基于服務轉型的工業互聯網架構研究

盧光明 郭利

（1.北京信息職業技術學院，北京 100018；2.國家工業信息安全發展研究中心，北京 100040）

一、工業互聯網網絡標準及其技術定位

（一）國家標準發布為工業互聯網建設提供了技術規范

國家標準化管理委員會發布了2022 年第13 號中華人民共和國國家標準公告，批準發布國家標準GB/T 42021-2022《工業互聯網 總體網絡架構》，這是我國工業互聯網網絡領域發布的首個國家標準。《工業互聯網 總體網絡架構》國家標準圍繞工業互聯網網絡規劃、設計、建設和升級改造，規范了工業互聯網工廠內、工廠外網絡架構的目標架構和功能要求，提出了工業互聯網網絡實施框架和安全要求，有助于加快構建高質量的工業互聯網網絡基礎設施，有助于引導全行業全產業的數字化、網絡化、智能化水平提升，對于加速我國產業數字化轉型具有非常重要的意義。

該標準根據三類企業主體的類型，即工業制造企業、工業服務企業和網絡服務企業制定了七類互聯主體的連接方案。七類互聯主體主要包括在制品、智能機器、工廠控制系統、工業信息系統（管理軟件）、在用智能產品、工業互聯網應用以及用戶。對七類互聯主體基于聯系功能的多樣化形成八種互聯類型，即智能機器與工廠控制系統的互聯、在制品與智能機器之間的互聯、在制品與管理軟件的互聯、智能機器與智能機器的互聯、工廠控制系統與工業信息系統（管理軟件）的互聯、工業信息系統（管理軟件）與用戶的互聯、工業信息系統（管理軟件）與協作平臺的互聯、智能產品與工廠的互聯[1]。這些互聯類型可以抽象為包括設計能力、生產能力、商業能力以及為用戶服務的復雜網絡結構能力等的能力要求，如圖1 所示。

圖1 GB/T 42021—2022《工業互聯網 總體網絡架構》架構圖

（二）工業互聯網網絡框架的技術定位及其前提假設

工業互聯網網絡框架從工業互聯網要素的層面，細致地描述和定義了工業互聯網的網絡連接框架，而且重點從網絡互連和數據互通的角度構建起了整個工業互聯網的標準化體系。而在應用層面，則通過接入各種工業軟件、工業APP 等應用系統，對生產系統進行實時控制、運動控制、生產管理、辦公應用，對在制品、生產設備、生產環境、操作人員等進行監控和管理，實現智能工廠、智能產品的構建，建立起與用戶、生產分支機構、主要供應商等外部主要干系人的緊密互動和同步協作。

因此，該標準隱含如下幾個前提假設：第一，工業互聯網首先是一個相對技術性的活動，能夠從技術角度定義和把握工業互聯網技術的應用和發展；第二，數據應用是工業互聯網應用的基礎，數據智能是工業互聯網應用中應該特別強調的技術重點；第三，連接是工業互聯網的技術核心，保證生產系統各要素的充分、有效連接是工業互聯網建設的重點。因此，該標準規定了各種各樣的連接技術標準和規范，具有很強的技術導向性，而對企業業務則很少涉及。

（三）工業互聯網建設需要與企業具體業務發展對接

總體來說，該標準主要是以工業互聯網的技術應用為核心構建的技術應用標準，與企業的具體業務特征以及企業管理與業務總體的服務化轉型趨勢結合較少。而事實上，在具體實踐中這樣的業務轉型趨勢以及企業業務的具體轉型才是影響企業工業互聯網總體規劃、分步實施的戰略關鍵。工業互聯網系統架構的科學制定、工業互聯網系統各部分邏輯關系的確定以及工業互聯網的具體架構設計、選型和實施策略選擇等因素，對企業實施工業互聯網的目標和內容進行整體規劃、全面系統地指導企業工業互聯網的階段性發展進程、協調工業互聯網技術的綜合應用、及時地滿足企業業務轉型發展的需要都具有重要的作用。工業互聯網技術需要依據企業的業務轉型來展開，只有這樣才可以有效利用企業的資源，促進企業戰略目標的實現，滿足企業可持續發展的需要。

