工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參考架構(gòu)、核心功能與應(yīng)用價(jià)值研究

李 君 ，邱君降，竇克勤

（國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京 100040）

0 引言

當(dāng)前，全球制造業(yè)正從數(shù)字化階段向網(wǎng)絡(luò)化階段加速邁進(jìn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)成為全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家行業(yè)龍頭企業(yè)均將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為戰(zhàn)略布局的重要方向，并逐步構(gòu)建自主掌控的平臺(tái)布局能力，如提供資產(chǎn)性能優(yōu)化服務(wù)的通用電氣-Predix、基于云開(kāi)放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的西門子-MindSphere等標(biāo)桿性平臺(tái)。我國(guó)制造業(yè)龍頭企業(yè)、ICT領(lǐng)先企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)主導(dǎo)企業(yè)基于各自優(yōu)勢(shì)，紛紛加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)布局，如樹(shù)根互聯(lián)-根云、海爾-COSMOPlat、航天云網(wǎng)-INDICS、阿里云-ET工業(yè)大腦、華為-OceanConnect IoT、東方國(guó)信-BIOP、和利時(shí)-HiaCloud等。總體來(lái)看，我國(guó)具備加快建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)，但在技術(shù)突破、平臺(tái)應(yīng)用水平、行業(yè)覆蓋范圍以及生態(tài)構(gòu)建等方面仍需縮短與國(guó)際先進(jìn)平臺(tái)之間的差距。

圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的參考架構(gòu)、功能和價(jià)值，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的學(xué)者紛紛展開(kāi)研究，形成了一系列研究成果。如美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）提出了包括邊緣層、平臺(tái)層、企業(yè)層的平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)，并提出平臺(tái)在位置感知、通信范式、計(jì)算分配、通用資源管理等方面的功能要求[1]；Jasmin Guth等人聚焦物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建包括傳感器和執(zhí)行器、工業(yè)設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)集成中間件及應(yīng)用等通用架構(gòu)[2]；國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心對(duì)20余家國(guó)內(nèi)外主流工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比分析，闡述平臺(tái)作用機(jī)理和發(fā)展路徑，并提出我國(guó)發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的對(duì)策建議[3-5]；我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)，論述了平臺(tái)在推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、催生新型產(chǎn)業(yè)體系等方面的作用[6]；王喜文通過(guò)解析通用電氣Predix平臺(tái)和西門子MindSphere平臺(tái)的核心功能和運(yùn)營(yíng)定位，提出了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的“協(xié)聯(lián)網(wǎng)”的制造網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想[7]；李廣乾認(rèn)為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是一種新興制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，較傳統(tǒng)制造業(yè)相比，呈現(xiàn)出具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、改變分工格局、打造平臺(tái)化生態(tài)等重要特點(diǎn)[8]；王峰從服務(wù)對(duì)象、主攻方向等視角出發(fā)，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)劃分為資產(chǎn)優(yōu)化平臺(tái)、資源配置平臺(tái)、通用使能平臺(tái)等三種類型，并分別論述了各類平臺(tái)對(duì)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用價(jià)值[9]。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基本框架

總體看來(lái)，已有研究大多是在分析國(guó)內(nèi)外典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，討論平臺(tái)架構(gòu)、功能和應(yīng)用價(jià)值，但平臺(tái)架構(gòu)及核心功能尚未形成統(tǒng)一認(rèn)知，且在建設(shè)運(yùn)營(yíng)參與主體、開(kāi)放價(jià)值生態(tài)等方面存在一定局限性。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參考架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上提出平臺(tái)應(yīng)具備的核心功能及其在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、社會(huì)資源配置、工業(yè)知識(shí)創(chuàng)新等方面的應(yīng)用價(jià)值。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的參考架構(gòu)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)是面向制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化需求的開(kāi)放式、專業(yè)化服務(wù)平臺(tái)，以工業(yè)思維和能力與IT思維和能力的集成、融合、創(chuàng)新為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)全要素泛在連接、彈性供給、高效配置，是加速制造業(yè)創(chuàng)新體系和發(fā)展模式轉(zhuǎn)變的重要引擎。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基本框架由基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）、平臺(tái)層（PaaS）、應(yīng)用層（SaaS）三大層級(jí)構(gòu)成，如圖1、圖2所示。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）

