孫小東，王勁松，李 強，徐 珂，楊 博，謝 皓

(中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司，重慶 401122)

數(shù)字中國是新時代我國信息化發(fā)展的新戰(zhàn)略，是滿足人民群眾日益增長的美好生活需要的新舉措，也是驅(qū)動引領(lǐng)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的新動力。工業(yè)作為國家經(jīng)濟支柱，其數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為發(fā)展數(shù)字中國的必然條件，更是建設數(shù)字中國的關(guān)鍵內(nèi)容。

21世紀以來，我國經(jīng)過了信息技術(shù)高速發(fā)展的20年，數(shù)字經(jīng)濟當前正在從消費、社交領(lǐng)域向著工業(yè)領(lǐng)域延伸[1]。一方面，在企業(yè)內(nèi)部，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、知識圖譜、機器視覺、AR/VR等新技術(shù)不斷應用于制造領(lǐng)域，幫助制造業(yè)構(gòu)筑出一個數(shù)字化的生產(chǎn)空間，不僅能夠探索基于數(shù)據(jù)的工業(yè)機理知識模型，還能降低工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)成本，提升工業(yè)服務質(zhì)量。另一方面，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)改變了產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)關(guān)系，企業(yè)與企業(yè)之間的聯(lián)系變得更加緊密，跨行業(yè)、跨組織的合作不斷增多，未來企業(yè)將在競爭中合作、在合作中競爭。

工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程中，產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、清洗、關(guān)聯(lián)、加工、建模等處理程序后，統(tǒng)一匯聚到工業(yè)云平臺上，能夠幫助企業(yè)優(yōu)化研發(fā)設計、制造過程、產(chǎn)品運營、資源管理、售后服務等各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2]。而在當前，企業(yè)都已經(jīng)充分認識到了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的價值，但是如何才能更快、更好、更有效地挖掘這些數(shù)據(jù)背后的價值，工業(yè)行業(yè)的各個企業(yè)仍在不斷地探索和前進。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過實現(xiàn)人與工業(yè)設備、信息軟件、業(yè)務系統(tǒng)、產(chǎn)品服務等的全面互聯(lián)，包括從作業(yè)區(qū)、車間到經(jīng)營層、決策層的縱向互聯(lián)，以及產(chǎn)業(yè)上下游企業(yè)之間的橫向互聯(lián)，建立起生產(chǎn)全流程、價值全產(chǎn)業(yè)鏈的新一代工業(yè)生產(chǎn)和服務體系，應用范圍覆蓋產(chǎn)品從原材料采購、流程制造、產(chǎn)品生產(chǎn)到投入市場，再到報廢回收的全生命周期。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的目標是促進我國制造型企業(yè)的資源優(yōu)化配置，加快傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和持續(xù)發(fā)展，成為促進高質(zhì)量發(fā)展的重要驅(qū)動，最終實現(xiàn)工業(yè)鏈條的全數(shù)字化[3]。

一是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于云(包括私有、公有、混合等)的制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，為工業(yè)企業(yè)提供了跨工序、跨系統(tǒng)、跨廠區(qū)、跨省市甚至跨國界的數(shù)據(jù)共享與互聯(lián)，使企業(yè)可以在全局層面對研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營、服務等制造活動進行優(yōu)化，為企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新提供基礎(chǔ)條件，如圖1所示。同時，企業(yè)依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，可在更大范圍內(nèi)打破物理和組織邊界的能力，便于打通企業(yè)內(nèi)部、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)有形資產(chǎn)和無形資源有效協(xié)同，形成真正意義的無邊界組織，實現(xiàn)價值發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造從傳統(tǒng)鏈條向價值網(wǎng)絡進行拓展。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能規(guī)劃

二是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的最關(guān)鍵路徑[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)高度融合的產(chǎn)物，是一套涵蓋可視化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化等技術(shù)的綜合應用體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是通過建立實時、高速、全面的數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系，實現(xiàn)制造業(yè)的資源優(yōu)化配置，提高生產(chǎn)全流程的運行效率，推動工業(yè)實體經(jīng)濟的質(zhì)量提升和效率提升。一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)深度挖掘傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展?jié)摿?，通過引入新技術(shù)、新管理、新模式，為工業(yè)插上互聯(lián)網(wǎng)的翅膀、注入信息化的基因，加快傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的步伐。另一方面，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加速先進制造業(yè)發(fā)展步伐，催生了遠距離操作、無人化維檢、個性化定制、網(wǎng)絡化協(xié)同、智能化服務、數(shù)字化管控等新型生產(chǎn)模式，可大大加速制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型進程。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)

從系統(tǒng)架構(gòu)的角度，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺可從下到上劃分為四個層次，即邊緣接入層、基礎(chǔ)設施層、工業(yè)平臺層和工業(yè)應用層，如圖2所示。

