美国“工业互联网”的发展及对我国的启示
2021-12-08 来源： 中国科学技术发展战略研究院
摘要
通用电气公司（GE）最早提出“工业互联网”的概念，试图借助美国在信息技术方面的优势，通过与制造业的深度融合，在技术标准、产业标准方面占据主动，从而在全球竞争中占据主导地位。美国政府虽未将工业互联网发展上升为国家战略，但也助力推动整个制造服务体系智能化，使工业经济各种资源要素能够高效共享。借鉴美国工业互联网发展的历程与特点，结合当前全球竞争态势，本研究对我国有如下建议：着力打造工业互联网国家级创新体系；加快构建工业互联网的网络体系；强化工业互联网的安全保障能力；统筹建设工业互联网公共服务平台；大力培养工业互联网专业及复合型人才。
1 美国“工业互联网”的提出背景
“工业互联网”的概念最早由美国通用电气公司（以下简称“GE”）提出。2012年11月26日，GE发布由Peter C. Evans与Marco Annunziata撰写的白皮书《工业互联网：打破智慧与机器的边界》，标志着“工业互联网”概念的正式提出。在白皮书中，工业互联网被称为Industrial Internet。GE之所以提出“工业互联网”，首先基于企业自身利益，其提出“工业互联网”时的背景如下。
1.1 GE企业层面
一是GE在2008年金融危机中的惨重损失为“工业互联网”的提出提供了需求。2008年金融危机爆发时，GE遭受巨大损失，陷入濒临破产的境地，GE宣布要回归原点，提出增加制造部门比重的战略。此外，GE还计划从依靠产品销售与售后维护赚取利润的“合同模式”,转变为通过工业互联网对数据进行分析来帮助客户企业提高效率的“按需销售”模式。
二是GE由设备制造商向智能服务商的转型为“工业互联网”的提出创造了条件。在提出“工业互联网”之前，GE已经实现了 IT技术与设备的深度融合；逐渐由设备制造商向智能服务商转型；企业的业务模式也由单一的设备销售向智能设备、智能分析、智能决策三位一体的智能化系统供应商转型。
1.2 宏观层面
虽然“工业互联网”的概念由一家企业（GE）提出，其日后的发展也限于产业界，从未获得美国官方认可，更谈不上美国的国家战略，但顺应了美国政府发展制造业的意图；同时也顺应了时代要求。
一是美国政府重视发展制造业，为GE提出“工业互联网”提供了良机。2008年金融危机之后，美国政府意识到实体经济在国家经济中的重要性，出台《重振美国制造业框架》，以期实现“再工业化”国家战略；2011年6月，正式启动“先进制造伙伴计划”，旨在加快抢占21世纪先进制造业制高点；2012年2月进一步推出“先进制造业国家战略计划”，通过积极政策，鼓励制造企业回归美国本土。
二是智能化、数字化浪潮为美国工业互联网的发展指明了方向。具体表现为：充分利用智能化与数字化的价值，用“软服务”颠覆传统行业的生产与维护方式；利用数据进行智能化管理；通过先进的传感器、控制器和软件应用程序将现实世界中的机器、设施、生产线和虚拟网络连接起来。
三是美国强大的互联网技术为“工业互联网”奠定了技术基础。美国政府搭建了“国家制造业创新网络”，其中的物理信息系统、大数据分析、信息安全等关键技术，为工业互联网发展提供了强大技术支持，美国工业互联网的发展也藉由此而领先于全球。
2 美国“工业互联网”的战略意图与设想
2.1 美国“工业互联网”的战略意图
GE提出“工业互联网”的战略意图分为根本意图与对此意图的技术性描述两个层面。GE之所以提出“工业互联网”，是基于其自身利益，这是根本意图，就是要借助美国在信息技术方面的优势，通过与制造业的深度融合，在技术标准、产业标准方面占据主动，从而在全球竞争中占据主导地位。
与此同时，GE也对其战略意图进行了技术性描述，其董事长兼CEO杰夫·伊梅尔特表示：“互联网改变了我们利用信息和沟通的方式，如今，互联网还能做更多事情。通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，我们可以突破物理和材料科学的限制，改变世界的运行方式。”
2.2 美国“工业互联网”的设想
“工业互联网”这个概念究竟是什么？一言以蔽之，其实质就是通过互联网平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。“工业互联网”是开放、全球化的网络，将人、数据和机器连接起来，属于泛互联网的目录分类。“工业互联网”依靠机器以及设备间的互联互通和分析软件，改变以前以单体智能设备为主的模式，是全球工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网的高度融合。
