工业互联网(一):工业互联网的发展背景

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前言

由于本作者准备踏入另外一个领域的学习，将会研究与工业互联网通信有关的内容，所以这篇文章会先从工业互联网的来由来简单引入工业互联网的这个概念。本文应该也是属于原创文章，是本人搜寻资料总结的文章。

一、工业发展史概述

1.工业1.0

工业1.0是指我们的机械制造时代，最终实现了机械化，主要是以蒸汽动力驱动机器从而代替人力，从而真正诞生了工业

2.工业2.0

工业2.0是在结束工业1.0之后，改变了驱动机器的方法，不再使用蒸汽，而是使用电力驱动，从而实现了电气化。通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的新模式。

3.工业3.0

工业3.0发生在我们的近代，主要使用的是电子与信息技术，使制造过程的自动化程度进一步提高，从而实现了自动化。最主要的以PLC(可编程逻辑控制器)与PC的应用为标志，从而使工业生产能力超过人的消费能力。
最显著的诞生产物是生物工程，互联网，电子计算机等等。

4.工业4.0

工业4.0最早由德国提出，主要原因是德国发现金融危机下，制造业所受到的冲击是最少的，所以想将生产中的供应，制造，销售等信息数据化，智能化，最终万物互联，从而实现了物联信息化。
最显著的应用产物就是物联网，大数据，无人工厂，人工智能，云计算等。

二、我国的工业发展现状

我国没有经历过第一次和第二次工业革命，我国真正发展工业的时间十分的短暂，所以我们的主要工业要落后于西方发达国家的工业。

1. 总体存在的问题

现阶段，虽然中国虽已成为全球第一制造大国，其制造业产值位居世界第一。但中国仍然并不是制造强国，中国制造业自主创新能力不强，拥有完全意义上的技术含量高的产品不多。其次中国制造产值虽高，但能耗非常高，资源能源利用率低。并且我国制造业产业结构不够合理，一方面，低端产品的产能严重过剩，高科技产品的生产能力又严重不足。

2. 我国工业2.0的现状

本质上来说，中国的制造企业大多数仍介于工业2.0到工业3.0阶段，而同期的欧美发达工业强国均已实现工业3.0的水平。
在非沿海地区的非发达城市，许多中小企业仍然停留在工业2.0时期，它们的各生产环节与制造装备都仍然是非信息化的，仍然电气自动化来控制机械制造装备。这些中小企业尚未使用ERP或MES系统进行生产信息化管理，生产管理系统与自动化系统信息不贯通。
由于本作者并不是这方面的专家，所以下面简要介绍一下ERP与MES系统的作用

• ERP系统(企业资源计划系统)
  该系统的最大功能是可以智能归纳数据信息，产生管理层需要的管理决策汇报，智能地为企业管理者给予健全的管理决策支持
  但ERP系统存在几个缺点，其中费用较高的问题是限制中小企业不愿意投钱进去。然而其安全问题跟信息不互通问题也是ERP在工业4.0中仍需改进的核心原因之一，ERP中各个部门之间无法进行信息共享，无法与外部的信息实现简易交流，这不利于实现万物互联。
  
• MES系统(制造执行系统)

MES系统主要的功能有:

1. 优化企业现场生产管理执行模式，由人过去的手笔录变为电脑扫描
2. 加强各生产部门之间协同管理的能力，从过去的人工统计发布到电子看板管理
3. 实时掌握计划、调度、质量、工艺、装备运行等信息状态，使现场生产过程完全透明化,便于快速发现问题
4. 生产机构在不同地域的生产执行情况在信息化的显示屏下一目了然，从而对企业整体活动效益做到运筹帷幄。
5. MES和ERP的联动交互，使上层管理机构和决策人员能及时了解生产执行过程中存在问题和进展情况，使上层决策者能更好了解实情。

MES系统主要的缺点是其能动性的问题，MES系统设想代替人的思维去做事情，但是这样可能会缺少人的主观能动性，处理突发问题时失去主动性，从而导致"要不没有问题，要不问题巨大"。其次现在中小企业普遍存在信息孤岛跟信息不对称的情况，这种情况下独立使用MES系统会导致大材小用，浪费金钱，这也是中小企业宁愿用人也不愿用MES系统的原因

