4.1　美国“工业互联网”

4.1.1　起源

自18世纪以来，美国制造业在世界长期保持领导力和竞争优势。随着贸易全球化与信息技术的飞速发展，美国制造业呈现“去工业化”的特征，即将前端的生产制造外包出境，注重产业链后端的营销和服务，随之而来的是美国制造业的经济贡献持续下滑、劳动力大量减少。

2008年的金融危机给美国经济带来重创，美国制造业更面临严峻挑战，为了保持美国在全球制造业的领先地位，奥巴马政府于2009年大力推行“再工业化”发展战略，同年12月公布《重振美国制造业框架》。美国“再工业化”的主旨在于鼓励制造企业重返美国，振兴国家的制造业体系。

“再工业化”并不是简单地复制美国传统制造业的模式，而是希望通过领先技术与工业的结合，重塑国家的制造业体系，形成新型的竞争优势。从2011年起，美国从政府层面和产业层面先后提出先进制造战略，加速推动美国“再工业化”进程。美国总统科技顾问委员会（PCAST）发布的《捕捉美国先进制造业的竞争优势》《加速美国先进制造业》与美国总统行政办公室颁布的《美国国家制造创新网络战略计划》被称为“美国先进制造三部曲”。

《捕捉美国先进制造业的竞争优势》（AMP 1.0）发布于2012年7月，该报告指出，应从“支持创新”“确保人才输送”和“完善商业环境”三大核心入手重塑美国制造业。先进制造业伙伴关系（AMP）指导委员会围绕这三大核心提出，应该号召美国社会各界力量，加大制造业技术研发投资，构建国家制造创新网络，建立培训体系培养制造业人才，颁布税收、监管、能源等政策完善制造业的商业环境。

在AMP 1.0的研究成果基础上，2014年10月美国发布《加速美国先进制造业》（AMP 2.0），旨在围绕三大核心，落实重要建议、制定具体战略、采取具体举措。同年，美国总统科技顾问委员会建议美国在推动“先进制造”的过程中，应该遵循一套整体的、系统的战略计划，并且高度重视“美国国家制造创新网络”的重要作用。

2016年2月，由美国总统办公室牵头，联合美国科技委员会、先进制造国家项目办公室发布《美国国家制造创新网络战略计划》，该计划包括两个重要内容，其一是构建美国制造创新研究所，其二是搭建整个制造创新网络。美国国家制造创新网络的目的在于整合业界、学界、政府部门等社会主体，共同助力制造业的创新与发展，加强其产业优势，带动国家经济繁荣。

美国先进制造的战略核心在于成立制造创新研究所与搭建制造创新网络。制造创新研究所是美国制造创新的平台，汇聚来自社会各行各业的企业、学术研究机构、政府部门等相关利益方，通过公私合作的方式，共同投资和支持创新研究所的成立与发展，共同使用创新研究所的设施与服务。制造创新网络是连接美国全国范围创新平台的网络，网络中的创新中心可以相互分享有价值的经验、利用跨领域的知识，促进技术转化，加速制造劳动力发展，确保制造业的可持续发展。

2012年奥巴马政府提议建立制造创新研究所，由美国国防部、能源部等部门牵头实施。制造创新研究所的主要功能，包括先进制造及时的研发、应用、示范和推广，培养和培训专业技能人才，降低制造生产的成本和风险，鼓励社会成员广泛参与等。

2014年年底，美国通过《振兴美国制造业和创新法案》，以法规形式确定了制造业创新中心关注的重点技术，规定了政府对创新中心的资助资金要求，创新研究所采用公私合作的方式。在研究所5-7年的初始投资期间，非政府部门的投资必须等于或超过政府部门的投资；在初始投资期之后，研究所要能够自给自足。

从美国先进制造的整体战略来看，创新研发的推动主要依靠奥巴马政府着力打造的“国家制造业创新网络（NMD）”。在网络职能方面，美国《国家制造创新网络计划2015年度报告》总结了四大职能，即构建网络、促进增值和跨网络合作、建立网络与外部利益相关者的有力沟通、维护加强与发展网络。

