[正版]数字浪潮 工业互联网先进技术丛书 工业互联网关键技术 工业互联网边缘层 PaaS层和SaaS层关键技术 工业互联

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本书依托“能源化工过程智能制造”教育部重点实验室丰富的理论和实践基础，紧密围绕国家、区域及行业经济发展对智能制造、绿色制造和高端制造的重大需求，采用工业互联网技术解决企业生产和管理过程的实际问题。

工业互联网是现代信息技术与工业体系深度融合的全新工业生态、关键基础设施和新型应用模式，是支撑制造业高质量发展的“新基建”之一。本书重点介绍了工业互联网平台的概念和发展历史，国内外典型工业互联网平台的架构和特点，工业互联网边缘层、PaaS层和SaaS层的关键技术，以及工业互联网在流程制造业和离散制造业的应用案例。
本书可作为高校研究生、政府工作人员、企业技术人员理解和学习工业互联网关键技术及应用的重要参考书。

杜文莉，工业博士，华东理工大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家高层次人才计划入选者，全国高校黄大年式教师团队负责人，中国自动化学会常务理事、中国人工智能学会常务理事、中国自动化学会石油化工应用专业委员会主任、国家流程制造智能调控技术创新中心主任。长期从事工业过程控制与优化技术研发，主持国家重点研发计划和企业重大科技攻关项目等20余项，相关成果在大型工程应用示范，形成了系列具有自主知识产权的核心技术，获国家科技进步二等奖5项；发表高水平学术论文200余篇。

王峰，无锡雪浪数制科技有限公司董事长、CEO&创始人，江苏省第十四届人大代表、政协无锡第十五届委员、浙大高端装备院特聘研究员、上海流程智造科技创新研究院院理事。2018年开始建设雪浪云国家级工业互联网平台，累计服务数百家央企及龙头企业，参与国家重点研发计划7项。

赵亮，工学博士，华东理工大学副研究员，康奈尔大学访问学者。研究方向包括机器学习、先进控制、过程优化、工业互联网等，在乙烯、水泥、煤化工等行业完成多项先进控制、实时优化、信息化建设相关的产学研合作项目。主持国家自然科学基金项目3项，企业委托项目6项，相关成果获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项、三等奖1项；发表高水平研究论文50余篇。

薛栋，德国慕尼黑工业大学工学博士，华东理工大学副教授，上海“浦江人才计划”获得者。分别于2016-2018年和2018-2019年在荷兰格罗宁根大学、德国卡尔斯鲁厄理工大学从事教师和研究员工作。长期从事基于大数据和人工智能的控制与优化方向研究，近年来以第一作者或通讯作者在IEEE TAC、IEEE TSP等发表高水平论文20余篇，主持国家自然科学基金面上项目、上海市人才计划项目、企业科研攻关项目等多项课题。

第1章 绪论 001
1.1 工业互联网概述 002
1.1.1 互联网和互联网+ 003
1.1.2 工业1.0～工业4.0 004
1.1.3 传统制造业面临的问题 005
1.1.4 工业互联网的内涵 006
1.2 工业互联网体系架构 008
1.2.1 美国工业互联网参考架构IIRA 009
1.2.2 德国工业4.0参考架构RAMI 4.0 010
1.2.3 日本工业价值链参考架构IVRA 011
1.2.4 中国工业互联网体系架构 012
1.3 工业互联网关键技术 015
1.3.1 技术体系 015
1.3.2 关键技术 019
1.3.3 工业互联网前沿技术 023
1.4 工业互联网发展趋势 026
1.4.1 工业互联网产业融合发展 026
1.4.2 5G +工业互联网快速融合发展 026
1.4.3 工业APP应用持续丰富和拓展 027
1.4.4 工业互联网平台发展趋势 027
参考文献 028

第2章 工业互联网平台 031
2.1 工业互联网平台概述 032
2.2 工业互联网平台技术架构 035
2.2.1 边缘层 035
2.2.2 基础层 037
2.2.3 平台层 038
2.2.4 应用层 038
2.3 国内外工业互联网平台 040
2.3.1 国外工业互联网平台 040
2.3.2 国内工业互联网平台 046
参考文献 053