3. 我国工业3.0的现状

工业3.0是我国大部分企业都停留在的阶段，这与我国还不是制造强国息息相关。
我国所谓的工业3.0指的是生产的所有装置和环节不存在信息壁垒，可以配合进行整厂级的自动化生产，生产决策和生产管理环节仍然由人掌握。
中国的工业3.0阶段在前期的数字设计、数字制造、数字分析能力已经达到先进水平，但这一部分对于盈利来说并不高。而目前国外的制造业盈利主要依赖的是后期生产加工和技术的研发过程，这两项对于我国来说，仍是不大强势，特别是数控机床的生产显然远远落后于世界先进水平。
数控机床中的机床数控技术对于实现信息化，智能化十分重要，但是本人也不是这方面的专家，所以下面只是简略描述一下数控机床技术的作用:

• 加工精度高：只按照零件图样要求的设定程序进行自动加工的，排除其他人为因素影响，同时具有自动检测和误差补偿功能
• 加工效率高：自动化程度很高，能实现并行加工。
• 生产管理水平高：由于是自动化作业，可以准确计算加工中的各种参数并且借助局域网与机床通讯接口连接形成在线监控系统，可以远程实时监控每台设备的运转和生产现场情况，从而及时发现问题所在
• 加工零件适应性强。可以加工各种复杂，精度高的零件产品，并且与设计软件相结合，借助 CAD/CAM 技术能高质量地完成普通机床难以完成的复杂型面的加工。
• 劳动强度低。数控加工可以自动换刀、自动变速、自动开关切削液等，加工工序集中，降低了"人"在体力上的参与度。

我国的工业3.0旨在实现“信息化”生产，并且工业3.0的核心应该是数据库，正处在工业3.0的大型企业以及公司都已经广泛应用了数据库与电子与信息技术，不仅使企业内部的信息透明化，还使得制造过程的自动化控制程度大幅度提高。使用网络化的基于PC、PLC或单片机的生产制造装备，制造装备具有一定智能功能（如标识与维护、诊断与报警等），采用ERP和MES系统进行生产信息化管理，初步实现了企业内部的横向集成与纵向集成；

4. 我国的工业4.0发展蓝图

我国想要实现工业4.0，那标志着我们的企业要有人工智能与物联网的介入，真正实现万物互联。互联网技术降低了产销之间的信息不对称，加速两者之间的相互联系和反馈。因此催生出消费者驱动的商业模式，而工业4.0是实现这一模式关键环节。工业4.0代表了“互联网+制造业”的智能生产，孕育大量的新型商业模式，我们的愿景是这样的:

• 从原材料供应商到客户整个生产流程不存在信息壁垒，减少中间的不必要环节，大大提高效率。
• 生产决策和生产管理也实现无人化，原料采购、生产排班、送货安排等环节全部智能化。
• 生产过程可以实现产品的个性化、定制化，并不需要对用户的喜爱进行调研，而是采用大数据去进行调查认定，获取用户的需求。
• 生产一个单位的产品和生产一万个单位的产品其生产效率不变，这与我们前面所提到的数控机床密不可分，能大大保证产品的一个健壮性。
  

工业4.0所主要依赖的技术有哪些呢？我们又该如何去实现它呢？下面将会简单描述一下:

• 一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；
• 二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者；
• 三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。

截止2022年，这些都是美好的愿景，只有为数不多的企业能支持工业4.0的转型与研究，主要的原因是:

• 缺乏足够的技能来进行工业4.0，前面我们也提到我们很多的中小企业还停留在工业2.0与工业3.0的转型期，未能实现大规模的自动化与信息化，智能化更是无从谈起，所以想要实现工业4.0，或者说工业4.0的理论能够落地，那就必须把我们现在卡脖子的技术先解决掉，帮助我们的中小企业完成信息化自动化的转型。
• 其次就是资金问题，转型为工业4.0缺乏大量的资金，许多没有了解工业智能化的企业负责人缺乏远见，宁愿花钱雇佣人进行产品的监督决策，也不愿意进行技术的革新。
• 同时缺乏工业与互联网共同熟悉的综合性人才。熟悉互联网的大部分对工业一无所知，而熟悉工业的队互联网方面也无所适从，这导致研究成果无法成功落地，无法很快地实现转型。

