工業智能網
——工業互聯網的深化與升級

張平，劉會永，李文璟，周凡欽

（北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876）

1 引言

制造業是我國國民經濟的主要支柱，也是今后我國經濟“創新驅動，轉型升級”的主戰場。打造中國制造新優勢，實現由制造大國向制造強國的轉變，是我國新時期經濟發展的迫切需求目標。2015年3月5日，李克強總理在政府工作報告中指出要實施“中國制造 2025”，加快從制造大國轉向制造強國。同年5月8日，國務院印發《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰略，這是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領[1]。

智能制造是基于物聯網、互聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、制造系統與模式的總稱[2]。為了實現智能制造，制造強國紛紛推出了國家層面的發展戰略，如美國提出了“工業互聯網”[3-4]、德國提出的“工業4.0”[5-7]等，主要目的是通過新一代信息和網絡技術，將高度自動化的制造業進行系統化升級和改造，高效地統籌資源、生產和市場的關系，保持本國制造業在國際上的競爭優勢。

“中國制造2025”以創新驅動發展為基本方針，以推進智能制造為主攻方向。將智能制造作為制高點、突破口。智能制造將是新一輪工業革命的核心技術，將成為新一輪工業變革的核心驅動和戰略焦點[8]。工業互聯網是智能制造的關鍵基礎，也是推進工業智能化變革的關鍵手段。

但是目前我國發展工業互聯網存在如下瓶頸：1) 由于工業設備智能化程度不同，工業互聯網水平參差不齊，發展不均衡[9]；2) 工業設備接口各異，標準體系不完善，導致工業互聯網互通性差，統一接入難度大[10]；3) 工業互聯網現實基礎與國家層面的期望間存在較大差距，產業支撐能力不足，平臺綜合能力差[11]；4）部分領域實現了“工業+互聯網”，但缺乏工業與智能的真正融合，難以真正提高智能制造水平。總體來看，我國的工業互聯網在行業覆蓋范圍、平臺綜合能力、智能應用水平等方面尚存在較大限制，沒有充分利用我國在 5G通信、認知識別、人工智能等技術和基礎設施上的條件優勢。

立足于上述現狀及問題，本文提出“工業智能網”的概念，即利用先進的第五代（5G，5thgeneration）及未來第六代通信網絡、云平臺、人工智能等技術，以視頻和傳感器方式實時收集、傳輸和處理工業現場和環境數據，并將分析結果生成控制命令，反饋到工業現場進行指揮調度，充分利用云平臺提供工業智能服務，降低制造業對本地智能設備的依賴。從架構層面來看，工業智能網是一個面向工業普適化創新的基礎體系；從技術層面來看，工業智能網是工業互聯網與人工智能的融合；從行業應用層面來看，工業智能網是一種與具體工業細分領域密切相關且場景化特征突出的應用集合。

工業互聯網是通過將互聯網技術延展到工業領域，利用智能技術提升網絡性能，幫助企業實現工業自動化，如思科公司提出的“工業自動化智能網”，中科院自動化研究所提出的“工業智聯網”[12]等。與工業互聯網相比，本文提出的工業智能網的概念將為工業、制造業提供智能助力，主要表現在將人工智能（AI，artificial intelligence）等智能技術滲透在制造業的各個環節，形成可以閉環自治的智能化工業環境。具體表現：1) 提供完整的“工業+互聯網+AI”解決方案，不需要企業開發工業設備級的接入接口，不需要企業直接投入研發人員，實現傻瓜式接入；2）屏蔽不同行業的工業設備差異，不論其智能化如何、接口適配能力如何，均采用統一的技術方案實現工業智能化；3）充分利用學術界的科研能力和產業界的工程技術能力，結合云計算、邊緣計算、大數據、圖像識別、行為識別、虛擬/增強現實等技術，實現工業與智能的真正融合。

2 工業智能網體系架構

工業智能網的基本思想是打造為工業和制造業提供專業的工業智能服務的網絡和平臺體系，即將傳統工業設備、車間或廠房粒度的認知和決策智能遷移到具有更強大智能載體的網絡云上，以服務的形式提供工業智能，以網絡的形式延展工業智能服務，從而降低工業廠區對本地智能化工業設備的依賴[13]。

