工業互聯網生態系統模型研究與應用

趙敏，劉俊艷，朱鐸先

（1.英諾維盛（北京）新技術發展有限公司，北京 100083；2.青島科技大學經濟與管理學院，山東青島 266061；3.機智互聯（北京）科技有限公司，北京 100085）

一、前言

工業互聯網是賦能工業企業、推動工業高質量發展的重要引擎。2022年《政府工作報告》再次強調，加快發展工業互聯網。近年來，隨著我國制造業領域智能制造轉型升級步伐不斷加快，工業互聯網在各地得到快速發展，逐漸成為業內學者研究的熱點議題。

國內學者對工業互聯網的研究，從技術層面看集中于網絡、平臺、安全和數據等功能體系，涉及對平臺架構設計、標準體系、安全、評價指標等方面。相關研究內容包括：提出面向產業發展需求的工業互聯網標準體系框架，涵蓋基礎共性、網絡、數據、平臺、安全等方面[1]；從技術角度對工業互聯網平臺建設涉及的設備、數據、網絡等要素給出理論說明[2]；從技術角度提出工業互聯網的基本概念，分析工業互聯網體系架構及關鍵技術[3,4]；構建工業互聯網平臺評價指標，以期通過評價指標的建立指導工業互聯網平臺良性發展[5]；從加強核心技術的自主研發與應用的角度出發，提出企業是工業互聯網的主體，要進一步完善工業互聯網標準體系建設等[6]。在應用層面，相關研究主要集中在消費互聯網融通發展方面。相關研究內容涵蓋：在對國內平臺型企業如海爾COSMOPlat、浪潮云、阿里云進行分析對比的基礎上，總結得出工業互聯網平臺特征，并提出工業互聯網的工業端內容有待進一步深入研究[7,8]；從分析工業互聯網技術在農機供應鏈創新結構與運作模式、航空裝備復雜協同制造、流程工業智能化制造等方面的應用出發，凝練了適用于中小企業的工業互聯網體系建設與模型[9～11]；從工業互聯網視角提出制造業轉型升級的生態治理邏輯，并指出這不僅是企業供應鏈生態，更是從企業、政府兩個方面解讀轉型升級的生態構成[12]；提出工業互聯網平臺可促進資本配置結構優化、實現價值共創[13,14]。

整體來看，已有研究普遍闡釋了工業互聯網平臺的較好功能性，但以企業視角尤其是中小企業視角來解讀如何逐步實現該類功能的研究還需深入。特別是聚焦工業現場，以管理升級為導向，對同時適用于中小工業企業的工業互聯技術應用的基本原理、要素構成，如何嫁接工業互聯網技術以促進工業經濟、產業轉型升級的發展機理，都需要深入研究。本文聚焦工業互聯網的工業屬性，通過構建全新的工業互聯網模型，厘清工業互聯網促進第二產業升級的基本原理，總結其應用實施的方法論，并將研究成果外溢到第一、第三產業（如農業、醫療、物流、交通等）的融合過程。

二、工業互聯網模型再認知

（一）國內外現有工業互聯網參考模型及對比分析

鑒于國情、發展階段及目標不同，各國對工業互聯網模型的定義和實施，因工業基礎條件不同而各有差異。國際標準化組織將智能制造和工業互聯網劃歸為同類事物，通常將德國的工業4.0 參考架構模型（RAMI4.0），美國的智能制造生態系統（SMS）、工業互聯網參考架構（IIRA），日本的工業價值鏈參考價格（IVRA）等放在一起來對比研究。國內外常見的工業互聯網相關模型有13 種（見表1）。

表1 國內外工業互聯網相關參考模型概況

在現有的國內外工業互聯網模型中，德國、美國、日本的工業互聯網模型的構建思想和標準約束技術路徑等尤為值得學習與借鑒。表2列出了對5種典型工業互聯網參考模型的對比分析情況。

表2 典型工業互聯網參考模型對比

（1）德國的RAMI4.0 是以數字化工廠為核心，有著嚴謹的分層管理的結構，以強大工業生態基礎、工業3.0 左右的數字化水平、較多標準（約700 項）約束為實施起點，對尚未完成工業化、數字化水平參差不齊、質量意識普遍不強的我國企業來說，大多數企業尤其是絕大多數中小企業尚不具備應用該模型的條件。

