工業互聯網平臺化與服務化的發展趨勢

摘要：隨著工業互聯網的快速發展，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。與消費互聯網技術相比較，工業互聯網最大的不同之處在于它與工廠里的設備緊密相連，這是工業互聯網之所以復雜的重要根源。

工業互聯網應用的開發也與此有緊密的聯系。此外，在工業互聯網中還出現了云計算、邊緣計算等新的計算環境。這些變化自然會進一步增加企業信息系統的復雜性。所以，針對工業設備的多樣性和多變性，采用平臺化的開發、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互聯網應用開發的效率。此外，具有社區性質的工業互聯網生態模式的出現也將引發這一領域服務業態的發展，這也是工業互聯網產業發展的重要趨勢。本文對工業互聯網平臺化與服務化的發展問題進行了分析，提出了相應的實現模式，并對相關技術的發展趨勢做出預測。

關鍵詞：工業互聯網；平臺化；服務化；云計算；邊緣計算

1 引言

2012年美國GE提出工業互聯網，2013年德國漢諾威工業博覽會上提出工業4.0，隨后在全球工業界引起極大反響。這兩種工業信息技術的應用范式有著相同的特性，都需要工業設備數據的采集和處理，并都通過互聯網環境來實現這一過程。

工業社會十分看好在大量工業設備接入互聯網之后可能帶來的巨大變革的機會，人們相信工業數據將在互聯網上獲得更多價值的體現，從而為新一輪的工業革命積蓄力量。鑒于此，許多工業軟件的提供商加入了研究、開發和推廣工業互聯網的行列。據不完全統計，目前國內外已經正式發布的工業互聯網系統軟件有100多種，其中包括一部分工業PaaS和網關產品。這些工業軟件和技術的推出加速了工業互聯網產業的發展，也加速了工業互聯網應用的開發。然而在這一進程中，由于缺乏統一的標準和規范，也有可能會出現一些與互聯網原則相悖的問題，例如不同供應商提供的工業互聯網軟件之間可能互不兼容。從目前的發展情況來看，這種可能性是非常大的。

因此，工業界和學術界都要努力從體系架構的設計開始，深入探討工業互聯網科學的發展模型。

本文提出平臺化和服務化的發展問題，除了說明它們與工業互聯網體系架構的關系外，還指出了平臺化和服務化技術在工業互聯網中的實現方法，以及它們能夠成為未來發展趨勢的理由。

2 工業互聯網技術發展的現狀

工業互聯網是在自動化和信息化技術發展到一定程度，但工業數據的應用還處于較低水平的背景下提出的一種工業生產治理模式。它利用了互聯網的技術與云計算資源，試圖通過數據的大規模采集和處理，實現企業更加精細化和更加適應外部動態環境的管理。企業加入工業互聯網的目的就是要讓生產更加透明，只有這樣才能更有效地利用企業的資產，創造更多的財富。在這里，我們使用“加入”而不是“建設”工業互聯網，是因為它最終將成為工業社會的一種公共服務機制，就像今天的移動通訊網絡一樣，“入網”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”。

目前，國內外許多企業都發布了相應的工業互聯網系統軟件，例如美國GE的Predix，德國Siemens的Mindsphere，中國樹根互聯的Rootcloud等。這些軟件系統都有相似的結構和特點。它們都需要云計算環 境的支撐，都需要通過互聯網連接設備與云計算環境，都需要通過數據網關完成數據采集和上云的任務。

但是在形成工業互聯網社區，接入跨行業跨領域的企業數據等方面，很顯然還遠沒有達到預期的目標[1,2]。而這是工業互聯網獲得工業社會普遍應用的基本形態。

另一方面，在應用開發過程中，工業互聯網的發展還面臨兩個重要挑戰。一是開發成本很高，工業互聯網需要更多的工藝工程師的參與，但是目前的技術發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，傳統企業信息化最大的問題就是產生大量的信息孤島，工業互聯網因其互聯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它們自身的技術體系而建立的企業級工業互聯網，難以形成覆蓋整個工業社會的互聯網，這對整個工業社會的數字化轉型發展肯定是非常不利的。

