工业物联网 M2M、IoT、CPS三种概念

 2015年，组织成立“工业价值链倡议” (IVI： Industrial Value Chain IniTIaTIve)，并于2016年12月8日，推出了智能工厂的基本架构《工业价值链参考架构(Industrial Value Chain Reference Architecture ，IVRA)》。日本面对落后的局面，正努力着争取迎头赶上。即使到今天，各领域对物联网的理解还有很大的差异性，甚至有各自的称谓，有三种定义较为明确：“M2M”、“IoT”、“CPS”，这三种概念又有何区别呢?

实物联网的概念是基于互联网的，并不是独立形成的，是一个各领域相互借鉴、融合的过程，但是在不同的信息领域对物联网又有不同的见解，各行各业对都有自己的认知和构想。

1.M2M(machine to machine)

“M2M”的概念主要是由通信行业提出的。最初M2M主要是指：不具备信息化能力的机械设备通过移动通信网络(无线网络)与其他设备或信息系统(IT系统)进行通信。

通信行业认为：网络在满足了人与人之间的通讯需求后，还可以使得“物与物(machine to machine))”之间进行通信联结，构成更高效的信息化应用。此后，M2M的概念又延伸出了“人与机器(man-to-machine)”或“机器与人”的概念。

总体来说，M2M就是指人、设备、信息系统，三者之间的信息互通和互动。

M2M的概念主要强调的是通信实现，网络在其技术框架中处于核心地位。通过“无线连接”的技术手段，实现“端到端”的可靠连接。在物与物“连接”的基础上，实现资产集中监控、设备远程操作、物流仓储管理、移动支付等应用。

2.IoT(Internet of things)

IT行业内认为，IoT的概念最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机(Networked Coke Machine)。

而后，1999年美国麻省理工学院自动识别中心在RFID技术的基础上提出了一个物联网概念，在其定义中强调了“信息传感设备与互联网连接”的理念。(原RFID物联网定义：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。)

到如今，IoT是互联网企业、软件企业、乃至整个信息产业力推的物联网概念。在实现了人与人的社交互联后，互联网企业希望物和物之间也能通过互联网进行通信。IoT的基础任然是互联网，是互联网的延伸和发展方向。

IoT的概念主要强调的是互联网交互，互联网的全球化、开放性、互操作性、社交性是支撑IoT理念的基础。智能产品一旦有了“网络身份”，便可以衍生出各种互联网应用：产品租赁(共享智能产品)、信息服务(例如定位服务、电子支付、大数据分析)、可穿戴产品应用等等。

3.CPS(Cyber Physical System)

2006年，美国国家科学基金会的Helen Gill提出了CPS的概念，并将其列为重要的研究项目。由于CPS侧重于研究工业、制造业中嵌入式、自动化的信息系统，所以一开始也被直观地理解为“嵌入式物联网”(从现在的信息行业角度来看，这种理解有些片面)。

在“Cyber Physical System”一词中，“Cyber”指的是信息系统，“Physical”指的是物理系统(设备、环境、产生资料)。

CPS强调的是物理世界和信息世界之间实时的、动态的信息回馈、循环过程。

它深度融合了各类信息技术：传感器、嵌入式计算、云计算、网络通信、软件，使得各种信息化能力(3C：计算-Computer、通信-CommunicaTIon和控制-Control)高度协同和自治，实现生产应用系统自主、智能、动态、系统化地监视并改变物理世界的性状。

CPS的目标，就是实现信息系统和物理世界、以及各信息系统之间的深度融合：在感知、互联互通(标准的通信、应用协议)、能力开放(互联网服务接口、API-应用编程接口)、安全可控(身份认证、安全加密)、应用计算(数据计算、信息控制)的基础上，构建出一个巨大的、融合的、智能化的生产服务系统。

CPS所涵盖的应用范围十分广阔：从微小的纳米机器人，到庞大的工程基建设备，从城市交通信息提供到远程手术医疗系统，交通、医疗、农业、能源、国防、建筑、制造业流水线都是其涉足的领域。就目前来看，CPS更偏重于科学研究，M2M、IoT则更注重于工程技术的落地。

在工业领域，生产系统在操控机械设备的同时，还接受并处理从物理世界反馈的信息(感知)，生产操控中信息的“上传”和“下达”具有高度的实时协同性。在“M2M”、“IoT”、“CPS”这三种概念中，CPS正是为满足这种特性而设计的，也因此，被认定为工业领域的物联网(IIOT)，下一代工业体系中的基础信息系统。

