工业和信息化精品系列教材——工业互联网

工业互联网导论(微课版)

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王道平 (作者) 978-7-115-64142-7

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(1)既注重系统性和科学性,又注重完整性和实用性,全面介绍工业互联网涉及的体系、技术、安全、应用等方面的知识。
(2)各项目提供实训演练内容,既可以帮助读者巩固所学知识,又可以激发读者的学习兴趣和开阔读者的学习视野。
(3)各项目末尾都提供形式多样的练习题,便于教师授课和读者巩固所学知识。
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特别说明

本书涵盖工业互联网体系架构、前沿理论、基础技术、行业应用等方面的内容,共 8个项目。
项目 1 为工业互联网概述,主要介绍工业互联网的起源和发展、工业互联网的内涵和特征、工业互联网的发展现状和趋势等。
项目2首先介绍工业互联网技术架构的各个组成部分,其次介绍工业互联网体系架构中的网络体系、安全体系和标准体系,最后介绍我国以及美国、德国、日本的工业互联网参考架构。
项目3主要介绍工业互联网平台体系架构、应用场景和实例以及发展趋势等内容,重点是平台体系结构中边缘层、基础设施层、平台层、应用层的概念和作用以及各类平台的具体实例和行业应用。
项目4介绍工业互联网的6种基础技术,包括工业大数据技术、云计算技术、物联网技术、网络通信技术、数字孪生技术和人工智能技术,不仅介绍每种技术的概念、特征等,还介绍这些技术在工业互联网中的应用场景以及在企业中的实际应用案例。
项目5介绍工业互联网标识技术中的物体标识技术、场景记录技术、位置定位技术以及工业互联网标识技术应用场景。
项目6介绍边缘计算的概念和特征、边缘计算的发展历程、边缘计算参考架构3.0,以及边缘计算在工业互联网中的应用,其中重点介绍边缘计算架构的商业视图、使用视图、功能视图和部署视图等。
项目7介绍工业互联网安全的相关内容,包括工业互联网安全的概念、工业互联网安全防护内容和防护措施、工业互联网安全标准等内容。
项目8介绍工业互联网在一些行业的应用案例,包括重工行业三一重工、物流行业顺丰DHL、电力行业国网青岛供电公司、港口行业天津港、钢铁行业宝钢湛江钢铁等。

内容摘要

本书系统地介绍工业互联网相关的基本理论和技术,以及这些技术的实际应用情况,并重点介绍工业互联网的内涵和特征、体系架构、平台体系、安全防护、基础技术、行业应用等内容。书中既有基本知识的讲解,也有实训演练的介绍,有助于读者全面了解工业互联网知识体系及其关键技术的具体应用。
本书既可以作为普通高等院校和高职院校工业互联网、智能制造、物联网、自动化等相关专业的教材,也可以作为从事工业互联网工作的人员的学习和参考资料。

