储服务；MapReduce、SPARK 等可以提供云计算能力。这些软件资源能够为工业应用提供支持和服务，用户和企业可以充分利用这些资源和功能来增强其工业应用的能力和效率。5.标识解析体系 2018年思科VNI的报告指出，机器设备连网数量将达到146亿，份额将占 51%，达到了全球联网设备的一半以上。工业生产的特殊性要求工业网络传输大量不同的数据，这些数据数量庞大，具有异构、多源、多模态的特点，这些数据通常混杂多种协议，以多种命名格式并存。普通互联网的域名系统（domain name system，DNS）在解析域名过程中会面临服务质量、安全性、解析方式、标识主体等多种挑战，不能适应于工业网络的需要，目前全球范围内正在积极推进面向工业网络的标识解析体系研究。同时，工业互联网标识解析建设涉及各国核心利益，国家高度重视这一领域，开启了相关标准和技术的研究和指定，开始建设一批重大工程。根据工业和信息化部工业互联网发展行动计划（20182020 年），我国将在 2020 年底前初步完成工业互联网基础设施和产业链条的构建，建设约五个国家顶级节点用于标识解析，标识注册量预计超过 20 亿。24 按照相关要求和计划，我国计划将标识解析体系分为四个架构主要包括：国际根节点、国家顶级节点、二级标识解析节点和公共递归解析节点。每一个层次的节点负责保存和解析的信息不同，根节点由管理层负责，其主要作用是保存最顶层的信息；北京、上海、广州、武汉和重庆分别部署有国家顶级节点，其主要作用是对外联络联通国际根节点并且对内管理统筹，可以兼容解析现存主流的多种标识解析体系；二级节点可以为各个工业行业进行标识注册和标识解析服务；递归节点的作用是提前缓存信息来加快解析网络的解析速度和性能。到目前为止，我国已经建成五个国家顶级节点，各地正在统筹规划建设探索行业性二级节点。来源：中国信息通信研究院整理 图 11 标识解析服务器节点框架 当前，国内外出现了各种各样的标识解析体系，根据其所依据的技术基础不同可以分为两类。第一类技术是根据现有的 DNS 框架结构进行改进升级来进行工业互联网的标识解析服务，这种方式属于基于 DNS 的改良路径。这里面一些有代表性的协议标准有电子产品代码（EPC）技术由美国麻省理工学院研发提出、对象标识符（OID）25 技术由国际电信联盟 ITU-T 和国际标准化组织 ISO/IEC 共同研发制定，以及物联网统一标识（Ecode）技术和国家物联网标识管理公共服务平台（NIoT），这两个标准由中国研发制定。还有一类是专门针对工业互联网使用新需求而单独研究制定，这类技术路线代表的体系结构包含句柄（Handle）标识解析技术、泛在识别技术（UID）等。来源：工业互联网标识解析体系综述 图 12 现有标识解析体系 基于我国工业互联网发展的现实需求和全球多种标识体系并存的情况，我国自主规划设计并建设了国家工业互联网标识解析体系，实现了对 VAA、Handle、OID、Ecode、GS1、MA 等多种国际主流标识体系的互联互通，根据工业互联网的要求，需要对多种物体进行唯一的 ID 标识，例如生产产品、生产设备、工人、甚至数字内容。通过将这些物体进行标识，才可以促进多种生产要素在工业互联网进行沟通交流，打通了真实世界和数字世界的沟通壁垒，实现数据无缝流动和交互。经过四年多的努力，我国标识解析体系已基本建设，标识在交通制造、能源行业、重金属加工制造、物流仓储运输等 38 个行 26 业领域已展开应用，有力推动了我国经济的数字化转型、智能化升级和高质量发展。总的来说，随着新一轮科技革命和数字经济深入发展，产业数字化和数字产业化正在全球范围内双向加速。工业互联网正在成为经济社会发展新动能。针对多种标识体系长期共存的客观情况，我国工业互联网实践的过程中创造性地构建了以国家顶级节点为核心的工业互联网标识解析体系，借助国家顶级节点的解析枢纽地位实现工业互联网多标识兼容和互联互通。未来，需要政产学研用各方群