工業(yè)內(nèi)涵、工互網(wǎng)與產(chǎn)業(yè)集群

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，源于工業(yè)，興于工業(yè)，用于工業(yè)，利于工業(yè)，始終圍繞著工業(yè)主體發(fā)展壯大。工業(yè)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最強(qiáng)標(biāo)簽和最大主體。

工業(yè)內(nèi)涵不斷豐富發(fā)展

按照國家統(tǒng)計局在2017年發(fā)布的《國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)分類》（GB/T 4754—2017），工業(yè)有B、C、D三個門類，含41個大類，207個中類，666個小類；信息業(yè)有一個I門類，含3個大類，16個中類，34個小類。工業(yè)41個大類和信息業(yè)3個大類如表1-2所示。

上述工業(yè)、信息業(yè)4個門類及其所包含的大類、中類、小類，奠定了中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)基礎(chǔ)，以及在此基礎(chǔ)上向其他門類融通發(fā)展的巨大潛力。新工業(yè)革命的多種活動形式，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、工業(yè)4.0、工業(yè)價值鏈、工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等，本質(zhì)上是工業(yè)、信息業(yè)4個門類中所有技術(shù)與管理要素的融合與創(chuàng)新。

近年來，工業(yè)分類與命名改變并不大，但是由于ICT的不斷融入，工業(yè)的內(nèi)涵、裝備、過程、產(chǎn)品構(gòu)成等，都發(fā)生了巨大變化，今天的工業(yè)品已經(jīng)不是過去的工業(yè)品，原本“聾啞瞎傻”的人造系統(tǒng)越來越趨于智能，所引發(fā)的新工業(yè)革命促進(jìn)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)勁發(fā)展。

國家統(tǒng)計局在《數(shù)字經(jīng)濟(jì)及其核心產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計分類（2021）》中，給出了數(shù)字經(jīng)濟(jì)五個分類，第01～04類是數(shù)字產(chǎn)業(yè)化部分，第05類為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化部分，指應(yīng)用數(shù)字技術(shù)和數(shù)據(jù)資源為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來的產(chǎn)出增加和效率提升，包括但不限于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、兩化融合、智能制造、車聯(lián)網(wǎng)、平臺經(jīng)濟(jì)等融合型新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)。

上述分類和術(shù)語是國家標(biāo)準(zhǔn)，本書將在多個章節(jié)中引用。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是CPS網(wǎng)絡(luò)

作者在2020年所寫《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：高歌猛進(jìn)為哪般？》中對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)做了定性：“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不是工業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)，也不是互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)，更不是社交/消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)的應(yīng)用，而是工業(yè)要素按照工業(yè)邏輯、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)互聯(lián)的網(wǎng)。”作者在本書中進(jìn)而強(qiáng)調(diào)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是CPS的一種表現(xiàn)形式。

美國國家自然科學(xué)基金會海倫·吉爾教授在2006年2月發(fā)布的《美國競爭力計劃》中，從科學(xué)視角定義了CPS：“賽博物理系統(tǒng)是指由計算內(nèi)核集成、監(jiān)控和/或控制其運(yùn)行的物理、生物和工程系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個級別的組件（甚至材料）都可聯(lián)網(wǎng)并進(jìn)行嵌入式計算。計算內(nèi)核本身是一個分布式的嵌入式系統(tǒng)，并需要實時響應(yīng)?！?/p>

德國從工程應(yīng)用視角，定義了“工業(yè)4.0組件參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）”，以智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的一個智巧工廠（Smart Factory）為單元，以“層”“流”“級”三個維度，描述了一個由六層活動層次組成的德國版CPS，如圖1-4所示。

在中國電子標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院發(fā)布的《信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）》中，也給出了工信版CPS定義：“其本質(zhì)就是構(gòu)建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physical）空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系”。該白皮書將CPS分為單元級、系統(tǒng)級、SoS（系統(tǒng)之系統(tǒng)）級三個層級，定義了“智能單機(jī)→智能系統(tǒng)→智能機(jī)群”的智能化演變過程。如圖1-5所示。

單元級CPS指設(shè)備中具有通信能力且可聯(lián)網(wǎng)的裝置、系統(tǒng)中的子系統(tǒng)等，對應(yīng)RAMI4.0中“產(chǎn)品、現(xiàn)場裝置”級CPS；系統(tǒng)級CPS通常指可聯(lián)網(wǎng)的一套設(shè)備或機(jī)器，具有多個單元級“終端”，可以形成設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，對應(yīng)RAMI4.0中“控制設(shè)備、站點(diǎn)”級CPS；SoS級CPS基本上已經(jīng)具備了一個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)特征，既可有多個系統(tǒng)級“終端”，也可有多個單元級“終端”，對應(yīng)RAMI4.0中“工作中心、企業(yè)、互聯(lián)世界”級CPS，CPS智能服務(wù)平臺就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

