工业内涵、工互网与产业集群

工业互联网，源于工业，兴于工业，用于工业，利于工业，始终围绕着工业主体发展壮大。工业是工业互联网的最强标签和最大主体。

工业内涵不断丰富发展

按照国家统计局在2017年发布的《国民经济行业分类》（GB/T 4754—2017），工业有B、C、D三个门类，含41个大类，207个中类，666个小类；信息业有一个I门类，含3个大类，16个中类，34个小类。工业41个大类和信息业3个大类如表1-2所示。

上述工业、信息业4个门类及其所包含的大类、中类、小类，奠定了中国工业互联网的应用领域与技术基础，以及在此基础上向其他门类融通发展的巨大潜力。新工业革命的多种活动形式，如工业互联网、智能制造、工业4.0、工业价值链、工业企业数字化转型等，本质上是工业、信息业4个门类中所有技术与管理要素的融合与创新。

近年来，工业分类与命名改变并不大，但是由于ICT的不断融入，工业的内涵、装备、过程、产品构成等，都发生了巨大变化，今天的工业品已经不是过去的工业品，原本“聋哑瞎傻”的人造系统越来越趋于智能，所引发的新工业革命促进了数字经济的强劲发展。

国家统计局在《数字经济及其核心产业统计分类（2021）》中，给出了数字经济五个分类，第01～04类是数字产业化部分，第05类为产业数字化部分，指应用数字技术和数据资源为传统产业带来的产出增加和效率提升，包括但不限于工业互联网、两化融合、智能制造、车联网、平台经济等融合型新产业、新模式、新业态。

上述分类和术语是国家标准，本书将在多个章节中引用。

工业互联网是CPS网络

作者在2020年所写《工业互联网：高歌猛进为哪般？》中对工业互联网做了定性：“工业互联网不是工业的互联网，也不是互联网的工业，更不是社交/消费互联网在工业的应用，而是工业要素按照工业逻辑、工业网络结构互联的网。”作者在本书中进而强调，工业互联网是CPS的一种表现形式。

美国国家自然科学基金会海伦·吉尔教授在2006年2月发布的《美国竞争力计划》中，从科学视角定义了CPS：“赛博物理系统是指由计算内核集成、监控和/或控制其运行的物理、生物和工程系统，系统中各个级别的组件（甚至材料）都可联网并进行嵌入式计算。计算内核本身是一个分布式的嵌入式系统，并需要实时响应。”

德国从工程应用视角，定义了“工业4.0组件参考架构模型（RAMI 4.0）”，以智能制造、工业互联网中的一个智巧工厂（Smart Factory）为单元，以“层”“流”“级”三个维度，描述了一个由六层活动层次组成的德国版CPS，如图1-4所示。

在中国电子标准技术研究院发布的《信息物理系统白皮书（2017）》中，也给出了工信版CPS定义：“其本质就是构建一套赛博（Cyber）空间与物理（Physical）空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系”。该白皮书将CPS分为单元级、系统级、SoS（系统之系统）级三个层级，定义了“智能单机→智能系统→智能机群”的智能化演变过程。如图1-5所示。

单元级CPS指设备中具有通信能力且可联网的装置、系统中的子系统等，对应RAMI4.0中“产品、现场装置”级CPS；系统级CPS通常指可联网的一套设备或机器，具有多个单元级“终端”，可以形成设备物联网，对应RAMI4.0中“控制设备、站点”级CPS；SoS级CPS基本上已经具备了一个工业物联网的技术特征，既可有多个系统级“终端”，也可有多个单元级“终端”，对应RAMI4.0中“工作中心、企业、互联世界”级CPS，CPS智能服务平台就是工业互联网平台。

根据德国版、工信版CPS所表达的内涵，结合作者在《三体智》中对CPS结构的独到见解以及表达智能系统特征的“20字箴言”——“状态感知，实时分析，自主决策，精准执行，学习提升”，本书给出作者版CPS的场景与模型图，如图1-6所示。

在图1-6中，垂直虚线将图分为左右两侧，左侧是应用场景和构成CPS的具体要素，右侧是CPS模型。水平虚线将图分为上方“赛博域”和下方“物理域”两部分。两域的融合就是各种形式的CPS。

