工业互联网带来的产业变革

刘贺贺　中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师刘棣斐　中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师刘　钊　中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师



工业互联网带来的产业变革

刘贺贺中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师
刘棣斐中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师
刘钊中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师

随着以物联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术向工业领域渗透，工业互联网快速崛起，成为工业转型升级的重要推动力。本文对工业互联网产业体系、产业现状及趋势进行全面介绍。

工业互联网；工业软件；工业网络；工业传感器；工业数据平台

1　引言

2012年，美国通用电气公司（GE）提出了“工业互联网”的概念，随后与AT&T、Cisco、IBM和Intel共同成立工业互联网联盟（IIC），掀起全球工业互联网热潮。工业互联网的出现，变革传统制造体系，进而对产业产生影响。工业互联网产业是我国工业转型升级的重要切入点，分析工业互联网产业体系现状和发展趋势，对于推动我国工业互联网发展具有重要意义。

当前，工业互联网产业快速发展，我国企业在各个领域均有布局，但总体实力不强。

●工业传感器产业方面，我国企业仅在整机、部分外围芯片中有一定的基础且局限在封装和集成等低端环节，在上游敏感芯片的技术储备和产业基础比较薄弱（相当于国外20世纪90年代水平），仅个别领域（如声波传感器）在中高端技术上有所突破。

●工控系统产业方面，国内PLC市场被欧美及日系产品占领，国内DCS市场增长态势较好，但市场格局简单，国内企业具备一定竞争力。

●工业软件平台产业方面，目前初步形成GE一家领先、众多企业跟进的产业格局，未形成完整产业链，传统工业企业和IT企业均积极布局工业软件平台。

●工业软件产业方面，主要由欧美企业主导，市场现状呈现出“两极多强”的态势，国内工业软件企业占有一定的市场份额，但产品实力不强。

●工业网络产业方面，无线网络在工业领域的应用刚起步，ICT企业尝试发力，我国在工业网络产业中的掌控力较差。

未来，由于IT技术理念的融入，使得未来工业互联网生态体系将基于开放平台构建，成为未来工业互联网产业发展的重要模式。未来工业互联网生态核心是数据，整个生态将围绕工业数据运行；数据逐层上传，依托平台核心，向上实现对软件应用的数据决策支撑，向下实现了对底层设备的优化。

2　工业互联网产业体系

2.1工业互联网产业概念

工业互联网是制造系统的一部分，是制造系统中的数字神经系统。狭义的工业互联网是指连接物理系统和信息系统的桥梁，实现数据的采集、传送、集成、处理与反馈，包括传感器、控制器、工业网络、工业数据平台。广义的工业互联网是狭义的工业互联网+分析应用，指所有物理系统以外的部分，包括传感器、控制器、工业网络、工业数据平台和工业软件。

2.2工业互联网产业体系

（1）传统制造体系

普渡大学五层企业模型，将传统制造体系从功能上分为生产执行与生产管理两个部分（见图1）。生产执行主要功能控制指令下达并转变为机器动作，实现物理的制造过程，核心模块包括工业控制、执行驱动、生产装备等；生产管理主要功能是通过对生产数据采集、传送、分析，实现对生产装备的更好管理和优化，核心模块包括传感、监控、工业软件等。

因此，传统制造体系下的工业数字神经系统是由传感器、网关、工业软件等组成（见图2）。其存在的主要问题有3个，一是感知有限，并非所有设备均可加载传感器，部分设备过于陈旧，无法感知；二是数据分散，数据不全面、数据非实时、数据质量有待提高；三是智能初级，智能实现简单的数据分析。

图1　传统制造体系

图2　传统的“工业数字神经系统”

（2）工业互联网对制造体系产生变革

随着信息技术的发展，当前制造系统正在发生一系列变化。首先，制造系统架构发生变化，一是新增工业数据平台；二是工控形态发生变化，既有基于PLC的传统架构，又有嵌入式工控。其次，数据由分散走向集成，工业数据平台的出现，将底层设备数据全部进行数据清洗集成，打通不同系统之间的数据。最后是智能的广度与深度大幅提升，随着数据的集成和工业大数据技术的发展，利用工业数据可实现智能排产、个性化定制、预测性维护。

●新型工业数字神经系统的雏形正在显现

工业数字神经系统的大脑工业软件，向大数据化、云化、平台化、集成化发展；工业数据平台是神经中枢，正在更大范围实现工业设备与工业软件的有效对接与数据链打通；神经末梢智能部件和传感器，向更精准、更智能、数据互联互通的方向发展。

