從四個視角透視工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　傳統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)中留存了大量的舊有信息系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備，這些系統(tǒng)和設(shè)備中運(yùn)用的信息采集方式、通信模式、數(shù)據(jù)格式、操作系統(tǒng)往往并不統(tǒng)一，它們在底層所采用的信息技術(shù)可能存在極大的差異。在工業(yè)4.0中，目前最關(guān)鍵的工作就是引入CPS，連接各類“異構(gòu)”的系統(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)相互間的信息兼容。在數(shù)字化的進(jìn)程中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的搭建需要減少對原有系統(tǒng)的改造，做到向下兼容(兼容老舊系統(tǒng))。

　　所以，工業(yè)4.0主要以采用“功能擴(kuò)展”(增加CPS)的方式實現(xiàn)老設(shè)備、舊系統(tǒng)的“上網(wǎng)”，注重的是三個“集成”(三類集成：橫向集成、縱向集成、端到端集成)，而并不是重構(gòu)工業(yè)系統(tǒng)底層的信息架構(gòu)(重構(gòu)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)并開放接口)。

　　從目標(biāo)來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0是高度一致的，即通過工業(yè)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)來聚合能力，再靈活運(yùn)用，服務(wù)于個性化、創(chuàng)造性的需求，并產(chǎn)生新的商業(yè)模式和生態(tài)。

　　在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)白皮書中，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)描述為：致力于工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使之形成大型的端對端系統(tǒng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能與人聯(lián)接，能充分集成企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)、工藝流程和分析工具。這樣的端對端系統(tǒng)被稱為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(IISs)”。

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)，從商業(yè)利益訴求開始(聯(lián)盟的發(fā)起者都為大型企業(yè))，基于各類應(yīng)用，進(jìn)行生態(tài)體系的研究，并通過簡化方式對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行解釋，便于各領(lǐng)域組織和個人的理解。

　　不同于工業(yè)4.0在“集成”之上，更注重供應(yīng)鏈(價值鏈)的研究，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則更偏向于對利益相關(guān)者-“角色”的研究。生產(chǎn)分工的“角色”，不僅僅是指產(chǎn)業(yè)鏈上下的企業(yè)和組織，還包括了企業(yè)中的各類職業(yè)人士，包括商業(yè)決策者、技術(shù)工程師、產(chǎn)品經(jīng)理等。在工業(yè)4.0中也有大量內(nèi)容關(guān)于對“勞動者(人)”的調(diào)研和闡述，但主要是從社會學(xué)、人力資源管理學(xué)進(jìn)行整體性的思考。

　　一、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四層視角

　　從“角色”的需求出發(fā)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提出了四層“視角(Viewpoint)”的結(jié)構(gòu)(有些文章中也稱之為“組件”)。

　　1.業(yè)務(wù)視角(Business Viewpoint)

　　在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的搭建中，業(yè)務(wù)視角關(guān)注于識別利益相關(guān)者的商業(yè)視野、價值觀和目標(biāo)。相關(guān)人員(包括行業(yè)用戶)需要思考如何通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供的基本功能來實現(xiàn)商業(yè)目標(biāo)。(行業(yè)用戶：業(yè)務(wù)決策者、產(chǎn)品經(jīng)理、系統(tǒng)工程師等)

　　2. 應(yīng)用視角(Usage Viewpoint)

　　應(yīng)用視角定位于可靠、復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用(功能)。通過專業(yè)用戶或邏輯用戶自助式的一系列操作(使用過程)，能夠獲取到系統(tǒng)的基本功能或服務(wù)，并將其拼裝成成熟的商業(yè)應(yīng)用。(專業(yè)用戶：系統(tǒng)工程師、產(chǎn)品經(jīng)理等;邏輯用戶：智能終端)

　　3.功能視角(Functional Viewpoint)

　　功能視角聚焦于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的基本功能模塊(系統(tǒng)的零部件)，以支持上層應(yīng)用組件的運(yùn)行。功能視角主要研究模塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系、組合結(jié)構(gòu)、信息交互接口、使用流程和步驟，以及功能模塊和系統(tǒng)外界環(huán)境的關(guān)聯(lián)關(guān)系。(系統(tǒng)和組件架構(gòu)師、開發(fā)人員、集成商)

