4.1　美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”

4.1.1　起源

自18世紀(jì)以來，美國制造業(yè)在世界長期保持領(lǐng)導(dǎo)力和競爭優(yōu)勢。隨著貿(mào)易全球化與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，美國制造業(yè)呈現(xiàn)“去工業(yè)化”的特征，即將前端的生產(chǎn)制造外包出境，注重產(chǎn)業(yè)鏈后端的營銷和服務(wù)，隨之而來的是美國制造業(yè)的經(jīng)濟貢獻持續(xù)下滑、勞動力大量減少。

2008年的金融危機給美國經(jīng)濟帶來重創(chuàng)，美國制造業(yè)更面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，為了保持美國在全球制造業(yè)的領(lǐng)先地位，奧巴馬政府于2009年大力推行“再工業(yè)化”發(fā)展戰(zhàn)略，同年12月公布《重振美國制造業(yè)框架》。美國“再工業(yè)化”的主旨在于鼓勵制造企業(yè)重返美國，振興國家的制造業(yè)體系。

“再工業(yè)化”并不是簡單地復(fù)制美國傳統(tǒng)制造業(yè)的模式，而是希望通過領(lǐng)先技術(shù)與工業(yè)的結(jié)合，重塑國家的制造業(yè)體系，形成新型的競爭優(yōu)勢。從2011年起，美國從政府層面和產(chǎn)業(yè)層面先后提出先進制造戰(zhàn)略，加速推動美國“再工業(yè)化”進程。美國總統(tǒng)科技顧問委員會（PCAST）發(fā)布的《捕捉美國先進制造業(yè)的競爭優(yōu)勢》《加速美國先進制造業(yè)》與美國總統(tǒng)行政辦公室頒布的《美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計劃》被稱為“美國先進制造三部曲”。

《捕捉美國先進制造業(yè)的競爭優(yōu)勢》（AMP 1.0）發(fā)布于2012年7月，該報告指出，應(yīng)從“支持創(chuàng)新”“確保人才輸送”和“完善商業(yè)環(huán)境”三大核心入手重塑美國制造業(yè)。先進制造業(yè)伙伴關(guān)系（AMP）指導(dǎo)委員會圍繞這三大核心提出，應(yīng)該號召美國社會各界力量，加大制造業(yè)技術(shù)研發(fā)投資，構(gòu)建國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，建立培訓(xùn)體系培養(yǎng)制造業(yè)人才，頒布稅收、監(jiān)管、能源等政策完善制造業(yè)的商業(yè)環(huán)境。

在AMP 1.0的研究成果基礎(chǔ)上，2014年10月美國發(fā)布《加速美國先進制造業(yè)》（AMP 2.0），旨在圍繞三大核心，落實重要建議、制定具體戰(zhàn)略、采取具體舉措。同年，美國總統(tǒng)科技顧問委員會建議美國在推動“先進制造”的過程中，應(yīng)該遵循一套整體的、系統(tǒng)的戰(zhàn)略計劃，并且高度重視“美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”的重要作用。

2016年2月，由美國總統(tǒng)辦公室牽頭，聯(lián)合美國科技委員會、先進制造國家項目辦公室發(fā)布《美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略計劃》，該計劃包括兩個重要內(nèi)容，其一是構(gòu)建美國制造創(chuàng)新研究所，其二是搭建整個制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。美國國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的目的在于整合業(yè)界、學(xué)界、政府部門等社會主體，共同助力制造業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展，加強其產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，帶動國家經(jīng)濟繁榮。

美國先進制造的戰(zhàn)略核心在于成立制造創(chuàng)新研究所與搭建制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。制造創(chuàng)新研究所是美國制造創(chuàng)新的平臺，匯聚來自社會各行各業(yè)的企業(yè)、學(xué)術(shù)研究機構(gòu)、政府部門等相關(guān)利益方，通過公私合作的方式，共同投資和支持創(chuàng)新研究所的成立與發(fā)展，共同使用創(chuàng)新研究所的設(shè)施與服務(wù)。制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)是連接美國全國范圍創(chuàng)新平臺的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的創(chuàng)新中心可以相互分享有價值的經(jīng)驗、利用跨領(lǐng)域的知識，促進技術(shù)轉(zhuǎn)化，加速制造勞動力發(fā)展，確保制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2012年奧巴馬政府提議建立制造創(chuàng)新研究所，由美國國防部、能源部等部門牽頭實施。制造創(chuàng)新研究所的主要功能，包括先進制造及時的研發(fā)、應(yīng)用、示范和推廣，培養(yǎng)和培訓(xùn)專業(yè)技能人才，降低制造生產(chǎn)的成本和風(fēng)險，鼓勵社會成員廣泛參與等。

