工业互联网技术及应用

工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，继工业革命和互联网革命之后的又一次全球商业浪潮，日益成为新工业革命的关键支撑和深化“互联网 先进制造业”的重要基石，对未来工业发展产生全方位、深层次、革命性影响。工业互联网产业联盟对工业互联网的定义如下：工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合形成的产业和应用形态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。首先，工业互联网是以数字化、网络化、智能化为主要特征的新工业革命的关键基础设施，加快其发展有利于加速智能制造发展，更大范围、更高效率、更加精准地优化生产和服务资源配置，促进传统产业转型升级，催生新技术、新业态、新模式，为制造强国建设提供新动能。其次，工业互联网还具有较强的渗透性，可从制造业扩展成为各产业领域网络化、智能化升级必不可少的基础设施，实现产业上下游、跨领域的广泛互联互通，打破“信息孤岛”，促进集成共享，并为保障和改善民生提供重要依托。*后，工业互联网也是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网相连接、融合的一种结果。工业互联网的本质是通过开放的、全球化的工业级网络平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接和融合起来，高效共享工业经济中的各种要素资源，从而通过自动化、智能化的生产方式降低成本、提高效率，帮助制造业延长产业链，推动制造业转型发展。工业互联网已经成为国际上大多数国家实现智能制造、寻求国家经济新增长点的共同选择。从美国的“先进制造业战略计划”、德国的“工业4.0”、日本“互联工业”、英国的“高价值制造战略”到法国的“未来工业”，全球主要的经济大国、制造业大国都在积极推动制造业转型升级，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起。我国加强工业互联网的顶层设计，国家出台了一系列的政策来推动工业互联网的发展，给予工业互联网强有力的政策支持。工业互联网在快速发展的过程中，也暴露出了许多问题。一是企业自身问题。企业的数字化水平普遍不高、基本自动化和信息化建设不足、数据质量不高，工业互联网平台落地需要先补IT（互联网技术）和OT（运营技术）短板，大量中小型制造企业技术创新能力薄弱，以自身的能力难以实现网络化、数字化、智能化转型。二是网络连接问题。工业设备的多样性、连接层协议的多样性、设备厂商本身协议的封闭性等原因，导致数据分析存在一定的困难。大量设备数据接入平台后，数据结构性、关联性不强，导致工业互联网底层设备连接的困难程度和复杂程度增大。咨询公司Gartner（高德纳）曾预测2020年全球可联网设备数量将达到260亿台，目前全球的平台设备接入水平与此还有很大的差距。三是平台问题。目前，大多数平台储备的工业知识、模型和历史数据远远不够，当为特定行业或者是工业场景提供服务时，难以满足制造企业的业务需要。大多数平台企业在发展过程中以单打独斗为主，在其不擅长的领域投入大量资金和人力，未能很好地整合外部力量，增加了经营风险。平台的产业创新生态还需继续建设，要像西门子、微软、PTC等领先平台企业那样不断建设开发者社区，提供全面的技术资源，吸引各类生态伙伴。我国大多数的平台还没有建设开发者社区，生态合作伙伴的类型和数量远远落后于国外先进水平。四是安全问题。工业互联网的发展意味着工业控制系统将更加复杂化、IT化和通用化，不同工业控制系统互联互通，内部将越来越多地采用通用软件、通用硬件和通用协议，这也将意味着增加信息安全隐患。随着工业控制系统产生、存储和分析的数据海量增长，数据安全保障难度增大，加上缺少应用监管、大量进口等，更多、更复杂的安全问题日益突显，工业互联网信息安全面临严峻挑战。数字化转型是“必做题”，不是“选做题”。工业互联网是加速数字化转型的基石，机遇与挑战并存，所以更需要大家全面了解工业互联网概念、技术及应用。我国人才培养、平台发展、行业应用等多个方面，亟须一本汇聚工业互联网深入原理、系统性技术、全面性平台应用等多方面知识点的教材或专业书，以促进我国工业互联网人才培养和产业发展。