（2）美國國家標準與技術研究院（NIST）推出的SMS模型，將產品生命周期、工廠生命周期、訂單生命周期作為3個維度，交匯點在“制造金字塔”上，強調基于標準來建立“智能制造生態系統”。該模式適用于標準較為完備的大型企業，要求具有較好的生命周期管理類工業軟件基礎。我國很多企業尤其是中小企業沒有相關標準或不遵循相關標準，且信息技術基礎薄弱，很難采用該模型。

（3）IIRA模型是由美國工業互聯網聯盟（IIC）提出的一種工業互聯網參考架構模型，曾經與RAMI 4.0 進行對標。IIRA 比較強調架構，適用于IIC 成員和工業物聯網社區架構師進行操作，實施基礎要求企業具備良好的標準和信息技術基礎，同樣也不適用于絕大多數國內企業。

（4）日本IVRA 模型是唯一一個將人作為一種特殊資源納入資產維度的模型，并且加入了管理學的計劃、實施、檢查、行動（PDCA）戴明環。這是由于日本企業長期形成了以人為本的雇傭文化、對人機關系的深入理解和企業無處不在的精益思想。我國企業普遍存在一定的管理短板和粗放式經營，致使無法直接套用該模型。

（5）我國提出的工業互聯網體系架構2.0，給出了工業互聯網的功能框架、技術體系及實施框架，從技術角度解構了工業互聯網體系架構。但該架構略顯復雜，對于大型企業來說，理解起來尚不容易，對于中小微企業來說，他們普遍缺乏架構概念，理解起來難度更大。

模型是企業實施工業互聯網的地圖，適合我國國情、企情的工業互聯網模型能讓企業明確方向，快速找到實施切入點和實施路徑。為此，學習和借鑒世界先進工業互聯網模型的優秀頂層設計思想，如德國、美國、日本，汲取其技術精華和共性要素（三維模型、強調生態等），剔除其不適用部分，是構建我國自主工業互聯網模型的出發點和立足點。

此外，除借鑒德國、美國、日本等既有工業互聯網模型的設計優點外，我們在構建適合我國的工業互聯網模型時，還需要辨識和澄清工業互聯網若干認知誤區。

（二）工業互聯網認知誤區辨析

1.工業互聯網并非僅是信息基礎設施

工業互聯網不僅是“產品-人-機-料-法-環-測”等工業端的技術聯接，也不僅是其運行機理的映射，還包含了這些工業端的管理關系、工藝關系、生產組織、上下游實體供應鏈等關系網絡的映射。工業現場數據一直與其所依附的工業端發生著密不可分的高頻互動，以復雜的數據種類映射著更為復雜的工業現場關系網絡。數據按照所映射的工業現場關系網絡進行傳遞、穿透和加載，按照給定工業機理模型和算法進行計算、分析和推理，最后做出解決工業現場實際問題的業務決策/預測。

從工業互聯網所具有的上述工業屬性來看，不能僅將工業互聯網看作是與大數據、人工智能（AI）、第五代移動通信（5G）等新一代信息與通信技術（ICT）同類的新型“信息基礎設施”，而應該同時將其看作是新型“工業基礎設施”。

2.工業互聯網并非僅是物聯網

進入21世紀以來，物聯網產業蓬勃興起，物理實體正在越來越大的范圍內實現互聯互通。工業互聯網是基于工業以太網/工控網、工業物聯網而建立的工業原生互聯網絡。“工業現場+工業端”既是產生問題的本體和土壤，也是解決問題的資源和抓手。工業物聯網聚焦工業領域，以工業現場的“產品-人-機-料-法-環-測”等工業端為基本資源和聯接、賦能對象，具有較強的工業屬性；而物聯網聯接范圍更廣，主要聯接的是不具備工業屬性的實物端，二者有較大區別。

