中国工业互联网2035发展战略
  工业是国民经济的命脉,随着新一代信息技术的快速发展和应用,工业发展正在迎来新的变革性契机,需要新的发展思路,而工业互联网正是实现这场变革的核心要素。《中国工业互联网 2035 发展战略》从信息技术视角出发,系统地分析工业互联网的科学意义和战略价值,回顾和梳理工业互联网的现状和发展规律,凝练工业互联网的关键科学问题和核心技术领域,指出值得重点关注的发展方向,进而给出我国发展工业互联网的政策建议。
  本书为相关领域战略与管理专家、科技工作者、企业研发人员及高校师生提供了研究指引,为科研管理部门提供了决策参考,也是社会公众了解工业互联网发展现状及趋势的重要读本。
编委会

总序

  党的二十大胜利召开,吹响了以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴的前进号角。习近平总书记强调“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑”,明确要求到 2035 年要建成教育强国、科技强国、人才强国。新时代新征程对科技界提出了更高的要求。当前,世界科学技术发展日新月异,不断开辟新的认知疆域,并成为带动经济社会发展的核心变量,新一轮科技革命和产业变革正处于蓄势跃迁、快速迭代的关键阶段。开展面向 2035 年的中国学科及前沿领域发展战略研究,紧扣国家战略需求,研判科技发展大势,擘画战略、锚定方向,找准学科发展路径与方向,找准科技创新的主攻方向和突破口,对于实现全面建成社会主义现代化“两步走”战略目标具有重要意义。

  当前,应对全球性重大挑战和转变科学研究范式是当代科学的时代特征之一。为此,各国政府不断调整和完善科技创新战略与政策,强化战略科技力量部署,支持科技前沿态势研判,加强重点领域研发投入,并积极培育战略新兴产业,从而保证国际竞争实力。

  擘画战略、锚定方向是抢抓科技革命先机的必然之策。当前,新一轮科技革命蓬勃兴起,科学发展呈现相互渗透和重新会聚的趋势,在科学逐渐分化与系统持续整合的反复过程中,新的学科增长点不断产生,并且衍生出一系列新兴交叉学科和前沿领域。随着知识生产的不断积累和新兴交叉学科的相继涌现,学科体系和布局也在动态调整,构建符合知识体系逻辑结构并促进知识与应用融通的协调可持续发展的学科体系尤为重要。

  擘画战略、锚定方向是我国科技事业不断取得历史性成就的成功经验。科技创新一直是党和国家治国理政的核心内容。特别是党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央明确了我国建成世界科技强国的“三步走”路线图,实施了《国家创新驱动发展战略纲要》,持续加强原始创新,并将着力点放在解决关键核心技术背后的科学问题上。习近平总书记深刻指出:“基础研究是整个科学体系的源头。要瞄准世界科技前沿,抓住大趋势,下好‘先手棋’,打好基础、储备长远,甘于坐冷板凳,勇于做栽树人、挖井人,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破,夯实世界科技强国建设的根基。”

  作为国家在科学技术方面最高咨询机构的中国科学院和国家支持基础研究主渠道的国家自然科学基金委员会(简称自然科学基金委),在夯实学科基础、加强学科建设、引领科学研究发展方面担负着重要的责任。早在新中国成立初期,中国科学院学部即组织全国有关专家研究编制了《1956—1967 年科学技术发展远景规划》。该规划的实施,实现了“两弹一星”研制等一系列重大突破,为新中国逐步形成科学技术研究体系奠定了基础。自然科学基金委自成立以来,通过学科发展战略研究,服务于科学基金的资助与管理,不断夯实国家知识基础,增进基础研究面向国家需求的能力。2009 年,自然科学基金委和中国科学院联合启动了“2011—2020 年中国学科发展战略研究”。2012 年,双方形成联合开展学科发展战略研究的常态化机制,持续研判科技发展态势,为我国科技创新领域的方向选择提供科学思想、路径选择和跨越的蓝图。

