工控机，工业电脑，工业计算机
近年来，我国社会经济与科技发展迅猛，智慧电网、智能交通、智慧市政、智慧金融、智能制造等建设进程加快，各行业对工业计算机的需求逐渐增大，中国工业计算机市场规模稳步扩张，行业内技术竞争也日趋激烈。下面分别简要阐述工业计算机的历史、现状、知名企业及未来趋势
1 工业计算机技术发展历史
工业控制计算机（Industrial Control Computers）的概念是上世纪80年代由“中国计算机学会工业控制计算机专业委员会”的专家们提出来的。当时Intel公司的8086/8088、Zilog公司的Z8000以及Motorola的68000等16位微处理器相继问世，并开始流行。也就是在这个时候，IBM公司将8088应用到PC机上，从此微型计算机开始走入人们的工作和生活，开启了一个微机新时代。同期，Intel推出了以8051为核心的MCS-51系列单片微型计算机（简称单片机），并在工业自动化及相关控制领域得到了广泛应用。为了提高微型计算机的可靠性和恶劣环境适应性，将微型计算机技术应用于工业测量和控制领域，为非计算机专业设计和研发人员提供一套可靠、简单、易用的解决方案，工业控制计算机应运而生。
工业控制计算机，业界也称其为工业计算机（Industrial Computers）或嵌入式计算机（Embedded Computers）。根据《计算机科学百科全书》（第二版）的描述，工业控制计算机是具有“高可靠性、恶劣环境适应性、易维护性、强实时性、易扩展性”特点的计算机，其范畴主要包括工业计算机（Industrial Computers），工业/嵌入式平板电脑（Industrial/Embedded Panel PCs），工业平板电脑（Industrial Panel Computers）、加固工业计算机（Rugged Industrial Computers），工业PC（Industrial PCs），单板机（Single Board Computers），模块化计算机（Computer on Modules），加固计算机（Rugged Computers），加固便携电脑（Rugged Laptops），嵌入式计算机（Embedded Computers），嵌入式PC（Embedded PCs），嵌入式系统（Embedded Systems）。其外延可以扩展到PLC（Programmable Logic Controller）、PAC（Programmable Automation Controller）、DCS（Distributed Control Systems）等计算机控制平台（Computer Control Platforms）。
主要特点：模块化结构、总线型以及恶劣环境适应性和商业软件兼容性。
发展脉络：主要是基于并行总线技术，伴随着并行总线技术的发展而发展，并逐渐向串行总线过度。
模板之间主要互联总线：STD总线、VME总线、ISA总线（XT/AT总线）、AT96总线、PCI总线、CompactPCI总线、PXI总线、AdvancedTCA总线、mTCA总线、PC/104总线，PC104-plus总线、PCI/104总线、PCI/104-Express、PCIe/104总线以及VPX总线。
2 工业计算机技术发展现状
伴随着中国改革开放40年的发展，工业计算机已经广泛应用到了国民经济的各行各业，应用领域主要集中在工业自动化和控制（Industrial automation & control）、测试与测量（Test & Measurement）、仪器仪表（Instrumentation）、航空电子设备（Avionics）、航天设备（Aerospace）、国防装备（Defense）、能源（Energy）、汽车（Automotive）、信息娱乐设备（Infotainment）、通信（Communications）、医疗器械（Medical）、交通运输（Transportation）、物流（Logistics）、信息安全（Security）、智能建筑（Intelligent Building）、环境保护（Environment protection）、数字标签（Digital signature）以及智能零售（iRetail）等。
虽然随着技术的进步，总线和接口标准不断在变化，但有些事情是不变的。
2.1 模块化结构依然是工业计算机不变的主流架构，新一代模块化计算机兴起
