進入21世紀以來，中國大規模國家信息化發展開始起步。由于有發達國家幾十年積累起來的許多信息化成果和經驗可資借鑒，中國利用“后發優勢”，采取“跟隨戰略”，比較快、比較順利地在各個領域完成了大量的、重要的信息化應用系統建設，在電子商務、電子政務、兩化融合、三農信息化、現代信息服務業、新興產業發展、居民信息化素質提升等等方面，都取得了舉世矚目的成就，產生了巨大的經濟社會效益，極大地推動了中國經濟社會的發展。就信息化而言，中國與發達國家的差距正在逐步縮小。相應地，中國的“后發優勢”，也已經所剩無幾。
與之同期，全球信息化的發展正進入一個新的階段，在經歷了數字化和網絡化的快速發展之后，智能化正在成為全球信息化向高端發展最主要的特征之一。信息化發展的過程中有幾個關鍵步驟，我們不能錯過，否則和發達國家信息化水平的差距可能再一次被拉大。最近幾年，媒體對服務業中“互聯網+”發展有了較多的宣傳，但是對制造業中“互聯網+”發展的重視程度遠遠不夠。制造業是國民經濟的脊梁，如果沒有制造業的發展，即使其他行業有巨大的發展，對中國這樣一個大國來講也是一件危險的事情。
制造業的發展首先關心的是企業，一個制造企業的內部信息化和外部信息化都存在著諸多值得研究的問題，下圖給出了一些思考的方向。
企業內部信息化的內涵(如圖1所示)，包括研發的信息化，產品的信息化，生產的信息化，管理的信息化，以及信息化所帶來的業務流程和組織再造。上述每一個方面的信息化，都有自己豐富的內涵。例如研發信息化覆蓋基礎技術研究和產品研發；產品信息化包括嵌入式系統的應用，促進產品智能化的發展；生產信息化包括生產裝備的信息化，以及生產流程管理的信息化；而管理信息化則包括產供銷、人財物、客戶關系的信息化等等。
任何一個企業，除了內部的各種業務關系以外，還有廣泛的外部聯系(如圖2所示)。企業外部的輸入有原材料、零部件、裝備、人員等等；企業產出的外部聯系包括銷售、銀行、協作單位、客戶等等。
企業內部和外部的環境加在一起，構成企業信息化的全部內涵。
(一)企業數字化的發展
工業軟件支撐了企業數字化的發展，如：計算機輔助設計、輔助工藝、輔助工程，產品數據管理，全生命周期系統；生產制造過程也有很多軟件。值得一提的是ERP系統，ERP在企業數字化的發展中，扮演了整合不同數字化系統的關鍵性角色。
數字化對傳統企業的改造，一步一步走得非常清楚。1974年，第五代使用微處理芯片和半導體存儲器的計算機數控裝置研發成功，數控機床隨之在制造業大量應用，對工業化升級產生了革命性的影響；20世紀50年代，美國誕生了第一臺計算機繪圖系統，成為最早的計算機輔助繪圖系統，催生了60年代初的計算機輔助工程；60年代末，挪威開始研發計算機輔助工程設計；1971年，法國雷諾公司率先成功實現計算機輔助制造(汽車車身的設計和加工)。數字化對傳統工業的改造，從接到訂單開始，產品設計、工業設計、主生產計劃制訂、備料和加工產品裝配，直到交付，所有的這些環節，全部實現計算機化。
全三維數字化和數字仿真，是工業數字化向高端的發展。數字化的目標，是要形成一個完全數字化的企業，包括：數字化的研發體系、數字化的設計體系、數字化的制造體系、數字化的管理體系和數字化的產品服務體系。同時，企業信息化向數字化大系統集成、最優能力集成的方向轉變，向高度并行、多組織協同轉變。實現完全數字化，不僅國外的先進企業已經做到，國內也有一些先進的制造企業能夠做到。
工業軟件的重要性，非常值得重視。從2010年開始，中國的制造業總量已經位居全球第一，在全球制造業的份額為20.9%；美國排名第二，約20.7%；位于第三和第四位的日本和德國，分別只占10.4%和6.26%。但是，中國工業軟件市場僅占全球工業軟件市場的1.7%。中國制造業的信息化水平由此可見一斑。目前，中國高端的工業軟件90%以上依賴進口，而且價格非常昂貴。制造業工業軟件應用水平的低下，反映了制造業計算機、網絡、數據的應用水平很低。工業軟件是當前我國企業數字化發展的主要瓶頸之一。