基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的運(yùn)行基礎(chǔ)，由IT基礎(chǔ)設(shè)施提供商為平臺(tái)建設(shè)與運(yùn)營(yíng)提供虛擬化的計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源、存儲(chǔ)資源，為平臺(tái)層（PaaS）、應(yīng)用層（SaaS）的功能運(yùn)行、能力構(gòu)建及服務(wù)供給提供高性能的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等云基礎(chǔ)設(shè)施。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)及其創(chuàng)新生態(tài)

1.2 平臺(tái)層（PaaS）

平臺(tái)層（PaaS）是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的核心，由平臺(tái)建設(shè)運(yùn)營(yíng)主體、各類微服務(wù)組件提供商、邊緣解決方案提供商等共同建設(shè)，提供應(yīng)用全生命周期服務(wù)環(huán)境與工具、微服務(wù)發(fā)布及調(diào)用環(huán)境與工具、工業(yè)微服務(wù)庫(kù)、IT微服務(wù)庫(kù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)管理、開(kāi)放資源接入與管理等功能，依托組件化的微服務(wù)、強(qiáng)大的大數(shù)據(jù)處理能力、高效的資源接入與管理、開(kāi)放的開(kāi)發(fā)環(huán)境工具，向下接入海量社會(huì)開(kāi)放資源，向上支撐工業(yè)APP的開(kāi)發(fā)部署與運(yùn)行優(yōu)化，發(fā)揮著類似于“操作系統(tǒng)”的重要作用。

1.3 應(yīng)用層（SaaS）

應(yīng)用層（SaaS）是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的關(guān)鍵，通過(guò)激發(fā)全社會(huì)力量，依托各類開(kāi)發(fā)者基于平臺(tái)提供的環(huán)境工具、資源與能力，圍繞特定應(yīng)用場(chǎng)景形成一系列工業(yè)APP，類型可包括品生命周期管理/經(jīng)營(yíng)管控/產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營(yíng)等各類典型場(chǎng)景的通用APP、行業(yè)級(jí)APP、企業(yè)級(jí)定制APP等，通過(guò)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模型、技術(shù)、數(shù)據(jù)、資源等軟件化、模塊化、平臺(tái)化、通用化，加速工業(yè)知識(shí)復(fù)用和創(chuàng)新。各類工業(yè)APP的大規(guī)模應(yīng)用將有效促進(jìn)社會(huì)資源的優(yōu)化配置，加快構(gòu)建基于平臺(tái)的開(kāi)放創(chuàng)新生態(tài)。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的核心功能

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)具備分布式IT資源調(diào)度與管理，工業(yè)資源泛在連接與優(yōu)化配置，工業(yè)大數(shù)據(jù)管理與挖掘，微服務(wù)供給、管理與迭代優(yōu)化，覆蓋工業(yè)APP全生命周期的環(huán)境與工具服務(wù)，以及良性循環(huán)創(chuàng)新生態(tài)構(gòu)建等六個(gè)方面的核心功能。具體說(shuō)明如下。

2.1 分布式IT資源調(diào)度與管理

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)建立IT軟硬件的異構(gòu)資源池并提供高效的資源調(diào)度與管理服務(wù)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)IT能力平臺(tái)化，大幅降低企業(yè)信息化建設(shè)成本，加速企業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，推動(dòng)核心業(yè)務(wù)向云端遷移，為運(yùn)營(yíng)技術(shù)（Operational Technology，縮寫(xiě)為OT）和IT的融合和創(chuàng)新應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。一是應(yīng)通過(guò)購(gòu)買、租用、共建共享等方式，建設(shè)分布式云基礎(chǔ)設(shè)施（IaaS），通過(guò)虛擬化實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等IT資源的池化、統(tǒng)一管理。二是應(yīng)提供IT基礎(chǔ)資源調(diào)度與管理服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)云基礎(chǔ)設(shè)施的動(dòng)態(tài)均衡調(diào)度，并按用戶實(shí)際需求提供彈性擴(kuò)容、多租戶資源隔離與按需計(jì)費(fèi)等服務(wù)。

2.2 工業(yè)資源泛在連接與優(yōu)化配置

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)全面推動(dòng)“人機(jī)物法環(huán)”等工業(yè)資源的數(shù)據(jù)化、模型化，通過(guò)制造能力的平臺(tái)化支撐全社會(huì)制造資源的動(dòng)態(tài)配置。一是應(yīng)通過(guò)在邊緣側(cè)部署邊緣處理解決方案，接入并廣泛匯聚異布的專業(yè)技術(shù)人員技能、設(shè)備設(shè)施、產(chǎn)品及原材料、工控系統(tǒng)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)等各類工業(yè)資源。二是應(yīng)將物理世界的資源要素在信息空間進(jìn)行全要素重建，形成工業(yè)資源的數(shù)字孿生。三是應(yīng)可將數(shù)據(jù)化、模型化的工業(yè)資源進(jìn)行加工、組合、優(yōu)化，形成模塊化的制造能力，并通過(guò)對(duì)工業(yè)資源基礎(chǔ)管理、動(dòng)態(tài)調(diào)度、優(yōu)化配置等服務(wù)，促進(jìn)制造能力的在線交易、動(dòng)態(tài)配置、共享利用。工業(yè)資源的連接與調(diào)用過(guò)程如圖3所示。

