传统的工业企业中留存了大量的旧有信息系统和工业设备, 这些系统和设备中运用的信息采集方式, 通信模式, 数据格式, 操作系统往往并不统一, 它们在底层所采用的信息技术可能存在极大的差异. 在工业 4.0 中, 目前最关键的工作就是引入 CPS, 连接各类 "异构" 的系统设备, 实现相互间的信息兼容. 在数字化的进程中, 工业物联网的搭建需要减少对原有系统的改造, 做到向下兼容(兼容老旧系统).
所以, 工业 4.0 主要以采用 "功能扩展"(增加 CPS)的方式实现老设备, 旧系统的 "上网", 注重的是三个 "集成"(三类集成: 横向集成, 纵向集成, 端到端集成), 而并不是重构工业系统底层的信息架构(重构协议标准并开放接口).
从目标来看, 工业互联网和工业 4.0 是高度一致的, 即通过工业系统的联网来聚合能力, 再灵活运用, 服务于个性化, 创造性的需求, 并产生新的商业模式和生态.
在工业互联网白皮书中, 将工业互联网描述为: 致力于工业控制系统联网, 使之形成大型的端对端系统. 工业互联网系统能与人联接, 能充分集成企业内部系统, 工艺流程和分析工具. 这样的端对端系统被称为 "工业互联网系统(IISs)".
工业互联网的架构, 从商业利益诉求开始(联盟的发起者都为大型企业), 基于各类应用, 进行生态体系的研究, 并通过简化方式对系统架构进行解释, 便于各领域组织和个人的理解.
不同于工业 4.0 在 "集成" 之上, 更注重供应链 (价值链) 的研究, 工业互联网则更偏向于对利益相关者 -"角色" 的研究. 生产分工的 "角色", 不仅仅是指产业链上下的企业和组织, 还包括了企业中的各类职业人士, 包括商业决策者, 技术工程师, 产品经理等. 在工业 4.0 中也有大量内容关于对 "劳动者(人)" 的调研和阐述, 但主要是从社会学, 人力资源管理学进行整体性的思考.
一, 工业物联网的四层视角
从 "角色" 的需求出发, 工业互联网提出了四层 "视角(Viewpoint)" 的结构(有些文章中也称之为 "组件").
1. 业务视角(Business Viewpoint)
在工业互联网的搭建中, 业务视角关注于识别利益相关者的商业视野, 价值观和目标. 相关人员 (包括行业用户) 需要思考如何通过工业互联网提供的基本功能来实现商业目标.(行业用户: 业务决策者, 产品经理, 系统工程师等)
2. 应用视角(Usage Viewpoint)
应用视角定位于可靠, 复杂的系统应用(功能). 通过专业用户或逻辑用户自助式的一系列操作(使用过程), 能够获取到系统的基本功能或服务, 并将其拼装成成熟的商业应用.(专业用户: 系统工程师, 产品经理等; 逻辑用户: 智能终端)
3. 功能视角(Functional Viewpoint)
功能视角聚焦于工业互联网系统中的基本功能模块(系统的零部件), 以支持上层应用组件的运行. 功能视角主要研究模块之间的关联关系, 组合结构, 信息交互接口, 使用流程和步骤, 以及功能模块和系统外界环境的关联关系.(系统和组件架构师, 开发人员, 集成商)
4. 执行视角(Implementation viewpoint)
执行视角主要关注的是功能视角中的信息技术元素, 包括具体的工业控制系统, 通信方案和软件程序. 执行组件 (视角) 关注于工业物联网最基本, 核心的技术架构, 功能 (视角) 在执行视角的技术架构上搭建, 使得多个应用 (视角) 能够协同工作, 并实现业务的完整交付.(系统和组件架构师, 开发人员和集成商, 和系统运营商.)
工业互联网认为, 工业领域的控制系统 (ICS) 已经能够实现跨产业部门的工业自动化. 它们通过对物理世界的感知, 获得信息的 "激励", 并通过 "固化", 明确的逻辑运算, 向执行器发布指令信号, 从而由设备上的机械装置改变物理世界和环境的状态. 这种 "控制" 过程由工程师精心设计, 使得自动化设备的所有行为都明确并固定下来. 但如果生产环境发生改变, 生产产品需要升级, 那么必须由工程师重新设计并调整系统, 这有可能需要启动一个生产线的 "精益" 项目.(精益 - Lean: 制造业领域专有名词, 可简单理解为: 改进生产系统并提升生产线的能效).
要适应生产环境和商业需求的变化, 控制系统中的信号处理元器件, 首先需要与外部信息系统组网通信, 其次需要建立共通的 "语言"(通信协议, 数据规范), 还要能够接受上层应用的调配和指挥, 以此实现灵活的 "柔性生产", 与其他商业系统协同 "智造".
四层视角之中,"执行视角" 主要是构建信息流的通道(从通信行业的角度来说, 就是拓扑, 接口, 规范和消息流程). 在 "执行视角" 中的独立设备和系统, 会按照接口规范输出传感信号或接受指令信号, 在 "功能视角" 中形成数字化映射, 即在虚拟世界获得一个 "身份", 能被其他信息系统进行查询, 访问, 调用, 关停等.
