《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論》 課件 第一章 智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

第1章

智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前，以新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展為主要特征的產(chǎn)業(yè)變革在全球范圍內(nèi)孕育興起，智能制造已成為制造業(yè)發(fā)展的主要方向。智能制造智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)術(shù)語與定義》，智能制造應(yīng)當(dāng)包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)。推動智能制造，能夠有效縮短產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低運營成本和資源能源消耗，并促進基于互聯(lián)網(wǎng)的眾創(chuàng)、眾包、眾籌等新業(yè)態(tài)、新模式的孕育發(fā)展。

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。

根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)術(shù)語與定義》，智能制造應(yīng)當(dāng)包含智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)。如目前炙手可熱的3D打印、石墨烯、虛擬現(xiàn)實等都屬于這一范疇。

智能制造系統(tǒng)不僅能夠在實踐中不斷地充實知識庫，而且還具有自學(xué)習(xí)功能，還有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。

智能制造是繼自動化制造之后更進一步的制造業(yè)形態(tài)，其核心是數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化。智能制造顧名思義就是為傳統(tǒng)的制造賦予智能，這里的智能是指“人工智能”。發(fā)展層次層次技術(shù)融合系統(tǒng)智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式。智能制造技術(shù)是信息通信技術(shù)的發(fā)展帶動的，是信息通信技術(shù)在工業(yè)的廣泛、深入應(yīng)用。德國的工業(yè)4.0和美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都屬于智能制造的范疇。智能制造技術(shù)包括自動化、信息化、互聯(lián)網(wǎng)和智能化四個層次智能制造是一個大的系統(tǒng)工程，要從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)四個方向來協(xié)調(diào)推進智能制造的發(fā)展內(nèi)容

智能制造是一個大的系統(tǒng)工程，要從產(chǎn)品、生產(chǎn)、模式、基礎(chǔ)四個方向來協(xié)調(diào)推進，其中，要以信息物理系統(tǒng)(cyberphysicalsystem，CPS)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等智能制造基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，以智能產(chǎn)品為主體，以智能生產(chǎn)為主線，以用戶為中心的生產(chǎn)組織方式和商業(yè)模式變革為主題來實施推進。CPSCPS是一個綜合計算、通信、網(wǎng)絡(luò)、控制和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，可以將信息世界和現(xiàn)實世界聯(lián)系在一起CPS系統(tǒng)包含了將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自治功能CPS能夠?qū)a(chǎn)品開發(fā)伊始的設(shè)計理念、試制、工藝和試驗等有效映射到虛擬空間中仿真、迭代、優(yōu)化和形式化驗證，使得在后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)全周期的不同階段及不同開發(fā)者之間實現(xiàn)友好的信息共享復(fù)用具體來講，CPS能夠?qū)a(chǎn)品開發(fā)伊始的設(shè)計理念、試制、工藝和試驗等有效映射到虛擬空間中仿真、迭代、優(yōu)化和形式化驗證，使得在后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)全周期的不同階段及不同開發(fā)者之間實現(xiàn)友好的信息共享復(fù)用智能制造應(yīng)用實例

智能礦山是運用信息和通信技術(shù)手段感測、分析、整合礦山運行核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵信息，從而對包括安全、生產(chǎn)、調(diào)度、自動化、監(jiān)測監(jiān)控、視頻監(jiān)控、人員定位在內(nèi)的各種需求做出智能響應(yīng)。智能礦山基于現(xiàn)代智能化理念，關(guān)注效率問題、安全問題和效益問題，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、自動控制、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、機器人化裝備等與現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)深度融合1.2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)簡介

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IndustrialInternet）是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈中的融合集成應(yīng)用，是實現(xiàn)工業(yè)智能化的綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念是由美國通用電氣公司(GE)在2012年提出的，根據(jù)GE的定義所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)便是實現(xiàn)人、機、物全面互聯(lián)化的新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，形成智能化發(fā)展的新興業(yè)態(tài)和應(yīng)用模式。