在工业领域中，未来的信息化应用场景和CPS技术构想有着很高的契合度，所以普遍认为CPS是实现工业物联网的核心技术。

虽然通信领域的M2M和互联网领域的IoT已经先入为主，深得人心，在商业系统中和消费市场上已经呈现出了各式各样的应用和产品。但工业领域作为全球经济主动脉，才是未来物联网技术(即CPS)发展的核心领域。

当然M2M、IoT、CPS相互之间并不是孤立的，在它们当中很多技术功能是相互交叉或互补的，它们都代表了重要的物联网领域，只是侧重不同而已。

1.工业物联网前期发展历史

(1)工业4.0

“工业4.0”的称谓源自德国。在2011年4月汉诺威工业博览会上，“工业4.0”第一次出现(来自《高技术战略2020》)。在2013年4月德国正式推出了“工业4.0”，并组建了一个由政府、企业、大学以及研究机构共同参与的大项目团队，举国上下共同推动代表着工业4.0的相关工作，明确了工业制造智能化与数字化的发展道路。

项目团队中的合作企业包括西门子、博世、大众汽车、戴姆勒、汉莎航空等等，而研究机构就是神秘而又著名的“弗劳恩霍夫研究所”。弗劳恩霍夫研究所作为主导研究机构，参与了德国工业4.0战略(2013年)的起草，并落实到其下属的多项生产领域的研究中。

2015年4月，德国经济技术部、教育研究部成为了工业4.0平台的指导机构。而后，工会组织也成为了平台成员。

工业4.0随后推出了描述工厂场景的参考架构《Reference Architecture Model Industrie 4.0(RAMI4.0)》，它成了德国举国推动的一场“革命”。

从信息技术的角度来看，德国的工业4.0就是工业领域中面向全球、并基于人工智能的信息物理系统(CPS)。

(2)工业互联网(Industry Internet)

2012年，GE公司基于自身的“软件梦”(GE期望自己能够转型成为软件业巨头)，提出了“工业互联网”的概念。

2014年3月，美国五家顶级企业做为主要代表，发起了工业互联网联盟(Industrial Internet ConsorTIum，IIC)。这五家企业分别是GE、AT&T、IBM、Intel、思科，一开始由GE主导。在此之前，后四家通信、IT公司都已经有相关的物联网概念提出，AT&T倡导“M2M”，IBM推出“智慧地球”，而思科打造了“IoE(Internet of Everything)”。

各家的概念不同，但愿景一致，其发展方向不仅是像工业4.0那样实现制造业的信息化和智能化，更是希望实现各产业整体的数字化转型。

IIC刚成立时和工业4.0不同，其主要成员集中在电信和IT领域，工业企业相对较少。到了2015年初，工业4.0平台中的西门子、博世、SAP加入了工业互联网联盟。

IIC主要的工作目标是为物联网制定标准，其在2015年6月4日，发布了第一版标准化的参考架构模型：美国工业互联网参考架构(v1.7版)

(3)平台合作的开始

一些大型企业在跨领域的工业项目合作中，遇到了两种工业物联网标准因存在较大差异而产生的矛盾(工业互联网和工业4.0)，于是在2015年11月的瑞士，工业互联网联盟和工业4.0平台开了一场保密的研讨会(之所以保密，是因为担心研谈失败而造成负面影响)。

会中，双方发现两个参考平台之间具有很强的、天然的互补性。

2016年3月，德国工业4.0平台宣布与美国工业互联网联盟展开合作，并随后设立了多个联合任务组(JTG)，努力将两种技术架构进行对接和融合，使得两种架构中的元素能够相互映射，使得企业无论采用哪种技术标准，都能够方便地与其他标准的企业系统进行对接。

2017年12月，两个组织联合发布了《IIRA和RAMI 4.0体系结构映射和对接白皮书》，系统性地阐明了两个体系中的异同点和互补性。

2.两体系非技术面的差异性

(1)美国与德国不同的历史认知

不同与以往，这场即将爆发的工业产业革命，并不是被事后观察到的，而是第一次被各个国家和组织机构事先预测到的工业革命。(这说明现代信息技术的突飞猛进已经能够对“未来的历史(周期)”进行预测了)

