一、工業互聯網的發展背景

（一）源起：工業數字化、網絡化、智能化的客觀要求

現代工業發展已歷經“機械化電氣化-自動化”三次工業革命，以數控機床、PLC等為代表的控制系統實現了工業自動化，以CAD、ERP等為代表的工業軟件加速了工業信息化的普及，當前正進入以數字化、網絡化、智能化為核心，數據與知識共同驅動的第四次工業革命，需要在自動化、信息化基礎上實現更高級的智能化。

同時，近年來經濟社會發展對制造體系不斷提出新需求，包括更敏捷響應復雜的市場變化、更充分滿足個性多樣的產品要求、更廣泛實現綠色集約的生產等。但基于當前自動化信息化系統基礎上的工業流程與系統的優化是局部的，智能是初級的，工業體系柔性化、敏捷化程度不夠，針對快速迭代和復雜多變的新需求響應能力不足。

當前，互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的大規模應用成為工業發展變革的重要機遇，將為制造業智能化轉型創造條件，在技術和需求的驅動下，制造業將從自動化信息化的3.0階段向智能化的4.0階段邁進：制造能力由基于經驗和規則的自動化制造向以數據為驅動的智能化生產轉變，生產方式由集中式制造向網絡化協同組織轉變，商業模式由同質化產品售賣向個性化定制服務轉變，企業形態由傳統金字塔式向平臺化協同生態轉變，產業體系由單線條產業鏈價值鏈向智能化產業網鏈轉變。

在此背景下，集成新一代網絡技術，覆蓋全系統、全價值鏈、全產業鏈和全生命周期的工業互聯網應運而生，通過全面連接工業體系而推動信息技術與工業融合不斷加深，驅動工業生產體系、資源組織方式、商業服務模式變革，全面支撐新工業革命不斷深化。

（二）發展：工業互聯網是數字化轉型與智能化升級的基礎設施和賦能體系

工業互聯網通過新型傳感、通信網絡和計算技術，將人、設備、生產和信息化系統及整個工業體系連接起來，匯聚工業設備與產品等各類資產、研發生產與銷售服務等全流程全產業鏈全價值鏈的數據，利用大數據和人工智能技術，并結合工業知識與經驗，實現建模分析和決策反饋，構建數據驅動的智能優化閉環，實現從生產設備、產線、車間工廠、企業上下游到產業鏈價值鏈的動態優化，推動從制造到服務體系的智能化變革。

總體上，工業互聯網既構成了工業數字化轉型的基礎設施，也驅動形成了新型應用模式和工業生態，是數字化轉型的路徑與基石。工業互聯網的核心功能主要包含以下幾個部分：

工業互聯網通過新型網絡連接打通全產業鏈、全價值鏈。以5G、TSN、工業PON等為代表的有線和無線網絡將工業環境下的人、生產設備、軟件系統等各環節、各要素連接起來，使數據可以在各環節與要素之間自由流動。從企業層級來看，企業管理層可以通過終端設備快速了解特定設備的運行情況、倉儲情況等信息。從產品價值鏈來看，產品設計人員可以通過平臺實時掌握用戶使用習慣與產品原料市場價格趨勢，實現不同業務部門間的信息互通。

工業互聯網通過標識解析體系建立全要素的編碼認證與數字映射。在數據通過網絡被采集和傳輸之后，還需建立數據、模型等虛擬資產與設備、產品等實體資產之間的聯系，提升資產管理水平。此時需要為實體資產賦予唯一的編碼，通過對唯一編碼的解析識別，查詢實體資產對應的虛擬信息。如為一臺壓縮機賦予標識編碼，作為該壓縮機的“身份證”，通過掃描“身份證”即可查詢到該壓縮機的工藝參數、運行狀況、維修檔案等信息。

工業互聯網通過平臺實現數據集成分析、模型構建管理與創新應用。來自設備、軟件的海量工業數據在平臺匯聚以后，還需要通過云計算、大數據等技術對數據進行分析，挖掘數據背后的規律，再通過工業APP開展各種各樣的工業服務，就像我們網購、出行、餐飲過程中會產生購物習慣、用戶體驗、出行路線等各種數據，互聯網平臺通過收集這些數據并進行分析，基于各類部署在手機平臺上的移動APP提供購物推薦、出行路線規劃、餐館等位預約等服務。