3.工業互聯網并非僅是技術網絡

原生互聯網絡是自然界一種超越技術的客觀存在，如星球之間存在引力網、生物之間存在生態網、人際之間存在關系網、企業之間存在協作網等，這些網絡并非是由于技術網絡發展后才建立的，而恰恰是技術網絡不斷學習、模仿客觀存在的原生互聯網絡，并且與其不斷疊加、融合，才發展到了今天的技術高度。通過對近年來實施工業互聯網的行業數據進行分析后發現，當該行業的企業實體關系網絡較發達時，工業互聯網應用水平也較高（如經營網絡高度發達的電力和輕工行業，穩居全國榜首）。因此，研究工業互聯網模型不能只談技術網絡，僅憑技術視角，中小企業所具有的地域協作網、家族關系網、鄉土合作網等實體關系網絡，也應該是研究重點。而在國內外現有的工業互聯網模型中，未見到對企業實體關系網的研究內容。

4.工業互聯網并非僅是大企業的領地

目前，我國工業互聯網的發展路徑主要是：大企業自建平臺，中小企業上云。大企業擁有資金、人才、企業經營網絡等優勢，但是并非只有大企業才能建設工業互聯網，中小微企業也可以根據自身的需求建設適合自身的工業互聯網，且在細分領域借助他們獨特的企業實體協作關系網絡，讓工業互聯網落地。

綜上所述，當前，我國亟需探索出既體現國內外先進工業思維，同時又符合國情、企情的工業互聯網自主模型，形成一個引導工業互聯網開發、集成和運行的生態體系框架，兼顧大、中、小、微企業，使其按照各自需求建設工業互聯網。

三、工業互聯網生態系統模型構建及機理

（一）工業互聯網生態系統

工業互聯網生態系統是指與工業相關領域所有工業要素（工業實體、資源、數據、知識等）相互作用所形成的新工業網絡以及在其價值鏈上的諸多利益攸關方，基于數智化技術，按照共融、共生、共贏的原則所形成的動態有機整體。本文通過比較分析多個工業互聯網參考模型，提煉出“三維+生態”共性特點，首創提出了工業互聯網生態系統模型（IIEM）的概念，并以“數據+知識”作為價值驅動，創建了具有普適性的工業互聯網模型，即IIEM（見圖1）。通過辨識工業互聯網疊加企業實體關系網的良好效果，以“實體+資源”為聯接要素，消除企業普遍存在數據與信息“孤島”。

圖1 IIEM結構圖

（二）工業互聯網生態系統模型的構成要素

1.工業實體

工業實體由企業實體、產品實體構成，是工業互聯網生態系統的第一類核心要素。工業實體以獨立的企業實體存在于市場經濟運行的企業實體網絡體系中，以按期交付優質的產品實體來體現企業價值。無形且剛性的產品制造需求以訂單形式驅動并串聯了上下游企業實體，形成實體流，以實體維予以描述。

2.資源

資源是工業互聯網生態系統不可缺失的第二類核心要素，“產品-人-機-料-法-環-測”構成了企業的資源網絡體系。產品的優質高效完成過程是資源匯聚、工藝實現、產品價值持續提升乃至企業價值提升的過程。其間，訂單驅動資源不斷動態流動，不斷改變資源的屬性，形成了資源流，以資源維予以描述。

3.數據

數據是工業互聯網生態構成的第三類核心要素。產品作為價值載體，其增值過程以數據形式與企業實體網絡、資源網絡進行交互，映射了工業實體，融合了資源加載下的產品價值流，在不同生命周期階段和不同層級精確映射、流轉、應用，構成了數據網絡體系，形成數智流，以數智維予以描述。

4.知識

知識是構成工業互聯網生態的第四類核心要素。用知識構建機理模型和數據模型，支持人和機器決策，解決特定問題，是人與客觀世界相互作用的基本邏輯和方法。知識是數據、信息經過重構和升維的產物，數字化知識與數據流同流共生。數據流穿透企業實體壁壘，知識指導人和機器正確做事。承載數字化知識的數據流即數智流。

（三）工業互聯網生態系統模型結構

IIEM 是“三維四流六層”結構，強調以工業實體為中心來規劃、建立和運行工業互聯網生態系統，如圖1所示。

三維，即實體維、資源維和數智維，從3 個維度解析工業互聯網的實體網絡體系、資源網絡體系及數據網絡體系所疊加形成的生態系統。其中，實體維是一種由企業實體與產品實體共同組成的綜合維度，反映了企業內部生產運行和企業外部業務合作實際情況以及產品在不同階段、不同企業的屬性變化情況，如上游企業的終端產品是下游企業的原材料或零部件。實體維的建立超越了僅考慮企業內部互聯互通的常規做法，直接引導企業著眼于企業實體之間的互聯互通。