在应用场景中，左上方“赛博域”汇集了工业软件、数据、通信网络等各种ICT系统，即吉尔教授提到的“计算内核”中的内容；左下方“物理域”是工业现场的“产品-人-机-料-法-环-测”等企业资源所形成的各种工业“端”以及企业实体等物理和生物系统，即吉尔教授定义的“物理、生物和工程系统”。两类系统融合为CPS。

相对于RAMI4.0而言，作者版CPS模型提高了对模型的抽象程度。物理域的所有工业实体和企业资源抽象为物理层；所有的ICT系统抽象为由比特层（B）、数据层（D）、信息层（I）、知识层（K）、决策层（W）构成的BDIKW数字化模型，起到对物理层的解构、重构、赋能和创新作用。所有ICT要素（工业软件、模型、算法、推理规则、大数据、AI、5G等）都运行在BDIKW模型中。关于BDIKW模型的形成和作用机制，详见第二章论述。

在物理域和赛博域之间，一直在反复进行着“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升”的智能闭环与迭代。

无论是德国版CPS还是工信版CPS，都没有明确指出人是否包含在CPS系统中。作者版CPS的企业资源是明确包含人的。作者认为人是企业特殊资源，属于工业互联网必须联接的要素。详见第八章、第九章论述。

作者版CPS形成了对工业互联网构建方法和运行原理的一般性表达和通用实施准则。

工业互联网的两个源头

第一源头：工业网络

工业网络主要是指在工业现场根据业务需要和在长期的设备联网实践中形成的现场总线、工业以太网以及工控领域的分布式控制系统或集散控制系统（DCS），是在工业生产环境中的一种以生产设备为终端的双向、多站、分布式数字通信网络。

20世纪60年代有些企业开始用电子计算机进行监控和数据采集，出现了早期的SCADA（数据采集与监控系统）。1969年莫迪康PLC（可编程逻辑控制器）面世，以梯形图编写程序控制机器动作，实现软件与硬件解耦，成为机器数字化发端，德国人将其视作第三次工业革命起点。

随着生产规模的扩大，操作人员需要综合掌握设备多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、电动系列的单元组合式仪表，从PLC单元控制，发展到CCR（集控中心），再发展到分布式控制，再发展到DDC（直接数字控制）和DCS（集散控制系统）。

1984年，美国Intel公司提出了计算机分布式控制系统——位总线（Bitbus），成为现场总线的最初概念。20世纪80年代中期，美国Rosemount公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议，形成了现场总线的雏形。

1985年，Honeywell和Bailey等150多家公司制定了FIP协议，组成WorldFIP集团；1987年Rosemount、Siemens、横河等80家公司制定了Prof ibus协议，组成ISP集团，形成了两大集团的竞争局面；随后美国仪器仪表学会制定了现场总线标准：IEC/ISA SP50。上述有实力的企业都试图在IEC占据总线技术主导地位，这场“总线之争”的结果是产生了18个总线标准。

1994年，两大集团合并为现场总线基金会（Fieldbus Foundation），共同制定、遵循IEC/ISA SP50协议标准。

当年工业网络中较为低端的设备只能传递1比特（Bit）增量数据，指示简单的“开”“关”状态。但是高端设备里传感器越来越多，在参数计量上开始需要传送较大字节（Byte）量的复杂数据。在逐渐融合了因特网TCP/IP技术后，诸如Interbus-S、DeviceNet、LonWorks、Profibus-DP、Foundation Fieldbus、Profibus-PA等工控网络，极大地推动了工控技术发展，解决了工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备之间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的高速、大量数据传输问题。

第二源头：工业物联网

1998年美国麻省理工学院在电子产品代码（EPC）研究基础上提出“物联网”构想。次年，该学院Auto-ID实验室提出建立在物品编码、RFID技术和互联网基础上的“物联网”概念。此后物联网快速渗入工业领域，形成工业物联网。

工业物联网是在工业外部诞生的、随后又快速渗透到工业领域的联接机器设备的工业联网解决方案。近十年，工业物联网联接范围已经远远超越并涵盖了工业领域内生的现场总线、工业以太网等工业网络的联接范围。

中国电子技术标准化研究院发布的《工业物联网白皮书（2017版）》认为：“工业物联网是通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作，实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，以达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态系统。”

