離散制造企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展模式分析

劉建康

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津 300222

1 序言

在“推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”的發(fā)展趨勢下，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為核心的數(shù)字化轉(zhuǎn)型為我國制造業(yè)升級提供了強(qiáng)大動力。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)、平臺和安全三大體系構(gòu)成[1]，其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，是連接設(shè)備、軟件、工廠、產(chǎn)品和人等工業(yè)全要素的樞紐，是海量工業(yè)數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析和服務(wù)的載體，是支撐工業(yè)資源泛在連接、彈性供給和高效配置的中樞，是智能制造時代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)和實(shí)施，需要充分考慮產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)、業(yè)務(wù)組織、企業(yè)管理和人才培養(yǎng)等不同視角來分析工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺模式和架構(gòu)，經(jīng)過一個反復(fù)迭代、動態(tài)優(yōu)化和不斷演進(jìn)的過程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的生態(tài)化發(fā)展，推動兩化融合邁向新的階段。

2 離散制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺模式分析

離散制造企業(yè)的生產(chǎn)效率不像流程制造企業(yè)主要由設(shè)備產(chǎn)能決定，而是很大程度上取決于資源要素配置的合理性。相同規(guī)模和硬件設(shè)施的兩個企業(yè)因管理水平不同，可能導(dǎo)致生產(chǎn)效率的巨大差異。從這個意義上來說，離散制造企業(yè)通過實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型來提升競爭力更具潛力。建設(shè)面向離散制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，需要充分考慮離散制造特點(diǎn)，融合云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)，合理規(guī)劃工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺運(yùn)行模式。

與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)平臺相比，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺有諸多明顯區(qū)別。應(yīng)用場景方面，互聯(lián)網(wǎng)平臺主要部署在云端服務(wù)器中，主要連接的主體是個人計(jì)算機(jī)（PC）、手機(jī)等終端設(shè)備，提供網(wǎng)頁、視頻、游戲和數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)，應(yīng)用場景相對簡單。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺需要實(shí)現(xiàn)人、機(jī)和物等各類工業(yè)要素的實(shí)時連接與智能交互，連接種類、數(shù)量更多，提供工業(yè)業(yè)務(wù)流程管理和產(chǎn)品全生命周期服務(wù)，場景更為復(fù)雜；技術(shù)需求方面，互聯(lián)網(wǎng)平臺突出體現(xiàn)為“盡力而為”的服務(wù)方式，對服務(wù)響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)時延和可靠性等要求不嚴(yán)格，但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺直接涉及生產(chǎn)過程控制，網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)性能上要求低時延、確定性、高可靠性和高安全性。

由于互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用場景相對簡單，所以比較容易提煉出較多的共性需求，由此誕生了多種云服務(wù)平臺模式，典型的云服務(wù)模式被劃分為3種：IaaS（Infrastructure as a Service，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)）、PaaS（Platform-as-a-Service，平臺即服務(wù)）和SaaS（Software-as-a-Service，軟件即服務(wù)）。當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)大多借鑒或者沿用了PaaS和SaaS服務(wù)模式，寄希望于發(fā)掘和整合工業(yè)生產(chǎn)過程中的共性需求，結(jié)合云服務(wù)相關(guān)技術(shù)棧開發(fā)諸多工業(yè)應(yīng)用，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)套件，供企業(yè)組合搭配應(yīng)用。但是，由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景更加復(fù)雜，尤其是涉及機(jī)器、物料等要素的連接，所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺更多注重邊緣層設(shè)備接入和數(shù)據(jù)采集，因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通常會提供配套的邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的“萬物互聯(lián)”。目前，業(yè)界基本已形成智能終端（邊緣網(wǎng)關(guān)）+云架構(gòu)平臺+工業(yè)APP的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)模式。

現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺解決方案，大都支持公有云、私有云兩種部署方式。公有云方式下業(yè)務(wù)功能大多數(shù)運(yùn)行在平臺提供商的遠(yuǎn)程服務(wù)器中，這種方式可以為企業(yè)節(jié)省大量的運(yùn)維成本。私有云方式是在企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，這種方式可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離，有效保護(hù)私有數(shù)據(jù)的安全，同時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘?、低時延和高可靠性要求都比較容易得到滿足。離散制造企業(yè)通常以車間、生產(chǎn)線的形式組織生產(chǎn)，生產(chǎn)過程控制的動態(tài)性、不確定性較強(qiáng)，生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)的5V特點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延、帶寬需求高，所以離散制造企業(yè)更加適合私有云方式部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