加快發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅是各國順應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展大勢，搶占產(chǎn)業(yè)未來制高點的戰(zhàn)略選擇，也是我國推動制造業(yè)質(zhì)量變革、效率變革和動力變革，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的客觀要求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)相比有四個明顯區(qū)別：一是連接對象不同。二是技術(shù)要求不同。三是發(fā)展模式不同。四是時代機遇不同。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新工業(yè)革命的關(guān)鍵體和重要基石，日益成為美國、德國、日本等發(fā)達國家和中國、印度等發(fā)展中國家實現(xiàn)新增長的共同選擇。美國《美國先進制造領(lǐng)導(dǎo)力戰(zhàn)略》德國《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》。英國工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略綠皮書》《工業(yè)戰(zhàn)略：建設(shè)適合未來的英國》態(tài)和應(yīng)用模式。中國《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃（2018—2020年）》工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)政策2020年我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模達到6712.7億元，預(yù)計至2023年規(guī)模超過9000億元，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能制造智能制造是新一代信息技術(shù)與制造全生命周期的賦能結(jié)果，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的賦能，使得制造業(yè)智能化生產(chǎn)。智能制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造現(xiàn)階段的關(guān)鍵載體，是互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)在制造業(yè)融合應(yīng)用的產(chǎn)物。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)圖顯示了智能制造全景，圖中Digitaltwin為數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生是工業(yè)4.0的重要組成部分，其基本原則是在虛擬世界中復(fù)現(xiàn)實物資產(chǎn)，以模擬其動態(tài)。數(shù)字孿生數(shù)字孿生是工業(yè)4.0的重要組成部分，其基本原則是在虛擬世界中復(fù)現(xiàn)實物資產(chǎn)，以模擬其動態(tài)。認識數(shù)字孿生數(shù)字孿生是一種利用數(shù)據(jù)采集、虛擬制造等技術(shù)，通過系統(tǒng)中存在的控制、計算和通信單元，實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)和流程仿真、監(jiān)測、計算、調(diào)節(jié)、控制和集成，實現(xiàn)物理空間個性化、高效化和高度擬實化的系統(tǒng)，也稱數(shù)字孿生系統(tǒng)。數(shù)字孿生的意義通過建設(shè)數(shù)字孿生解決方案，不少企業(yè)生產(chǎn)和運營的大量細節(jié)都得到了優(yōu)化，創(chuàng)造了直接的經(jīng)濟效益。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組成與應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三個關(guān)鍵部分構(gòu)成，其中網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、平臺是核心、安全是保障。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組成隨著新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，全球工業(yè)正在從傳統(tǒng)的供給驅(qū)動型、資源消耗型、機器主導(dǎo)型、批量規(guī)模型向需求引導(dǎo)型、資源集約型、人機互聯(lián)型、個性定制型轉(zhuǎn)變。由于制造行業(yè)的生產(chǎn)流程和產(chǎn)業(yè)鏈都很復(fù)雜，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用場景很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)各類工業(yè)生產(chǎn)要素泛在深度互聯(lián)的基礎(chǔ)，包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系、標(biāo)識解析體系和應(yīng)用支撐體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的典型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)以及創(chuàng)新的時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet）、5G等技術(shù)。平臺經(jīng)濟是數(shù)字時代生產(chǎn)力的新組織方式，是經(jīng)濟發(fā)展的新動能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的載體。從實踐來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺仍處于初級階段，盡管平臺技術(shù)和服務(wù)能力已實現(xiàn)單點創(chuàng)新，但要形成系統(tǒng)突破還需探索構(gòu)建共贏發(fā)展的開放合作生態(tài)。安全是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)健康發(fā)展的保障，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了設(shè)備、工廠、人、產(chǎn)品的全方位連接，因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全建設(shè)必須從綜合安全防護體系的視角對其進行統(tǒng)籌規(guī)劃。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景

隨著新技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，全球工業(yè)正在從傳統(tǒng)的供給驅(qū)動型、資源消耗型、機器主導(dǎo)型、批量規(guī)模型向需求引導(dǎo)型、資源集約型、人機互聯(lián)型、個性定制型轉(zhuǎn)變。由于制造行業(yè)的生產(chǎn)流程和產(chǎn)業(yè)鏈都很復(fù)雜，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用場景很多。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)術(shù)語

（1）IT網(wǎng)絡(luò)(InformationTechnologyNetwork)：IT網(wǎng)絡(luò)是用于連接信息系統(tǒng)與終端的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

