《工业互联网：架构、技术与应用》定义了工业互联网的体系架构，描述了工业互联网的关键技术，介绍了目前国内外几种比较成功的工业互联网平台，指出了工业互联网发展的几大问题和应用前景。本书结合应用实例描述了应用工业互联网的关键技术和实施步骤。通过本书的阅读，读者可以全面了解工业互联网和其包括的关键技术。本书首先介绍了互联网的发展历史。作者将互联网的发展分为研究互联网、大众互联网、工业互联网三个历史阶段，描述了这三个阶段的特点，阐述了工业互联网时代对人类生活方式的影响。作者提出了工业互联网的体系架构模型，通过对工业互联网的感官系统、神经系统、大脑平台、四肢工具的描述，详细介绍了工业互联网体系架构的几个重要组成部分。作者分4章详细描述了工业互联网的四大关键技术：万物感知技术、信息传输技术、平台构造技术、数据分析技术。通过深入浅出的叙述，使得非工程专业背景的读者也可以了解工业互联网关键技术的具体内容。作者介绍了目前国内外比较成功的几大工业互联网平台的性能特点，比较了其各自的优劣。作者指出了工业互联网发展所存在的问题，提出了实施工业互联网的步骤，对工业互联网发展前景进行了详细讨论。通过本书的阅读，读者可以对工业互联网及其相关的云计算、物联网、大数据技术都会有一个清晰的了解，可以着手实施工业互联网。本书基于对工业互联网的研究，面向希望了解工业互联网的历史与发展及其对我们生活方式的影响，希望了解工业互联网关键技术的具体内容的读者。本书适合作为大中院校学生和关心经济发展的党政人员学习工业互联网的辅助教材，也可以作为工程技术人员实施工业互联网的参考书籍。
互联网的发明消除了数据和信息的传递障碍，互联网的大规模推广标志着人类跨入了信息社会。大众互联网时代实现了人人互联，在经济上主要达成了去除中间环节、降低成本的目的，即“节流”。
工业互联网时代将实现人与智能物体的全面互联。通过对采集的工业数据的分析，获取新的知识，获得机器智能，工业互联网将大大提高生产效率，提高生产力。在经济上，工业互联网将起到“开源”的作用。
工业互联网的价值可体现在：提高能源的使用效率，包括油、气、电等；提高工业系统与设备的维修和维护效率；优化并简化运营，提高运营效率；通过数据分析产生的机器智能，改进产品的设计，改进生产的过程，提高生产效率。
工业互联网时代将是继工业革命之后又一个大大提高人类生产力的时代，这将是物质产品极大丰富的时代，也将是人类取得重大进步的时代。作为生活在这个伟大时代黎明的我们，应该感到幸运和自豪。
34年前的1983年，我当时还在攻读硕士研究生，那是一个大型计算机编程需要使用打孔机，IBM个人计算机还没有进入中国的计算机的“石器时代”。实验室买了一台当时很先进的个人计算机，装有CP/M操作系统，没有硬盘，运算时使用两张 500KB的8in(1in=2.54cm)大的软盘。作为完成国家齿轮标准制定项目任务的一员，使用这台微型计算机，我开发了一套模拟齿轮齿面动力学的计算机程序，研究了各种因素对齿轮胶合失效的影响。这是我第一次将计算机应用到工业系统中，通过运用计算机提供的计算能力来分析各种因素对齿轮系统运行的影响。当时使用的是本书描述的“确定性”思维，首先建立齿轮的动力学模型，然后研究各种因素对齿轮胶合失效的影响，再通过实验结果来验证模型的准确性。
第一次与互联网“结缘”是1988年我在美国俄亥俄州立大学攻读博士学位时。使用Telnet协议就可以连接到几百千米外的Cray超级计算机，向它提交任务并获得结果；使用FTP（文件传输协议）可从千里之外的服务器下载、上传文件；使用Email可与太平洋彼岸的教授交流工作。互联网技术令我叹为观止，沉迷其中。
