工業互聯網與行業融合應用的探索與實踐

□ 文 王 峰 王潤鵬 蔣昕昊

0 引言

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的關鍵基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，構建覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了實現途徑。在我國制造業由高速增長階段轉向高質量發展階段，一批有基礎條件的制造企業順應趨勢率先探索工業互聯網建設應用，提質、降本、增效、綠色、安全等成效初顯。但總體來看，我國大量企業仍存在對工業互聯網認識不到位、應用模式不清晰、建設路徑待探索等問題，可復制、可推廣的解決方案和經驗模式仍需不斷挖掘培育。

目前，工業互聯網落地的關鍵在于與行業特性有機結合，制造業各領域千差萬別，工業互聯網發展既要牢牢立足于千行百業的特殊性，也需要挖掘總結蘊含于這些特殊性中的普遍性。因此，有必要不斷結合產業實踐完善工業互聯網與行業融合應用的方法論，進而為更廣范圍的推廣普及、帶動產業數字化水平提升提供參考和指導。德國工業4.0平臺提出了RAMI4.0架構，日本工業價值鏈促進會提出了IVRA架構、工業物聯網聯盟（IIC）提出了IIRA架構，我國工業互聯網產業聯盟相繼提出《工業互聯網體系架構（版本1.0）》《工業互聯網體系架構（版本2.0）》，都為各國工業互聯網產業實踐提供了框架指導。特別是《工業互聯網體系架構（版本2.0）》，系統性提出工業互聯網理論模型，構建了由業務需求到功能定義再到實施架構的層層深入的完整體系。本文將以《工業互聯網體系架構（版本2.0）》為主要基礎，結合典型案例的比較分析，進一步細化提出工業互聯網與行業融合應用的方法論。

1 工業互聯網與行業融合應用方法論

推進工業互聯網落地應用總體可分為業務層、能力層、系統層與實施層四個層次，如圖1所示。四層體系自下而上層層支撐，自上而下層層細化，厘清了從行業發展業務需求到工業互聯網實施推進的邏輯關系，給出了工業互聯網與行業融合應用的基本路徑。

圖1 工業互聯網與行業融合應用視圖體系

能力層描述了為支撐業務層的融合，企業所需具備的關鍵數字化能力。

1.1 業務層

業務層描述了行業企業與工業互聯網融合的業務方向和領域。一是進行融合應用戰略選擇，由于各行業特點不同，發展程度各異，企業應根據自身實際制定符合總體發展方向的融合應用戰略，從研發設計、生產制造、智能產品、服務創新、商業營銷等方向確定切入角度。二是融合應用業務場景規劃，一方面是生產運營相關場景規劃，通過工業互聯網的應用——如設備預測性維護、能源優化管理、智能計劃排產、智能財務管理等，從而提升生產經營效率；另一方面是產品服務相關場景規劃，通過工業互聯網創新服務模式與產品功能體驗——如基于智能產品的后市場服務、基于平臺提供的供應鏈金融等，從而創造增量價值。三是資源組織方式變革，打造與工業互聯網相契合的組織架構，使企業管理體系更加適配生產力數字化轉型的需要（本文側重業務場景融合，對資源組織方面不做深入探討）。

1.2 能力層

能力層描述了為支撐業務層的融合，企業所需具備的關鍵數字化能力。一是泛在感知，通過部署傳感器或軟件，提升管理者對于重點設備、生產環境等關鍵節點以及生產經營流程的狀態感知水平。二是智能決策，通過工業互聯網平臺打通各層級、各業務、各流程的信息系統，通過廣泛深入的數據分析提升決策科學性。三是敏捷響應，企業利用工業互聯網連接外部市場，快速根據市場變化配置資源，滿足多樣化的需求。四是動態優化，通過工業互聯網提供的強大運算能力與海量實時數據，不斷基于當前實際情況優化企業運營與生產過程，實現全局化、精細化管控。

1.3 系統層

系統層描述了為實現上述能力，需要進行的工業互聯網實施部署。行業企業工業互聯網實施部署遵循工業互聯網產業聯盟發布的《工業互聯網體系架構（版本2.0）》實施架構部分如圖2所示。總體分為設備層、邊緣層、企業層、產業層四個層級，具體實施包括網絡/標識、平臺、安全方面的實施建設。設備層、邊緣層包含有邊緣設備接入、工業數據采集、控制信息傳輸等功能實現，同時重點關注相關設備安全與控制安全風險。企業層由企業生產制造、經營決策、產品全生命周期管理等各類業務系統組成，提高各工序、各業務、全流程的運營效率和管理水平。產業層重點是通過跨企業的網絡連接與產業協同平臺應用，提高跨企業、跨區域的數據互聯互通效率及供應鏈資源優化配置。