前言

党的二十大报告指出,“推动制造业高端化、智能化、绿色化发展”“促进数字经济和实体经济深度融合”。面对我国当前的经济发展形势,推动工业互联网进一步融合发展,对支撑建设制造强国、网络强国,提升产业链现代化水平,推动经济高质量发展和构建国内国际双循环发展格局具有十分重要的意义。
基于这样的背景,编者认为有必要编写一本能够反映新一代信息技术环境下工业互联网导论教材。在编写本书的过程中,编者结合多年的教材编写经验和专业教学实践,以国内外目前最新的研究成果和实践经验充实本书的内容,以系统论和方法论为指导,提升本书的科学性、系统性和完整性,注重对工业互联网相关的基本理论和技术以及这些技术的应用情况的讲解,并重点介绍工业互联网技术发展的最新状况,相信本书是适用于工业互联网相关专业教学的一部好书。
本书涵盖工业互联网体系架构、前沿理论、基础技术、行业应用等方面的内容,共 8个项目。
项目 1 为工业互联网概述,主要介绍工业互联网的起源和发展、工业互联网的内涵和特征、工业互联网的发展现状和趋势等。
项目2首先介绍工业互联网技术架构的各个组成部分,其次介绍工业互联网体系架构中的网络体系、安全体系和标准体系,最后介绍我国以及美国、德国、日本的工业互联网参考架构。
项目3主要介绍工业互联网平台体系架构、应用场景和实例以及发展趋势等内容,重点是平台体系结构中边缘层、基础设施层、平台层、应用层的概念和作用以及各类平台的具体实例和行业应用。
项目4介绍工业互联网的6种基础技术,包括工业大数据技术、云计算技术、物联网技术、网络通信技术、数字孪生技术和人工智能技术,不仅介绍每种技术的概念、特征等,还介绍这些技术在工业互联网中的应用场景以及在企业中的实际应用案例。
项目5介绍工业互联网标识技术中的物体标识技术、场景记录技术、位置定位技术以及工业互联网标识技术应用场景。
项目6介绍边缘计算的概念和特征、边缘计算的发展历程、边缘计算参考架构3.0,以及边缘计算在工业互联网中的应用,其中重点介绍边缘计算架构的商业视图、使用视图、功能视图和部署视图等。
项目7介绍工业互联网安全的相关内容,包括工业互联网安全的概念、工业互联网安全防护内容和防护措施、工业互联网安全标准等内容。
项目8介绍工业互联网在一些行业的应用案例,包括重工行业三一重工、物流行业顺丰DHL、电力行业国网青岛供电公司、港口行业天津港、钢铁行业宝钢湛江钢铁等。
本书具有以下特点。
(1)既注重系统性和科学性,又注重完整性和实用性,全面介绍工业互联网涉及的体系、技术、安全、应用等方面的知识。
(2)各项目提供实训演练内容,既可以帮助读者巩固所学知识,又可以激发读者的学习兴趣和开阔读者的学习视野。
(3)各项目末尾都提供形式多样的练习题,便于教师授课和读者巩固所学知识。
本书由王道平和王婷婷担任主编,负责设计全书的结构、草拟写作提纲、组织编写工作和最后的统稿,参与本书编写的还有李明芳、郝玫、聂迎春、周玉、裴亦涵、孟祥骁、刘一帆、丰硕、杨颖等。
在编写本书的过程中,编者参考了大量的资料,在此向这些资料的作者表示衷心的感谢!由于编者水平有限,书中难免存在不足之处,敬请广大读者批评指正。

编 者
2024年4月

目录

项目1 工业互联网概述 1
【项目引入】 1
【知识目标】 1
【能力目标】 1
【素质目标】 2
【学习路径】 2
【知识准备】 2
1.1 工业互联网的起源和发展 2
1.1.1 工业互联网的起源 3
1.1.2 工业互联网的发展历程 4
1.1.3 工业互联网的发展动力 5
1.2 工业互联网的内涵和特征 7
1.2.1 工业互联网的定义 7
1.2.2 工业互联网的内涵 7
1.2.3 工业互联网的特征 8
1.2.4 工业互联网的价值 11
1.2.5 工业互联网的作用 12
1.3 工业互联网的发展现状和趋势 12
1.3.1 国内工业互联网的发展现状 13
1.3.2 国外工业互联网的发展现状 15
1.3.3 工业互联网的发展趋势 18
【实训演练】 20
实训1 工业互联网相关概念辨析 20
实训2 工业互联网相关政策探究 20
【项目小结】 21
【练习题】 21
【拓展演练】 23


项目2 工业互联网架构 24
【项目引入】 24
【知识目标】 24
【能力目标】 24
【素质目标】 25
【学习路径】 25
【知识准备】 25
2.1 工业互联网技术架构 25
2.1.1 感知层 26
2.1.2 网络层 28
2.1.3 平台层 30
2.1.4 应用层 32
2.2 工业互联网体系架构 34
2.2.1 工业互联网网络体系 35
2.2.2 工业互联网安全体系 39
2.2.3 工业互联网标准体系 43
2.3 工业互联网参考架构 46
2.3.1 我国工业互联网参考架构 47
2.3.2 美国工业互联网参考架构 49
2.3.3 德国“工业4.0”参考架构 50
2.3.4 日本工业互联网参考架构 51
【实训演练】 51
实训1 使用阿里云工业互联网平台的
云服务器ECS部署并使用
Docker 51
实训2 使用阿里云工业互联网平台的
云防火墙防护公网流量 54
【项目小结】 58
【练习题】 58
【拓展演练】 60


