工业互联网体系架构

工业互联网体系架构近年来，随着以互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等为代表的新一代信息技术与传统产业的加速融合，全球新一轮科技革命和产业变革正蓬勃兴起，一系列新的生产方式、组织方式和商业模部署成本。为此，在工业和信息化部指导下，工业互联网产业联盟（以下简称All)启动了工业互联网体系架构研究，在总结国内外发展实践的基础上，撰写了工业互联网体系架构报告(1.0版），提出了工业互联网的内涵、目标、体系架构、关键要素和发展方。向报告旨在推动业界对工业互联网达成广泛共识，以体系架构为牵引，为联盟各项工作以及我国工业互联网的技术创新、标准制定、试验验证、应用实践等提供参考和引导，共同推动工业互联网的健康快速发展。工业互联网是一个长期发展和演进的过程，毫无疑问，目前我们对工业互联网的认识还是初步和阶段性的。联盟将根据国内外工业互联网的发展情况以及产业界的反馈意见，在持续深入研究的基础上适时修订和发布报告新版。明说写编Ol（一）工业互联网的内涵工业互联网的内涵用千界定工业互联网的范畴和特征，明确工业互联网总体目标，是研究工业互联网的基础和出发点，我们认为，工业互联网是互联网和新—代信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施。其本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革。工业互联网可以重点从“网络”、“数据”和“安全”三个方面来理解。其中，网络是基础，即通过物联网、互联网等技术实现工业全系统的互联互通，促进工业数据的充分流动和无缝集成；数据是核心，即通过工业数据全周期的感知、采集和集成应用，形成基于数据的系统性智能，实现机器弹性生产、运营管理优化、生产协同组织与商业模式创新，推动工业智能化发展；安全是保障，即通过构建涵盖工业全系统的安全防护体系，保障工业智能化的实现。工业互联网的发展体现了多个产业生态系统的融合，是构建工业生态系统、实现工业智能化发展的必由之路。工业互联网与制造业的融合将带来四方面的智能化提升。一是智能化生产，即实现从单个机器到产线、车间乃至整个工厂的智能决策和动态优化，显著提升全流程生产效率、提高质量、降低成本。二是网络化协同，即形成众包众创、协同设计、协同制造、垂直电商等—系列新模式，大幅降低新产品开发制造成本、缩短产品上市周期。三是个性化定制，即苤千互联网获取用户个性化需求，通过灵活柔性组织设计、制造资源和生产流程，实现低成本大规模定制。四是服务化转型，即通过对产品运行的实时监测，提供远程维护、故障预测、性能优化等一系列服务，并反馈优化产品设计，实现企业服务化转型。工业互联网驱动的制造业变革将是—个长期过程，构建新的工业生产模式、资源组织方式也并非—跋而就，将由局部到整体、由浅入深，最终实现信息通信技术在工业全要素、全领域、全产业链、全价值链的深度融合与集成应用。（二）工业互联网和智能制造的关系作为当前新—轮产业变革的核心驱动和战略焦点，智能制造是基千物联网、互联网、大数据、云计算等新—代信息技术，贯穿千设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。具有以智能工厂为载体、以生产关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以全面深度互联为支撑四大特征。智能制造与工业互联网有着紧密的联系，智能制造的实现主要依托两方面基础能力，—是工业制造技术，包括先进装备、先进材料和先进工艺等，是决定制造边界与制造能力的根本；二是工业互联网，包括智能传感控制软硬件、新型工业网络、工业大数据平台等综合信息技术要素，是充分发挥工业装备、工艺和材料潜能，提高生产效率、优化资源配置效率、创造差异化产品和实现服务增值的关键。因此我们认为，工业互联网是智能制造的关键基础，为其变革提供了必须的共性基础设施和能力，同时也可以用千支撑其他产业的智能化发展。