工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺化與服務化的發(fā)展趨勢

摘要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，有關這項技術的結構、原理、應用等方面將如何演化的問題備受關注。與消費互聯(lián)網(wǎng)技術相比較，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最大的不同之處在于它與工廠里的設備緊密相連，這是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之所以復雜的重要根源。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)也與此有緊密的聯(lián)系。此外，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中還出現(xiàn)了云計算、邊緣計算等新的計算環(huán)境。這些變化自然會進一步增加企業(yè)信息系統(tǒng)的復雜性。所以，針對工業(yè)設備的多樣性和多變性，采用平臺化的開發(fā)、運行和維護技術體系將成為一種必然的選擇。平臺工具和可復用組件的應用有效地提升了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的效率。此外，具有社區(qū)性質的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)模式的出現(xiàn)也將引發(fā)這一領域服務業(yè)態(tài)的發(fā)展，這也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢。本文對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺化與服務化的發(fā)展問題進行了分析，提出了相應的實現(xiàn)模式，并對相關技術的發(fā)展趨勢做出預測。關鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；平臺化；服務化；云計算；邊緣計算1引言2012年美國GE提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，2013年德國漢諾威工業(yè)博覽會上提出工業(yè)4.0，隨后在全球工業(yè)界引起極大反響。這兩種工業(yè)信息技術的應用范式有著相同的特性，都需要工業(yè)設備數(shù)據(jù)的采集和處理，并都通過互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境來實現(xiàn)這一過程。工業(yè)社會十分看好在大量工業(yè)設備接入互聯(lián)網(wǎng)之后可能帶來的巨大變革的機會，人們相信工業(yè)數(shù)據(jù)將在互聯(lián)網(wǎng)上獲得更多價值的體現(xiàn)，從而為新一輪的工業(yè)革命積蓄力量。鑒于此，許多工業(yè)軟件的提供商加入了研究、開發(fā)和推廣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的行列。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內外已經(jīng)正式發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件有100多種，其中包括一部分工業(yè)PaaS和網(wǎng)關產(chǎn)品。這些工業(yè)軟件和技術的推出加速了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也加速了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)。然而在這一進程中，由于缺乏統(tǒng)一的標準和規(guī)范，也有可能會出現(xiàn)一些與互聯(lián)網(wǎng)原則相悖的問題，例如不同供應商提供的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)軟件之間可能互不兼容。從目前的發(fā)展情況來看，這種可能性是非常大的。因此，工業(yè)界和學術界都要努力從體系架構的設計開始，深入探討工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)科學的發(fā)展模型。本文提出平臺化和服務化的發(fā)展問題，除了說明它們與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構的關系外，還指出了平臺化和服務化技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的實現(xiàn)方法，以及它們能夠成為未來發(fā)展趨勢的理由。2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的現(xiàn)狀工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是在自動化和信息化技術發(fā)展到一定程度，但工業(yè)數(shù)據(jù)的應用還處于較低水平的背景下提出的一種工業(yè)生產(chǎn)治理模式。它利用了互聯(lián)網(wǎng)的技術與云計算資源，試圖通過數(shù)據(jù)的大規(guī)模采集和處理，實現(xiàn)企業(yè)更加精細化和更加適應外部動態(tài)環(huán)境的管理。企業(yè)加入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目的就是要讓生產(chǎn)更加透明，只有這樣才能更有效地利用企業(yè)的資產(chǎn)，創(chuàng)造更多的財富。在這里，我們使用“加入”而不是“建設”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，是因為它最終將成為工業(yè)社會的一種公共服務機制，就像今天的移動通訊網(wǎng)絡一樣，“入網(wǎng)”就能獲得各種各樣的信息服務，而不需要任何用戶自行“組網(wǎng)”。目前，國內外許多企業(yè)都發(fā)布了相應的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件，例如美國GE的Predix，德國Siemens的Mindsphere，中國樹根互聯(lián)的Rootcloud等。這些軟件系統(tǒng)都有相似的結構和特點。它們都需要云計算環(huán)境的支撐，都需要通過互聯(lián)網(wǎng)連接設備與云計算環(huán)境，都需要通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關完成數(shù)據(jù)采集和上云的任務。但是在形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)，接入跨行業(yè)跨領域的企業(yè)數(shù)據(jù)等方面，很顯然還遠沒有達到預期的目標[1,2]。而這是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)獲得工業(yè)社會普遍應用的基本形態(tài)。