2014年年底，美國通過《振興美國制造業(yè)和創(chuàng)新法案》，以法規(guī)形式確定了制造業(yè)創(chuàng)新中心關(guān)注的重點技術(shù)，規(guī)定了政府對創(chuàng)新中心的資助資金要求，創(chuàng)新研究所采用公私合作的方式。在研究所5-7年的初始投資期間，非政府部門的投資必須等于或超過政府部門的投資；在初始投資期之后，研究所要能夠自給自足。

從美國先進制造的整體戰(zhàn)略來看，創(chuàng)新研發(fā)的推動主要依靠奧巴馬政府著力打造的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)（NMD）”。在網(wǎng)絡(luò)職能方面，美國《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃2015年度報告》總結(jié)了四大職能，即構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、促進增值和跨網(wǎng)絡(luò)合作、建立網(wǎng)絡(luò)與外部利益相關(guān)者的有力溝通、維護加強與發(fā)展網(wǎng)絡(luò)。

在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，能源部、國防部、商務(wù)部、教育部、農(nóng)業(yè)部、美國國家航空航天局、美國聯(lián)邦航空管理局、美國食品藥品監(jiān)督管理局、美國國家衛(wèi)生基金會等聯(lián)邦機構(gòu)成為主要的組織指導(dǎo)機構(gòu)。商務(wù)部在全國范圍內(nèi)建立制造創(chuàng)新研究所組成的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)，并逐步擴大網(wǎng)絡(luò)的影響力，增強美國制造業(yè)的全球競爭力。

截至2015年年底，美國已有9家處于不同階段的制造創(chuàng)新研究所，到2016年年底所資助的研究所數(shù)量增至15家；之后這些機構(gòu)的數(shù)量增加到45家，成為推動先進制造創(chuàng)新研發(fā)的中堅力量。

為了促進信息通信技術(shù)與工業(yè)體系的融合，美國發(fā)布《美國CPS框架草案》和《美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)》，從技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)上對網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建提出指導(dǎo)建議。

在政府和私營部門的大力推動下，美國很有可能出現(xiàn)以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)全覆蓋、云計算大量運用和智能制造大規(guī)模發(fā)展為標(biāo)志的新一輪技術(shù)創(chuàng)新浪潮。軟件和互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟發(fā)達的美國更側(cè)重在“軟”服務(wù)方面推動新一輪工業(yè)革命，希望借助網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的力量提升整個工業(yè)的價值創(chuàng)造能力。

可以說，美國的先進制造業(yè)革命實際上就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)革命。而在此過程中，除了美國政府的政策扶持外，行業(yè)聯(lián)盟的率先組建成為發(fā)展的重要推手。

4.1.2　主要概念與框架

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念最早由美國通用電氣公司（GE）于2012年提出，隨后聯(lián)合思科、英特爾、AT&T等IT巨頭公司組成“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟”（IIC），將這一概念大力推廣開來。除通用電氣這樣的制造業(yè)巨頭外，加入該聯(lián)盟的還有IBM、思科等企業(yè)。

美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是指“利用CPS將人、數(shù)據(jù)和機器連接起來，由智能設(shè)備采集大數(shù)據(jù)，利用智能系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)挖掘和可視化展現(xiàn)，形成智能決策，為生產(chǎn)管理提供實時判斷參考，指導(dǎo)生產(chǎn)、優(yōu)化工藝，實現(xiàn)制造業(yè)的數(shù)據(jù)流、硬件、軟件的智能交互”。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟主要負(fù)責(zé)推動通用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定、利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)制造過程、促進實體空間與網(wǎng)絡(luò)空間的整合、保障制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)的搭建。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟采用開放成員制，致力于發(fā)展一個“通用藍圖”，使各個廠商設(shè)備之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。該藍圖的標(biāo)準(zhǔn)不僅涉及Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，還包括諸如IT系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲容量、互聯(lián)和非互聯(lián)設(shè)備的功率大小、數(shù)據(jù)流量控制等指標(biāo)。其目的在于通過制定通用標(biāo)準(zhǔn)，打破技術(shù)壁壘，利用互聯(lián)網(wǎng)激活傳統(tǒng)工業(yè)過程，更好地促進物理世界和數(shù)字世界的融合。