●新兴工业数字神经系统给工业互联网产业各环节带来一系列影响

一是新增工业环节，二是原有环节呈“四化”趋势。新增工业环节是工业数据平台，具备大数据分析功能的平台，同时通过平台，实现上下层级的打通。原有环节三化趋势是集成化、智能化、平台化和扁平化。集成化指由中间件/平台牵引，未来各层级数据及功能将进一步集成；随着标准协议的统一，底层设备将进一步集成。智能化指更为软硬件更加智能化，提升各环节大数据的分析计算及应用；新的业态需求，将牵引出更加智能化的产品及应用。平台化是指工业软件向平台、云端迁移。扁平化是指底层工控架构将趋于扁平化。图3为工业互联网下更为扁平化的制造体系。

3　工业互联网产业发展现状

工业互联网产业涉及工业传感器、工控系统、工业网络、工业数据平台和工业软件五大环节，我国企业在每一环节均有布局，在个别领域占有一定优势，但整体实力不强。

3.1工业传感器产业发展现状

我国企业仅在整机、部分外围芯片中有一定的基础且局限在封装和集成等低端环节。在上游敏感芯片的技术储备和产业基础比较薄弱（相当于国外20世纪90年代水平），仅个别领域（如声波传感器）在中高端技术上有所突破。

图3　工业互联网下更为扁平化的制造体系

●从产业规模看，2013年全球传感器市场规模为1055亿美元，以每年10%～15%左右的增速增长；全球传感器产业美国、日本和德国份额最高，分别为29%、19.5%和11.3%。

●从应用领域看，2014年机械和制造业产业的传感器市场规模约占传感器总市场规模的18.6%，与2006年相比年复合增长率约为5.4%，增长相对平稳。

3.2工业控制系统

工业控制系统是由各种自动化控制组件和实时数据采集、监测的过程控制组件共同构成的，用于监测和控制物理过程的系统，按照其架构可分为PLC系统、DCS系统和FCS系统。

（1）PLC系统

国内PLC市场回暖，但被欧美及日系产品占领。

●市场规模方面，国内PLC市场在两年下滑后略有回暖，但未大幅度好转，部分行业仍然低迷。2012、2013年，国内PLC市场持续下滑；2014年，市场回暖，规模约为65.2亿元，增长率为4.2%。

●市场份额方面，大型PLC被欧美品牌占领，西门子、罗克韦尔、施耐德占据超过80%的市场份额；中小型PLC由欧美及日系企业主导，包括西门子、三菱和欧姆龙；国内企业主要集中于小型PLC，且市场份额有限，台达占据一定市场份额。

（2）DCS系统

国内DCS市场增长态势较好，市场格局简单，国内企业具备一定竞争力。

●市场规模方面，2014年，国内DCS整体市场（包含硬件、软件、服务费用及工程费用）规模约为86.2亿元，同比增长7.3%。

●市场份额方面，仍以国外企业占比较高，主要企业包括Emerson、Honeywell、ABB等；国内少数几个挑战成功的企业，尤其以中控、和利时最为突出，两者占据超过30%的市场份额，且增长迅速，但目前仍主要应用于中小市场。

3.3工业数据平台

工业软件平台处于初期，目前初步形成GE一家领先、众多企业跟进的产业格局，未形成完整产业链。目前传统工业企业和IT企业均积极布局工业软件平台。

工业企业建设工业软件平台的方式主要分为业务转型方式和产业合作方式，业务转型类典型代表是GE，以本企业设备管理为切入点，培育软件开发实力，寻求与数据分析等相关IT企业合作，向服务企业转型；产业合作类典型代表是西门子和罗克韦尔，结合本企业产品与业务特点，与IT公司开展产业合作，完善产品解决方案，改进企业运营模式。

IT企业建设工业软件平台的方式主要有业务拓展方式和打造专业化公司方式，业务拓展方式以IBM、微软等为代表，拓展已有产品线，开拓新市场；打造专业化公司是指新型IT公司打造成专业化的工业软件平台企业。

3.4工业软件产业发展现状

当前的工业软件按照功能划分为3类，即研发设计类、业务管理类、生产调度和过程控制类软件。其中，研发设计类软件包括CAD、CAE、CAPP、PLM等；业务管理类软件包括ERP、BI商业智能分析、EAM企业资产管理、SCM供应链管理；生产调度和过程控制类软件包括制造执行系统MES、能耗管理、生产监测软件等。工业互联网的推进将对工业研发设计、业务管理、生产调度和过程控制产生重大影响，并催生新的软件分类。

