1 引言
當前，全球制造業發展面臨新形勢、新挑戰，生產、管理、服務、創新等方面涌現出一系列新問題，催生出轉型升級的新需求[1]。整體來看，一是生產效率提升達到瓶頸，原料、勞動力等生產成本持續上升；二是個性化和后續服務需求愈發強烈，產品設計和上市周期長，難以滿足快速響應市場的需求；三是制造企業利潤低、資源少，中小企業貸款難，缺乏金融資助[2]。從部分重點行業來看，市場形勢不佳成為最明顯的特征，高增速發展時代走向結束，高質量發展成為時代主題。以鋼鐵、船舶、汽車行業為例，當前全球市場需求均出現放緩[3-5]，產能結構有待調整，轉型升級相對迫切。在此形勢下，工業互聯網作為新一代信息通信技術與制造業深度融合所形成的全新工業生態、關鍵基礎設施和新型應用模式[6]，深度賦能工業企業，依托其深度感知、智能分析、高效處理、集成互通等能力，逐步深化企業在生產運營、管理服務等方面的應用實踐，成為制造業轉型升級的關鍵路徑，受到鋼鐵、石化、電子、汽車、高端裝備等國民經濟重點行業的關注[7]。當前全球工業互聯網應用基礎日漸夯實，應用場景更加清晰聚焦[8]。其中，我國重點行業工業互聯網應用已處于從局部探索到路徑形成的關鍵階段[9]，因此亟需找到一種適合行業發展應用的模式與路徑，指導我國重點行業形成各具特色的工業互聯網應用體系。
在政府、企業、聯盟等各大主體的推動下，重點行業信息化、自動化建設日益完善，為工業互聯網應用打下了堅實基礎，但在不同行業中存在較明顯的差距。各大行業基于當前數字化水平，在依托工業互聯網獲取解決通用型問題能力的同時，也面向本行業內特性痛點問題開展了應用。其中，流程行業以產能、資產、安環等方面的系統性優化為應用特點，多品種、小批量離散行業主要圍繞產品全生命周期開展特色應用，少品種、大批量離散行業則以產品質量與市場需求為核心開展特色應用。
針對重點行業不同的痛點問題，工業互聯網形成了不同的應用模式及場景：一是四大通用型模式，分別為生產運營優化、管理與決策優化、供應鏈優化和生產性服務探索；二是六大行業典型應用模式，體現了流程、離散等不同類型行業的需求，包括安環管理、產品價值提升、產品設計與工藝優化、需求快速響應、產品質量管理以及產業鏈協同優化。
從場景來看，通用型應用場景主要包括排程優化、調度管理、生產監控、服務配套優化等細分場景，流程行業以能耗調度、工藝調優等場景為特色，多品種、小批量離散行業以仿真建模、協同設計為特色，少品種、大批量離散行業以在線質檢、混線柔性生產為特色。
工業互聯網應用場景復雜多樣，但總體呈現智能化、協同化兩大發展路徑，在此路徑指引下，不同細分行業開展差異性探索。
（1）在智能化層面，流程行業利用“智能+工業大數據+模型” 從設備側著手，實現更有效的設備健康、能耗、排放管理；多品種、小批量離散行業利用仿真模擬，從設計和工藝側切入，實現復雜產品多專業協同設計與仿真驗證；少品種、大批量離散行業利用“智能預測+檢測”解析從產品質量切入，打造更完善的質檢、追溯、服務等全方位體系。
（2）在協同化層面，流程行業利用工業互聯網平臺進行綜合集成，探索產、供、銷一體化；多品種、小批量離散行業通過平臺協同各大主體，實現研發、計劃、生產等資源高效率配置；少品種、大批量離散行業發揮平臺能力，實現供應鏈上下游深度對接和市場需求變化響應。
2.2.3 重點行業中小企業工業互聯網應用模式和路徑
目前，我國量大面廣的中小企業受制于生產經營能力，正處于信息化補課階段，其工業互聯網應用的主要路徑有兩條：一是借用改造大企業成熟應用，追求資產、能耗等單點個別場景的能力優化；二是依托平臺融入大企業發展生態，探索融通發展機制（見圖1）。