（一）工业互联网业务需求工业互联网的业务需求可从工业和互联网两个视角分析，如图1所示。从工业视角看，工业互联网主要表现为从生产系统到商业系统的智能化，由内及外，生产系统自身通过采用信息通信技术，实现机器之间、机器与系统、企业上下游之间实时连接与智能交互，并带动商业活动优化。其业务需求包括面向工业体系各个层级的优化，如泛在感知、实时监测、精准控制、数据集成、运营优化、供应链协同、需求匹配、服务增值等业务需求。从互联网视角看，工业互联网主要表现为商业系统变革牵引生产系统的智能化，由外及内，从营销、服务、设计环节的互联网新模式新业态带动生产组织和制造模式的智能化变革。其业务需求包括基于互联网平台实现的精准营销、个性定制、智能服务、众包众创、协同设计、协同制造、柔性制造等。图1工业互联网业务视图（二）工业互联网体系架构工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能，网络、数据、安全是工业和互联网两个视角的共性基础和支撑。其中，“网络”是工业系统互联和工业数据传输交换的支撑基础，包括网络互联体系、标识解析体系和应用支撑体系，表现为通过泛在互联的网络基础设施、健全适用的标识解析体系、集中通用的应用支撑体系，实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统与商业系统各主体之间的无缝传递，从而构建新型的机器通信、设备有线与无线连接方式，支撑形成实时感知、协同交互的生产模式。“数据”是工业智能化的核心驱动，包括数据采集交换、集成处理、建模分析、决策优化和反馈控制等功能模块，表现为通过海量数据的采集交换、异构数据的集成处理、机器数据的边缘计算、经验模型的固化迭代、基千云的大数据计算分析，实现对生产现场状况、协作企业信息、市场用户需求的精确计算和复杂分析，从而形成企业运营的管理决策以及机器运转的控制指令，驱动从机器设备、运营管理到商业活动的智能和优化。“安全＇是网络与数据在工业中应用的安全保障，包括设备安全、网络安全、控制安全、数据安全、应用安全和综合安全管理，表现为通过涵盖整个工业系统的安全管理体系，避免网络设施和系统软件受到内部和外部攻击，降低企业数据被未经授权访问的风险，确保数据传输与存储的安全性，实现对工业生产系统和商业系统的全方位保护。工业互联网体系架构如圈2所示。图2工业互联网体系架构基千工业互联网的网络、数据与安全，工业互联网将构建面向工业智能化发展的三大优化闭环。一是面向机器设备运行优化的闭环，核心是基千对机器操作数据、生产环境数据的实时感知和边缘计算，实现机器设备的动态优化调整，构建智能机器和柔性产线；二是面向生产运营优化的闭环，核心是基于信息系统数据、制造执行系统数据、控制系统数据的集成处理和大数据建模分析，实现生产运营管理的动态优化调整，形成各种场景下的智能生产模式；三是面向企业协同、用户交互与产品服务优化的闭环，核心是基于供应链数据、用户需求数据、产品服务数据的综合集成与分析，实现企业资源组织和商业活动的创新，形成网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新模式。（一）工业互联网网络体系框架随着智能制造的发展，工厂内部数字化、网络化、智能化及其与外部数据交换需求逐步增加，工业互联网呈现以三类企业主体、七类互联主体、八种互联类型为特点的互联体系，如图3所示。图3工业互联网互联示意三类企业主体包括工业制造企业、工业服务企业（围绕设计、制造、供应、服务等环节提供服务的各类企业）和互联网企业，这三类企业的角色在不断渗透、相互转换。七类互联主体包括在制品、智能机器、工厂控制系统、工厂云平台（及管理软件）、智能产品、工业互联网应用，工业互联网将互联主体从机传统的自动化控制进一步扩展为产品全生命周期的各个环节。八种互联类型包括了七类互联主体之间复杂多样的互联关系，成为连接设计能力、生产能力、商业能力以及用户服务的复杂网络系统。