工業內涵、工互網與產業集群

工業互聯網，源于工業，興于工業，用于工業，利于工業，始終圍繞著工業主體發展壯大。工業是工業互聯網的最強標簽和最大主體。

工業內涵不斷豐富發展

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

上述工業、信息業4個門類及其所包含的大類、中類、小類，奠定了中國工業互聯網的應用領域與技術基礎，以及在此基礎上向其他門類融通發展的巨大潛力。新工業革命的多種活動形式，如工業互聯網、智能制造、工業4.0、工業價值鏈、工業企業數字化轉型等，本質上是工業、信息業4個門類中所有技術與管理要素的融合與創新。

近年來，工業分類與命名改變并不大，但是由于ICT的不斷融入，工業的內涵、裝備、過程、產品構成等，都發生了巨大變化，今天的工業品已經不是過去的工業品，原本“聾啞瞎傻”的人造系統越來越趨于智能，所引發的新工業革命促進了數字經濟的強勁發展。

國家統計局在《數字經濟及其核心產業統計分類（2021）》中，給出了數字經濟五個分類，第01～04類是數字產業化部分，第05類為產業數字化部分，指應用數字技術和數據資源為傳統產業帶來的產出增加和效率提升，包括但不限于工業互聯網、兩化融合、智能制造、車聯網、平臺經濟等融合型新產業、新模式、新業態。

上述分類和術語是國家標準，本書將在多個章節中引用。

工業互聯網是CPS網絡

作者在2020年所寫《工業互聯網：高歌猛進為哪般？》中對工業互聯網做了定性：“工業互聯網不是工業的互聯網，也不是互聯網的工業，更不是社交/消費互聯網在工業的應用，而是工業要素按照工業邏輯、工業網絡結構互聯的網。”作者在本書中進而強調，工業互聯網是CPS的一種表現形式。

美國國家自然科學基金會海倫·吉爾教授在2006年2月發布的《美國競爭力計劃》中，從科學視角定義了CPS：“賽博物理系統是指由計算內核集成、監控和/或控制其運行的物理、生物和工程系統，系統中各個級別的組件（甚至材料）都可聯網并進行嵌入式計算。計算內核本身是一個分布式的嵌入式系統，并需要實時響應。”

德國從工程應用視角，定義了“工業4.0組件參考架構模型（RAMI 4.0）”，以智能制造、工業互聯網中的一個智巧工廠（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。

在中國電子標準技術研究院發布的《信息物理系統白皮書（2017）》中，也給出了工信版CPS定義：“其本質就是構建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physical）空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系”。該白皮書將CPS分為單元級、系統級、SoS（系統之系統）級三個層級，定義了“智能單機→智能系統→智能機群”的智能化演變過程。如圖1-5所示。

單元級CPS指設備中具有通信能力且可聯網的裝置、系統中的子系統等，對應RAMI4.0中“產品、現場裝置”級CPS；系統級CPS通常指可聯網的一套設備或機器，具有多個單元級“終端”，可以形成設備物聯網，對應RAMI4.0中“控制設備、站點”級CPS；SoS級CPS基本上已經具備了一個工業物聯網的技術特征，既可有多個系統級“終端”，也可有多個單元級“終端”，對應RAMI4.0中“工作中心、企業、互聯世界”級CPS，CPS智能服務平臺就是工業互聯網平臺。

根據德國版、工信版CPS所表達的內涵，結合作者在《三體智》中對CPS結構的獨到見解以及表達智能系統特征的“20字箴言”——“狀態感知，實時分析，自主決策，精準執行，學習提升”，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，左側是應用場景和構成CPS的具體要素，右側是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。