三、工业互联网概述

1.工业互联网与工业4.0的相同点

• 工业互联网和工业4.0战略都利用信息化、智能化技术改造当前的生产制造与服务模式，提高企业的生产效率，提升产品和服务的市场竞争力
• 工业互联网与工业4.0都依托互联网、物联网与大数据实现集成与互联

2.工业互联网与工业4.0的不同点

• 工业4.0偏重生产制造的“硬”环节，工业互联网战略偏重分析服务的“软”环节。首先工业4.0偏重于生产与制造过程，由集中式控制向分散式增强型控制转变。工业互联网偏重于设计、服务环节，旨在形成开放且全球化的工业网络，实现通信、控制和计算的集合，注重生产设备管理与服务性能的改善。
• 工业4.0强调生产过程的智能化，工业互联网强调生产设备的智能化。工业4.0倡导的是以CPS为核心，将产品与生产设备之间、工厂与工厂之间的横向集成，实现生产系统的有机整合，进而实现生产过程的智能化与效率提升。工业互联网立足于全行业的信息资源，提高设备安全性与可靠性、降低能耗、物耗与维护费用等。

简单来说，工业互联网是一种生态环境，他可以获取用户需求进行最优地输出，是一种推动引擎，而工业4.0则是反映我们工业总况的一个进程代表词，也是我们工业未来愿景的一种总体框架。

3.工业互联网的基本概念

• 工业互联网的概念

工业互联网并不是指互联网在工业的简单应用，而是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径
工业互联网将虚拟消费转化成实体消费，互联网与生产领域紧密联系，从而实现工业互联的网络结构，实现智能化，自动化。

• 工业互联网的特点

1. 工业互联网要求实现多种协议的共同协作，不仅仅局限在我们常用的TCP/IP协议等，并且存在与一个相对封闭的网络里，涉及到复杂的权限问题，保证其安全性
2. 工业互联网必须要保证低时延，高准确度，大带宽，传输的可靠安全。5G网络正好满足以上的特点，所以在5G网络推出之后，工业互联网在通信方面得到了很大的改善。
3. 工业互联网的核心之一是其平台，不再借助我们常见的windows等常见系统，而是利用各企业之间的研发平台，所以各个平台之间的连通性也是很重要的一个解决问题
4. 工业互联网目的主要是提高我们的生产效率，而不是我们的交易效率，这是与消费互联网的目标完全不一样的地方。

4.工业互联网的核心架构

在工业互联网的主要框架中，网络层是一个基础，它包括了网络的互联体系，标识解析体系，信息互联体系等等。它的存在主要是为了建立低延时，高可靠，广覆盖的工业互联网网络基础设施，同时实现各个环节的无缝传递，支撑形成实时感知，协同交互，智能反馈的生产模式
其中5G模式中采用了一个非常核心的技术:边缘计算。它是一个分散式运算的架构，从原来云计算的中心节点计算，将一部分计算内容移动到网络逻辑上的边缘节点进行处理，这样做是因为边缘节点更加接近于用户的终端装置，可以加快资料的处理和传输速度，减少延迟。在提高可靠性与速度的情况下，同时提高用户的体验。

而平台层是核心，下连设备，上连应用，将海量的数据汇集到平台层中，帮助开发者进行建模分析与应用开发
通过工业互联网的平台，可以实现运营优化，资源协同，模式创新，从而让下游实现智能化生产，网络化协同，个性化定制，服务化延伸等等功能。
现在我国已经有超过1000个不同的工业互联网平台，其中不乏有传统的互联网公司如腾讯，百度等云平台，也有像海尔、东方国信等企业建造属于其自己的工业互联网平台。

而安全则是整个工业互联网健康发展的保障，设备安全，控制安全，网络安全，应用安全，数据安全缺一不可，没有这些安全性，工业互联网不可能投入到工厂的实际运行当中，所以工业互联网对安全要求也是极高的，而智能化下的安全问题一直都是值得深究的问题，所以该方面也是需要深入研究并且有很大的研究价值。

总结

本文主要是介绍了工业互联网的发展背景，由于该方面涉及到的可查阅的资料十分的少，很多都需要实地去考察进行调研，所以本文章只是基于一个总体认识去进行背景的阐述，实际的行业情况还需要行业内的人员进行沟通交流。