2017年1月31日，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布1.8版的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（IIRA v1.8），如圖4-1所示。此次發(fā)布的1.8版IIRA是基于2015年6月17日發(fā)布的1.7版本，其中融入了快速出現(xiàn)的新型工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)、概念和應(yīng)用程序。施耐德電氣全球工業(yè)和政府事務(wù)高級副總裁、IIC指導(dǎo)委員會主席John Tuccillo表示：“IIC致力于向IIoT社區(qū)提供實用的可交付成果，代表了IIoT的最新思想。IIRA和現(xiàn)在的IIRA v1.8是朝物聯(lián)網(wǎng)工業(yè)部門開放、創(chuàng)新和蓬勃發(fā)展的技術(shù)開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)邁出的第一步。”

鑒于在最新的參考架構(gòu)IIRA v1.8采用“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)”的說法，相對于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”這一具有明顯特定公司的屬性而言，“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”顯得更加中性。

概括性地講，IIRA v1.8的發(fā)布是上一版漸進性的增強版，它繼承和保存了以上所述的基本特征和內(nèi)容。首先，它重新定義了幾個關(guān)鍵的理念和關(guān)系，突出它們的重要性或使其易于理解；其次，它進一步澄清了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)如何用于創(chuàng)建參考架構(gòu)本身的內(nèi)容，以及如何應(yīng)用參考架構(gòu)來創(chuàng)建具體的IIoT架構(gòu)。IIRA v1.8也增強了對IIRA的普遍適用性和與系統(tǒng)生命周期過程的關(guān)系的描述，以及功能域、跨域功能、系統(tǒng)特性的概念和關(guān)系，如圖4-2、圖4-3所示。

美國采用“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”的說法來代替“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，表明工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相對更加準(zhǔn)確地描述了“制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)”的本質(zhì)特征和架構(gòu)需求，對制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合具有廣泛的指導(dǎo)意義，適用于能源、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、零售、智慧城市等各個行業(yè)，這個概念顯然已經(jīng)超越了信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的范疇。

在IIRA v1.8中涉及的IIoT核心概念和技術(shù)適用于制造、采礦、運輸、能源、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健、公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。

“人們已經(jīng)廣泛認(rèn)識到IIoT提供的價值和轉(zhuǎn)變業(yè)務(wù)的重要性，現(xiàn)在很多企業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)是如何開始”，IIC架構(gòu)任務(wù)組聯(lián)席主席、美國Thingswise公司CEO Shi Wan Lin如是說。IIRA從商業(yè)角度提供了一個驅(qū)動IIoT項目的框架。這對企業(yè)構(gòu)建能夠提供預(yù)期業(yè)務(wù)價值的IIoT系統(tǒng)很有價值。

技術(shù)供應(yīng)商可以使用IIRA的概念和方法來構(gòu)建可互操作的系統(tǒng)組件，以解決盡可能廣泛的市場。系統(tǒng)實施者可以使用IIRA作為起點，通過部署可重用的，商業(yè)化的或開源的系統(tǒng)構(gòu)建塊來縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，以降低項目風(fēng)險和相關(guān)成本。最終，IIRA將幫助IIoT社區(qū)實現(xiàn)開放、創(chuàng)新的IIoT生態(tài)系統(tǒng)，從而降低設(shè)計和運營成本（見圖4-4）。

IIC邊緣計算任務(wù)組聯(lián)合主席、思科公司物聯(lián)網(wǎng)全球制造解決方案架構(gòu)師Todd Edmunds表示：“IIC的價值在于它匯集了一組多樣化的人才，擁有非凡的知識以開發(fā)創(chuàng)新技術(shù)來解決企業(yè)級的工業(yè)挑戰(zhàn)。IIRA加速了數(shù)字化業(yè)務(wù)解決方案的開發(fā)，并實現(xiàn)了IIoT轉(zhuǎn)變行業(yè)的真正潛力。”

在IIRA v1.8中添加了一些新的實質(zhì)性內(nèi)容，例如探討IIRA功能域如何映射到計算部署的連續(xù)空間，反映了IIoT架構(gòu)中最新的（如在邊緣計算方面）思考。計算問題正在受到更多的重視，曾作為通信運營商與云計算爭奪價值空間的一個重要手段，在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署分布性計算能力。