项目3 工业互联网平台体系 61
【项目引入】 61
【知识目标】 61
【能力目标】 61
【素质目标】 62
【学习路径】 62
【知识准备】 62
3.1 工业互联网平台体系架构 62
3.1.1 边缘层 63
3.1.2 基础设施层 64
3.1.3 平台层 65
3.1.4 应用层 66
3.2 工业互联网平台应用场景
和实例 67
3.2.1 工业互联网平台应用场景 67
3.2.2 工业互联网平台实例 71
3.3 工业互联网平台发展趋势 77
3.3.1 工业互联网平台不断升级 77
3.3.2 工业互联网平台关键技术加速
演进 79
3.3.3 工业互联网平台生态日趋
形成 79
【实训演练】 81
实训1 使用阿里云工业互联网平台进行数据应用与可视化搭建 81
实训2 《工业互联网平台 企业应用水平与绩效评价》(GB/T 41870—
2022)学习 84
【项目小结】 85
【练习题】 85
【拓展演练】 86


项目4 工业互联网基础技术 87
【项目引入】 87
【知识目标】 87
【能力目标】 87
【素质目标】 88
【学习路径】 88
【知识准备】 89
4.1 工业大数据技术 89
4.1.1 工业大数据的内涵与来源 89
4.1.2 工业大数据的特征 90
4.1.3 工业大数据的核心技术 92
4.1.4 工业大数据在工业互联网中的
应用场景 96
4.2 云计算技术 97
4.2.1 云计算的概念与特征 97
4.2.2 云计算的优势 99
4.2.3 云计算在工业互联网中的应用
实例 101
4.3 物联网技术 102
4.3.1 物联网技术的内涵与特征 102
4.3.2 物联网体系架构 103
4.3.3 物联网在工业互联网中的应用
场景和实例 104
4.4 网络通信技术 107
4.4.1 网络通信技术的内涵与分类 107
4.4.2 有线网络通信技术 108
4.4.3 无线网络通信技术 109
4.4.4 5G网络在格力电器公司的
应用 109
4.5 数字孪生技术 110
4.5.1 数字孪生的起源与概念 110
4.5.2 数字孪生技术体系 112
4.5.3 数字孪生在工业互联网中的应
用场景和实例 114
4.6 人工智能技术 116
4.6.1 人工智能的概念与发展 116
4.6.2 人工智能的关键技术 118
4.6.3 人工智能在工业互联网中的应
用场景和实例 120
【实训演练】 122
实训1 使用华为云工业互联网平台的设备接入服务实现云端双向
通信 122
实训2 数字孪生实践探究 127
【项目小结】 128
【练习题】 128
【拓展演练】 129


项目5 工业互联网标识技术 130
【项目引入】 130
【知识目标】 130
【能力目标】 130
【素质目标】 131
【学习路径】 131
【知识准备】 131
5.1 物体标识技术 131
5.1.1 条码技术概述 132
5.1.2 常见的一维条码 134
5.1.3 常见的二维条码 135
5.1.4 射频识别技术 137
5.2 场景记录技术 139
5.2.1 电荷耦合器件 139
5.2.2 CMOS图像传感器 141
5.2.3 网络摄像机 143
5.3 位置定位技术 145
5.3.1 全球定位系统 145
5.3.2 地理信息系统 147
5.3.3 北斗卫星导航系统 150
5.4 工业互联网标识技术应用场景 152
5.4.1 智能化生产 152
5.4.2 网络化协同 154
5.4.3 服务化延伸 155
【实训演练】 156
实训1 使用Word软件制作QR码 156
实训2 北斗卫星导航系统相关事件
探究 159
【项目小结】 160
【练习题】 160
【拓展演练】 162