抓制造業信息化的發展，工業軟件是一個非常重要的抓手。必須認識到，工業軟件并不單純是一個軟件，而是多種學科交叉的研究結果。只有制造行業的優秀專家和工程師與軟件科學家的結合，才能夠開發出一流的工業軟件。高端工業軟件是科學研究和技術創新成果的軟件表現，學術、技術水平很高。
(二)企業網絡化的發展
企業網絡化的快速發展發生在20世紀90年代初。隨著互聯網應用在全球的普及，制造企業不斷努力實現企業信息系統的網絡化，也就是“互聯網+”。許多企業開始構造企業的內部網和外部網。內部網就是把企業內部的各種不同功能的信息系統通過聯網而“打通”；外部網則是把企業和外部的合作單位通過聯網而“打通”。前者是企業內部信息系統的垂直整合，后者則是企業之間信息系統的橫向整合。企業內部信息系統的一體化就是要把研發設計信息化、產品信息化、生產信息化、管理信息化和業務流程與組織再造這五部分打通，共享數據和信息。企業外部信息系統的一體化就是要把企業與外部合作單位的信息交換打通。例如，供貨方可以查閱本企業的原材料和零部件消耗，確定是否需要立即及采取何種方式向本企業供貨；銷售方可隨時了解企業的生產情況及新品生產形勢，考慮相關銷售活動的安排和市場策略；企業所在的銀行也可以進入外部網，了解企業財務狀況，并在網上完成企業與銀行之間的各種財務交易手續，等等。
“互聯網+”在20世紀90年代末給企業帶來了非常顯著的效益。美國福特汽車公司的內部網連接了全球范圍內的12萬臺計算機工作站；日立公司的外部網在1997年已經覆蓋了全球2100家和它有聯系的公司。另外，在利用互聯網做電子銷售方面，戴爾和思科是當時最為成功的企業，它們通過外部網大幅度地增加了銷售金額。
以下列舉三項比較先進的網絡制造技術。第一個是全三維的數字化、網絡化的協同平臺，可以使企業集團所有的下屬企業和研究所，利用這個平臺協同工作，完全打造成一個整體，數據通過協同平臺實現集成，生產流程通過協同平臺實現網絡集成。協同平臺可以支持跨地域、跨企業的聯合研制和生產。多場所、一體化、最優能力集成的研制生產新模式，提高了集團的協同創新能力。波音公司的全球協同環境，空客公司的混合并行工程環境都是這樣的協同平臺。一個全三維的數字化協同平臺，對提高設計效率和質量，改善專業設計方式，提高設計能力非常重要，這是典型的、十分先進的“互聯網+制造”。
第二個是關聯設計系統。關聯設計系統通過和虛擬現實系統的集成，實現虛擬現實環境下的設計協調，干涉檢查和分析，可以支持成百上千的在線用戶進行實時并行設計。利用這個技術，任何一個系統或一臺裝備的總體、各子系統、機械結構等三維設計的結果均可相互關聯。只要在整體結構圖上對零件進行了更改，就可以自動地完成零件圖的修改，對相關零件進行必要的調整，從而縮短設計迭代周期，有效提高設計效率。
第三個是全三維標注技術。原來設計作圖，只能做到二維，三維就非常困難了。利用這項技術，任何一個產品零件都是三維的，在全三維的模型中可以傳遞所有零部件的制造信息，保證所有產品單一數據源；還可以使設計制造并行工程效率大大提高，通過基于成熟度數據的并行，工藝設計、工裝設計幾乎可以同步開展，生產準備周期因而大幅縮短。顯然，這個基于全三維模型定義的設計制造系統，也完全依賴于網絡化。
上述的這些技術代表了現代制造業的先進水平，但是這些技術依托的核心技術就是各種各樣的工業軟件。這些軟件的開發費用非常昂貴，有著“投入很大，用戶很少”的特點。因此，這些軟件的研發離不開國家的支持和幫助。
(三)企業智能化的發展