四个视角中的系统和能力是相互交织, 只是看待的角度层面不同. 商业视角和应用视角更多的是从商业的角度来看待生产活动, 它更关心的是资金, 客户关系, 供应链, 人力资源, 企业资产, 产品的生命周期等等, 是从上 (需求) 向下 (实现) 看待工业物联网. 功能组件和执行组件是从信息技术, 行业技术的角度来看生产活动, 它聚焦于如何调配计算资源, 如何传递信息, 如何操作设备, 系统的维护和运营, 技术构架的健壮性和安全性, 更层次化, 深入化地理解工业物联网系统, 关注于它的 "有机性".
二, 工业物联网的技术架构
在工业互联网的四个组件中, 功能视角和执行视角都是从技术的角度来拆解工业互联网. 其中, 功能视角关注工业整体系统, 是顶层的技术架构, 定义并展现了工业核心能力的相互关系; 执行视角关注信息系统结构, 是支撑功能视角的数字化基础, 它对工业物联网的信息 / 网络能力进行了层级划分.
通俗的来说, 执行视角描述了一个人 (工业) 的 "神经网络", 而功能视角则呈现了一个人 (工业) 的 "器官组织". 工业互联网通过这两种视角, 注重于理清信息技术与工业技术之间的关系. 就目前来看, 工业 4.0 的架构思路倾向于将信息技术进行改进和叠加. 相对而言, 工业互联网则更关注未来工业系统的重构, 使得信息和工业深度, 有机的融合.
1. 功能视角
工业互联网联盟希望有一个明晰的, 技术层面的功能结构, 一方面兼容工业自动化原本传统的工业技术结构, 并且普适于大多数的工业信息系统(如 ERP 等), 另一方面能够具有良好的扩展性和健壮的系统性, 可以达到全面数字化生产的程度, 并适合相关企业和人员来进行理解, 设计, 开发, 运营. 所以, 工业互联网对工业领域和信息领域的技术进行了融合, 并定义和划分相应的功能模块, 提出了 "功能视角" 的概念, 这便是工业互联网的顶层功能架构: 功能域模型.
功能域模型由五个基础的功能域组成. 企业的信息系统可以包含所有的功能域, 也可能是其中几个, 还可以是单独一个功能域, 每个功能域都是相对独立, 完整的系统. 当然, 实际的业务系统会根据应用特色, 删减或修改功能域中的某些细节性技术, 但这不会影响工业互联网的整体结构.
(1) 控制域
控制域整体部署在物联网边缘, 贴近实物和环境, 在物联网结构之中处于边缘位置. 控制域包括:
感测, 是传感器对设备, 环境的感知;
驱动, 就是指通过传递指令信号, 使得设备上的机械部件或电路开关实施规定动作. 此外, 向电子标签等存储设备注入数据也是驱动的一种类型.
交流, 是指信息在边缘网络中传递.
实体抽象可以理解为物的 "数字化", 即物的 (状态或属性) 实体信息由统一, 规范, 有实际意义的数据 (即数字化信息) 来表示, 这样上层系统就可以解读感测信息, 改写设备状态(驱动). 实体抽象是物理系统和信息系统的桥梁, 完成虚拟和现实相互间的映射. 在物联网领域中,"数字化" 的狭义理解就是 "实体抽象".
建模, 是对物理世界的系统性描述 (包括对单一事物的分析和预测能力). 建模的对象可以是生产设备(例如通过采集大量的设备状态信息, 来预测设备的隐性故障), 也可以是外部环境(例如机器乒乓球手, 通过视频中的乒乓球轨迹, 来判断球的落点). 建模的数据源来自下层的 "实体抽象". 复杂的建模需要融合高深的行业技术知识, 并通过高等计算(人工智能到等) 来实现.
执行者通过对控制目标的解读, 按照自有的控制逻辑, 实施一系列的操作(向驱动和感测传达指令). 执行者具有自主性, 具有一定的决策权和智能, 可以动态, 灵活地完成任务. 当然, 对于一些特别重要或简单的控制目标, 执行者会不经过逻辑判断, 直接执行.
整个控制域实现了 (控制) 目标和 (物理) 行为的统一.
(2) 操作域
操作域是对控制域系统的集中化运营, 它可以远离控制域, 实现远程的监管. 操作域主要的职责包括:
为功能 (组件) 的实现, 调配和部署资源并进行相应管理.
为保证功能的健壮性, 操作域还需要具备监测和诊断分析的能力: 通过分析系统的关键性能指标, 来评估系统的健康, 针对系统故障, 性能下降等问题, 及时上报或预警.
操作域除了 "反应式" 的运营方式外(出现告警后再处理), 还需要支持预测和优化: 预测故障和系统瓶颈, 在故障和问题发生前处理(预测性维护); 掌控各类资源的利用率和下层系统设备的情况, 通过调整资源分配来实现生产优化(例如动态地关闭一些空载运行的机器, 来节省工厂的电力消耗)
在预测分析方面, 操作域需要信息域的帮助, 以弥补他可能在计算能力上的不足.