不同于所熟知的符合各种工业总线标准的计算机模板，如CPU板，I/O模板，功能模板等，模块化计算机是需要插在另一块功能载板（Carrier Board）上工作的计算机系统模块，安装结构是层叠式而不是导轨式。传统的模块化计算机主要有1992年正式发布的PC/104标准模块，及其升级型号PC/104-plus、PCI/104、PCIe/104等；以及1998年推出的ETX（Embedded Technology eXtended）模块及其升级型号XTX（eXpress Technology for ETX）模块。目前，采用超低功耗、低时延、基于ARM或x86 processor的片上系统（SoC: System on Chip）技术的、微型化的新一代模块化计算机模块（COM: Computer on Modules）开始兴起。在市场中占主导地位的是COMe，Qseven，SMARC模块[1]，新兴的模块化计算机模块主要应用在物联网（IoT: Internet of Things）、工业物联网（IIoT: Industrial Internet of Things）、工业互联网、Industry 4.0、边缘计算（Edge computing）以及工业自动化和控制等嵌入式应用领域。
COM模块全系列产品生产企业主要是Kontron、Congatec、MSC Technologies和凌华科技。Versalogic、RTD Embedded Technologies和深圳盛博主要生产PC/104系列产品和COMe模块；研华科技的主要产品是COMe和Qseven模块。
2.2 高可靠、快修复、恶劣环境适应性依旧是其代表特征，免维护设计开始占据主导地位
有别于商用计算机，工业计算机是在室外等最苛刻的环境中（the most demanding applications）工作的，其重要特征是长期可用性（long-term availability）、高可靠性（high reliability）和良好的可维护性（friendly serviceability）[2]。目前国际流行的免维护（maintenance-free）设计已经在工业计算机的设计中占主导地位，由此将极大降低制造商和用户的运行成本和维护费用，也减少了由于系统故障而造成的利润损失。免维护设计要采取一些严苛的措施来保证，如去掉运动部件、选用低功耗元器件、不采用电池供电、使用保持时间长（holdup times）的电源供电以及采用长寿命（long-life）元器件等[3]。
工业计算机的可靠性用MTBF（mean time between failures）来描述。一般商用计算机的MTBF大约是20000小时，也就是2年。但工业计算机的MTBF要求至少是50000小时以上，甚至达到100000小时，相当于连续运行5年以上而无故障。现在主流设计是采用低功耗CPU或SoC，取消风扇和硬盘等运动部件来实现可靠工作[3]。可维护性是用MTTR（mean time to repair）来度量的，表示计算机出现故障后恢复正常工作的速度。商用计算机对MTTR无要求；工业计算机在出现故障情况下需要快速修复，其要求MTTR小于30分钟，甚至可以达到5分钟[4]。工业计算机的可用性是可靠性和可维护性的函数，即Availability=MTBF/(MTBF+MTTR)。工业计算机的可用性一般设计为5个9，即99.999%，连续工作一年的宕机时间（downtime）不超过5分钟。为了保证已经定型的工业计算机产品具有较长的生命周期，如5-7年或者更长时间，需要选用长寿命（long-lifecycle）元器件，不仅可靠工作时间长，还要具有长期持续供货能力。而商用计算机的淘汰速度比较快，一般为9-12个月[4]。除此之外，工业计算机对抗震动（Vibration）、冲击（Shock）能力、极限温度条件（Extreme temperature）以及入口保护（Ingress protection）都有严格要求。这些指标保证了工业计算机能在室外等严苛的环境条件中长期、稳定、可靠工作。
2.3 串行总线已经占据主导地位，并行总线还会存续一定时间
虽然支持并行总线的计算机模板或模块还在一定范围内使用，可能还需要持续存在一定时间，如ISA总线、PC/104总线、PCI总线、PCI/104总线等，但采用串行互联总线的模板或模块已经牢牢地占据了市场主导地位，如PCI Express、PCIe/104总线、VPX总线以及Industrial Ethernet等。同样，串行接口总线，如SATA，USB等，也已经逐渐取代了并行接口总线，如IDE、LPT等，业已成为主流接口总线。