  联合开展“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”,是中国科学院和自然科学基金委落实新时代“两步走”战略的具体实践。我们面向 2035 年国家发展目标,结合科技发展新特征,进行了系统设计,从三个方面组织研究工作:一是总论研究,对面向2035 年的中国学科及前沿领域发展进行了概括和论述,内容包括学科的历史演进及其发展的驱动力、前沿领域的发展特征及其与社会的关联、学科与前沿领域的区别和联系、世界科学发展的整体态势,并汇总了各个学科及前沿领域的发展趋势、关键科学问题和重点方向;二是自然科学基础学科研究,主要针对科学基金资助体系中的重点学科开展战略研究,内容包括学科的科学意义与战略价值、发展规律与研究特点、发展现状与发展态势、发展思路与发展方向、资助机制与政策建议等;三是前沿领域研究,针对尚未形成学科规模、不具备明确学科属性的前沿交叉、新兴和关键核心技术领域开展战略研究,内容包括相关领域的战略价值、关键科学问题与核心技术问题、我国在相关领域的研究基础与条件、我国在相关领域的发展思路与政策建议等。

  三年多来,400 多位院士、3000 多位专家,围绕总论、数学等18 个学科和量子物质与应用等 19 个前沿领域问题,坚持突出前瞻布局、补齐发展短板、坚定创新自信、统筹分工协作的原则,开展了深入全面的战略研究工作,取得了一批重要成果,也形成了共识性结论。一是国家战略需求和技术要素成为当前学科及前沿领域发展的主要驱动力之一。有组织的科学研究及源于技术的广泛带动效应,实质化地推动了学科前沿的演进,夯实了科技发展的基础,促进了人才的培养,并衍生出更多新的学科生长点。二是学科及前沿领域的发展促进深层次交叉融通。学科及前沿领域的发展越来越呈现出多学科相互渗透的发展态势。某一类学科领域采用的研究策略和技术体系所产生的基础理论与方法论成果,可以作为共同的知识基础适用于不同学科领域的多个研究方向。三是科研范式正在经历深刻变革。解决系统性复杂问题成为当前科学发展的主要目标,导致相应的研究内容、方法和范畴等的改变,形成科学研究的多层次、多尺度、动态化的基本特征。数据驱动的科研模式有力地推动了新时代科研范式的变革。四是科学与社会的互动更加密切。发展学科及前沿领域愈加重要,与此同时,“互联网 +”正在改变科学交流生态,并且重塑了科学的边界,开放获取、开放科学、公众科学等都使得越来越多的非专业人士有机会参与到科学活动中来。

  “中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”系列成果以“中国学科及前沿领域 2035 发展战略丛书”的形式出版,纳入“国家科学思想库 - 学术引领系列”陆续出版。希望本丛书的出版,能够为科技界、产业界的专家学者和技术人员提供研究指引,为科研管理部门提供决策参考,为科学基金深化改革、“十四五”发展规划实施、国家科学政策制定提供有力支撑。

  在本丛书即将付梓之际,我们衷心感谢为学科及前沿领域发展战略研究付出心血的院士专家,感谢在咨询、审读和管理支撑服务方面付出辛劳的同志,感谢参与项目组织和管理工作的中国科学院学部的丁仲礼、秦大河、王恩哥、朱道本、陈宜瑜、傅伯杰、李树深、李婷、苏荣辉、石兵、李鹏飞、钱莹洁、薛淮、冯霞,自然科学基金委的王长锐、韩智勇、邹立尧、冯雪莲、黎明、张兆田、杨列勋、高阵雨。学科及前沿领域发展战略研究是一项长期、系统的工作,对学科及前沿领域发展趋势的研判,对关键科学问题的凝练,对发展思路及方向的把握,对战略布局的谋划等,都需要一个不断深化、积累、完善的过程。我们由衷地希望更多院士专家参与到未来的学科及前沿领域发展战略研究中来,汇聚专家智慧,不断提升凝练科学问题的能力,为推动科研范式变革,促进基础研究高质量发展,把科技的命脉牢牢掌握在自己手中,服务支撑我国高水平科技自立自强和建设世界科技强国夯实根基做出更大贡献。

“中国学科及前沿领域发展战略研究(2021—2035)”

