工业物联网

物理系统
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工业互联网成为主要发达国家重塑制造业竞争优势的关键举措
工业互联网是实现制造业智能化的核心，目前全球主要国家正加快工业互联网 战略布局，以抢占未来制造业竞争的制高点。 美国：先进制造战略
先进制造战略 工业互联网/CPS：先进制造战略的重要 创新方向和基础
德国：工业4.0战略
工业4.0战略 工业互联网/CPS：工业4.0的核心基础
物理设备控制 分技术委员会
（SC1）
机器人与机器 人装备 分技术委员会
（SC2）
工业数据 分技术委员会
（SC4）
体系结构、通
信和集成框架 分技术委员会
（SC5）
•
ISO的工业互 联网标准化 基础
• • •
1、传统工业数据标准 2、开放系统集成标准 3、智能机器人软件标准
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小结
• 美德等都非常重视标准化工作，也非常重视发挥产业力量 德国标准化学会（DIN）和德国电气电工信息技术委员会（DKE） 工业4.0协调组、德国工业4.0理事会 美国产业驱动成立工业互联网联盟IIC • 主要标准化方向涉及 总体标准（需求、参考架构、业务用例、安全等） 智能装备/产品标准。IEC/TC65、ISO/TC184等推动工业用传感器 、测量仪表、服务机器人等标准，云管端模式发展，装备标准需统 筹考虑工业软件（包括嵌入式终端操作系统等）标准 网络互联标准。传统工业现场总线和工业以太网标准并存，未来面 向无线化、IP化的网络互联技术和产品标准将成为重点 数据标准：数据描述、数据集成协议（语法、语义）、数据平台等 相关标准 安全标准。安全体系以及设备、网络、数据、服务等安全相关标准
德国工业4.0参考模型
2015年4月，《德国工业4.0实施战略》提出参考模型RAMI 4.0，其本质是从工业角度出发， 结合已有工业标准，将以“CPPS（信息物理生产系统）”为核心的智能生产功能，映射到全 生命周期价值链和全层级工业系统中，以简单直观的方式呈现数据驱动的工业智能化图景。
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工业4.0参考模型
美国是利用基础科学、工业、信息技术、互 联网等领域的综合优势，构建全球性的生态 体系组织，从大数据应用等“软服务”切入 ，带动工业全流程、全环节竞争力的整体提 升。
德国重点是基于制造装备、工业自动化、工 业软件等方面的领先地位，通过全工业体系 的协同（研究机构、协会、大学等），强化 “硬制造”优势，同时拓展“软服务”能力 。
工业通信网络通信协议IEC61158-X
工业无线通信网络
IEC62591(WirelessHart) IEC62601(WIA-PA) IEC62734(ISA 100.11a)
功能安全 IEC61508
过程工业功能安全 IEC61511
IEC的工业互 联网标准化 基础
• • •
1、传统工业现场网络通信标准 2、三大工业无线网络标准 3、传统工控系统安全标准
安全
应用安全
总 体 架 构
应用支撑
网络：本质是实现数据智能的
网络基础，包括网络互联、标识
解析、应用支撑三大体系。
数据安全
控制安全
标识解析 数据集成处理
安全：本质是工业/产业互联网
各个领域和环节的安全保障，包
设备安全 网络互联 产业数据 采集交换 生产 反馈控制 网络安全
括设备安全、控制安全、网络安
全、应用安全等。
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工作互联网涉及的主要标准化组织
工业标准化组织 工业标准化协会和联盟
ISA 美国 仪器 协会 HAR T通 信基 金会 FDI( 现场 设备 集成) OP C基 金 会
工业标准 化组织
（工业过程测量、 控制和自动化）
IEC TC65
（自动化系统 和集成）
ISO TC184
IIC
国标委
国标委
TC124（
用户（消费者/企业用户）
产业视角 智能化生产
企业内
应用
网络化协同
企业-企业
数据：本质是数据智能在工业
中的全周期应用，包括“采集交 换-集成处理-建模分析-决策与 控制”，形成优化闭环，驱动工 业智能化。
互联网视角
企业-用户
个性化定制
服务化延伸
企业-产品
网络
数据
车间/工厂/企业 运营决策优化 产业建模、仿真与分析
依托高性能的综合数据分析处理，形成的更 深层次的工业系统优化闭环
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IIC加速全球化布局
与德国开展参考架构对接 推动成立国家分部
美国（IIC总部）
中 国
日 本
印 度
德 国 已成立
组织ISWC，打造工业互联网领域的“巴展”