2.4 显示和控制一体化趋于流行，工业平板电脑被广泛采用
长期以来，工业计算机的主机和显示屏（器）是分离的。随着多点触控技术（Multi-touch technology）的成熟，工业多点触控显示面板（Industrial multi-touch Panels）市场占有率不断提高，市场需求旺盛，推动了工业计算机逐渐发展为主机和显示一体化，即工业平板电脑，使显示和控制一体化、个性化。工业平板电脑符合人机界面软件和监控操作走向网络边缘、走进现场前端的技术发展趋势。为了适应恶劣的工业环境，工业平板电脑一般都符合IP65标准。
目前市场上流行的工业平板电脑类型有Industrial Panel PCs、Panel Computers、Fanless Embedded Panel PCs以及All-in-One Panel PCs等。国内主要生产企业有富士康工控（FOXKPC）、深圳英德斯、研祥智能、集智达智能、深圳昆仑通态、深圳科拉德计算机、北京启阳科技、南京研维、东方松柏、北京宇田信达、台湾凌华科技、台湾新汉、台湾融程电讯以及台湾研扬等。国外企业主要有BCM Advanced Research 、Industrial Computers Limited、Caltron Technology、Impulse Embedded Limited、Beckhoff Automation以及Contec等。
2.5 低功耗、无风扇、微小型化、个性化成为主要指标特征
市场上的大多数工业计算机是满足嵌入式应用需求的计算机，即嵌入式计算机。绝大多数工业计算机并不是放在办公桌上工作，能看得见、摸得着，而是嵌入到控制室里或者安装在现场的设备当中，以隐蔽的形式存在和运行。为了适应这种嵌入式应用需求，工业计算机大多是低功耗、无风扇工作的，以提高可靠性，减少故障率。体积微型化或小型化，以应用在对空间限制比较严格的场合。功能和外形可以客户定制，形态多样，满足个性化要求。
3 国内外工业计算机研究成果和知名企业
3.1 国内主要企业
北京控制工程研究所，北京轩宇智能，北京轩宇空间，深圳研祥智能，北京集智达智能，北京康拓科技，深圳英德斯电子有限公司，北京力控元通科技有限公司，陕西威蓝工业自动化有限公司，北京立华莱康平台科技有限公司，深圳昆仑通态、深圳德航智能技术有限公司，北京宇田科技有限公司，东方松柏科技（北京）有限公司，北京启阳科技有限公司，富士康科技集团工控部（FOXKPC），台湾研华（Advantech），台湾凌华（ADLINK），台湾新汉（NEXCOM），台湾融程电讯，台湾磐仪科技（Arbor），研扬科技（苏州）有限公司，艾讯科技，广积科技，研强科技，北京阿尔泰科技发展有限公司，研为科技，摩莎（Moxa）科技（上海）有限公司，台湾昭营科技（ICOP），台湾威盛科技（VIA Technologies），台湾瀚达电子，深圳市佳维视(Jawest)电子科技有限公司, 天津市英贝特航天科技有限公司，北京方天长久科技股份有限公司，上海鼎钛克电子有限公司，北京新松佳和电子系统股份有限公司，北京凌天科技有限公司，北京研泓兴业科技有限责任公司，深圳华北工控，以及深圳邦彦技术股份有限公司等。
3.2 国外主要企业
Versalogic，Kontron Compact Computers AG（德国控创）, National Instruments，Caltron Technology, Congatec AG（德国康佳特）, Industrial Computers（Kontron UK Limited） , Artesyn Embedded Technologies, Janam Technologies LLC., EG Electronics, Impulse Embedded Limited, Beckhoff Automation, BCM Advanced Research, Trenton Systems, Dataforth Corp., Arcobel Embedded Solutions (Netherlands), Contec Co., RTD Embedded Technologies Inc., MSC Technologies，以及JTL mobile computers等。