根據(jù)德國版、工信版CPS所表達(dá)的內(nèi)涵，結(jié)合作者在《三體智》中對CPS結(jié)構(gòu)的獨(dú)到見解以及表達(dá)智能系統(tǒng)特征的“20字箴言”——“狀態(tài)感知，實時分析，自主決策，精準(zhǔn)執(zhí)行，學(xué)習(xí)提升”，本書給出作者版CPS的場景與模型圖，如圖1-6所示。

在圖1-6中，垂直虛線將圖分為左右兩側(cè)，左側(cè)是應(yīng)用場景和構(gòu)成CPS的具體要素，右側(cè)是CPS模型。水平虛線將圖分為上方“賽博域”和下方“物理域”兩部分。兩域的融合就是各種形式的CPS。

在應(yīng)用場景中，左上方“賽博域”匯集了工業(yè)軟件、數(shù)據(jù)、通信網(wǎng)絡(luò)等各種ICT系統(tǒng)，即吉爾教授提到的“計算內(nèi)核”中的內(nèi)容；左下方“物理域”是工業(yè)現(xiàn)場的“產(chǎn)品-人-機(jī)-料-法-環(huán)-測”等企業(yè)資源所形成的各種工業(yè)“端”以及企業(yè)實體等物理和生物系統(tǒng)，即吉爾教授定義的“物理、生物和工程系統(tǒng)”。兩類系統(tǒng)融合為CPS。

相對于RAMI4.0而言，作者版CPS模型提高了對模型的抽象程度。物理域的所有工業(yè)實體和企業(yè)資源抽象為物理層；所有的ICT系統(tǒng)抽象為由比特層（B）、數(shù)據(jù)層（D）、信息層（I）、知識層（K）、決策層（W）構(gòu)成的BDIKW數(shù)字化模型，起到對物理層的解構(gòu)、重構(gòu)、賦能和創(chuàng)新作用。所有ICT要素（工業(yè)軟件、模型、算法、推理規(guī)則、大數(shù)據(jù)、AI、5G等）都運(yùn)行在BDIKW模型中。關(guān)于BDIKW模型的形成和作用機(jī)制，詳見第二章論述。

在物理域和賽博域之間，一直在反復(fù)進(jìn)行著“狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、學(xué)習(xí)提升”的智能閉環(huán)與迭代。

無論是德國版CPS還是工信版CPS，都沒有明確指出人是否包含在CPS系統(tǒng)中。作者版CPS的企業(yè)資源是明確包含人的。作者認(rèn)為人是企業(yè)特殊資源，屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)必須聯(lián)接的要素。詳見第八章、第九章論述。

作者版CPS形成了對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方法和運(yùn)行原理的一般性表達(dá)和通用實施準(zhǔn)則。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的兩個源頭

第一源頭：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)主要是指在工業(yè)現(xiàn)場根據(jù)業(yè)務(wù)需要和在長期的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)實踐中形成的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)以及工控領(lǐng)域的分布式控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)（DCS），是在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的一種以生產(chǎn)設(shè)備為終端的雙向、多站、分布式數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)。

20世紀(jì)60年代有些企業(yè)開始用電子計算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，出現(xiàn)了早期的SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）。1969年莫迪康PLC（可編程邏輯控制器）面世，以梯形圖編寫程序控制機(jī)器動作，實現(xiàn)軟件與硬件解耦，成為機(jī)器數(shù)字化發(fā)端，德國人將其視作第三次工業(yè)革命起點(diǎn)。

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，操作人員需要綜合掌握設(shè)備多點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)與信息，需要同時按多點(diǎn)的信息實行操作控制，于是出現(xiàn)了氣動、電動系列的單元組合式儀表，從PLC單元控制，發(fā)展到CCR（集控中心），再發(fā)展到分布式控制，再發(fā)展到DDC（直接數(shù)字控制）和DCS（集散控制系統(tǒng)）。

1984年，美國Intel公司提出了計算機(jī)分布式控制系統(tǒng)——位總線（Bitbus），成為現(xiàn)場總線的最初概念。20世紀(jì)80年代中期，美國Rosemount公司開發(fā)了一種可尋址的遠(yuǎn)程傳感器（HART）通信協(xié)議，形成了現(xiàn)場總線的雛形。