智能制造的核心問題有兩個：一個是產品，制造業生產的產品必須智能化，尤其是裝備制造企業生產出來的裝備；另一個是生產過程，即生產過程必須智能化。生產過程的智能化，包括使用各種各樣的信息技術、傳感器技術，還有高性能計算來完成建模、模擬分析，也包括機器人、過程監測、自動化等等。生產制造的智能化，早在數字化時期已經開始。早期的二維CAD技術，就是一種智能化的設計技術，三維CAD軟件，更是一項高度智能化的產品。網絡制造，如“數字化、網絡化協同平臺”、“關聯設計系統”、“全三維標注技術”等，都是帶有高度智能化特征的產品，是集數字化、網絡化、智能化于一體的，高度信息化的技術和產品，仍然是“互聯網+”時代企業信息化必須追求和努力實現的目標。目前，企業的智能化正在向更新和更高的目標發展，具有代表性的就是德國提出的工業4.0和美國提出的工業互聯網。二者殊途同歸，最終目標是要構造一個實現人、(計算)機、物一體化集成的、智能化的系統，這是企業信息化向高端發展和創新的方向。
我們回顧下過去幾十年制造業信息化的發展歷程。20世紀60年代，企業信息化主要還是集中在圖4的左下角，產生了很多的工業軟件，推動了制造業數字化的發展，并且已經開始有了一些自動化的產品，如數控機床、嵌入式系統；到了80年代中期以后，開始走向網絡化，即局域網、廣域網等，同時也產生很多相應的工業軟件，隨著網絡化的發展有了內部網和外部網，還有互聯網；在智能化方面出現了全三維標注、關聯設計、全球協同平臺等等。21世紀以來，企業信息化進入方框里的關注焦點區域內，如業務智能技術的應用。近年來，全球物聯網成為全球信息化的一個熱點，同時，智能產品、工業互聯網、智能互聯網系統都成為新一代企業信息化發展的核心問題。
未來企業信息化的發展，現在有兩個說法，一個是工業4.0，一個是工業互聯網。工業互聯網與工業4.0，在提法上有不同的側重點，但本質上是一回事。強調的都是實現企業信息系統的一體化、智能化、自動化。工業互聯網和工業4.0都是過去幾十年企業信息化成就的總結，而且提出了未來10至15年企業信息化追逐的更高層次的目標。通過研究這兩個新概念和新思想，我們可以看到，新一代的企業信息化將往哪里走，在企業實現了網絡化、全三維數字化平臺、關聯設計等等之后，企業信息化又要關注什么，最終的目標又是什么。
從我國大多數企業信息化的實際情況來看，不可能奢求在幾年之內就完全實現工業4.0提出的各種設想和功能目標。當前企業應該審慎思考和評估的是，企業該做的、基礎的、重要的信息系統是否都已完成，應用得好不好。企業必須在工業4.0或者工業互聯網這個大方向的引導之下，抓緊企業數字化建設的“補課”。
(一)工業4.0
工業4.0不僅強調了內、外網的一體化，還強調了智能物理系統(CPS，Cyber-Physical System)在企業的應用，核心是推動企業的智能化和數字化的自動化。智能物理系統與嵌入式系統是兩個不同的概念。嵌入式系統為產品的計算機化服務，強調在產品中增加新功能，提高產品性能。智能物理系統解決的是如何使企業的各種計算機系統和企業的各個物理系統協同工作，從而實現勞動生產率的最高化，系統運行的最優化，以及管理有效性的最大化。現有的系統工程理論中，還沒有一套系統的、完善的、關于智能物理系統的理論體系。美國國家自然科學基金會認為，CPS是系統工程理論未來一二十年重大的發展方向；早在2006年，就將這個領域作為信息時代系統工程理論的一個重大研究方向給予資助。無疑智能物理系統將促進理論研究的發展，也帶來很多創新的空間。
(二)工業互聯網
早在2000年8月，就有美國學者提出了工業互聯網的概念，基本思路是把復雜的物理設備和網絡，包括傳感器和軟件等，構造成一個系統化的整體，將大數據、機器學習、M2M等全部整合在一起，利用所得的數據和信息，控制和調整設備，以得到最優化的結果。最終目的是構造企業級的一體化的系統。工業互聯網是一個綜合性的企業信息化總體解決方案，包含一整套內置的核心技術，一定會成為一個綜合性的技術大類。工業4.0和工業互聯網這兩個提法，我個人比較傾向于工業互聯網，因為它把未來企業界的網絡，以及全球網絡化的發展，描述得比較清楚。