工業互聯網通過綜合型的安全防護保障工業體系可靠運行。隨著工業系統數字化水平越來越高，IT與OT融合程度越來越深，產生的數據越來越多，工業生產也會面臨更多的安全問題，建立工業互聯網安全保障體系顯得尤為重要，需要形成包含設備安全、控制安全、網絡安全、應用安全和數據安全等在內的威脅防護、監測感知和處置恢復能力，全方位解決開放創新帶來的安全隱患。

（三）體系：工業互聯網頂層設計引領產業數字化實踐協同推進

可以看出，工業互聯網體系龐大、涉及領域廣泛、技術融合程度高，如果沒有較為統一的認識和頂層設計，各界對工業互聯網理解的差異將導致技術選擇與標準化路線分化，這會大大增加互操作難度與部署成本。為推動產業界形成認識層面的共識，同時也為工業互聯網實踐提供依據，有必要對工業互聯網進行頂層設計。

為此，在政策層面，國家先后推出了多個相關戰略政策文件，形成了以《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》為頂層設計，以《工業互聯網創新發展行動計劃（2021—2023年）》為路線圖，網絡、平臺、安全等領域實施指南為落地指引的政策體系，強調加快構筑工業互聯網等制造新基礎和新生態。

在技術應用和產業發展層面，在工業和信息化部指導下，工業互聯網產業聯盟（以下簡稱AII）啟動了工業互聯網體系架構研究，在總結國內外發展實踐的基礎上，制定了工業互聯網體系架構1.0版和2.0版，結合豐富多樣化的企業實踐和各類新技術的融合應用對工業互聯網提出的新需求，形成了指引各領域系統布局與各行業實施部署的建設與應用架構指南，開

啟工業互聯網建設發展的新階段。

二、工業互聯網的參考架構

在工業互聯網體系架構1.0的指導下，工業互聯網逐漸由理念走向推廣應用，產業界在這一過程中形成了大量探索實踐，新技術的融合集成顯現了巨大的生命力和創造力，同時，這也對工業互聯網的體系架構提出了新的需求。如何定義一個更加通用化的架構體系以指引各個領域的系統性布局，如何打通數字化轉型、業務體系、商業變革和工業互聯網技術架構的關系以更好指導企業的發展實踐，如何充分考慮技術發展演進和落地實施部署需求以更好定義工業互聯網的層次架構、功能劃分和接口關系，從而為產業界提供科學、清晰和可操作的指南。

基于此，工業互聯網產業聯盟在工業和信息化部的指導下，凝聚產業界共識，研究制定了《工業互聯網體系架構（版本2.0）》，在繼承版本1.0核心理念、要素和功能體系的基礎上，從業務、功能、實施等三個視圖重新定義了工業互聯網的參考體系架構，并逐一進行了展開，形成了為政府、企業、科研機構、投資者等利益相關方提供引導和參考的方法論，作為當前階段的頂層設計認識共同推動工業互聯網的創新發展。

工業互聯網體系架構2.0主要包含業務視圖、功能架構、實施框架三個板塊。業務視圖指明企業應用工業互聯網實現數字化轉型的目標、方向、業務場景和響應的數字化能力。功能框架明確企業支撐業務實現所需的核心功能、基本原理和關鍵要素。實施框架明確描述各項功能在企業落地實施的層級結構、軟硬件系統和部署方式。

（一）業務視圖

工業互聯網業務視圖如圖1所示，包括產業層、商業層、應用層、能力層四個層次，其中產業層主要定位于產業整體數字化轉型的宏觀視角，商業層、應用層和能力層則定位于企業數字化轉型的微觀視角。四個層次自上而下來看，實質是產業數字化轉型大趨勢下，企業如何把握發展機遇，實現自身業務的數字化發展并構建起關鍵數字化能力；自下而上來看，實際也反映了企業不斷構建和強化的數字化能力將持續驅動其業務乃至整個企業的轉型發展，并最終帶來整個產業的數字化轉型。

圖1工業互聯網業務視圖

“產業層”主要闡釋了工業互聯網在促進產業發展方面的主要目標、實現路徑與支撐基礎。從發展目標看，工業互聯網通過將自身的創新活力深刻融入各行業、各領域，最終將有力推進工業數字化轉型與經濟高質量發展。為實現這一目標，構建全要素、全產業鏈、全價值鏈全面連接的新基礎是關鍵，這也是工業數字化、網絡化、智能化發展的核心。

“商業層”主要明確了企業應用工業互聯網構建數字化轉型競爭力的愿景理念、戰略方向和具體目標。從總體來看，企業數字化轉型的愿景是依托工業互聯網構建數字化轉型的競爭優勢。為實現這一愿景，企業應聚焦提升價值、創新模式、降低成本三大戰略方向。三大方向還可進一步細分為商業模式、市場需求、產品質量、生產效率、運營管理、資產調配、交付速度等若干戰術目標。

