我国体系化推进工业互联网发展，产业增加值规模超5万亿元

近年来，深化数字技术应用、推动数字化转型已成为各国发展实体经济、培育竞争优势的普遍选择。

美国连续十年推进先进制造业战略，加速制造业数字化的技术创新和应用。欧盟实施“工业 5.0”战略，推动数字化绿色化双转型，构建以人为本、弹性、可持续的产业链供应链。特别是疫情发生以来，产业链供应链已成为数字化发展的关键基础和重要保障。

(资料图)

德国发力“工业 4.0”，以智能工厂、智能产线为基础，着力巩固制造业竞争优势。英法日等传统工业强国和新兴经济体都在强化数字技术优势，提高制造业竞争力。可以说，工业互联网“不是工具的革命，而是革命的工具”，正在全球形成共识。

我国体系化推进工业互联网发展，各领域支持政策不断完善，地方支持力度不断加大，政策环境不断优化，为推动数字化转型注入强劲动力。

工业互联网是将新一代信息通信技术与工业经济深度融合的生态，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。工业互联网作为新型基础设施建设的重要组成部分，是推动数字经济与实体经济深度融合的关键路径。

为了促进工业互联网产业的发展，近年来，国家相关部门相继出台一系列政策，加大工业互联网行业应用赋能、区域落地推广力度。2020 年中国制造业转型升级稳步推进，中国工业互联网市场规模总量达到 6712.7 亿元，同比增长 9.9%。

随着 5G+工业互联网的融合发展，我国工业互联网市场规模将快速增长，中商产业研究院预计 2022 年中国工业互联网市场规模总量将达 8893.5 亿元。自 2020 年开始，得益于 5G 及互联网技术的发展，我国工业互联网相关企业注册量迅猛增长。

数据显示，2020 年我国工业互联网相关企业注册量达到 19.5 万家，截至 2021 年底，我国工业互联网相关企业注册量更是达到了 62.0 万家，创历史新高，同比增长 217.9%。据中商情报网预计，2022 年我国工业互联网相关企业注册量有望持续增长。

市场规模和企业注册量快速增长的同时，我国工业互联网产业经济产业增加值规模飞速增长。据中国信息通信研究院数据，2020 年，工业互联网产业经济产业增加值规模约为 3.1万亿元，同比实际增长约为 46.2%。中商产业研究院预测，2022年我国工业互联网产业经济产业增加值规模将超 5万亿元。

规模快速崛起的同时，我国在工业互联网领域的边缘智能、工业大数据分析、工业机理建模等方面依旧存在短板。当前，国内领先工业互联网平台基本上都建立在国外基础产业体系之上，工业互联网平台所依赖的“一硬+一软+一网+一安全”等产业链主要掌控在别人手里。

以 PLC 为例，根据华经产业研究院的数据，2021 年可靠性要求更高的中大型 PLC市场主要被西门子、欧姆龙、三菱等外资厂商所占据，西门子市场份额近 50%。小型 PLC市场方面，内资品牌有更多布局，但外资厂商仍占据更大的市场份额，因此内资品牌有待发力以进一步达成国产替代。

工业软件方面，根据工信部运行局数据，2020 年，仅有 5%的研发设计类工业软件为国产产品，国产可用的研发设计类产品主要应用于工业机理简单、系统功能单一、行业复杂度低的领域。

生产制造类国产工业软件占据 50%的国内市场，在部分领域已经具备一定实力，涌现了上海宝信、和利时、浙大中控等行业领军企业，但在高端市场中还不占优势；经营管理类国产软件占有国内 70%的市场份额，但高端市场领域仍以 SAP、Oracle 为主。

面对工业互联网领域部分产品国产率低等问题，我国逐步加快“国产替代”建设步伐。2023年召开的全国工业和信息化工作会议强调，我国要提升重点产业链自主可控能力，围绕制造业重点产业链，找准关键核心技术和零部件“卡脖子”薄弱环节，“一链一策”推进强链补链稳链，强化产业链上下游、大中小企业协同攻关，促进全产业链发展。

TSN引领智能时代工业通信发展

实时通信技术完成了从总线时代向实时以太网阶段的迈进，并进一步迈向了智能时代迎合新的网络融合需求。

早在 20 世纪 70 年代，随着可编程逻辑控制器（PLC）的产生，为了分布式控制所需的总线也诞生。进入 21 世纪，随着标准以太网成本的下降，总线开始进入基于以太网的实时网络时代。2014 年以后，随着工业 4.0 的提出，工业物联网、智能制造的需求逐渐变得迫切，对于连接的需求产生了变化。

传统的以太网通常不支持交换机网络，其轮询机制或集束帧技术使得标准以太网和实时以太网无法在同一网络中进行数据的传输。随着信息技术（IT）与运营技术（OT）的不断融合，对于统一网络架构的需求变得迫切。智能制造、工业物联网、大数据的发展，都使得这一融合变得更为紧迫。

而 IT 与 OT 对于通信的不同需求也导致了在很长一段时间，融合这两个领域出现了很大的障碍：互联网与信息化领域的数据需要更大的带宽，而对于工业而言，实时性与确定性则是问题的关键。这些数据通常无法在同一网络中传输。