美国和德国都认同新技术创新周期到来，也意识到了信息技术和工业的融合会引发新的工业革命。但是在如何划分“周期”上略有差异。

(2)德国的历史观：

德国认为历史上发生过三次工业革命，未来的是第四次工业。

这四次工业革命分别是：

第一次工业革命：18世纪末的英国，通过对水的加热(蒸汽)作为机械动力源并加以运用，蒸汽纺织机的发明为这一次革命的标志性事件。

第二次工业革命：20世纪初期的美国，电力作为能源实现了汽车工厂的流水线生产，生产中出现明确的分工(在固定工位进行重复操作)，生产效率获得飞跃。

第三次工业革命：20世纪70年代，信息技术被整合进生产流水线，工业机器人、PLC(可编程逻辑控制器)系统的出现，实现了流水线的自动化运作，并进一步提高了生产效率。直到今天，大多数工厂都还在延续应用第三次工业革命所带来的自动化技术。

第四次工业革命：CPS。

德国将新工业革命视为第四次工业革命，以“工业4.0”予以命名，并希望能够以举国之力引领这次工业革命的发展。

美国将工业“革命”称之为“浪潮”，并认为人类历史上已经出现过两次浪潮，第三次则就在当下。

三次工业“浪潮”分别是(参照GE-2012年的《工业互联网白皮书》)：

第一次浪潮：18世纪末英国的工业革命。

第二次浪潮：互联网革命。20世纪后半页，在信息计算能力发展下，互联网应用的蓬勃发展，带动产业创新。产业价值从“资源密集型”向“知识/信息密集型”转移。

第三次浪潮：工业互联网。开放的信息系统(分布式信息网络)、传感设备和人工智能的高度融合，助力传统行业技术，增强生产设备自动化的维护、管理、运营能力，提高商业组织对行业趋势的分析预测水平。

从历史观中就能够看出，美国更多关注信息系统的建设和完善，而德国看重的是工业生产流水线的整体发展。

3.各国工业革命的追求

两国(美国、德国)提出的工业技术框架，是基于各自不同的工业现状，并建立在不同的诉求之上。

(1)德国的初衷

看着美国IT企业在信息领域一骑绝尘的领先优势，以及新兴的亚洲国家加入到了全球制造业的竞争当中，德国传统制造行业感受到了前所未有的危机感。与此同时，生产的成本在不断攀升：能源和人力成本亦在增加。消费者“口味”的变化(消费者的需求不仅个性化、多样化，而且需求的转变迅速---“市场节奏”加速)，也让产品的生产者不知所措。

德国政府和企业都希望能够改变固化的、传统的“硬件式”的生产思维模式，将新一代的信息化技术手段融入工业体系，为“定制化生产”和“个性化服务”创造条件。企业可以通过提供更高附加值的产品，来保持国际竞争力。而原本制造业中一部分“低价+量产”的生产模式需要被无情地淘汰。

很多专家和机构认为工业4.0是德国工业巨头们的游戏。而事实上，创立工业4.0的初衷并不是为了服务于那些行业大佬的。

德国的工业巨头都具有雄厚的资金实力、专业的技术积累和经验、并占据着优质的市场先机。面对新的产业形势，它们完全能够依靠自身实力进行技术创新，完成“自我(工业)革命”。

然而，德国大量的中小企业，则不具备“数字化转型”的能力。虽然在“B2B(企业间的商业交易)”领域中很多德国的中小企业是某些垂直行业领域内的“隐形冠军”，是产业链上下游技术领先的佼佼者。但信息系统和传统技术的深度融合，需要消耗大量资本投入，转型成本(资金、人才、技术积累)成为了中小企业发力工业革命的最大障碍。

在德国政府的牵头下，集结德国各工业巨头，参与“工业4.0”的研究和框架制定，不仅是为了拓展未来的新市场，更是帮助德国中小企业降低数字化转型的成本，以及通过大企业的落地项目，带动产业链上下游的德国中小企业优先发展。

工业4.0的目标是促使德国大、中、小企业共同参与到新的全球化产业格局中。

(2)美国的追求

美国一直在航空航天、计算芯片制造等先进制造业领域领导全球，软件工业和互联网产业也是遥遥领先。然而，美国现在却面临着许多领域的工业萎缩问题。

美国“产业的空心化”，也就是“人才的空心化”。

美国很多大型企业按照“研发在国内，制造在国外”的思路布局全球化产业，虽然利润丰厚，但也带来了一个无法逃避的问题：各领域的人才衰落。在制造业领域，对于工程师的培养，即使是生产一些低端产品，也需要组建专业团队，并安排“人”进驻到制造车间中，从生产实践中掌握技术和经验。