在應用場景中，左上方“賽博域”匯集了工業軟件、數據、通信網絡等各種ICT系統，即吉爾教授提到的“計算內核”中的內容；左下方“物理域”是工業現場的“產品-人-機-料-法-環-測”等企業資源所形成的各種工業“端”以及企業實體等物理和生物系統，即吉爾教授定義的“物理、生物和工程系統”。兩類系統融合為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。物理域的所有工業實體和企業資源抽象為物理層；所有的ICT系統抽象為由比特層（B）、數據層（D）、信息層（I）、知識層（K）、決策層（W）構成的BDIKW數字化模型，起到對物理層的解構、重構、賦能和創新作用。所有ICT要素（工業軟件、模型、算法、推理規則、大數據、AI、5G等）都運行在BDIKW模型中。關于BDIKW模型的形成和作用機制，詳見第二章論述。

在物理域和賽博域之間，一直在反復進行著“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升”的智能閉環與迭代。

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系統中。作者版CPS的企業資源是明確包含人的。作者認為人是企業特殊資源，屬于工業互聯網必須聯接的要素。詳見第八章、第九章論述。

作者版CPS形成了對工業互聯網構建方法和運行原理的一般性表達和通用實施準則。

工業互聯網的兩個源頭

第一源頭：工業網絡

工業網絡主要是指在工業現場根據業務需要和在長期的設備聯網實踐中形成的現場總線、工業以太網以及工控領域的分布式控制系統或集散控制系統（DCS），是在工業生產環境中的一種以生產設備為終端的雙向、多站、分布式數字通信網絡。

20世紀60年代有些企業開始用電子計算機進行監控和數據采集，出現了早期的SCADA（數據采集與監控系統）。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器動作，實現軟件與硬件解耦，成為機器數字化發端，德國人將其視作第三次工業革命起點。

隨著生產規模的擴大，操作人員需要綜合掌握設備多點的運行參數與信息，需要同時按多點的信息實行操作控制，于是出現了氣動、電動系列的單元組合式儀表，從PLC單元控制，發展到CCR（集控中心），再發展到分布式控制，再發展到DDC（直接數字控制）和DCS（集散控制系統）。

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

1985年，Honeywell和Bailey等150多家公司制定了FIP協議，組成WorldFIP集團；1987年Rosemount、Siemens、橫河等80家公司制定了Prof ibus協議，組成ISP集團，形成了兩大集團的競爭局面；隨后美國儀器儀表學會制定了現場總線標準：IEC/ISA SP50。上述有實力的企業都試圖在IEC占據總線技術主導地位，這場“總線之爭”的結果是產生了18個總線標準。

1994年，兩大集團合并為現場總線基金會（Fieldbus Foundation），共同制定、遵循IEC/ISA SP50協議標準。

當年工業網絡中較為低端的設備只能傳遞1比特（Bit）增量數據，指示簡單的“開”“關”狀態。但是高端設備里傳感器越來越多，在參數計量上開始需要傳送較大字節（Byte）量的復雜數據。在逐漸融合了因特網TCP/IP技術后，諸如Interbus-S、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP、Foundation Fieldbus、Profibus-PA等工控網絡，極大地推動了工控技術發展，解決了工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備之間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的高速、大量數據傳輸問題。

第二源頭：工業物聯網

1998年美國麻省理工學院在電子產品代碼（EPC）研究基礎上提出“物聯網”構想。次年，該學院Auto-ID實驗室提出建立在物品編碼、RFID技術和互聯網基礎上的“物聯網”概念。此后物聯網快速滲入工業領域，形成工業物聯網。

工業物聯網是在工業外部誕生的、隨后又快速滲透到工業領域的聯接機器設備的工業聯網解決方案。近十年，工業物聯網聯接范圍已經遠遠超越并涵蓋了工業領域內生的現場總線、工業以太網等工業網絡的聯接范圍。

中國電子技術標準化研究院發布的《工業物聯網白皮書（2017版）》認為：“工業物聯網是通過工業資源的網絡互連、數據互通和系統互操作，實現制造原料的靈活配置、制造過程的按需執行、制造工藝的合理優化和制造環境的快速適應，以達到資源的高效利用，從而構建服務驅動型的新工業生態系統。”