四流，即實體流、資源流、數智流和動態價值流。在“三維”上都有表達本維度業務特征的流，三流合一構成了動態價值流。“四流”的流動體現多維度下的價值流動機理。資源流的構成是工業現場最常見的“產品-人-機-料-法-環-測”等要素，適合我國企業情境，是工業互聯網常見聯接要素。按照制造業的基本邏輯，如圖1中實體維和資源維箭頭方向所示，實體流和資源流朝著最終產品來流動、匯聚和增值。

六層，即物理層、比特層、數據層、信息層、知識層和決策層。“六層”剖析了數智流在不同層級的價值形態，以比特對物理層不斷進行數字化解構，以重構升維、解構降維的方式，揭示企業數字轉型的本質與路徑。

（四）工業互聯網生態系統模型的運行機理

1.市場需求串聯下的實體流運行機理

工業互聯網并非僅在企業自身范圍內建設和應用，企業實體之間的協作關系尤為重要，這是構成生態系統的關鍵。無形且剛性的需求以訂單形式串聯了供應鏈，凸顯一個企業實體與外部實體之間的密切合作關系，構成了實體之間的數字經濟關系。

實體一詞有兩層意思，一是指企業實體，二是供應鏈上的產品實體。從企業實體角度來看，以供應商、制造商、銷售商、用戶/維修商為不同代表，在數智化技術的支持下，企業實體之間形成了豐富多元的合作生態，構成融合共生的“供應鏈網”體系。從產品實體角度來看，以原材料、產成品、商品、在用品為產品實體的不同形態，表達了產品在產品生命周期、工廠生命周期和訂單生命周期中的不同環節的階段性成果；產品實體從原材料開始，按照工藝要求加工成產成品，經由銷售網絡把商品交付到最終用戶，成為在用品，進入日常使用和維護階段。無論是企業實體的不同代表，還是產品實體的不同形態，這四類企業代表、四種產品形態，貫穿了產品生命周期、工廠生命周期和訂單生命周期，是所有企業實體必備的基本生產過程和產品實體的流轉增值過程。

在實體維上，企業實體未來核心競爭能力包括各企業實體之間供需關系的準確銜接、產品實體形態增值變化與順暢流動以及企業實體對“供應鏈網”控制能力。以往的工業互聯網研究更多地把研究重點放在了對“機-料-法-環-測”聯接上，欠缺對人的聯接考慮，包括如何聯接人的操作技能、人的管理狀態以及由人形成的企業協作關系。

2.產品價值加載過程的資源流運行機理

資源維描述了企業研發、生產、運營和管理所需的“產品-人-機-料-法-環-測”資源的屬性變化與流動狀態。產品實體，不管其處于原材料、在研品、在制品、產成品、商品還是在用品階段，都需要由其所有者（供應商、制造商、銷售商、用戶/維修商）來配置各種資源，支持該產品的研發、生產、銷售、使用與維護。

技術含量和管理水平越來越高的“產品-人-機-料-法-環-測”，構成了支持企業生產、確保產品質量、配置各種資源的強大的資源流，而且這些術語高度適配中國企業工作語境。

“人”作為特殊資源，可從“人體、人腦、人智、群智”4 個層面進行理解和貫通，將其融入工業互聯網生態系統網絡。“人體”作為生產力，成為完成產品工藝過程的人力資源載體，與機器進行協作；“人腦”與人體精密配合，判斷、優化體力勞動與人機協同勞動成果；“人智”則是將人的智力思考過程，以數字化知識形式融入IIEM 的知識層，通過知識復用支持數字化決策；“群智”是將多人組成的實現產品增值的生產組織形式以及管理制度和標準規范，精確映射到工業互聯網生態系統網絡中，既發揮數字化系統的調控力，又充分釋放人的創造力。