联合领导小组            

2023 年 3 月            

前言
  以工业为核心的生产力是驱动人类社会发展进步的根本性力量。在远古的石器时代,出现了“石器工业”,人类开始将燧石、角岩或玄武岩等石头打造成武器和生产工具,这帮助人类逐渐抛弃猿人的生活方式,慢慢“站”了起来。为此,恩格斯在其《自然辩证法》中说道:“没有一只猿手曾经制造过一把哪怕是最粗笨的石刀。”之后,人类经历了“青铜时代”、“铁器时代”、“第一次工业革命”和“第二次工业革命”,工业形态逐渐从以手工业为主转变为以机器工业为主,驱动机器的能源动力也从蒸汽机转变为内燃机、电动机。这些时代的变迁彰显了人类社会发展的规律和逻辑—任何一次工业技术的革新,都使人类文明跨上一个新的台阶,走向更加辉煌的未来。当前,这种革新的力量仍未停下脚步,正在如暗流一般酝酿着一次新的技术大爆炸,正在开启一轮新的工业革命,有人从“工业4.0”视角将其命名为“第四次工业革命”,也有如杰里米 里夫金(Jeremy Rifkin)等的趋势学家将其称为“第三次工业革命”。命名可以有不同,但他们对其本质的认识却是一致的:人类正在进入一个社会经济变革转型的时代!
  如果问什么是当前这个时代的标志,我想大多数人的答案会是以互联网为核心的信息技术。在过去的20多年中,信息技术已经深度渗透到经济和社会生活的方方面面,打破了原有的社会结构和经济架构,并逐渐编织出新的社会经济网络。这场由网络化带来的社会经济“革命”,在广度、深度和速度上都是空前的,并以席卷之势扩展到工业领域,为未来工业发展提供了变革性的驱动力。“数字化转型”,正在成为当今时代变革发展的主旋律。具体到工业领域,这场革命的目标是实现工业生产、经营环境中人、机、物等各类生产要素的全面互联互通互操作,亦即本报告所探讨的“工业互联网”。
  网络在计算机科学领域并不是一个十分新潮的课题,自20世纪70年代温顿 瑟夫(Vinton Cerf)和罗伯特 卡恩(Robert Kahn)共同开发了TCP/IP之后,整个互联网大部分的流量都依托于这个经典的协议来运转。对于工业来说,是否还需要新的网络和新的协议呢?答案是肯定的。工业所使用的网络历史更加悠久,协议也远比互联网复杂。在现有的工业网络中,90%以上的解决方案被西门子、施耐德等大公司垄断,这些解决方案采用不同的技术标准,彼此很难互联互通,而且通常“硬嵌入”到生产装备中,和装备紧耦合,较难独立升级。这种人为“隔离”在很大程度上导致了工业网络更新周期长,通常十年甚至更长的时间才进行一次更新,相比而言,我们熟知的互联网技术则以年为周期进行更新迭代。“隔离”大大限制了工业系统人、机、物的进一步互联互通互操作,也成为将互联网领域先进技术部署到工业生产中的主要阻碍。梅特卡夫定律(Metcalfe’s law)指出:网络的价值与网络使用者数量的平方成正比。在消费互联网中,主要的交互发生在用户和服务器之间;而在工业互联网中,所有联网的人、机、物都能进行复杂的协同和交互,这必将创造出超越梅特卡夫定律的价值。
  从更加宏观的角度来看,工业互联网可以让工业企业更加了解企业自身。进入21世纪,产能过剩与信息过载已然成为全球企业不得不面对的世纪难题,信息高速公路让传统的低速、稳态、线性、小样本的商业环境转变为极速、动态、复杂、大数据的商业环境,这给企业信息化带来了更大的空间和更多的机会,当然也带来了新的挑战。在过去,由于技术能力的限制和出于研发成本的考虑,很多企业的信息化工作更多地集中在具有共性的管理层面,生产层面的信息化则面临信物融合、环境复杂等诸多难题,还需要各自解决自身的个性化问题,因此,总体而言,企业的管理信息化远远走在了生产信息化的前面。时至今日,企业要想继续在产品维度取得竞争优势,单纯依赖如OAS、ERP等管理信息化工具实现增长已经日渐乏力,需要重新审视自己,从生产层面进行革新,通过工业互联网所带来的生产信息化实现对研发、试制、生产等各个环节的全面掌控。
