工業互聯網與能源互聯網對比及其融合發展探析

陳 磊，楊建新，黃思翰，范 鑫，李雅靜

（1.中國工程院戰略咨詢中心，北京 100088；2.中國兵器工業信息中心，北京 100089；3.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；4.北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144；5.北京交通大學建筑與藝術學院，北京 100091）

1 研究背景

進入21 世紀之后，信息通信技術創新和迭代演進速度不斷加快［1］，信息技術與能源、材料等技術呈現滲透、交叉、融合發展的趨勢，進而催生出若干新興技術和新興產業，引發新的技術變革和產業革命［2］。“工業4.0”概念的正式提出，拉開了以人工智能為標志的信息革命引領和推動的第四次工業革命的序幕［3］。中國提出有關先進制造發展戰略，參與到新工業革命發展方向話語權的角逐中。隨著互聯網、物聯網、傳感器、人工智能等新一代信息技術的快速發展及其與工業領域的深度融合，中國在經濟社會發展中涌現出了一大批新的產業模式和新業態，創造了經濟發展的新增長點［4］。隨著新工業革命的推進，狀態感知、萬物互聯、數據挖掘、智能化、協同化等逐漸成為主題，工業互聯網的重要性逐漸凸顯，世界各國都將工業互聯網作為本國提升傳統工業制造、塑造未來產業競爭力的共同選擇。

隨著傳統能源的日益枯竭、氣候環境的要求和新能源的快速發展，世界能源系統正在發生巨大變革，以多種能源之間的轉化和互聯為主要形式的能源互聯網正在成為能源發展的新方向，推動能源新業態的產生與發展，傳統的能源體系已經無法滿足新工業革命提出的新要求，能源體系的網絡化、智能化勢在必行。新能源技術將為新工業革命創造強大的新基礎設施，推動生產方式產生變革，對新工業革命的進程具有重要影響［5］。“能源互聯網”概念的提出符合時代發展需求，對能源互聯網的研究以及能源互聯網與工業界的深度融合也是新工業革命成功的必經之路。

工業互聯網和能源互聯網的影響力開始顯現，其中以新一代人工智能與先進制造融合形成的新一代智能制造，正在從工業領域延伸到能源、交通、醫療等其他領域，促進形成智能生態大系統——智能社會［6］。但是，到目前為止，對于工業互聯網和能源互聯網的研究還不夠深入，工業互聯網和能源互聯網的概念、體系框架和核心技術等方面并未形成共識。鑒于工業互聯網和能源互聯網對新工業革命的重要作用，有必要對工業互聯網和能源互聯網的發展現狀進行總結分析，對比分析它們的異同點和發展趨勢，及其與新工業革命的結合點，從而更好地服務于新工業革命。

2 工業互聯網和能源互聯網的概念

2.1 工業互聯網概念

“工業互聯網”的概念最早由通用電氣公司于2012 年提出［7］。工業互聯網擬通過構建網絡、平臺、數據、安全四大功能體系，將人工智能、大數據、5G 等新一代信息技術與傳統產業深度融合，把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接融合起來，實現人-機-物全面互聯，形成一種全新的產業生態、產業基礎設施和新技術應用模式［8］，如圖1 所示。

圖1 工業互聯網基本體系

2.2 能源互聯網概念

美國學者杰里米·里夫金［9］在其著作《第三次工業革命：新經濟模式如何改變世界》中首次提出了能源互聯網的構想，嘗試將新能源技術和互聯網技術結合起來，以解決化石能源衰竭的問題。馬釗等［10］和田世明等［11］的研究指出，能源互聯網是以智能電網為骨干，以互聯網、云計算、大數據等信息通信技術為紐帶，將智能電網與天然氣網、氫能源網等多種能源網絡融合在一起，實現橫向多源互補、縱向“源-網-荷-儲”協調的新一代能源體系，如圖2 所示。