2.1 邊緣接入層

邊緣接入層以數(shù)據(jù)采集與接入為基礎(chǔ)和根本，其本質(zhì)是利用泛在網(wǎng)絡和感知技術(shù)對工業(yè)設備、信息系統(tǒng)、運營平臺、崗位管理等要素進行實施高速收集和中心匯聚。主要的數(shù)據(jù)接入與邊緣計算技術(shù)包括:

圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分層圖

1)設備和系統(tǒng)接入

現(xiàn)場控制系統(tǒng)由儀器儀表、PLC、DCS以及SCADA組成，邊緣接入層通過光纖、以太網(wǎng)等鏈路，將現(xiàn)場設備相關(guān)數(shù)據(jù)以有線或無線(包括5G)的方式遠程傳輸至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

信息系統(tǒng)主要包括與實績、質(zhì)量、物料、物流、排程等生產(chǎn)和經(jīng)營相關(guān)的系統(tǒng)，如L2、MES、ERP、SCR、CRM等，以及與產(chǎn)品設計、技術(shù)相關(guān)的PLM等系統(tǒng)，都可以通過以太網(wǎng)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。

視頻系統(tǒng)包括生產(chǎn)、安保等監(jiān)控攝像，可配置統(tǒng)一對外發(fā)布服務器上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，其他系統(tǒng)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可通過錄入、導入等方式進行解決。

2)傳輸協(xié)議

開發(fā)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中間件，兼容 OPC/OPC UA、ModBus、Socket、RS485、RS232、ProfiBus、ControlNet等各類工業(yè)通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集時的格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。同時，利用HTTP、MQTT、LoRa、NB-IoT等方式從企業(yè)的邊緣端將數(shù)據(jù)上傳到云端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程自動接入。

3)邊緣計算

基于高性能計算芯片、實時高速處理方法等技術(shù)支撐，在工業(yè)設備、信息系統(tǒng)、智能終端等數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡一側(cè)進行數(shù)據(jù)的先處理和預處理，通過緩存以及簡單的智能分析應用，提升平臺整體的響應效率，與平臺端形成“邊緣<->中心”式的協(xié)同。

2.2 基礎(chǔ)設施層

基礎(chǔ)設施層即傳統(tǒng)的IaaS硬件層，其核心為虛擬化技術(shù)，同時，利用分布式存儲、并發(fā)式計算、高負載調(diào)度等新技術(shù)，實現(xiàn)計算機資源的動態(tài)管理，可根據(jù)客戶需求進行定制化的彈性分配與擴展，并確保系統(tǒng)資源利用的安全與隔離，為客戶提供可靠、穩(wěn)定的云設施服務。

服務器虛擬化的目的是改善計算機資源的使用效率，如將單臺物理服務器虛擬成多臺虛擬服務器，供多個客戶同時使用，同時，針對虛擬服務器進行隔離以保證其安全性。服務器虛擬化依賴CPU虛擬化、Cache虛擬化和I/O虛擬化等資源虛擬化技術(shù)。但是服務器虛擬化只是IaaS的一種交付方式，物理硬件資源的交付也是IaaS的重要內(nèi)容，但是，平臺可對物理硬件資源池和虛擬化資源池進行可視化的管理和配置是前提條件。

2.3 工業(yè)平臺層

工業(yè)平臺層即PaaS層，屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心層，其根本在于IaaS平臺上構(gòu)建一個可擴展的應用支持系統(tǒng)，為工業(yè)應用和服務軟件的開發(fā)提供一個良好的基礎(chǔ)平臺。

1)數(shù)據(jù)預處理

應用數(shù)據(jù)去重、上下限過濾、動態(tài)歸一化、異常檢測等方法對原始數(shù)據(jù)進行清洗預處理，為后續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、建模、存儲、分析、可視化等應用提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來源。

2)數(shù)據(jù)處理與計算

集成Hadoop/Spark生態(tài)平臺，借助流計算、圖計算、實時計算、交互分析等分布式計算處理框架，滿足工業(yè)場景下海量傳感器數(shù)據(jù)的批處理、流處理等分析計算、應用挖掘需求。

集成技術(shù)視覺技術(shù)，利用圖像分類、對象識別、目標跟蹤、實例分割等方法，從單個或一系列圖像和視頻中提取、分析和理解有價值的數(shù)據(jù)和信息。

引入?yún)^(qū)塊鏈方法，利用其“不可篡改”“共識機制”“可追溯性”"等核心特點，支撐核心企業(yè)“自金融”模式的產(chǎn)業(yè)鏈運作需求。

3)數(shù)據(jù)存儲

基于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、時序數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等不同的存儲機制，以及GFS、HDFS等分布式文件系統(tǒng)，共同適配海量數(shù)據(jù)存儲和大規(guī)模并發(fā)處理的需求，解決事務在分布式環(huán)境下執(zhí)行的高速實時矛盾，同時實現(xiàn)大量設備傳感器數(shù)據(jù)的分區(qū)查詢、存儲等功能。