  企业信息化的发展历程大致可以划分为三个阶段。20多年前,互联网还没有现在这么普及,我们将企业数据通过手工的方式录入计算机,经过人为的抽象总结,获取表格、统计图等形式的数字描述,这种数字化,属于“数字后行”。随着传感器、物联网、大数据、人工智能等的巨大进展,我们逐渐有能力把从物理世界感知和获取的数据实时映射到虚拟空间中,从而实现现实世界的数字映像,数字化走到了“数字并行”阶段。未来,随着工业互联网带来的人、机、物等各类生产要素的全面互联互通,企业可以通过智能感知、网络互联、数据分析和控制协同让数字虚拟企业先于现实,“主动”进行规划、推演和论证,从而引领生产、经营过程。这一阶段可称为“数字先行”。通过“数字先行”,企业能够充分调动海量历史数据、实时现场数据以及外部数据,大大降低生产的试错成本,实现生产效益的最大化。“数字先行”的核心是构建数字孪生,基于“孪生”进行生产仿真,与传统如有限元分析等基于模型的仿真技术不同的是,工业互联网加持下的仿真能够更加适应工业现场复杂多变的环境,实现更加深入、更加全面的数字化模拟。
  除了企业精益求精的内因以外,外部因素也是推动工业互联网发展的动力。一方面,制造业是国民经济的主体,当前正处于世界产业发展格局重构的阶段:世界经济进入全球低增长时期,陷入低迷;全球性产能过剩,利润空间萎缩;主要工业国家面临严峻的老龄化和低生育率问题,人口结构发生重大变化;经济危机之后,发达工业国家纷纷启动再工业化战略,全球化竞争愈演愈烈。当今时代的制造业普遍面临着“不变则死”的困境,“以变求生”成为刚需。另一方面,随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术的发展和应用,通过互联网等新理念打造智能制造新模式,进而衍生出更多的商业模式,使得商业、生产、服务更加智能、更有效率,为处于困境中的制造行业带来了“浴火重生”的曙光。曙光中,已经出现了若干先行者,如汽车行业的“跨界者”—特斯拉。特斯拉以互联网思维研发了生产制造控制系统,该系统具备人机交互、智能识别及追溯功能,支持世界顶级的制造工艺,大大提高了生产效率,降低了生产成本,进而将营销、生产、销售和技术策略紧密结合,给汽车行业带来了颠覆性影响,短短15年,特斯拉就成长为世界最畅销电动汽车的生产商之一。
  对于我国而言,随着世界产业发展格局的重构,发达国家制造业高端垄断和发展中国家中低端分流的双重挤压对我国经济发展造成了极大的压力。我国工业发展的历史不算长,新中国成立后,我们通过艰苦奋斗,构建起世界上门类最齐全的工业体系;改革开放以来,我们的制造业更是得到了长足发展,成为“世界工厂”。然而,我国工业总体上走的是学习跟踪的道路,很多企业家都是“摸着石头过河”,产品可以生产了,但是对于为什么能生产、如何使生产效率更高这些问题却像是面对一个黑盒,只能靠工人一遍一遍地“调参”来获得高质量的产品。这种方式在企业建立的早期非常高效,但当企业跨过“小河”,来到制造行业的“星辰大海”面前时,这条路就难以走下去了。必须进一步向高端发展,必须面对和世界同行业领先者同样的挑战:真正地了解自己,实现对研发、试制、生产等各个环节的全面掌控。同样,随着我国“人口红利”逐渐消失,人口老龄化、资源能源短缺以及产能过剩等问题的出现,严重制约着工业的进一步发展。据2019年《财富》数据,中国500强中最亏钱企业中,66%是制造企业,亏损金额超过270亿元。之前最赚钱的石化、电子、机械、电力、冶金五个行业新增亏损额占全部规模以上工业新增亏损额的80%。这样的内外因,注定了“顺时顺势、创新求变”成为我国工业发展的必然选择。
  我国一直高度重视工业互联网的发展,2015年5月国家提出“制造强国”战略,进一步丰富了工业互联网的内涵,不仅包含利用物联网和大数据实现生产环节的数字化、网络化和智能化,还包括利用消费互联网与工业融合创新,实现制造产品的精准营销和个性化定制,通过重塑生产过程和价值体系,推动制造业的服务化发展。于2017年11月发布的《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,明确了我国工业互联网的三个阶段发展目标和主要任务,成为我国发展工业互联网的纲领性文件。2018 年以来,工业互联网已经连续5年被写入政府工作报告。
  在这样的背景下,受国家自然科学基金委员会和中国科学院的联合资助,我们承担了“工业互联网发展战略研究(2021—2035)”项目,希望通过该项目的实施,系统地分析工业互联网的科学意义和战略价值,回顾和梳理工业互联网的现状和发展规律,凝练工业互联网的关键科学问题和核心技术领域,指出值得重点关注的发展方向,进而给出我国发展工业互联网的政策建议。