圖2 能源互聯網體系

3 工業互聯網和能源互聯網的發展現狀

3.1 工業互聯網發展現狀

工業互聯網是新一代工業革命的重要抓手，制造大國都高度重視工業互聯網，想要抓住產業升級的重要契機，在工業領域實現跨越式發展。基于此，各國都在探索符合自身國情和工業發展現狀的工業互聯網發展之路。

西方發達國家的工業產業發展基礎良好，并且長期引領著世界先進制造技術和信息技術的發展方向，因此，其在工業互聯網的發展目標和側重點方面有著更為清晰的脈絡。從發展目標來看，美國發展工業互聯網旨在實現工業生產全要素融合，構建“智能機器-互聯網絡-工業云平臺”的智能制造新形態［7］；德國的工業互聯網發展目標是對制造業進行智能化改造，通過信息技術將人、機器和信息融合起來，構建集成工程、生產制造、供應鏈和企業管理的網絡協同制造系統［12］；日本政府則發布了機器人新戰略——Japan's Robot Strategy，利用傳感器、人工智能等技術推動機器人技術向自主化、網絡化和終端數據化方向發展，并通過機器人技術提升制造業、服務業的競爭力［13］。從發展側重點來看，美國側重于通過信息數據的智能分析能力來提升制造業發展水平；德國將資源整合化能力當作發展重點，提出工業4.0，旨在構建信息物理系統來對制造業進行智能化改造。在研究方面，Jeschke 等［14］深度討論了工業互聯網和數字化制造融合面臨的挑戰和要求，及其在工業4.0 中的應用潛力；Bahga 等［15］提出了一個基于區塊鏈技術的去中心化、點對點的工業物聯網平臺，對等節點無需信任中介就可以相互交互；Sisinni 等［16］對工業互聯網面臨的挑戰、機會和未來的發展方向進行了總結分析。

國內工業互聯網起步較晚，但是中國不僅具有世界上完整的工業體系，而且新一代信息技術網絡規模大、范圍廣，為工業互聯網的發展壯大奠定了重要基礎。目前，以政府為主導、大型企業持續助力、中小企業應用跟進的方式，中國形成了一股強勁的工業互聯網發展新勢力。在頂層設計方面，國家出臺了有關先進制造發展戰略，以及《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》《工業互聯網發展行動計劃（2018—2020 年）》等一系列政策措施，為工業互聯網的發展進行規劃和指導。在理論研究方面，李伯虎院士等［17-19］在2010 年提出了“云制造”的概念，即利用網絡化制造服務平臺，按用戶個性化需求重構云上虛擬制造資源，為用戶提供定制化制造服務的新型網絡化制造模式，之后進一步提出了云制造2.0 和云制造3.0，強調基于泛在互聯網，借助新一代智能科學技術形成互聯化（協同化）、服務化、個性化（定制化）、柔性化、社會化、智能化的智能制造新模式和萬物互聯、智能引領、數據驅動、共享服務、跨界融合、萬眾創新的新業態，優質、高效地完成企業制造全生命周期的各種相關活動，從而提高制造企業的市場競爭能力。在產業生態領域，2016 年中國工業互聯網產業同盟發布《工業互聯網體系架構（版本1.0）》，為工業互聯網的實踐活動提供參考架構［20］，一批龍頭企業通過平臺開發推動工業互聯網落地，如航天科工集團的CASICloud、海爾集團的COSMOPlat 等。基于此，大量中小企業加強了上下游企業間合作關系，在信息共享、供應鏈金融和制造能力交易方面取得突破，推動構建工業互聯網平臺應用生態。