第3章 工业互联网边缘层 055
3.1 边缘层概述 056
3.2 工业数据接入 057
3.2.1 工业控制系统 057
3.2.2 工业信息系统 060
3.2.3 其他工业设备 065
3.3 边缘计算通信协议 070
3.3.1 OPC DA 071
3.3.2 OPC UA 072
3.3.3 Modbus 073
3.3.4 工业互联网标识解析 075
3.3.5 工业实时数据库 077
3.4 边缘计算数据处理 082
3.4.1 工业数据处理 082
3.4.2 云计算与边缘计算 088
3.5 边缘计算应用 093
3.5.1 视觉数据分析 093
3.5.2 高频振动信号分析 095
3.5.3 风机信号处理 097
参考文献 097

第4章 工业互联网PaaS层 101
4.1 PaaS层概述 102
4.1.1 PaaS层定义 102
4.1.2 PaaS层定位 103
4.1.3 PaaS层的技术架构 104
4.2 PaaS层核心支撑技术 108
4.2.1 分布式开发技术 108
4.2.2 微服务架构 113
4.2.3 微服务治理 116
4.2.4 微服务开发框架 119
4.2.5 容器与容器云 123
4.3 工业数据集成与资源管理 132
4.3.1 工业数据集成与资源管理概述 133
4.3.2 工业数据集成与资源管理流程和方法 134
4.3.3 工业数据集成与资源管理工具 140
4.4 工业APP开发编排计算平台 148
4.4.1 基于平台的开发与部署 149
4.4.2 基于组件的可复用技术 154
4.4.3 图形化编程开发技术 156
4.4.4 运行时求解计算过程 161
4.4.5 异构算力环境调度 164
4.4.6 分布式计算与并行计算 167
4.5 工业低代码APP开发 168
4.5.1 工业低代码APP开发简介 169
4.5.2 工业低代码APP开发原理 170
4.5.3 典型的低代码开发平台 179
4.5.4 工业低代码的应用场景 189
参考文献 191

第5章 工业互联网SaaS层 195
5.1 SaaS概述 196
5.1.1 SaaS定义 196
5.1.2 SaaS主要特点 197
5.1.3 SaaS发展现状 198
5.1.4 SaaS代表产品 199
5.2 工业APP概述 200
5.2.1 工业APP定义 200
5.2.2 工业APP的特点 201
5.2.3 工业APP与工业软件 202
5.2.4 工业APP发展现状 203
5.3 工业APP开发 204
5.3.1 技术架构 205
5.3.2 关键技术 206
5.3.3 开发流程 207
5.4 工业APP应用 209
5.4.1 面向智能设计的工业APP 209
5.4.2 面向智能生产的工业APP 214
5.4.3 面向智能运维的工业APP 219
5.5 工业APP生态体系建设 225
5.5.1 生态体系的构成内容 225
5.5.2 参与主体及主要活动 226
5.5.3 生态基础建设 228
5.5.4 使能环境建设 229
参考文献 232

第6章 工业互联网赋能行业应用 235
6.1 工业互联网赋能流程制造业典型应用 236
6.1.1 炼化一体化生产智能管控典型案例 236
6.1.2 煤气化炉智慧生产管控平台案例 240
6.1.3 水泥行业智能工厂建设典型案例 245
6.1.4 基于工业互联网平台的钢铁智慧管控中心建设 248
6.1.5 基于工业互联网平台的空冷数字孪生智能控制系统 252
6.1.6 基于工业互联网平台的危废焚烧智能决策系统 256
6.2 工业互联网赋能离散制造业典型应用 261
6.2.1 基于工业互联网平台的高端发动机智能设计、智能运维一体化系统 261
6.2.2 基于工业互联网平台的汽车行业生产仿真和优化系统 265
6.2.3 大型工程机械一体化平台典型应用 269
6.2.4 动力电池行业智能工厂典型应用 273
6.2.5 基于工业互联网平台的AI质检领域典型应用 276
参考文献 281