对“工业互联网”功能的设想，从定性的角度，即通过高性能设备、低成本传感器、互联网、大数据收集及分析技术等的组合，大幅提高现有产业的效率并创造新产业。帮助制造业拉长产业链，形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提高效率，推动整个制造服务体系智能化。推动制造业融通发展，实现制造业和服务业的跨越发展，使工业经济各种资源要素能够高效共享。
GE白皮书《工业互联网：打破智慧与机器的边界》的其中一位作者Marco Annunziata从定量角度，对“工业互联网”的作用进行了设想，为了让其新思路更有冲击力，Annunziata将其命名为“1%的力量”：如果工业互联网能够使生产率每年提高1%-1.5%，那么未来20年，它将使美国人的平均收入比当前提高25%-40%；如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半，那么工业互联网在此期间会为全球GDP增加10-15万亿美元。
3 美国“工业互联网”发展的历程与特点
3.1 美国“工业互联网”发展的历程
2013年，GE宣布将在未来3年投入15亿美元开发工业互联网。
2014年3月，GE跨界联合了IBM、思科、英特尔和AT&T等IT公司，成立了工业互联网联盟（简称IIC）。工业互联网联盟采用开放成员制，致力于使各个厂商设备之间可以实现数据共享。这不仅涉及Internet网络协议，还包括诸如IT系统中数据的存储容量、互连和非互连设备的各种参数指标。其目的在于通过制定通用标准打破技术壁垒，利用互联网激活传统工业过程，更好地促进物理世界和数字世界的融合。“旨在加快互联机器与设备的开发、采集和广泛使用，促进智能分析，并为工作者提供帮助。”现在，工业互联网联盟成员已经达到200多家，分布在全球近40个国家和地区。
2014年10月，GE宣布其工业互联网Predix平台向全球所有公司开放，将互联网领域的平台与应用开发者之间的合作模式引入了工业，便于用户大规模快速开发自定义行业应用。这种与智能手机领域的苹果高度类似的产业生态系统，将加快工业互联网在制造业各细分行业生根落地。截至目前，Predix平台覆盖风电、航空等领域，集聚了2万名开发者，已开发160种APP。
GE也与中国企业展开合作。GE与中国电信集团合作，将其工业互联网Predix平台与中国电信的综合信息服务对接，美国工业互联网从此进入中国的云储存、远程医疗应用、智能制造、云计算等领域。目前，中国电信、海尔、华为、中国信息通信研究院、中国科学院沈阳自动化研究所等中国企业和机构已经加入IIC，将和全球工业互联网产业界同步分享最前沿的技术和资源。GE已在中国开展12个工业互联网试点项目，正在推动40多个大数据分析应用落地。
3.2 美国“工业互联网”发展的特点
纵观美国“工业互联网”的发展历程，我们认为其具有如下特点：
一是坚持市场化原则，由跨国巨头主导。美国“工业互联网”的发展由企业主导，官方并未将其列为国家战略。通过市场这只“无形的手”解决问题的传统是一个重要原因；另一个可能的原因是对垄断的担忧，工业互联网是一个平台，而在美国，平台跟反垄断是关联在一起的。通用电气积极打造“国际品牌+高端产品+先进平台”立体新优势；工业互联网联盟（IIC）在全球扩张，不断吸纳新成员，主导工业互联网发展的进程与节奏。
二是与本国智能化、数字化战略协调促进。美国政府虽然没有设立专门的工业互联网推进机构，但许多有政府背景或者联邦财政资助的机构在推动工业互联网发展。此外，在推进工业智能化、数字化转型方面，美国联邦政府资助建立“数字化制造与创新设计研究中心”，启动“数字制造公共平台”作为数字化制造的开源软件平台，鼓励中小创新机构、创业者和创客等开发面向不同制造业领域的软件解决方案。美国政府为实现“先进制造业国家战略计划”，支持本国企业掌握工业互联网发展的主导权与领先权。
三是“标准制定”利益冲突加剧，成为发展的阻碍。工业互联网联盟（IIC）积极推动工业互联网在世界范围内的发展，但一直审慎对待“标准制定”，曾明确表示不推进标准制定。原因在于联盟内的企业多样化、利益复杂，如果IIC推进标准和标识解析，会引起各大企业之间的纷争，影响联盟的团结，降低联盟的运行效率。
四是安全监测与态势感知能力成为工业互联网发展的关键核心技术。网络与安全的问题并未得到有效解决，尤其是企业上云之后，云安全、边缘安全、内部协议安全等问题都会凸显，而统一的安全体系尚未建立。在智能制造过程中，对协议的实时性、容错率等各方面都有很高的要求。因此工业互联网安全监测与态势感知能力成为关键技术，可从全局视角对安全威胁进行发现识别、理解分析与响应处置。