4)算法分析包

算法分析是大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應集成神經(jīng)網(wǎng)絡、回歸預測、動態(tài)聚類、多目標分類、主因子分析、時間序列、廣義線性規(guī)劃等多種大數(shù)據(jù)算法，選擇合理的算法庫和算法引擎，兼容集中式計算與分布式計算，同時支撐數(shù)據(jù)密集型和計算密集型的算法任務。

5)應用開發(fā)

支持Java、Python、JavaScript、C/C++、Scala等多種語言編譯環(huán)境，并提供Eclipse integration，JBoss Developer Studio、git和Jenkins等多種開發(fā)工具，建立高效、便捷的集成開發(fā)環(huán)境。

提供覆蓋微服務的注冊、發(fā)現(xiàn)、通信、編排、調(diào)用的管理機制和運行環(huán)境，支撐"松耦合"應用服務設計、開發(fā)、測試、集成和部署。

通過可視化編程工具，簡化系統(tǒng)的開發(fā)流程，支持用戶采用拖拽方式進行應用構(gòu)建、測試、調(diào)試、擴展、升級等。

6)資源調(diào)度

通過實時監(jiān)控應用服務的業(yè)務變化和底資源層的消耗情況，結(jié)合相應的調(diào)度工具和調(diào)度算法，為應用程序和單元提供合理的資源占用。

7)安全保障

數(shù)據(jù)接入安全:通過硬件防火墻技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)關(guān)技術(shù)、工業(yè)級隔離計算、數(shù)據(jù)通信加密隧道技術(shù)，防止數(shù)據(jù)外泄或篡改、應用被攻擊或被偵聽，保障數(shù)據(jù)在源頭、傳輸、應用等全過程的安全可靠。

平臺安全:通過平臺UPS不間斷電源、虛機自動遷移、入侵實時檢測、網(wǎng)絡安全防御系統(tǒng)、惡意代碼防護、網(wǎng)站威脅防護、網(wǎng)頁防篡改等技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的用電安全、系統(tǒng)安全、代碼安全、應用安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)站安全。

訪問安全:通過建立統(tǒng)一的接口訪問機制，限制用戶的應用訪問權(quán)限和相應的計算資源、網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)對云平臺的訪問控制和安全識別， 防止非法用戶訪問。

2.4 工業(yè)應用層

開發(fā)大數(shù)據(jù)平臺不是目的，發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的價值才是關(guān)鍵，也是一個產(chǎn)品、項目成敗的關(guān)鍵。所以，工業(yè)應用層的目的是對企業(yè)制造的各個活動環(huán)節(jié)進行高度抽象，其主要功能是為面向特定工業(yè)應用場景，利用冶煉、化工、能源、機械、電子等領(lǐng)域?qū)I(yè)知識，結(jié)合工藝理論和生產(chǎn)實踐，將制造技術(shù)、經(jīng)驗、知識和最佳實踐進行模塊化、再封裝。同時，運用數(shù)理統(tǒng)計、深度學習、視覺分析、語義識別及人工智能算法等，最終推動社會資源構(gòu)建基礎(chǔ)的、共性的工業(yè)信息化應用模塊。

因此，工業(yè)應用層可將新一代信息技術(shù)與領(lǐng)域知識、算法分析形成深度融合，用戶通過對工業(yè)應用層接口的云端調(diào)用，可實現(xiàn)工業(yè)APP的定制化的快速開發(fā)、測試與部署，支持企業(yè)面向歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)的分析與挖掘，從而服務于采購透明化、庫存合理化、操控智能化、運維智能化、管理精細化、產(chǎn)品模塊化、銷售上線化等具體應用群，實現(xiàn)科學調(diào)配供應鏈資源，重構(gòu)產(chǎn)業(yè)組織與制造模式，重塑企業(yè)與用戶關(guān)系，形成跨領(lǐng)域融合的工業(yè)生態(tài)，提升企業(yè)和產(chǎn)業(yè)鏈的運行效率和服務質(zhì)量，實現(xiàn)制造業(yè)的智能化生產(chǎn)模式。

3 結(jié) 語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為工業(yè)智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)載體，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的匯聚、建模和分析，將工業(yè)經(jīng)驗知識化、軟件化與模塊化，開發(fā)基于技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新的智能生產(chǎn)應用服務，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置、產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育等目標。

在新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和新一代工業(yè)革命的交匯時期，我國應基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的四層架構(gòu)，加快"萬物互聯(lián)"的工業(yè)大數(shù)據(jù)體系建設，推動工業(yè)實體經(jīng)濟從大到強的徹底轉(zhuǎn)型，落實高質(zhì)量發(fā)展的宏偉目標。