工业互联网关键技术

杜文莉，工学博士，华东理工大学教授、博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，国家高层次人才计划入选者，全国高校黄大年式教师团队负责人，中国自动化学会常务理事、中国人工智能学会常务理事、中国自动化学会石油化工应用专业委员会主任、国家流程制造智能调控技术创新中心主任。长期从事工业过程控制与优化技术研发，主持国家重点研发计划和企业重大科技攻关项目等20余项，相关成果在大型工程中应用示范，形成了一系列具有自主知识产权的核心技术。获国家科技进步二等奖5项，发表高水平学术论文200余篇。

第1章　绪论 001

1．1　工业互联网概述 002

1．1．1　互联网和互联网+ 003

1．1．2　工业1．0～工业4．0 004

1．1．3　传统制造业面临的问题 005

1．1．4　工业互联网的内涵 006

1．2　工业互联网体系架构 008

1．2．1　美国工业互联网参考架构IIRA 009

1．2．2　德国工业4．0参考架构RAMI 4．0 010

1．2．3　日本工业价值链参考架构IVRA 011

1．2．4　中国工业互联网体系架构 012

1．3　工业互联网关键技术 015

1．3．1　技术体系 015

1．3．2　关键技术 019

1．3．3　工业互联网前沿技术 023

1．4　工业互联网发展趋势 026

1．4．1　工业互联网产业融合发展 026

1．4．2　5G +工业互联网快速融合发展 026

1．4．3　工业APP应用持续丰富和拓展 027

1．4．4　工业互联网平台发展趋势 027

参考文献 028

第2章　工业互联网平台 031

2．1　工业互联网平台概述 032

2．2　工业互联网平台技术架构 035

2．2．1　边缘层 035

2．2．2　基础层 037

2．2．3　平台层 038

2．2．4　应用层 038

2．3　国内外工业互联网平台 040

2．3．1　国外工业互联网平台 040

2．3．2　国内工业互联网平台 046

参考文献 053

第3章　工业互联网边缘层 055

3．1　边缘层概述 056

3．2　工业数据接入 057

3．2．1　工业控制系统 057

3．2．2　工业信息系统 060

3．2．3　其他工业设备 065

3．3　边缘计算通信协议 070

3．3．1　OPC DA 071

3．3．2　OPC UA 072

3．3．3　Modbus 073

3．3．4　工业互联网标识解析 075

3．3．5　工业实时数据库 077

3．4　边缘计算数据处理 082

3．4．1　工业数据处理 082

3．4．2　云计算与边缘计算 088

3．5　边缘计算应用 093

3．5．1　视觉数据分析 093

3．5．2　高频振动信号分析 095

3．5．3　风机信号处理 097

参考文献 097

第4章　工业互联网PaaS层 101

4．1　PaaS层概述 102

4．1．1　PaaS层定义 102

4．1．2　PaaS层定位 103

4．1．3　PaaS层的技术架构 104

4．2　PaaS层核心支撑技术 108

4．2．1　分布式开发技术 108

4．2．2　微服务架构 113

4．2．3　微服务治理 116

4．2．4　微服务开发框架 119

4．2．5　容器与容器云 123

4．3　工业数据集成与资源管理 132

4．3．1　工业数据集成与资源管理概述 133

4．3．2　工业数据集成与资源管理流程和方法 134

4．3．3　工业数据集成与资源管理工具 140

4．4　工业APP开发编排计算平台 148

4．4．1　基于平台的开发与部署 149

4．4．2　基于组件的可复用技术 154

4．4．3　图形化编程开发技术 156

4．4．4　运行时求解计算过程 161

4．4．5　异构算力环境调度 164

4．4．6　分布式计算与并行计算 167

4．5　工业低代码APP开发 168

4．5．1　工业低代码APP开发简介 169

4．5．2　工业低代码APP开发原理 170

4．5．3　典型的低代码开发平台 179

4．5．4　工业低代码的应用场景 189

参考文献 191

第5章　工业互联网SaaS层 195

5．1　SaaS概述 196

5．1．1　SaaS定义 196

5．1．2　SaaS主要特点 197

5．1．3　SaaS发展现状 198

5．1．4　SaaS代表产品 199

5．2　工业APP概述 200

5．2．1　工业APP定义 200

5．2．2　工业APP的特点 201

5．2．3　工业APP与工业软件 202

5．2．4　工业APP发展现状 203

5．3　工业APP开发 204

5．3．1　技术架构 205

5．3．2　关键技术 206

5．3．3　开发流程 207

5．4　工业APP应用 209

5．4．1　面向智能设计的工业APP 209

5．4．2　面向智能生产的工业APP 214

5．4．3　面向智能运维的工业APP 219

5．5　工业APP生态体系建设 225

5．5．1　生态体系的构成内容 225

5．5．2　参与主体及主要活动 226

5．5．3　生态基础建设 228

5．5．4　使能环境建设 229

参考文献 232

第6章　工业互联网赋能行业应用 235

6．1　工业互联网赋能流程制造业典型应用 236

6．1．1　炼化一体化生产智能管控典型案例 236

6．1．2　煤气化炉智慧生产管控平台案例 240

6．1．3　水泥行业智能工厂建设典型案例 245

6．1．4　基于工业互联网平台的钢铁智慧管控中心建设 248

6．1．5　基于工业互联网平台的空冷数字孪生智能控制系统 252

6．1．6　基于工业互联网平台的危废焚烧智能决策系统 256

6．2　工业互联网赋能离散制造业典型应用 261

6．2．1　基于工业互联网平台的高端发动机智能设计、智能运维一体化系统 261

6．2．2　基于工业互联网平台的汽车行业生产仿真和优化系统 265

6．2．3　大型工程机械一体化平台典型应用 269

6．2．4　动力电池行业智能工厂典型应用 273

6．2．5　基于工业互联网平台的AI质检领域典型应用 276

参考文献 281

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石，是实现制造业高质量发展的基本保障。本章主要介绍工业互联网的基本概念和内涵、体系架构、关键技术和发展趋势。

1.1工业互联网概述

20世纪中叶以来，工业技术与信息技术开始融合，持续推动技术创新。网络技术的发展加速了融合过程，网络化工业控制系统的发展就是融合带来技术发展的范例。网络化工业控制主要经历了三个发展阶段：20世纪60年代和70年代的计算机控制系统，20世纪80年代和90年代的分布式控制系统，以及21世纪的现场总线系统。在这些阶段，技术研发重点是工业过程的自动化和信息化。

2012年，为了适应网络信息技术的发展，国际工业技术巨头通用电气公司（GE）提出了工业互联网的概念，并发表了工业互联网的白皮书，给出了工业互联网的定义：基于开放的、全球化的网络，将设备、人和数据分析（工业互联网三要素)连接起来，通过对大数据的利用与分析，升级航空、医疗装备等工业领域的智能化，降低能耗，提升效率。工业互联网的本质是智能机器、高级分析和工作中的人的深度集成。

工业互联网的发展对传统制造业的转型升级及国际竞争力的提升起决定性作用。工业互联网被明确定义为推动传统制造业往数字化、现代化转型的关键驱动力，是加速5G应用开发、万物互联、智能制造的强劲引擎，逐渐成为传统制造产业融合发展的重要方向（2）。

……

本书重点介绍了工业互联网平台的概念和发展历史，国内外典型工业互联网平台的架构和特点，工业互联网边缘层、PaaS层和SaaS层的关键技术，以及工业互联网在流程制造业和离散制造业的应用案例。