圖2 工業互聯網實施架構

1.4 實施層

實施層描述了開展上述工業互聯網建設的具體實施推進路徑。通過對各行業工業互聯網應用案例的調研分析，本文認為工業互聯網與行業融合應用，基本可按照“三步走”的路徑推進：一是數字化改造，通過結合業務進行智能裝備、傳感器及工業軟件的部署運用，實現數據的廣泛采集與積累；二是局部協同優化，打通相關的業務系統，實現關聯業務的協同優化，提升業務效率；三是融合創新應用，企業內部協同優化達到一定程度，通過建設行業級平臺，匯聚產業鏈上下游及各類相關方主體，提升行業資源配置效率。需注意的是，不同企業由于所處行業特點不同，所處發展階段不同，工業互聯網的實施推進路徑也有所差異，應充分考慮企業自身情況，規劃具體推進路徑。

在對具體行業運用上述方法論開展工業互聯網實踐的過程中，業務與能力往往緊密關聯，是作為對需求的剖析；而系統與實施往往一體推進，是工業互聯網體系的落地。下文對典型行業每類應用路徑的具體分析，采取這樣的方式進行闡述。

現實中流程型制造業企業應用工業互聯網多從生產制造切入，以優化提升生產運營效率為主要目標開展升級建設。

2 制造業典型行業融合應用路徑

2.1 流程型制造業融合應用路徑

2.1.1 業務與能力

石化化工、鋼鐵冶金、水泥建材等流程型制造業，往往自動化水平較高，但在精細管控、安全生產、綠色低碳等方面有更為強烈的提升需求。現實中流程型制造業企業應用工業互聯網多從生產制造切入，以優化提升生產運營效率為主要目標開展升級建設。

在生產運營方面，普遍需要不斷提升生產的智能化水平，目前生產主體廣泛部署工業機器人、工業自動化裝備和數字化管理系統；同時，大型龍頭企業往往多基地、多廠區生產，需要利用工業互聯網平臺開展跨地域的集中統一管控，實現基地與總部間多層面的協同與整合，生產經營數據跨業務、跨板塊貫通，顯著提升管理效率與水平。

在產品服務方面，部分大型流程型制造業企業充分發揮龍頭地位，利用工業互聯網平臺聚合行業資源，構建新型大宗產品貿易生態，基于平臺拉通大宗商品供需雙方，降低交易門檻，助力化解產能過剩。

2.1.2 系統與實施

在設備層，一方面重點部署先進在線分析儀表，提升行業特殊復雜工況下的檢化驗及時與準確程度，另一方面重點部署危險工序巡點檢機器人，提升安全生產水平。在邊緣層，重點部署數字化過程控制系統，基于智能化控制模型實現生產線的精準自適應調控，目前以基于現場總線、工業以太網等工控系統為主，部分環節開始探索利用5G等來彌補傳統有線網絡的不足。在企業層，重點部署一體化的協同管控平臺，一方面打通各生產工序、產供銷各環節，在提升生產效率的同時，變革傳統粗放的計劃生產模式，逐漸走向以銷定產的精細化生產模式；另一方面加強總部集團對各生產基地的管控服務力度，使企業有能力精準快速掌握集團關鍵運營信息，提升整體運營效率。在產業層，可部署大宗產品新型交易平臺，基于平臺提供供應鏈金融，第三方倉儲運輸等生產性服務。如圖3所示。

圖3 流程型制造業工業互聯網實施架構

流程型制造業企業應用工業互聯網第一階段可通過生產執行、制造管理、經營管理相關系統部署以及自動化系統升級，實現生產運營等基本環節的數字化、可視化管控。第二階段可基于工序機器人應用、控制系統模型升級、跨業務大數據平臺部署，實現質量、能源、設備管理等業務的集成管控。第三階段可建設行業級的協同平臺，實現行業生態匯集建設，開始基于行業數據實現盈利。

2.2 工業互聯網與大眾消費品制造業融合應用路徑

2.2.1 業務與能力

汽車、家電、食品飲料等行業屬于典型的大眾消費品制造業，該類型行業往往直接面向大眾消費者，隨著消費市場的個性化趨勢日益明顯，行業企業為保持核心競爭力就需要滿足快速變化的消費者需求。一是提供高品質、多元化的產品供給，二是通過服務升級與創新，增加客戶粘性，三是建立高效透明的生產與物流體系，在降低庫存壓力的同時以快速交付提升用戶體驗。現實中大眾消費品制造業企業應用工業互聯網多以“滿足消費市場需求”為主要目標，從研發設計、生產制造、智能產品、服務創新、商業營銷等多維度切入。

在生產運營方面，一方面是開展基于用戶分析的產品設計，在充分了解市場需求的基礎上，快速推出產品設計方案，快速迭代產品設計，打造符合市場的系統產品。另一方面是進行智能化、透明化生產管控，實現訂單的全生命周期管理。在產品服務方面，智能化產品及其帶動的新型服務正快速發展，在提升用戶體驗的同時也為制造商創造新的利潤增長點。