事實上，在具體的實踐活動中企業需要從生產企業服務化轉型的大背景下來理解工業互聯網的實施，必須緊密結合生產企業服務化轉型的業務和管理需求，才能夠有效地指導工業互聯網應用的具體實施，找到工業互聯網技術具體的實施路徑。工業互聯網是生產企業實現個性化定制等服務轉型的必要技術手段，因此不僅需要從技術角度來考慮工業互聯網的架構，而且還需要從生產企業服務化轉型的角度來設計服務型的工業互聯網架構，構建起服務化的工業互聯網體系。支持業務發展才是工業互聯網應用和實施的根本，我們相信隨著工業互聯網應用的深入，相關的行業實踐標準也會逐漸成熟，成為企業進行工業互聯網實踐的業務參考，推進工業互聯網技術與商業應用的完美融合。

二、生產企業服務化轉型趨勢及工業互聯網服務架構

（一）生產企業服務化轉型是全球的發展趨勢

服務化轉型早在20 世紀80 年代就已經出現，只是在不同的歷史時期，服務的表現形式與服務的發展程度存在差異。三十多年前，Vandermerwe 和Rada 于1988 年最先提出服務化一詞（the servitization of manufacturing）。當時對其的初步定義是，制造企業由僅僅提供物品或物品與附加服務向“物品—服務包”的轉變，而且這種附加服務會越來越多，甚至超過產品自身的價值本身。

這種完整的“服務包”包括物品、服務、支持、自我服務和知識，并且服務在整個“包”中居于主導地位，是產品增加值的主要來源，也是產品價值創新的重要源泉。1999 年，White 等學者也提出，制造業的服務化就是制造商的角色由物品提供者向服務提供者轉變，并指出這是一種動態的變化過程，企業和產品都可能處于服務化過程之中，并用“servicizing”來一詞來表述服務化，強調制造企業需要隨著消費者服務需求的變化進行調整。相對于產品生產的穩定性，這樣的服務化強調了服務過程的動態性。2000 年，Reiskin 將產品的服務化轉型定義為“企業從以生產產品為中心向以提供服務為中心的轉變”，這就更加強調了企業整體組織結構、運營方式的轉變，要求整個企業從相對穩定的產品生產向服務化轉變，強調了所有生產要素組織和配置方面的全面轉移，尤其是人員結構的轉變、崗位和人員素質要求的轉移[2]。

（二）服務化轉型的層次與結構

2003 年，Szalavetz 提出，制造業的服務化轉型具有兩層含義。首先是企業內部資源分配和調度概念的首次提出，認為制造企業的服務化轉型首先是內部資源組織的服務化轉型，傳統制造企業由原先的基于制造的專業化分工向基于部門之間服務協同的專業化分工協作轉型。其次才是與產品相關的對顧客外部服務的提供。沒有組織良好的外部服務就很難實現對顧客外部服務質量的提升。因為，服務化轉型是企業內外部一體化的轉型，不僅是簡單的技術應用，還是企業“由內向外”的整體性、系統性的變革。隨著大數據、人工智能、工業互聯網等技術的應用，制造行業的服務化、層次化和結構化的趨勢更加明顯。

生產制造企業服務化轉型是企業經營管理重心的根本轉變。從根本上來說，制造業的服務化轉型是制造企業將傳統的以制造為中心的思維，轉變為以顧客為中心、以客戶的消費場景為中心，以提供更加完整的物品、服務、知識等支持為核心的商業創新行為。在信息技術的加持下，平臺經濟成為新的產品形態，因此有學者認為服務化就是把既有的實物產品作為各種基于互聯網的工具或接口，從而向顧客提供與物品相關的、更加豐富多樣性的增值服務，同時為制造業的增值服務提供了更多商業和技術發明拓展的可能性。同時，提出制造企業向顧客提供更豐富的服務是服務化演進向更加高級階段發展的基本路徑，也就是說制造企業可能會最終轉變為純粹的服務和解決方案提供商，為消費者提供更加豐富多樣的服務，而不再僅僅是產品銷售[3]。

