近期，工信部、財(cái)政部等部委密集出臺(tái)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)項(xiàng)工作組2018年工作計(jì)劃》《2018年工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)資金工作指南》等多項(xiàng)旨在推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)支持政策，引發(fā)市場(chǎng)廣泛關(guān)注。
業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)上升為我國(guó)“制造強(qiáng)國(guó)”的國(guó)家戰(zhàn)略高度，以及產(chǎn)業(yè)支持政策的不斷落地，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)入快速發(fā)展期。
在此，筆者需要指出的是，雖然工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將為中國(guó)制造業(yè)“彎道超車(chē)”插上翅膀，但究竟能飛多遠(yuǎn)，取決于三大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支持。
下面，讓我們從什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)談起，來(lái)了解它的前世、今生以及未來(lái)。
什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)?
關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的表述有很多，通用的官方定義為——
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是鏈接工業(yè)全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈，支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應(yīng)用模式，是互聯(lián)網(wǎng)從消費(fèi)領(lǐng)域向生產(chǎn)領(lǐng)域、從虛擬經(jīng)濟(jì)向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)拓展的核心載體。
從本質(zhì)來(lái)看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是以機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計(jì)算處理和高級(jí)建模分析，實(shí)現(xiàn)智能控制、運(yùn)營(yíng)優(yōu)化等生產(chǎn)組織方式變革。
以下是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟給出的參考功能架構(gòu)圖：
從圖中可以直觀地看到，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在底層邊緣層強(qiáng)調(diào)設(shè)備的接入。從這個(gè)意義上說(shuō)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的定義更加擬合，可以交換使用。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)有何異同?
如圖 1所示，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)相比互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，多了一層涉及到傳感器等設(shè)備接入的邊緣層，即從概念上多了把物理世界映射到電子世界的過(guò)程，對(duì)比互聯(lián)網(wǎng)，其本質(zhì)則是完全線上的電子信息的交互與分享。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在接入標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)模式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shù)據(jù)特性等方面相比互聯(lián)網(wǎng)會(huì)有所不同。下面逐一做簡(jiǎn)要分析：
1、標(biāo)準(zhǔn)化程度
就互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，HTTP、HTTPS協(xié)議已成為統(tǒng)一應(yīng)用層接入?yún)f(xié)議，借助底層TCP/IP協(xié)議族，用戶使用瀏覽器接入使用互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)利用DNS標(biāo)識(shí)解析服務(wù)，可以有效的做到搜索、定位到指定網(wǎng)站，進(jìn)而完成信息的獲取。
移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得手機(jī)App形成另一種接入入口，但是其本質(zhì)依然遵循互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)架構(gòu)MVC原理，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度高。
對(duì)比互聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)碎片化較為突出。首先，對(duì)比互聯(lián)網(wǎng)本身就是單純的IT網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及到IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)的融合，自然需要融合多通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。其次，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IP化程度與互聯(lián)網(wǎng)不可同日而語(yǔ)，多種應(yīng)用協(xié)議并存，如MQTT、CoAP、Modbus、PROFIBUS、私有TCP/UDP等，多數(shù)邊緣設(shè)備無(wú)法支持HTTP協(xié)議族，這也是邊緣設(shè)備計(jì)算能力差異化的側(cè)面反映。最后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)備、服務(wù)尋址方面沒(méi)有類(lèi)似DNS這樣的統(tǒng)一標(biāo)識(shí)解析服務(wù)，解析服務(wù)同樣標(biāo)準(zhǔn)碎片化，例如Handle、OID、Ecode等分別由不同組織發(fā)起。
2、業(yè)務(wù)模式
互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)屬于輕資產(chǎn)行業(yè)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及到設(shè)備投入，即涉及固定資產(chǎn)和庫(kù)存管理，屬于重資產(chǎn)。
相比互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平均每隔3年迭代一次的高頻率更新?lián)Q代，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迭代需要同時(shí)發(fā)生在邊端設(shè)備和服務(wù)器兩端，涉及到的不僅是上層應(yīng)用軟件方面的升級(jí)，還涉及到固件甚至是硬件方面的升級(jí)，在技術(shù)換代成本和安全穩(wěn)定性上是雙高門(mén)檻，很多企業(yè)不得不在技術(shù)先進(jìn)性上妥協(xié)。
也正因?yàn)榧夹g(shù)換代的高成本、高風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前期預(yù)研和選型上更為慎重，畢竟相比互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IIOT)的設(shè)計(jì)周期普遍較長(zhǎng)。
3、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜拖到y(tǒng)構(gòu)成
傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)由于采用建立在TCP/IP上的HTTP通信機(jī)制，使用B/S或C/S模式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拿舾行院鸵蕾?lài)性較低，其通信轉(zhuǎn)換大多為端口轉(zhuǎn)發(fā)，基本不涉及協(xié)議轉(zhuǎn)換。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于網(wǎng)關(guān)的多協(xié)議轉(zhuǎn)換正獲得普遍應(yīng)用，例如GE推出的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊Predix Machine。由于系統(tǒng)上下層通信依賴(lài)網(wǎng)關(guān)，因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漭^互聯(lián)網(wǎng)更敏感。同時(shí)，由于眾多設(shè)備接入，數(shù)據(jù)成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，但是傳輸帶寬卻是有限的，因此邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署中，相比互聯(lián)網(wǎng)更具必要性。
4、數(shù)據(jù)特性
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相比，有著完全不同的數(shù)據(jù)特性。下面，以下表1為例，列舉工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)特性對(duì)比。
如表 1所示，數(shù)據(jù)特性的不同直接導(dǎo)致系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)的不同，這也是為什么互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)不能直接應(yīng)用于IIOT(工業(yè)互聯(lián)網(wǎng))的原因之一，在此列舉以下幾個(gè)例子：
(1)并發(fā)連接。由于IIOT接入并發(fā)居多，這意味著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)計(jì)需采用異步通信接入。相比Web接入，很多成熟的架構(gòu)多以同步通信為主。
(2)數(shù)據(jù)時(shí)序性。IIOT接入的數(shù)據(jù)有著很強(qiáng)的時(shí)間順序，數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率快，測(cè)點(diǎn)多，數(shù)據(jù)量巨大。傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法滿足對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)與處理，因此需要使用專(zhuān)門(mén)的時(shí)序性數(shù)據(jù)庫(kù)例如InfluxDB等。
(3)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性。相比互聯(lián)網(wǎng)，IIOT接入的數(shù)據(jù)維度和類(lèi)型多而廣。由于是時(shí)序數(shù)據(jù)，對(duì)于突發(fā)事件而言，數(shù)據(jù)間隱含著較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。這需要系統(tǒng)架構(gòu)支持?jǐn)?shù)據(jù)融合，以便深度挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，更好的支持上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)決策。
(4)延時(shí)容忍度。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由于涉及OT網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)控制，對(duì)系統(tǒng)的延時(shí)要求較互聯(lián)網(wǎng)要高得多。因此，系統(tǒng)延時(shí)往往需要從邊端設(shè)備就開(kāi)始規(guī)劃和設(shè)計(jì)，例如軟實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux有時(shí)不能滿足需求，基于硬實(shí)時(shí)的RTOS可有效降低邊端設(shè)備數(shù)據(jù)采集的延時(shí)不確定性。
了解了上述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的差異，再去思考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)，或許就能更加深刻地去理解其對(duì)工業(yè)制造業(yè)乃至國(guó)家發(fā)展的重要意義。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)
當(dāng)前，伴隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與工業(yè)不斷深度融合，同時(shí)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的新型工業(yè)形態(tài)不斷驅(qū)動(dòng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成世界主要工業(yè)國(guó)家搶占國(guó)際制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的重要板塊，同時(shí)也成為了各國(guó)尋求經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的共同選擇。
目前的全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)格局以美國(guó)、德國(guó)、日本為首，紛紛以龍頭企業(yè)引領(lǐng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)，迅速地推動(dòng)著全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。
在我國(guó)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為中國(guó)制造業(yè)提供了絕佳的“彎道超車(chē)”的歷史機(jī)遇，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)目前也已上升為我國(guó)“制造強(qiáng)國(guó)”的國(guó)家戰(zhàn)略，逐漸覆蓋到各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療、工廠、基建等等。
與此同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也為金融領(lǐng)域帶來(lái)了眾多新的改變，例如它可以為產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈金融提供基礎(chǔ)信息服務(wù)，有效解決信息不透明問(wèn)題，直接有利于金融機(jī)構(gòu)對(duì)企業(yè)的授信和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)而解決企業(yè)融資問(wèn)題。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的先行者
就目前而言，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供e-works統(tǒng)計(jì)的已經(jīng)超過(guò)150家。根據(jù)廠商背景的不同，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以分為ICT、工業(yè)、創(chuàng)業(yè)3個(gè)類(lèi)別，根據(jù)平臺(tái)定位又可分為資產(chǎn)優(yōu)化、資源配置和通用使能3個(gè)類(lèi)別(參見(jiàn)表2)。
其中，工業(yè)企業(yè)如西門(mén)子、三一根云偏重于資產(chǎn)優(yōu)化;海爾或美的這類(lèi)企業(yè)的重點(diǎn)在資源配置的定位;阿里巴巴、Amazon、華為等ICT企業(yè)一般偏重于通用使能的定位。此外，大多數(shù)創(chuàng)業(yè)企業(yè)團(tuán)隊(duì)都是從ICT和工業(yè)企業(yè)走出來(lái)，在三類(lèi)平臺(tái)均有涉及。
