工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的架構(gòu)設(shè)計

孫小東，王勁松，李 強(qiáng)，徐 珂，楊 博，謝 皓

(中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司，重慶 401122)

數(shù)字中國是新時代我國信息化發(fā)展的新戰(zhàn)略，是滿足人民群眾日益增長的美好生活需要的新舉措，也是驅(qū)動引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的新動力。工業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)支柱，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為發(fā)展數(shù)字中國的必然條件，更是建設(shè)數(shù)字中國的關(guān)鍵內(nèi)容。

21世紀(jì)以來，我國經(jīng)過了信息技術(shù)高速發(fā)展的20年，數(shù)字經(jīng)濟(jì)當(dāng)前正在從消費(fèi)、社交領(lǐng)域向著工業(yè)領(lǐng)域延伸[1]。一方面，在企業(yè)內(nèi)部，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、知識圖譜、機(jī)器視覺、AR/VR等新技術(shù)不斷應(yīng)用于制造領(lǐng)域，幫助制造業(yè)構(gòu)筑出一個數(shù)字化的生產(chǎn)空間，不僅能夠探索基于數(shù)據(jù)的工業(yè)機(jī)理知識模型，還能降低工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)成本，提升工業(yè)服務(wù)質(zhì)量。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)關(guān)系，企業(yè)與企業(yè)之間的聯(lián)系變得更加緊密，跨行業(yè)、跨組織的合作不斷增多，未來企業(yè)將在競爭中合作、在合作中競爭。

工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、清洗、關(guān)聯(lián)、加工、建模等處理程序后，統(tǒng)一匯聚到工業(yè)云平臺上，能夠幫助企業(yè)優(yōu)化研發(fā)設(shè)計、制造過程、產(chǎn)品運(yùn)營、資源管理、售后服務(wù)等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2]。而在當(dāng)前，企業(yè)都已經(jīng)充分認(rèn)識到了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的價值，但是如何才能更快、更好、更有效地挖掘這些數(shù)據(jù)背后的價值，工業(yè)行業(yè)的各個企業(yè)仍在不斷地探索和前進(jìn)。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過實(shí)現(xiàn)人與工業(yè)設(shè)備、信息軟件、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、產(chǎn)品服務(wù)等的全面互聯(lián)，包括從作業(yè)區(qū)、車間到經(jīng)營層、決策層的縱向互聯(lián)，以及產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)之間的橫向互聯(lián)，建立起生產(chǎn)全流程、價值全產(chǎn)業(yè)鏈的新一代工業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)體系，應(yīng)用范圍覆蓋產(chǎn)品從原材料采購、流程制造、產(chǎn)品生產(chǎn)到投入市場，再到報廢回收的全生命周期。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是促進(jìn)我國制造型企業(yè)的資源優(yōu)化配置，加快傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和持續(xù)發(fā)展，成為促進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展的重要驅(qū)動，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)鏈條的全數(shù)字化[3]。

一是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于云(包括私有、公有、混合等)的制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，為工業(yè)企業(yè)提供了跨工序、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨省市甚至跨國界的數(shù)據(jù)共享與互聯(lián)，使企業(yè)可以在全局層面對研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、服務(wù)等制造活動進(jìn)行優(yōu)化，為企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新提供基礎(chǔ)條件，如圖1所示。同時，企業(yè)依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可在更大范圍內(nèi)打破物理和組織邊界的能力，便于打通企業(yè)內(nèi)部、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)孤島，實(shí)現(xiàn)有形資產(chǎn)和無形資源有效協(xié)同，形成真正意義的無邊界組織，實(shí)現(xiàn)價值發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造從傳統(tǒng)鏈條向價值網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓展。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能規(guī)劃

二是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的最關(guān)鍵路徑[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)高度融合的產(chǎn)物，是一套涵蓋可視化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)的綜合應(yīng)用體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是通過建立實(shí)時、高速、全面的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的資源優(yōu)化配置，提高生產(chǎn)全流程的運(yùn)行效率，推動工業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)的質(zhì)量提升和效率提升。一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)深度挖掘傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展?jié)摿Γㄟ^引入新技術(shù)、新管理、新模式，為工業(yè)插上互聯(lián)網(wǎng)的翅膀、注入信息化的基因，加快傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的步伐。另一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加速先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展步伐，催生了遠(yuǎn)距離操作、無人化維檢、個性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化服務(wù)、數(shù)字化管控等新型生產(chǎn)模式，可大大加速制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型進(jìn)程。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

從系統(tǒng)架構(gòu)的角度，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺可從下到上劃分為四個層次，即邊緣接入層、基礎(chǔ)設(shè)施層、工業(yè)平臺層和工業(yè)應(yīng)用層，如圖2所示。