工業智能網體系架構如圖1所示。主要包括本地接入、云平臺和互聯網這3部分，各部分的功能分別如下。

1) 本地接入部分主要是工業現場的超高清攝像頭和傳感器等設備，通過設備級的多路精準同步匯聚網關、本地級的邊緣物聯網關接入到本地云。為滿足具有不同服務質量要求的無線連接服務，本地接入部分將主要采用5G網絡技術。

2) 云平臺部分包括本地云和全國云，其中本地云位于工業智能網邊緣并靠近生產現場，集成重要的智能服務，以保證重要業務的實時響應；全國云分布于互聯網云平臺，能夠聚合海量計算資源，融合多維智能技術，具有強大的分析、處理和服務能力，為業務決策提供智能引擎。

3) 互聯網部分既包含工業設備間的工業互聯網，也包含普通意義的互聯網。工業互聯網為生產現場及環境信息的準確采集和可靠交互提供保障，而互聯網將打通本地服務到云端決策引擎的信息通道。

工業智能網面向制造業的數字化、網絡化和智能化需求，提供開放式、專業化服務平臺，以工業思維和能力與信息技術思維和能力的集成、融合、創新為基礎，實現工業全要素的泛在連接、彈性供給和高效配置，是加速制造業創新體系和發展模式轉變的重要引擎。

3 工業智能網關鍵技術

3.1 安全高效的工業視頻采集與處理

安全高效的工業視頻采集與處理是工業智能網的重要基礎[14]。只有實現了對于工業行為針對性的精準建模、深入分析、智能識別、適配控制，才能全面、準確地實現工業環境的采集和控制，最終實現智能制造，主要相關技術包括以下2種。

1) 視頻采集設備安裝部署方案及部署算法[15]。為準確了解甚至還原生產環境的細節，需要部署一定量的攝像頭、傳感器采集多維度的設備、人員和環境信息，視頻采集設備安裝部署方案及部署算法將直接影響采集效果和部署成本。

2) 基于采集的視頻進行人員行為識別和基礎工業行為的基本識別[16]。包括行為抓取、特征抽取、質量判斷、識別比對等，實現對工廠或車間監測范圍內的人員異常行為和工業機器人異常操作進行判定、預警等功能。

3.2 基于視頻內容的工業環境行為識別

工業智能網通過視頻設備采集到的工業環境和設備信息發掘生產環境中的異常信息，需要對采集到的視頻內容進行深入分析和識別，這是工業智能網實現的關鍵技術[17]。相關主要技術有包括以下幾方面。

1) 工業生產場景中環境、工業設備、人類行為建模技術。對各類工業設備（機器人、智能機械加工設備等）的行為及相應的流水線行為（時序行為）建立模型，以及人類行為建立模型。

2) 構建并迭代工業環境下行為數據庫。基于大量數據訓練，構造各類工業設備標準行為數據庫及標準時序行為數據庫，以及工業環境中人類正常與異常行為數據庫。

3) 實時行為識別技術[18]。根據采集的原始視頻數據（或者經過初步處理和識別后的數據），進行工業設備行為與人類行為的實時識別。將實時識別結果與標準數據庫進行比對分析，進一步完善標準行為與異常行為數據庫。并對識別出的異常行為進行預警。

4) 基于識別結果的解決方案構建技術。通過與工業智能網上的工業智能代理應用的交互，構建和優化行為規則庫，判斷異常行為類別，給出糾正策略與措施，并通過接口下發控制指令。

圖1 工業智能網體系架構

3.3 面向復雜工業場景的虛擬現實構建

基于已有的視頻采集設備、基礎網絡和云服務設施，構建基于虛擬現實技術的工業場景，實現對工業設備標準操作的講解、培訓、教學、仿真測試、演練等工作內容，是工業智能網的關鍵技術。主要相關技術包括以下幾個方面。

1) 工廠車間的三維仿真與虛擬現實技術[19]。該技術可以全方位還原工廠車間內外原貌，在獲取全景圖像對應的環境模型后，實現工廠車間全景空間與真實環境的一一映射。

2) 工業設備行為的三維仿真與虛擬現實技術。該技術全方位還原工業設備的精細操作行為和精準流水線協作行為，并進行三維建模，實現工業設備標準操作及標準流程的三維虛擬現實仿真。

3.4 可靠高帶寬的泛在網絡服務

上述關鍵技術是構成工業智能的重要組成部分，這些部分需要高帶寬高可靠的泛在網絡服務才能形成工業智能網，才能真正提供完整工業智能解決方案[20]。主要相關技術包括以下幾種。

