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从四个视角透视工业物联网

传统的工业企业中留存了大量的旧有信息系统和工业设备,这些系统和设备中运用的信息采集方式、通信模式、数据格式、操作系统往往并不统一,它们在底层所采用的信息技术可能存在极大的差异。在工业 4.0 中,目前最关键的工作就是引入 CPS ,连接各类“异构”的系统设备,实现相互间的信息兼容。在数字化的进程中, 工业物联网 的搭建需要减少对原有系统的改造,做到向下兼容(兼容老旧系统)。

所以,工业 4.0 主要以采用“功能扩展”(增加 CPS )的方式实现老设备、旧系统的“上网”,注重的是三个“集成”(三类集成:横向集成、纵向集成、端到端集成),而并不是重构工业系统底层的信息架构(重构协议标准并开放接口)。

从目标来看,工业互联网和工业 4.0 是高度一致的,即通过工业系统的联网来聚合能力,再灵活运用,服务于个性化、创造性的需求,并产生新的商业模式和生态。

在工业互联网白皮书中,将工业互联网描述为:致力于工业控制系统联网,使之形成大型的端对端系统。工业互联网系统能与人联接,能充分集成企业内部系统、工艺流程和分析工具。这样的端对端系统被称为“工业互联网系统( IISs )”。

工业互联网的架构,从商业利益诉求开始(联盟的发起者都为大型企业),基于各类应用,进行生态体系的研究,并通过简化方式对系统架构进行解释,便于各领域组织和个人的理解。

不同于工业 4.0 在“集成”之上,更注重供应链(价值链)的研究,工业互联网则更偏向于对利益相关者 - “角色”的研究。生产分工的“角色”,不仅仅是指产业链上下的企业和组织,还包括了企业中的各类职业人士,包括商业决策者、技术工程师、产品经理等。在工业 4.0 中也有大量内容关于对“劳动者(人)”的调研和阐述,但主要是从社会学、人力资源管理学进行整体性的思考。

一、工业物联网的四层视角

从“角色”的需求出发,工业互联网提出了四层“视角( Viewpoint )”的结构(有些文章中也称之为“组件”)。

1. 业务视角( Business Viewpoint )

在工业互联网的搭建中,业务视角关注于识别利益相关者的商业视野、价值观和目标。相关人员(包括行业用户)需要思考如何通过工业互联网提供的基本功能来实现商业目标。(行业用户:业务决策者、产品经理、系统工程师等)

2. 应用视角( Usage Viewpoint )

应用视角定位于可靠、复杂的系统应用(功能)。通过专业用户或逻辑用户自助式的一系列操作(使用过程),能够获取到系统的基本功能或服务,并将其拼装成成熟的商业应用。(专业用户:系统工程师、产品经理等;逻辑用户:智能终端)

3. 功能视角( Functional Viewpoint )

功能视角聚焦于工业互联网系统中的基本功能模块(系统的零部件),以支持上层应用组件的运行。功能视角主要研究模块之间的关联关系、组合结构、信息交互接口、使用流程和步骤,以及功能模块和系统外界环境的关联关系。(系统和组件架构师、开发人员、集成商)

4. 执行视角( Implementation viewpoint )

执行视角主要关注的是功能视角中的信息技术元素,包括具体的工业控制系统、通信方案和软件程序。执行组件(视角)关注于工业物联网最基本、核心的技术架构,功能(视角)在执行视角的技术架构上搭建,使得多个应用(视角)能够协同工作,并实现业务的完整交付。(系统和组件架构师、开发人员和集成商 , 和系统运营商。)

工业互联网认为,工业领域的控制系统( ICS )已经能够实现跨产业部门的工业自动化。它们通过对物理世界的感知,获得信息的“激励”,并通过“固化”、明确的逻辑运算,向执行器发布指令信号,从而由设备上的机械装置改变物理世界和环境的状态。这种“控制”过程由工程师精心设计,使得自动化设备的所有行为都明确并固定下来。但如果生产环境发生改变,生产产品需要升级,那么必须由工程师重新设计并调整系统,这有可能需要启动一个生产线的“精益”项目。(精益 -Lean :制造业领域专有名词,可简单理解为:改进生产系统并提升生产线的能效)。

要适应生产环境和商业需求的变化,控制系统中的信号处理元器件,首先需要与外部信息系统组网通信,其次需要建立共通的“语言”(通信协议、数据规范),还要能够接受上层应用的调配和指挥,以此实现灵活的“柔性生产”,与其他商业系统协同“智造”。

四层视角之中,“执行视角”主要是构建信息流的通道(从通信行业的角度来说,就是拓扑、接口、规范和消息流程)。在“执行视角”中的独立设备和系统,会按照接口规范输出传感信号或接受指令信号,在“功能视角”中形成数字化映射,即在虚拟世界获得一个“身份”,能被其他信息系统进行查询、访问、调用、关停等。