從功能的角度分析，離散制造企業(yè)希望工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺能夠提供生產(chǎn)監(jiān)控、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和企業(yè)管理等功能的一站式解決方案，也就是說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是傳統(tǒng)SCADA、MES和ERP等多個系統(tǒng)功能的集合體。然而，由于離散制造現(xiàn)場設(shè)備的多樣性，導(dǎo)致邊緣層數(shù)據(jù)交互需求極其碎片化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與設(shè)備層之間數(shù)據(jù)采集和指令傳遞不僅存在巨大的障礙，使工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的時效性降低，而且工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的工業(yè)APP產(chǎn)生的各種決策指令難以傳遞至現(xiàn)場加工設(shè)備。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)該與底層設(shè)備控制系統(tǒng)協(xié)同開發(fā)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)應(yīng)該不僅提供邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備用于數(shù)據(jù)采集，還應(yīng)該提供邊緣控制器用于生產(chǎn)設(shè)備的控制。

綜合上述分析，面向離散制造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)展模式應(yīng)當(dāng)具有如下特征。

（1）邊緣層 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供基于邊緣網(wǎng)關(guān)的工業(yè)數(shù)據(jù)采集和基于邊緣控制器的設(shè)備控制。

（2）企業(yè)層 以私有云部署工業(yè)PaaS平臺+工業(yè)APP的方式實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部業(yè)務(wù)功能，比如人事管理、訂單管理、生產(chǎn)排程和庫存管理等。

（3）社會層 以公有云部署工業(yè)SaaS平臺+工業(yè)APP的方式為企業(yè)提供共性需求業(yè)務(wù)服務(wù)，比如企業(yè)需求對接、工業(yè)知識共享和行業(yè)發(fā)展動態(tài)分析等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是傳統(tǒng)工業(yè)云平臺的迭代升級[2]，比如當(dāng)前國內(nèi)很大一部分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是由傳統(tǒng)MES、ERP系統(tǒng)轉(zhuǎn)型而來。然而，由于我國工業(yè)控制系統(tǒng)、高端工業(yè)軟件等產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，諸多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)各自為戰(zhàn)，缺乏龍頭企業(yè)，導(dǎo)致國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺呈現(xiàn)碎片化發(fā)展趨勢，難以形成資源聚集效應(yīng)，工業(yè)APP與用戶數(shù)量的雙向迭代和良性發(fā)展局面尚未形成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是新工業(yè)體系的“操作系統(tǒng)”，其中的工業(yè)PaaS平臺應(yīng)該被打造成為工業(yè)界的Android系統(tǒng)，建立類似APP Store的工業(yè)APP分發(fā)機(jī)制，才能匯聚整個社會的力量開發(fā)海量工業(yè)APP，形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。

3 離散制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)平臺并沒有很大差異，尤其是在服務(wù)器端應(yīng)用的技術(shù)棧幾乎全部來自互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)[3]，與制造現(xiàn)場關(guān)系密切的工業(yè)自動化控制相關(guān)技術(shù)棧并未融入其中，導(dǎo)致工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備間的交互存在諸多障礙。針對這一問題，結(jié)合離散制造特點(diǎn)，本文提出了一套更為新穎的離散制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)（見圖1）。

圖1 離散制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

離散制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)分為3層，即設(shè)備層、私有云層和公有云層。

（1）設(shè)備層 包括生產(chǎn)制造設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及計(jì)算設(shè)備。

（2）私有云層 包括由AI功能組件、工業(yè)大數(shù)據(jù)功能組件和業(yè)務(wù)功能組件等構(gòu)成的工業(yè)PaaS服務(wù)平臺，并采用CSaaS（Control System as a Service， 控制系統(tǒng)即服務(wù)）的理念集成了開放式體系架構(gòu)控制系統(tǒng)套件，可直接通過現(xiàn)場總線控制現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備。

（3）公有云層 主要包括企業(yè)級、社會級層面的工業(yè)APP應(yīng)用，采用SaaS模式提供服務(wù)。

私有云服務(wù)器安裝在靠近車間生產(chǎn)現(xiàn)場的位置，減小服務(wù)器與現(xiàn)場設(shè)備間的空間距離，以利于工業(yè)大數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時，采用工業(yè)實(shí)時以太網(wǎng)總線，控制指令數(shù)據(jù)的低時延、確定性傳輸也得到保障，采用可配置、可擴(kuò)展、可重構(gòu)的開放式體系架構(gòu)控制系統(tǒng)，可以滿足多種多樣的設(shè)備控制需求，從而使得CSaaS方案變得可行。

在雙寡頭市場上，如果寡頭廠商提供的產(chǎn)品或服務(wù)之間具有較強(qiáng)的可替代性，則由于競爭的存在，使得寡頭廠商很難達(dá)成串謀哄抬市場價(jià)格。為了獲得更大的市場份額，同時保護(hù)已經(jīng)占有的市場份額不被競爭對手?jǐn)D占，寡頭廠商的最優(yōu)選擇就是維持價(jià)格不變。這樣的結(jié)果是有利于消費(fèi)者的。