實際上，在工業互聯網發展問題的背后，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，體系架構是非常基礎性的問題，它不僅決定了工業互聯網的構成，更重要的是它界定了工業互聯網的目標、任務和對應的技術路線。技術標準的重要性來源于工業互聯網的人-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，而弱化對建設工業公共基礎設施的重視程度。再加上工業互聯網本身就是一種典型的復雜大系統，要應對上述挑戰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展模式。針對工業互聯網體系架構的特點，將其發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的一種思路。

3 體系架構的設計

工業互聯網是典型的復雜大系統。因為它將設備、人和互聯網（含計算機與網絡）連接在一起，網絡節點數量龐大，結構復雜。工業門類很多，不同行業對數據、信息和決策的要求差異很大，這也進一步增加了工業互聯網的復雜性。此外，由于生產工藝技術的提升，市場環境的變化等因素，工業互聯網的需求幾乎每時每刻都在發生著不同程度的變化。目前，工業互聯網的應用開發模式大部分還停留在企業級的信息化系統層面上，開發的人工與時間成本都非常高。工業互聯網的體系架構涉及軟硬件的組成與結構，工業數據的組成與結構，以及相關技術資源的組成和應用模式等。由此可見，如果要為工業互聯網提供一種全新的體系架構，不僅要極大地降低系統的復雜性，而且要極大地提升技術資源的復用性，只有這樣工業互聯網才能真正發展起來。

由于工業互聯網是一種分布式的數字化大系統，所以它的軟硬件特征主要是數量多、分布廣。為了能夠提高工業互聯網應用開發的效率，便于整套網絡的運行管理，其體系架構的設計應按照一個整體來考慮。

圖1是所有工業互聯網都具有的4層架構，即從左到右分別為設備層、網絡層、核心層和應用層。其中設備層，也稱為邊緣層，是由工業設備的通訊部分和網關設備共同組成的。設備層中還有可能包含邊緣計算單元。網絡層，也稱為通訊層，這是由互聯網構成的一種基礎設施，用于將工業設備與核心層聯系在一起。核心層是由云計算資源構成的，是工業互聯網數據處理的中心。應用層主要由人機交互的終端設備構成，將各種工業互聯網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用戶的應用需求。該架構與業界通常認為的三層架構[3]區別在于突出了基礎互聯網的作用，即這里所謂的網絡層。

圖1 工業互聯網的4層架構

從圖1的體系架構可以看出，工業互聯網可以連接的設備很多，可以執行的應用也很多，這些設備和應用都依靠大量的數據保持著某種邏輯上的關系。

為此，必須要有一種操作系統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生的各種變化。圖2是在工業互聯網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，工業互聯網內核包含了大量的計算資產，它們的作用是對工業互聯網的數據進行處理，并將處理結果返回工業系統中的管理者與生產者，以及對應的工業設備。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，分別提供：工業互聯網與工業設備之間的數據通訊服務，工業互聯網開發、部署、運維等后臺支持服務，工業APP數據通訊服務，以及工業互聯網與其它信息技術系統的第三方數據通訊服務。總之，這里所謂軟件服務資產本質上就是一組與平臺外的信息系統維持數據通訊的功能模塊。

圖2 工業互聯網平臺化與服務化結構設想

4 平臺化和服務化技術

工業互聯網的平臺化需要一個嚴格的定義，因為這涉及到整個工業大系統不同區域、不同應用之間的互聯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展的必然要求[4]。因此，面對如圖1所示的工業互聯網體系架構，如果認定它是平臺化的，則應具有以下三個方面的特征：（1）要有特定的計算環境，使得工業用戶無論是在云計算還是邊緣計算環境中，都能夠依據統一的算法模型來建構分布式的計算關系；（2）要有連接工業設備數據源的快捷方法，包括通用網關產品的應用及其協議解析方法，并具有為不同的應用提供互操作的能力，建立全網設備的互聯互通機制；（3）存在一定數量并可持續添加的公共技術資源，用于支撐各種工業互聯網應用的開發，滿足高效和低成本的要求。