以上互联需求的发展，促使工厂网络发生新的变革，形成工业互联网整体网络架构，如图4所示。图4工业互联网整体网络体系目标框架与现有互联网包含互联体系、DNS体系、应用服务体系三个体系相类似，工业互联网也包含三个重要体系。一是网络互联体系，即以工厂网络IP化改造为基础的工业网络体系。包括工厂内部网络和工厂外部网络“两大网络”。工厂内部网络用千连接在制品、智能机器、工业控制系统、人等主体，包含工厂IT网络和工厂OT(工业生产与控制）网络。工厂外部网络用于连接企业上下游、企业与智能产品、企业与用户等主体。二是地址与标识体系，即由网络地址资源、标识、解析系统构成的关键基础资源体系。工业互联网标识，类似千互联网域名，用千识别产品、设备、原材料等物体。工业互联网标识解析系统，用千实现对上述物体的解析，即通过将工业互联网标识翻译为该物体的地址或其对应信息服务器的地址，从而找到该物体或其相关信息。三是应用支撑体系，即工业互联网业务应用交互和支撑能力，包含工业云平台和工厂云平台，及其提供的各种资源的服务化表述、应用协议。（二）工业互联网网络互联体系1、工厂内部网络(1)现状分析工厂内部网络是在工厂内部用千生产要素以及IT系统之间互联的网络。总体来看，工厂内部网络呈现“两层三级”的结构，如图5所示。”两层”是指“工厂OT网络”和“工厂IT网络;三级”是根据目前工厂管理层级的划分，网络也被分为“现场级”、“车间级”、“工厂级／企业级”三个层次，每层之间的网络配置和管理策略相互独立。图5工厂网络连接现状其中，工厂OT网络主要用千连接生产现场的控制器（如PLC、DCS、FCS)、传感器、伺服器、监控设备等部件。工厂OT网络的主要实现技术分为现场总线和工业以太网两大类。工厂IT网络主要由IP网络构成，并通过网关设备实现与互联网和工厂OT网络的互联和安全隔离。(2)存在的问题目前工厂内部网络“两层三级”这种技术体系和网络结构相互隔离的状况使IT系统与生产现场之间的通信存在较多障碍。—是工业控制网络与工厂信息网络的技术标准各异，难以融合互通。二是工业生产全流程存在大量”信息死角”，亟需实现网络全覆盖。三是工厂网络静态配置、刚性组织的方式难以满足未来用户定制、柔性生产的需要。(3)发展趋势为适应智能制造发展，工厂内部网络呈现扁平化、IP化、无线化及灵活组网的发展趋势。工厂内网络扁平化。—是随着智能机器发展和智能分析的集中，工厂OT系统将逐渐打破车间级、现场级分层次组网模式，智能机器之间将逐渐实现直接的横向互联。二是整个工厂管理控制系统扁平化，包括IT系统和OT系统部分功能融合（如HMI),或通过工业云平台方式实现，实时控制功能下沉到智能机器，促使IT与OT网络逐步融合为同一张全互联网络。工厂内网络以太网/IP化趋势。随着工业网络技术的发展演进，现场总线正在逐步被工业以太网替代。未来，工业内有线连接将被具有以太网物理接口的网络主导，同时基千通用标准的工业以太网逐步取代各种私有的工业以太网，并实现控制数据与信息数据同口传输。随着以太网的广泛使用，工业网络的IP化趋势将更为凸显，IP技术将由IP网络向OT网络延伸，实现信息网络的IP到底，从而使得IT与OT节点（机器）直接可达。而为解决大量支持IP的装备接入问题，1Pv6技术将在工厂内广泛应用。工厂内无线网络成为有线网络的重要补充。无线技术逐步向工业领域渗透，呈现从信息采集到生产控制，从局部方案到全网方案的发展趋势。目前无线技术主要用千信息的采集、非实时控制和工厂内部信息化等，Wi-Fi、Zigbee、2G/3G/LTE、面向工业过程自动化的无线网络WIA­PA、WirelessHART及ISAl00.1la等技术已在工厂内获得部分使用。对千低功耗、广覆盖、大连接等工业信息采集和控制场景，NB-loT将会成为较好的技术选择。同时无线技术正逐步向工业实时控制领域渗透，成为现有工业有线控制网络有力的补充或替代，如5G已明确将工业控制作为其低时延、高可靠的重要应用场景，3GPP也已开展相关的研究工作，对应用场景、需求、关键技术等进行全面的梳理，此外IEC正在制定工厂自动化无线网络WIA-FA技术标准