项目6 工业互联网边缘计算 163
【项目引入】 163
【知识目标】 163
【能力目标】 163
【素质目标】 164
【学习路径】 164
【知识准备】 164
6.1 边缘计算概述 164
6.1.1 边缘计算的概念和特征 165
6.1.2 边缘计算的发展历程 166
6.1.3 边缘计算与云计算的比较 170
6.2 边缘计算参考架构3.0 170
6.2.1 边缘计算参考架构3.0概述 171
6.2.2 商业视图 172
6.2.3 使用视图 173
6.2.4 功能视图 174
6.2.5 部署视图 180
6.3 边缘计算在工业互联网中的
应用 181
6.3.1 工业互联网对边缘计算的
需求 181
6.3.2 边缘计算在工业互联网中的
应用特点 182
6.3.3 边缘计算在工业互联网中的
应用场景 183
【实训演练】 184
实训 华为Atlas 500智能小站运行环境搭建 184
【项目小结】 186
【练习题】 187
【拓展演练】 188


项目7 工业互联网安全 189
【项目引入】 189
【知识目标】 189
【能力目标】 190
【素质目标】 190
【学习路径】 190
【知识准备】 190
7.1 工业互联网安全概述 190
7.1.1 工业互联网安全的概念 191
7.1.2 网络空间安全概述 193
7.1.3 工业互联网安全问题分析 194
7.2 工业互联网安全防护概述 195
7.2.1 工业互联网安全目标 196
7.2.2 工业互联网安全防护内容 196
7.2.3 工业互联网安全防护措施 198
7.3 工业互联网安全标准 200
7.3.1 我国工业互联网安全标准
进展 200
7.3.2 国外工业互联网安全标准
进展 201
7.3.3 工业互联网安全标准体系 202
【实训演练】 203
实训1 震网病毒攻击事件探究 203
实训2 网络空间安全战略探究 204
【项目小结】 204
【练习题】 205
【拓展演练】 206


项目8 工业互联网行业应用 207
【项目引入】 207
【知识目标】 207
【能力目标】 207
【素质目标】 208
【学习路径】 208
【知识准备】 208
8.1 工业互联网在重工行业的应用 208
8.1.1 相关企业简介 208
8.1.2 数字赋能打造智慧工厂 210
8.1.3 “5G﹢工业互联网”应用
场景 210
8.2 工业互联网在物流行业的应用 211
8.2.1 相关企业简介 211
8.2.2 顺丰DHL“货到人”分拣
系统 213
8.2.3 穿梭式自动化货架系统 214
8.3 工业互联网在电力行业的应用 216
8.3.1 相关企业简介 216
8.3.2 “5G+工业互联网”助力智能
电网 216
8.3.3 应用效果 217
8.4 工业互联网在港口行业的应用 218
8.4.1 相关企业简介 218
8.4.2 天津移动助力打造智慧港口 219
8.4.3 解锁世界港口难题的“万能
之钥” 221
8.5 工业互联网在钢铁行业的
应用 221
8.5.1 相关企业简介 221
8.5.2 “5G+工业互联网”开启智能
制造 222
8.5.3 应用效果 223
【实训演练】 224
实训1 研读《工业互联网创新发展行动
计划(2021—2023年)》 224
实训2 工业互联网典型应用场景
和重点行业实践探究 224
【项目小结】 225
【练习题】 225
【拓展演练】 227
参考文献 228

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作者介绍

王道平,毕业于清华大学计算机系,现为北京科技大学教授、博士生导师,主要研究方向为大数据技术与应用、智能制造、工业互联网等,承担多项国家自然科学基金课题和省部级课题,主编了《智能制造概论》、《供应链管理》、《大数据处理》等教材,其中1部被评为北京高校优质本科教材,2部被评为北京市高等教育精品教材。

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