我國體系化推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模超5萬億元

近年來，深化數(shù)字技術應用、推動數(shù)字化轉型已成為各國發(fā)展實體經(jīng)濟、培育競爭優(yōu)勢的普遍選擇。

美國連續(xù)十年推進先進制造業(yè)戰(zhàn)略，加速制造業(yè)數(shù)字化的技術創(chuàng)新和應用。歐盟實施“工業(yè) 5.0”戰(zhàn)略，推動數(shù)字化綠色化雙轉型，構建以人為本、彈性、可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈。特別是疫情發(fā)生以來，產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈已成為數(shù)字化發(fā)展的關鍵基礎和重要保障。

德國發(fā)力“工業(yè) 4.0”，以智能工廠、智能產(chǎn)線為基礎，著力鞏固制造業(yè)競爭優(yōu)勢。英法日等傳統(tǒng)工業(yè)強國和新興經(jīng)濟體都在強化數(shù)字技術優(yōu)勢，提高制造業(yè)競爭力。可以說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“不是工具的革命，而是革命的工具”，正在全球形成共識。

(資料圖片僅供參考)

我國體系化推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，各領域支持政策不斷完善，地方支持力度不斷加大，政策環(huán)境不斷優(yōu)化，為推動數(shù)字化轉型注入強勁動力。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將新一代信息通信技術與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的生態(tài)，通過對人、機、物、系統(tǒng)等的全面連接，構建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新型基礎設施建設的重要組成部分，是推動數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟深度融合的關鍵路徑。

為了促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來，國家相關部門相繼出臺一系列政策，加大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用賦能、區(qū)域落地推廣力度。2020 年中國制造業(yè)轉型升級穩(wěn)步推進，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模總量達到 6712.7 億元，同比增長 9.9%。

隨著 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模將快速增長，中商產(chǎn)業(yè)研究院預計 2022 年中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模總量將達 8893.5 億元。自 2020 年開始，得益于 5G 及互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關企業(yè)注冊量迅猛增長。

數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關企業(yè)注冊量達到 19.5 萬家，截至 2021 年底，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關企業(yè)注冊量更是達到了 62.0 萬家，創(chuàng)歷史新高，同比增長 217.9%。據(jù)中商情報網(wǎng)預計，2022 年我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關企業(yè)注冊量有望持續(xù)增長。

市場規(guī)模和企業(yè)注冊量快速增長的同時，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模飛速增長。據(jù)中國信息通信研究院數(shù)據(jù)，2020 年，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模約為 3.1萬億元，同比實際增長約為 46.2%。中商產(chǎn)業(yè)研究院預測，2022年我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)增加值規(guī)模將超 5萬億元。

規(guī)?？焖籴绕鸬耐瑫r，我國在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的邊緣智能、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)機理建模等方面依舊存在短板。當前，國內領先工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基本上都建立在國外基礎產(chǎn)業(yè)體系之上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺所依賴的“一硬+一軟+一網(wǎng)+一安全”等產(chǎn)業(yè)鏈主要掌控在別人手里。

以 PLC 為例，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2021 年可靠性要求更高的中大型 PLC市場主要被西門子、歐姆龍、三菱等外資廠商所占據(jù)，西門子市場份額近 50%。小型 PLC市場方面，內資品牌有更多布局，但外資廠商仍占據(jù)更大的市場份額，因此內資品牌有待發(fā)力以進一步達成國產(chǎn)替代。

工業(yè)軟件方面，根據(jù)工信部運行局數(shù)據(jù)，2020 年，僅有 5%的研發(fā)設計類工業(yè)軟件為國產(chǎn)產(chǎn)品，國產(chǎn)可用的研發(fā)設計類產(chǎn)品主要應用于工業(yè)機理簡單、系統(tǒng)功能單一、行業(yè)復雜度低的領域。

生產(chǎn)制造類國產(chǎn)工業(yè)軟件占據(jù) 50%的國內市場，在部分領域已經(jīng)具備一定實力，涌現(xiàn)了上海寶信、和利時、浙大中控等行業(yè)領軍企業(yè)，但在高端市場中還不占優(yōu)勢；經(jīng)營管理類國產(chǎn)軟件占有國內 70%的市場份額，但高端市場領域仍以 SAP、Oracle 為主。

面對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域部分產(chǎn)品國產(chǎn)率低等問題，我國逐步加快“國產(chǎn)替代”建設步伐。2023年召開的全國工業(yè)和信息化工作會議強調，我國要提升重點產(chǎn)業(yè)鏈自主可控能力，圍繞制造業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈，找準關鍵核心技術和零部件“卡脖子”薄弱環(huán)節(jié)，“一鏈一策”推進強鏈補鏈穩(wěn)鏈，強化產(chǎn)業(yè)鏈上下游、大中小企業(yè)協(xié)同攻關，促進全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展。

