讲解工业互联网非常经典的书籍，由北京航空航天大学任磊教授团队编写。国家高等教育智慧教育平台、清华大学学堂在线平台;工业互联网数字课程配套用书

本书是一本系统介绍工业互联网基础理论与关键技术体系的导论性书籍，具有鲜明的学科交叉性、前沿创新性、产教融合性。工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，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，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。本书内容丰富，结构清晰，系统阐述了工业互联网的历史发展背景，面向新工业革命的新一代信息通信技术，工业互联网的概念和体系架构，工业互联网网络、平台、安全相关的三大技术体系，以及工业互联网人机物共融关键技术等知识体系，同时书中通过大量应用案例分析辅助读者学习。通过阅读本书，读者能够深入地了解工业互联网这一前沿领域全面、完整、逻辑统一的基础理论知识和关键技术体系。本书既适用于高校本科生、研究生、教师、研究者，也适用于工业产业界相关技术从业者。

第1章工业互联网的发展背景 / 11.1 工业1.0~工业3.0发展历程 / 11.2 制造业信息化 / 21.3 CIMS / 61.4 迈向工业4.0 / 91.5 新一代智能制造 / 13第2章面向新工业革命的新一代ICT技术 / 182.1 云计算 / 182.1.1 云计算简介 / 182.1.2 云计算核心理念 / 182.1.3 云计算模型 / 192.1.4 云计算的技术特征 / 202.2 大数据 / 202.2.1 大数据的起源 / 202.2.2 大数据的研究意义 / 212.2.3 大数据的核心特征 / 212.2.4 大数据的应用手段 / 222.2.5 工业大数据 / 222.3 智能物联网 / 232.3.1 物联网的定义 / 242.3.2 物联网下的制造全互联制造 / 252.3.3 物联网的关键支撑协议 / 252.3.4 物联网的网络参考架构 / 262.3.5 物联网与互联网的区别 / 292.4 智能传感器 / 292.4.1 智能传感器的定义 / 302.4.2 智能传感器的分类 / 302.4.3 工业互联网环境下的典型智能传感器 / 302.5 5G通信技术 / 342.5.1 5G技术的概念 / 342.5.2 5G的关键技术 / 352.6 信息物理系统 / 412.6.1 信息物理系统的本质 / 412.6.2 信息物理系统的层次 / 422.6.3 信息物理系统的特征 / 432.6.4 信息物理系统的四种模式 / 432.6.5 信息物理系统的典型应用场景 / 432.6.6 CPS与物联网的区别 / 442.6.7 CPS的应用价值图谱 / 452.7 新一代人工智能 / 452.8 大模型 / 502.8.1 大模型的含义 / 502.8.2 大模型的背景与历史 / 502.8.3 大模型的工作原理 / 512.8.4 大模型的优势与挑战 / 512.9 区块链 / 512.9.1 区块链的发展历程 / 512.9.2 区块链的类型 / 532.9.3 加密技术与安全性 / 532.9.4 区块链的优势与应用 / 532.10 虚拟现实与元宇宙 / 542.10.1 元宇宙的定义 / 542.10.2 元宇宙的起源与发展 / 542.10.3 元宇宙的关键技术 / 542.10.4 元宇宙的实际应用 / 552.10.5 工业元宇宙 / 552.11 产品全生命周期涉及的工业软件 / 562.11.1 产品生命周期管理系统 / 562.11.2 企业资源计划系统 / 572.11.3 制造执行系统 / 592.11.4 制造运营管理系统 / 60第3章工业互联网的概念与体系架构 / 623.1 工业互联网的概念与内涵 / 623.2 工业互联网的体系架构和关键技术 / 65第4章工业互联网的网络关键技术 / 704.1 什么是工业互联网标识 / 704.1.1 