工業互聯網具有5C架構(圖3)。5層中的第一個字母都是一個“C”。最底層是智慧的連接層(Connection)，即一個企業所需要的數據都必須能夠無障礙地獲取。第二層是轉換層(Conversion)，即將數據轉化為信息，對獲得的數據進行數據挖掘和分析，得出對決策有用的信息。第三層是計算網絡層(Cyber)，是企業信息中心的樞紐，在這一層，將取自第二層的信息與原來設定的期望值進行對比，發現企業運行中的問題或機會。第四層是認知層(Cognition)，由第三層獲得的信息，以及監控資產和設備狀況，以可視化的方式，向決策者提供關于企業目前存在問題的認知，并使決策者能夠做出相應的決策。第五層是配置層(Configuration)，目的是通過網絡空間，把決策信息送到物理空間，送到相應的子系統中，完成對相應的設備或系統做出調整的實際操作。
這個5C的架構，實際上是一個企業級的反饋控制系統，一個包括人、(計算)機、物在內的反饋控制系統。系統的控制對象，無論是人、或機、或物，其現況信息都是通過C1(第一層)來獲取的。獲取后，送到反饋器，即C2(第二層)，進行數據挖掘和分析，所得出的整個企業狀況的實際值和期望值在C3(第三層)進行比較，比較后得出決策信息C4(第四層)，指示在什么地方需要做出怎樣的調整或改變，最后是由控制器C5(第五層)發出指令，實施對人、機、物的控制。反饋控制是自動控制理論最核心的思想之一，只有反饋控制才能達到最理想的控制效果。在人、機、物一體化的大系統情況下，反饋系統的一體化和優化設計，確實有很多重大的理論和創新問題。
認識工業互聯網非常重要，尤其要抓住它的本質和內涵，對中國企業信息化的發展意義非凡。工業互聯網系統不僅涉及信息技術的各個方面，而且也涉及很多相關的科學技術領域，世界上沒有一個企業能夠承擔工業互聯網的全部研發任務。為此，美國幾個IT巨頭牽頭組織了工業互聯網聯盟。2015年6月，美國工業互聯網聯盟發布了一個工業互聯網系統的參考架構，對工業互聯網的構成要素，各要素之間的相互關系等，都進行了比較系統的探討和研究，為工業互聯網的系統架構、解決方案架構和應用架構提供了一個開發指南，具有重要指導意義。
工業互聯網提出了分析系統功能的四個維度，包括業務的維度、用戶的維度、系統功能的維度、系統實現的維度，對每一個維度都做了詳細的需求分析，研究了必須要考慮的基本問題。
工業互聯網系統的參考架構將工業互聯網系統分成內外三層：外緣層、平臺層和企業層。企業需要的所有數據，通過外緣層進入企業的數據平臺，在平臺層進行數據的轉換和分析，在完成一系列操作運算后，產生決策所需的數據，并送入企業層；企業層接收這些數據之后，根據決策系統設定的規則決定企業下一步怎么做，并將決策產生的控制信息流返回到平臺層，平臺層對控制流進行分析后，再送到外緣層，包括企業外部的相關企業。整個過程中，核心的部分是數據的分析和處理，包括終端數據的獲取、先進的數據處理、決策的執行模塊、系統輸出的產生等等，各種模型的構建和數據的分析計算，是數據處理系統的核心。
工業互聯網系統涉及很多核心技術。第一層涉及物聯網技術及應用；第二層用的是業務智能和大數據技術；第三層是云計算技術；第四層離不開計算科學技術；第五層則是網絡化的自動控制技術。
不難看出，工業互聯網所需要的技術支撐，實際上把當前信息技術發展的熱點幾乎都概括其中。目前，我國大數據、云計算、物聯網等都炒得很熱，但是，如果這些熱門技術不圍繞一個主題，朝著一個共同方向努力的話，是形不成競爭優勢的。