TSN引領智能時代工業(yè)通信發(fā)展

實時通信技術完成了從總線時代向實時以太網(wǎng)階段的邁進，并進一步邁向了智能時代迎合新的網(wǎng)絡融合需求。

早在 20 世紀 70 年代，隨著可編程邏輯控制器（PLC）的產(chǎn)生，為了分布式控制所需的總線也誕生。進入 21 世紀，隨著標準以太網(wǎng)成本的下降，總線開始進入基于以太網(wǎng)的實時網(wǎng)絡時代。2014 年以后，隨著工業(yè) 4.0 的提出，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能制造的需求逐漸變得迫切，對于連接的需求產(chǎn)生了變化。

傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通常不支持交換機網(wǎng)絡，其輪詢機制或集束幀技術使得標準以太網(wǎng)和實時以太網(wǎng)無法在同一網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)的傳輸。隨著信息技術（IT）與運營技術（OT）的不斷融合，對于統(tǒng)一網(wǎng)絡架構的需求變得迫切。智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的發(fā)展，都使得這一融合變得更為緊迫。

而 IT 與 OT 對于通信的不同需求也導致了在很長一段時間，融合這兩個領域出現(xiàn)了很大的障礙：互聯(lián)網(wǎng)與信息化領域的數(shù)據(jù)需要更大的帶寬，而對于工業(yè)而言，實時性與確定性則是問題的關鍵。這些數(shù)據(jù)通常無法在同一網(wǎng)絡中傳輸。

因此，尋找一個統(tǒng)一的解決方案已成為產(chǎn)業(yè)融合的必然需求。時間敏感型網(wǎng)絡（timesensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術。時間敏感型網(wǎng)絡允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸，使得標準以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢，并通過廠商獨立的標準化進程，已成為廣泛聚焦的關鍵技術。

目前，IEEE、IEC 等組織均在制定基于 TSN 的工業(yè)應用網(wǎng)絡的底層互操作性標準規(guī)范。TSN 進一步改善了以太網(wǎng)實時性能、工業(yè)場景下 OT 與 IT 網(wǎng)絡的融合，能夠保證控制類、實時運維類等時間敏感數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，從而實現(xiàn)實時性和確定性，保證了各類業(yè)務流量共網(wǎng)混合傳輸，將已有的存量工業(yè)以太網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及新型工業(yè)應用連起來，極大提高工廠網(wǎng)絡靈活組網(wǎng)的能力。

目前參與工業(yè)網(wǎng)絡與 TSN 融合研究工作的廠商越來越多，比如工業(yè)以太網(wǎng)行業(yè)標準組織（CC-Link、EtherCAT、PROFINET），還有國內的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，加上大部分自動化廠商，比如西門子、abb 、庫卡等。

下一代工業(yè)網(wǎng)絡 TSN 應用于工業(yè)領域的技術研究正飛速進行，端到端應用場景逐漸豐富，研究成果的產(chǎn)業(yè)化時機已經(jīng)到來。技術開發(fā)與測試成果已初步涌現(xiàn)，通信設備廠商和芯片廠商們也一并參與到 TSN 的開發(fā)中來，產(chǎn)品及服務廠商也在逐漸增多。

據(jù)統(tǒng)計，市面上已有 10 多個行業(yè)領域對 TSN 的端到端應用進行了初步探索，國內外市場上能提供 TSN 各類軟硬件產(chǎn)品及服務的廠商也超過 50 多家。

TSN 技術可以很好解決 IT 與 OT 的融合問題，在保證控制類等時間敏感業(yè)務數(shù)據(jù)的有限傳輸，實現(xiàn)實時確定性傳輸?shù)耐瑫r，又可以保證各類業(yè)務流量共網(wǎng)傳輸。因此 TSN 技術的應用場景十分廣泛。

2022 年 10 月，由東土科技主導制定的《基于時間敏感技術的寬帶工業(yè)總線 AUTBUS 系統(tǒng)架構與通信規(guī)范》國家標準正式發(fā)布；2023 年 3 月，東土科技牽頭制定的基于 IPV6 的工業(yè)控制總線標準 AUTBUS 國際標準之 6 項國際標準獲 IEC 正式發(fā)布。

AUTBUS 系列標準是目前國際上唯一基于時間敏感技術和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第 6 版（IPv6）技術的兩線制寬帶總線國際標準。該系列標準解決了 IPv6 統(tǒng)一尋址和確定性通信問題，實現(xiàn)了信息技術（IT）協(xié)議與操作技術（OT）協(xié)議的全 IP化，支持工業(yè)通信領域多協(xié)議的互聯(lián)互通互操作，以及控制數(shù)據(jù)、視頻、圖片等大數(shù)據(jù)在控制層的同步寬帶傳輸，可有效滿足智能制造高帶寬、高實時等通信需求。