3.3 国内外工业控制系统（DCS、 PLC、PAC）主要制造商
北京和利时集团，中控科技集团公司，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，国电智深，ABB, Siemens（西门子）, Rockwell Automation（罗克韦尔自动化）, Allen-Bradley, Honeywell（霍尼韦尔）, Schneider Electric（施耐德电气）, OPTO22，以及Yokogawa Electric Corp.（横河电机）等。
4 工业计算机技术未来主要趋势
据专家预测，未来六种新技术将驱动新一波创新浪潮，即人工智能（artificial intelligence）、物联网（Internet of Things ）、高级机器人技术（advanced robotics）、区块链（blockchain）、新材料（new materials）以及自主设备（autonomous devices) [5]。随着新一波创新浪潮涌来，新科技成果逐渐转化、应用，必将极大驱动工业计算机技术的进步和创新步伐。
4.1 模块化计算机将成为工业和嵌入式系统设计普遍采用的系统模块
未来，越来越多的工业和嵌入式系统设计工程师将采用模块化设计方案，像搭积木一样，用标准的、成熟的、开箱即用的计算机模块，来组装满足客户特定应用需要的工业和嵌入式产品。这种设计方式可以使设备制造商或客户对市场需求做出快速响应，显著降低研制难度和研制费用，降低研制风险，减少研制时间、提高工作效率，缩短产品投放市场时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。
模块化设计当中一个最重要的模块无疑是模块化计算机模块。从本质上来讲，模块化计算机也是一种特殊的单板机（Single Board Computer）。制造商在提供模块化计算机时会附带一套免费的底层支持软件包BSP（Board Support Package）和嵌入式操作系统等软件 [6]。有了模块化计算机模块，专用设备制造商就可以避免从事计算机主板设计中技术难度大、复杂程度高、风险也大的处理器、存储器和高速接口部分设计，以及相应底层支持软件（如驱动软件、数据库软件和API）的编制[6]，而专心做面向特定应用的专业性、知识性比较强的外部接口和功能设计，即载板（Carrier）设计。更重要的是，一旦应用对象的技术要求变更或需要升级成性能更高、功能更强大的新型处理器，也无需从头再来设计整个系统，只需简单地更换一块模块化计算机或基础载板即可，省时、省事、省心、省费用。因此，模块化计算机将发展成为全球范围工业和嵌入式系统设计普遍采用的、技术领先的系统模块。
在可预见的未来，模块化计算机市场将主要由三种标准模块主导，即COM express, Qseven和SMARC模块。COM express模块主要支持x86架构SoC，采用可靠坚固的连接器（reliable and rugged connector）与载板连接，抗震动和冲击能力强，适合应用在严苛的工业环境。Qseven和SMARC模块主要支持non-X86架构的SoC，如ARM系列，同时也支持低功耗的x86架构SoC。SMARC有丰富的视听接口信号，适合多媒体设备采用。Qseven具有丰富的I/O接口，更适合工业和嵌入式应用。但Qseven和SMARC模块与载板是通过金手指连接器（flat edge connector ）连接，可靠性比COMe要低[6]。模块化计算机模块主要供应商是德国控创和德国康佳特。国内工控厂家主要生产PC/104系列和COM express模块，如盛博科技、研祥智能、深圳英德斯等。
COM express规范由国际标准化组织PICMG制定，Qseven和SMARC规范由国际标准化组织SGET（Standardization Group for Embedded Technologies）制定。
当然，随着AI和5G的快速发展，要求有性能更高的CPU、更高的带宽以及大容量的存储器，因此需要一个全新的Computer on Modules标准问世与之相对应。从2018年开始，PICMG就已经着手组织制定两款与之相关的规范，一是Server Type，另一个是Embedded Type[7]。Server Type支持性能达到125W TDP的CPU、更高带宽的PCI Express Gen5、最大达100GB的LAN、USB3.2以及最多8个存储器条。Embedded Type可以支持性能达到65W TD、PCI Express Gen5、USB 3.2、高分辨率图像通道、支持TSN的Ethernet以及最多4个存储器条。