（三）工業互聯網技術支持的企業服務轉型

充分利用工業互聯網的感知作用、聯結作用、計算作用，賦能企業的生產經營管理，提升企業內外部的協作效率，重塑企業與市場的關系、企業與用戶的關系，實現產業價值鏈的更高效協同，以場景化服務為核心構建工業互聯網的業務價值體系是工業互聯網當下承擔的重要職責，也是工業互聯網技術應用的最大價值。只有這樣才能夠在企業總體發展的框架下衡量每一項工業互聯網技術的應用價值，找到提升工業互聯網經濟發展路徑的方法。

因此，基于企業業務服務化轉型的工業互聯網應以產品的服務化轉型、企業商業模式的服務化轉型，以及企業經營管理的服務化轉型等業務內容為核心和重點來展開，讓技術為企業轉型升級賦能。而且更為重要的是，企業可能根據自身的業務需要，組織和應用不同的工業互聯網技術形態，謀劃工業互聯網的階段性發展重點，制訂根據業務需求建立的工業互聯網階段性節點和具體的發展路徑，安排工業互聯網建設的投入和產出分析架構，衡量每一項技術的投入和可能的產出。圖2 展示了基于服務價值導向的工業互聯網架構的幾個重點業務維度，以及這些業務維度中形成的新興技術與商業應用的良性互動。

圖2 基于服務價值導向的工業互聯網架構

（四）重視工業互聯網應用服務化轉型中的組織體系性支持

工業互聯網對企業各領域的影響有些是直接的，有些則是間接的。如果單純地從技術的角度分析則會很容易過分地強調那些可見的、直接的作用，而忽視那些間接的作用。但是事實上，很多工業互聯網實施過程中遇到的難題，都是由那些不可見的、間接的因素所引發的，如企業文化、制度的轉型，既可以被認為是工業互聯網技術應用的結果，也可以被認為是推動工業互聯網技術應用的動力和原因，而且其作用也很難科學、量化地衡量。但是從實踐經驗來看，很多看似技術性的問題背后都是文化問題，是文化和制度落后于技術發展，或者是對技術應用抱有不切實際的期望所造成的。

因此，工業互聯網架構的最主要依據應該是企業的業務架構，依據的是企業的戰略構想，而技術應該是實現企業業務轉型和戰略構想的工具。為了實現企業自身的經營性業務目標，企業可以根據需要靈活應用各種技術手段，采取不同的技術措施，選擇不同的技術方案。企業的業務架構、戰略架構是指導工業互聯網建設和發展的邏輯中心，因此在規劃工業互聯網建設中，需要從企業全局發展進行綜合布局，以避免顧此失彼，限制了工業互聯網技術更加有效的應用和可持續發展。

三、支持企業業務服務化轉型與工業互聯網建設機理

工業互聯網作為企業生產制造系統服務化轉型的重要技術支持和技術手段，需要重新整合和編排生產制造資源，重新評估各種生產資源在未來新的市場結構中的價值，重新定位自身服務能夠給消費者創造的價值。具體來說，工業互聯網在這樣的生產企業服務化轉型中要承擔以下幾個方面的職能，以推動生產系統向服務化、數字化、網絡化、智能化方向發展，推動生產制造系統的服務化轉型升級，適應時代的變化，為消費者提供更加個性化、更好體驗感的產品和服務。

（一）生產系統更加“有序化”的集成

站在系統的角度，想要解決企業各生產系統、各生產要素間的通信問題，把原先散亂、缺乏統一規劃、缺乏面向服務整合的各系統間的、主要基于自動化的互聯結構轉變為基于服務的新型聯結，鍛造出企業的新興技術能力和業務能力。這就需要利用工業互聯網技術將企業業務梳理成更規范、可治理、可動態演進的網絡互聯結構。這樣的服務化轉型往往要求企業追求比高效生產更加復雜的服務性、場景性的目標，因此需要有一個更加柔性化、敏捷性的，由網絡技術、數字技術和智能技術支持的新型生產系統。而這就是工業互聯網技術能夠“大顯身手”的地方。通過工業互聯網進行生產制造的技術規范、服務管理規范，實現靈活性和規范性的高效平衡，讓生產制造系統在面向服務的轉型升級過程實現更加“有序化”的集成，讓各種原材料、生產設備、各種裝備等實現更高效的重組、更動態的集成，使生產系統能夠按照市場和業務發展的需求實現動態協同和演進。