目前，基于該系列標準的芯片已研制成功，可廣泛應用于機器人、汽車、船舶、航空等智能制造相關領域。該系列標準的成功發(fā)布，標志著以 AUTBUS 為代表的我國工業(yè)通信技術的發(fā)展水平和應用成效得到國際認可。

邊緣控制器創(chuàng)造新應用生態(tài)

邊緣計算技術是計算技術發(fā)展的焦點，通過在靠近工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡邊緣側運行處理、分析等操作，就近提供邊緣計算服務，能夠更好滿足制造業(yè)敏捷連接、實時優(yōu)化、安全可靠等方面的關鍵需求，改變傳統(tǒng)制造控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的部署運行方式。

邊緣計算對數(shù)據(jù)的本地處理能力提出了很高的要求，傳統(tǒng)的 PLC 控制器已無法勝任這樣的工作，因此，一種基于 PC 的兼具 PLC 功能的控制器應運而生。這樣的控制器可以將 PLC控制器、PC、網(wǎng)關，運動控制、I/O 數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場總線協(xié)議、機器視覺、設備聯(lián)網(wǎng)等多領域功能集成于一體，同時實現(xiàn)設備運動控制、數(shù)據(jù)采集、運算和與云端相連，以及在邊緣側協(xié)同遠程工業(yè)云平臺實現(xiàn)智能產(chǎn)線控制等，這樣的控制器被稱為邊緣控制器。

邊緣控制的架構分為端、邊、云三個層級，分別部署不同的設備或系統(tǒng)，可實現(xiàn)云端和邊緣側的控制。邊緣側的設備形態(tài)為邊緣控制器和邊緣網(wǎng)關，其南向通過現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)連接端側的執(zhí)行器和傳感器等現(xiàn)場設備，北向則通過以太網(wǎng)連入云側的邊緣云或公有云。

邊緣控制器和邊緣網(wǎng)關均可采用通用硬件架構并具備與現(xiàn)場設備通訊能力，邊緣網(wǎng)關功能側重于對下層設備的數(shù)據(jù)采集、處理分析和向云側進行轉發(fā)，而邊緣控制器功能偏向于對現(xiàn)場設備的實時控制，二者功能可分別獨立實現(xiàn)靈活部署，也可組合在一臺邊緣計算硬件設備上。

邊緣控制器將控制與計算相融合，實現(xiàn)云邊協(xié)同。云邊協(xié)同是邊緣原生的核心技術之一。云端通常具備海量計算能力，通過云邊協(xié)同、云端開放的能力和資源可提供給邊緣端的應用進行調研。

以機器學習為例，一般流程是云端首先將訓練好的模型下發(fā)邊緣端，邊緣端執(zhí)行推理并根據(jù)結果下發(fā)控制指令給現(xiàn)場執(zhí)行器，并將執(zhí)行結果反饋至云端，然后云端根據(jù)反饋結果再次進行模型訓練并更新模型再次下發(fā)給邊緣端。另外一個場景是邊緣端實時采集的現(xiàn)場工況數(shù)據(jù)經(jīng)預處理后上傳到云端進行匯總分析，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，以支持工廠管理層的精準決策。

德國倍福是基于 PC 的自動化技術的先驅者之一，早在 1986 年，倍福的第一個 PC 控制系統(tǒng)就已問世。倍福推出的基于 PC 的控制技術定義了自動化領域的全球標準。倍福在1996 年推出的 TwinCAT 自動化套件是倍福控制系統(tǒng)的核心部分，通過與 TwinCAT 軟件結合使用，基于開放性和高度可擴展性原則，構建優(yōu)化協(xié)調的自動化解決方案。

TwinCAT 可將任何一個基于 PC 的系統(tǒng)轉換為一個帶多個 PLC、NC、CNC 和機器人實時操作系統(tǒng)的實時控制系統(tǒng)?？赡K化擴展的硬件和軟件組件便于隨時修改和添加功能，在需要時，控制解決方案具備的開放性不僅允許集成第三方組件，還可以為現(xiàn)有設備和系統(tǒng)定制改造方案，這樣既能確保靈活性，又能保障客戶的投資安全。

基于 PC 的控制技術可應用于自動化運營和工業(yè)生產(chǎn)等領域。TwinCAT 3 IoT OCPP 可與EL6761 EtherCAT 端子模塊完美融合，構成一個完整的適用于充電基礎設施應用的通信系統(tǒng)；基于 PC 的控制技術可助力打造數(shù)字孿生平臺，實現(xiàn)樓宇全自動化運營，節(jié)能降耗效果顯著；基于 PC 的控制技術還可顯著優(yōu)化車用電機裝配流程，制造商可充分利用TwinCAT 縮短生產(chǎn)周期的優(yōu)勢，最大限度地提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)能。