圖1 重點行業中小企業工業互聯網主要應用模式和路徑
不同行業中小企業面臨的壓力各不相同，選擇的應用實踐方式也存在差異。例如，原材料行業的中小企業應用路徑主要通過低成本改造適應國家標準、依托大企業電商平臺獲取訂單或提供加工等服務，高端裝備行業則包括通過信息化建設承擔大廠任務、通過服務平臺解決融資問題等，汽車行業主要有提供差異化、特色化服務等應用。
鋼鐵行業已經具備相對較好的信息化、自動化基礎，現階段正繼續拓展數字化改造范圍和數據的高效利用，工業互聯網應用探索條件良好[10]。鋼鐵產業鏈以中游冶煉企業為核心，上游為鐵礦石等原料和設備，下游為建筑、汽車等不同行業用鋼客戶，整體來看存在三大痛點問題：一是生產能耗、排放高，安全事故頻發，面臨較大環保、安全政策壓力；二是高價值設備多，生產分段連續，部分工藝難以優化，整體效率需要提高；三是產能結構失衡，產品市場需求與生產計劃協同優化不足。
工業互聯網助力鋼鐵行業解決痛點需求，主要形成安環管理、生產運營優化、產業鏈協同優化三大應用模式，細分為十大類應用場景。
形成安全管理、能耗優化、排放控制等3類主要場景，降低生產風險，提升本質安全，探索綠色可持續發展道路。例如，在排放控制場景，酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司利用大數據分析實現能耗和排放的智能化管理，單座高爐每年降低成本2400 萬元，減少碳排放 2萬噸，冶煉效率提升10%。
形成資產管理、工藝調優、調度控制、遠程協同等4類主要場景，促進生產運營等過程的提質增效，實現整體智能化管理。例如，在工藝分析場景，中國中鋼集團有限公司利用機器進行深度學習，對煉鋼過程中可能造成的熱軋缺陷進行預測。
形成用戶對接、生產響應、產供銷一體化等3類主要場景，提升供需對接水平，強化供應鏈管理和經營銷售能力。例如，在供應鏈優化場景，攀鋼集團有限公司的積微循環平臺提供鋼鐵、釩鈦、冷鏈等大宗商品的現貨交易及支付結算、金融服務等配套增值服務。
整體來看，當前鋼鐵行業應用場景集中在生產環節，形成以制造系統為核心的點狀覆蓋型實踐，但在數字化基礎貫通、跨環節應用整合方面存在不足，包括兩條路徑：一是深化設備智能改造與系統建設，加強軟硬件基礎的建設，繼續提高自動化、智能化水平，在保障安全的前提下逐漸完成機器換人；二是多環節互聯互通，從數據出發打通生產管理各環節，實現全流程的集中管控，同時打通上下游，適應市場變化趨勢（見圖2）。
當前船舶行業工業互聯網應用重點關注軟件集成和智能化覆蓋，提高模型轉換能力，打通生產各個環節，探索更高層次的智能化[11]。船舶行業產業鏈覆蓋廣、規模大、成分復雜，借助較好的信息化基礎優化產業鏈成為發展重點，整體來看存在三大痛點問題：一是供應鏈長且復雜，采購成本高，物資周轉率低，生產計劃對接難；二是產品需求差異大，設計過程繁瑣，工藝流程和結構復雜；三是各生產環節分散且復雜，影響因素多，管控難度大。
工業互聯網助力汽車行業解決痛點需求，主要形成供應鏈管理優化、產品設計與工藝優化、生產運營優化三大應用模式，細分為9類應用場景。
形成采購管理、計劃對接、檢驗優化和服務配套優化4類主要場景，強化供應鏈管理能力，降低成本，提升效率。例如，在采購管理場景中，中國船舶工業集團有限公司推出船舶行業首個工業互聯網平臺“船海智云”，完成對物資價格的智慧預測，精度達95%。