（二）生產系統實現知識“復用”

知識“復用”是指實現知識層面的服務化轉型。生產制造系統是一個由各種不同功能的模塊組成的系統，以完成個性化產品生產和個性化服務為企業業務發展目標。因此，從功能的角度出發來理解工業互聯網對生產制造系統的重構，不斷重新集成和整合，可以認為是將生產制造系統中實現特定功能的“知識”封裝，即將業務邏輯抽象成可復用、可組裝的“知識”，并通過工業互聯網將這些知識聯結起來，實現特定的個性化產品和服務功能組合，然后進一步通過服務的有序化、智能化編排，高效利用“知識”和基于場景的“數據”實現業務的快速重組和有序化集成。因此，工業互聯網技術會將原先固有的業務功能轉變為通用的業務服務知識，實現業務邏輯基于“知識共享”的快速復用，解決傳統生產制造系統中的“緊耦合”問題，以及由此造成的生產制造中知識的“提取”和“復用”問題。

（三）生產系統工藝的“智能化”編排服務

借助于工業互聯網，生產系統實現了數字化、網絡化，更進一步實現智能化的編排，而生產系統的“有序”集成和知識的“復用”必然在一定程度需要借助人工智能技術來實現。因此，工業互聯網必然是智能化的網絡，而且是一種基于大數據分析技術的智能網絡，是能夠進行自主決策的智能網絡，是人類智能和人工智能充分交互的生產監控網絡、生產決策網絡、生產優化網絡、生產執行網絡。大數據和人工智能技術不僅使具體的生產工藝能夠得到有效的改善，而且能夠通過工藝系統互聯的網絡迅速實現工藝系統的改進，能夠實現基于工藝改進的生產知識系統的不斷更新和優化、個性化生產計劃的智能編排、生產BOM 系統的自動化匹配，以及生產質量管理和生產操作規范的自動化、智能化生成和優化。

（四）企業業務服務化和創新型響應體系建構

企業需要對自身的生產制造職能進行必要的解耦和重新組合，實現企業業務服務化和創新需求。具體來說，就是將生產職能抽象成可復用、可組裝的各種服務，甚至是微服務，并通過工業互聯網將這些服務聯結起來。這樣就要求將傳統職能型的企業架構轉變為服務化的企業架構，以適應生產底層技術架構系統的變化，進一步提升企業對外服務的能力。如果說前兩個層面是從生產系統資源調用、系統功能復用、系統性知識復用等專業技術層面來解決生產系統服務化轉型方面的領域問題，則該創新層面主要是解決企業服務轉型中的綜合性、系統性問題，以及更高層面的服務資源整合方面的問題。在該業務服務化創新環節主要是將傳統的以業務驅動的企業管理方式轉變為服務牽引的新型組織方式，實現企業整體組織方式和文化的服務化變革。在工業互聯網將企業業務單元封裝成一項項“功能性服務”的同時，企業中的每個管理人員、操作人員也會相應地實現服務化的職能和崗位分解，借助工業互聯網技術實現企業管理和經營的高效服務化轉型，讓工業互聯網成為企業的底層“操作系統”，如圖3 所示。

圖3 工業互聯網助力生產企業服務化轉型機理圖

四、基于服務的工業互聯網架構創新

（一）工業互聯網是一種復雜的感知計算和決策系統

作為企業服務化轉型的技術手段和工具，工業互聯網不僅是一種信息互聯的網絡，更是支持數據采集和處理、模型計算的智慧網絡，提供生產決策支持的網絡，甚至是直接進行智能決策的網絡和生產執行的網絡。因此，工業互聯網結構不僅包括網絡交換機、PLC 等傳統的自動化、網絡化設備，還包括各種類型的多模態傳感器、云端的邊緣計算系統、微服務計算系統、人工智能系統等信息處理模塊和子系統。只有這樣集感知、傳輸、存儲、計算、決策等多種功能于一體的綜合服務網絡才能夠承擔這樣的企業服務化重構職能，實現企業預期的服務轉型目標，實現工業互聯網的技術和商業訴求。

