工业互联网信息模型白皮书-(征求意见稿)

工业互联网信息模型白皮书（征求意见稿）2020年4月目录一、概述............................................................1（一）构建工业互联网信息模型将助力工业互联网信息交互..............1（二）传统工业垂直领域信息模型难以满足工业互联网协同发展需求......3（三）构建工业互联网信息模型将推动工业互联网的高质量发展..........4二、3IM的内涵......................................................4（一）3IM的范围..................................................4（二）3IM的定义..................................................6三、3IM的应用......................................................7（一）设备-设备闭环...............................................8（二）设备/系统-信息系统闭环......................................8（三）设备/系统-信息系统-应用闭环.................................9（四）企业-产品-用户闭环..........................................9四、3IM的框架.....................................................10（一）3IM基本框架...............................................10（二）3IM的包含与被包含关系.....................................11（三）3IM包含的关键要素.........................................14（四）3IM和工业互联网体系架构的关系.............................14五、构建3IM的主要步骤.............................................17（一）需求确定...................................................17（二）了解现状...................................................18（三）定义信息模型...............................................18（四）搭建信息模型实例...........................................18（五）测试验证...................................................19（六）部署实施...................................................19（七）推广应用...................................................20六、附件...........................................................20（一）应用场景概览...............................................20（二）机械工业仪器仪表综合技术经济研究所制造装备信息模型.........21（三）中国科学院沈阳自动化研究所机器视觉信息模型.................24（四）华为技术有限公司OceanConnectIoT云服务信息模型............27前言受各国战略引领和市场推动影响，全球工业互联网信息的应用呈现加速发展态势，各企业和研究单位纷纷涉足工业互联网信息标准化领域，试图寻找一种有效可靠的方法，实现信息的互联互通互操作。近年来，国内外一些研究组织和单位机构陆续开展了信息模型的相关研究工作，信息模型技术方向的研究成果也得到不断丰富。国内方面，中国信息通信研究院、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中科院沈阳自动化研究所、华为等单位针对信息模型相关技术展开研究，涉及到信息模型的通用建模规则、模型元素定义、语义化描述方法以及信息模型统一描述等内容。国际方面，IEC和IIC等国际组织陆续开展信息标准的制定工作，德国西门子公司通过数字孪生的形式提出的信息模型可以实现对实体属性和行为的数字化表述。OPC基金会在OPCUA信息模型方面持续布局，通过定义统一数据接口，实现不同厂商软件之间的数据交换，德国电气与电子制造商协会在资产管理壳中应用信息模型对资产进行描述，实时体现资产的状态，并具有信息交互功能。IVI在实现相互通信和连接方面也应用到了信息模型技术。尽管如此，针对工业互联网信息模型的研究仍处于起步阶段，相关系列标准也只被某几家单位所发布或者遵守。信息模型只有经过广泛使用之后，才能实现其价值。目前还存在信息模型之间语义互操作难题，不同标准之间的信息模型描述有待统一，不同行业的信息模型还没有形成集聚优势，通用信息模型与行业信息模型对接不够充分，信息模型的研究范围有待扩大，信息模型的应用有待加强，基于信息模型的安全、管理等有待进一步研究，基于信息模型的测试床有待建设，综合服务平台有待搭建以形成持续服务能力。