本书从制造企业的数字化转型出发，分析了工业互联网时代的工业软件特点以及面临的挑战，以软件的架构设计为基础，从计算、信息、算法等三个维度构建了工业互联网环境下的工业软件构造方法框架，并基于语法级、语义级、语用级等多层次的互操作机制，结合当前主流网络架构，阐述了计算、信息、算法、集成等方面的软件构造技术和前沿发展趋势。本书适合于计算机类和信息管理类的研究生学习，也可作为工业软件领域业务咨询、软件开发、系统运维等相关技术人员的参考指导书。

本书为十四五国家重点图书出版规划项目、国家出版基金资助项目。由上海交通大学蔡鸿明教授领衔撰写。

总序一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全新工业生态、关键基础设施和新型应用模式。它以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障，通过对人、机、物全面连接，变革传统制造模式、生产组织方式和产业形态，构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型工业生产制造和服务体系，对提升产业链现代化水平、促进数字经济和实体经济深度融合、引领经济高质量发展具有重要作用。 工业互联网前沿技术丛书是中国工业互联网研究院与华中科技大学出版社共同发起，为服务工业互联网创新发展国家重大战略，贯彻落实深化互联网＋先进制造业 第十四个五年规划和2035年远景目标 等国家政策，面向世界科技前沿、面向国家经济主战场和国防建设重大需求，精准策划汇集中国工业互联网先进技术的一套原创科技著作。丛书立足国际视野，聚焦工业互联网国际学术前沿和技术难点，助力我国制造业发展和高端人才培养，展现了我国工业互联网前沿科技领域取得的自主创新研究成果，充分体现了权威性、原创性、先进性、国际性、实用性等特点。为此，向为丛书出版付出聪明才智和辛勤劳动的所有科技工作人员表示崇高的敬意！中国正处在举世瞩目的经济高质量发展阶段，应用工业互联网前沿技术振兴我国制造业天地广阔，大有可为！丛书主要汇集高校和科研院所的科研成果及企业的工程应用成果。热切希望我国IT人员与企业工程技术人员密切合作，促进工业互联网平台落地生根。期望丛书绚丽的科技之花在祖国大地上结出丰硕的工程应用之果，为制造强国、网络强国建设作出新的、更大的贡献。中国工程院院士中国工业互联网研究院技术专家委员会主任北京化工大学教授高金吉2023年5月前言随着以人、机、物互联为基础的工业互联网快速兴起，作为智能制造灵魂的工业软件覆盖了产品的设计、制造、运维以及平台支撑等多个方面，具有领域机理高度相关、模型关系耦合多样、处理过程动态多变等特点，使得工业软件的开发、应用和运维都非常困难。从计算思维来说，软件构造的核心思想是分而治之，因此在体现工业核心要素的分解基础上各自架构实现，然后交互集成，是工业软件构造的主要技术路线。从工业软件面临的挑战出发，工业软件构造可以分为物理世界数字化、数字要素网联化、要素处理智能化、虚实交互融合化等关键环节。本书从数字化、网联化、智能化、集成化等方面展开工业软件构造的介绍，主要思想可以总结为以下几点：(1) 以物联数据为驱动模型(数字化)。工业软件构造时首先要实现业务的数字化，需要构建覆盖人员、设备、物料、工艺、产品等多维度动态的信息表征模型。(2) 以广义互联为计算架构(网联化)。在工业要素广泛互联的架构基础上，实现人员协联、机器互联、物料关联，实现多要素及其关系的映射及组织管理。(3) 以工业机理为知识核心(智能化)。利用算法、规则、模型等方式的综合计算推理，实现工业软件在工业机理基础上的智能高效处理。(4) 以多元协同为交互框架(集成化)。在集成多业务主体、多物联设备、多状态物料、可变粒度模型基础上开展集成，实现数字空间到物理空间的交互融合。本书从制造企业的数字化转型出发，分析了智能互联时代的工业软件特点以及面临的挑战，面向工业软件研发，从计算、信息、算法三个维度构建了工业互联网环境下的工业软件构造方法框架，并利用不同层次互操作机制实现交互集成，同时重点阐述了计算、信息、算法、集成等方面的软件主流技术和前沿发展趋势。本书面向工业互联网的主流云边端计算架构，结合工业软件的云服务平台、边缘计算系统以及智能应用软件等典型项目，基于开展的航天、船舶、航空等工业软件的协同设计、异地制造、供应链服务平台等构造实践，阐述工业互联网环境下工业软件的计算方法和构造实践，并讨论工业软件的开源生态及发展途径。本书由蔡鸿明、于晗、沈冰清、胡畔合著，其中蔡鸿明撰写了第1章，第2章2.1、2.2、2.3节，以及第3章；沈冰清撰写了第2章2.4节以及第9章；胡畔撰写了第4章；于晗撰写了第5、7章；熊熙瑞参与撰写第6章，王钰霄参与撰写第8章8.1、8.2节，朱敏参与撰写第8章8.3节；姜丽红、曾宇欣、潘子奕为本书提供了许多支持和帮助。在此衷心感谢各位参与撰写的老师和同学。蔡鸿明2024年2月

蔡鸿明，上海交通大学教授，博士生导师。西北工业大学本硕博，上海交通大学计算机博士后出站。2008年获德国克虏伯基金会中国优秀青年学者奖学金，2011年被上海交通大学遴选为博士生导师，2012被中国科协授予全国优秀科技工作者荣誉称号。2015年任上海交通大学软件学院副院长，2019年起任上海交通大学软件学院书记。主要学术兼职包括:ACM/IEEE Senior member，中国图学学会常务理事，计算机图学专委会主任；中国计算机学会杰出会员，协同计算及计算机应用专委会执行委员；中国自动化学会制造技术专业委员会委员等，并担任多个国际期刊编辑。获中国高校科技进步奖，中国高校自然科学奖，上海市科技进步奖等省部科技奖励4项，近期发表论著200余篇，SCI/EI收录超过150篇，其中ESI高被引论文4篇，授权发明专利30余项。

