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何為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)？從四個視角深度解讀！

點擊：  作者：佚名    來源：國脈物聯(lián)網(wǎng)  發(fā)布時間:2018-05-15 10:30:46

 

        德國工業(yè)4.0如火如荼，中國也推出了“中國制造2025”、“智能制造”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略規(guī)劃。“中國智造”成為未來制造企業(yè)的發(fā)展方向。 然而，傳統(tǒng)的計算模式、工廠網(wǎng)絡模式已經(jīng)無法滿足“智能制造”對于運算速度、數(shù)據(jù)交互速度、數(shù)據(jù)即時性、M2M等方面的要求。經(jīng)過多年的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已被業(yè)界廣泛理解和接受，但在企業(yè)應用層面可以為企業(yè)帶來哪些提升，在具體應用和整體運營管理模式上可以帶來哪些變化，仍然值得業(yè)界探討。

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，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)），基于各類應用，進行生態(tài)體系的研究，并通過簡化方式對系統(tǒng)架構進行解釋，便于各領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、技術工程師、產(chǎn)品經(jīng)理等。在工業(yè)4.0中也有大量內容關于對“勞動者（人）”的調研和闡述，但主要是從社會學、人力資源管理學進行整體性的思考。

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）”的結構（有些文章中也稱之為“組件”）。

1.業(yè)務視角（Business Viewpoint）

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的搭建中，業(yè)務視角關注于識別利益相關者的商業(yè)視野、價值觀和目標。相關人員（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。

2. 應用視角（Usage Viewpoint）

應用視角定位于可靠、復雜的系統(tǒng)應用（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，并將其拼裝成成熟的商業(yè)應用。

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），以支持上層應用組件的運行。功能視角主要研究模塊之間的關聯(lián)關系、組合結構、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)境的關聯(lián)關系。

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

執(zhí)行視角主要關注的是功能視角中的信息技術元素，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）關注于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最基本、核心的技術架構，功能（視角）在執(zhí)行視角的技術架構上搭建，使得多個應用（視角）能夠協(xié)同工作，并實現(xiàn)業(yè)務的完整交付。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)認為，工業(yè)領域的控制系統(tǒng)（ICS）已經(jīng)能夠實現(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”、明確的邏輯運算，向執(zhí)行器發(fā)布指令信號，從而由設備上的機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計，使得自動化設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計并調整系統(tǒng)，這有可能需要啟動一個生產(chǎn)線的“精益”項目。

要適應生產(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用的調配和指揮，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”主要是構建信息流的通道。在“執(zhí)行視角”中的獨立設備和系統(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)進行查詢、訪問、調用、關停等。

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，它更關心的是資金、客戶關系、供應鏈、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、行業(yè)技術的角度來看生產(chǎn)活動，它聚焦于如何調配計算資源、如何傳遞信息、如何操作設備、系統(tǒng)的維護和運營、技術構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)，關注于它的“有機性”。

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

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”，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與工業(yè)技術之間的關系。就目前來看，工業(yè)4.0的架構思路傾向于將信息技術進行改進和疊加。相對而言，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則更關注未來工業(yè)系統(tǒng)的重構，使得信息和工業(yè)深度、有機的融合。

1.功能視角

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對工業(yè)領域和信息領域的技術進行了融合，并定義和劃分相應的功能模塊，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：功能域模型。

功能域模型由五個基礎的功能域組成。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，還可以是單獨一個功能域，每個功能域都是相對獨立、完整的系統(tǒng)。當然，實際的業(yè)務系統(tǒng)會根據(jù)應用特色，刪減或修改功能域中的某些細節(jié)性技術，但這不會影響工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的整體結構。

（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)結構之中處于邊緣位置。控制域包括：

感測，是傳感器對設備、環(huán)境的感知；

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

交流，是指信息在邊緣網(wǎng)絡中傳遞。

實體抽象可以理解為物的“數(shù)字化”，即物的（狀態(tài)或屬性）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、改寫設備狀態(tài)（驅動）。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。建模的對象可以是生產(chǎn)設備，也可以是外部環(huán)境。建模的數(shù)據(jù)源來自下層的“實體抽象”。復雜的建模需要融合高深的行業(yè)技術知識，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的解讀，按照自有的控制邏輯，實施一系列的操作（向驅動和感測傳達指令）。執(zhí)行者具有自主性，具有一定的決策權和智能，可以動態(tài)、靈活地完成任務。當然，對于一些特別重要或簡單的控制目標，執(zhí)行者會不經(jīng)過邏輯判斷，直接執(zhí)行。