因此，寻找一个统一的解决方案已成为产业融合的必然需求。时间敏感型网络（timesensitive network，TSN）是目前国际产业界正在积极推动的全新工业通信技术。时间敏感型网络允许周期性与非周期性数据在同一网络中传输，使得标准以太网具有确定性传输的优势，并通过厂商独立的标准化进程，已成为广泛聚焦的关键技术。

目前，IEEE、IEC 等组织均在制定基于 TSN 的工业应用网络的底层互操作性标准规范。TSN 进一步改善了以太网实时性能、工业场景下 OT 与 IT 网络的融合，能够保证控制类、实时运维类等时间敏感数据的优先传输，从而实现实时性和确定性，保证了各类业务流量共网混合传输，将已有的存量工业以太网、物联网以及新型工业应用连起来，极大提高工厂网络灵活组网的能力。

目前参与工业网络与 TSN 融合研究工作的厂商越来越多，比如工业以太网行业标准组织（CC-Link、EtherCAT、PROFINET），还有国内的工业互联网产业联盟，加上大部分自动化厂商，比如西门子、abb 、库卡等。

下一代工业网络 TSN 应用于工业领域的技术研究正飞速进行，端到端应用场景逐渐丰富，研究成果的产业化时机已经到来。技术开发与测试成果已初步涌现，通信设备厂商和芯片厂商们也一并参与到 TSN 的开发中来，产品及服务厂商也在逐渐增多。

据统计，市面上已有 10 多个行业领域对 TSN 的端到端应用进行了初步探索，国内外市场上能提供 TSN 各类软硬件产品及服务的厂商也超过 50 多家。

TSN 技术可以很好解决 IT 与 OT 的融合问题，在保证控制类等时间敏感业务数据的有限传输，实现实时确定性传输的同时，又可以保证各类业务流量共网传输。因此 TSN 技术的应用场景十分广泛。

2022 年 10 月，由东土科技主导制定的《基于时间敏感技术的宽带工业总线 AUTBUS 系统架构与通信规范》国家标准正式发布；2023 年 3 月，东土科技牵头制定的基于 IPV6 的工业控制总线标准 AUTBUS 国际标准之 6 项国际标准获 IEC 正式发布。

AUTBUS 系列标准是目前国际上唯一基于时间敏感技术和互联网协议第 6 版（IPv6）技术的两线制宽带总线国际标准。该系列标准解决了 IPv6 统一寻址和确定性通信问题，实现了信息技术（IT）协议与操作技术（OT）协议的全 IP化，支持工业通信领域多协议的互联互通互操作，以及控制数据、视频、图片等大数据在控制层的同步宽带传输，可有效满足智能制造高带宽、高实时等通信需求。

目前，基于该系列标准的芯片已研制成功，可广泛应用于机器人、汽车、船舶、航空等智能制造相关领域。该系列标准的成功发布，标志着以 AUTBUS 为代表的我国工业通信技术的发展水平和应用成效得到国际认可。

边缘控制器创造新应用生态

边缘计算技术是计算技术发展的焦点，通过在靠近工业现场的网络边缘侧运行处理、分析等操作，就近提供边缘计算服务，能够更好满足制造业敏捷连接、实时优化、安全可靠等方面的关键需求，改变传统制造控制系统和数据分析系统的部署运行方式。

边缘计算对数据的本地处理能力提出了很高的要求，传统的 PLC 控制器已无法胜任这样的工作，因此，一种基于 PC 的兼具 PLC 功能的控制器应运而生。这样的控制器可以将 PLC控制器、PC、网关，运动控制、I/O 数据采集、现场总线协议、机器视觉、设备联网等多领域功能集成于一体，同时实现设备运动控制、数据采集、运算和与云端相连，以及在边缘侧协同远程工业云平台实现智能产线控制等，这样的控制器被称为边缘控制器。

边缘控制的架构分为端、边、云三个层级，分别部署不同的设备或系统，可实现云端和边缘侧的控制。边缘侧的设备形态为边缘控制器和边缘网关，其南向通过现场总线、工业以太网连接端侧的执行器和传感器等现场设备，北向则通过以太网连入云侧的边缘云或公有云。

边缘控制器和边缘网关均可采用通用硬件架构并具备与现场设备通讯能力，边缘网关功能侧重于对下层设备的数据采集、处理分析和向云侧进行转发，而边缘控制器功能偏向于对现场设备的实时控制，二者功能可分别独立实现灵活部署，也可组合在一台边缘计算硬件设备上。

边缘控制器将控制与计算相融合，实现云边协同。云边协同是边缘原生的核心技术之一。云端通常具备海量计算能力，通过云边协同、云端开放的能力和资源可提供给边缘端的应用进行调研。

以机器学习为例，一般流程是云端首先将训练好的模型下发边缘端，边缘端执行推理并根据结果下发控制指令给现场执行器，并将执行结果反馈至云端，然后云端根据反馈结果再次进行模型训练并更新模型再次下发给边缘端。另外一个场景是边缘端实时采集的现场工况数据经预处理后上传到云端进行汇总分析，从而实现数据可视化，以支持工厂管理层的精准决策。