“應用層”主要明確了工業互聯網賦能企業業務的重點領域和具體場景。總體來看，產品鏈、價值鏈、資產鏈是工業企業最為關注的三個核心業務鏈條（包括這三者所交匯的生產環節），工業互聯網賦能于三大鏈條的創新優化變革，推動企業業務層面數字化發展。通過打通產品全生命周期數據，實現產品設計、流程規劃、生產過程的整體優化與深度協同。通過打通計劃、供應、生產、銷售、服務等業務環節并進行數據深度分析優化，實現全價值鏈的效率提升與重點業務價值挖掘。通過將孤立設備資產整合為互聯的資產體系，實現資產鏈的全面維護保障與質量服務。

“能力層”描述了企業通過工業互聯網實現業務發展目標所需構建的核心數字化能力。按照上述工業互聯網發展愿景、推進方向與業務需求，企業在數字化轉型過程中需構建泛在感知、智能決策、敏捷響應、全局協同、動態優化五類工業互聯網核心能力，以支撐企業在不同場景下的具體應用實踐。

（二）功能架構

工業互聯網功能架構如圖2所示，包含網絡、平臺、安全三大功能體系以及數據功能體系和一個由自上而下信息流和一個自下而上決策流構成的工業數字化應用優化閉環。

圖2工業互聯網功能架構

工業互聯網以數據為核心，在網絡、平臺、安全三大功能體系支撐下，形成貫穿“感知控制-數據接入數字模型-決策優化”四大功能層級的數據優化閉環，并實現基于數據驅動的物理空間與數字空間全面互聯與深度協同，以及在此過程中的智能分析與決策優化。數據優化閉環由自下而上的信息流和自上而下的決策流共同組成，在信息流與決策流的雙向作用下，優化閉環連接物理空間與數字空間，以數據分析決策為核心，支撐形成了面向不同工業場景的智能應用與解決方案。

網絡體系主要由網絡互聯、數據互通、標識解析三大部分組成。網絡互聯是指通過有線或無線網絡技術建立工業互聯網網絡，實現人機料法環以及產業上下游、智能產品、用戶等全要素的連接，為信息數據的流轉建立基礎。數據互通是指實現各要素、各系統間數據與信息的無縫傳遞。標識解析是指為物品賦予特定標識編碼，通過對該標識編碼進行解析，將虛擬世界中關于該物品的數據與物理世界中的該物品聯系起來。

平臺體系主要由邊緣層、PaaS層、應用層三部分組成。邊緣層提供海量工業數據的接入、協議解析與數據預處理、數據邊緣分析應用等功能。PaaS層提供資源管理、工業數據與模型管理、工業建模分析和工業應用創新等功能。應用層提供工業創新應用、開發者社區、應用商店、應用二次開發集成等功能。

安全體系主要由可靠性、保密性、完整性、可用性以及隱私和數據保護五部分組成，聚焦信息安全、功能安全、物理安全三方面，面向全環節打造完整的安全防護，確保設備正常、控制可靠、應用穩定、網絡穩健、數據保密。

（三）實施框架

工業互聯網實施框架是整個體系架構中的具體操作方案，解決“在哪做”、“做什么”、“怎么做”的問題，主要圍繞網絡、標識、平臺、安全四大系統展開，實施框架如圖3所示。

圖3工業互聯網實施框架

當前階段工業互聯網的實施以傳統制造體系的層級劃分為基礎，適度考慮未來基于產業的協同組織，按“設備、邊緣、企業、產業”四個層級開展系統建設，指導企業整體部署。設備層對應工業設備、產品的運行和維護功能，關注設備底層的監控優化、故障診斷等應用；邊緣層對應車間或產線的運行維護功能，關注工藝配置、物料調度、能效管理、質量管控等應用；企業層對應企業平臺、網絡等關鍵能力，關注訂單計劃、績效優化等應用；產業層對應跨企業平臺、網絡和安全系統，關注供應鏈協同、資源配置等應用。

工業互聯網的實施重點明確工業互聯網核心功能在制造系統各層級的功能分布、系統設計與部署方式，通過“網絡、標識、平臺、安全”四大實施系統的建設，指導企業實現工業互聯網的應用部署。其中，網絡系統關注全要素、全系統、全產業鏈互聯互通新型基礎設施的構建；標識系統關注標識資源、解析系統等關鍵基礎的構建；平臺系統關注邊緣系統、企業平臺和產業平臺交互協同的實現；安全系統關注安全管控、態勢感知、防護能力等建設。