1) 可靠低時延高帶寬接入[21]技術。實時監測工業生產現場，及時采集并實時傳輸分析高清攝像頭的視頻數據，這就需要提供高帶寬高可靠低時延網絡服務來保證視頻內容安全及時傳入云端[22]。

2) 安全的大規模泛在物聯接入[23]技術。生產環境中包含大量傳感器設備，保障海量傳感器及視頻采集據安全和可靠的傳輸，是工業大數據分析和形成工業智能的重要數據來源。

3) 服務質量保證的網絡切片技術。工業智能網承載的海量通信業務具有不同服務質量要求。網絡切片技術會將相似特性的業務聚合起來，提供差異性服務，提高網絡資源利用率。

4) 提供分布式云服務的邊緣計算技術[24-25]。工業智能網提供智能服務需要依托云端的計算資源，快速及時地處理數據要求云處理節點延伸到網絡邊緣，在接近工業現場的地方提供智能服務[26]。

4 工業智能網帶來的機遇

4.1 降低工業智能與設備的耦合性

在現有設備基礎上引入智能服務，平滑地對現有生產方式和生產流程進行智能化改造是更符合我國國情的方式。工業智能網創新地以視頻內容的行為識別技術為切入點，通過深入分析和識別特定環境下設備或工人的行為，及時發現生產條件、流程中存在的問題，并針對性地發出告警或改進指令。將具體智能設備的要求，轉變為具有一定通用性的智能服務，并利用云端資源提供智能服務，這就降低了在產業智能化過程中對具體自動化和智能化設備的依賴程度，實現了工業智能與工業設備的解耦性，降低了工業智能化門檻。

4.2 調動多產業的資源和能力

智能制造是我國制造業發展的核心目標，實現智能制造將是長期堅持的制造業發展戰略，工業智能化必將利用全社會各個產業的技術優勢和經驗，為實現智能制造提供全方位助力。

工業智能網將充分發揮我國在5G網絡研究的技術優勢，以泛在網絡服務為工業智能網提供有力的媒介支撐，云計算和邊緣計算技術為工業智能網提供優質載體[27]。

工業大數據處理技術，能深入挖掘價值信息，是自動化的分析工業場景，加速構建工業知識體系，獲取工業智能的重要途徑。

快速發展的人工智能技術為工業智能網的實現提供了智能引擎，使工業智能可以通過一種更通用的形式產生和實現，從而降低對基于具體設備的邏輯范式型智能的依賴。

虛擬現實（VR，virtual reality）技術將打通制造業現場、客戶和用戶群體、從業者群體間的信息高速路[28]。利用VR技術還原的制造場景，將可以有效地提升企業與客戶的溝通效率，準確地傳達企業能力和價值，并幫助從業者更快地進入生產環境。

4.3 以微服務方式提供和迭代工業智能

工業智能網可使工業智能成為一種服務，靈活地提供給制造業企業。

當前技術條件下，智能技術的智能水平取決于硬件的算力，而硬件性能和成本在高性能硬件和云計算技術的支持下可以按需進行成本控制，降低企業獲取工業智能的成本，從而降低了制造業實現智能化的整體門檻。為靈活地進行工業智能生產、組裝和供給，企業智能應該以微服務的形式提供，一方面允許企業以便利形式獲取針對性的企業智能化解決方案；另一方面，支持快速構建涵蓋人員、設備/產品、生產資源、標準業務、智能排障等一系列高度解耦的、可復用的工業微服務及微組件[29]，從而實現工業智能的靈活提供和不斷迭代。

4.4 構建良性循環創新生態

工業智能網平臺通過優勢互補、強強聯合、跨界合作，打通技術和專業壁壘，共享數據資源，構建了新型制造業創新生態環境。以平臺建設運營商為主導，通過建立一套實現資源共享、動態協作的價值分享機制，廣泛匯聚 IT基礎設施提供商、微服務組件提供商、邊緣解決方案提供商、工業資源擁有方、數據資源擁有方、工業應用開發者、工業應用用戶等，形成需求與供給高效精準匹配、應用與服務持續迭代、多方共生共贏的良性發展生態。