(3) 信息域
从不同的域中采集信息, 并将这些大量的异构信息进行转换, 建模, 存储, 最终实现高级分析的功能(分析系统瓶颈或预测产业链趋势).
信息域具备的数据处理能力包括:
采集 (汇集) 传感器和操作状态的海量数据
数据质量管理(数据过滤, 去重, 挑拣垃圾数据)
(异构)数据格式转换
语义化处理(在原始数据中注入备注信息, 关联其它数据集等, 比如位置信息, 时序信息等)
存储和数据持久化(data persistence, 内存数据模型和存储模型的相互转换)
数据分发处理(包括流分析处理 - streaming analytic processing)
控制域也有数据采集和建模的能力, 但主要是用于即时的计算, 实时的反馈, 连续的操作, 其关注点在于设备的 "物理行为". 信息域的建模主要是用于 "后计算" 的, 即通过大数据分析, 智能预测, 制定一个长期的优化目标, 并通过调整控制域的执行策略, 实现系统整体的性能提升.
信息域对控制域具有 "引导" 作用, 如果将控制域看做 "生产者", 那么信息域就是 "管理者".
(4) 应用域
应用域是所有 "功能 (function)"(也称之为 "函数") 的集合, 包含对 "控制域" 进行操作的功能. 功能在应用域中表示为一个个相对独立的应用程序, 业务则是多个应用程序的系统性组合. 虽然在软件应用的底层代码中也有 "功能 (函数)" 的概念, 但应用域所指的 "功能" 是高度抽象(语义化) 和复杂的逻辑程序, 它可以包含一组协同的物理操作或一系列流程化的数据处理行为.
操作功能发出的操作请求并不是无条件执行的, 它必须接受控制域的条件约束, 例如违反作业安全的操作指令会被控制域 "拒绝".
(5) 业务域
业务域即是企业各类的业务系统, 例如: 企业资源管理 (ERP), 客户关系管理(CRM), 资产管理系统, 人力资源管理系统(例如人力资源的共享中心), 项目管理系统等等. 这些信息业务是通过完整的一套软件程序来实现闭环的业务流程, 也被称为: 实现 "端到端" 的操作流程, 例如用户从客户端到电商平台(服务端) 下订单购买商品.
2. 执行视角
功能视角作为顶层技术架构, 本质上是从工业领域的整体视角看待工业互联网的技术架构, 而执行视角则是从 "具体实现" 的视角看待工业互联网, 它其实属于功能视角的一个基础部分, 不过以作者看来,"实现" 的本质就是物理信息和虚拟信息的相互转换, 所以执行视角所展示的功能拓扑看起来更像一种 "服务于信息的组网和计算方式", 其强调了协议, 接口, 以及系统动作, 设备状态的信息化映射. 对于通信领域的人士来说就很容易读懂执行视角之下的架构, 而且能够和物联网网络架构进行对应.
(1) 三层架构
执行视角下的工业互联网分为三个基本层级: 边缘层, 平台层, 企业层, 它们分别对应不同的网络和功能特性.
边缘层收集各类设备数据并汇总转发至平台层, 或由平台层反向发送数据 (例如操作指令) 至边缘层中的设备.
平台层, 一方面具有设备和资产的管理监控功能, 可以向上层应用 (企业层) 提供这些能力. 另一方面, 它可以接受并执行企业层下达的操作指令: 数据分析, 信息查询或控制设备运作. 平台层整合了工业领域中的各类信息能力, 并形成具有开放性的服务系统.
企业层, 就是行业应用层. 它可以是商业决策系统, 也可以是提供给外部用户的设备监控系统, 还可以是给内部运营人员用于产品质量分析的软件应用. 它可以从平台层获取大量的底层生产数据, 也可以通过平台层控制海量的设备, 但它并不 "关心" 这些功能 (查询, 操控) 具体是如何实现的, 它只负责高层应用的逻辑实现.
(2) 三层网络
在三层架构模式之中存在三层网络: 邻接网络(Proximity Network), 接入网络(Access Network), 服务网络(Service Network)
邻接网络, 通过一定数量的转发节点连接一定区域范围内的边缘节点(包括传感器, 驱动器, 设备, 资产, 控制系统和边缘服务), 并且在区域内形成局部网络. 邻接网络可以理解为物联网的边缘网络, 不过它更强调了在一个场景化的空间范围内.
接入网络, 实现资产, 终端, 设备连接到平台层的网络. 接入网络可以是企业专网, 也可以是商用的运营商网络, 例如 4G LTE 网络. 所有终端都需要通过网关设备连接到服务网络.
服务网络, 实现平台层和企业层连接. 它可以是互联网, 也可以是运营商的移动网络, 或是企业私有网络, 还可以是建立在各种网络之上的虚拟专线网络. 其实, 企业系统之间的互联也可以通过服务网络.
来源: http://zhuanlan.51cto.com/art/201805/573272.htm