●全球市场来看

目前，工业软件产业主要由欧美企业主导，市场现状呈现出“两极多强”的态势。SAP、Siemens在多个领域均展露头角，但IBM、达索系统和Salesforce.com在各自专业领域形成了一定优势。如西门子在CAD、PLM等领域全球市场份额分别为11%、12%，在MES领域，与GE占据前两名位置，具体参见表1。

●国内市场来看

国内工业软件企业在3类软件市场均占有一定的市场份额，但产品实力不强。

具体来看，国产软件企业在研发设计、业务管理两类软件中占有较高的国内市场份额，但产品实力尚未领先。以ERP为例，国产软件商用友、浪潮和金蝶在国内ERP市场四强中占据第一、二、四名，市场份额分别为39.3%、16.8%和12.9%，具体参见图4。

生产调度/过程控制类软件属于行业末端跟随者的角色。以MES为例，目前我国MES市场仍以国外厂商占主导，除Honeywell、灵蛙等较少的EMS专业厂商外，更多的是像GE、Siemens、Rockwell等自动化设备厂商通过收购等形式进入；上海宝信、石化盈科等是依托企业的信息化部门丰富的行业经验发展而来。在市场份额方面，宝信、明基逐鹿、浙大中控等国产软件厂商在国内MES市场份额中占据第六、七、九的位置，前五名均由国外把持。

表1　工业软件市场规模及份额

3.5工业网络

●市场方面

有线工业网络市场由工控设备企业主导，现场总线是当前主流技术，工业以太网对其替代是个长期演进过程。HMS Industry Networks2015年报告显示，现场总线占工业网络市场份额66%，工业以太网占34%。《控制与传动》数据显示，我国80%以上采用现场总线。

●企业方面

无线网络在工业领域的应用刚起步，ICT企业尝试发力。目前，工厂内无线技术多应用于流程工业，被用于工厂内的监控、报警；ICT企业由物联网应用向工业应用拓展，高通、思科开始发力工厂内WLAN，TI、NXP主要聚焦于ZigBee技术，华为着力LTE-M技术。

●竞争力方面

我国在工业网络产业中的掌控力较差。工业网络协议种类众多（常见的有40多种），既有国际标准，又有事实标准（如CAN总线、Lon Works），还有企业自有协议。受工控产业发展的影响，我国在整个工业网络产业中的掌控力较弱，拥有自主知识产权的有线标准仅EPA一种，且未被市场广泛接受。

图4　国内ERP市场占有率

4　关键产业环节发展趋势研究

未来，由于IT技术理念的融入，使得未来工业互联网生态体系将基于开放平台构建，成为未来工业互联网产业发展的重要模式。未来工业互联网生态核心是数据，整个生态将围绕工业数据运行；数据逐层上传，依托平台核心，向上实现对软件应用的数据决策支撑，向下实现了对底层设备的优化。

4.1底层产业发展趋势

工业传感器、工控系统等底层产业发展趋势有两个：

（1）IT技术融入底层设备

底层产业以自身演进路径为主导，数据处理需求的产生引起更多IT技术的融入，如传感器精度、可靠性、耐用性、软件能力的提升，并在原有功能基础上增加数据处理功能。

（2）底层系统最根本功能仍是传统功能，IT企业被集成

底层产业进入壁垒高，行业性强，原工业企业的垄断地位难以撼动。工业互联网底层系统的基础架构仍是工业系统，IT企业难以进入和主导，只能作为工业企业的合作伙伴，提供IT技术及产品支持，实现数据处理分析能力。

4.2工业数据平台

工业数据平台产业发展呈现两个趋势：

（1）新主体进入工业平台领域，但主导者仍将是传统工业企业

随着工业互联网的发展，ICT企业和创新性企业纷纷发力工业软件平台，ICT企业中软件为主企业如SAP、IBM等，掌握软件核心技术，提供数据集成平台，主打数据计算和分析；ICT企业中硬件为主企业如Intel、思科等，拥有硬件核心技术，侧重于数据采集与集成；创新性企业如Ayla、ThingWorx等，也纷纷发力工业数据平台，其核心优势是，技术全部由第三方提供、开发成本低、功能设置较为灵活、技术集成能力较强。即使受到ICT企业和创新性企业的威胁，传统工业企业仍是工业数据平台主导商，原因在于传统工业制造企业深度了解工业制造，具备大量工业数据积累及高级工业数据算法，在工业数据平台搭建方面具有先天优势，加上在工业领域影响力较强，便于产品推广，代表性企业有GE Predix。