需要說(shuō)明的是，源自西門(mén)子、三一根云等工業(yè)企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)借助其對(duì)行業(yè)的深入理解，在IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)的融合層面具有一定優(yōu)勢(shì)，通用使能定位的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由于其在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及軟件服務(wù)領(lǐng)域積累了較多經(jīng)驗(yàn)，在其工業(yè)對(duì)外數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。
不過(guò)，隨著ICT企業(yè)和工業(yè)企業(yè)的跨界合作，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的劃分界限也開(kāi)始趨近模糊。比如，施耐德公司提供的EcoStruxure工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其底層架構(gòu)基于微軟的Microsoft Azure，還有如西門(mén)子的MindSphere則是基于SAP的Cloud Foundry開(kāi)源架構(gòu)。
更進(jìn)一步，細(xì)化來(lái)說(shuō)，我們還可以根據(jù)國(guó)內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在部署模式、運(yùn)營(yíng)模式、主要功能和應(yīng)用場(chǎng)景上的差異，進(jìn)行更加細(xì)致的分類(lèi)和對(duì)比，如表 3、表 4所示，從中可以看出每個(gè)平臺(tái)在功能上的不同側(cè)重點(diǎn)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
從目前來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與歐美日等制造業(yè)強(qiáng)國(guó)處于同一起跑線，我國(guó)也高度重視，在《中國(guó)制造2025》、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“十三五”規(guī)劃綱要、《深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》等戰(zhàn)略中都明確提出加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。
然而，需要指出的是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(IIOT)，區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)，也區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)，是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的特殊應(yīng)用。它是平臺(tái)型產(chǎn)品，平臺(tái)型產(chǎn)品天生具有高粘連性和高遷移成本，因此選擇合適的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)企業(yè)技術(shù)升級(jí)至關(guān)重要。
在筆者看來(lái)，一個(gè)優(yōu)秀的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，支持了下述三大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，才具有技術(shù)領(lǐng)先性和未來(lái)可擴(kuò)展性：
1、OPC Unified Architecture 標(biāo)準(zhǔn)
OPC UA標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)OT網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與數(shù)據(jù)語(yǔ)義定義標(biāo)準(zhǔn)。利用OPC UA 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等物理連接的設(shè)備、傳感器、PLC、控制系統(tǒng)、管理軟件等不同來(lái)源的不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，OPC UA標(biāo)準(zhǔn)的支持將有利于OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)的融合。
2、IEEE Time Sensitive Network(TSN)網(wǎng)絡(luò)
任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，只要處理多源時(shí)序數(shù)據(jù)，就需要有統(tǒng)一的時(shí)間認(rèn)知，即統(tǒng)一全局時(shí)間。 傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)基于GPS的基準(zhǔn)時(shí)鐘，采用NTP時(shí)鐘同步算法完成全網(wǎng)時(shí)間同步，精度一般在秒級(jí)。然而，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由于需要實(shí)時(shí)控制，要求的時(shí)間精度往往在微秒級(jí)，這需要更加精確的同步算法。比如，IEEE提出的TSN網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)包含通用精準(zhǔn)時(shí)間同步(gPTP)算法的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)解決2個(gè)問(wèn)題：
(1)工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)的碎片化。該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)為統(tǒng)一物理層有線鏈路連接OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合前文提到的OPC UA實(shí)現(xiàn)整體的IT與OT在有線網(wǎng)絡(luò)接入層融合。
(2)基于Mac層的通用時(shí)間同步算法gPTP。STN下定義的802.1AS時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同步精度達(dá)到微秒級(jí)，很好的滿足了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于時(shí)間控制精度的需求。如圖 2中綠框所示，可以看到嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始陸續(xù)支持PTP/gPTP時(shí)間同步算法。
3、IPv6標(biāo)準(zhǔn)
IPv6協(xié)議海量尋址空間與IOT設(shè)備的海量基數(shù)天然匹配，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IP層的未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在中國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，已經(jīng)明確指出需要大力發(fā)展。
值得一提的是，新一代嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)大多已經(jīng)原生兼容IPv6協(xié)議對(duì)應(yīng)的RPL路由協(xié)議(參見(jiàn)圖 3)，這為底層異構(gòu)協(xié)議間的IP層通信，提供了操作系統(tǒng)級(jí)的支持。
以上簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的核心技術(shù)。隨著國(guó)家對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、創(chuàng)新、經(jīng)濟(jì)新動(dòng)能的進(jìn)一步推動(dòng)，隨著各大技術(shù)廠商對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)投入，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能制造的基礎(chǔ)平臺(tái)，將會(huì)在整個(gè)制造業(yè)發(fā)展過(guò)程中起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用。
當(dāng)萬(wàn)物互聯(lián)，企業(yè)完成IIOT化，社會(huì)是否會(huì)涌現(xiàn)出新的商業(yè)模式和金融融資方式呢?讓我們拭目以待!
（轉(zhuǎn)載）
