美德两国工业互联网发展历史经验

美德两国工业互联网发展的历史经验将为我国现阶段工业互联网的发展带来启示及借 鉴。

1 美国“工业互联网”

1.1 阶段一：概念提出、IIC 成立及上升期（2012-2016）：

从去工业化到再工业化，美国国家战略为工业互联网的诞生提供了良机：2008 年国际金融危机之后，美国 意识到之前的“去工业化”导致严重的产业空心化的问题，本土制造业严重依赖海外廉价劳动力；为了振兴经 济，美国政府提出了制造业复兴计划，推行“再工业化”战略。2009-2012 奥巴马政府接连推出《重振美国制造 业框架》《先进制造业伙伴计划》和《先进制造业国家战略计划》，旨在加快抢占 21 世纪先进制造业制高点， 鼓励制造企业回归美国本土，工业互联网概念的提出顺应了这一趋势。从 2009 年《重振美国制造业框架》出台 开始，振兴制造业和制造业回流一直是政策的主基调。

宏观层面顺应制造业回流趋势；企业层面，巨头希望以新的行业标准巩固市场地位、向服务型企业转型： 2012 年 11 月 26 日，通用公司（GE）首席经济学 Marco Annunziata 等人撰写的白皮书《工业互联网：打破智慧 与机器的边界》对外发布，标志着“工业互联网”概念的正式提出。GE 推出工业互联网概念，除了响应再工业 化号召，也出于对集团未来发展和转型的考虑：作为曾经全球市值最高的公司，GE 的业绩与经济周期高度关联， 如果经济整体增长，GE 的经营必然得到正向作用；在经历 2008 年的经济危机后，GE 在从金融公司回归工业根 基的过程中谋求向服务型企业转型，希望通过行业联盟，在技术标准、产业标准方面占据主动，稳固市场份额。 白皮书提出“1%的力量”（The Power of 1%）理论：如果工业互联网能够使生产率每年提高 1%-1.5%，未来 20 年它将使美国人的平均收入比当前提高 25%-40%；如果世界其他地区能确保实现美国生产率增长的一半，那么 工业互联网在此期间会为全球 GDP 增加 10-15 万亿美元。

由通用公司牵头主导，奉行完全的市场化。2014 年，由通用电气牵头，IBM、思科、英特尔和 AT＆T 等 IT 企业联手组建了工业互联网联盟 (IIC)，这一时期工业互联网的概念实质是通过高性能设备、低成本传感器、互 联网、大数据收集及分析技术等的组合提高生产效率，即通过互联网从散布在各工厂的机器和传感器收集数据 （大数据），进行分析并用于以后的业务，也可以表述为 M2M（机器对机器），应用涉及行业包括航空、铁路、 天然气、电力、医疗等。需要注意的是，工业互联网并非美国国家战略，而是以巨头主导、以企业联盟的形式 推动。首先美国企业参与行会与平台建设的积极性历来非常高，完全可以满足产业发展的需要；其次因为反垄 断、建立新标准将涉及复杂的法律问题，美国政府对此类产业活动通常不表态。

这一时期最核心的成果是 GE 推出的工业云平台 Predix。Predix 是 GE 推出的全球第一个专为工业数据与 分析开发的云服务平台，负责将各种工业资产设备和供应商相互连接并接入云端，并提供资产性能管理（APM） 和运营优化服务，和西门子的 MindSphere 一并被认为是工业互联网平台的范本和旗舰。APM 系统包括企业资 产管理（EAM)、预防性维护（PM)、预见性维护（PdM)、工厂资产管理（PAM)、环境健康和安全（EH&S）等 方面，是 GE 为了提升自身的资产管理绩效而特别研发并已在内部应用多年的一整套综合了云计算和物联网技 术的解决方案。2014 年 10 月，GE 宣布 Predix 向全球所有公司开放，将互联网领域的平台与应用开发者之间的 合作模式引入了工业。传承于 GE 工业化基因，Predix 提供标准的方式来运行工业级的分析能力，连接机器、数据和人，提供分布式计算、大数据分析、资产数据管理、机器和机器通信和应用移动性，“端到端”的安全访 问机制确保数据、设备、网络和系统的授权访问。发布两年后，Predix 已经包括边缘+平台+应用三个部分。