工业物联网标识概述 / 704.1.2 工业互联网标识的形式和载体 / 714.1.3 工业互联网标识的使用流程及注意事项 / 734.2 工业互联网标识解析 / 754.2.1 工业互联网标识解析体系概述 / 754.2.2 工业互联网标识解析体系的结构 / 774.2.3 工业互联网标识解析体系的视图 / 814.3 工业互联网网络连接框架 / 834.3.1 工业互联网总体架构概述 / 834.3.2 工业互联网网络连接的主要架构 / 844.4 工厂内网 / 864.4.1 工厂内网;两层三级 / 864.4.2 工厂内网络的网络类型 / 884.5 工厂外网 / 894.6 工业协议家族 / 944.7 工业协议解析与转换 / 984.7.1 工业互联网通用转换协议 / 984.7.2 工业互联网协议转换载体 / 1014.8 5G 工业互联网 / 1024.9 时间敏感网络 / 1064.9.1 时间敏感网络概述 / 1064.9.2 时间敏感网络的主要技术 / 1074.10 边缘计算 / 1094.10.1 边缘计算的功能视角 / 1094.10.2 边缘计算的基础能力视角 / 111第5章工业互联网平台的关键技术 / 1135.1 工业大数据 / 1135.1.1 工业大数据的概念与特征 / 1135.1.2 工业大数据的功能体系架构 / 1185.1.3 工业大数据的技术框架 / 1215.1.4 工业数据空间跨域集成模型 / 1255.1.5 工业时序数据库 / 1375.1.6 工业大数据可视化 / 1425.2 工业智能 / 1465.2.1 工业智能概述 / 1465.2.2 工业数据深度学习：建模与分析流程 / 1515.2.3 工业时序数据深度学习技术：应用背景与基础知识 / 1555.2.4 工业时序数据深度学习的技术：挑战与应对策略 / 1595.2.5 工业深度学习模型轻量化技术 / 1685.2.6 工业知识图谱 / 1725.3 工业互联网的任务调度 / 1795.3.1 工业生产计划与调度 / 1795.3.2 工业互联网的任务调度：问题与方法 / 1835.3.3 工业互联网的任务调度：挑战与应对策略 / 1885.4 建模仿真与数字孪生 / 1965.4.1 建模仿真技术概述 / 1965.4.2 建模仿真在制造业中的应用 / 1995.4.3 数字孪生 / 2025.4.4 模型工程 / 2055.4.5 MBSE与X语言 / 2075.5 云制造 / 2135.5.1 云制造的概念 / 2135.5.2 云制造的技术体系 / 2175.6 云边协同技术 / 2205.6.1 云边协同服务模式 / 2205.6.2 云边协同基础能力 / 2225.6.3 云边协同部署架构 / 2235.7 工业App开发 / 2255.7.1 工业App / 2255.7.2 工业App低代码开发方法 / 2335.8 智能工厂 / 2395.9 供应链协同优化 / 245第6章工业互联网安全 / 2516.1 工业互联网安全的威胁 / 2516.1.1 震网病毒 / 2516.1.2 工业互联网安全事件 / 2526.1.3 一些思考 / 2536.2 工业互联网安全的框架 / 2546.2.1 总述 / 2546.2.2 设备安全 / 2546.2.3 控制安全 / 2556.2.4 网络安全 / 2556.2.5 应用安全 / 2566.2.6 数据安全 / 2566.3 设备安全防护技术 / 2576.4 控制安全防护技术 / 2586.5 工业网络安全防护技术 / 2616.6 工业应用安全防护技术 / 2626.7 工业数据安全防护技术 / 2656.8 工业区块链 / 267第7章工业互联网人机物共融关键技术 / 2767.1 工业元宇宙 / 2767.1.1 工业元宇宙的概念、特征与关键技术 / 2767.1.2 工业元宇宙的典型应用 / 2817.2 智能工业机器人 / 2857.2.1 工业机器人在智能制造中的应用 / 2857.2.2 工业机器人智能感知决策与控制 / 2867.3 多模态智能交互技术 / 290参考文献 / 292