3.BDIKW模型支撐數智流運行機理

數據-信息-知識-智慧（DIKW）模型分為數據（D）、信息（I）、知識（K）、智慧（W）4 個層次。本文在DIKW 模型的基礎上，提出了數字化BDIKW 模型。以ASCII 碼為依據，以比特層（B）作為“數字化底座”來解構和重構傳統的DIKW模型，形成了“萬物源自比特”“數字化一切可以數字化事物”的數字化方法論。BDIKW 模型由比特（B）層、數字化數據（D）層、數字化信息（I）層、數字化知識（K）層、數字化決策（W）層構成。其中，數字化決策層是由類人的機器智能做出決策/預測，或者人機共同做決策/預測。物理層由實體維和資源維組成，表示工業實體。工業實體映射到BDIKW 模型中，BDIKW 模型中的大數據、AI、5G、工業軟件等ICT要素為工業實體賦能（見圖2）。

圖2 數智維上的BDIKW模型

比特是數字化編碼符號，而符號的結構本質上是語義結構局部映射[15]。如機械傳動過程、數控機床、自動化生產線，從感知到處理、反饋、控制都是語義的。“符號+語義”構成了人類交流媒介，遵循BDIKW 模式運行，引導人造系統走向智能。從符號到語義，從知識到智能，BDIKW 模型中的諸要素遵循“比特?數據?信息?知識?決策”數字化認知過程，不斷自底向上重構/升維，實現價值升級，或者自頂向下解構/降維，實現廣義檢索。BDIKW 模型解析并闡明了數字化轉型的基本工作原理。大數據、AI、5G、工業軟件、數字孿生等ICT要素同樣也遵循BDIKW模型的運行。

4.三流合一的動態價值流運行機理

企業實體之間業務往來、需求傳遞、訂單驅動、供應鏈互動，形成了實體流，并沿實體維流動；承載市場需求的產品，以訂單積聚，驅動“產品-人-機-料-法-環-測”資源流，沿資源維流動；穿透企業實體壁壘的數字化數據/信息/知識匯聚成為數智流，沿數智維流動，不斷數字化、解構和優化重構物理層；三流合一匯聚成動態價值流，映射了實體關系網絡、資源網絡和數據網絡的運行邏輯（見圖3）。

圖3 IIEM中的動態價值流流動機理

訂單是企業實體運行管理和開展業務活動的關鍵驅動力。在上下游企業實體需求達成的過程中，依附于供應鏈載體的無形且剛性的產品制造需求，在云計算、5G、大數據所形成的數智流的承載下，以訂單形式強力驅動制造資源的流動，實現產品實體的達成、價值的增值及變現。

在IIEM 模型中，上下穿梭、跨層、跨域流動的數智流本質是“價值”在不同層級、不同維度的流動、交互與賦能。動態價值流是工業互聯網需要管控、配置和優化的關鍵對象。對動態價值流的掌控，是工業企業實體融入數字經濟的重要能力。

動態價值流以數據形式穿透了企業邊界，交匯了不同生命周期，拓寬了價值覆蓋范圍，加快了決策迭代頻度，以個性化、短交期、高價值的產品交付，提升企業實體在全業務鏈、全價值鏈、全產業鏈上的核心競爭力。

IIEM 給企業帶來的最大好處是未來可以將其融入在工業互聯網平臺中，在用戶無感的情況下應用該模型。筆者在自己開發的“產品化工業互聯網”平臺中已經初步驗證了這一點[16]。

四、工業互聯網生態系統模型的應用

本文以青島迦南美地家居用品有限公司（簡稱“迦南美地”）為例，具體闡述IIEM的實施路徑與基本步驟。

（一）生態定位，選擇合作伙伴

迦南美地是一家中小型傳統家紡企業，企業利潤薄弱且勞動密集。消費者的個性化定制需求通過企業間合作網絡傳導給迦南美地，這讓其訂單結構發生了質的變化，多品種、小批量訂單越來越多，倒逼迦南美地將單打獨斗的生產模式轉變為圍繞其訂單交付的整體供應鏈上的協同與快速響應。