Predix 产业应用案例：2017 年 M+M 大会上展示了开放以来 Predix 在各行各业的应用案例，包括（1）能 源业——BP（英国石油公司）：BP 和 GE 油气部门联合发布了 POA 服务（Plant Operation Advisor)，这是一个全 新的基于 Predix 开发的旨在提高 BP 油气生产环节的效率、可靠性和安全性的数字化方案，该方案是截至 2017 年 Predix+APM 方案的全球最大部署案例。（2）电力业——Exelon：Exelon 采用了 GE 的 Predix 平台实现数字 化转型，部署了 Predix 的完整套件，应用在全公司的 33GW 核电、混合电力、风电、太阳能和天然气的电厂上， 并合作开发了非常多基于 Predix 的工业 SaaS。（3）航空业——东方航空：GE 基于大数据建立的发动机叶片损 伤分析，可以为对发动机维修的安排提供了准确率高达 80%的参照。同时推出 GE 航空大数据平台，着眼于飞 行（风险）分析、燃油管理，以及发动机分析三大关键领域，帮助东方航空提高飞行安全管理水平、降低燃油 消耗和排放，以及有效应对引发计划外维修与在翼时间等问题。（4）医疗业——仁济医院：2013 年起仁济医院 与 GE 展开医疗合作，使用资产云管家 AssetPlus。AssetPlus 能从远端观察到每一台设备的运行负荷，进行远程 就诊调控和分流，降低高负荷机器的运行时间，把等待就诊的病患引导至闲置设备。（5）铁路业——Ferromex （墨西哥铁路）：Ferromex 是墨西哥最大的铁路运营商，利用 GE 交通的 SmartShopping 套件降低列车的停留时 间，可以实现 7x24 小时对 100 辆列车进行健康和性能的实时监控和分析。通过精细化的分析，在列车进入维修 车间之前就可以实现运维的预测，以减少宕机时间和维修的成本。

1.2 阶段二：震荡转型期（2017-）

GE 陷入经营危机，IIC 进行组织结构调整。2021 年美国 IoT 产值集中在智能制造、智能家居及消费电子， GE 本身在震荡中走向衰落，IIC 也面临组织定位变更和核心企业的彻底换血，因 2020 年全球经济及 IoT 行业整 体增长放缓，由业界主导的工业互联网发展陷入暂时的停滞：2016 后通用电气经营上遇到困难，而 IIC 采取独 立运行机制，由美国对象管理集团（OMG，Object Management Group）运行，为对冲通用电气带来的影响，OMG 迅速进行了调整：(1）劝说思科发起的 OpenFog 联盟，希望两家联盟合并抱团；（2）顺应德国和中国企业国际 化的倾向，吸纳德国的博世、SAP、中国的华为成为创始成员，其间斯耐德电气也做了一年的创始成员；（3） 加强跟德国、中国和日本的相关组织标准对接。这些措施没有从根本上修复成员的信心，博世和 SAP 加入不久 便决定退出。加之中美间科技行业摩擦加剧，华为和其他中国机构占据较大份额的 IIC 对美国本土产业来说已 不具有太大的价值。2021 年 IIC 全面转型物联网，名称改为美国工业物联网联盟（IIC，Industrial IoT Consortium），至此所有的创始成员均已退出。截至 2022 年 11 月，IIC 官网显示成员企业共有 116 家，相比 2020 年的 150 余 家有大幅缩减；目前主要的领导企业是微软和华为，成员以海外企业为主。

2022 年拜登政府更新《国家先进制造业战略》提振智能制造业，工业互联网或迎来新的转机。2022 年 10 月 7 日，美国发布新版《国家先进制造业战略》，该战略于 2012 年工业互联网概念提出的同期首次推出，5 年 更新一次，2022 年是拜登政府对该战略的第二次更新。战略中提出要重点研发先进传感等数字化制造技术，加 大对机器学习、数据访问、机密性、加密和风险评估方面的人工智能技术研发；制定标准、工具和测试平台等 等。值得注意的是其中关于“引领智能制造未来发展”的表述，其内涵与工业互联网所倡导的产业升级途径一 致。梳理历史，美国政府在扶持制造业方面通常的策略包括对外国贸易报复、对产业立法资助（例如对制造业 创新网络制定专门的 RAMI Act，2015-2024 每年提供 500 万美元支助；对于美国能源部，可以在 2015-2024 共 提供 2.5 亿美元支助）、公共采购、战略性公共投资、出口企业信优惠等；根据《关于中美经贸摩擦的事实与 中方立场》白皮书， 2000-2015 年间 582 家大公司获得的补助占到总额的 67%。