  项目于2020年启动,为期两年,由黄维院士、丁汉院士、陈维江院士和我共同作为项目负责人,由来自全国11所高校、3家科研院所和1家企业的40余名计算机、机械、自动化等多学科专家学者组成编写组,按照科学意义与战略价值(马华东牵头)、现状及其形成(刘云浩牵头)、关键科学问题和核心技术领域(罗军舟牵头)、发展目标及展望(刘云淮牵头)、政策建议(徐晓兰牵头)五个章节,开展研究工作和分章节的报告撰写。我们还设立了秘书组,由罗军舟和刘云浩牵头,马郓、东方、金嘉晖、刘敏、熊润群和杨铮为成员,负责项目的协调推进和报告汇总整理。参与本报告研讨、撰写和意见反馈的专家涉及海内外近百名学者,他们出于对工业互联网发展的浓厚兴趣,秉承对工业互联网事业发展的使命感,在自己教学科研任务都比较繁重的情况下,积极参与项目工作,为本报告的顺利完成做出了重要贡献。
  需要特别指出的是,本项目启动时正值新冠疫情暴发,在两年多的时间里,疫情给项目执行带来了很大影响,特别是在人员交流方面受到诸多限制。项目组成员始终饱含最大热情投入项目的研究之中,通过线上线下相结合的方式先后召开了六次工作组全体会议、十余次专题组和秘书组会议,于2020年12月在杭州举行了以工业互联网为主题的中国科学院学部第114期科学与技术前沿论坛,七位院士和数十位资深专家学者以主题报告、圆桌论坛、专题研讨等多种形式对工业互联网的认识和发展建言献策。我们还在2021年国际计算机学会(ACM)中国图灵大会、2021年院士大会等多个场合报告本项目的进展,广泛听取与会专家的建议与意见,对报告做进一步完善。
  经过编写组内外专家的辛勤努力,终汇成此报告。报告第一章梳理并给出了工业互联网的定义,在此基础上分析了工业互联网的科学意义和战略价值。第二章回顾了工业互联网的发展历史并总结了其规律,梳理了产业发展情况,对比了国内外发展差异。第三章以“三层级四环节”的工业互联网逻辑架构为主线,凝练了工业互联网发展过程中面临的关键科学问题,探讨其关键技术及难点挑战。第四章明确了工业互联网发展目标和思路,并对工业互联网的行业应用和未来愿景进行了展望。第五章聚焦工业互联网发展过程中面临的核心问题,给出了相应的政策建议。
  囿于编写组的知识和能力,本报告难免存在不足之处,特别是参与报告写作的大多数人来自信息技术领域,因此,总体而言,属于从信息技术视角去看工业互联网,然而是“管窥一斑,可见全豹”,还是仅仅是“盲人摸象”,留待读者去评判。只要能够从信息技术视角呈现给读者以工业互联网的部分视图和有价值的参考,为这头“大象”全图的绘就做出实质性贡献,则本报告的目的就算是达到了。关于其他方面,我们也意识到诸多不足,如当前对工业互联网未来的展望仍然存在局限性,也许偏于保守;对国家政策目前只有较为宏观的汇总,所提出建议的合理性和可操作性还有待实践检验。在此,诚挚恳请广大读者谅解并给予批评指正。
  梅 宏
  《中国工业互联网2035发展战略》编写组组长
  壬寅年仲春于北京
摘要
  工业是国民经济的命脉,工业发展不断推动着人类社会和经济的发展进步。在过去的两百多年里,世界工业已经历了三次重大变革与飞跃,从机械化、电气化发展到如今的自动化,极大提升了人类的物质文明。随着互联网、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的快速发展和应用,未来工业发展正在迎来新的变革性契机,需要新的发展思路,而工业互联网正是实现这场变革的核心要素。从全球范围来看,工业互联网作为数字化转型的关键支撑力量,推动了传统产业加快转型升级、新兴产业加速发展壮大。对于我国而言,加快工业互联网创新发展步伐,快速构建我国制造业竞争新优势,抢占未来发展主动权具有重要的战略意义。
  工业互联网通过互联网、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术在工业领域的深度融合和创新应用,建立了广泛连接人、机、物等各类生产要素的全球性网络,形成了贯穿全产业链的实体联网、数据联网、服务联网的开放平台,是重塑工业生产与服务体系,实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施。本报告从信息技术的视角出发,将工业互联网的互联范围划分为工厂、企业、产业链三个层级,将工作流程归纳为智能感知(感)、网络互联(联)、数据分析(知)和控制协同(控)四个环节,提出“三层级四环节”的工业互联网逻辑架构。基于该架构,工业互联网连接了全生产系统、全产业链、全价值链,使原本割裂的工业数据在网络上流通,最终实现人、机、物的全面、深度、安全互联。