另一方面，在應用開發(fā)過程中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還面臨兩個重要挑戰(zhàn)。一是開發(fā)成本很高，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要更多的工藝工程師的參與，但是目前的技術發(fā)展還不能滿足這一要求。大部分所謂開放的技術仍然要求用戶具有連接復雜計算機應用軟件接口（API）的能力。二是信息孤島問題，傳統(tǒng)企業(yè)信息化最大的問題就是產(chǎn)生大量的信息孤島，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)因其互聯(lián)互通特質而應該具有極強的消除信息孤島的潛力。但是，由于眾多的技術提供商根據(jù)它們自身的技術體系而建立的企業(yè)級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，難以形成覆蓋整個工業(yè)社會的互聯(lián)網(wǎng)，這對整個工業(yè)社會的數(shù)字化轉型發(fā)展肯定是非常不利的。實際上，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展問題的背后，是關于這項技術的體系架構、技術標準，以及系統(tǒng)的復雜性如何設計、如何制訂和如何處理的問題。其中，體系架構是非?；A性的問題，它不僅決定了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構成，更重要的是它界定了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標、任務和對應的技術路線。技術標準的重要性來源于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的人-機-物構成的客觀需求，但是要建設這樣一個龐大的標準體系并不是一項容易的事情。每一個技術提供商都更傾向于強調他們的主張，而弱化對建設工業(yè)公共基礎設施的重視程度。再加上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本身就是一種典型的復雜大系統(tǒng)，要應對上述挑戰(zhàn)更不是一件容易做到的事情。我們必須為此尋求一些新的發(fā)展模式。針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構的特點，將其發(fā)展納入到平臺化和服務化的框架中，這是本文提出應對挑戰(zhàn)的一種思路。3體系架構的設計工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是典型的復雜大系統(tǒng)。因為它將設備、人和互聯(lián)網(wǎng)（含計算機與網(wǎng)絡）連接在一起，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量龐大，結構復雜。工業(yè)門類很多，不同行業(yè)對數(shù)據(jù)、信息和決策的要求差異很大，這也進一步增加了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的復雜性。此外，由于生產(chǎn)工藝技術的提升，市場環(huán)境的變化等因素，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求幾乎每時每刻都在發(fā)生著不同程度的變化。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用開發(fā)模式大部分還停留在企業(yè)級的信息化系統(tǒng)層面上，開發(fā)的人工與時間成本都非常高。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構涉及軟硬件的組成與結構，工業(yè)數(shù)據(jù)的組成與結構，以及相關技術資源的組成和應用模式等。由此可見，如果要為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供一種全新的體系架構，不僅要極大地降低系統(tǒng)的復雜性，而且要極大地提升技術資源的復用性，只有這樣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)才能真正發(fā)展起來。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種分布式的數(shù)字化大系統(tǒng)，所以它的軟硬件特征主要是數(shù)量多、分布廣。為了能夠提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的效率，便于整套網(wǎng)絡的運行管理，其體系架構的設計應按照一個整體來考慮。圖1是所有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都具有的4層架構，即從左到右分別為設備層、網(wǎng)絡層、核心層和應用層。其中設備層，也稱為邊緣層，是由工業(yè)設備的通訊部分和網(wǎng)關設備共同組成的。設備層中還有可能包含邊緣計算單元。網(wǎng)絡層，也稱為通訊層，這是由互聯(lián)網(wǎng)構成的一種基礎設施，用于將工業(yè)設備與核心層聯(lián)系在一起。核心層是由云計算資源構成的，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的中心。應用層主要由人機交互的終端設備構成，將各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用過程或結果顯示在特定的軟件視窗上，同時也從這里輸入工業(yè)用戶的應用需求。該架構與業(yè)界通常認為的三層架構[3]區(qū)別在于突出了基礎互聯(lián)網(wǎng)的作用，即這里所謂的網(wǎng)絡層。圖1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的4層架構從圖1的體系架構可以看出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以連接的設備很多，可以執(zhí)行的應用也很多，這些設備和應用都依靠大量的數(shù)據(jù)保持著某種邏輯上的關系。為此，必須要有一種操作系統(tǒng)性質的基礎軟件來維持這樣的關系，并且能夠適應這種關系可能發(fā)生的各種變化。圖2是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)4層架構基礎之上建立的一種新的體系架構表達形式。其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內核包含了大量的計算資產(chǎn)，它們的作用是對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行處理，并將處理結果返回工業(yè)系統(tǒng)中的管理者與生產(chǎn)者，以及對應的工業(yè)設備。我們把具有這種特征的內核稱為一種平臺。