　　4. 執(zhí)行視角(Implementation viewpoint)

　　執(zhí)行視角主要關(guān)注的是功能視角中的信息技術(shù)元素，包括具體的工業(yè)控制系統(tǒng)、通信方案和軟件程序。執(zhí)行組件(視角)關(guān)注于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最基本、核心的技術(shù)架構(gòu)，功能(視角)在執(zhí)行視角的技術(shù)架構(gòu)上搭建，使得多個應(yīng)用(視角)能夠協(xié)同工作，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)的完整交付。(系統(tǒng)和組件架構(gòu)師、開發(fā)人員和集成商,和系統(tǒng)運(yùn)營商。)

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)認(rèn)為，工業(yè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)(ICS)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨產(chǎn)業(yè)部門的工業(yè)自動化。它們通過對物理世界的感知，獲得信息的“激勵”，并通過“固化”、明確的邏輯運(yùn)算，向執(zhí)行器發(fā)布指令信號，從而由設(shè)備上的機(jī)械裝置改變物理世界和環(huán)境的狀態(tài)。這種“控制”過程由工程師精心設(shè)計，使得自動化設(shè)備的所有行為都明確并固定下來。但如果生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生改變，生產(chǎn)產(chǎn)品需要升級，那么必須由工程師重新設(shè)計并調(diào)整系統(tǒng)，這有可能需要啟動一個生產(chǎn)線的“精益”項目。(精益-Lean：制造業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ忻~，可簡單理解為：改進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)并提升生產(chǎn)線的能效)。

　　要適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境和商業(yè)需求的變化，控制系統(tǒng)中的信號處理元器件，首先需要與外部信息系統(tǒng)組網(wǎng)通信，其次需要建立共通的“語言”(通信協(xié)議、數(shù)據(jù)規(guī)范)，還要能夠接受上層應(yīng)用的調(diào)配和指揮，以此實現(xiàn)靈活的“柔性生產(chǎn)”，與其他商業(yè)系統(tǒng)協(xié)同“智造”。

　　四層視角之中，“執(zhí)行視角”主要是構(gòu)建信息流的通道(從通信行業(yè)的角度來說，就是拓?fù)?、接口、?guī)范和消息流程)。在“執(zhí)行視角”中的獨(dú)立設(shè)備和系統(tǒng)，會按照接口規(guī)范輸出傳感信號或接受指令信號，在“功能視角”中形成數(shù)字化映射，即在虛擬世界獲得一個“身份”，能被其他信息系統(tǒng)進(jìn)行查詢、訪問、調(diào)用、關(guān)停等。

　　四個視角中的系統(tǒng)和能力是相互交織，只是看待的角度層面不同。商業(yè)視角和應(yīng)用視角更多的是從商業(yè)的角度來看待生產(chǎn)活動，它更關(guān)心的是資金、客戶關(guān)系、供應(yīng)鏈、人力資源、企業(yè)資產(chǎn)、產(chǎn)品的生命周期等等，是從上(需求)向下(實現(xiàn))看待工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。功能組件和執(zhí)行組件是從信息技術(shù)、行業(yè)技術(shù)的角度來看生產(chǎn)活動，它聚焦于如何調(diào)配計算資源、如何傳遞信息、如何操作設(shè)備、系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)營、技術(shù)構(gòu)架的健壯性和安全性，更層次化、深入化地理解工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，關(guān)注于它的“有機(jī)性”。

　　二、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

　　在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的四個組件中，功能視角和執(zhí)行視角都是從技術(shù)的角度來拆解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。其中，功能視角關(guān)注工業(yè)整體系統(tǒng)，是頂層的技術(shù)架構(gòu)，定義并展現(xiàn)了工業(yè)核心能力的相互關(guān)系;執(zhí)行視角關(guān)注信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是支撐功能視角的數(shù)字化基礎(chǔ)，它對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的信息/網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行了層級劃分。