  从知识体系来看,工业互联网具有多学科交叉、多应用驱动、多技术融合的特点。①多学科交叉:工业互联网涉及计算机、通信、控制、电子、机械、材料、制造等,几乎涵盖了信息、工程、材料领域的大部分学科。②多应用驱动:工业互联网应用场景丰富多样,面临的新需求层出不穷,通过解决应用问题可以驱动知识体系的完善,呈现应用带动学科发展的显著特征。③多技术融合:工业互联网融合了物联网、人工智能、大数据、云计算、机器人、移动通信、智能制造、柔性材料等多种前沿技术。
  从层次结构来看,工业互联网的互联范围在工厂、企业和产业链三个层级不断延伸:①对于工厂级互联,覆盖“人、机、料、法、环”各方面,打通车间内部各系统间的“信息孤岛”;②对于企业级互联,实现企业业务全流程的联网,包含产品的设计、生产、售后等各个阶段;③对于产业链级互联,涉及各企业、产业和区域之间的价值链、企业链、供需链和空间链,涵盖产品生产或服务提供的全要素、全环节、全过程,借助工业互联网平台,实现产业链上下游企业(供应、制造、销售、金融)之间的互联,实现产业基础能力提升、运行模式优化、产业链控制力增强和治理能力提升。
  就本质而言,工业互联网是通过信息网络使得原本割裂分散的工业大数据实现按需有序流通的,其关键科学问题体现在“感、联、知、控”四个环节上:首先,在“感”环节上,需要通过感知生产过程相关的人、机、物等各类生产要素及所在工业场景,刻画制造过程依赖关系和时空关联,以实现从物理世界到数字世界的映射;其次,在“联”环节上,需要通过海量多元工业实体泛在接入,构建安全、可靠、高效的工业互联网络,以实现异质离散工业实体(即人、机、料、法、环)数据的集成与汇聚;再次,在“知”环节上,需要通过研究有效的认知表达范式、认知实现方法与认知决策机制,以实现工业互联网与智能认知的充分融合;最后,在“控”环节上,需要通过对工业全流程的全局协同与控制,提高生产线的柔性反应能力和供应链的敏捷精准反应能力,以实现全流程柔性生产和智能制造。针对“感、联、知、控”四个环节,本报告将以上四大关键科学问题归结为:全模态信息表征、全要素互联组织、全场景智能认知、全流程柔性协同。
  围绕“感、联、知、控”四大关键科学问题,工业互联网主要涉及六大核心技术领域:①工业智能感知,针对强干扰、大范围、多目标的复杂工业环境,实现全方位感知;②工业互联与信息集成,针对工业互联网异质工业实体与异构互联网络,设计高效的自适应互联技术,实现泛在工业互联网络数据实时传输和信息高度共享;③工业大数据与工业智能,针对多源异构工业数据,结合人工智能技术及工业领域知识,实现智能分析和决策;④工业互联网控制协同,针对物理世界和数字世界中的控制与协同难题,通过虚拟仿真、数据分析、认知决策等多个领域关键技术,实现全流程控制协同方法与机制;⑤工业互联网平台软件,面向工厂、企业到产业链的不同层级对资源管理和应用开发的不同需求,提供不同层级的共性软件平台,向下实现工业资源的有效管理,向上支撑工业场景的应用开发;⑥工业互联网安全,构建涵盖设备层、网络层、数据层、应用层、控制层的工业互联网安全防护体系。
  展望未来,工业互联网将呈现三大发展趋势。一是泛在化。工业互联网将接入工业全场景,涵盖各环节的人、机、物,实现无处不在、无迹可寻的工业数字孪生世界。二是协同化。通过亚微秒级低时延、高可靠、广覆盖的基础设施,实现工业全场景、全链条的人、机、物高度协同。三是智能化。通过人工智能技术与工业场景、知识的深度结合,在工业设计、生产、管理、服务等各个环节实现模仿或超越人类的能力。
  随着核心技术的突破和大规模部署应用,工业互联网必将催生工业生产制造新模式,重塑产品规划、设计、制造、销售环节,为工厂、企业乃至整个产业链带来全新发展机遇。若干发展可以预期。①工厂将实现生产柔性化:柔性化生产可以打通用户交互、产品创意产生、个性化订单下达、产品模块部件匹配、自动化生产等环节,此时,“量体裁衣”式的个性化生产将成为现实。②企业将实现生产服务化:在工业互联网时代,企业价值体系由以制造为中心向以服务为中心转变,即便产品已经交付使用,企业仍可以远程感知产品的运行数据,进而得以分析实时运行状况,为用户提供维护、预警、保养等附加工业服务,并从中产生新盈利点。③产业链将实现模式重塑:随着传统的工业化生产向数字化、网络化、智能化的方向发展,新一代信息技术将在制造、能源、交通、医疗等行业深度应用,并促进跨行业领域的融合,带来革命性的产业变革。