圖3 基于平臺(tái)的工業(yè)資源連接與優(yōu)化配置

2.3 工業(yè)大數(shù)據(jù)管理與挖掘

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)具備海量工業(yè)數(shù)據(jù)匯聚共享、價(jià)值挖掘能力，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)加速構(gòu)建工業(yè)知識(shí)體系。一是應(yīng)提供海量、多源、異構(gòu)工業(yè)大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、清洗、分級(jí)存儲(chǔ)、分析挖掘、可視化處理等功能，支撐海量數(shù)據(jù)的匯聚利用和核心價(jià)值挖掘。二是應(yīng)通過(guò)人機(jī)智能融合支持各參與主體快速將工業(yè)與IT技術(shù)、知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、方法快速封裝為微服務(wù)及微組件，并基于平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布、調(diào)用運(yùn)行、持續(xù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)各參與主體知識(shí)的復(fù)用、傳播、提升，形成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、持續(xù)迭代的工業(yè)知識(shí)體系。基于工業(yè)大數(shù)據(jù)管理構(gòu)建微服務(wù)及微組件的過(guò)程如圖4所示。

圖4 基于工業(yè)大數(shù)據(jù)管理的微服務(wù)及微組件構(gòu)建

2.4 微服務(wù)供給、管理與迭代優(yōu)化

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)提供微服務(wù)的供給、管理與迭代優(yōu)化功能，一是支持各類微服務(wù)組件提供商，圍繞“人機(jī)物法環(huán)”等方面，快速構(gòu)建人員技能、設(shè)備/產(chǎn)品、生產(chǎn)資源、標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)、工業(yè)環(huán)境等一系列高度解耦、可復(fù)用的工業(yè)微服務(wù)及微組件，以及數(shù)據(jù)庫(kù)、通用算法、中間件等方面的IT微服務(wù)及微組件。二是應(yīng)支持平臺(tái)建設(shè)運(yùn)營(yíng)主體對(duì)各類微服務(wù)及微組件進(jìn)行認(rèn)證、注銷等基礎(chǔ)管理，并結(jié)合工業(yè)APP的運(yùn)行需求實(shí)現(xiàn)微服務(wù)及微組件的快速發(fā)現(xiàn)、編排與調(diào)用。三是支持各類微服務(wù)組件提供商結(jié)合工業(yè)微服務(wù)及微組件、IT微服務(wù)及微組件的使用情況，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)迭代優(yōu)化。基于平臺(tái)進(jìn)行微服務(wù)發(fā)布與迭代優(yōu)化的過(guò)程如圖5所示。

圖5 基于平臺(tái)的微服務(wù)發(fā)布調(diào)用與迭代優(yōu)化

2.5 覆蓋工業(yè)APP全生命周期的環(huán)境與工具服務(wù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)構(gòu)建開(kāi)發(fā)者社區(qū)，匯聚工業(yè)、IT、通信等領(lǐng)域的各類開(kāi)發(fā)者，并提供覆蓋工業(yè)APP全生命周期的環(huán)境與工具服務(wù)，支持各類工業(yè)APP的開(kāi)發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證、部署與運(yùn)行優(yōu)化，為企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供可用好用的工業(yè)APP。具體而言，平臺(tái)一方面應(yīng)提供方便易用的工業(yè)APP開(kāi)發(fā)、測(cè)試驗(yàn)證、仿真、部署等應(yīng)用開(kāi)發(fā)與部署環(huán)境與工具，充分賦能各類開(kāi)發(fā)者，快速將其掌握的工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和最佳實(shí)踐進(jìn)行模型化、軟件化和再封裝，形成一系列實(shí)用性強(qiáng)的工業(yè)APP。另一方面，應(yīng)提供工業(yè)APP運(yùn)行與優(yōu)化環(huán)境與工具，實(shí)現(xiàn)工業(yè)APP的運(yùn)行與調(diào)度，并結(jié)合應(yīng)用情況對(duì)工業(yè)APP進(jìn)行迭代優(yōu)化。工業(yè)APP開(kāi)發(fā)與運(yùn)行優(yōu)化過(guò)程如圖6所示。