（四）技術支撐

工業互聯網技術體系是支撐功能架構實現、實施架構落地的整體技術結構，其超出了單一學科和工程的范圍，需要將獨立技術聯系起來構建成相互關聯、各有側重的新技術體系，在此基礎上考慮功能實現或系統建設所需重點技術集合。同時，以人工智能、5G為代表的新技術加速融入工業互聯網，不斷拓展工業互聯網的能力內涵和作用邊界。

工業互聯網的核心是通過更大范圍、更深層次的連接實現對工業系統的全面感知，并通過對獲取的海量工業數據建模分析，形成智能化決策，其技術體系由制造技術、信息技術以及兩大技術交織形成的融合性技術組成。制造技術和信息技術的突破是工業互聯網發展的基礎，例如增材制造、現代金屬、復合材料等新材料和加工技術不斷拓展制造能力邊界，云計算、大數據、物聯網、人工智能等信息技術快速提升人類獲取、處理、分析數據的能力。

制造技術和信息技術的融合強化了工業互聯網的賦能作用，催生工業軟件、工業大數據、工業人工智能等融合性技術，使機器、工藝和系統的實時建模和仿真，產品和工藝技術隱性知識的挖掘和提煉等創新應用成為可能。（參見圖4）

圖4工業互聯網技術體系

三、工業互聯網體系架構在垂直行業的落地應用

工業互聯網體系架構2.0作為一套數字化轉型的系統方法論，對垂直行業工業互聯網應用推廣和實施落地具有較好的引領指導作用。各垂直行業企業在開展工業互聯網建設應用過程中，可遵循“業務目標-功能要素-實施方式-技術支撐”的主線，結合自身數字化基礎、轉型升級需求和行業整體發展階段，探索重點應用場景的實施部署架構，打造行業共性建設路徑，形成該行業工業互聯網應用指南和數字化轉型方法論。以石化行業智能工廠為例，說明工業互聯網建設的實施部署與應用成效。

我國石化行業信息化、自動化水平基礎相對較好，但隨著全球石化行業競爭加劇，我國石化企業轉型升級迫在眉睫，以工業互聯網為基礎的石化行業智能工廠建設成為行業高質量發展的重要選擇，中石化、中石油、中海油等行業龍頭企業紛紛進行布局。

（一）業務視角

在產業層面，石化行業通過工業互聯網連接人、機、物全要素，油氣開采、集輸、煉化、銷售全產業鏈和全價值鏈，通過數據驅動石化行業技術創新，有效提高生產運營效率，顯著優化產業資源配置，實現石化行業全要素生產率的全面提升。

在企業和商業層面，石化企業的目標是基于工業互聯網實現全企業信息、物質、能源、資金的感知、分析與協同優化，形成智能化決策，一方面提高企業技術水平與生產管理水平，降低安全風險，實現綠色生產，另一方面提升市場預測能力，降低市場風險對企業的影響。

在應用層面，石化企業主要關注三方面內容，一是生產管控一體化，即通過對生產數據與經營數據的深入分析實現生產與經營的協同，使企業可以快速基于市場信息調整生產計劃。二是產業鏈價值鏈一體化，即通過打通產供銷各端數據，實現基于價格預測的采購與銷售優化和基于原油品質的生產決策優化。三是資產全生命周期一體化，即基于設備運行數據分析，實現大型壓縮機等高價值設備的預測性維護，優化工廠全生命周期管理。

在能力層面，石化企業需基于工業互聯網建設泛在感知、智能決策、敏捷響應、全局協同、動態優化五大能力，其中泛在感知、智能決策、全局協同是優先需要建設的能力。（參見圖5）

圖5 石化行業工業互聯網業務視角

（二）功能架構

某大型石化集團打造以平臺為核心載體，以網絡和安全為支撐體系，形成全鏈條一體化協同能力。在網絡方面，以現有工業總線和工業以太網為基礎，推進5G、工業TSN等新型網絡的建設部署，強化信息采集與信息傳輸能力。在平臺方面，打造工業互聯網平臺，集成ERP、MES等信息化系統，面向工藝與能耗優化、設備運行管理等領域，通過大數據建模分析提供優化服務。在集團層面開展不同煉廠、產業鏈不同環節的資源調度。在安全方面，形成“云網端”一體化信息安全防護技術體系。（參見圖6、圖7）