4.2 随着5G、AI、大数据和IIoT 的深度融合，工业计算机将进入5G移动网络时代
随着5G移动通信开始试验部署并逐渐推广，5G将对世界范围内的商业运营模式和消费者的生活带来深刻影响。预计到2020年，5G移动网络连接技术将拓展到迅速增长的新兴领域，如物联网、自动驾驶汽车、智能家居等行业，也必将改变工业计算机之间的网络连接方式。通过推动工业物联网的急剧扩张，以及为机器学习（machine learning）和深度学习（deep learning）获取海量实时数据，5G将为未来工业生产和人类生活提供所必需的智能连接（Intelligent Connectivity）能力。5G、AI、大数据、智能平台（smart platform）和IIoT 的深度融合将改变世界，开创一个智能连接时代[8]。
在边缘计算（edge computing）和网络切片（network slicing）技术的支撑下，5G移动网络在授权许可的范围内可以实现高速（10 gigabit-per-second download speeds）、高带宽、超可靠和低延时（1ms）联通性[8]，减少对安装和维护成本都昂贵的电缆线的依赖，实现按单元分组和空中（by the air）自由组网，使工厂生产过程具有更高的灵活性。5G网络的1ms低延时，使基于工业计算机的工业智能设备可以实现数据的快速、实时传输以及事件的快速响应，响应时间具有可预测性和确定性，满足工业网络对数据传输的实时性和确定性要求，将驱动众多工厂、医院、交通运输工具等进行智能化改造。借助5G移动网络，工厂操作员可以方便地对智能设备进行远程实时遥测和遥控，工业智能设备互联将进入5G时代。
目前，工业自动化行业正在联合起来行动，寻找一种专为工厂应用设计的基于Ethernet的标准协议，以解决在工厂里同时存在多个不同标准的网络和网络碎片化的现状[9]。IEC、IEEE、Industry4.0 以及Industrial Internet Consortium正在为此工作，而5G就是其中一种可行的选择方案。
4.3 小型化、微型化是未来工业计算机发展的必然趋势
作为一种满足嵌入式应用要求的嵌入式计算机，工业计算机的外形尺寸会变得越来越小，但功能却越来越强大。小型化甚至微型化是工业计算机未来发展的必然趋势。随着边缘计算和人工智能的发展，越来越多的数据需要在网络边缘或者靠近数据源端，就地存储和处理，实现事件的快速响应。这必然带来对满足边缘计算和智能信息采集、存储、处理的嵌入式计算设备的需求剧增。据RTC Magazine预测，小型化系统在万物互联的世界里将发挥越来越重要的作用[10]。在IoT或IIoT的驱动下，尺寸小、功能强的微小系统的市场将发生爆炸性的增长，并得到广泛的应用和部署。
4.4 面向嵌入式应用的客户个性化定制（Customization）产品未来将呈现爆发式增长
21世纪工厂自动化的未来不再是大规模生产（mass production），而是大规模客户定制（mass customization）。个性化需求、小批量定制生产将成为潮流，一款产品包打天下（One-size-fits-all products）将让位于客户定制化，以满足不同客户的特定要求和欲望[11]。因此，近年来工业计算机产业的产品特性已经趋向于专业化及多样化，以满足不同的顾客需求。同时市场需要稳定和可靠的产品质量，因此工业计算机制造商需要不断提高快速反应客户定制化需求的能力，及时提供面向特定应用的高质量产品。
相对于标准化通用产品，面向嵌入式应用的定制化工业计算机，要具有更低的成本、更小的尺寸、更低的功耗以及更高的性能，因此也更有吸引力和竞争力。客户定制的产品多以单板计算机为主，即一块计算机模板上集成了客户特定应用所必需的核心处理器单元和接口功能，删除了通用产品中多余的功能和相应电子元件，既降低了成本，也消除了无用功能或电子元件可能引起的故障隐患。这种定制单板机的设计可以从零开始，也可以采用开箱即用的模块化计算机与I/O功能载板设计相结合的方式，这样可以简化设计复杂性，降低设计难度，节省设计费用，缩短交付客户时间，加快市场反应能力。