2.1 邊緣接入層

邊緣接入層以數(shù)據(jù)采集與接入為基礎(chǔ)和根本，其本質(zhì)是利用泛在網(wǎng)絡(luò)和感知技術(shù)對工業(yè)設(shè)備、信息系統(tǒng)、運(yùn)營平臺、崗位管理等要素進(jìn)行實(shí)施高速收集和中心匯聚。主要的數(shù)據(jù)接入與邊緣計算技術(shù)包括:

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分層圖

1)設(shè)備和系統(tǒng)接入

現(xiàn)場控制系統(tǒng)由儀器儀表、PLC、DCS以及SCADA組成，邊緣接入層通過光纖、以太網(wǎng)等鏈路，將現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)以有線或無線(包括5G)的方式遠(yuǎn)程傳輸至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

信息系統(tǒng)主要包括與實(shí)績、質(zhì)量、物料、物流、排程等生產(chǎn)和經(jīng)營相關(guān)的系統(tǒng)，如L2、MES、ERP、SCR、CRM等，以及與產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)相關(guān)的PLM等系統(tǒng)，都可以通過以太網(wǎng)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

視頻系統(tǒng)包括生產(chǎn)、安保等監(jiān)控攝像，可配置統(tǒng)一對外發(fā)布服務(wù)器上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，其他系統(tǒng)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可通過錄入、導(dǎo)入等方式進(jìn)行解決。

2)傳輸協(xié)議

開發(fā)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中間件，兼容 OPC/OPC UA、ModBus、Socket、RS485、RS232、ProfiBus、ControlNet等各類工業(yè)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集時的格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。同時，利用HTTP、MQTT、LoRa、NB-IoT等方式從企業(yè)的邊緣端將數(shù)據(jù)上傳到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動接入。

3)邊緣計算

基于高性能計算芯片、實(shí)時高速處理方法等技術(shù)支撐，在工業(yè)設(shè)備、信息系統(tǒng)、智能終端等數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)一側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)的先處理和預(yù)處理，通過緩存以及簡單的智能分析應(yīng)用，提升平臺整體的響應(yīng)效率，與平臺端形成“邊緣<->中心”式的協(xié)同。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層即傳統(tǒng)的IaaS硬件層，其核心為虛擬化技術(shù)，同時，利用分布式存儲、并發(fā)式計算、高負(fù)載調(diào)度等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)資源的動態(tài)管理，可根據(jù)客戶需求進(jìn)行定制化的彈性分配與擴(kuò)展，并確保系統(tǒng)資源利用的安全與隔離，為客戶提供可靠、穩(wěn)定的云設(shè)施服務(wù)。

服務(wù)器虛擬化的目的是改善計算機(jī)資源的使用效率，如將單臺物理服務(wù)器虛擬成多臺虛擬服務(wù)器，供多個客戶同時使用，同時，針對虛擬服務(wù)器進(jìn)行隔離以保證其安全性。服務(wù)器虛擬化依賴CPU虛擬化、Cache虛擬化和I/O虛擬化等資源虛擬化技術(shù)。但是服務(wù)器虛擬化只是IaaS的一種交付方式，物理硬件資源的交付也是IaaS的重要內(nèi)容，但是，平臺可對物理硬件資源池和虛擬化資源池進(jìn)行可視化的管理和配置是前提條件。

2.3 工業(yè)平臺層

工業(yè)平臺層即PaaS層，屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心層，其根本在于IaaS平臺上構(gòu)建一個可擴(kuò)展的應(yīng)用支持系統(tǒng)，為工業(yè)應(yīng)用和服務(wù)軟件的開發(fā)提供一個良好的基礎(chǔ)平臺。

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

應(yīng)用數(shù)據(jù)去重、上下限過濾、動態(tài)歸一化、異常檢測等方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗預(yù)處理，為后續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、建模、存儲、分析、可視化等應(yīng)用提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來源。

2)數(shù)據(jù)處理與計算

集成Hadoop/Spark生態(tài)平臺，借助流計算、圖計算、實(shí)時計算、交互分析等分布式計算處理框架，滿足工業(yè)場景下海量傳感器數(shù)據(jù)的批處理、流處理等分析計算、應(yīng)用挖掘需求。

集成技術(shù)視覺技術(shù)，利用圖像分類、對象識別、目標(biāo)跟蹤、實(shí)例分割等方法，從單個或一系列圖像和視頻中提取、分析和理解有價值的數(shù)據(jù)和信息。

引入?yún)^(qū)塊鏈方法，利用其“不可篡改”“共識機(jī)制”“可追溯性”"等核心特點(diǎn)，支撐核心企業(yè)“自金融”模式的產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)作需求。

3)數(shù)據(jù)存儲

基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、時序數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等不同的存儲機(jī)制，以及GFS、HDFS等分布式文件系統(tǒng)，共同適配海量數(shù)據(jù)存儲和大規(guī)模并發(fā)處理的需求，解決事務(wù)在分布式環(huán)境下執(zhí)行的高速實(shí)時矛盾，同時實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)的分區(qū)查詢、存儲等功能。