3.2 能源互聯網發展現狀

國外能源互聯網發展相對成熟，如美國北卡羅來納州立大學開展了未來可再生能源傳輸和管理系統（FREEDM）的研究，該項目在傳統能源網絡中引入信息互聯網的系統架構和分布式開放理念［21］，重點研究高滲透分布式可再生能源發電和分布式儲能并網的高效配電系統，并稱之為“新型能源互聯網”［22］。除了理念和技術革新，國外在能源互聯網的發展過程中還形成了一批示范工程，如，2008年德國啟動了E-Energy 促進計劃，以信息與通信技術（information and communications technology，ICT）為基礎建立能源互聯網，推動傳統能源體系轉型升級，使全德國的能源利用更加環保、經濟、安全，奠定了德國構建能源互聯網的基礎［23］；美國的能源互聯網已經進入實際應用階段，借助能源互聯網，能源需求端可以對能源進行互聯和轉換，能源提供方可以根據市場需求制定最合理的銷售方案；歐盟在2011 年提出了“智能能源的未來網絡”的能源互聯網項目，通過構建未來能源互聯網平臺將能源與信息融合發展，給出具有創造性的能源解決方案，從而優化能源的傳輸效率［22］。

中國的能源產業發展已經進入新時期，國內企業、院校和科研機構圍繞能源互聯網開展有關研究，探索新一代信息技術與傳統能源產業融合發展模式，逐漸找到一條具有中國特色的能源互聯網發展之路。在頂層設計上，從2015 年開始，中國陸續出臺了《關于推進“互聯網+”智慧能源發展的指導意見》《能源技術革命創新行動計劃 (2016—2030 年)》《關于推進“互聯網+”智慧能源（能源互聯網）示范項目的通知》等規劃和指導意見，旨在推進能源與信息等領域新技術深度融合，統籌能源與通信、交通等基礎設施網絡建設，建設“源網荷儲”協調發展、集成互補的能源互聯網［24］。在理論研究方面，王君安等［25］對能源互聯網的商業模式創新進行了研究，旨在改變傳統商業模式在新形勢下難以為繼的局面；國家電網則提出了建設全球能源互聯網的構想，以統籌全球能源資源開發、配置和利用，創造安全、清潔、高效和可持續的能源供應新體系［26］；劉奇等［27］通過簡歷非均衡蛛網模型對能源互聯網的區域協調優化策略進行了研究；黃豫等［28］針對能源互聯網的多能需求響應問題進行了研究，指出信息物理系統與接口標準化是需求響應技術的關鍵。在應用層面，中國在智能電網領域確定了建設堅強智能電網的總體目標，并提出互通電網的基本發展模式［29］；在可再生能源方面，國家啟動多項“863 計劃”項目來支撐能源互聯網的發展［30］。

4 工業互聯網和能源互聯網的對比分析

4.1 體系架構對比

（1）工業互聯網體系架構。工業互聯網是在互聯網的基礎上，通過融入大數據、人工智能、云計算等新一代信息技術形成超級互聯網，然后把工業生產的各個環節連接起來，通過傳感器收集智能物體數據，并將數據實時上傳工業互聯網平臺，工作人員可以對數據實時監控分析，保障生產安全、提高生產效率。

沈蘇彬等［31］基于物聯網體系架構，通過需求模型、用例模型、功能模型和實現模型等4 個模型對工業互聯網體系架構進行了總結，基于此提出了工業互聯網多個視角建模方法，包括商業視角、用法視角、功能視角和實現視角，其中商業視角主要用于需求分析，用法視角主要用于描述典型使用過程，功能視角主要用于功能分類和設計，實現視角則主要用于功能實現和部署。周宏仁［32］認為工業互聯網體系架構主要包括3 個層次：外緣層、平臺層和企業層，智能物體上的數據通過外緣層進入平臺層，經過分析和轉換后,形成決策所需數據并傳入企業層，企業層根據數據綜合判斷企業發展規劃，并將具體發展指標信息傳入平臺層，平臺再對數據進行部門分類后傳入外緣層，從而形成互通互聯閉環。夏志杰［33］從功能角度出發，提出了由感知識別層、網絡連接層、平臺匯聚層、數據分析層4 個部分組成的工業互聯網體系架構，其中，感知識別層負責從智能物體上采集工業數據，是工業互聯網的基礎；網絡連接層用于傳輸感知識別層采集獲得的工業數據；平臺匯聚層除了用來存儲相關工業數據，還可以提供數據計算所需的計算機服務器；數據分析層則依托平臺匯聚層提供的強大數據計算能力對數據進行分析。