近来风起云涌的边缘计算是5G网络的核心特征，也是结合5G的智能物联应用的核心特征。针对智能物联应用场景的特异性，边缘计算对计算能力需求将呈现定制化、个性化的特征，将驱动计算能力领域FPGA产业迎来历史性的机会，同时也将给具有强大计算能力的高性能工业计算机产业发展带来历史性机遇。
4.5 软件和硬件一体化，提供一整套系统集成解决方案能力将成为主要竞争优势
多年以来，工业计算机行业由众多的中小企业组成，其中硬件制造商提供OEM产品或ODM方案，软件供应商提供组态软件以及管理和控制算法软件模块，由最终客户进行系统集成，编制应用程序，实现特定目标功能。未来，工业自动化行业将进行大规模整合，将若干中小企业整合成大型企业，实现软件和硬件一体化，能够根据客户的应用需求，进行需求分析，提供一整套解决方案，实现客户的应用目标。一站式服务极大缩短研发和系统集成时间，提高达成目标的效率，也提高了最终系统的可靠性、稳定性，节约成本，有效降低了对客户需要掌握复杂知识和专业技能的要求。
在未来工业4.0环境下的智能工厂里，要求能够高效地采集、显示和分析生产线上的实时数据，以便能在技术上提高生产线的性能，改进生产工艺。这就要求有更先进的分析软件，来对大数据进行筛选和挖掘，找到需要改进的参数。因此，需要工业计算机系统制造商能为智能工厂建设和生产提供这样的服务能力。以后的竞争核心就是服务能力的竞争。
4.6 嵌入式HMI分布到工业现场，并将逐渐进入到移动HMI时代
传统上，人机界面软件（HMI）安装在控制室里的操作站和工程师站上，完成数据的采集、处理和显示，设备的控制组态，设置报警、日志以及显示历史数据趋势图等功能，实现对生产过程的监视、控制和管理。为了适应恶劣的工业环境要求，安装在工业现场的工业控制装置或终端设备是“黑匣子”，没有显示屏。一般在前面板上嵌入控制按钮、控制开关、拨码盘、数码管、五颜六色的发光二极管以及各类模拟仪表，如电压表、电流表、压力表等，以发布控制命令，显示重要控制数据和状态信息。
随着工业互联网或工业物联网技术的发展，未来控制装置将被广泛分散到了工厂车间现场，越来越靠近被控设备，实现就地测量和控制，做到快速响应。因此，现代HMI也将伴随着控制装置走进工厂的车间，走近被控设备。同时，HMI将虚拟仪表化，使在现场靠近被控设备安装的控制装置或终端可视化和图形化，取代传统模拟开关和仪表，使用更简单、方便、直观。操作员或者工程师可以实时了解设备或生产线的工作情况，以改进生产过程，诊断和维护设备，避免设备故障或宕机，减少损失。HMI还将打通边缘设备与云计算之间的通信通道，实现与云平台、工厂管理系统、历史和实时数据库以及各种控制设备之间直接的信息交流。
随着移动通信技术进入5G时代，并在2020年将具备大规模商用能力，预计将HMI功能移植到移动设备上，特别是5G折叠屏智能手机上，将成为潮流[12]。移动设备可以通过无线接入方式，随时随地访问现场控制设备，及时获取设备运行数据。操作员、工程师或技术人员能够技术快速拿到他们所关注的重要信息，及时了解设备或生产线的运行状况，并做出准确的诊断和决策，预先采取有针对性的措施，使设备工作在最优状态。
目前比较流行的HMI软件有Siemens的WinCC、GE-IP的iFIX、力控科技的eForceCon系列监控组态软件以及昆仑通态的MCGS等。
4.7 工业自动化正走向智能化时代
以人工智能、高级机器人和工业物联网为代表的第四次工业革命正在以惊人的速度向我们走来，它将极大重塑我们的生产、制造、商业以及生活模式。就像工业4.0所构想的那样，传统的制造业将迈入智能工厂时代，工业自动化正在走向智能化。
在智能工厂里，将是一种全新的景象，机器人可以与机器、设备以及产品进行交流，实时交换信息。人类将和高级机器人肩并肩地协同工作。智能机器（smart machine）具有极大的自主性（autonomous）、灵活性（flexibility）和自适应性（adaptability）, 能够实现自主监视（self-monitoring）和预报（prognostic）、自主进行故障检测和问题诊断，减少能量消耗、减少浪费、缩短宕机时间以及防止严重事故发生[13]。智能产品是唯一可识别的，知道自己的过去生产历史、如今的现状以及未来的目标以及实现路径，而且能随时定位自己。智能的、互联的嵌入式设备在智能工厂里将随处可见，工业计算机等嵌入式设备将在智能工厂里发挥极大的不可替代的作用。
4.8 边缘计算和云计算有效结合，将打造真正意义上的分布式控制系统