在网络构建过程中，能源部、国防部、商务部、教育部、农业部、美国国家航空航天局、美国联邦航空管理局、美国食品药品监督管理局、美国国家卫生基金会等联邦机构成为主要的组织指导机构。商务部在全国范围内建立制造创新研究所组成的创新网络，并逐步扩大网络的影响力，增强美国制造业的全球竞争力。

截至2015年年底，美国已有9家处于不同阶段的制造创新研究所，到2016年年底所资助的研究所数量增至15家；之后这些机构的数量增加到45家，成为推动先进制造创新研发的中坚力量。

为了促进信息通信技术与工业体系的融合，美国发布《美国CPS框架草案》和《美国工业互联网参考架构》，从技术和标准上对网络体系的构建提出指导建议。

在政府和私营部门的大力推动下，美国很有可能出现以无线网络技术全覆盖、云计算大量运用和智能制造大规模发展为标志的新一轮技术创新浪潮。软件和互联网经济发达的美国更侧重在“软”服务方面推动新一轮工业革命，希望借助网络和数据的力量提升整个工业的价值创造能力。

可以说，美国的先进制造业革命实际上就是工业互联网革命。而在此过程中，除了美国政府的政策扶持外，行业联盟的率先组建成为发展的重要推手。

4.1.2　主要概念与框架

工业互联网的概念最早由美国通用电气公司（GE）于2012年提出，随后联合思科、英特尔、AT&T等IT巨头公司组成“工业互联网联盟”（IIC），将这一概念大力推广开来。除通用电气这样的制造业巨头外，加入该联盟的还有IBM、思科等企业。

美国工业互联网是指“利用CPS将人、数据和机器连接起来，由智能设备采集大数据，利用智能系统进行数据挖掘和可视化展现，形成智能决策，为生产管理提供实时判断参考，指导生产、优化工艺，实现制造业的数据流、硬件、软件的智能交互”。工业互联网联盟主要负责推动通用工业互联网标准的制定、利用互联网激活传统制造过程、促进实体空间与网络空间的整合、保障制造创新网络的搭建。

工业互联网联盟采用开放成员制，致力于发展一个“通用蓝图”，使各个厂商设备之间可以实现数据共享。该蓝图的标准不仅涉及Internet网络协议，还包括诸如IT系统中数据的存储容量、互联和非互联设备的功率大小、数据流量控制等指标。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。

2017年1月31日，美国工业互联网联盟发布1.8版的工业互联网参考架构（IIRA v1.8），如图4-1所示。此次发布的1.8版IIRA是基于2015年6月17日发布的1.7版本，其中融入了快速出现的新型工业物联网（IIoT）技术、概念和应用程序。施耐德电气全球工业和政府事务高级副总裁、IIC指导委员会主席John Tuccillo表示：“IIC致力于向IIoT社区提供实用的可交付成果，代表了IIoT的最新思想。IIRA和现在的IIRA v1.8是朝物联网工业部门开放、创新和蓬勃发展的技术开发生态系统迈出的第一步。”

鉴于在最新的参考架构IIRA v1.8采用“工业物联网参考架构”的说法，相对于“工业互联网”这一具有明显特定公司的属性而言，“工业物联网”显得更加中性。

概括性地讲，IIRA v1.8的发布是上一版渐进性的增强版，它继承和保存了以上所述的基本特征和内容。首先，它重新定义了几个关键的理念和关系，突出它们的重要性或使其易于理解；其次，它进一步澄清了工业互联网参考架构如何用于创建参考架构本身的内容，以及如何应用参考架构来创建具体的IIoT架构。IIRA v1.8也增强了对IIRA的普遍适用性和与系统生命周期过程的关系的描述，以及功能域、跨域功能、系统特性的概念和关系，如图4-2、图4-3所示。