美国工业互联网发展现状与特点：（1）始终坚持市场化原则，由无形的手推动。相比德国工业 4.0 及中国 的产业互联网发展联盟，美国工业互联网的发展由企业主导，一个重要原因是仅通过市场这只“无形的手”解 决问题的传统；另一个可能的原因是对垄断的担忧，工业互联网是一个平台，而在美国平台跟反垄断是关联在 一起的。（2）标准的制定存在层层利益冲突，成为发展的阻碍。工业互联网联盟（IIC）积极推动工业互联网在 世界范围内的发展，但一直审慎对待“标准制定”，原因在于联盟内的企业多样化、利益复杂，如果 IIC 推进标 准和标识解析，会引起各大企业之间的纷争。（3）现阶段通用的资产优化工业云不具备稳定的盈利能力，跨行 业平台或仍需十年以上的建设路径。工业云大致可分为资产优化型（运用在设备资产的管理和运营方面，与生 产终端的关系最密切，运营者需要在工业界有深入的经验，代表平台包括 Predix、ABB Ability、西门子 MindSphere 等）、资源配置型（体现在要素资源的组织调度，典型有海尔 COSMOPlat、智能云科 iSESOL 等）、通用型（提 供云计算、大数据的基础通用性服务，典型包括微软 Azure、阿里云 ET 工业大脑等），其中资产优化平台被认 为是未来制造业主导权竞争的制高点，离成熟商业化的距离也最遥远，美国工业互联网的十年发展历程启示跨 行业工业互联网平台的构建仍是一项长期且艰巨的系统工程。

2. 德国“工业 4.0”

德国“工业 4.0”战略是对“工业 1.0”（机械制造设备引入）、“工业 2.0”（电气化应用）和“工业 3.0”（信息化发展）的延伸。“工业 4.0”战略是主要以物联网（Internet of Things，IoT）和务联网（Internet of Service，IoS）为基础，以迅速发展的新一代互联网技术为载体，加速向制造业等工业领域全面渗透的技术革命， 充分融合互联网+制造业，构建智能工厂、实现智能制造。

2.1 划分为规划与落实两个阶段

概念提出及规划（2011-2013）：进入 21 世纪后，作为传统制造业强国的德国面临一系列内外部挑战，外 部面临短期出口下滑、中期产业升级压力、长期竞争压力等；内部面临劳动力成本上升、创新能力减弱和制造 业比重下滑的困境。2011 年 1 月，德国工业－科学研究联盟提出了工业 4.0 战略，认为工业 4.0 是基于信息物 理系统（CPS）的第四次工业革命。4 月，在德国汉诺威工业博览会上，德国人工智能研究中心（DFKI）的 Wolfgang Wahlster 教授首次公开提出工业 4.0 概念，此后这一概念得到了德国科学与工程院、弗劳恩霍夫协会、 西门子 公司等学术界和产业界的广泛认同。11 月，工业 4.0 战略被纳入《高科技战略 2020》行动计划中，工业 4.0 正 式成为德国全国上下、社会各界共同推动的战略行动。

工业 4.0 由政府主导和推动，对比美国产业互联互通的“工业互联网”，更侧重于工厂内部的智能生产。德 国一直保持稳定的制造业劳动力，同时在早期阶段就将新技术发展融入到工业产品和生产过程当中，高科技战 略 2020 规划德国到 2020 年将成为信息物理系统的领先供应商。工业 4.0 是从“集中”生产向“分散”生产的范式转变，它将嵌入式系统生产技术和智能生产工艺流程连接在一起，为从根本上改变工业与生产价值链和商 业模式（如智能工厂）的一个新的技术时代铺平了道路。从技术上讲，“工业 4.0”是指从嵌入式系统到信息物 理系统的技术演变。