2.6 良性循環(huán)創(chuàng)新生態(tài)構(gòu)建

圖6 基于平臺(tái)的工業(yè)APP全生命周期管理

除了以上五項(xiàng)核心功能，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)具備創(chuàng)新生態(tài)構(gòu)建能力，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、跨界合作，打通技術(shù)和專業(yè)壁壘，共享數(shù)據(jù)資源，形成新型制造業(yè)創(chuàng)新生態(tài)。具體而言，應(yīng)以平臺(tái)建設(shè)運(yùn)營(yíng)商為主導(dǎo)，通過(guò)建立一套實(shí)現(xiàn)資源共享、動(dòng)態(tài)協(xié)作的價(jià)值分享機(jī)制，廣泛匯聚IT基礎(chǔ)設(shè)施提供商、微服務(wù)組件提供商、邊緣解決方案提供商、工業(yè)資源擁有方、數(shù)據(jù)資源擁有方、工業(yè)APP開(kāi)發(fā)者、工業(yè)APP用戶等，形成需求與供給高效精準(zhǔn)匹配、應(yīng)用與服務(wù)持續(xù)迭代、多方共生共贏的良性發(fā)展生態(tài)，如圖7所示。

圖7 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的創(chuàng)新生態(tài)

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用價(jià)值

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在充分發(fā)揮其核心功能的基礎(chǔ)上，可為降低企業(yè)信息化成本、優(yōu)化全社會(huì)資源配置、加速工業(yè)知識(shí)創(chuàng)新等提供有利契機(jī)。

通過(guò)IT資源的池化管理與彈性分配，降低企業(yè)信息化成本。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供分布式IT資源及其調(diào)度管理服務(wù)，通過(guò)對(duì)IT資源進(jìn)行池化管理，構(gòu)建靈活簡(jiǎn)便的資源域，滿足對(duì)資源的分級(jí)分域調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)資源的集約化管理與使用，有效契合企業(yè)的信息化需求，極大降低其軟硬件投入成本及信息化進(jìn)入門檻，推動(dòng)企業(yè)信息化水平快速提升。

【】【】

通過(guò)制造能力的在線交易和按需匹配，優(yōu)化社會(huì)資源配置。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)廣泛連接工業(yè)資源、構(gòu)建資源的數(shù)字孿生、形成模塊化的制造能力、促進(jìn)制造能力的供需對(duì)接，帶來(lái)全社會(huì)資源的網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)配置，引導(dǎo)企業(yè)、行業(yè)、區(qū)域間制造能力互補(bǔ)，形成制造能力社會(huì)化共享的良好格局。

通過(guò)模塊化的方法工具和開(kāi)放的價(jià)值生態(tài)，加速工業(yè)知識(shí)創(chuàng)新。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過(guò)創(chuàng)新商業(yè)模式賦能平臺(tái)各參與方，提升各類創(chuàng)新主體理解、掌握和運(yùn)用各類工業(yè)知識(shí)的能力，大幅降低創(chuàng)新門檻和創(chuàng)新成本，讓海量用戶企業(yè)、開(kāi)發(fā)者成為工業(yè)知識(shí)創(chuàng)造的主體，推動(dòng)工業(yè)知識(shí)加速創(chuàng)新、快速迭代，并推動(dòng)工業(yè)知識(shí)在實(shí)踐中的深度應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)擁有完備的工業(yè)體系、創(chuàng)新引領(lǐng)的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)、龐大的專業(yè)人才隊(duì)伍、超大規(guī)模的應(yīng)用市場(chǎng)需求，具備加快建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。本文提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)參考架構(gòu)，明確平臺(tái)應(yīng)具備的核心功能及應(yīng)用價(jià)值，將為引導(dǎo)我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)與發(fā)展，促進(jìn)工業(yè)經(jīng)濟(jì)向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型創(chuàng)新體系和發(fā)展模式轉(zhuǎn)變提供有益借鑒。

[1]Industrial internet consortium working committees. The industrial internet of things volume G1:reference architecture[DB/OL].http://www.iiconsortium.org/IIC_PUB_G1_V1.80_2017-01-31.pdf, 2017-01-31.

[2]Guth J,Breitenbücher U, Falkenthal M, et al. A detailed analysis of IoT platform architectures:concepts, similarities, and differences[M].Internet of everything.Springer,Singapore,2018:81-101.

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