四个视角中的系统和能力是相互交织,只是看待的角度层面不同。商业视角和应用视角更多的是从商业的角度来看待生产活动,它更关心的是资金、客户关系、供应链、人力资源、企业资产、产品的生命周期等等,是从上(需求)向下(实现)看待工业物联网。功能组件和执行组件是从信息技术、行业技术的角度来看生产活动,它聚焦于如何调配计算资源、如何传递信息、如何操作设备、系统的维护和运营、技术构架的健壮性和安全性,更层次化、深入化地理解工业物联网系统,关注于它的“有机性”。

二、工业物联网的技术架构

在工业互联网的四个组件中,功能视角和执行视角都是从技术的角度来拆解工业互联网。其中,功能视角关注工业整体系统,是顶层的技术架构,定义并展现了工业核心能力的相互关系;执行视角关注信息系统结构,是支撑功能视角的数字化基础,它对工业物联网的信息 / 网络能力进行了层级划分。

通俗的来说,执行视角描述了一个人(工业)的“神经网络”,而功能视角则呈现了一个人(工业)的“器官组织”。工业互联网通过这两种视角,注重于理清信息技术与工业技术之间的关系。就目前来看,工业 4.0 的架构思路倾向于将信息技术进行改进和叠加。相对而言,工业互联网则更关注未来工业系统的重构,使得信息和工业深度、有机的融合。

1. 功能视角

工业互联网联盟希望有一个明晰的、技术层面的功能结构,一方面兼容工业自动化原本传统的工业技术结构,并且普适于大多数的工业信息系统(如 ERP 等),另一方面能够具有良好的扩展性和健壮的系统性,可以达到全面数字化生产的程度,并适合相关企业和人员来进行理解、设计、开发、运营。所以,工业互联网对工业领域和信息领域的技术进行了融合,并定义和划分相应的功能模块,提出了“功能视角”的概念,这便是工业互联网的顶层功能架构:功能域模型。

功能域模型由五个基础的功能域组成。企业的信息系统可以包含所有的功能域,也可能是其中几个,还可以是单独一个功能域,每个功能域都是相对独立、完整的系统。当然,实际的业务系统会根据应用特色,删减或修改功能域中的某些细节性技术,但这不会影响工业互联网的整体结构。

( 1 ) 控制域

控制域整体部署在物联网边缘,贴近实物和环境,在物联网结构之中处于边缘位置。控制域包括:

感测,是传感器对设备、环境的感知;

驱动,就是指通过传递指令信号,使得设备上的机械部件或电路开关实施规定动作。此外,向电子标签等存储设备注入数据也是驱动的一种类型。

交流,是指信息在边缘网络中传递。

实体抽象可以理解为物的“数字化”,即物的(状态或属性)实体信息由统一、规范、有实际意义的数据(即数字化信息)来表示,这样上层系统就可以解读感测信息、改写设备状态(驱动)。实体抽象是物理系统和信息系统的桥梁,完成虚拟和现实相互间的映射。在物联网领域中,“数字化”的狭义理解就是“实体抽象”。

建模,是对物理世界的系统性描述(包括对单一事物的分析和预测能力)。建模的对象可以是生产设备(例如通过采集大量的设备状态信息,来预测设备的隐性故障),也可以是外部环境(例如机器乒乓球手,通过视频中的乒乓球轨迹,来判断球的落点)。建模的数据源来自下层的“实体抽象”。复杂的建模需要融合高深的行业技术知识,并通过高等计算(人工智能到等)来实现。

执行者通过对控制目标的解读,按照自有的控制逻辑,实施一系列的操作(向驱动和感测传达指令)。执行者具有自主性,具有一定的决策权和智能,可以动态、灵活地完成任务。当然,对于一些特别重要或简单的控制目标,执行者会不经过逻辑判断,直接执行。

整个控制域实现了(控制)目标和(物理)行为的统一。

( 2 )操作域

操作域是对控制域系统的集中化运营,它可以远离控制域,实现远程的监管。操作域主要的职责包括:

为功能(组件)的实现,调配和部署资源并进行相应管理。

为保证功能的健壮性,操作域还需要具备监测和诊断分析的能力:通过分析系统的关键性能指标,来评估系统的健康,针对系统故障、性能下降等问题,及时上报或预警。

操作域除了“反应式”的运营方式外(出现告警后再处理),还需要支持预测和优化:预测故障和系统瓶颈,在故障和问题发生前处理(预测性维护);掌控各类资源的利用率和下层系统设备的情况,通过调整资源分配来实现生产优化(例如动态地关闭一些空载运行的机器,来节省工厂的电力消耗)

在预测分析方面,操作域需要信息域的帮助,以弥补他可能在计算能力上的不足。

( 3 ) 信息域

从不同的域中采集信息,并将这些大量的异构信息进行转换、建模、存储,最终实现高级分析的功能(分析系统瓶颈或预测产业链趋势)。

文章来源:中国物联网