在平臺的外部包裹著一圈軟件服務資產(chǎn)，分別提供：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)設備之間的數(shù)據(jù)通訊服務，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)、部署、運維等后臺支持服務，工業(yè)APP數(shù)據(jù)通訊服務，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與其它信息技術系統(tǒng)的第三方數(shù)據(jù)通訊服務?？傊?，這里所謂軟件服務資產(chǎn)本質上就是一組與平臺外的信息系統(tǒng)維持數(shù)據(jù)通訊的功能模塊。圖2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺化與服務化結構設想4平臺化和服務化技術工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺化需要一個嚴格的定義，因為這涉及到整個工業(yè)大系統(tǒng)不同區(qū)域、不同應用之間的互聯(lián)互通應具備哪些特征的問題，同時這也是相關技術研究與發(fā)展的必然要求[4]。因此，面對如圖1所示的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構，如果認定它是平臺化的，則應具有以下三個方面的特征：（1）要有特定的計算環(huán)境，使得工業(yè)用戶無論是在云計算還是邊緣計算環(huán)境中，都能夠依據(jù)統(tǒng)一的算法模型來建構分布式的計算關系；（2）要有連接工業(yè)設備數(shù)據(jù)源的快捷方法，包括通用網(wǎng)關產(chǎn)品的應用及其協(xié)議解析方法，并具有為不同的應用提供互操作的能力，建立全網(wǎng)設備的互聯(lián)互通機制；（3）存在一定數(shù)量并可持續(xù)添加的公共技術資源，用于支撐各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)，滿足高效和低成本的要求。從上述特征可知，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺化的優(yōu)勢是非常明顯的。采用統(tǒng)一算法模型的分布式計算環(huán)境，只要其計算單元的顆粒度合適，就能夠很好地利用分布特性解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的復雜系統(tǒng)問題。另一方面，如果每個計算單元的結構對稱，且采用數(shù)據(jù)驅動的技術，那么在計算的可視化和可動態(tài)重構方面還能夠創(chuàng)造更有利的條件。平臺化另一個顯著好處在于用系統(tǒng)配置取代了大規(guī)模軟件的編程，同時也有效地解決了制約工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵問題，即異構工業(yè)設備的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合問題。平臺化集成了數(shù)據(jù)的流動通道，為設備或應用之間的互聯(lián)互通創(chuàng)造了有利的條件。由于平臺化可支撐多項平行的任務，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的公共技術資源（例如微服務或工業(yè)機理模型）均可采用與應用完全對稱的方式呈現(xiàn)，這對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)社區(qū)建設，以及軟件資源的復用和提高應用開發(fā)的效率來說都是非常重要的?？傊脚_化更有利于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)人、機、物的協(xié)同統(tǒng)一。為了采用數(shù)據(jù)驅動技術進行計算，我們設計了一種如圖3所示的虛擬計算環(huán)境。它利用內存資源建立一種實時數(shù)據(jù)庫，并將計算過程等效于該數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新過程。因此，需要一種數(shù)據(jù)庫的計算機制。這個功能由圖3中的數(shù)據(jù)引擎模塊完成。內存數(shù)據(jù)庫中包含靜態(tài)與動態(tài)兩種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)引擎利用其中的靜態(tài)數(shù)據(jù)做驅動，完成其動態(tài)數(shù)據(jù)的更新。為了讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的平臺能夠滿足工程技術人員開發(fā)相關應用和未來社區(qū)生態(tài)的建設與發(fā)展的要求，我們引入了圖計算技術。應用開發(fā)人員可以利用圖計算工具來構建相關算法的圖結構。這種結構具有相對比較直觀的邏輯關系，它還能夠通過自動編譯技術，將圖形結構映射為特定的數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的無代碼開發(fā)模式。借助這種圖形結構與數(shù)據(jù)模型的映射關系，我們還可以輕松實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用計算的可視化和可動態(tài)重構的功能。圖3數(shù)據(jù)引擎計算單元原理示意圖平臺化為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務化也創(chuàng)造了有利條件。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)和應用過程中，工業(yè)用戶之所以需要大量的技術服務，主要原因是：（1）為了避免重復性的開發(fā)；（2）為了充分利用平臺中的共享技術資源；（3）為了更專業(yè)地管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運行與發(fā)展。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中，盡管服務提供方未必都能具備用戶企業(yè)的生產(chǎn)和管理專業(yè)知識，但是他們仍然能夠在軟件開發(fā)工具提供，算法組件開發(fā)，平臺部署，應用運行保障，以及工業(yè)數(shù)據(jù)處理方面提供十分專業(yè)的技術支持。在平臺化基礎上實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的服務化，其本質作用主要體現(xiàn)在優(yōu)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈上，努力將工業(yè)用戶應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的門檻降下來，例如采用大量的自動配置的方式，讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用更依賴于技術的服務，而不是技術的開發(fā)。只有這樣，才能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。