　　通俗的來說，執(zhí)行視角描述了一個人(工業(yè))的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，而功能視角則呈現(xiàn)了一個人(工業(yè))的“器官組織”。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過這兩種視角，注重于理清信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)之間的關(guān)系。就目前來看，工業(yè)4.0的架構(gòu)思路傾向于將信息技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和疊加。相對而言，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則更關(guān)注未來工業(yè)系統(tǒng)的重構(gòu)，使得信息和工業(yè)深度、有機(jī)的融合。

　　1.功能視角

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟希望有一個明晰的、技術(shù)層面的功能結(jié)構(gòu)，一方面兼容工業(yè)自動化原本傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)，并且普適于大多數(shù)的工業(yè)信息系統(tǒng)(如ERP等)，另一方面能夠具有良好的擴(kuò)展性和健壯的系統(tǒng)性，可以達(dá)到全面數(shù)字化生產(chǎn)的程度，并適合相關(guān)企業(yè)和人員來進(jìn)行理解、設(shè)計、開發(fā)、運(yùn)營。所以，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對工業(yè)領(lǐng)域和信息領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行了融合，并定義和劃分相應(yīng)的功能模塊，提出了“功能視角”的概念，這便是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的頂層功能架構(gòu)：功能域模型。

　　功能域模型由五個基礎(chǔ)的功能域組成。企業(yè)的信息系統(tǒng)可以包含所有的功能域，也可能是其中幾個，還可以是單獨(dú)一個功能域，每個功能域都是相對獨(dú)立、完整的系統(tǒng)。當(dāng)然，實際的業(yè)務(wù)系統(tǒng)會根據(jù)應(yīng)用特色，刪減或修改功能域中的某些細(xì)節(jié)性技術(shù)，但這不會影響工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的整體結(jié)構(gòu)。

　　(1) 控制域

　　控制域整體部署在物聯(lián)網(wǎng)邊緣，貼近實物和環(huán)境，在物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)之中處于邊緣位置?？刂朴虬ǎ?/p>

　　感測，是傳感器對設(shè)備、環(huán)境的感知;

　　驅(qū)動，就是指通過傳遞指令信號，使得設(shè)備上的機(jī)械部件或電路開關(guān)實施規(guī)定動作。此外，向電子標(biāo)簽等存儲設(shè)備注入數(shù)據(jù)也是驅(qū)動的一種類型。

　　交流，是指信息在邊緣網(wǎng)絡(luò)中傳遞。

　　實體抽象可以理解為物的“數(shù)字化”，即物的(狀態(tài)或?qū)傩?實體信息由統(tǒng)一、規(guī)范、有實際意義的數(shù)據(jù)(即數(shù)字化信息)來表示，這樣上層系統(tǒng)就可以解讀感測信息、改寫設(shè)備狀態(tài)(驅(qū)動)。實體抽象是物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的橋梁，完成虛擬和現(xiàn)實相互間的映射。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，“數(shù)字化”的狹義理解就是“實體抽象”。

　　建模，是對物理世界的系統(tǒng)性描述(包括對單一事物的分析和預(yù)測能力)。建模的對象可以是生產(chǎn)設(shè)備(例如通過采集大量的設(shè)備狀態(tài)信息，來預(yù)測設(shè)備的隱性故障)，也可以是外部環(huán)境(例如機(jī)器乒乓球手，通過視頻中的乒乓球軌跡，來判斷球的落點(diǎn))。建模的數(shù)據(jù)源來自下層的“實體抽象”。復(fù)雜的建模需要融合高深的行業(yè)技術(shù)知識，并通過高等計算(人工智能到等)來實現(xiàn)。

　　執(zhí)行者通過對控制目標(biāo)的解讀，按照自有的控制邏輯，實施一系列的操作(向驅(qū)動和感測傳達(dá)指令)。執(zhí)行者具有自主性，具有一定的決策權(quán)和智能，可以動態(tài)、靈活地完成任務(wù)。當(dāng)然，對于一些特別重要或簡單的控制目標(biāo)，執(zhí)行者會不經(jīng)過邏輯判斷，直接執(zhí)行。

　　整個控制域?qū)崿F(xiàn)了(控制)目標(biāo)和(物理)行為的統(tǒng)一。

　　(2)操作域

　　操作域是對控制域系統(tǒng)的集中化運(yùn)營，它可以遠(yuǎn)離控制域，實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)管。操作域主要的職責(zé)包括：