当前，人类社会来到第四次工业革命的十字路口。数字化、网络化、智能化是新一轮工业革命的核心特征与必然趋势。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。目前，我国经济社会发展处于新旧动能转换的关键时期，作为在国民经济中占据绝对主体地位的工业经济同样面临着全新的挑战与机遇。在此背景下，我国将工业互联网纳入新型基础设施建设范畴，相关部门相继出台《“十四五”规划和2035年远景目标纲要》《“十四五”智能制造发展规划》《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》等一系列与工业互联网紧密相关的政策，希望把握住新一轮的科技革命和产业革命，推进工业领域实体经济数字化、网络化、智能化转型，赋能中国工业经济实现高质量发展，通过全面推进工业互联网的发展和应用来进一步促进我国工业经济规模的增长。
因此，我牵头组织了“数字浪潮：工业互联网先进技术”丛书的编写。本丛书是一套全面、系统、专门研究面向工业互联网新一代信息技术的丛书，是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目和国家出版基金项目。丛书从不同的视角出发，兼顾理论、技术与应用的各方面知识需求，构建了全面的、跨层次、跨学科的工业互联网技术知识体系。本套丛书着力创新、注重发展、体现特色，既有基础知识的介绍，更有应用和探索中的新概念、新方法与新技术，可以启迪人们的创新思维，为运用新一代信息技术推动我国工业互联网发展做出重要贡献。
为了确保“数字浪潮：工业互联网先进技术”丛书的前沿性，我邀请杜文莉、侍洪波、顾幸生、牛玉刚、唐漾、严怀成、杨文、和望利、王喆等20余位专家参与编写。丛书编写人员均为工业互联网、自动化、人工智能领域的领军人物，包含多名国家级高层次人才、国家杰出青年基金获得者、国家优秀青年基金获得者，以及各类省部级人才计划入选者。多年来，这些专家对工业互联网关键理论和技术进行了系统深入的研究，取得了丰硕的理论与技术成果，并积累了丰富的实践经验，由他们编写的这套丛书，系统全面、结构严谨、条理清晰、文字流畅，具有较高的理论水平和技术水平。
这套丛书内容非常丰富，涉及工业互联网系统的平台、控制、调度、安全等。丛书不仅面向实际工业场景，如《工业互联网关键技术》《面向工业网络系统的分布式协同控制》
《工业互联网信息融合与安全》《工业混杂系统智能调度》《数据驱动的工业过程在线监测与故障诊断》，也介绍了工业互联网相关前沿技术和概念，如《信息物理系统安全控制设计与分析》《网络化系统智能控制与滤波》《自主智能系统控制》和《机器学习关键技术及应用》。通过本套丛书，读者可以了解到信息物理系统、网络化系统、多智能体系统、多刚体系统等常用和新型工业互联网系统的概念表述，也可掌握网络化控制、智能控制、分布式协同控制、信息物理安全控制、安全检测技术、在线监测技术、故障诊断技术、智能调度技术、信息融合技术、机器学习技术以及工业互联网边缘技术等最新方法与技术。丛书立足于国内技术现状，突出新理论、新技术和新应用，提供了国内外最新研究进展和重要研究成果，包含工业互联网相关落地应用，使丛书与同类书籍相比具有较高的学术水平和实际应用价值。本套丛书将工业互联网相关先进技术涉及到的方方面面进行引申和总结，可作为高等院校、科研院所电子信息领域相关专业的研究生教材，也可作为工业互联网相关企业研发人员的参考学习资料。
工业互联网的全面实现是一个长期的过程，当前仅仅是开篇。“数字浪潮：工业互联网先进技术”丛书的编写是一次勇敢的探索，系统论述国内外工业互联网发展现状、工业互联网应用特点、工业互联网基础理论和关键技术，希望本套丛书能够对读者全面了解工业互联网并全面提升科学技术水平起到推进作用，促进我国工业互联网相关理论和技术的发展。也希望有更多的有志之士和一线技术人员投身到工业互联网技术和应用的创新实践中，在工业互联网技术创新和落地应用中发挥重要作用。

钱锋