根據(jù)《2021 年中國自動化市場白皮書》數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國工業(yè)自動化控制市場規(guī)模為 2530 億元，同比增長 23%，遠超此前預期，2020 年以來的疫情影響下，國內工業(yè)企業(yè)紛紛加大了自動化、信息化的投資力度，工業(yè)自動化市場增長強勁，以物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為代表的新一代信息技術在工業(yè)領域加速落地，技術的成熟以及投資強度的降低進一步釋放了工業(yè)自動化行業(yè)增長的動力。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院預測，未來我國工業(yè)自動化行業(yè)市場規(guī)模將保持較高的增速，到 2022 年將有望達到 2816 億元。

工業(yè)操作系統(tǒng)助力實現(xiàn)軟件定義控制

傳統(tǒng)自動化金字塔模型是工業(yè)領域的典型架構，包含現(xiàn)場層、控制層、操作層到管理層的四層架構。模型中信息技術（IT，包括MES,ERP,SAP 等）與運營技術（OT，主要指控制系統(tǒng)）彼此分離且獨立運行的，控制系統(tǒng)都是封閉式或半封閉式的。

這種 IT 與 OT 分離的結構會形成數(shù)據(jù)孤島，造成信息集成和互操作困難，IT 的指令難以深入控制系統(tǒng)，IT層也很難獲取和處理大數(shù)據(jù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要新的靈活、高效架構解決上述問題，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)作為工業(yè)全要素鏈接的樞紐與工業(yè)資源配置的核心，支撐承載高度靈活與智能的工業(yè)體系。

據(jù)物聯(lián)網(wǎng)智庫物女王（彭昭），操作系統(tǒng)作為軟硬件之間的解耦平面和接口，使得硬件標準化，實現(xiàn)軟件定義控制的效果。物聯(lián)網(wǎng)中的操作系統(tǒng)涉及到芯片層、終端層、邊緣層、云端層等多個層面。

單一層次的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與安卓在移動互聯(lián)網(wǎng)領域的地位和作用類似，實現(xiàn)了應用軟件與智能終端硬件的解耦。類似在安卓等移動互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)者基本不用考慮智能終端的物理硬件配置，只需根據(jù)安卓的編程接口編寫應用程序，即可在所有基于安卓的智能終端上運行。

如今的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)大致分為兩類，一是由傳統(tǒng)的嵌入式 RTOS 發(fā)展而來；二是由互聯(lián)網(wǎng)公司的云平臺延伸而來，基于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)進行“剪裁”和定制。其中各操作系統(tǒng)針對不同領域下的場景，分別在建立各自的生態(tài)。

嵌入式 RTOS 陣營和互聯(lián)網(wǎng)平臺陣營，兩類操作系統(tǒng)在生態(tài)上各具優(yōu)勢，前者是硬件優(yōu)勢，而后者是軟件優(yōu)勢。具體而言，RTOS 陣營的優(yōu)點是在物聯(lián)網(wǎng)終端上已經(jīng)廣泛支持，硬件推廣成本低；缺點是軟件開發(fā)專業(yè)度要求極高，軟硬件開發(fā)難以隔離。

互聯(lián)網(wǎng)平臺陣營的優(yōu)點是天生結合互聯(lián)網(wǎng)服務，對接應用方便；缺點是各家產(chǎn)品與服務綁定，難以做到平臺中立，對軟件開發(fā)者來說功能性受到了限制。

目前，全球物聯(lián)網(wǎng)市場大部分還是國外操作系統(tǒng)的天下，尤其較早進入市場的美國公司，比如 ThreadX、FreeRTOS、vxWorks 等。值得一提的是，國產(chǎn)操作系統(tǒng)無論在商業(yè)變現(xiàn)或者生態(tài)建設方面，都已涌現(xiàn)出非常多優(yōu)秀的企業(yè)，操作系統(tǒng)本身的質量并不輸給國外。

隨著信息技術的快速發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)應用到了通信、能源電力、航天航空、工業(yè)控制等行業(yè)，未來將會應用到智能家電、媒體廣播和數(shù)字影像設備等領域。這些行業(yè)對實時性的要求越來越高，嵌入式操作系統(tǒng)的技術將會得到更快的發(fā)展。

2021 年全球嵌入式操作系統(tǒng)市場規(guī)模達 311.3 億美元，較 2020 年增加了 17.0 億美元，同比增長 5.78%，根據(jù)共研網(wǎng)的預測，2022 年全球嵌入式操作系統(tǒng)市場規(guī)模有望達到 331.1 億美元。

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