面向服務（SOA）的思想其實一直是主導網絡架構、軟件架構、計算架構、存儲架構等IT 架構的一種主流思想，也是整個IT 系統演進的重要方向。就軟件架構來說，面向服務是面向對象思想之后的一種新的思維模式，其核心特征就是以松耦合、粗粒度的服務單元來快速、敏捷地構建新的軟件系統。作為一種思想，SOA不涉及具體的實現技術細節，是一種純粹的軟件架構形式和系統計算形式，只是通過服務調用的形式來調用各種數據資源、計算資源，以實現軟件動態構建、靈活調整服務的目標。

（二）應該是傳統SOA 架構的升級

傳統的SOA 架構是面向服務的架構，即企業的IT 系統由服務組成，企業的各個應用系統是由許多標準的服務件“組裝”起來的，組成應用系統的各個服務之間是一種松耦合的關系。在軟件行業中，基于這種服務的編程思想表現為函數和模塊的調用，即把經常用到的代碼塊、函數和模塊定義為基于服務的功能模塊，以實現被稱為系統調用的功能模塊，按照業務需求進行靈活調用。而在工業互聯網中 SOA 架構則不僅是基于服務的調用，更是基于各種網絡大規模協同的調用和復用，是更大層面的調用。而且調用的形式也不再局限于SOAP、WSDL、UDDI 等服務協議，而是更加開放地利用各種接口技術，滿足服務化的調用要求。因此，從總體上來說，工業互聯網架構也不再局限于傳統SOA 的服務總線（ESB）技術，而會根據業務服務化發展的需要，靈活構建有線無線混合、云端與邊緣協同的網絡結構，如圖4 所示。

圖4 傳統SOA 架構圖及其對工業互聯網架構的借鑒

這樣的服務型架構形式能夠滿足生產系統的需求，尤其是針對離散型生產系統中各部分工藝需要隨個性化定制要求靈活集成、快速解耦的特點，能夠保證基于工業互聯網實現各種功能服務的松耦合和敏捷集成。而且優秀的面向特定應用領域的模塊可以以開源或者開放的商業化形式對外發布，全球的開發人員都可以利用這些模塊來開發自己的應用程序，從而減少大量重復性的代碼編寫工作。并且這樣的開放形式，還能夠保證通用性較強的功能模塊得到不斷更新、優化和維護，實現功能的不斷迭代。如很多編程語言中的類庫中保存著很多已經相對成熟的開發模塊，有相關需求的編程人員和企業可以調用其中的程序進行敏捷開發和改進，同時極好地支持了該編程語言的普及，豐富了編程語言的生態。

（三）工業互聯網可以借鑒微服務架構

現在正迅速崛起和發展的微服務架構可以實現生產系統的去中心化，去掉了ESB 企業總線，可以更加靈活地根據生產需要組織網絡，編排相關的計算資源，以實現面向服務的生產資源的靈活調配。同時，服務化的思想進入企業業務系統基于服務的解耦和重構模式建構中，使企業內外部資源真正實現基于服務的組件化，打造出敏捷的個性化定制生產服務系統。與此同時，云計算技術，尤其是容器技術的出現，為微服務架構的實現提供了更便利的條件，比如能夠支持更小的單元部署，每個服務可以通過類似Node 或者Spring Boot 等技術實現進程管理，并與其他進程協同，實現整個系統更加徹底的松耦合，能夠更好地滿足企業業務服務化轉型的需要。這樣基于微服務架構的工業互聯網就可以更好地契合企業的服務化轉型，如圖5所示。