当面临产业变革时，不论技术含量的高低，产品创新与技术融合，都需要大量的工程师参与其中，群策群力、贡献智慧。光有局部的高科技制造业，显然无法面对即将到来的工业革命。虽然美国在信息技术方面遥遥领先，但通过数字化的虚拟世界并不能掌控现实世界的全球化产业。

社会整体的技术发展和服务业的繁荣，都需要一个整体健硕的工业生态作为坚实的基础。美国在产业结构上存在不平衡的状况，中低端产品需要依赖国外生产，从而导致了产业发展受到掣肘。所以，美国希望重新获得工业领域全盘的掌控力。

相比较德国的工业4.0，美国的制造业实力稍显薄弱，所以美国希望能从擅长的信息领域入手，突破现有的产业格局(从工业互联网初创的五家企业就能看出-四家IT企业)。此外，后知后觉的页岩气革命在美国引发(能源革命)，也更坚定了美国让制造业回归的决心。

(3)殊途同归的工业信息化道路

德国和美国对工业的展望，都是一条工业信息化、互联网化的道路。工业4.0和工业互联网，它们架设在CPS的信息化系统之上，使得新的生产模式面向市场，更具有“柔性”：将各类“硬件”(设备、环境、物料、人机交互端)映射在信息系统中，并由“软件”来发挥人和团队的创造力，满足个性化的市场需求。基于CPS的工业物联网，简称为“IIOT”(工业物联网，Industrial Internet of Things)。

两国从各自擅长的部分入手，按不同的路线走向产业变革。

德国的长处就在于强大的工业技术实力。因此工业4.0是以生产车间为核心的信息化革命，工厂的数字化和智能化是产业升级的核心部分，互联网、大数据、(公有)云计算、以及大众消费市场的服务，都处于体系的边缘位置。德国工业4.0主要关注的是复杂生产场景中的工业自动化、软/硬件的融合和内部信息系统的智能化。正因为工业4.0更关注工厂内部的制造环节，对大数据和互联网并不特别关注，所以被理解为是“硬件式”的改革路线。

工业互联网在工业领域没有德国那么强势的实力，他们从信息系统出发，去触动产业链整体的智能化。工业互联网意在通过提供互联网和计算服务，提升传统工业企业的IT和软件实力，在面向工业领域企业的服务中获取价值，并实现产业升级。工业互联网中的IT企业通常会从自身擅长的互联网、云计算等信息技术领域入手，将大数据和人工智能注入进工业领域的企业系统中，触发产业创新和升级。工业互联网的主旨是提供信息化服务，与工业结合并创造价值，所以也称为“软件化”的改革道路。

从整体来看，德国的工业4.0和美国的工业互联网各有优势和短板，并且整体架构之间有一定的映射关系。工业4.0钻研于对制造业的价值链重新构建，工业互联网则聚焦在跨领域的工业互联架构。所以，鉴于他们之间存在互通、互补的效应，合作与融合便水到渠成。其实在工业4.0提出之前，很多德国工业企业就已经在使用美国IT企业的软件服务，部署云计算平台和商业系统了。

(4)后知后觉的日本

看到德国和美国大力发展工业物联网，各大工业国也不甘落后、纷纷响应，着手相关标准的研究和推广。作为现代工业强国，日本经过了一段犹豫、彷徨的时期。

日本有着很强的工业实力，拥有很多高端制造业技术(世界市场份额50%的工业机器人技术)。当看到德国和美国开始着手发力工业物联网的时候，日本以为这不过是工业自动化的一次升级。而随着德国和美国不断推进全球化的工业物联网标准落地，日本终于意识到工业革命要到来了。

日本将德国4.0和美国工业互联网的携手共进，称之为“南侧路线”(即面朝太阳的一面)，对于日本独自发展工业物联网的路线就称为“北侧路线”(山阴一侧)。在启动工业数字化进程之前，日本工业领域原本很纠结，对于要走哪一侧路线(南北两侧)，争论一直不小。但很快日本工业整体上认识到只有融身到全球产业网络中才能“提速奔跑”，才是最好的路线。其实这条路线就是美国和德国合作的路线。

如今，物联网已经成为了新一代信息技术的重要组成部分，万物互联是这个信息时代一个重要的阶段，万物互联是未来科技发展的又一目标。