1985年，Honeywell和Bailey等150多家公司制定了FIP協(xié)議，組成WorldFIP集團(tuán)；1987年Rosemount、Siemens、橫河等80家公司制定了Prof ibus協(xié)議，組成ISP集團(tuán)，形成了兩大集團(tuán)的競爭局面；隨后美國儀器儀表學(xué)會制定了現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)：IEC/ISA SP50。上述有實力的企業(yè)都試圖在IEC占據(jù)總線技術(shù)主導(dǎo)地位，這場“總線之爭”的結(jié)果是產(chǎn)生了18個總線標(biāo)準(zhǔn)。

1994年，兩大集團(tuán)合并為現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation），共同制定、遵循IEC/ISA SP50協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)年工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中較為低端的設(shè)備只能傳遞1比特（Bit）增量數(shù)據(jù)，指示簡單的“開”“關(guān)”狀態(tài)。但是高端設(shè)備里傳感器越來越多，在參數(shù)計量上開始需要傳送較大字節(jié)（Byte）量的復(fù)雜數(shù)據(jù)。在逐漸融合了因特網(wǎng)TCP/IP技術(shù)后，諸如Interbus-S、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP、Foundation Fieldbus、Profibus-PA等工控網(wǎng)絡(luò)，極大地推動了工控技術(shù)發(fā)展，解決了工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的高速、大量數(shù)據(jù)傳輸問題。

第二源頭：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

1998年美國麻省理工學(xué)院在電子產(chǎn)品代碼（EPC）研究基礎(chǔ)上提出“物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想。次年，該學(xué)院Auto-ID實驗室提出建立在物品編碼、RFID技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的“物聯(lián)網(wǎng)”概念。此后物聯(lián)網(wǎng)快速滲入工業(yè)領(lǐng)域，形成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是在工業(yè)外部誕生的、隨后又快速滲透到工業(yè)領(lǐng)域的聯(lián)接機(jī)器設(shè)備的工業(yè)聯(lián)網(wǎng)解決方案。近十年，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接范圍已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越并涵蓋了工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)生的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接范圍。

中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2017版）》認(rèn)為：“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)制造原料的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應(yīng)，以達(dá)到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。”

業(yè)界不少企業(yè)、組織和專家認(rèn)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)非常接近工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，甚至認(rèn)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)現(xiàn)有企業(yè)披露資料，GE（通用電氣公司）、西門子、博世等歐美企業(yè)，在其網(wǎng)站上都將自己定義為“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”提供商，甚至宣稱自己是物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商。

綜上所述，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的兩個源頭。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通過設(shè)備內(nèi)置PLC/DCS上的數(shù)字裝置來聯(lián)接機(jī)器，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則通過傳感器、RFID等外加裝置來聯(lián)接沒有數(shù)字裝置的設(shè)備和物件。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的兩大網(wǎng)絡(luò)主體，聯(lián)接了絕大部分工業(yè)“端”。

生態(tài)伙伴：因特網(wǎng)/電信互聯(lián)網(wǎng)

由于因特網(wǎng)/電信互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同，因此因特網(wǎng)/電信互聯(lián)網(wǎng)不能直接聯(lián)接工業(yè)“端”，無法用于車間或工業(yè)現(xiàn)場。當(dāng)工業(yè)“端”以在用品形式在外場工作時，因特網(wǎng)/電信互聯(lián)網(wǎng)可以作為“管道”高速傳輸數(shù)據(jù)，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)伙伴。

由工業(yè)內(nèi)生，聚各方力量，多網(wǎng)絡(luò)疊加，這些特點(diǎn)讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展完善，持續(xù)走強(qiáng)，成為推動工業(yè)發(fā)展的新引擎，展現(xiàn)了強(qiáng)大的先進(jìn)生產(chǎn)力。

產(chǎn)業(yè)集群茁壯工業(yè)生態(tài)