美国采用“工业物联网”的说法来代替“工业互联网”，表明工业物联网相对更加准确地描述了“制造业+互联网”的本质特征和架构需求，对制造业与互联网融合具有广泛的指导意义，适用于能源、医疗、农业、零售、智慧城市等各个行业，这个概念显然已经超越了信息通信网络基础设施的范畴。

在IIRA v1.8中涉及的IIoT核心概念和技术适用于制造、采矿、运输、能源、农业、医疗保健、公共基础设施建设等。

“人们已经广泛认识到IIoT提供的价值和转变业务的重要性，现在很多企业面临的主要挑战是如何开始”，IIC架构任务组联席主席、美国Thingswise公司CEO Shi Wan Lin如是说。IIRA从商业角度提供了一个驱动IIoT项目的框架。这对企业构建能够提供预期业务价值的IIoT系统很有价值。

技术供应商可以使用IIRA的概念和方法来构建可互操作的系统组件，以解决尽可能广泛的市场。系统实施者可以使用IIRA作为起点，通过部署可重用的，商业化的或开源的系统构建块来缩短系统开发时间，以降低项目风险和相关成本。最终，IIRA将帮助IIoT社区实现开放、创新的IIoT生态系统，从而降低设计和运营成本（见图4-4）。

IIC边缘计算任务组联合主席、思科公司物联网全球制造解决方案架构师Todd Edmunds表示：“IIC的价值在于它汇集了一组多样化的人才，拥有非凡的知识以开发创新技术来解决企业级的工业挑战。IIRA加速了数字化业务解决方案的开发，并实现了IIoT转变行业的真正潜力。”

在IIRA v1.8中添加了一些新的实质性内容，例如探讨IIRA功能域如何映射到计算部署的连续空间，反映了IIoT架构中最新的（如在边缘计算方面）思考。计算问题正在受到更多的重视，曾作为通信运营商与云计算争夺价值空间的一个重要手段，在网络边缘部署分布性计算能力。

IIRA v1.8保留了IIRA原始版本的第1部分，并将相应的第2部分独立出来，作为单独的技术报告在随后发布，因为其部分内容正被刚刚发布的《工业互联网安全框架》（IISF）和其一些即将发布的独立框架技术报告所代替。

总的来讲，IIRA为跨产业的IIoT社区提供了一个具有通用性和一致性的架构模板和方法。它促进在跨产业的范围使用通用概念和共享词汇，易于讨论系统的规范、比较差异，有助于在IIoT系统的设计、实施和操作过程中分享经验和共享专业知识；它提供了一个通用的架构，作为确定IIoT系统内部和跨系统的互操作性需求和解决方案的基础，支持产业垂直系统内部和跨产业的广泛互操作性；它为供应商提供了一个通用架构，以创建具有跨行业的适用性和互操作性；它为系统实施者提供了一个通用架构，作为设计的起点并选择现成的商业系统或开源系统构建块和技术框架；它有助于推动跨产业的并具有开放性、创新性和广泛性的技术生态系统。

IIRA旨在增强IIoT社区构建能保障人身安全和系统安全以及可靠IIoT系统的能力，并为IIoT系统的开发减少工作量、降低风险和成本以及缩短系统构建的周期。

4.1.3　发展趋势

于2012年率先提出IIoT概念的通用电气公司预测，未来IIoT有望影响约32.3万亿美元的全球经济。市场研究公司Marketsand&Markets的最新调查报告显示，2018年全球IIoT市场规模约640亿美元，预计将在2023年成长至914亿美元，2018年至2023年五年间的年复合成长率将为7.39%。

在全球现今普遍重视创新技术的背景下，IIoT的市场规模有望实现较大幅度成长，发展后劲十足。此外，针对区域市场，该报告显示，在2018—2023年间，亚太地区（APAC）的IIoT市场年复合成长率最高，其中包括中国和印度、东南亚等新兴经济体的基础设施和工业发展持续促进IIoT市场的成长，该区成为全球一个相对重要的制造业发展中心。目前，全球的IIoT格局大致仍以美国、德国、日本等先进国家为翘首，各国龙头企业引领IIoT的推动。德国在工业领域积累深厚，在产品制造研发、自动化系统、工业控制等方面，拥有全球知名的大型企业和中小企业隐形冠军。