德国倍福是基于 PC 的自动化技术的先驱者之一，早在 1986 年，倍福的第一个 PC 控制系统就已问世。倍福推出的基于 PC 的控制技术定义了自动化领域的全球标准。倍福在1996 年推出的 TwinCAT 自动化套件是倍福控制系统的核心部分，通过与 TwinCAT 软件结合使用，基于开放性和高度可扩展性原则，构建优化协调的自动化解决方案。

TwinCAT 可将任何一个基于 PC 的系统转换为一个带多个 PLC、NC、CNC 和机器人实时操作系统的实时控制系统。可模块化扩展的硬件和软件组件便于随时修改和添加功能，在需要时，控制解决方案具备的开放性不仅允许集成第三方组件，还可以为现有设备和系统定制改造方案，这样既能确保灵活性，又能保障客户的投资安全。

基于 PC 的控制技术可应用于自动化运营和工业生产等领域。TwinCAT 3 IoT OCPP 可与EL6761 EtherCAT 端子模块完美融合，构成一个完整的适用于充电基础设施应用的通信系统；基于 PC 的控制技术可助力打造数字孪生平台，实现楼宇全自动化运营，节能降耗效果显著；基于 PC 的控制技术还可显著优化车用电机装配流程，制造商可充分利用TwinCAT 缩短生产周期的优势，最大限度地提升生产效率和产能。

根据《2021 年中国自动化市场白皮书》数据显示，2021 年我国工业自动化控制市场规模为 2530 亿元，同比增长 23%，远超此前预期，2020 年以来的疫情影响下，国内工业企业纷纷加大了自动化、信息化的投资力度，工业自动化市场增长强劲，以物联网、工业互联网平台为代表的新一代信息技术在工业领域加速落地，技术的成熟以及投资强度的降低进一步释放了工业自动化行业增长的动力。根据中商产业研究院预测，未来我国工业自动化行业市场规模将保持较高的增速，到 2022 年将有望达到 2816 亿元。

工业操作系统助力实现软件定义控制

传统自动化金字塔模型是工业领域的典型架构，包含现场层、控制层、操作层到管理层的四层架构。模型中信息技术（IT，包括MES,ERP,SAP 等）与运营技术（OT，主要指控制系统）彼此分离且独立运行的，控制系统都是封闭式或半封闭式的。

这种 IT 与 OT 分离的结构会形成数据孤岛，造成信息集成和互操作困难，IT 的指令难以深入控制系统，IT层也很难获取和处理大数据。

工业互联网需要新的灵活、高效架构解决上述问题，工业互联网操作系统作为工业全要素链接的枢纽与工业资源配置的核心，支撑承载高度灵活与智能的工业体系。

据物联网智库物女王（彭昭），操作系统作为软硬件之间的解耦平面和接口，使得硬件标准化，实现软件定义控制的效果。物联网中的操作系统涉及到芯片层、终端层、边缘层、云端层等多个层面。

单一层次的物联网操作系统与安卓在移动互联网领域的地位和作用类似，实现了应用软件与智能终端硬件的解耦。类似在安卓等移动互联网生态系统，开发者基本不用考虑智能终端的物理硬件配置，只需根据安卓的编程接口编写应用程序，即可在所有基于安卓的智能终端上运行。

如今的工业互联网操作系统大致分为两类，一是由传统的嵌入式 RTOS 发展而来；二是由互联网公司的云平台延伸而来，基于传统操作系统进行“剪裁”和定制。其中各操作系统针对不同领域下的场景，分别在建立各自的生态。

嵌入式 RTOS 阵营和互联网平台阵营，两类操作系统在生态上各具优势，前者是硬件优势，而后者是软件优势。具体而言，RTOS 阵营的优点是在物联网终端上已经广泛支持，硬件推广成本低；缺点是软件开发专业度要求极高，软硬件开发难以隔离。

互联网平台阵营的优点是天生结合互联网服务，对接应用方便；缺点是各家产品与服务绑定，难以做到平台中立，对软件开发者来说功能性受到了限制。

目前，全球物联网市场大部分还是国外操作系统的天下，尤其较早进入市场的美国公司，比如 ThreadX、FreeRTOS、vxWorks 等。值得一提的是，国产操作系统无论在商业变现或者生态建设方面，都已涌现出非常多优秀的企业，操作系统本身的质量并不输给国外。

随着信息技术的快速发展，嵌入式操作系统已经应用到了通信、能源电力、航天航空、工业控制等行业，未来将会应用到智能家电、媒体广播和数字影像设备等领域。这些行业对实时性的要求越来越高，嵌入式操作系统的技术将会得到更快的发展。

2021 年全球嵌入式操作系统市场规模达 311.3 亿美元，较 2020 年增加了 17.0 亿美元，同比增长 5.78%，根据共研网的预测，2022 年全球嵌入式操作系统市场规模有望达到 331.1 亿美元。

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