在實體維，迦南美地通過盤點其供應鏈上下游企業如紗線廠、染廠、產品維修服務商乃至客戶的戰略合作意向，選擇可以互信互利、共享數據的緊密合作伙伴；根據訂單流動與增值路徑，制定在實體維上可以準確對接的產品研制、生產與服務規劃，將韌性供應鏈網構建在工業互聯網上，并根據合作伙伴關系開發客商管理生態網絡模塊，成為其“產品化工業互聯網”中的一個基本構成，實現了工業互聯網與企業既有實體關系的疊加融合。

（二）盤點資源，增長補短統籌

按照資源維引導，分析既有企業資源的長處與短板，盡可能將企業的“產品-人-機-料-法-環-測”等資源接入工業互聯網，明晰現有資源的時空位置、可用程度和安全性，判斷哪些資源能夠映射到數字空間，從而制定分階段、分目標的企業數字化內容，更好地統籌、優化和配置資源。經過分析，迦南美地認為，首先應該按照主要產品-工藝分類，實現絎機設備數字化、工人操作數字化，即“產品、人、機、法”的工藝數字化。

（三）載體轉化，業務數據貫通

以往迦南美地記錄數據/知識的載體通常為“人腦記憶+紙質載體”的傳統載體形式，數據/知識的傳播性和復用性均受到時空限制，在生產過程中經常出現數據差錯。為此，迦南美地在數智維的啟發與引導下，大力提倡將傳統載體數據轉換成電腦數據，讓數據在軟件賦能下，貫通企業各個業務環節，沿著“比特?數據?信息?知識?決策”的數智維，不斷解構、重構原有業務模式，夯實適于工業互聯網發展的數字化基礎。此外，迦南美地還著重培養員工用數據說話的職業素養，既強調用好生產現場的數據，也重視用好人員管理的數據，基于工業互聯網開展業務，從根本上消除數據傳遞障礙。

（四）知識驅動，人智機智齊升

充分利用工業互聯網上自動流動的數據和智能流動的知識，形成基于數據和知識的決策/預測，讓企業從管理層到員工一起用數據說話，改變傳統企業管理方式。智能流動的知識不僅能夠提升機器智能（機智），同時反哺企業員工，提升員工智能（人智）。具備新型人智的員工數量和質量，將成為企業未來的競爭優勢。

（五）管理升級，商業模式變革

迦南美地以數據和知識為生產要素，帶動了企業管理升級，形成了管理標準、工藝標準、人才標準，并由新建的“群智”團隊向其供應商乃至客戶輸出此標準。至此，迦南美地由制造型企業向生產型服務業轉變，帶動其供應鏈生態伙伴共同提升，促進商業模式變革，在IIEM下，正在著手實現：變“硬裝備”為“軟裝備”，變產品為服務，變對手為合作伙伴，找到新贏利點，形成新業態。經過幾輪迭代，迦南美地工業互聯網生態系統建設基本完成，帶動了其他合作伙伴的共同成長，近3年銷售額穩步提升，驗證了IIEM對中小微企業實施工業互聯網的指導性。

上述過程是一個基本實施步驟，其他企業可酌情選用或加入自己的步驟，建議在第四或第五步驟結束時，可以返回第一步驟，選擇更廣泛的生態合作伙伴，以共同富裕、包容性發展為原則，在本企業既有建設成果基礎上，幫助、帶動更多的合作伙伴一起建設工業互聯網“族群”，向著工業互聯網生態系統扎實邁進。

五、結語

工業互聯網生態系統的內在機理是實體企業共建生態、需求訂單驅動資源、資源匯聚數智決策、數據賦能價值流動和產品企業共升價值。工業互聯網與企業既有的實體關系網疊加，將會有效提高應用成功率。中、小、微企業可以在IIEM指導下，充分利用企業自身所具備的地域協作網、家族關系網、鄉土合作網在決策快、鏈路短、易部署等方面優勢，基于“產品化工業互聯網”解決方案，打造自己的工業互聯網生態系統。IIEM具有一定的普適性，滿足企業根據企情選擇個性化工業互聯網實施路徑的需求。未來可將IIEM直接融入工業互聯網平臺，實現大、中、小、微企業都可以“用模型于無形之中”的理想目的，讓我國的工業互聯網建設，真正形成生態系統，惠及億萬企業。今后，期待IIEM模型在更多的企業、行業進行推廣驗證，為我國工業互聯網的建設提供借鑒。