 

  Abstract
  Industry is the lifeblood of the national economy. Industrial development is constantly promoting the development and progress of human society and economy. In the past 200 years, the world industry has experienced three major changes and leaps, from mechanization and electrification to today’s automation, which has greatly improved the material civilization of mankind. With the rapid development and application of next-generation information technologies such as the Internet, Internet of Things, big data, and artificial intelligence, future industrial development is ushering in new transformative opportunities, which require new development ideas, and the Industrial Internet is the core element to realize this change. From a global perspective, the Industrial Internet, as a key supporting force for digital transformation, promotes the transformation and upgrading of traditional industries and the development and growth of emerging industries. For China, it is of great strategic significance to accelerate the pace of innovation and development of the Industrial Internet, quickly build new competitive advantages in China’s manufacturing industry, and seize the initiative in future development.
  Through the deep integration and innovative application of nextgeneration information and communication technologies such as newnetworks, artifcial intelligence, and big data in the industry, the Industrial Internet establishes a global network that widely connects people, machines, things and other production factors. The open platform of the physical networking, data networking and service networking of the industry chain is an important infrastructure for reshaping the industrial production and service system, and realizing the digital, networked and intelligent development of the industry. From the perspective of information technology, this report divides the interconnection scope of the Industrial Internet into three levels of “factory,enterprise,industry chain”, summarizes the workflow into four phases, i.e., intelligent perception (sense), network interconnection (connection), data analysis (knowledge) and open service (control), and proposes a “three-level and four-phases” Industrial Internet logical architecture. Based on this architecture, the Industrial Internet connects the entire production system, the entire industrial chain, and the entire value chain, allowing the originally fragmented industrial data to circulate in the intelligent network, and finally realizes the comprehensive, deep, and secure interconnection of people, machines, and things.
  From the perspective of knowledge hierarchy, the Industrial Internet has the interdisciplinary, multi-application driven, and multi-technology integration characteristics. (1) Interdisciplinary: The Industrial Internet involves computers, communications, control, electronics, machinery, materials, manufacturing, etc., covering almost all disciplines in the felds of information, engineering, and materials. (2) Multi-application driven: Application scenarios of the Industrial Internet are rich and diverse, in which new demands are emerging one after another. Solving these problems can drive the improvement of knowledge hierarchy, which shows the remarkable feature that application drives the development of disciplines. (3) Multi-technology integration: The Industrial Internet integrates various advanced technologies such as the Internet of Things, artificial intelligence, big data, cloud computing, robot, mobile communication, intelligent manufacturing, and fexible materials.
  From the perspective of hierarchical structure, the interconnection scope of the Industrial Internet extends at the three levels of factories, enterprises and industrial chains. (1) For factory-level interconnection, it covers all aspects of “human, machine, material, method and environment”, and opens up the “information island” between various systems in the workshop. (2) For enterprise-level interconnection, it realizes the networking of the whole process of enterprise business, including product design, production, after-sales and other stages. (3) For the interconnection of the industrial chain, it involves the value chain, enterprise chain, supply and demand chain and space chain between enterprises, industries and regions, covering all elements, links and processes of product production and service provision. With the help of the Industrial Internet platform, the interconnection between upstream and downstream enterprises (supply, manufacturing, sales, and fnance) in the industrial chain can be realized, and the basic industrial capacity, operation mode, industrial chain control and governance capacity can be optimized or improved.