整個控制域實現(xiàn)了（控制）目標和（物理）行為的統(tǒng)一。

（2）         操作域

操作域是對控制域系統(tǒng)的集中化運營，它可以遠離控制域，實現(xiàn)遠程的監(jiān)管。操作域主要的職責包括：

為功能（組件）的實現(xiàn)，調配和部署資源并進行相應管理。

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)的關鍵性能指標，來評估系統(tǒng)的健康，針對系統(tǒng)故障、性能下降等問題，及時上報或預警。

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

在預測分析方面，操作域需要信息域的幫助，以彌補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信息進行轉換、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)質量管理（數(shù)據(jù)過濾、去重、挑揀垃圾數(shù)據(jù)）

（異構）數(shù)據(jù)格式轉換

語義化處理（在原始數(shù)據(jù)中注入備注信息，關聯(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，內存數(shù)據(jù)模型和存儲模型的相互轉換）

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，其關注點在于設備的“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、智能預測，制定一個長期的優(yōu)化目標，并通過調整控制域的執(zhí)行策略，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的性能提升。

信息域對控制域具有“引導”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）應用域

應用域是所有“功能（function）”（也稱之為“函數(shù)”）的集合，包含對“控制域”進行操作的功能。功能在應用域中表示為一個個相對獨立的應用程序，業(yè)務則是多個應用程序的系統(tǒng)性組合。雖然在軟件應用的底層代碼中也有“功能（函數(shù)）”的概念，但應用域所指的“功能”是高度抽象（語義化）和復雜的邏輯程序，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)務域

業(yè)務域即是企業(yè)各類的業(yè)務系統(tǒng)，例如：企業(yè)資源管理（ERP）、客戶關系管理（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)務是通過完整的一套軟件程序來實現(xiàn)閉環(huán)的業(yè)務流程，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（服務端）下訂單購買商品。

2.執(zhí)行視角

功能視角作為頂層技術架構，本質上是從工業(yè)領域的整體視角看待工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術架構，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部分，不過以作者看來，“實現(xiàn)”的本質就是物理信息和虛擬信息的相互轉換，所以執(zhí)行視角所展示的功能拓撲看起來更像一種“服務于信息的組網(wǎng)和計算方式”，其強調了協(xié)議、接口，以及系統(tǒng)動作、設備狀態(tài)的信息化映射。對于通信領域的人士來說就很容易讀懂執(zhí)行視角之下的架構，而且能夠和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構進行對應。

（1）三層架構

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，它們分別對應不同的網(wǎng)絡和功能特性。

邊緣層收集各類設備數(shù)據(jù)并匯總轉發(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）至邊緣層中的設備。

平臺層，一方面具有設備和資產(chǎn)的管理監(jiān)控功能，可以向上層應用（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)層下達的操作指令：數(shù)據(jù)分析、信息查詢或控制設備運作。平臺層整合了工業(yè)領域中的各類信息能力，并形成具有開放性的服務系統(tǒng)。

企業(yè)層，就是行業(yè)應用層。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備監(jiān)控系統(tǒng)，還可以是給內部運營人員用于產(chǎn)品質量分析的軟件應用。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備，但它并不“關心”這些功能（查詢、操控）具體是如何實現(xiàn)的，它只負責高層應用的邏輯實現(xiàn)。

（2）三層網(wǎng)絡

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

鄰接網(wǎng)絡，通過一定數(shù)量的轉發(fā)節(jié)點連接一定區(qū)域范圍內的邊緣節(jié)點（包括傳感器、驅動器、設備、資產(chǎn)、控制系統(tǒng)和邊緣服務），并且在區(qū)域內形成局部網(wǎng)絡。鄰接網(wǎng)絡可以理解為物聯(lián)網(wǎng)的邊緣網(wǎng)絡，不過它更強調了在一個場景化的空間范圍內。

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

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

在美國GE發(fā)布的相關白皮書中，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用范疇是有明確的界定的。GE公司發(fā)表的白皮書中指出，Industrial Internet是要延展機器與人的邊界。這篇白皮書中描述的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心要素包括：智能機器、高級分析和工作中的人。實質上，還是強調通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通機器、產(chǎn)品和人，從而提升企業(yè)的設備健康狀態(tài)和生產(chǎn)績效，實現(xiàn)預測性維護，最大限度地降低意外宕機，實現(xiàn)能源高效利用等。相比而言，我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)表的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構白皮書中，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的詮釋似乎過于寬泛、過于復雜。該白皮書認為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)融合將帶來四方面的智能化提升。實際上網(wǎng)絡化協(xié)同和個性化定制，屬于一種制造業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)的應用，但不應當屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（準確來說是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）的范疇。 

因此，通過上面論述，我認為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應當有其具體的內涵與外延，其實質還是應當聚焦物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)的應用，而不應過于泛化，不能什么東西都往里面裝。服務商也不應把什么云平臺都叫做工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以免誤導用戶。建議未來還是將名詞術語統(tǒng)一到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，或者物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)應用。