目录第1章工业软件概述/11.1工业互联网环境下的工业软件/11.1.1制造业的变化趋势/11.1.2企业数字化转型的途径/31.1.3工业软件的分类及发展趋势/41.2智能互联时代的工业软件构造思想/61.2.1互联网环境下的工业软件构造挑战/61.2.2工业软件构造思想/91.3数据智能驱动的工业软件计算框架/101.3.1结合云边端架构的计算维度/111.3.2面向全生命周期的信息维度/111.3.3混合智能推理的算法维度/121.3.4基于多层互操作的交互维度/12本章小结/12本章参考文献/13第2章工业软件的计算架构/142.1工业软件的计算架构演化/142.2面向复杂软件交互的云边端架构/172.2.1云边端架构/172.2.2云边端架构下工业任务的计算资源分配/182.3基于微服务架构的工业软件构造/212.3.1微服务架构/212.3.2工业微服务的设计过程/232.3.3软件系统的部署/262.4从数字孪生到元宇宙的计算架构/302.4.1物理世界虚拟化/322.4.2虚拟世界物理化/332.4.3虚实共生计算/352.4.4面向元宇宙的发展/37本章小结/39本章参考文献/39工业软件的计算技术及构造实践目录第3章工业软件的信息框架/413.1产品制造的信息框架/413.2产品维度的信息模型框架/433.2.1几何模型/443.2.2非几何信息模型/463.2.3MBD模型/483.2.4全光函数信息模型/483.3过程维度的信息模型框架/493.3.1产品信息资源模型/493.3.2产品信息模型转换及映射/503.4管理维度的信息模型框架/533.4.1制造本体的构建及演化/563.4.2知识图谱/60本章小结/67本章参考文献/67第4章工业软件的智能处理算法/694.1工业软件的知识表示方法/694.2基于规则的工业软件算法/704.2.1基于一般规则的工业软件算法/704.2.2基于时序规则的工业软件算法/724.2.3基于聚合规则的工业软件算法/764.3基于数据的工业软件算法/774.3.1基于聚类的工业软件算法/774.3.2基于关联分析的工业软件算法/784.4基于深度学习的工业软件算法/794.4.1基于深度神经网络的工业软件算法/794.4.2基于深度置信网络的工业软件算法/814.4.3基于卷积神经网络的工业软件算法/814.4.4基于卷积深度置信网络的工业软件算法/834.5混合推理工业软件算法/834.5.1基于本体预测推理的工业软件算法/834.5.2基于反绎学习的工业软件算法/85本章小结/86本章参考文献/86第5章工业软件互操作机制/895.1工业软件的互操作技术/895.2工业软件的语法互操作技术/915.2.1数据采集/925.2.2数据链接/935.2.3信息融合/945.2.4智能处理/955.2.5信息应用/965.3工业软件的语义互操作技术/965.3.1基于数据特征的属性级语义处理/975.3.2基于知识图谱的实体级语义处理/975.3.3基于领域本体的概念级语义处理/995.3.4基于事理图谱的事件类语义处理/995.4工业软件的语用互操作技术/1005.4.1信息意图的感知/1015.4.2环境资源的配置/1045.4.3动作行为的决策/1065.5工业软件的互操作前沿技术发展/1075.5.1动态互操作技术/1075.5.2概念互操作技术/109本章小结/110本章参考文献/110第6章基于云平台的工业软件构造及实践/1126.1基于云平台的工业软件架构/1126.1.1云平台架构/1126.1.2服务平台构建思路/1146.1.3云服务平台构建技术/1166.2船舶行业供应链云平台构造实践/1176.2.1业务分析/1176.2.2信息架构/1196.2.3技术架构/1256.2.4典型算法设计/1266.2.5集成交互方式/1286.2.6平台实现/1306.2.7应用结果/134本章小结/139本章参考文献/139第7章基于边缘计算的工业软件构造及实践/1407.1基于边缘计算的工业软件架构/1407.2航天行业边缘计算单元交互平台构造实践/1477.2.1业务分析/1477.2.2信息架构/1487.2.3技术架构/1507.2.4典型算法设计/1527.2.5集成交互方式/1567.2.6软件实现/1587.2.7应用结果/164本章小结/168本章参考文献/168第8章应用端工业软件构造及实践/1698.1应用端工业软件构造方法/1698.1.1工业APP的应用模式/1698.1.2应用端软件开发方法论/1718.2典型案例1：基于知识图谱的航空产品构型变更管理软件/1738.2.1业务分析/1738.2.2信息架构/1778.2.3技术架构/1818.2.4典型算法设计/1828.2.5软件实现/1838.2.6应用结果/1898.3典型案例2：基于三维点云的船舶弯板智能加工系统/1958.3.1业务分析/1968.3.2信息架构/1988.3.3技术架构/2018.3.4典型算法设计/2038.3.5软件实现/2128.3.6应用结果/220本章小结/221本章参考文献/221第9章工业软件构造发展趋势/2239.1开源生态助力工业软件发展/2239.1.1开源软件/2239.1.2工业软件的生态/2259.2工业软件发展趋势和展望/2329.2.1工业软件面临的新挑战/2329.2.2工业软件的未来技术趋势/232本章小结/237本章参考文献/237