  In essence, the Industrial Internet enables the originally fragmented industrial big data to flow orderly on demand through the information network. Its key scientifc issues are refected in the four links of “sense, connection, knowledge and control”. First of all, in the link of “sense”, it is necessary to depict the dependence and spatio-temporal relationship of the manufacturing process by perceiving various production factors related to the production process, such as people, machines, things and their industrial scenes, so as to realize the mapping from the physical world to the digital world. Secondly, in the link of “connection”, it is necessary to build a safe, reliable and efcient Industrial Internet through ubiquitous access of a large number of diversifed industrial entities, so as to realize the integration and aggregation of data of heterogeneous and discrete industrial entities (i.e., human, machine, material, law and environment). Thirdly, in the link of “knowledge”, it is necessary to establish the effective cognitive expression paradigm, cognitive realization method and cognitive decision-making mechanism, soas to realize the full integration of the Industrial Internet and intelligent cognition. Finally, in the link of “control”, it is necessary to improve the fexible response ability of the production line and the agile and accurate response ability of the supply chain through the overall coordination and control of the whole industrial process, so as to realize fexible production and intelligent manufacturing in the whole process. In this report, the above four key scientifc issues are summarized as full-mode information representation, all-element interconnection and organization, all-scene intelligent cognition, and whole-process fexible collaboration.
  Focusing on the four key scientific issues of “sense, connection, knowledge and control”, the Industrial Internet mainly involves six core technical fields. (1) Industrial intelligent sense. Aiming at the complex industrial environment with strong interference, large range and multiple targets, it realizes all-round sensing. (2) Industrial interconnection and information integration. Aiming at heterogeneous industrial entities and heterogeneous interconnected networks in the Industrial Internet, it designs efcient adaptive interconnection technology to achieve real-time data transmission and high information sharing in ubiquitous industrial interconnection networks. (3) Industrial big data and industrial intelligence. Aiming at multi-source heterogeneous industrial data, it combines artificial intelligence technology and industrial domain knowledge to realize intelligent analysis and decision-making. (4) Industrial Internet control and collaboration. Aiming at the control and coordination problems in the physical world and the digital world, it realizes the method and mechanism of control and coordination in the whole process through virtual simulation, data analysis, cognitive decision-making and other key technologies in various felds. (5) Industrial Internet platform software. Facing the different needs of resource management and application development of factories, enterprises and industrial chains, it provides common software platforms at different levels, realizes efective management of industrial resources downwards, and supports application development of industrial scenarios upwards. (6) Industrial Internet security. It builds an Industrial Internet security protection system covering the device layer, network layer, data layer, application layer, and control layer.
  Looking forward to the future, the Industrial Internet will show the following three development trends. The first is ubiquity. The entire industrial scene covering people, machines and things in all links will be connected to the Industrial Internet, realizing an invisible but ubiquitous industrial digital twin world. The second is collaboration. Through sub-microsecond-level low-latency, high-reliability and wide-coverage infrastructure, a high degree of collaboration between people, machines, and things in all industrial scenarios and chains will be realized. The third is intelligence. Through the in-depth integration of artifcial intelligence technology with industrial scenarios and knowledge, the ability to imitate or surpass human beings will be realized in various links such as industrial design, production, management and service.
  With the breakthrough of core technologies and large-scale deployment and application, the Industrial Internet will surely give birth to a new model of industrial production and manufacturing, reshape links of product planning, design, manufacturing and sale, and bring new development opportunities for factories, enterprises and even the entire industrial chain. There are several expected developments. (1) Factories will realize flexible production. Flexible production can get through links such as user interaction, product idea generation, personalizedorder placement, product module component matching, and automated production. At this time, personalized production of “tailor-made” will become a reality. (2) Enterprises will realize the production service. In the era of the Industrial Internet, the enterprise value system has changed from manufacturing-centered to service-centered. Even if the product has been delivered for use, the enterprise can still remotely sense the product’s operating data, and then analyze the real-time operating status to provide users with additional industrial services such as maintenance, early warning and maintenance, and generate new profit points from them. (3) The industrial chain will be remodeled. With the development of traditional industrial production towards the direction of digitization, networking and intelligence, the next-generation information technology will be deeply applied in industries such as manufacturing, energy, transportation and medical, and promote the integration of cross-industry felds, bringing revolutionary industrial changes.
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