编写说明1）目前，国内外关于信息模型的研究有很多，为作区分，本白皮书中的信息模型全称为工业互联网信息模型，英文名称为“IndustrialInternetInformationModel”，简写为“3IM”；2）文中提到的信息模型均是指工业互联网信息模型，即3IM；3）工业互联网信息模型的发展总体还处于起步阶段，本白皮书对工业互联网信息模型的认识也还是初步和阶段性的，后续将根据工业互联网信息模型的发展情况和来自各界的反馈意见，在持续深入研究的基础上适时修订和发布新版报告；4）本白皮书将工业四大要素：产品、过程、设备、服务称为对象。—1—一、概述工业互联网通过打造网络、平台、安全三大功能体系，实现人、机、物等的互联，构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型工业生产制造和服务体系。其中，网络是实现工业互联网全面连接的基础，随着工业企业由单点数字化向全面互联网络化、全局智能化方向发展，传统工业系统也将逐步由串行金字塔型通讯结构转变为网状通讯结构。在实现网络互联互通的基础上，进而实现设备与设备、设备与系统、系统与系统之间语义层面信息的无缝衔接和传递。工业互联网信息模型可以实现工业互联网信息在语义层面的标准化描述，从而保证互联之后各工业互联网对象的信息能够交互。作为实现工业互联网信息标准化的基础，构建工业互联网信息模型至关重要。（一）构建工业互联网信息模型将助力工业互联网信息交互1.工业互联网发展需要打破信息孤岛现象从工厂内网来看，当前一个工厂内部的信息往往来源于不同的工业设备、软硬件平台、操作系统、网络环境等，如，DCS、PLC等底层控制系统以及上层的MES、PLM、ERP等信息化系统通常来源于不同的厂家。由于信息交互方式不统一、不同信息源之间缺少有效的协作机制等原因，系统间的信息传递不畅，存在信息孤岛现象。从企业间和产业链协作来看，不同企业间的系统、数据—2—很难打通，尚未实现全产业链、全价值链的全面连接。构建工业互联网信息模型，可以实现信息的标准化表述及流动，是打破信息孤岛现象的一种便捷的解决方案。2.构建信息模型将有效提高工业互联网信息交互效率工业互联网对象的信息通常分散存在于各种信息源上，各单元之间独立开发，互不干涉，而且工业互联网对象的信息可能存在重复或者缺失的情况，因此，来自不同信息源的信息无法顺利交互。随着先进技术的应用，如先进的分析应用程序，对信息交互的需求越来越迫切，用于交互的信息量也越来越多，这种情况下的信息交互成本更高。信息模型通过构建信息之间的关联关系，提供标准化的信息格式，能够有效提高工业互联网信息交互效率。3.信息模型的作用随着工业互联网发展越来越凸显在今天的工业互联网中，云平台、网络、具备接入网络能力的自动化设备、以及基于网络的服务已经实现。随着工业企业设备、处理器、云平台、操作系统、网络通信、射频识别、可编辑逻辑控制器等技术的不断进步，各应用程序、系统和设备之间的互联变得更加便捷，对信息的流动要求更高。为了实现高效的信息交互，需要使用标准模板定义对象。信息模型作为信息互联互通互操作的基础，其发挥的作用必将越来越明显。—3—（二）传统工业垂直领域信息模型难以满足工业互联网协同发展需求1.传统工业垂直领域信息模型具有局限性目前，主流的信息模型主要来源于工业垂直领域，与现有的工业系统相似，不同领域不同厂家的信息模型互通性和适用范围存在局限性。基于AutomationML的信息模型主要用于实现生产系统间工程信息的标准化，解决工程过程中信息交换和集成问题，如，实现产线上的机器人、机械臂等相关对象间的信息互通。基于InstrumentML的信息模型主要用于实现仪表信息的标准化，包括仪表身份标识信息和仪表应用属性信息，以及仪表基本特性的描述。基于PackML的信息模型主要用于包装过程的描述，处于信息化应用层，可以实现机器状态与操作模式的信息标准化。OPCUA是垂直方向的设备互操作协议，现阶段的OPCUA信息模型层主要包括机器人信息模型、机床信息模型、机器视觉信息模型和塑料加工机械信息模型。同时，为了实现更多实体的互联互通，需要制定通用的信息模型和行业信息模型。综合来看，现有的信息模型难以覆盖工业互联网全面互联互通互操作的需求。2.工业互联网信息模型研究处于起步阶段传统工业垂直领域的信息模型标准化主要以国际电工委员会（IEC）和国际标准化组织（ISO）参与制定的标准为主，随着工业信息交互需求的不断释放，上述标准化组织尽管也在不断的—4—完善和推进跨系统跨行业的信息模型的标准化工作，针对信息模型的标准化研究仍处于起步阶段。工业互联网产业联盟（AII）于2018年启动工业互联网信息模型研究工作，密切跟踪国际国内最新标准化情况。综合来看，目前还没有形成被广泛应用的工业互联网信息模型。（三）构建工业互联网信息模型将推动工业互联网的高质量发展工业互联网信息模型的构建可以实现工业互联网领域的信息无障碍流通，推动工业互联网的协同创新，有利于工业互联网的开放共享。信息模型可以实现信息的集成，为工业互联网的互联互通互操作提供基础。信息模型通过标准化的方式，可以实现工业互联网高质量的技术创新、高质量的产品服务、高质量的组织模式和高质量的产业结构，从而推动工业数字化转型和经济高质量发展，助力现代化经济体系构建。二、3IM的内涵（一）3IM的范围工业互联网网络连接协议框架如图2-1所示。在网络层面，物理层通信指在连接参与者间的物理介质（有线或无线）上交换物理信号（电，光或其他）；链路层通信指在相邻参与者之间的共享物理链路上使用信令协议交换帧；网络层通信指数据包的交换（有限制的长度），可能通过多个链接将其路由在非相邻（远—5—程）参与者之间进行通信；传输层通信指参与者应用程序之间的消息交换（可变长度）。在应用层面，消息层通信指在参与者应用程序之间以可配置的方式交换结构化数据（状态，事件，流）；语法层通信指交换通用数据结构，如，使用通用协议来构造数据（如，语言的字母和语法规则）以及信息的结构；语义层通信指在适当的上下文中解释交换数据含义的能力。图2-13IM范围界定工业互联网信息模型主要涉及语法层和语义层，解决数据互通，实现数据和信息在全要素、全价值链、全产业链的无缝传递，使得异构的应用程序、系统等在数据层面能相互“理解”，从而实现数据互操作与信息集成。—6—（二）3IM的定