5 工業智能網應用場景和價值

5.1 智能化制造型企業

工廠或車間現場部署高清視頻采集裝置，將實時采集到的工業設備運轉及相關人員操作的視頻信息通過網絡傳遞到云平臺。云平臺通過人工智能技術開展工業應用分析。云平臺將分析結果反饋回工業現場，或者根據分析結果生成控制命令通過控制接口傳送到工業現場進行指揮調度。

通過 IT資源的池化管理與彈性分配，降低企業信息化和智能化成本。工業智能網基于具備服務計算能力的5G網絡，對智能服務資源進行池化管理，滿足對智能服務資源的分級分域調度，實現資源的集約化管理與使用，有效契合制造型企業的智能化需求，極大降低其軟硬件投入成本及信息化門檻，推動制造業智能化水平快速提升。

5.2 生產風險預警與故障定位

工業智能網的云端智能應用能根據終端采集到的生產現場的視頻和傳感器信息，構建工業環境中的設備和人員的行為模型數據庫，通過與收集到的實時數據進行對比和分析，實時動態地發現工業生產過程中的異常情況，并對潛在的生產風險和故障進行動態智能地預測和定位，避免事故發生。

通過智能計算技術[30]，實現生產過程中風險預警和故障診斷的智能化。工業智能網絡提供云端強計算能力支撐，能融合快速發展的智能計算技術和大數據技術，提升計算模型的表達能力和適配性，使自動構建和完善生產過程中的環境和行為模型成為可能，有效地降低模型構建的難度和復雜度。智能計算技術也大幅提高了模式和行為識別的準確度，為工業智能網實現異常檢測、風險預測和故障定位提供有力支撐。

5.3 臨場體驗的虛擬工廠

通過虛擬現實技術，將工廠的生產能力進行虛擬化，用戶通過虛擬現實技術了解生產能力。用戶不需要關注物理工廠的實際作業流程，只需要根據在虛擬環境提交目標任務，虛擬工廠會根據所提交的目標任務和需要的生產能力，將具體任務指派給合適的物理工廠完成生產。在生產過程中用戶可以通過視頻設備，遠程監控生產過程。

通過制造能力的在線交易和按需匹配，優化社會資源配置。通過廣泛連接工業資源、構建資源的數字孿生、形成模塊化的制造能力、促進制造能力的供需對接，工業互聯網平臺帶來全社會資源的網絡化動態配置，引導企業、行業、區域間制造能力互補，形成制造能力社會化共享的良好格局。

5.4 萬眾參與的工業智能化創新

通過將采集的工業環境和生產數據構建為標準的工業行為模型和行為數據庫，以虛擬現實的方式提供人機物接口，以微服務的形式提供工業智能應用和構造工業智能化解決方案。來自各個產業、地區和學界的創新力量，可以以低成本和便利的方式，對工業智能網的各個環節和方面進行微創新，使工業智能網技術體系快速持續迭代，推動工業知識在實踐中的深度應用。

6 結束語

工業智能網是智能制造的創新模式，也是工業互聯網走向縱深的必然發展趨勢。我國擁有完備的工業體系、創新引領的互聯網生態、龐大的專業人才隊伍、超大規模的應用市場需求，具備加快建設工業智能網平臺的基礎和優勢。

目前我國智能制造處于初級發展水平，亟需有一個有力抓手來快速提升我國智能制造水平，而工業智能網能提供完整的“工業制造+互聯網+人工智能”解決方案。從企業角度來說，工業智能網不需要企業開發工業設備級的接入接口，不需要企業直接投入研發人員，可以實現工業企業的“傻瓜式”接入，解決了企業的研發短板問題；從業界角度來說，工業智能網可以屏蔽不同行業的工業設備差異，不論其智能化程度如何、接口適配能力如何，都采用統一的技術方案實現工業智能化；從產學研用結合角度來說，工業智能網充分利用學術界的科研能力和產業界的工程技術能力，結合云計算、邊緣計算、大數據、圖像識別、行為識別、虛擬/增強現實等技術，實現工業與智能的真正融合。

本文提出了工業智能網的核心思想和概念，明確其基本架構和技術體系，將為引導我國工業智能化，促進工業經濟向數據驅動型創新和發展模式轉變提供有益借鑒。工業智能網是一個跨界融合的創新體系，是一個由政府主導下的多方合力推動的宏大事業，需要融合工業界、互聯網界的力量，構成工業智能網運營體系，聚集學術、科研、產業、應用多方角色合力，形成長效機制，實現我國“技術、應用、產業”的協調發展。