業界不少企業、組織和專家認為工業物聯網非常接近工業互聯網，甚至認為工業物聯網就是工業互聯網。根據現有企業披露資料，GE（通用電氣公司）、西門子、博世等歐美企業，在其網站上都將自己定義為“工業物聯網”提供商，甚至宣稱自己是物聯網解決方案提供商。

綜上所述，工業網絡和工業物聯網是工業互聯網的兩個源頭。工業網絡通過設備內置PLC/DCS上的數字裝置來聯接機器，工業物聯網則通過傳感器、RFID等外加裝置來聯接沒有數字裝置的設備和物件。工業網絡和工業物聯網構成了工業互聯網的兩大網絡主體，聯接了絕大部分工業“端”。

生態伙伴：因特網/電信互聯網

由于因特網/電信互聯網在網絡架構上與工業網絡不同，因此因特網/電信互聯網不能直接聯接工業“端”，無法用于車間或工業現場。當工業“端”以在用品形式在外場工作時，因特網/電信互聯網可以作為“管道”高速傳輸數據，成為工業互聯網的生態伙伴。

由工業內生，聚各方力量，多網絡疊加，這些特點讓工業互聯網不斷發展完善，持續走強，成為推動工業發展的新引擎，展現了強大的先進生產力。

產業集群茁壯工業生態

工業是一種極其復雜、包含了多種網絡形式的生態體系。除了大型企業之外，中小微企業、家族式作坊、地域性專業群體，如同草叢、灌木和喬木一樣，通過吸收環境中的陽光、水分和養分，持續進行“光合作用”，頑強生長，從一棵小草開始，逐漸成長為灌木，再進一步成長為喬木，甚至不乏少量喬木有機會成長為參天大樹（大型企業）。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，自成網絡，關系競合，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，構建了中國工業獨具特色的“草灌喬林”的網絡化工業生態。

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

產業集群與中小微企業之間具有天然的聯接關系，與當地產業鏈具有無隙的兼容關系，與各種形式的工業園區具有互嵌關系，構建了某一地域具有“命運共同體”性質的企業合作網絡，呈現出區域經濟中的一種集群先行效應，擴展了傳統工業實體之間的上下游關系，形成了新型生態價值網絡。聯訊動力咨詢公司總經理林雪萍在《叢林法則：重塑產業集群》文章中評價道：“產業集群，遠遠超越了這種上下游關系。實際上，產業集群是一種高級生產關系。中國許多產品獨具競爭力，就是因為這種先進生產關系。無論規模大小，它都要對生產資源進行重新配置，形成了一種極致價值網。”

工業互聯網是先進生產力，產業集群是“企業合作網絡+高級生產關系”，二者之間，彼此天然銜接。“先進生產力+企業合作網絡+高級生產關系”，讓企業作為配置資源的主體，能夠充分放大和極度延伸企業作用的效益和范圍，成為優化配置物質資產、數字資產的平臺型工具。當主體和工具相遇，當生產力與生產關系交織，這些產業集群中的中小微企業，就能將工業互聯網與它們所代表的極致價值網、地域協作網、家族關系網、鄉土合作網等進行疊加融合，從“多網融合”中獲得進一步發展的新動能，從而找到產業集群發展新出路。

工業轉型升級突破口在于打造工業互聯網生態系統。在這個工業互聯網生態系統中，央企、國企、民企的“參天大樹”的數量大約在數千級別，“草灌喬”型中小微企業數量約為4800萬，構成了中國工業最大紅利。數千級別參天大樹型企業的轉型升級，不能完全代表中國工業轉型升級，而上億級別“草灌喬”型企業真正轉型升級，才算完成了中國工業轉型升級。獨具特色的“草灌喬林”工業生態，決定了我們必須站在生態系統視角上來思考工業互聯網的發展與建設路徑。