（2）OT網(wǎng)絡(luò)(OperationTechnologyNetwork)：OT網(wǎng)絡(luò)是用于連接生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備與系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。（4）邊緣計算（EdgeComputing）：邊緣計算是指在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務(wù)。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。（5）邊緣網(wǎng)關(guān)（EdgeGateway）：邊緣網(wǎng)關(guān)是部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)絡(luò)連接、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能連接物理和數(shù)字世界，提供輕量化的聯(lián)接管理、實時數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用管理功能。（9）個性化定制（PersonalizedCustomization）：通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，將用戶需求和企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)計劃精確匹配，并借助模塊化產(chǎn)線和新型制造工藝，實現(xiàn)和產(chǎn)品多樣化、定制化生產(chǎn)制造模式。（10）工業(yè)APP（IndustrialApplications）：工業(yè)APP是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，承載工業(yè)知識和經(jīng)驗，滿足特定需求的工業(yè)應(yīng)用軟件，是工業(yè)技術(shù)軟件化的重要成果。（13）工業(yè)防火墻(IndustrialFirewall)：工業(yè)防火墻是一個由軟件和硬件設(shè)備組合而成、在內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)之間、專用網(wǎng)與公共網(wǎng)之間的邊界上構(gòu)造的保護屏障。（14）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺（IndustrialInternetPlatform）：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業(yè)云平臺。（15）工業(yè)軟件（IndustrialSoftware）：工業(yè)軟件是用于或?qū)Ｓ糜诠I(yè)領(lǐng)域，為提高工業(yè)研發(fā)設(shè)計、業(yè)務(wù)管理、生產(chǎn)調(diào)度和過程控制水平的相關(guān)軟件和系統(tǒng)。（16）工業(yè)通信協(xié)議（IndustrialCommunicationProtocol）：工業(yè)通信協(xié)議是指工業(yè)控制領(lǐng)域的雙方實體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。（18）工業(yè)智能（IndustrialIntelligence）工業(yè)智能或稱工業(yè)人工智能（IndustrialArtificialIntelligence），是工業(yè)領(lǐng)域中由計算機實現(xiàn)的具有自感知、自學(xué)習(xí)、自執(zhí)行、自決策、自適應(yīng)等特征的應(yīng)用。（19）故障預(yù)測(FaultPrediction)：故障預(yù)測是指基于存儲在大數(shù)據(jù)存儲與分析平臺中的數(shù)據(jù)，通過設(shè)備使用數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)、主機及配件性能數(shù)據(jù)、配件更換數(shù)據(jù)等設(shè)備與服務(wù)數(shù)據(jù)，進行設(shè)備故障、服務(wù)、配件需求的預(yù)測，為主動服務(wù)提供技術(shù)支撐，延長設(shè)備使用壽命，降低故障率。（24）柔性制造(FlexibleManufacturing)：柔性制造可以表述為兩個方面：一個方面是指生產(chǎn)能力的柔性反應(yīng)能力，也就是機器設(shè)備的小批量生產(chǎn)能力；第二個方面，指的是供應(yīng)鏈的敏捷和精準(zhǔn)的反應(yīng)能力。這種以消費者為導(dǎo)向的，以需定產(chǎn)的方式對立的是傳統(tǒng)大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)模式。（25）軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SoftwareDefinedNetworking,SDN)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它將網(wǎng)絡(luò)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，采用集中控制替代原有分布式控制，并通過開放和可編程接口實現(xiàn)軟件定義。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系2.0架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在工業(yè)和信息化部的指導(dǎo)下，在2016年發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（版本1.0）基礎(chǔ)上，研究制定了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)（版本2.0）》隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界急需一套具有實踐借鑒意義的方法論，指導(dǎo)其開展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用推廣與生態(tài)建設(shè)。架構(gòu)2.0在繼承版本1.0核心理念、要素和功能體系的基礎(chǔ)上，從業(yè)務(wù)、功能、實施等三個角度重新定義了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考架構(gòu)主要規(guī)范工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括：網(wǎng)絡(luò)與聯(lián)接標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)識解析標(biāo)準(zhǔn)、邊緣計算標(biāo)準(zhǔn)、平臺與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)APP標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)等?？傮w標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的通用性、指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)，包括術(shù)語定義、通用需求、架構(gòu)、測試與評估、管理等標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)主要包含工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用場景和垂直行業(yè)應(yīng)用等應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0架構(gòu)2015年政府工作報告中首次提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”；同年7月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》，提出研究工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，引導(dǎo)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研制及推廣。這一時期工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)多以“互聯(lián)網(wǎng)+”“兩化融合”的形態(tài)出現(xiàn)。2017年11月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，確立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展地位，明確了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要任務(wù)和路徑。2021年1月，工信部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2023年)》，提出了五方面、11項重點行動和10大重點工程，推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，帶動數(shù)字產(chǎn)業(yè)化。未來3年將是我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速成長期?！蛾P(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021-2023年)》我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境（1）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將加快向細分垂直領(lǐng)域延伸。我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用和推廣，未來在盈利模式多元化創(chuàng)新發(fā)展的趨勢下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也將加速向細分垂直領(lǐng)域延伸，深度解決行業(yè)發(fā)展的痛點難點。（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與新技術(shù)的融合將持續(xù)加深。在5G、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的加速成熟和應(yīng)用推廣下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將加快與新技術(shù)的融合發(fā)展