從上述特征可知，工業互聯網平臺化的優勢是非常明顯的。

采用統一算法模型的分布式計算環境，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互聯網的復雜系統問題。

另一方面，如果每個計算單元的結構對稱，且采用數據驅動的技術，那么在計算的可視化和可動態重構方面還能夠創造更有利的條件。平臺化另一個顯著好處在于用系統配置取代了大規模軟件的編程，同時也有效地解決了制約工業互聯網發展的關鍵問題，即異構工業設備的數據采集與數據融合問題。平臺化集成了數據的流動通道，為設備或應用之間的互聯互通創造了有利的條件。

由于平臺化可支撐多項平行的任務，工業互聯網中的公共技術資源（例如微服務或工業機理模型）均可采用與應用完全對稱的方式呈現，這對于工業互聯網社區建設，以及軟件資源的復用和提高應用開發的效率來說都是非常重要的。總之，平臺化更有利于工業互聯網人、機、物的協同統一。

為了采用數據驅動技術進行計算，我們設計了一種如圖3所示的虛擬計算環境。它利用內存資源建立一種實時數據庫，并將計算過程等效于該數據庫的動態更新過程。

因此，需要一種數據庫的計算機制。這個功能由圖3中的數據引擎模塊完成。內存數據庫中包含靜態與動態兩種數據，數據引擎利用其中的靜態數據做驅動，完成其動態數據的更新。為了讓工業互聯網的平臺能夠滿足工程技術人員開發相關應用和未來社區生態的建設與發展的要求，我們引入了圖計算技術。應用開發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據模型，從而實現工業互聯網應用的無代碼開發模式。借助這種圖形結構與數據模型的映射關系，我們還可以輕松實現工業互聯網應用計算的可視化和可動態重構的功能。

圖3 數據引擎計算單元原理示意圖

平臺化為工業互聯網的服務化也創造了有利條件。在工業互聯網的開發和應用過程中，工業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；（2）為了充分利用平臺中的共享技術資源；（3）為了更專業地管理工業互聯網的運行與發展。在工業互聯網平臺中，盡管服務提供方未必都能具備用戶企業的生產和管理專業知識，但是他們仍然能夠在軟件開發工具提供，算法組件開發，平臺部署，應用運行保障，以及工業數據處理方面提供十分專業的技術支持。在平臺化基礎上實現工業互聯網的服務化，其本質作用主要體現在優化工業互聯網的產業鏈上，努力將工業用戶應用工業互聯網的門檻降下來，例如采用大量的自動配置的方式[5]，讓工業互聯網的應用更依賴于技術的服務，而不是技術的開發。只有這樣，才能滿足工業互聯網產業可持續發展的要求。

服務化也是工業互聯網產業發展的重要體現。這是產業鏈延伸的必然趨勢，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，建立并持續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 工業互聯網平臺服務類型與服務示例

在避免重復性的開發方面，技術服務提供方能夠從工業互聯網的結構設計與部署，常規應用的算法開發，以及工業互聯網應用范式等幾個方面提供經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提升的趨勢。這對于工業互聯網的新用戶來說是非常重要的。他們不用在復雜的工業互聯網系統建設和應用開發上投入更多的人力、財力和物力，可以專注于他們企業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互聯網平臺上投資建設較大規模和較為復雜的技術基礎設施（例如產品設計類軟件、系統仿真類軟件、工業大數據分析類軟件和工業共性技術算法軟件開發包等），然后按需按時將資源分配給需要這些服務的企業用戶，避免了企業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，充分發揮工業互聯網資源共享的作用。