业界不少企业、组织和专家认为工业物联网非常接近工业互联网，甚至认为工业物联网就是工业互联网。根据现有企业披露资料，GE（通用电气公司）、西门子、博世等欧美企业，在其网站上都将自己定义为“工业物联网”提供商，甚至宣称自己是物联网解决方案提供商。

综上所述，工业网络和工业物联网是工业互联网的两个源头。工业网络通过设备内置PLC/DCS上的数字装置来联接机器，工业物联网则通过传感器、RFID等外加装置来联接没有数字装置的设备和物件。工业网络和工业物联网构成了工业互联网的两大网络主体，联接了绝大部分工业“端”。

生态伙伴：因特网/电信互联网

由于因特网/电信互联网在网络架构上与工业网络不同，因此因特网/电信互联网不能直接联接工业“端”，无法用于车间或工业现场。当工业“端”以在用品形式在外场工作时，因特网/电信互联网可以作为“管道”高速传输数据，成为工业互联网的生态伙伴。

由工业内生，聚各方力量，多网络叠加，这些特点让工业互联网不断发展完善，持续走强，成为推动工业发展的新引擎，展现了强大的先进生产力。

产业集群茁壮工业生态

工业是一种极其复杂、包含了多种网络形式的生态体系。除了大型企业之外，中小微企业、家族式作坊、地域性专业群体，如同草丛、灌木和乔木一样，通过吸收环境中的阳光、水分和养分，持续进行“光合作用”，顽强生长，从一棵小草开始，逐渐成长为灌木，再进一步成长为乔木，甚至不乏少量乔木有机会成长为参天大树（大型企业）。无论是草丛、灌木和乔木，还是参天大树，它们扎根同一热土，根叶交错，自成网络，关系竞合，同生共存，形成了高低错落、大小有别的草丛、山林与城市绿植，构建了中国工业独具特色的“草灌乔林”的网络化工业生态。

中国产业集群非常多，大小形态特征各异。国家发展和改革委员会公布了首批66个战略性新兴产业集群，科学技术部曾公布108个顶尖产业集群，浙江省主要地区有120个产业集群，湖北省有108个产业集群，等等；更加接地气的乡镇产业集群已经超过了五千个。佛山市发展了大约40个产业集群，仅在禅城区张槎（chá）镇这个二十多平方公里的范围内就集聚了4000家针织企业，形成了一个庞大的区块型针织产业集群。保定市白沟箱包产业集群辐射周边10个县（市）、55个乡镇，目前有箱包生产企业4000多家，加工户7000多家，电商数量18000多家，从业人员超过150万人。

产业集群与中小微企业之间具有天然的联接关系，与当地产业链具有无隙的兼容关系，与各种形式的工业园区具有互嵌关系，构建了某一地域具有“命运共同体”性质的企业合作网络，呈现出区域经济中的一种集群先行效应，扩展了传统工业实体之间的上下游关系，形成了新型生态价值网络。联讯动力咨询公司总经理林雪萍在《丛林法则：重塑产业集群》文章中评价道：“产业集群，远远超越了这种上下游关系。实际上，产业集群是一种高级生产关系。中国许多产品独具竞争力，就是因为这种先进生产关系。无论规模大小，它都要对生产资源进行重新配置，形成了一种极致价值网。”

工业互联网是先进生产力，产业集群是“企业合作网络+高级生产关系”，二者之间，彼此天然衔接。“先进生产力+企业合作网络+高级生产关系”，让企业作为配置资源的主体，能够充分放大和极度延伸企业作用的效益和范围，成为优化配置物质资产、数字资产的平台型工具。当主体和工具相遇，当生产力与生产关系交织，这些产业集群中的中小微企业，就能将工业互联网与它们所代表的极致价值网、地域协作网、家族关系网、乡土合作网等进行叠加融合，从“多网融合”中获得进一步发展的新动能，从而找到产业集群发展新出路。

工业转型升级突破口在于打造工业互联网生态系统。在这个工业互联网生态系统中，央企、国企、民企的“参天大树”的数量大约在数千级别，“草灌乔”型中小微企业数量约为4800万，构成了中国工业最大红利。数千级别参天大树型企业的转型升级，不能完全代表中国工业转型升级，而上亿级别“草灌乔”型企业真正转型升级，才算完成了中国工业转型升级。独具特色的“草灌乔林”工业生态，决定了我们必须站在生态系统视角上来思考工业互联网的发展与建设路径。