本书共分11章，从工业互联网概述，工业互联网基础技术与发展趋势，工业互联网体系架构，工业互联网的网络连接技术，工业互联网平台在边缘层、数据层、融合层、应用层的技术，工业互联网安全技术等方面，介绍了目前主流的典型工业互联网平台与工业互联网应用实践。本书内容简繁得当，实用易学，深刻把握了当前工业互联网现状与发展趋势，剖析了其内在本质机理和核心技术，描述了工业互联网与其他理念、技术等的关系，紧密贴合平台服务与产业应用，帮助大家厘清概念，掌握技术，熟悉应用，了解趋势。同时，本书配套的数字资源包括第2章至第9章和第11章的PPT课件，读者可以通过扫描对应章节后的二维码浏览。以上课件仅限于供读者使用，不得用于任何商业用途。因此，本书可作为普通高等院校机械、控制、计算机、通信、网络安全、智能制造、大数据、人工智能等专业的选修教材，可供从事工业互联网研究、教学的专业人员使用，同时可供企业、研究所、政府部门的工程技术人员、管理人员、推广人员自学和参考。本书由孔宪光任主编，由殷磊、马洪波、常建涛、范济安、骆飚任副主编。本书前言、第1章、第2章、第3章、第10章主要由孔宪光教授编写，骆飚、汪星、程红雨、胡雪、任宜超、童志鹏参与编写；第8章、第11章主要由殷磊教授负责编写，骆飚、陈虎、张明明、叶鹏、杨天澍、范端权、谌渤予、霍延伟、王鹏、孙雪华参与编写；第5章、第7章主要由马洪波教授负责编写，郑珂、陈改革、郭飞、裴莹、程涵、马帅印、王先芝、王白浩、高清俊、杨官彬、张生琨、杨杰、黑惊博、张恒参与编写；第6章主要由常建涛教授负责编写，郭静、刘尧、王佩、王奇斌、杨胜康、崔欢、卢津、孙巍参与编写；第4章、第9章主要由范济安负责编写，荆雷、安岗、李凌、陈丹、李守卿、肖羽、王帅、杨学红、周晓龙、周博、庞粹、吴曦、刘清莉、屈荣荣、丁福恒、李川等参与编写。中国电子技术标准化研究院的苏伟、王程安也参与了本书的编写，对信息物理系统与数字孪生有关章节的编写提供了指导；华中科技大学出版社万亚军、罗雪老师提供了宝贵建议并参与了本书的编辑校对。在此一并表示感谢！感谢陕西联通工业互联网研究院、重庆忽米网络科技有限公司、紫光云引擎科技（苏州）有限公司、西安塔力科技有限公司、海尔数字科技西安公司、宁波和利时智能科技有限公司、美林数据技术股份有限公司、寄云科技有限公司、网易（杭州）网络有限公司、西安启工数据科技有限公司、无锡启工数据科技有限公司、西安大数据创新发展研究院、三一重机股份有限公司、老虎表面技术新材料（苏州）有限公司、榆林智慧能源大数据应用重点实验室、广州明珞汽车装备有限公司、广州旭丰工业互联网有限公司、浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司、陕西云境网络信息科技有限公司、陕西电信、中兴通讯、西安本愿科技有限公司、上海中制大数据科技有限公司、中铁一局集团有限公司智能科技分公司、西安瑞特三维科技有限公司提供了工业互联网平台及应用实践案例。感谢陕西省工业和信息化厅副厅长黄新波教授、康健处长、高翔处长，西安电子科技大学、西安邮电大学、陕西省通信管理局、陕西省生态环境厅、陕西省科学技术厅、西安市工业和信息化局、西安市大数据资源管理局、西安市科学技术局、陕西省工业互联网协会、陕西省大数据与云计算产业技术创新战略联盟、西安塔力数字孪生研究院的领导，陕西省信息化工程研究院朱志祥教授，陕西省高端装备与智能制造产业研究院赵红武院长，西安市工业互联网研究院院长张小平教授，中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心主任于秀明，中国工业互联网研究院数据所所长张毅博士，三一集团董事、三一重工总裁俞宏福教授，广州明珞汽车装备有限公司姚维兵教授，南京康尼机电股份有限公司副总裁刘文平，eworks CEO 黄培博士，重庆忽米网络科技有限公司CEO巩书凯教授，陕西联通总经理陈继秋、副总经理李武，陕西法士特汽车传动集团有限责任公司副总经理陆成长，陕西重型汽车有限公司副总经理崔友昌，中国航空油料集团有限公司研发中心主任周文研究员，中国航空精密机械研究所副所长戴铮博士、李中权教授、何光荣研究员，中国航空工业集团公司飞机设计研究院副总师程普强研究员，中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所宋晶部长，西北工业大学何军红教授，西安中兴通讯终端科技有限公司研发中心主任于宏全研究员，产学研合作总监林庭武博士对本书的指导！编者