落地阶段（2013-）：2013 年 12 月，德国电气电子和信息技术协会（VDE）发布了德国首个工业 4.0 标准 化路线图， 意味着工业 4.0 战略建议方案中的标准化行动方案开始进入实践阶段，也标志着整个德国工业 4.0 战略开始落地实施。 与此同时， 德国西门子等公司也同步开展了数字化工厂的全球布局和实验性建设。政策 端也持续推进， 2014 年 8 月通过《数字化行动议程（2014-2017)》，2016 年发布“数字战略 2025”，2017 年 又发布了“数字平台”白皮书，制定“数字化的秩序政策”。此外，为鼓励技术创新，德国政府加大税收优惠力 度，并设置高科技创业基金，对实施“工业 4.0”过程中的创新型企业研发给予风险投资支持。 工业 4.0 惠及大小企业：工业 4.0 的数字化和网络化有助于优化价值链，客户不再是被迫地从制造商设置 固定产品系列中做出选择，相反，他们可以单独的组合单个功能和组件（《工业 4.0 的德国经验》－辛妍）。对 大公司而言，市场规模和营业额随着业务的丰富而上升，内部运营成本会由于价值链数字化的提高而降低，客 户满意度会提高。另外，全球采购和分布式处理始终需要相当大的协调和管理时间与精力，而工业 4.0 能够让 信息接近实时的覆盖很长的距离，大的国际公司因此能在全球分布式生产系统中快速响应客户端需求，并随时 让客户了解进度。除了能给大公司带来好处，工业 4.0 也与中小企业息息相关，供应链将演变为高度自适应的 网络，通过集成工业 4.0 的概念和技术，中小企业可以提供个性化的产品和服务，高度适应需求的变化。

工业 4.0 先锋公司包括西门子、宝马、博世、费斯托、SAP 等。（1）博世集团是一家全球领先的技术和服 务供应商，2012 年的销售额达到 525 亿欧元。博世集团在工业 4.0 中具有双重作用：为让自己的制造基地联 网，公司自身部署了技术和软件；在此之上，公司还开发了这一领域的解决方案。例如，博世力士乐（Bosch Rexroth） 提供了众多的工业 4.0 解决方案；博世包装技术（Bosch Packaging Technology）已经在制药和食品行业的智能 工厂建立了智能设备；由博世软件创新（Bosch Software Innovations）开发的软件套件可以优化整个设备维护流程。（2）费斯托有限公司是一家国际领先的用于工厂和过程自动化的自动化技术供应商。作为一个全球导向的 家族独立经营企业，该公司由于在气动领域的创新和解决问题能力而成为业界领袖。与科学和工业界的合作伙 伴一起，费斯托研究新的解决方案，将现代信息通信技术与传统工业生产进程融合在一起。日益小批量的个性 化产品以及多样化增加的趋势，要求技术能够不断适应变化的生产条件。费斯托积极发展精密工程和微系统技 术，以便实现完全联网的整体系统。费斯托还研究解决方案，从而让人类劳动力能够直接与新机器和机器人技 术互动。为此，该公司还广泛关注为新的生产世界的中的下一代工人提供适当的教育与培训。在工业 4.0 项目 中，费斯托帮助工业－科学研究联盟做出建议。在这一背景下，具有容错系统的“柔性工厂”应用案例已被推 出。这些活动随后被转移到工业 4.0 平台上，而费斯托也积极参与其中。（3）SAP AG: 作为企业应用软件的市 场领导者，SAP 需要了解当前的业务和技术趋势，并为即将到来的转型做好准备。要整合产业价值链和产品生 命周期，企业 IT 必须无缝地集成流程：从产品设计到供应链管理、生产、售后服务和培训。而 SAP 的“理念 到性能”倡议正是有助于制造商使用大数据、3D 可视化、云计算和移动解决方案来抓住新的业务机会，创建 新见解，并与合作伙伴和客户相连。SAP 一直从事工业 4.0 情境下的多个公共研究项目和倡议，并促成了德国 国家科学与工程学院发布的各种建议书。SAP 提供的技术和解决方案有助于公司拥抱制造业即将到来的变化。 SAP 遵循“理念到性能”的整体办法，让使用公司能够为实施工业 4.0 方案开发新的业务模式和路线图。