圖6 石化行業工業互聯網功能架構

圖7 石化行業工業互聯網平臺架構

（三）實施框架

某石化集團智能工廠建設與工業互聯網實施思想保持一致，指導集團實現智能化、協同化生產管理應用部署。在實踐中，主要以集團工業互聯網平臺和企業智能制造平臺為核心，劃分為集團CLOUD層和現場SITE層，后者包括以油田和煉廠等代表的企業執行層、以檢化驗和診斷等能力為代表的邊緣實施層、以感知和控制為代表的SCADA層。該體系旨在實現上下游單位協同、廠內上下工序協同，在集團層探索產業鏈資源組織，在企業層關注具體研究、生產、運營等任務的執行管理，在邊緣層滿足數據分析和診斷要求，在SCADA層實現網絡全局覆蓋和復雜設備接入。（參見圖8）

圖8 某石化集團智能工廠實施框架

石化行業整體工業互聯網應用探索取得了初步成果，一是生產管控一體化程度提高，如九江石化自2014年以來通過全流程優化，增效5億元。二是產業鏈價值鏈一體化進展顯著，如中石化化工板塊通過動態監測企業、產品鏈以及裝置盈利情況，結合市場趨勢，增產高附加值產品，2017年優化停產39套裝置，增產35萬噸乙烯，增效6.6億元。三是資產全生命周期一體化實踐增強，如茂名石化通過動設備健康分析模型對壓縮機組進行監測分析，避免因設備故障引起的停工損失約1365萬元。

四、工業互聯網架構的未來發展與演進

工業互聯網體系架構2.0在當前階段具有一定引領性和超前性，但由于當前技術的限制，在應用實施方面還存在諸多問題。具體來說，在網絡方面存在各層級網絡的功能割裂難互通，數據體系互不兼容，標識編碼規則和標識數據模型不統一等問題。在平臺方面存在數據集成管理難度大，數據挖掘應用不充分，應用創新不靈活等問題。在安全方面存在隱私和數據保護力度不夠，安全防護能力待提升，安全可靠性不充分等問題。未來，隨著新技術的演進和產業實際需求的變化，工業互聯網架構將持續發展與演進。

（一）網絡體系發展與演進方向

一是網絡架構趨向扁平化，IT與OT網絡加速融合。數字化新業務對高實時控制信息與非實時過程數據傳輸產生了更高要求，有線與無線網絡走向融合互補，共同構建全流程、無死角的全場景網絡覆蓋。二是網絡協議更加開放。新型網絡技術將打破傳統工業網絡技術壁壘，實現各層網絡協議解耦，傳統工業控制閉環中的數據將逐漸開放出來供上層應用使用。三是邊緣側智能化程度逐步提高。為適應生產現場與產品側高實時性的場景需求，未來計算能力將逐漸下沉，通過在網絡側、邊緣設備嵌入人工智能算法等手段，有效緩解網絡負載，提升邊緣側可處理任務的復雜程度。

（二）平臺體系發展與演進方向

一是平臺智能化水平大幅提升。基于平臺的數據智能成為整個制造業智能化的核心驅動，大數據、人工智能技術持續拓展數據分析應用的深度和廣度，強化生產過程中的智能分析決策能力。二是平臺支撐協同化能力持續深化。通用組件、共性能力加速沉淀，產業鏈價值鏈各方接入平臺范圍大大擴展，實現全產業鏈、多領域、跨邊界的協同協作。三是平臺開放性靈活性不斷增強。傳統本地部署的工業軟件向平臺遷移與云化原生拓展，業務模型解耦與功能訂閱等模式創新加速應用的靈活組織與工業知識的沉淀復用，助力企業更敏捷的適應市場變化，不斷提升企業創新探索效率。

（三）安全體系發展與演進方向

一是工業互聯網安全核心技術突破加速。人工智能、大數據、區塊鏈、量子計算等發展助力安全核心技術加速突破，助力實現安全預警與決策的高度智能和自動化。二是新型技術融合應用深化帶動安全防護理念變革。傳統的事件響應式向持續智能響應式轉變進程加速，未來對特定應用場景下的專用安全產品與安全平臺應用提出了更高要求。三是工業互聯網數據安全加快發展。有效提供數據全生命周期的分級安全防護成為工業互聯網深度應用發展的必要前提，工業互聯網數據安全管理體系構建、跨境數據安全監測與保護手段健全成為安全體系發展的重要方向之一。

審核編輯 ：李倩