本书分别从工业互联网概述，工业互联网基础技术与发展趋势，工业互联网体系架构，工业互联网的网络技术，工业互联网平台在边缘层、数据层、融合层、应用层的技术，工业互联网安全技术介绍了目前主流的典型工业互联网平台与工业互联网应用实践。为了方便教学和自学，本书还配有相关数字资源，可以通过扫描书中二维码浏览。 本书可作为普通高等院校及职业院校机械、自动化、计算机、电信、网络安全、智能制造、大数据、人工智能等专业“工业互联网技术及应用”课程教材，也可供从事工业互联网技术研究和应用的企事业单位工程技术人员、管理人员、推广人员参考。

本书分别从工业互联网概述，工业互联网基础技术与发展趋势，工业互联网体系架构，工业互联网的网络技术，工业互联网平台在边缘层、数据层、融合层、应用层的技术，工业互联网安全技术介绍了目前主流的典型工业互联网平台与工业互联网应用实践。为了方便教学和自学，本书还配有相关数字资源，可以通过扫描书中二维码浏览。 本书可作为普通高等院校及职业院校机械、自动化、计算机、电信、网络安全、智能制造、大数据、人工智能等专业“工业互联网技术及应用”课程教材，也可供从事工业互联网技术研究和应用的企事业单位工程技术人员、管理人员、推广人员参考。

从事面向智能制造（建造）工业大数据技术与新一代智能信息物理系统，在工业大数据、工业互联网、工业人工智能、工业数字孪生与CPS方面，主持国家发改委大数据专项、国家科技重大专项、工信部智能制造新模式、工信部智能制造标准、工信部工业互联网专项、国家自然基金面上项目、国防科工局、装发、省国际合作交流项目、省统筹创新项目、*大数据群项目、*工业大数据创新应用等30多项，拥有发明专利50多项，参与国家CPS标准和CPS白皮书编写。

第1章绪论(1)

1.1工业互联网的概念(1)

1.2工业互联网与互联网(2)

1.3工业互联网与物联网(3)

1.4工业互联网与智能制造(5)

1.5工业互联网发展现状(6)

本章小结(8)

本章习题(8)

第2章工业互联网基础技术(10)

2.1物联网技术(10)

2.2网络通信技术(16)

2.3云计算技术(23)

2.4工业大数据技术(31)

2.5信息安全技术(44)

本章小结(47)

本章习题(48)

第3章工业互联网体系架构(49)

3.1工业互联网体系架构(49)

3.2工业互联网的网络体系(59)

3.3工业互联网数据体系(63)

3.4工业互联网安全体系(64)

本章小结(66)

本章习题(67)

第4章工业互联网的网络连接技术(68)

4.1工厂内外网络(68)

4.2工业设备/产品接入与联网(77)

4.3工业互联网的标识解析(85)

4.45G与工业互联网(93)

本章小结(97)

本章习题(97)

第5章工业互联网平台边缘层技术(98)

5.1边缘计算(98)

5.2工业大数据采集(106)

本章小结(115)

本章习题(115)

第6章工业互联网平台数据层技术(116)

6.1工业互联网大数据管理(116)

6.2工业互联网大数据分析(124)

本章小结(128)

本章习题(129)

第7章工业互联网平台融合层技术(130)

7.1数字孪生(130)

7.2工业互联网与数字孪生(141)

7.3信息物理系统(CPS)(143)

本章小结(156)

本章习题(156)

第8章工业互联网平台应用层技术(157)

8.1工业应用开发技术(157)

8.2微服务技术(161)

本章小结(172)

本章习题(173)

第9章工业互联网的安全技术(174)

9.1接入安全技术(174)

9.2平台安全技术(179)

9.3访问安全技术(184)

9.4工业互联网与区块链(187)

本章小结(188)

本章习题(188)

第10章典型工业互联网平台(190)

10.1国外工业互联网平台(190)

10.2国内工业互联网平台(193)

10.3工业互联网平台使用体验(222)

本章小结(223)

本章习题(223)

第11章工业互联网应用实践(224)

11.1工业互联网典型应用(224)

11.2工业互联网行业应用(226)

本章小结(267)

本章习题(267)

参考文献(268)

本书分别从工业互联网概述，工业互联网基础技术与发展趋势，工业互联网体系架构，工业互联网的网络技术，工业互联网平台在边缘层、数据层、融合层、应用层的技术，工业互联网安全技术介绍了目前主流的典型工业互联网平台与工业互联网应用实践。为了方便教学和自学，本书还配有相关数字资源，可以通过扫描书中二维码浏览。 本书可作为普通高等院校及职业院校机械、自动化、计算机、电信、网络安全、智能制造、大数据、人工智能等专业“工业互联网技术及应用”课程教材，也可供从事工业互联网技术研究和应用的企事业单位工程技术人员、管理人员、推广人员参考。

从事面向智能制造（建造）工业大数据技术与新一代智能信息物理系统，在工业大数据、工业互联网、工业人工智能、工业数字孪生与CPS方面，主持国家发改委大数据专项、国家科技重大专项、工信部智能制造新模式、工信部智能制造标准、工信部工业互联网专项、国家自然基金面上项目、国防科工局、装发、省国际合作交流项目、省统筹创新项目、*大数据群项目、*工业大数据创新应用等30多项，拥有发明专利50多项，参与国家CPS标准和CPS白皮书编写。