　　為功能(組件)的實現(xiàn)，調(diào)配和部署資源并進(jìn)行相應(yīng)管理。

　　為保證功能的健壯性，操作域還需要具備監(jiān)測和診斷分析的能力：通過分析系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，來評估系統(tǒng)的健康，針對系統(tǒng)故障、性能下降等問題，及時上報或預(yù)警。

　　操作域除了“反應(yīng)式”的運(yùn)營方式外(出現(xiàn)告警后再處理)，還需要支持預(yù)測和優(yōu)化：預(yù)測故障和系統(tǒng)瓶頸，在故障和問題發(fā)生前處理(預(yù)測性維護(hù));掌控各類資源的利用率和下層系統(tǒng)設(shè)備的情況，通過調(diào)整資源分配來實現(xiàn)生產(chǎn)優(yōu)化(例如動態(tài)地關(guān)閉一些空載運(yùn)行的機(jī)器，來節(jié)省工廠的電力消耗)

　　在預(yù)測分析方面，操作域需要信息域的幫助，以彌補(bǔ)他可能在計算能力上的不足。

　　(3) 信息域

　　從不同的域中采集信息，并將這些大量的異構(gòu)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、建模、存儲，最終實現(xiàn)高級分析的功能(分析系統(tǒng)瓶頸或預(yù)測產(chǎn)業(yè)鏈趨勢)。

　　信息域具備的數(shù)據(jù)處理能力包括：

　　采集(匯集)傳感器和操作狀態(tài)的海量數(shù)據(jù)

　　數(shù)據(jù)質(zhì)量管理(數(shù)據(jù)過濾、去重、挑揀垃圾數(shù)據(jù))

　　(異構(gòu))數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

　　語義化處理(在原始數(shù)據(jù)中注入備注信息，關(guān)聯(lián)其它數(shù)據(jù)集等，比如位置信息、時序信息等)

　　存儲和數(shù)據(jù)持久化(data persistence，內(nèi)存數(shù)據(jù)模型和存儲模型的相互轉(zhuǎn)換)

　　數(shù)據(jù)分發(fā)處理(包括流分析處理-streaming analytic processing)

　　控制域也有數(shù)據(jù)采集和建模的能力，但主要是用于即時的計算、實時的反饋、連續(xù)的操作，其關(guān)注點(diǎn)在于設(shè)備的“物理行為”。信息域的建模主要是用于“后計算”的，即通過大數(shù)據(jù)分析、智能預(yù)測，制定一個長期的優(yōu)化目標(biāo)，并通過調(diào)整控制域的執(zhí)行策略，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的性能提升。

　　信息域?qū)刂朴蚓哂?ldquo;引導(dǎo)”作用，如果將控制域看做“生產(chǎn)者”，那么信息域就是“管理者”。

　　(4)應(yīng)用域

　　應(yīng)用域是所有“功能(function)”(也稱之為“函數(shù)”)的集合，包含對“控制域”進(jìn)行操作的功能。功能在應(yīng)用域中表示為一個個相對獨(dú)立的應(yīng)用程序，業(yè)務(wù)則是多個應(yīng)用程序的系統(tǒng)性組合。雖然在軟件應(yīng)用的底層代碼中也有“功能(函數(shù))”的概念，但應(yīng)用域所指的“功能”是高度抽象(語義化)和復(fù)雜的邏輯程序，它可以包含一組協(xié)同的物理操作或一系列流程化的數(shù)據(jù)處理行為。

　　操作功能發(fā)出的操作請求并不是無條件執(zhí)行的，它必須接受控制域的條件約束，例如違反作業(yè)安全的操作指令會被控制域“拒絕”。

　　(5) 業(yè)務(wù)域

　　業(yè)務(wù)域即是企業(yè)各類的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，例如：企業(yè)資源管理(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、人力資源管理系統(tǒng)(例如人力資源的共享中心)、項目管理系統(tǒng)等等。這些信息業(yè)務(wù)是通過完整的一套軟件程序來實現(xiàn)閉環(huán)的業(yè)務(wù)流程，也被稱為：實現(xiàn)“端到端”的操作流程，例如用戶從客戶端到電商平臺(服務(wù)端)下訂單購買商品。