2.2.2 系統與實施

在設備層，重點關注生產設備的數字化改造、智能化升級，包含機器視覺等各類新型數據采集分析技術的應用，同時還關注AGV小車、機器人等智能裝備的應用，用于提升生產流水線的工作效率。在邊緣層，重點關注流水線工控電腦及其搭載的用于多設備協同控制、機器視覺質檢等生產核心業務軟件應用，提升產線車間的生產管控效率，把控產品品質與生產速度。在企業層，重點關注企業級資源協調平臺部署，用于開展資源計劃、生產執行等相關活動，實現企業資源調度與生產經營管理優化。在產業層，重點關注智能服務生態平臺社區的部署運營，企業基于平臺一方面與下游市場用戶開展交互，為用戶提供高質量服務，同時精準了解市場動態趨勢與用戶行為，進而指導企業研發、生產、銷售等各類活動，另一方面與上游供應商開展商業合作，保障采購供應鏈的低成本與高效率。如圖4所示。

圖4 大眾消費品制造業工業互聯網實施架構

大眾消費品制造企業應用工業互聯網，第一階段可開展面向生產、營銷等環節的單點數字提升，通過部分業務的數字化、線上化來提升單環節業務效率；第二階段企業可開展集成化的業務協同，基于平臺打通產銷等關鍵業務流程，提升對市場的響應能力水平；第三階段企業可基于智能化產品及服務平臺，探索新型商業模式。

2.3 工業互聯網與大型裝備制造業融合應用路徑

2.3.1 業務與能力

船舶、航空航天、軌道交通等大型裝備制造業是國之重器，具有重要的戰略性地位。這些行業產業鏈條長、配套復雜，上游供應體系管控難、中游設計及生產流程多、下游產品后市場運維難度大。現實中大型裝備制造企業往往從協同設計與供應鏈優化入手，逐漸探索復雜產品的遠程運維。

在生產運營方面，一是開展基于平臺的復雜產品協同設計；二是開展基于平臺的復雜供應體系管控；三是智能化輔助生產制造，由于該類產品裝備具有高度的復雜性，同時產品體積龐大，導致其生產裝備過程仍需要大量人工參與，自動化水平相對較低，智能化輔助生產制造更多關注基于模型的裝配工藝設計模擬、輔助定位測量與檢驗以及整體裝配過程的數字化調度管控。

在產品服務方面，重點關注高價值產品的使用過程中的遠程運維，開展產品遠程運維服務。

在產品服務方面，重點關注高價值產品的使用過程中的遠程運維，開展產品遠程運維服務。

2.3.2 系統與實施

在設備層，重點關注新型傳感裝置以及焊接、噴涂機器人等智能裝備的部署，用于提升數據采集能力和現場作業效率。在邊緣層，重點關注用于能源監測、設備運維、視覺質檢等業務的軟件及應用部署，用于提升車間現場整體生產管控水平。在企業層，重點關注協同管理類平臺的部署應用，用于加強總體單位與各子系統單位的協同工作效率，加快復雜產品交付速度。在產業層，一方面重點關注用于產品遠程運維等后市場服務平臺的部署，另一方面關注供應鏈協同平臺部署，用于提升主要研發設計單位與各級供應商的協作效率，提升復雜供應體系管理效能。如圖5所示。

圖5 大型裝備制造業工業互聯網實施架構

大型裝備制造企業處于產業鏈龍頭地位，基本已具備了良好的信息化水平，研發設計、供應鏈管理等關鍵業務都部署了相應的軟件系統，部署工業互聯網可從產業鏈視角出發，加強行業平臺的建設，加強各類系統的打通，促進數據的流動與共享，加強協同研發、協同設計、協同管理、協同生產、協同運維，積極帶動大中小企業融通發展。而為龍頭企業提供配套的中小企業，則需要加強數字化基礎改造，積極接入龍頭企業平臺，帶動業務流程優化，融入工業互聯網。

3 結束語

本文基于《工業互聯網體系架構（版本2.0）》提出了工業互聯網與行業融合應用的方法論，并基于該方法論給出了流程型制造業、大眾消費品制造業、大型裝備制造業應用工業互聯網的一般參考建議。

近年來我國工業互聯網正經歷快速發展，眾多行業龍頭企業紛紛開展工業互聯網建設并取得顯著成效。與此同時，當前我國工業互聯網應用還存在諸多問題與挑戰，比如整體投入產出比不高、中小企業覆蓋普及率不夠、核心業務應用深度不足等，應當進一步發揮市場在資源配置中的決定性作用，更好的發揮政府作用，通過樹立標桿典型、完善公共服務、促進融合技術、完善產業生態等方式多措并舉，推動更多企業將工業互聯網的理念、技術、模式與自身業務實際緊密結合，加快實現數字化轉型和高質量發展。