人类已经历了三次工业革命，而今天，我们正迎来人类历史上的第四次工业革命，正从信息化时代加速迈向智能化时代。新工业革命时代，创新的主题是; ，尤其是把新一代信息通信技术（也就是ICT技术，例如新一代人工智能、云计算、大数据、5G、区块链、元宇宙）; 到传统产业上来。工业化和信息化的深度融合，将不断催生未来工业的新模式、新手段和新业态。例如，它催生了;云制造新型工业模式，它让工业世界的人、机、物彼此连接和对话，它让机器学会思考和学习，并像人一样协作，它将让你置身于虚实共生的工业元宇宙世界。这一切对于未来工业世界的美好愿景，都建立在一个崭新的领域基础上，那就是;工业互联网。工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，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，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。现在，互联网的上下半场之说已经成为业界的共识。互联网的上半场是消费互联网，过去二十多年在人们的生活消费领域取得了举世瞩目的成就，然而近年来行业的增量红利已经逐渐消退。未来新的一片蓝海，将是产业互联网，也就是互联网的下半场，将深入结合实体经济的一个个行业，实现虚拟经济和实体经济的深度融合，催生行业巨大边际效应的经济发展新范式。其中，工业互联网将持续赋能我国制造业的数字化、网络化、智能化的转型升级，打造全新的产业生态。2017年年底，国务院印发了《关于深化;互联网 先进制造业发展工业互联网的指导意见》，工业互联网自此成了我国的国家级创新战略。近年来，一系列国家战略规划和行动计划，都在大力推进工业互联网的建设。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》指出，需要系统布局工业互联网建设。党的二十大报告指出：坚持把发展经济的着力点放在实体经济上，推进新型工业化。在前三次工业革命浪潮中，英国、德国、美国占得了先机，也发展为全球工业、制造业最具竞争力的国家。如今，我们正面临新工业革命，在迈向个性化、智能化制造的新历史时期，中国有望实现弯道超车，与欧美发达国家一争高下，这是当前中国面临的难得的历史机遇。然而，由于工业互联网属于前沿创新领域，学科高度交叉，产教深度融合，目前无论是产业界还是学术界，相关人才都极其匮乏，亟须培养工业互联网新型复合型人才，为我们国家建设制造强国而奋斗。本书立足北京航空航天大学在全国高校中率先开设的;工业互联网线下研究生课程、;工业互联网技术基础线下本科生课程、工业互联网产教融合实践大讲堂，以及;工业互联网线上数字课程（已在国家高等教育智慧教育平台、清华大学学堂在线平台分别上线）近5年来的高校人才培养实践经验积累，以及中国工业互联网产业联盟人才组近5年来面向全国开展产业界人才培养的经验积累，将工业互联网基础理论知识和关键技术体系梳理凝聚成一本既适合高校本科生、研究生、教师、研究者，也适用于产业界相关技术从业者的导论性教材。本书共分7章，第1章讲述工业互联网的发展背景，涵盖了从工业1.0到工业4.0的演进。第2~4章深入讲解了面向新工业革命的关键ICT技术、工业互联网的概念与体系架构、网络关键技术。第5章和第6章分别详细介绍了工业互联网平台的关键技术和安全技术。第7章聚焦于人、机、物共融的关键技术，如工业元宇宙和智能工业机器人。每章均以实际案例和前沿技术研究为支撑，旨在为读者提供一个系统的工业互联网知识框架，助力读者深入理解并应用工业互联网技术。本书的出版得到了国家自然科学基金（编号：62225302、92167108）的支持。在此还要感谢张一凡、王昆玉、贾子翟、董家宝、王海腾、李世祥、王斐、孔宇升、张晶、蔡尽云、胡珂、赵拓、刘帅、王浩天等在本书规划、撰写、校核等各个环节做出的贡献。由于工业互联网理论技术体系仍在发展过程中，加之撰写时间和水平有限，书中难免存在不足指出，望读者给予批评指正。

编 者2024年8月