20世纪90年代中期，因为Win 3.0的巨大成功与互联网浏览器的普及，互联网走入了平民百姓的家中，进入了本书所描述的“大众互联网”时代。互联网技术发展的日新月异，吸引我在职业生涯中破釜沉舟，从机械行业进入了互联网软件行业，从事通信软件的开发工作。我们开发的软件产品为20世纪90年代美国大规模互联网基础设施建设，为大量同轴电缆和光纤通信网络的建设提供设计与管理工具。尽管20世纪90年代美国互联网的金融泡沫在2001年破灭，大批互联网企业破产，但这段时间大量热钱的融入为美国建设了完备的互联网基础网络，为美国后来直至现在互联网经济的发展打下了良好的基础。
20世纪90年代末我们开发的一款软件产品，使用美国政府的人口普查数据，结合第三方提供的家庭住址及其经纬度坐标，以及通信企业拥有的用户账单数据，进行数据分析，研究影响用户购买通信增值服务的因素，确定最优商业价值的新设光纤结点的位置和新建光纤线路路由。这是我第一次将数据分析工具应用到商业中。因为这个模型过于庞大、复杂，这个工具使用了本书描述的大数据分析的完备性和相关性原则，试图发现相关性因素，获取“商业智能”，并将“商业智能”应用到商业决策中。尽管“大数据”这个词在媒体上被广泛宣传是在2007年以后，但这个项目的数据分析其实符合大数据的方法，使用了本书中描述的“不确定性思维”。
大数据分析为人类提供了解决复杂问题的方法。即使人们对许多复杂问题的机理缺乏了解，但通过大数据分析，找到强相关性因素，就可以解决相当多的复杂问题。人类并不是最近几年才突然有如此想法，正如我个人20世纪90年代末期的尝试以及许多更早的其他人也使用过类似的方法解决了许多实际问题。大数据突然被人们关注是因为两个原因:一是云计算技术带来的计算能力的飞速提高使得人们具有了对海量数据进行分析的能力；二是互联网的普及使得系统可以记录人们在网上的活动，从而获得大量的数据。基于大数据分析而引起的人工智能的革命将会彻底改变人类社会的生活方式。
越来越多的智能物体将被接入互联网，预计这个数字会从现在的80亿增加到2020年的500亿。这些被连接到互联网上的大量智能物体将会产生超过目前人类拥有数据的几个数量级的工业数据。通过对它们的分析而获得的知识和机器智能将会使人类的工业系统乃至整个人类社会的生产和生活方式产生革命性的变化。这也将使得人类进入一个全新的发展阶段——工业互联网时代。
本书介绍了互联网的历史，提出了工业互联网的体系架构，描述了工业互联网的四项主要技术：物体感知技术、数据传输技术、平台构建技术和数据分析技术，讨论了互联网的发展和对人类的挑战。对这个刚刚开始的工业互联网时代提出体系架构是一个大胆而鲁莽的举动。本书的目的在于抛砖引玉，为所有对这个新的时代感兴趣的人提供一个全面而通俗的介绍。
作为一个从20世纪80年代开始使用互联网，90年代开始一直为互联网的建设添砖加瓦的幸运儿，我见证了互联网从只有学术圈和教育界几千人使用的象牙塔里的工具变成今天超过30亿人使用，已经连接超过80亿台智能设备，成为人们生活飞速发展中不可或缺的一部分，见证了互联网从“学术互联网”到“大众互联网”到“工业互联网”的演变。在这个人类进入“工业互联网”时代的黎明的时刻，我将自己身历其中的感悟与20多年来从事计算机软件开发、物联网、云计算、通信技术、大数据分析等实践获得的对相关技术的了解呈现给读者，期望能在人类踏入工业互联网之路的进程中贡献自己的一份绵薄之力。
夏志杰，