（2）平台企业将呈现联盟化布局、独立性布局和开放式布局三类布局策略

联盟化布局是以自身技术为核心，通过合作及收购获取欠缺能力，并构建生态联盟，如GE，独立研发Predix平台核心算法和数据建模、通过收购Wurldtech获得工业级安全防火墙产品技术、与Intel合作开发内嵌芯片，不断完善自身能力。独立性布局是以自主研发为主，通过收购将欠缺能力化为己用，有明显的能力侧重，如ARM，独立研发ARM Cortex-M的MCU、独立研发内嵌的mbed OS操作系统、收购芬兰物联网软件创业公司获取更多软件开发支持、收购传输层安全协议供应商Offspark，将整合与其针对Cortex-M打造的Mbed作业系统。开放式结局是完全开放化布局，无自主技术能力，全部通过战略合作实现，如Alya，与Avantica、SCV等开发者合作，帮助设备制造商开发APP和Web应用。

4.3工业软件产业发展趋势

工业软件产业发展呈以下3个趋势：

（1）数据重视程度加强，出现新的工业数据分析软件企业

企业注重通过工业数据驱动业务发展，与工业数据相关的数据管理和数据分析类软件开始升温。同时，围绕数据形成软件产业生态，出现数据分析应用服务商等专业化软件企业。数据类软件企业进入工业软件产业链，根据Gartner统计，企业内容管理与数据采集工具、数据质量改善与集成工具、数据分析工具等软件2014年市场份额为10%，增速为9%，超过软件市场的平均增速5.8%，成为软件中增长最快的领域之一；工业数据分析软件企业为主要进入者，包括数据管理软件厂商、传统数据库软件商、数据分析软件服务商、互联网公司（谷歌、亚马逊、百度、阿里）、专攻数学数据领域的中小型创业公司（华院数据、拓尔思）、数据分析技术提供商。

（2）综合解决方案的提供能力将成为工业软件企业竞争的关键要素

领先的工业设计和仿真软件、过程控制软件厂商更加重视全功能的专业化定制与集成，依托自身工业领域的业务积累，面向智能工厂的要素特征整合相关的技术、产品和服务，推出按行业定制的整体综合解决方案。例如，西门子经过一系列并购之后，实现了PLM、MOM和工业自动化技术的整合，开始在全球范围内联合合作伙伴，推出行业集成数字化解决方案定制服务，以实现德国“工业4.0”战略所描述的智能工厂。

（3）传统制造企业跨界发展，工业软件商业模式向产品服务化演变

主要有两种方式：

●一是部分传统工业企业，开发整合面向行业的平台软件，结合内部大量工业数据提供相关信息服务，如海尔整合公司内部用户、员工等数据，建立统一的用户洞察与决策支撑大数据平台，未来海尔智能家居可向用户提供温度监控调节、智能衣服分拣、智能食谱推荐等服务。

●二是部分工业软件企业商业模式由开发软件产品向提供SaaS服务转型，如Salesforce率先使用SaaS模式提供CRM服务，SaaS已经成为美国资本市场估值最高的行业。

5　结束语

随着以物联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术向工业领域的渗透，工业互联网迅速发展，将是我国工业转型升级的重要推动力。目前，我国工业互联网产业具有一定基础，但整体实力薄弱，需政府和产业界发挥合力，大力推动。

［1］GE.Industrial Internet:pushing the boundaries of m inds and machines［EB.OL］.http://www.ge.com/docs/chapters/Industrial_Internet.pdf.

［2］AT&T，CISCO，GE，IBM AND INTEL form industrial internet consortium to improve integration of the physical and digital worlds［EB/OL］.http://www.iiconsortium.org/press-room/ 03-27-14.htm.

［3］http://www.ttplc.com/News/Htm l/3819.htm l.

［4］物联网及传感器产业发展白皮书.

［5］http://www.intechnoconsulting.com/.

［6］http://kzcd.chuandong.com/article.aspx？id=2768.

［7］http://gongkong.ofweek.com/2016-05/ART-310012-8100-29096402.htm l.

［8］http://hms-networks.com/about.

［9］http://www.gartner.com/technology/home.jsp.

The status and trend of the Industrial Internet

LIU Hehe，LIU Difei，LIU Zhao

As the next generation of Information Technology，for instance things， big data， cloud computing，is penetrating the industry，the Industrial Internet rises rapidly and has become an important driving force of industrial transformation and upgrading. In this paper，we introduce the concept of the Industrial Internet， status and trends.

Industrial Internet； the industrial software； industrial networking； industrial sensors； industrial data platform

2016-07-21）