不同于传统的集中控制系统，分布式控制系统（distributed control systems），在国内也叫集散控制系统（DCS），其主要理念就是“管理集中、控制分散”，即对工厂整个生产过程按区域或功能分散进行采集、监视和控制，对过程的状态信息进行集中管理。但在实际操作过程中，监视控制系统（控制站）和管理系统（工程师站、操作站）都是布置在控制室里，而不是靠近被监控设备，没有真正分散到工业现场，实现就地监控。因此，某种意义上说，目前运行的所谓分布式控制系统仍然是一种集中控制系统。
边缘计算（edge computing）和云计算（cloud computing）相结合，并进行平衡控制，将使DCS系统的结构发生革命性的变化，形成全新的分布式智能控制系统，一种真正意义上的高级分布式控制系统[14]。控制更加分散，可以一直分散到网络或者车间生产过程的边缘，也就是设备信息数据产生和使用的地方，无限接近生产过程中的运行设备；管理更加集中，从控制室走到整个工厂的私有云或更广泛的公有云。
所谓的边缘计算设备，是一种智能设备，指的是用在离散制造过程或连续过程控制的边缘，包括IPCs、PLCs、PACs、industrial controllers、嵌入式计算机等工业计算机设备[16]。边缘设备（edge devices）或边缘计算机（edge computers）实现就地监视和控制功能，可以极大提高被监控设备的工作效率。对于独立设备而言，通过局部数据分析和计算及时发现异常问题，迅速自主加以弥补或解决。遇到需要实时决策的关键性事件，边缘设备可以做到毫秒级分析处理并即时做出处置反应，有效避免由于网络延时或者网络、服务器故障而造成生产事故[14]。通过云计算，可以实现复杂智能控制算法的计算和流程工艺优化计算，并把结果传到边缘计算设备里改进控制质量和工艺流程，提高生产效率。同时，云计算掌管全局数据，通过大数据处理和挖掘，以及模型比对、分析判断等，可以对不同设备、不同生产线和不同的制造区域的工作情况进行对比，及时发现运行设备的异常状态，做出准确地故障诊断和定位，进行预先维护或排除故障，最大限度地防止破坏性故障出现或止损。
4.9 工业控制系统将在自主可控基础上实现安全可靠
中兴、华为和福建晋华集成电路公司事件，极大地震惊了中国政府和科技界。“核心技术买不来，也讨不来”，只能自力更生、自主创新。从2018年开始，我国技术创新的推动力已经从应用端拉动的生产力推动转变为生产关系推动。关系到国计民生的重要行业，政府将大力推动基于自主可控基础上的安全可靠技术创新和产品应用，主要包括CPU、OS（操作系统）和SI（系统集成）。工业计算机或嵌入式计算机系统，采用自主可控的CPU、操作系统和系统集成应用软件实现安全可靠，为关系到国计民生的重要行业提供基础支撑，是国内行业必然的发展趋势，未来将大有可为。
5 工业计算机的前景展望
根据美国MarketWatch发布的“Industry 4.0 Market & Technologies – 2019-2023” 报告预测，到2023年全球工业4.0市场将达到2140亿美元。其中Asia-Pacific工业4.0市场将是全球增长最快的，复合年均增长率（CAGR）将达到23.7%[15]。
根据IHS Inc的预测，从2014年到2019年，全球industrial PCs 的销售收入复合年均增长率为6%，到2019年将达到43 亿美元。根据TechNavio发布的"Industrial PC Market - Global Forecast to 2022" report预测，从2018年-2022年，由于IIoT对制造业的渗透和相关R&D投资的增加，将促进工业计算机的应用，工业计算机的复合年均增长率将达到6.2%，到2022年市场规模将达到47.3亿美元。根据TechNavio发布的“Global Embedded Computer Market 2018-2022”报告预测，仅仅由于电信、银行、金融服务、智能零售以及卫生保健方面的应用对IoT设备需求的增长，将激发全球嵌入式计算机市场规模到2022年将扩大到33亿美元。
由于模块化计算机（COM ）的出现，很好地解决了众多工业计算机设备厂商和自动化设备制造商所困扰的“造或买”（build or buy）的问题，应用前景看好。VDC研究报告显示，全球层叠式计算机模块（Stackable Module）的出货量的复合年均增长率一直保持在9.3%以上。来自Research and Markets的研究也表明，在2016-2020年，全球模块化计算机（Computer-on-Module）市场的复合年均增长率将达到17.97%[14]。除了COM模块，Mini-ITX和Pico-ITX也提供了小规格主板模块，非常适合在空间受到极大限制的嵌入式系统设计中应用。VME/VPX架构在军事装备中的应用市场也呈现良好的增长势头，当然了在同样领域，Compact PCI和xTCA技术的应用却有下降趋势。