雖然目前還沒有形成對工業互聯網體系架構的共識，現有研究成果對工業互聯網體系架構的認識也各有側重，但是總體來看，工業互聯網體系架構的核心索引是工業大數據。從圖3 可以看出，工業互聯網圍繞工業大數據，利用新一代信息技術對工廠、設備等工業要素進行感知，通過工業以太網等網絡設施實現數據傳輸，并在云平臺上進行數據處理和服務化、定制化應用開發，為不同的企業或者業務過程提供服務，提高生產效率。

圖3 工業互聯網體系架構

（2）能源互聯網體系架構。能源互聯網體系架構是建立在“物理結構+信息結構”的基本框架之上，其中物理結構是指傳統能源網絡連接在一起，可以信息共享；信息結構是把新一代互聯網與傳統能源互聯網融合起來，建立具有開放、互聯、對等和共享特點的新型能源互聯網。

于慎航等［34］把能源互聯網系統劃分為智能能量管理系統、分布式可再生能源、儲能裝置和變流裝置等，重點關注了能源互聯網中的分布式特點，其中，智能能量管理系統強調對能源信息的集中管理和獨立控制；分布式可再生能源裝置主要是指發電技術；儲能裝置用來維持能源互聯網系統的穩定性，持續向用戶提供電能，并提高經濟效益；變流裝置可以對分布式可再生能源裝置產生的電能進行轉換與控制。鄧建玲等［35］把能源互聯網劃分為6個層次：對象層、數據采集與信息形成層、存儲層、特征提取及知識合成層、解析層和平行控制層。曾鳴等［36］根據能源互聯網的特點對電力系統的“源-網-荷-儲”內涵進行了擴展：源指電力、石油、太陽能等多種能源資源，網指多種能源資源網絡，荷指多種能源資源需求，儲指多種能源資源存儲，并基于此提出了橫向多源互補、縱向“源-網-荷-儲”協調的能源互聯網體系架構。張國榮等［37］提出了包括終端設備層、區域聯控層、全網協調層和商業服務層在內的能源互聯網層次架構，其中，終端設備層包含各類供能、用能和儲能的分布式設備；區域聯控層通過互聯網設施將能源網絡中的分布式設備連接起來，從而實現區域獨立可控；全網協調層用于協調能源互聯網系統，以保證系統穩定運行，同時也可以模擬完成智能調度、能源資源質量控制等功能；商業服務層是能源服務層，是能源交易平臺，以市場化方法推動能源的合理配置，提高能源利用率。

與工業互聯網類似，關于能源互聯網的體系架構還沒有定論，但是學者們已存在一些共識，其中最典型的就是圍繞傳統電力系統的“源-網-荷-儲”進行全方位擴展，基于能源大數據，利用人工智能、輸送管網、信息網絡等技術手段對能源供需進行統籌規劃，實現能源的智能化管理和交易，提高能源的利用效率。如圖4 所示。

圖4 能源互聯網體系架構

4.2 核心技術對比

（1）工業互聯網的核心技術。隨著第四次工業革命的推進，工業互聯網平臺快速發展并不斷完善，在這個過程中，離不開相關核心技術的支撐，包括工業控制系統、工業軟件、工業網絡和工業信息安全等，如表1 所示。

表1 工業互聯網核心技術

（2）能源互聯網核心技術。能源互聯網是在傳統能源體系基礎上引入智能輸電技術、智能信息通信技術、先進儲能技術、智能能量管理和控制技術、智能數據分析技術等技術，實現分布式清潔能源的高效傳輸、存儲和利用。如表2 所示。