中国地质大学（武汉）学科首席教授（短期），中组部“千人计划”国家特聘专家，东南大学、云南大学、中南民族大学、盐城工学院兼职教授，江苏省高档数控机床与成套装备制造业创新中心主任，江苏省智能制造工业互联网企业联合研发创新中心主任。夏志杰博士长期从事机械设计、工业控制、机器人、移动互联网、大数据分析、平台软件开发等领域的研究和实践，具有机械学硕士，机器人博士学位，曾经在美国知名汽车企业和百强软件企业工作逾20年，是国内工业互联网与智能制造领域的知名专家。
前 言
第1章 互联网的前世今生
1.1 互联网的起源与关键技术突破
1.2 学术互联网时代
1.3 大众互联网时代
1.4 工业互联网时代
1.5 互联网的本质与特点
第2章 工业互联网的体系架构
2.1 工业互联网的定义
2.2 工业互联网相关技术的发展
2.3 工业互联网的体系架构模型
2.4 工业互联网与相关技术的关系
2.5 工业互联网的发展
第3章 物体感知技术
3.1 物体标识技术
3.2 状态获取技术
3.3 场景记录技术
3.4 位置定位技术
第4章 数据传输技术
4.1 互联网的基本原理
4.2 有线传输技术及传输介质
4.3 以太网
4.4 无线通信技术
4.5 互联网数据传输架构
第5章 平台构建技术
5.1 计算机硬件技术的发展
5.2 云计算
5.3 工业互联网平台
5.4 工业互联网平台应用示例
第6章 数据分析技术
6.1 数据、信息与知识
6.2 工业数据的特征
6.3 工业大数据的处理技术
6.4 机器智能
6.5 机器智能在工业中的应用
第7章 工业互联网时代的挑战与发展
7.1 思维模式的变革
7.2 问题与挑战
7.3 工业互联网与经济发展
参考文献
2.2.4 大数据分析
现在广泛应用于大数据分析的机器学习方法从20世纪70年代开始起步，在八九十年代得到缓慢但稳步的发展。进入21世纪后，由于互联网的出现，使得可用的数据量剧增，机器学习方法的优势性越来越明显，最终完成了从量变到质变的飞跃。由于数据量的增加，计算机如今已经解决了很多需要类似人类智能才能完成的事情。
2.3 工业互联网的体系架构模型
IT相关技术的发展为工业互联网的发展打下了良好的基础。物联网技术的发展提供了物体感知技术，使得人们获得了关于各类智能物体的标识、位置、状态和场景的大量工业数据。互联网技术的发展使得人们可以便捷地将各类智能物体连接起来，可以将获得的大量工业数据快速地传递到工业互联网平台上。云计算技术的发展可以为人们提供低成本、无限制的计算能力。大数据分析技术的发展使得人们可以对海量工业数据进行快速分析，从中获取机器智能。
人类社会的发展常常伴随着科技的突破而呈现跳跃式的发展。重大的科技突破常常需要酝酿很长的时间。在这段时间里，技术进步是一个缓慢的量的积累。当这些量积累到一定程度后，量变导致质变，科技在短时间内获得单点突破，然后新科技全面迸发，人类社会也会出现跳跃式发展。物联网、互联网、云计算、大数据分析等相关技术在最近十几年的积累，导致了工业互联网的突破，促成了工业互联网的诞生。
工业互联网系统将所有智能物体接入互联网，通过互联网连接起来。运用物体感知技术，采集智能物体的标识、位置、状态、场景数据，并通过互联网快速传输到工业互联网平台上，利用云计算技术提供的低成本的庞大计算能力，工业互联网平台上的大数据分析工具对采集到的智能物体的海量工业数据进行分析，获取工业智能，并将其反馈到智能物体的设计、制造、使用中，达到提高工业生产率的目标，从而实现提高人类社会生产力、改善人类生活的目的。
工业互联网系统包括四个部分：感知识别层、网络连接层、平台汇聚层、数据分析层。
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