根据MarketsandMarkets最新的"Human Machine Interface Market (HMI) - Global Forecast to 2022"报告预测，到2022年，全球HMI将达到58.6亿美元，复合年均增长率为9.0%，发展前景看好。
在工业控制行业，工业自动化（Industrial automation）、过程控制（Process control）、楼宇自动化（Building automation）、工业制冷（Industrial refrigeration）、远程监视（Remote monitoring）以及数据采集（Data acquisition）等领域对工业计算机也有着旺盛的需求。
因此，随着工业4.0、工业物联网、边缘计算、大数据处理、人工智能、机器人、5G移动通信等技术的迅猛发展、商业化应用的不断深入推进，必将带动接入设备和终端设备等载体需求量的爆发式增长。作为这些新技术应用的主要载体，工业计算机特别是层叠式单板计算机将迎来重大发展机遇。可以毫不夸张地说，工业计算机发展的又一个春天到来了。工业计算机必将在国家经济结构转型升级、供给侧改革和创新驱动发展过程中继续发挥不可替代的作用，应用数量将呈现爆发式增长，应用前景广阔。
6 中国是全球工业计算机第一大技术来源国
据统计，截至2021年7月，中国工业计算机专利申请量占全球工业计算机专利总申请量的78.6%，占据绝对优势；其次是美国，占全球工业计算机专利总申请量的14.69%，而排名第三和第四的日本和韩国与排名第一的中国专利申请量更是存在一定差距。
中国方面，广东为当前申请工业计算机专利数量最多的省份，申请累计高达36236项。除此之外，申请省(市、自治区)工业计算机专利数量排名前十的省份（浙江、北京、山东、上海、安徽、湖北、河南和四川）的专利数量也非常客观。
由此可见，国内工业计算机行业以技术创新驱动经济发展的产业生态已然形成。作为市场主体的行业内企业围绕技术创新展开的激烈竞争更是趋势所向。
7 结论
今天，世界面临着百年未有之大变局，工业计算机及其系统也迎来了其几十年发展史上的第二次大发展浪潮。机遇与挑战并存。
特朗普减税，激活了美国众多中小企业，也因此激发了美国经济的活力。中国政府也意识到了中小微企业对国民经济发展的重要性，出台了一系列支持中小微企业创新和融资的政策，规模空前地大幅度减税降费，给广大工业计算机设计和制造企业的快速发展提供了政策上的利好。
“中国制造2025发展规划”与工业4.0对接，以智能制造为核心，推动制造业数字化转型，以提高制造能力，特别是创新能力（innovation ability）、能源效率（energy efficiency）和信息效率（information efficiency）。工业 4.0，也叫工业物联网，代表着第四次工业革命。在垂直方向，用数字化（digitize）整合企业的所有管理和运行过程，从产品研发，原材料采购，到制造、物流和服务。横向，将整合从内部操作延伸到供应商、客户以及关键价值链上的所有合作伙伴。因此，在工业 4.0企业里，在生产过程的每个工段都安装着大量的传感器，每天都产生大量的数据，累计起来的数据量更是惊人的。众多的边缘计算设备或工业控制设备广泛分散部署，无限靠近机器设备，即时就地进行数据处理和控制，使生产过程更灵活、更高效、更精细。虽然数据经济或数据就是生产力已经深入人心，但如何让巨量的数据变成对企业有用的信息，使数据产生价值，借此增强企业的竞争力，给企业带来巨大的效益就成为关键。随着大数据分析与利用逐渐成为每个工业企业的核心竞争力，企业必将对工业计算机以及以工业计算机技术为核心的嵌入式计算设备产生巨大的需求。
唯有创新才能生存，也唯有创新才能发展。目前国内众多从事工业计算机设计制造企业绝大多数为中小微企业，还缺少世界级的大型工业计算机及系统领军企业。如何抓住机遇实现腾飞，把企业发展成能与国际自动化巨头并肩的企业，支撑起中国自动化产业的蓝天，是所有工控企业需要认真面对的挑战。
文章关键词：工业计算机技术