2016年3月2日，工業互聯網和工業4.0這兩個技術平臺，在瑞士蘇黎世做了對接。雙方達成協議，必須實現工業4.0參考架構模型和工業互聯網系統架構模型的兼容性和互操作性，這是二者得以共享全球市場的一個重要步驟。中國也已推出自己的工業互聯網架構模型，但總體來看，我們的步子還是慢了一些。如果我們的步子能夠更快一些，工業互聯網系統的競爭有可能形成三足鼎立的局勢。特別是，其中涉及很多標準和規范問題，如果我們不參與前期標準的制定，就會非常被動。中國必須盡快建立團隊，推出自己的工業互聯網系統“參考架構(IIRA)”，并與“工業4.0平臺”和“工業互聯網聯盟”展開協調行動，以避免被邊緣化。
(三)全球物聯網
工業互聯網系統的快速發展，使全球物聯網成為業界關注的焦點。如果一個企業進來的和出去的產品都具有聯網功能的話，物聯網的問題還只限于一個企業的內部，對產業影響不大。但是，如果全世界絕大多數的企業都需要將輸入和輸出的產品聯網的話，這個物聯網就變成了一個全球物聯網(the Internet of Things)，與幾年前講的物聯網的概念不一樣，它是一個第一個字母大寫的物聯網。全球物聯網因之提上了全球信息化發展的議事日程。英特爾公司估計，到2020年全球物聯網大概要提供一個500億物品互聯的互聯網基礎架構。現在的互聯網，是人的互聯網，總共連接的只是30億到40億人，物聯網將帶來互聯網絡十幾倍甚至幾十倍的擴張。Gartner公司估計，到2025年，全球互聯的物品大概有2000億個。這樣一個龐大的物聯網，給互聯網未來的發展帶來了巨大的挑戰。不難看出，工業互聯網本身就是一個人、機、物的互聯網，全球物聯網就是一個全球的人、機、物的互聯網，這個網絡在現有互聯網的基礎上生長起來，必將會帶來巨大的經濟和社會變革。
全球物聯網覆蓋所有的重要領域，包括各種各樣的業務活動、能源、消費、健康與生命、IT技術和網絡、安全和公安、零售業和交通制造等等，由此將產生一個智能互聯的世界。一些重要的行業，如通信、零售、汽車、醫療等等，將發生重大的變革。這就是未來15至20年可能產生的新的前景。
物聯網、大數據和云計算將走向融合。對于全球物聯網，大數據可以幫助各行各業提升業務洞察力，推動全球基于數據驅動的經濟發展，進而推動國家治理和社會發展。全球物聯網成為全球最重要的數據采集和數據共享平臺，形成新一輪的海量數據增長浪潮，成為衍生無數個具有真正商業價值和業務洞察力的大數據平臺。這是工業互聯網和全球物聯網真正的價值所在。大數據和云計算的發展，將視物聯網的發展而確定其方向和重點。各種形態的“云”和“云聯網”，將為物聯網和大數據提供不同類型的服務和所需要的不同的商業模式。
全球物聯網不是一個垂直的或水平的、局域的物聯網，而是一個人、機、物的互聯網，這是一個必然的發展結果。意識到這一點，就知道全球信息化的發展方向發生了重大轉變。現在最重要的是，我們必須轉變思想和觀念，迎接全球物聯網帶來的這種革命性變革。
大數據的發展也會面臨很多挑戰。上千億物品的數據在網上流動，這些數據存在哪里，需要什么樣的數據中心，什么樣的分析技術，什么樣的隱私保護等等，都是新生的問題。云計算也是一樣，怎樣在云與云之間實現互聯，如內部網和外部網，未來就是云和云的互聯，一個企業和很多其他關聯企業的私有云的互聯。云網絡、云安全、云服務的管理等等，也會帶來一系列需要解決的問題。
應該看到，工業互聯網系統的基本思想，不僅適用于任何制造企業，而且適應于政府和其他企事業單位。不僅對大型或跨國企業贏得國際競爭力極為重要，而且對國家信息化和信息產業的發展影響十分深遠。工業互聯網系統是一個“改朝換代”的系統和產品，市場需求極大，目前雖然是針對企業設計的，但全社會的每一個領域都會被“裹挾”進來。因此，工業互聯網是全球信息化進入一個新時代的表征，中國決不可掉以輕心。未來10至15年，全球信息化在很大程度上將圍繞推動工業互聯網系統的發展而發展。全球信息技術和產業的生態將發生重大變革。