表2 能源互聯網核心技術

5 工業互聯網和能源互聯網的發展趨勢分析

5.1 工業互聯網多層次、多元化發展

在政府、企業、科研院所等各方的共同努力下，全產業鏈的數字化、網絡化和智能化水平穩步提升，工業互聯網的應用場景呈現出多層次、多元化等特點，從大型企業向中小企業滲透的趨勢明顯；同時在政策的進一步引導下，工業互聯網的基礎設施建設將會更加完善、行業聯動愈加充分、企業間的協同也會更加深入。在未來，工業互聯網的部署、應用和推廣方面會得到強化，從而在各行業、各領域、各層級企業形成一批有代表性的應用示范，隨著工業互聯網跨行業、跨地區、跨企業的深度融合，逐漸形成內容豐富、個性鮮明的工業互聯網應用生態，在新工業革命中發揮更重要的支撐作用；另外，在這個過程中，工業互聯網的關鍵核心技術也會得到長足的發展，包括傳感器、大數據、深度學習、數字孿生、信息物理系統（cyber-physical systems，CPS）等基礎支撐技術和圍繞“云、邊、端”各層級的智能裝備、工業軟件、網絡安全等卡脖子技術進一步夯實自主知識產權，構筑技術生態體系。

5.2 新技術驅動能源互聯網高質量發展

能源互聯網高質量發展是未來的主題。圍繞“源-網-荷-儲”一體化集成能源系統，借助新一代ICT技術，統籌能源的生產、傳輸、存儲、分配等，實現各能源子系統之間的高效協同、優化利用。在能源結構方面,能源將向著清潔、環保、高效、節能方向發展,逐漸演變出新的能源供應結構，最終促成集中式能源供應和分布式能源供應協調、高效、并行發展。在技術攻關方面，隨著信息技術的發展，高效整合能源生產、傳輸等各個環節的數據成為了可能，并依靠不同的算法實現能源的綜合管控。另外，能源類型逐漸向綠色低碳方向發展，需要在關鍵技術支撐和新型商業模式上進行突破，借助能源互聯網的優勢，引導低碳、節能和高效的能源生產、利用方式。

5.3 工業互聯網與能源互聯網深度融合發展

從從屬關系的角度看，能源互聯網也是工業互聯網的一種。從功能屬性的角度看，能源互聯網是工業互聯網的核心驅動力。在工業互聯網推動智能制造向智能化、數字化方向發展過程中，突破發展制約的關鍵因素之一便是突破能源限制，隨著新工業革命的推進，能源互聯網的驅動作用愈加明顯，工業互聯網和能源互聯網深度融合、尋求整體能效最優是未來不可避免的趨勢。在智能傳感器、信息物理系統、大數據、云計算、機器學習等技術的加持下，依托開放式的互聯網架構，工業互聯網的參與主體更加多樣、參與方式也更為靈活，基于此，能源互聯網能夠深入融合到工業互聯網的大框架中，工業互聯網也能從更高的層面對整個工業生產過程進行整合，進一步提升生產效益和效率，全面深化新工業革命。

6 結論

在新一輪工業革命中，工業互聯網為企業數字化轉型提供重要支撐，也正在重塑著整個工業體系，從而實現工業過程的高質量、高效率、高效益發展。發展能源互聯網旨在推動中國傳統能源產業轉型升級、創新發展，推動能源的優化配置和協調互補。工業互聯網和能源互聯網的快速發展高度依賴于新一代信息技術，特別是通信、控制和數據分析等技術；此外，工業軟件是工業互聯網的重要驅動力，而能源互聯網則需要重點關注先進儲能、智能輸電等技術的突破。本研究對工業互聯網和能源互聯網的概念、體系架構、關鍵技術等方面進行了全面對比分析，指出工業互聯網和能源互聯網的融合發展是未來的重要趨勢。

由于篇幅所限，本研究未能對工業互聯網和能源互聯網的應用情況和生態構建現狀進行研究，考慮其對新工業革命成果落地的重要性，將在未來的研究工作中進行深入分析與討論。