美国在软件、平台服务领域处于领先地位，拥有如IBM、微软（Microsoft）、甲骨文（Oracle）等全球软件服务领导品牌，近年致力转型为软件服务公司的GE也因为IIoT的崛起成为领导厂商之一。GE公司的Predix软件平台协助GE的公用事业和航空公司等客户收集和分析数据，更有效率地管理设备。同时，GE也是最早提出IIoT概念的企业，Predix作为IIoT平台的领导者，倘若GE决定向市场出售，对业界将产生重大影响。

现在IIoT软件处于一个竞争日益激烈的市场状态，对手有微软、IBM和西门子（Siemens）等，更有许多制造企业正沿着GE的老路参与竞争。但要突破这个跨产业竞争扩张和向软件企业转型的门槛，需要付出加倍努力。IIoT从两个角度来看，一是“物联网+”、另一则是“+物联网”，前者以互联网为商业模式向产业发展，例如阿里巴巴建构一个互联网平台；后者则是倾向把互联网当作一个辅助工具，利用互联网技术把现有的产品设计、制造、营运等业务导入数字化、数据化的概念，从而优化业务并产生更多新的经济效益。

有些“工业+物联网”发展到一定阶段，将不再局限自身的服务或产品，而是提供服务平台，利用自身的能力协助其他公司复制其成功模式，最终实现真正的以互联网为核心的“物联网+工业”，GE就是一个典型企业代表。GE在累积了多个产业的专业分析能力后将平台对外开放，协助其他企业利用服务平台进一步优化营运。然而这个阶段的转型实非易事，尤其是跨产业的客户，若自身未具备一定的资本规模或产业专精技术，以及对市场的把握，将很难在竞争浪潮中站稳脚跟。即便是被称工业巨头多年的GE也经过了多次并购才完成对IIoT市场的积累与策略布局。GE欲出售Predix，并不意味GE放弃IIoT的前进探索，可窥见产业巨头转型IIoT平台也非一蹴而就，其过程中或伴随些许转型阵痛，这提醒了更多相关企业在建设发展IIoT之路时，不能过于盲目发展，而需要更加谨慎和理性。

在转型过程中，多数企业会选择与合作伙伴强强联手，协同共进，以各自的技术优势和强项彼此互补，相互通过技术共享促进工业互联向前发展。如西门子的MindSphere是联合SAP基于开源的Cloud Foundry架构打造的；施耐德电机（Schneider）的EcoStruxure基于微软Azure提供更广泛的软件应用。另外，ABB、IBM、海尔的COSMOPlat等也都以开放之姿吸引开发者加入生态圈。IIoT无法闭门造车，就现阶段的发展看来，一家企业或仅凭借一己之力很难创造一家独大的局面。

与此同时，在全球IIoT的总体格局日渐清晰的情况下，美、德、日等国纷纷以龙头企业为引领，加速产业合作，加快推进IIoT的发展步伐。其中，国际工业互联网联盟是国际上较有代表性的IIoT组织，其涵盖了全球主要国家和龙头企业，该联盟汇聚了31个国家和地区、246家成员单位，有40多家跨国企业展开大量测试床建设部署，并与德、法、日等多国建立对话机制，与全球20多个知名企业组织形成合作关系，成为推进全球IIoT的重要联盟引擎之一。如前所述，当前，特别是亚太地区的IIoT市场发展备受瞩目，这也促使许多西方制造大企业西风东进，日益重视亚太地区市场，更看重在亚太地区势头强劲的中国市场。近来德国西门子和阿里巴巴集团旗下的阿里云，于柏林签署多项双边合作协议，总金额近200亿欧元，未来将通过工业4.0技术与云端基础建设，推出数字营运平台MindSphere。