IIC于2015.9月在巴塞罗那举办首届IoT Solution峰会ISWC （IoT Solution World Congress），埃森哲、GE、IBM、微软、Vodafone作为钻石赞助商， 吸引超过4500人参加，120多名嘉宾发表演讲，89家厂商参展，召开83个 session，11个测试床项目集中展示 16
美国工业互联网参考架构-功能视角
工业互联网系统功能架构
数据信息流 决策任务流
1. 工业互联网系统功能包括五个方面，分别 是控制、运营、信息、应用和商业。
− 控制域是实现信息世界与物理世界交互的关键。 − 信息域具备数据汇集、分析、分发功能，是其它 模块优化的核心驱动。
CPS架构中能够更好体现
2. 数据信息流与决策任务流
• 测试床
通过测试床：20个 待通过测试床：4个 其中中国牵头测试床：2个
• •
城市智慧供水（威派格+新思维+信 通院） 生产质量管理（华为+海尔+中国电 信+信通院）
链接： https://www.iiconsortium.org/members/gr oups/testbed/index.htm
IEC：工业网络及工控安全标准化为主
已有主要标准示意图
网络与系统 安全 IEC62443 设备行规 IEC61784-1 IEC61784-2 功能安全行规 IEC61784-3 网络信息安全 IEC61784-4 工业控制系统 通信网络安装 IEC61918 安装规范 IEC61784-5 高可用性 IEC62439 无线共存 IEC62657
云计算/ 边缘计算
端 到 端 数 据 流 动
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工业互联网的范畴
行业应用
智能制造
个性化定制 供应链协作 协同制造 …… 工业云平台 制造管理平台（实时监测、系统控制） 工业网络
智能装备
智能网连汽车 … 智能家居
工业互联网
传感终端 生产设备本体
泛在感知终端
+
先进材料
3D打印
元器件
工艺与整机 …
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核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能
功 通信 能 集成 资产
3
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工业互联网联盟（IIC）-总体情况
IIC工作范畴 • 2014年4月成立 • IIC由GE、IBM、Intel、 • IIoT应用案例分析，参考架构和关键技术方向总体 AT&T、思科五家单位发起 设计，提炼标准需求，推动安全框架设计，搭建 测试床，提供系统解决展示平台和设计支撑，加 • IIC由对象管理组织(Object 速全球产业发展； Management • IIC定位为产业推广组织 Group,OMG)管理 IIC组织架构
端
智能装备 机器人 智能产品 ……
管
工厂/企业外互联 工厂/企业内互联 信息/生产系统互联 ……
云
工厂/企业内专有云 外部专有云/公有云 ……
工业/产业基础
先进材料
先进工艺
行业经验/知识/技能
其它基础…
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我们理解的工业互联网总体架构
三大智能化闭环：智能生产控制、智能运营决策优化、消费需求与生产制造精确对接
CPPS功能图层
商业 功能 信息 CPPS
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CPPS功能视角：“资产层-集成 层-通信层-信息层-功能层-商业 层”，是智能生产能力的解构。 价值链视角：基于IEC62890， 描述零部件、机器、工厂等单元 从原型到实物的价值生成全过程 工业系统视角：基于IEC62264 和61512，将工业层级分为“现 场设备-控制设备-工段-车间-企 业”为基础，并拓展到“产品” 和“世界”，构建完整工业系统 。 工业4.0的关键是将CPPS功能( 维度1)映射到全生命周期价值链 (维度2)和工业系统(维度3)中， 实现三大集成。
—工业互联网是网络，实现机 器、物品、控制系统、信息系 统、人之间的泛在联接 —工业互联网是平台，通过工 业云和工业大数据实现海量工 业数据的集成、处理与分析 —工业互联网是新模式新业态 ，实现智能化生产、网络化协 同、个性化定制和服务化延伸
工厂外网络/ 全球互联网络
云计算
工厂内 网络
IT网络 OT网络
• 应用案例
目前IIC已通过的应用案例共22 个，累计应用案例35个
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美国IIC的工业互联网总体架构