形成協同設計、工藝優化兩類主要場景，提升設計效率和工藝水平，增強產品競爭力。例如，在協同設計場景中，大宇造船海洋工程有限公司通過實時共享設計和生產信息，以3D模型為基礎，節省大量的人工干預和反復設計修改工作。
形成排程優化、調度管理、智能控制3類主要應用場景，緩解船舶制造過程分散、復雜、難以管控等問題。例如，在調度管理場景，中船黃埔文沖船舶有限公司的自動化立體倉庫實現物資出入庫自動化搬運及信息自動更新，有效庫容面積提升4倍，庫存資金占比減少28%。
船舶行業基于自身產業鏈復雜的特點，在產業協同上形成一定的典型應用，目前在生產調度上仍有大量環節有待改善，包括兩條路徑：一是生產環節智能化改造，基于設備量大復雜、生產調度困難等行業特點，推動設備管理向預測性維護轉變，增強各生產環節智能調度和控制能力；二是產業鏈協同能力提升，從生產出發，繼續深化產業鏈協同能力，強化設計、生產對需求的響應能力，整體上優化采購、倉儲、排程等全流程（見圖3）。
當前全球貿易緊張、經濟發展放緩、排放標準趨嚴等因素對汽車市場產生較大影響，同時新能源、無人駕駛等領域也成為各傳統車企及新興勢力競爭的重要戰場[12]。汽車行業制造環節自動化程度較高，以市場為導向的成熟生產模式，整體來看存在三大痛點問題：一是產品同質化嚴重，市場需求變化快，難以快速響應；二是研發設計周期長，質量管控嚴，產品零部件數量多且來源復雜；三是新市場已經出現，同時產業鏈向服務化深入，帶來新的挑戰。
工業互聯網助力汽車行業解決痛點需求，主要形成市場需求響應、產品全生命周期管理、新領域探索三大應用模式，細分為9類應用場景。
形成需求預測、個性化定制、混線柔性生產3類主要場景，強化供需對接能力，提升營銷水平。例如，在個性化定制場景，上汽大通汽車有限公司打造大規模個性化智能訂制模式，用戶可以對變速箱、驅動形式、座椅布局等配置項目進行個性搭配。
形成協同設計、質量檢測、產品追溯3類主要場景，布局產品質量全方位管理，提升產品競爭力。例如，在質量檢測場景中，奧迪使用創新機器學習程序精確檢測金屬板中最細的裂縫并標記，徹底改變測試過程。
形成了新零售探索、后服務優化、無人駕駛3類主要場景，強化汽車行業新布局，拓寬行業輻射范圍。例如，在無人駕駛場景中，特斯拉、Waymo等各大公司基于AI技術開展無人駕駛汽車探索和研制，搶占汽車行業新市場。
汽車行業引領全球制造業轉型升級，工業互聯網應用水平高、范圍廣，在部分環節形成行業特色創新應用，包括兩條路徑：一是全流程一體化優化，進一步打通設備、車間、企業、產業等層級，實現各大環節的整體協同和優化；二是產業鏈拓展和升級，依托新型網絡連接和數據分析能力，探索汽車行業新領域，包括廣泛的生產性服務業和專業的智能網聯汽車等（見圖4）。
我國重點行業工業互聯網應用正處于單場景應用向多環節協同轉型的發展階段，未來仍有很大的提升空間。研究顯示，我國在重點行業探索工業互聯網應用的過程中，主要面臨認識理解不足、基礎能力薄弱、產業支撐缺失、探索風險較大、環境支撐匱乏、行業發展不均等問題。為此，提出3條推進建議：一是從加強通用技術產品創新突破、加快專用解決方案培育和推進工業互聯網標準體系建設等方面加強核心產品與解決方案的培育；二是從加強應用實踐頂層指導、引導企業自發推進應用實踐和加強應用標桿推廣等方面推進行業應用的落地推廣；三是從完善公共服務體系建設、加大宣貫培訓力度和創新人才選拔途徑等方面構建良好的發展環境。
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