工業(yè)是一種極其復(fù)雜、包含了多種網(wǎng)絡(luò)形式的生態(tài)體系。除了大型企業(yè)之外，中小微企業(yè)、家族式作坊、地域性專業(yè)群體，如同草叢、灌木和喬木一樣，通過吸收環(huán)境中的陽光、水分和養(yǎng)分，持續(xù)進(jìn)行“光合作用”，頑強(qiáng)生長，從一棵小草開始，逐漸成長為灌木，再進(jìn)一步成長為喬木，甚至不乏少量喬木有機(jī)會成長為參天大樹（大型企業(yè)）。無論是草叢、灌木和喬木，還是參天大樹，它們扎根同一熱土，根葉交錯，自成網(wǎng)絡(luò)，關(guān)系競合，同生共存，形成了高低錯落、大小有別的草叢、山林與城市綠植，構(gòu)建了中國工業(yè)獨(dú)具特色的“草灌喬林”的網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)生態(tài)。

中國產(chǎn)業(yè)集群非常多，大小形態(tài)特征各異。國家發(fā)展和改革委員會公布了首批66個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群，科學(xué)技術(shù)部曾公布108個頂尖產(chǎn)業(yè)集群，浙江省主要地區(qū)有120個產(chǎn)業(yè)集群，湖北省有108個產(chǎn)業(yè)集群，等等；更加接地氣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)集群已經(jīng)超過了五千個。佛山市發(fā)展了大約40個產(chǎn)業(yè)集群，僅在禪城區(qū)張槎（chá）鎮(zhèn)這個二十多平方公里的范圍內(nèi)就集聚了4000家針織企業(yè)，形成了一個龐大的區(qū)塊型針織產(chǎn)業(yè)集群。保定市白溝箱包產(chǎn)業(yè)集群輻射周邊10個縣（市）、55個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，目前有箱包生產(chǎn)企業(yè)4000多家，加工戶7000多家，電商數(shù)量18000多家，從業(yè)人員超過150萬人。

產(chǎn)業(yè)集群與中小微企業(yè)之間具有天然的聯(lián)接關(guān)系，與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)鏈具有無隙的兼容關(guān)系，與各種形式的工業(yè)園區(qū)具有互嵌關(guān)系，構(gòu)建了某一地域具有“命運(yùn)共同體”性質(zhì)的企業(yè)合作網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)出區(qū)域經(jīng)濟(jì)中的一種集群先行效應(yīng)，擴(kuò)展了傳統(tǒng)工業(yè)實體之間的上下游關(guān)系，形成了新型生態(tài)價值網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)訊動力咨詢公司總經(jīng)理林雪萍在《叢林法則：重塑產(chǎn)業(yè)集群》文章中評價道：“產(chǎn)業(yè)集群，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了這種上下游關(guān)系。實際上，產(chǎn)業(yè)集群是一種高級生產(chǎn)關(guān)系。中國許多產(chǎn)品獨(dú)具競爭力，就是因為這種先進(jìn)生產(chǎn)關(guān)系。無論規(guī)模大小，它都要對生產(chǎn)資源進(jìn)行重新配置，形成了一種極致價值網(wǎng)?！?/p>

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是先進(jìn)生產(chǎn)力，產(chǎn)業(yè)集群是“企業(yè)合作網(wǎng)絡(luò)+高級生產(chǎn)關(guān)系”，二者之間，彼此天然銜接?！跋冗M(jìn)生產(chǎn)力+企業(yè)合作網(wǎng)絡(luò)+高級生產(chǎn)關(guān)系”，讓企業(yè)作為配置資源的主體，能夠充分放大和極度延伸企業(yè)作用的效益和范圍，成為優(yōu)化配置物質(zhì)資產(chǎn)、數(shù)字資產(chǎn)的平臺型工具。當(dāng)主體和工具相遇，當(dāng)生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系交織，這些產(chǎn)業(yè)集群中的中小微企業(yè)，就能將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與它們所代表的極致價值網(wǎng)、地域協(xié)作網(wǎng)、家族關(guān)系網(wǎng)、鄉(xiāng)土合作網(wǎng)等進(jìn)行疊加融合，從“多網(wǎng)融合”中獲得進(jìn)一步發(fā)展的新動能，從而找到產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展新出路。

工業(yè)轉(zhuǎn)型升級突破口在于打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。在這個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中，央企、國企、民企的“參天大樹”的數(shù)量大約在數(shù)千級別，“草灌喬”型中小微企業(yè)數(shù)量約為4800萬，構(gòu)成了中國工業(yè)最大紅利。數(shù)千級別參天大樹型企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，不能完全代表中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，而上億級別“草灌喬”型企業(yè)真正轉(zhuǎn)型升級，才算完成了中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。獨(dú)具特色的“草灌喬林”工業(yè)生態(tài)，決定了我們必須站在生態(tài)系統(tǒng)視角上來思考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與建設(shè)路徑。