2015年6月，IIC提出工业互联网参考架构（1.7版本），重点面向“工业互联网系统 ”开发，以ISO/IEC/IEEE 42010（软件系统“架构描述”）标准作为系统架构设计 方法论，提出了包含四个视角的参考架构。
IIC指导委员会
IIC工作人员
技术工作组
安全工作组
测试床工作 组
商业生命周 期战略及解 决方案组
市场组
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工业互联网联盟（IIC）--主要进展
• 成果发布
2015.7 2015.6 2016Q1 2016Q2 2016Q2 2016Q2 2016Q2 2016.6 工业互联网术语 工业互联网参考架构1.0 工业互联网网络连接参考架构技术 工业互联网参考架构2.0 动态组合和协同技术报告 产业分析框架文档 商业战略白皮书 分布式数据管理和互操作参考架构
无论美德使用何种名词，均将工业互联网作为变革工业和确立竞争新优势的技术基础，注重 将顶层设计与优势企业主导相结合，突出数据在整个架构中的核心作用，加快相关领域标准 化进程。
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主要内容
1. 工业互联网内涵 来自百度文库. 全球工业互联网标准进展
3. 工业互联网标准体系
4. 工业互联网产业发展 5. 我国工业互联网重点
工业过程测量 和控制）
TC159（
自动化系统与 集成）
美国 NIST
德国 工业4.0
。。。
中国工业标准化组织
其他国家工业标准化组织
ICT标准 化组织
ISO/IEC JTC1、W3C、ITU-T、TMF、IEEE、IETF等 9
德国工业4.0标准化
工业4.0平台成立五个工作组对关键问题展开研究 • WG1：参考架构，标准与规范 • WG2：研究与创新 • WG3：互联系统安全 • WG4：法律框架 • WG5：用工以及工作岗位等
控制模块、运营模块、应用模块、商业模块的原 始数据均会汇集到信息模块进行集中处理分析， 形成相关优化信息反馈给各个模块； 决策和任务由上至下传递，现有工业系统层级能 够满足由上至下的决策控制。
3. 实时闭环与深层优化闭环
依托边缘计算分析，形成的实时控制闭环
物理实体
边缘实时优化 全系统深度优化
1、发布工业4.0的参考架构模型
2、2015.11，发布工业4.0标 准化路标 V2.0
• • • • •
标准化需求 参考模型 应用案例 基础 非功能性特征
• • • • •
研发和工程 通讯 增材制造 工业4.0中的人 标准化的过程
中德加强标准合作，中德智能制造/工业4.0标准工作组于12月17日召开启 动会，确定后续将加强机器人、智能制造安全保障、预防性维护、无线通 10 信以及国际标准化合作
主要内容
1. 工业互联网内涵 2. 全球工业互联网标准进展
3. 工业互联网标准体系
4. 工业互联网产业发展 5. 我国工业互联网重点
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工业互联网内涵
工业互联网是互联网和新一 代信息技术与全球工业系统全 方位深度融合集成所形成的产 业和应用生态，是工业智能化 发展的关键综合信息基础设施 。
智能化 生产 个性化 定制 服务化 延伸 网络化 协同…
确定利益相关者，及其对建立 工业互联网系统的商业愿景、 价值和目标。
工业互联网的总体架构 architecture 利益相关方 决策者 产品经理 操作者 系统工程师 程序员 或相关组织 商业视角 使用视角 功能视角 实现视角
以具体任务为牵引，确定工业 互联网系统使用过程中人或逻 辑用户的活动序列
确定工业互联网系统的功能要 素、相关关系、接口及交互方 式。 确定实现功能要素的关键技术 、通信方式和生命周期流程 14
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ISO：工业自动化系统集成标准为主
ISO下属第184 技术委员会（即TC184），主要从事工业自动化系统和集成技术标准 化工作，目前工作主要集中于工业自动化领域
从工业互联网视角出发，
ISO TC184
• •
SG2/WG10 服务机器人的模块 化软硬件标准(正在编制) SG4/WG8&13&22&2 在产品数 据表达和交换、零件库结构和制 造管理数据等标准 SC5/WG5&6&7&9 在开放系统 集成框架，应用服务接口、诊断 与应用维护、运行管理等标准
智 能 制 造 数 据 智 能 全 面 互 联
智能化生产
预测性运维
虚拟仿真
网络化协同
资产优化 智能管理 设计协作 供应协作 制造协作
个性化定制 服务化延伸
C2B定制 智能服务 ……
产品良率 智能控制
B2B定制
基于数据自决策自执行 数据采集
跨设备跨系统跨企业数据共享 数据连接与传输
基于数据的建模与智能分析 数据计算与处理