服務化也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要體現(xiàn)。這是產(chǎn)業(yè)鏈延伸的必然趨勢，也是引入云計算、邊緣計算后可支配算力大幅度提升的必然結果。當然，服務化除了需要平臺化技術的支撐外，還需要從上述三個方面的需求出發(fā)，建立并持續(xù)完善服務的形式與內含。一些具體的服務示例如表1所示。表1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺服務類型與服務示例在避免重復性的開發(fā)方面，技術服務提供方能夠從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結構設計與部署，常規(guī)應用的算法開發(fā)，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用范式等幾個方面提供經(jīng)過多個用戶應用檢驗的相對比較成熟的技術給新的用戶。隨著服務對象的不斷增加，這類服務的質量就會保持持續(xù)提升的趨勢。這對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的新用戶來說是非常重要的。他們不用在復雜的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設和應用開發(fā)上投入更多的人力、財力和物力，可以專注于他們企業(yè)專有的技術和管理問題的解決。在技術資源的共享方面，技術服務提供方需要在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上投資建設較大規(guī)模和較為復雜的技術基礎設施（例如產(chǎn)品設計類軟件、系統(tǒng)仿真類軟件、工業(yè)大數(shù)據(jù)分析類軟件和工業(yè)共性技術算法軟件開發(fā)包等），然后按需按時將資源分配給需要這些服務的企業(yè)用戶，避免了企業(yè)用戶自行投資但利用率又不是很高，運行維護又非常復雜，升級成本也不菲的軟件系統(tǒng)，充分發(fā)揮工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源共享的作用。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運行管理方面，技術服務提供方需要對用戶企業(yè)的IT資產(chǎn)，包括計算環(huán)境和應用軟件的運行狀態(tài)進行不間斷的監(jiān)控管理，確保用戶企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠滿足生產(chǎn)、管理的各項要求。這項服務的基礎是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結構和管理對于用戶企業(yè)來說足夠復雜，自行運維的人力成本比較高，以及難以做到合理配置計算資源等情況。鑒于以上分析，我們提出一種面向服務的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的架構設計，如圖4所示。其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心部分是云平臺，除了數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)引擎陣列外，需要部署共享資源、運維管理和開發(fā)管理三個基本服務模塊。工廠設備的數(shù)據(jù)經(jīng)過邊緣層后送入云平臺的數(shù)據(jù)碼頭進行緩存處理。云平臺的服務窗口用于工廠管理和生產(chǎn)各項應用的響應，即應用的可視化窗口。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的第三方，技術服務提供方的主要任務包括與企業(yè)用戶連接，處理企業(yè)的應用需求，調用解決方案庫，提供應用開發(fā)服務。另外通過云平臺的服務接口，獲取工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運行狀態(tài)信息，提供運維管理，確保工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與企業(yè)生產(chǎn)管理過程保持同步。圖4面向服務的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構設計5工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系的演化在平臺化和服務化技術的推動下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)體系也將會發(fā)生一些新的變化。首先是我們預測在不久的將來，平臺社區(qū)將會出現(xiàn)。在平臺化技術的推動下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構、平臺構成，以及應用模式都會進一步的演化，這不僅會推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心技術的標準化，而且有可能盡快形成若干定型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用范式。增強應用的共性基礎是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)健康發(fā)展的重要力量。與此同時，這種演化還有利于信息技術的成長空間從基于編程代碼的開源社區(qū)向基于算法組態(tài)的開源社區(qū)轉變。換言之，將會有更多的掌握工業(yè)知識的專業(yè)人員加入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)體系的建設中來，這與純粹由信息技術的專業(yè)人員主導的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更有利于該領域技術的發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用場景是多樣和多變的，這就決定了它的應用結構要遠比消費互聯(lián)網(wǎng)復雜很多。平臺社區(qū)的出現(xiàn)和建設，將在很大程度上提升共性知識的復用能力，從而有效降低工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的成本。我們從這些分析中不難看出，如果沒有這樣的變化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展是難以維系的。其次是我們預測在不久的將來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式會變得更加明顯，并進入逐漸成熟的階段。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的企業(yè)信息化發(fā)展模式還沒有本質上的區(qū)別，雖然這里出現(xiàn)了云計算和互聯(lián)網(wǎng)這兩個新要素，但它們都僅僅是時空上的擴張而已。工業(yè)