　　2.執(zhí)行視角

　　功能視角作為頂層技術(shù)架構(gòu)，本質(zhì)上是從工業(yè)領(lǐng)域的整體視角看待工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)，而執(zhí)行視角則是從“具體實現(xiàn)”的視角看待工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，它其實屬于功能視角的一個基礎(chǔ)部分，不過以作者看來，“實現(xiàn)”的本質(zhì)就是物理信息和虛擬信息的相互轉(zhuǎn)換，所以執(zhí)行視角所展示的功能拓?fù)淇雌饋砀褚环N“服務(wù)于信息的組網(wǎng)和計算方式”，其強(qiáng)調(diào)了協(xié)議、接口，以及系統(tǒng)動作、設(shè)備狀態(tài)的信息化映射。對于通信領(lǐng)域的人士來說就很容易讀懂執(zhí)行視角之下的架構(gòu)，而且能夠和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行對應(yīng)。

　　(1)三層架構(gòu)

　　執(zhí)行視角下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分為三個基本層級：邊緣層、平臺層、企業(yè)層，它們分別對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和功能特性。

　　邊緣層收集各類設(shè)備數(shù)據(jù)并匯總轉(zhuǎn)發(fā)至平臺層，或由平臺層反向發(fā)送數(shù)據(jù)(例如操作指令)至邊緣層中的設(shè)備。

　　平臺層，一方面具有設(shè)備和資產(chǎn)的管理監(jiān)控功能，可以向上層應(yīng)用(企業(yè)層)提供這些能力。另一方面，它可以接受并執(zhí)行企業(yè)層下達(dá)的操作指令：數(shù)據(jù)分析、信息查詢或控制設(shè)備運(yùn)作。平臺層整合了工業(yè)領(lǐng)域中的各類信息能力，并形成具有開放性的服務(wù)系統(tǒng)。

　　企業(yè)層，就是行業(yè)應(yīng)用層。它可以是商業(yè)決策系統(tǒng)，也可以是提供給外部用戶的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，還可以是給內(nèi)部運(yùn)營人員用于產(chǎn)品質(zhì)量分析的軟件應(yīng)用。它可以從平臺層獲取大量的底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也可以通過平臺層控制海量的設(shè)備，但它并不“關(guān)心”這些功能(查詢、操控)具體是如何實現(xiàn)的，它只負(fù)責(zé)高層應(yīng)用的邏輯實現(xiàn)。

　　(2)三層網(wǎng)絡(luò)

　　在三層架構(gòu)模式之中存在三層網(wǎng)絡(luò)：鄰接網(wǎng)絡(luò)(Proximity Network)、接入網(wǎng)絡(luò)(Access Network)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(Service Network)

　　鄰接網(wǎng)絡(luò)，通過一定數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)連接一定區(qū)域范圍內(nèi)的邊緣節(jié)點(diǎn)(包括傳感器、驅(qū)動器、設(shè)備、資產(chǎn)、控制系統(tǒng)和邊緣服務(wù))，并且在區(qū)域內(nèi)形成局部網(wǎng)絡(luò)。鄰接網(wǎng)絡(luò)可以理解為物聯(lián)網(wǎng)的邊緣網(wǎng)絡(luò)，不過它更強(qiáng)調(diào)了在一個場景化的空間范圍內(nèi)。

　　接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資產(chǎn)、終端、設(shè)備連接到平臺層的網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)絡(luò)可以是企業(yè)專網(wǎng)，也可以是商用的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，例如4G LTE網(wǎng)絡(luò)。所有終端都需要通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

　　服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)平臺層和企業(yè)層連接。它可以是互聯(lián)網(wǎng)，也可以是運(yùn)營商的移動網(wǎng)絡(luò)，或是企業(yè)私有網(wǎng)絡(luò)，還可以是建立在各種網(wǎng)絡(luò)之上的虛擬專線網(wǎng)絡(luò)。其實，企業(yè)系統(tǒng)之間的互聯(lián)也可以通過服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。