五是数据管理成为工业互联网发展的关键内容。相比以往工业数据，工业互联网的数据量呈几何级数增长，其存储与高效查询问题成为巨大挑战。数据质量也成为工业互联网发展的瓶颈，由于传感器本身的采集精度与环境的渐次干扰问题，会产生数据丢包等现象，机器产生的数据质量低下。此外，数据集成也面临困难，传统工业数据在性质上是相似的，但工业互联网背景下的数据集成，离散制造业要考虑动态变化，流程制造业要考虑不同工序中的时序变化，数据呈现很大程度的异质性，传统数据管理已经无法解决这些问题。
4 对我国发展“工业互联网”的建议
目前全球“工业互联网”发展的竞争态势如下。发达国家围绕核心标准、技术、平台等加速布局，美、德两国处于领跑地位，日本、韩国、法国、印度、巴西等国纷纷加快追赶步伐。美国将工业互联网作为先进制造的重要基础，工业互联网联盟（IIC）汇聚了全球200多家企业，正试图成为全球工业互联网发展的枢纽。同时，工业互联网平台成为全球竞争焦点，呈现井喷式发展态势，目前已超过150个。目前全球范围内，工业互联网的发展格局尚未定型，且处于面临重大突破的战略窗口期，为我国加速追赶和超越提供了宝贵契机。一方面，全球工业互联网发展还处于加速创新突破和应用推广阶段，国际技术和产业竞争格局尚未成型；另一方面，工业互联网为互联网发展带来了新要素、新市场和新形态，将进一步推动构建多方共治的全球互联网治理体系。
根据美国“工业互联网”发展的历程与特点，结合当前全球“工业互联网”的竞争态势，为进一步推动我国工业互联网创新发展，提出如下政策建议。
一是着力打造工业互联网国家级创新体系。加强软硬件核心技术攻关，加快推动关键网络设备和智能网联装备的研发及产业化，特别是要运用工业互联网数据与模型大量集聚的特点，打造一批汇聚大量活跃创新主体和开发者的开源社区及平台，推动长期“卡脖子”的各类工业软件加快突破，打破工业软件对国外的高度依赖。积极探索5G、边缘计算、深度学习、增强/虚拟现实、区块链等新兴前沿技术在工业互联网的创新应用，加快培育新业态、新模式。
二是加快构建工业互联网的网络体系。工业互联网的网络体系在现有互联网基础上，通过技术演进升级和叠加新型专网而形成，是工业系统互联和工业数据传输交换的支撑，包括企业内、外网络。加快工业企业内网改造升级，推进IP化、扁平化、柔性化技术改造，打通信息孤岛、数据烟囱，为更广泛的互联互通打好基础；加快工业企业外网建设，重点推进宽带网络基础设施建设与改造，扩大网络覆盖范围，优化升级国家骨干网络，为实现产业链各环节的泛在互联与数据顺畅流通提供保障；推进标识解析体系建设，赋予每一个机器和产品“身份证”，推动实现供应链系统和企业生产系统精准对接以及“人机物”全面互联，进而实现跨企业、跨地区、跨行业的产品全生命周期管理，加快国家顶级节点建设；推进工业领域全面部署IPv6，满足工业智能化发展对海量地址的需求。
三是强化工业互联网的安全保障能力。建立涵盖设备安全、控制安全、网络安全、平台安全和数据安全的工业互联网多层次安全保障体系，重点突破标识解析系统安全、工业互联网平台安全、工业控制系统安全、工业大数据安全等相关核心技术，推动攻击防护、漏洞挖掘、入侵发现、态势感知、安全审计、可信芯片等关键安全产品研发。重点针对基础较好的行业和安全需求迫切的领域，开展安全技术、产品和解决方案的试点示范和推广应用。构建工业互联网设备、网络和平台的安全评估认证体系，依托第三方机构开展安全能力评估和认证，引领工业互联网安全防护能力不断提升。建立工业互联网全产业链数据安全管理体系，明确相关主体的数据安全保护责任和具体要求，增强数据收集、存储、处理、转移、删除等环节的安全防护能力。建立工业数据分级分类管理制度，形成工业互联网数据流动管理机制，明确数据留存、数据泄露通报要求，加强工业互联网数据安全监督检查。
四是统筹建设工业互联网公共服务平台。尤其在市场失灵领域，围绕具有较强外部性、公共事业性质相对突出、单纯依靠市场机制难以发挥作用的领域，统筹部署、分步实施，着重建设四类公共服务平台：工业数据管理服务平台，提升优化制造业工业数据资源管理能力；评估服务平台，分区域、分行业开展工业互联网发展水平的第三方评估；产业监测服务平台，开展工业互联网产业日常统计报送和摸底调查工作；检测认证服务平台，科学客观地检验、测试和认证工业互联网技术、产品及解决方案的能力水平。
五是大力培养工业互联网专业及复合型人才。推动相关部委、地方政府、领军企业、知名院校联合，在全国先进制造业重点集聚地区共建工业互联网人才实训基地。动态建设全球工业互联网高端创新人才库，为国家引进领军人才、布局重点项目提供人才信息储备。加快工业APP开发者人才队伍建设，支持举办开发者创业创新大赛，打造基于工业互联网平台的“双创”新生态，推动工业APP量质齐升。
作者：
张志昌，科技与经济社会发展研究所，博士后
研究方向：农业与新兴产业治理
陈志，科技与经济社会发展研究所所长、研究员
研究方向：产业经济、创新政策
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