IIRA v1.8保留了IIRA原始版本的第1部分，并將相應(yīng)的第2部分獨立出來，作為單獨的技術(shù)報告在隨后發(fā)布，因為其部分內(nèi)容正被剛剛發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架》（IISF）和其一些即將發(fā)布的獨立框架技術(shù)報告所代替。

總的來講，IIRA為跨產(chǎn)業(yè)的IIoT社區(qū)提供了一個具有通用性和一致性的架構(gòu)模板和方法。它促進在跨產(chǎn)業(yè)的范圍使用通用概念和共享詞匯，易于討論系統(tǒng)的規(guī)范、比較差異，有助于在IIoT系統(tǒng)的設(shè)計、實施和操作過程中分享經(jīng)驗和共享專業(yè)知識；它提供了一個通用的架構(gòu)，作為確定IIoT系統(tǒng)內(nèi)部和跨系統(tǒng)的互操作性需求和解決方案的基礎(chǔ)，支持產(chǎn)業(yè)垂直系統(tǒng)內(nèi)部和跨產(chǎn)業(yè)的廣泛互操作性；它為供應(yīng)商提供了一個通用架構(gòu)，以創(chuàng)建具有跨行業(yè)的適用性和互操作性；它為系統(tǒng)實施者提供了一個通用架構(gòu)，作為設(shè)計的起點并選擇現(xiàn)成的商業(yè)系統(tǒng)或開源系統(tǒng)構(gòu)建塊和技術(shù)框架；它有助于推動跨產(chǎn)業(yè)的并具有開放性、創(chuàng)新性和廣泛性的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)。

IIRA旨在增強IIoT社區(qū)構(gòu)建能保障人身安全和系統(tǒng)安全以及可靠IIoT系統(tǒng)的能力，并為IIoT系統(tǒng)的開發(fā)減少工作量、降低風(fēng)險和成本以及縮短系統(tǒng)構(gòu)建的周期。

4.1.3　發(fā)展趨勢

于2012年率先提出IIoT概念的通用電氣公司預(yù)測，未來IIoT有望影響約32.3萬億美元的全球經(jīng)濟。市場研究公司Marketsand&Markets的最新調(diào)查報告顯示，2018年全球IIoT市場規(guī)模約640億美元，預(yù)計將在2023年成長至914億美元，2018年至2023年五年間的年復(fù)合成長率將為7.39%。

在全球現(xiàn)今普遍重視創(chuàng)新技術(shù)的背景下，IIoT的市場規(guī)模有望實現(xiàn)較大幅度成長，發(fā)展后勁十足。此外，針對區(qū)域市場，該報告顯示，在2018—2023年間，亞太地區(qū)（APAC）的IIoT市場年復(fù)合成長率最高，其中包括中國和印度、東南亞等新興經(jīng)濟體的基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)發(fā)展持續(xù)促進IIoT市場的成長，該區(qū)成為全球一個相對重要的制造業(yè)發(fā)展中心。目前，全球的IIoT格局大致仍以美國、德國、日本等先進國家為翹首，各國龍頭企業(yè)引領(lǐng)IIoT的推動。德國在工業(yè)領(lǐng)域積累深厚，在產(chǎn)品制造研發(fā)、自動化系統(tǒng)、工業(yè)控制等方面，擁有全球知名的大型企業(yè)和中小企業(yè)隱形冠軍。

美國在軟件、平臺服務(wù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，擁有如IBM、微軟（Microsoft）、甲骨文（Oracle）等全球軟件服務(wù)領(lǐng)導(dǎo)品牌，近年致力轉(zhuǎn)型為軟件服務(wù)公司的GE也因為IIoT的崛起成為領(lǐng)導(dǎo)廠商之一。GE公司的Predix軟件平臺協(xié)助GE的公用事業(yè)和航空公司等客戶收集和分析數(shù)據(jù)，更有效率地管理設(shè)備。同時，GE也是最早提出IIoT概念的企業(yè)，Predix作為IIoT平臺的領(lǐng)導(dǎo)者，倘若GE決定向市場出售，對業(yè)界將產(chǎn)生重大影響。