開放式體系架構(gòu)控制系統(tǒng)與諸多功能組件都可以被看作是一個個工業(yè)APP，為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)APP的便捷部署以及它們之間的交互通信，在私有云服務(wù)器中部署了一個分布式松散耦合軟件協(xié)作框架。該框架采用基于DDS（Data Distribution Service for Real-Time Systems，面向?qū)崟r系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）的發(fā)布/訂閱式通信模式，和基于微服務(wù)框架的容器編排部署方式。該框架提供如下能力。

（1）分布式通信 分布式協(xié)作框架需要提供各種通信模式和手段，尤其是發(fā)布/訂閱式通信模式在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中尤為重要，被認(rèn)為是未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主流通信模式。

（2）模塊開發(fā)標(biāo)準(zhǔn) 分布式協(xié)作框架需要提供標(biāo)準(zhǔn)API用于模塊開發(fā)，兼容多種編程語言，包括C/C++、Python和Java等。

（3）軟件包管理機(jī)制 提供基于容器技術(shù)的工業(yè)APP軟件包管理機(jī)制。

（4）通信接口契約 不同微服務(wù)組件由不同團(tuán)隊(duì)開發(fā)，為了保障微服務(wù)組件之間的交互通信，接口契約需要規(guī)定服務(wù)間的交互方式、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)序列化協(xié)議、語義規(guī)范和通信QoS等方面的關(guān)切問題。

（5）輔助管理工具集 包括管理控制臺，提供基于Web的圖形管理界面，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、查詢及可視化工具。

4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人才體系建設(shè)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然伴隨著大量的人才需求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)職業(yè)涌現(xiàn)，帶動國內(nèi)就業(yè)人數(shù)顯著增加[4]。但是隨著企業(yè)的深入應(yīng)用，越發(fā)感受到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和實(shí)施，對現(xiàn)有專業(yè)技術(shù)人才和勞動者的技能素質(zhì)提出了新的、更高的要求[5]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，傳統(tǒng)IT行業(yè)和制造業(yè)相關(guān)人才的知識結(jié)構(gòu)，逐漸難以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的實(shí)際需求，企業(yè)對高素質(zhì)、復(fù)合型人才的需求越來越迫切。

（1）研發(fā)型人才 負(fù)責(zé)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺及工業(yè)APP的編程開發(fā)及調(diào)試工作，要求具備較高的專業(yè)技術(shù)能力，并且對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系架構(gòu)有深刻的理解。

（2）運(yùn)營與維護(hù)型人才 負(fù)責(zé)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的安裝部署和日常運(yùn)行維護(hù)工作，要求具備網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和工業(yè)APP的生命周期各個階段的運(yùn)營與維護(hù)能力。

（3）技能型人才 負(fù)責(zé)企業(yè)中工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的應(yīng)用工作，要求熟悉工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的使用方法，能夠根據(jù)行業(yè)工藝流程，通過參數(shù)調(diào)整、組態(tài)配置等手段，實(shí)現(xiàn)工業(yè)APP的部署運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程控制，并能夠處理一般生產(chǎn)過程異常狀況。

當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體處于發(fā)展初期，尚未建立成熟的人才培養(yǎng)體系，人才供需兩端匹配度不高。其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)型和運(yùn)維型人才主要由傳統(tǒng)IT行業(yè)、工控行業(yè)人才轉(zhuǎn)型而來，這些人才當(dāng)前仍然需要進(jìn)一步深化對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的理解，使自己的技術(shù)和能力更好地與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求相匹配。當(dāng)前最主要的問題是高素質(zhì)技能型人才缺乏[6]，制造企業(yè)在實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)和應(yīng)用時，存在大量定制化需求，亟需大量既懂得制造工藝、又熟悉工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用的技能型人才，而這些人才主要依賴工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺廠商提供的培訓(xùn)，而不同廠商平臺技術(shù)路線的差異，將導(dǎo)致他們掌握的技能有一定程度的局限性。因此，需要加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，明確工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)共性技術(shù)需求，進(jìn)一步引導(dǎo)普通高等院校加快建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)，建立產(chǎn)業(yè)和教育深度合作的人才培養(yǎng)模式，推動人才供給側(cè)教學(xué)改革，壯大我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人才隊(duì)伍。

5 結(jié)束語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和實(shí)施，是一個反復(fù)迭代、不斷演進(jìn)的過程，需要工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和制造企業(yè)持續(xù)投入，積累工業(yè)經(jīng)驗(yàn)和知識，不斷豐富完善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和開發(fā)工具，持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新工業(yè)APP，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的生態(tài)化發(fā)展。同時，需要加快建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人才培養(yǎng)體系，保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)人才供應(yīng)。