2.2 西门子：工业 4.0 时代大力发展软件业务

西门子的发展经历了电气化—自动化—数字化。西门子成立于 1847 年，至今已有 174 年的历史，业务遍及 全球 200 多个国家，在全世界拥有大约 600 家工厂、研发中心和销售办事处。西门子的发展经历了电气化－自 动化－数字化，其发展史也是全球工业发展史的写照。1847 年发明指针式电报技术正式开启了西门子的发展史； 1866 年发明发电机为全球从蒸汽时代进入电气时代做出卓越贡献；1879 年西门子建造出世界上第一台有轨电车， 并在 1881 年建立了第一个电子公共交通系统，成为全球轨道交通的鼻祖；二十世纪二十年代至三十年代之间， 西门子开始生产收音机、电视机，开拓了家电市场。1973 年，西门子研制出第一台可编程逻辑控制器（PLC）， 开始进入工业自动化市场；西门子对外发布了名为“2020 公司愿景”的新战略，进一步提升数字化业务在公司 战略中的地位。从工业 2.0 至工业 4.0，西门子一直扮演领军者的角色，（1）工业 2.0 时代，西门子从成立初至 20 世纪 60 年代，重点发展电气电力业务，并在 1939 年发展成为全球最大的电气工程公司；（2）工业 3.0 时代， 西门子从 20 世纪 60 年代至 2010 年，进军工业自动化市场，并大力发展数控系统、家电及电子信息业务；（3） 工业 4.0 时代，2010 年至今，西门子全面转向数字化工业市场布局，着手开发信息技术和工业互联网服务。

工业 4.0 时代，西门子大力发展软件业务，推出工业云平台 MindSphere。公司大量收购软件企业，在此基 础上打造工业物联网平台 MindSphere：2016 年 4 月德国汉诺威工业博览会上，西门子正式发布了基于云的开放 式工业物联网操作系统 MindSphere。再者是企业外部的扩张，西门子通过一系列的收购活动强化自身在工业物 联网领域的核心能力。2001-2006 年，西门子先后收购了 3 家 MES（制造企业生产过程执行系统）厂商，开始 涉足数字工业领域。2007 年，西门子正式收购美国 UGS 公司，成为全球首家能够提供完整且面向整个产品生 命周期的软件、硬件一体化解决方案提供商，也标志着其业务重心由传统制造业向软件服务、系统集成转型。

在核心技术领域工业物联和工业控制方面，西门子处于绝对领先地位。作为对比，美国公司因为标准的制 定牵扯复杂的法律程序及联盟成员间的利益冲突，在标准标识方面的进度一直较为落后。不同于传统 B2C，工 业应用需要实现 M2M 的自动化传输，因此工业通讯标准往往是通用型业务的痛点，西门子针对工业物联领域 的三大关键技术：现场总线、工业以太网和 OPC 统一架构（OPCUA）推广其自家标准，为国际工业物联网平 台标准的统一起到积极的推动作用（乌力吉图、王佳晖，2021）：在全球范围内积极推广 PROFIBUS 标准。 PROFIBUS 运用于自动化技术的现场总线标准，由以德国西门子为首的几家企业与研究机构于 1987 年提出。工 业以太网领域，在 PROFIBUS 标准基础上提出的 PROFINET 标准，为自动化通信领域提供了一个完整的网络解 决方案，是西门子当前力推的工业以太网标准。西门子对于工业以太网领域的布局较早，并围绕 PROFINET 技 术及其应用申请了多项专利，在工业以太网领域，西门子的专利数量占绝对优势。在 OPCUA 领域，该标准由 OPC 基金会提出，用于提供安全可靠和独立于厂商的，实现原始数据和预处理信息从制造层级到生产计划或 ERP 层级的传输。OPCUA 是对现有工业标准的补充，提供了一些重要的特性，如平台独立性、扩展性、可靠性和连 接互联网的能力。西门子作为 OPC 基金会的认证会员，在该技术领域的专利数量排名靠前，也具有较强的市场 影响力。

2.3 迈向“工业 5.0”，从 CPS 发展至完整的数字生态

根据德勤咨询，工业 4.0 的下一阶段将是在 CPS 的基础上实现完全的数字生态。工业 4.0 在工业 3.0 开发 PLC 等工业应用的基础上提出建立 CPS 系统，工业 5.0 则同样将对现有分散的资源进行整合，形成更完整的数 字生态。这一设想是，从客户的交互到业务过程都将是虚拟的，一切都以区块链、数字孪生等技术进行整合， 概念类似于“工业元宇宙”。