圖5 微服務架構的工業互聯網結構圖

五、工業互聯網未來發展趨勢分析

《工業互聯網 應用實施指南》標準對工業互聯網的建設目標做了說明，即“通過工業經濟全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面連接，支撐服務制造業數字化、網絡化、智能化轉型，不斷催生新模式、新業態、新產業”。該目標高屋建瓴地提出了工業互聯網的建設任務和建設目標，對尚處于建設初期的我國工業互聯網提供了非常有價值的指導，對于指導我國工業互聯網技術和產業發展具有重要的參考價值。結合整個市場消費發展趨勢的服務化轉型分析工業互聯網未來的發展趨勢，其主要呈現出以下幾個方面的特點。

（一）工業互聯網建設必須與企業業務的服務化轉型相結合

企業主體在工業互聯網建設過程中需要與自身的業務特點相結合，與企業所處的行業整體發展狀況相結合，否則企業很難找到工業互聯網的落腳點。而且企業只有以業務發展作為工業互聯網發展的基礎，才能夠找到工業互聯網落地的具體技術解決方案，讓工業互聯網技術為生產企業的業務發展服務，為企業的商業價值創新服務。而不是讓企業的業務“削足適履”，以適應工業互聯網技術邏輯發展的要求。因此，每個企業需要根據相關實施標準，進行本地化改造，而不是直接“生搬硬套”地執行各種規范和標準。

（二）工業互聯網建設必須在更大范圍內與企業的文化建設和管理理念轉型相結合

其實無論是智能制造，還是工業互聯網，其背后的訴求都是制造業的服務化轉型，為消費者提供更加滿意的服務體驗。個性化制造只是這種服務化的典型體現，而且相對于個性化制造，制造業的服務化轉型更能夠準確地體現制造業的智能化轉型基本特征和根本價值訴求。因為，工業互聯網的管理訴求，除了個性化制造之外，還需要從根本上改變企業的組織管理形式，甚至改造企業文化，實現企業管理決策的人性化和服務化，只有這樣才能保證生產個性化的真正落地。支持企業的服務化轉型才是工業互聯網建設和發展的根本，是主導其演進的根本邏輯。而且在工業互聯網建設中，真正的難點不是技術應用，而是管理理念和企業文化的根本性變革。由此可見，當前的企業轉型更關鍵的是文化轉型，而不是技術轉型。

（三）工業互聯網建設必須與企業具體的管理實踐轉型相結合

生產制造企業的智能化轉型是一個技術問題，同時又不是單純的技術問題，從根本上講，生產制造企業的智能化轉型是更廣泛意義上的文化問題，但需要從具體的管理入手，才能夠保證工業互聯網技術的應用。因此，工業互聯網應用是企業經營管理的變革，是企業中每個人意識的變革，以及企業激勵和監管體系的變革。雖然這樣的變革在很大程度上是由技術變革所引起的，但是技術只是起到“導火索”的作用，真正引發改變的是具體的組織、具體的部門、具體的每個人。這就需要伴隨著工業互聯網的應用，建立起新的、更加細致的、更加與工業互聯網技術相匹配的管理體系，否則任何新技術的應用給企業帶來的影響可能只是暫時的，從長期來看，不僅起不到預期的效果，更可能導致災難性的后果。因為生產的服務化轉型是一個系統工程，技術只在其中起到工具性作用。這不是生產制造企業智能化升級的目標，企業的智能化目標應該是在技術的加持下，組織中每個部門、每個人、每個商業合作伙伴的智能化，從而提供更加智能化的服務。

（四）工業互聯網必須是開放的網絡，本身需要不斷優化升級

服務的動態性要求工業互聯網必然是開放的網絡，可以通過各種不同的接口技術，構建起基于服務動態性需求的開放的生產制造體系。基于網絡技術、計算技術、區塊鏈技術、人工智能技術，以及邊緣計算技術等新技術的發展，未來的工業互聯網必然是開放的，甚至是可以實現自組織的網絡。多模態的感知技術、人工智能技術、大數據技術、邊緣計算技術將成為驅動工業互聯網不斷演進和發展的新型動力。而從根本上來說，業務的開放性以及基于開放性而構建的服務化不斷轉型，能根據市場和產業的發展，為消費者提供更加滿意的服務，是促進工業互聯網技術不斷演進的動力。當然，技術本身也會推動工業互聯網的發展，但是技術必須符合業務的發展。