現(xiàn)在IIoT軟件處于一個競爭日益激烈的市場狀態(tài)，對手有微軟、IBM和西門子（Siemens）等，更有許多制造企業(yè)正沿著GE的老路參與競爭。但要突破這個跨產(chǎn)業(yè)競爭擴張和向軟件企業(yè)轉(zhuǎn)型的門檻，需要付出加倍努力。IIoT從兩個角度來看，一是“物聯(lián)網(wǎng)+”、另一則是“+物聯(lián)網(wǎng)”，前者以互聯(lián)網(wǎng)為商業(yè)模式向產(chǎn)業(yè)發(fā)展，例如阿里巴巴建構(gòu)一個互聯(lián)網(wǎng)平臺；后者則是傾向把互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)作一個輔助工具，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計、制造、營運等業(yè)務(wù)導(dǎo)入數(shù)字化、數(shù)據(jù)化的概念，從而優(yōu)化業(yè)務(wù)并產(chǎn)生更多新的經(jīng)濟效益。

有些“工業(yè)+物聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展到一定階段，將不再局限自身的服務(wù)或產(chǎn)品，而是提供服務(wù)平臺，利用自身的能力協(xié)助其他公司復(fù)制其成功模式，最終實現(xiàn)真正的以互聯(lián)網(wǎng)為核心的“物聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)”，GE就是一個典型企業(yè)代表。GE在累積了多個產(chǎn)業(yè)的專業(yè)分析能力后將平臺對外開放，協(xié)助其他企業(yè)利用服務(wù)平臺進一步優(yōu)化營運。然而這個階段的轉(zhuǎn)型實非易事，尤其是跨產(chǎn)業(yè)的客戶，若自身未具備一定的資本規(guī)模或產(chǎn)業(yè)專精技術(shù)，以及對市場的把握，將很難在競爭浪潮中站穩(wěn)腳跟。即便是被稱工業(yè)巨頭多年的GE也經(jīng)過了多次并購才完成對IIoT市場的積累與策略布局。GE欲出售Predix，并不意味GE放棄IIoT的前進探索，可窺見產(chǎn)業(yè)巨頭轉(zhuǎn)型IIoT平臺也非一蹴而就，其過程中或伴隨些許轉(zhuǎn)型陣痛，這提醒了更多相關(guān)企業(yè)在建設(shè)發(fā)展IIoT之路時，不能過于盲目發(fā)展，而需要更加謹(jǐn)慎和理性。

在轉(zhuǎn)型過程中，多數(shù)企業(yè)會選擇與合作伙伴強強聯(lián)手，協(xié)同共進，以各自的技術(shù)優(yōu)勢和強項彼此互補，相互通過技術(shù)共享促進工業(yè)互聯(lián)向前發(fā)展。如西門子的MindSphere是聯(lián)合SAP基于開源的Cloud Foundry架構(gòu)打造的；施耐德電機（Schneider）的EcoStruxure基于微軟Azure提供更廣泛的軟件應(yīng)用。另外，ABB、IBM、海爾的COSMOPlat等也都以開放之姿吸引開發(fā)者加入生態(tài)圈。IIoT無法閉門造車，就現(xiàn)階段的發(fā)展看來，一家企業(yè)或僅憑借一己之力很難創(chuàng)造一家獨大的局面。

與此同時，在全球IIoT的總體格局日漸清晰的情況下，美、德、日等國紛紛以龍頭企業(yè)為引領(lǐng)，加速產(chǎn)業(yè)合作，加快推進IIoT的發(fā)展步伐。其中，國際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟是國際上較有代表性的IIoT組織，其涵蓋了全球主要國家和龍頭企業(yè)，該聯(lián)盟匯聚了31個國家和地區(qū)、246家成員單位，有40多家跨國企業(yè)展開大量測試床建設(shè)部署，并與德、法、日等多國建立對話機制，與全球20多個知名企業(yè)組織形成合作關(guān)系，成為推進全球IIoT的重要聯(lián)盟引擎之一。如前所述，當(dāng)前，特別是亞太地區(qū)的IIoT市場發(fā)展備受矚目，這也促使許多西方制造大企業(yè)西風(fēng)東進，日益重視亞太地區(qū)市場，更看重在亞太地區(qū)勢頭強勁的中國市場。近來德國西門子和阿里巴巴集團旗下的阿里云，于柏林簽署多項雙邊合作協(xié)議，總金額近200億歐元，未來將通過工業(yè)4.0技術(shù)與云端基礎(chǔ)建設(shè)，推出數(shù)字營運平臺MindSphere。