4)算法分析包

算法分析是大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、回歸預(yù)測、動態(tài)聚類、多目標(biāo)分類、主因子分析、時間序列、廣義線性規(guī)劃等多種大數(shù)據(jù)算法，選擇合理的算法庫和算法引擎，兼容集中式計算與分布式計算，同時支撐數(shù)據(jù)密集型和計算密集型的算法任務(wù)。

5)應(yīng)用開發(fā)

支持Java、Python、JavaScript、C/C++、Scala等多種語言編譯環(huán)境，并提供Eclipse integration，JBoss Developer Studio、git和Jenkins等多種開發(fā)工具，建立高效、便捷的集成開發(fā)環(huán)境。

提供覆蓋微服務(wù)的注冊、發(fā)現(xiàn)、通信、編排、調(diào)用的管理機(jī)制和運(yùn)行環(huán)境，支撐"松耦合"應(yīng)用服務(wù)設(shè)計、開發(fā)、測試、集成和部署。

通過可視化編程工具，簡化系統(tǒng)的開發(fā)流程，支持用戶采用拖拽方式進(jìn)行應(yīng)用構(gòu)建、測試、調(diào)試、擴(kuò)展、升級等。

6)資源調(diào)度

通過實(shí)時監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)的業(yè)務(wù)變化和底資源層的消耗情況，結(jié)合相應(yīng)的調(diào)度工具和調(diào)度算法，為應(yīng)用程序和單元提供合理的資源占用。

7)安全保障

數(shù)據(jù)接入安全:通過硬件防火墻技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)關(guān)技術(shù)、工業(yè)級隔離計算、數(shù)據(jù)通信加密隧道技術(shù)，防止數(shù)據(jù)外泄或篡改、應(yīng)用被攻擊或被偵聽，保障數(shù)據(jù)在源頭、傳輸、應(yīng)用等全過程的安全可靠。

平臺安全:通過平臺UPS不間斷電源、虛機(jī)自動遷移、入侵實(shí)時檢測、網(wǎng)絡(luò)安全防御系統(tǒng)、惡意代碼防護(hù)、網(wǎng)站威脅防護(hù)、網(wǎng)頁防篡改等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的用電安全、系統(tǒng)安全、代碼安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)站安全。

訪問安全:通過建立統(tǒng)一的接口訪問機(jī)制，限制用戶的應(yīng)用訪問權(quán)限和相應(yīng)的計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)對云平臺的訪問控制和安全識別， 防止非法用戶訪問。

2.4 工業(yè)應(yīng)用層

開發(fā)大數(shù)據(jù)平臺不是目的，發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的價值才是關(guān)鍵，也是一個產(chǎn)品、項目成敗的關(guān)鍵。所以，工業(yè)應(yīng)用層的目的是對企業(yè)制造的各個活動環(huán)節(jié)進(jìn)行高度抽象，其主要功能是為面向特定工業(yè)應(yīng)用場景，利用冶煉、化工、能源、機(jī)械、電子等領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，結(jié)合工藝?yán)碚摵蜕a(chǎn)實(shí)踐，將制造技術(shù)、經(jīng)驗、知識和最佳實(shí)踐進(jìn)行模塊化、再封裝。同時，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計、深度學(xué)習(xí)、視覺分析、語義識別及人工智能算法等，最終推動社會資源構(gòu)建基礎(chǔ)的、共性的工業(yè)信息化應(yīng)用模塊。

因此，工業(yè)應(yīng)用層可將新一代信息技術(shù)與領(lǐng)域知識、算法分析形成深度融合，用戶通過對工業(yè)應(yīng)用層接口的云端調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)APP的定制化的快速開發(fā)、測試與部署，支持企業(yè)面向歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)的分析與挖掘，從而服務(wù)于采購?fù)该骰齑婧侠砘?、操控智能化、運(yùn)維智能化、管理精細(xì)化、產(chǎn)品模塊化、銷售上線化等具體應(yīng)用群，實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)配供應(yīng)鏈資源，重構(gòu)產(chǎn)業(yè)組織與制造模式，重塑企業(yè)與用戶關(guān)系，形成跨領(lǐng)域融合的工業(yè)生態(tài)，提升企業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)的智能化生產(chǎn)模式。

3 結(jié) 語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為工業(yè)智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)載體，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯聚、建模和分析，將工業(yè)經(jīng)驗知識化、軟件化與模塊化，開發(fā)基于技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新的智能生產(chǎn)應(yīng)用服務(wù)，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置、產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等目標(biāo)。

在新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和新一代工業(yè)革命的交匯時期，我國應(yīng)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的四層架構(gòu)，加快"萬物互聯(lián)"的工業(yè)大數(shù)據(jù)體系建設(shè)，推動工業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)從大到強(qiáng)的徹底轉(zhuǎn)型，落實(shí)高質(zhì)量發(fā)展的宏偉目標(biāo)。