在工業互聯網的運行管理方面，技術服務提供方需要對用戶企業的IT資產，包括計算環境和應用軟件的運行狀態進行不間斷的監控管理，確保用戶企業的工業互聯網能夠滿足生產、管理的各項要求。這項服務的基礎是工業互聯網的結構和管理對于用戶企業來說足夠復雜，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互聯網的架構設計，如圖4所示。其中，工業互聯網的核心部分是云平臺，除了數據庫和數據引擎陣列外，需要部署共享資源、運維管理和開發管理三個基本服務模塊。工廠設備的數據經過邊緣層后送入云平臺的數據碼頭進行緩存處理。云平臺的服務窗口用于工廠管理和生產各項應用的響應，即應用的可視化窗口。作為工業互聯網的第三方，技術服務提供方的主要任務包括與企業用戶連接，處理企業的應用需求，調用解決方案庫，提供應用開發服務。另外通過云平臺的服務接口，獲取工業互聯網運行狀態信息，提供運維管理，確保工業互聯網與企業生產管理過程保持同步。

圖4 面向服務的工業互聯網架構設計

5 工業互聯網生態體系的演化

在平臺化和服務化技術的推動下，工業互聯網的生態體系也將會發生一些新的變化。首先是我們預測在不久的將來，平臺社區將會出現。在平臺化技術的推動下，工業互聯網的體系架構、平臺構成，以及應用模式都會進一步的演化，這不僅會推動工業互聯網核心技術的標準化，而且有可能盡快形成若干定型的工業互聯網應用范式。增強應用的共性基礎是工業互聯網健康發展的重要力量。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向基于算法組態的開源社區轉變。

換言之，將會有更多的掌握工業知識的專業人員加入到工業互聯網的生態體系的建設中來，這與純粹由信息技術的專業人員主導的工業互聯網更有利于該領域技術的發展。工業互聯網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網復雜很多。平臺社區的出現和建設，將在很大程度上提升共性知識的復用能力，從而有效降低工業互聯網應用的成本。我們從這些分析中不難看出，如果沒有這樣的變化，工業互聯網的產業發展是難以維系的。

其次是我們預測在不久的將來，工業互聯網的商業模式會變得更加明顯，并進入逐漸成熟的階段。目前，工業互聯網與傳統的企業信息化發展模式還沒有本質上的區別，雖然這里出現了云計算和互聯網這兩個新要素，但它們都僅僅是時空上的擴張而已。工業互聯網作為一種新的業態，它的商業模式是什么，目前暫時還是比較模糊的。

這就是為什么現在工業互聯網的平臺可以多達上百種，甚至更多的根本原因。但是，隨著平臺化和服務化技術的發展，工業互聯網的商業模式已露出端倪。在邊緣層，通用網關產品技術在平臺和服務的支撐下，將出現質的飛躍，猶如幾年前移動電話到智能手機的質變一樣。另一方面，越來越強大的工業互聯網云平臺將吸引一部分第三方的技術服務提供方，產生從直接幫助企業用戶開發應用到間接提供高品質數據服務的轉變。這兩方面的變化組合起來就能產生巨大的力量，將工業互聯網的商業模式上升到工業數據運營商的層面。

企業用戶只需要將工廠設備和企業管理的數據經由通用網關上傳到工業互聯網的云平臺上，就可以通過選擇某種“套餐”的方式獲得從數據到財富的轉換成果。工業互聯網在經歷了這樣的蛻變之后，才會真正步入成熟發展的歷史階段。

6 結論

工業互聯網提出的時間還不長，相關實踐的積累也還十分有限。因此，現在對工業互聯網未來的總體走勢下結論，還為時尚早。但是，工業互聯網的平臺化和服務化這兩個方面的發展趨勢是非常清晰的。這是由互聯網、設備接入和開發者這三個方面的結合，以及信息技術發展的規律所決定的。工業互聯網體系架構的設計和相關規范的設定也對這一發展趨勢的形成起到了很重要的作用。工業界，特別是工業互聯網技術的提供商需要順應這一發展趨勢，推出平臺化和服務化有競爭力的技術和產品，搶占市場的先機。平臺化和服務化技術的快速發展和應用，還將進一步推進以工業互聯網為基礎的新工業生態環境的建立，這對于最終引發新一輪的工業革命也有相當重要的推動作用。