彭 瑜

(1.上海工業(yè)自動化儀表研究院有限公司，上海 200233;2.PLCopen中國組織,北京 100011)

0 引言

至少在8到10年以前，信息技術(information technlolgy,IT)廣為人知，但了解自動化操作技術(operation technology,OT)的卻很少。盡管“直接監(jiān)控和/或控制工業(yè)設備、資產、流程和事件來檢測物理過程或使物理過程產生變化的硬件和軟件”的技術已存在許多年，而且發(fā)展很好，但并沒有人將這類技術概括地稱為OT。這些年，情勢大為改觀，不但OT已經(jīng)普遍為人所知，而且IT/OT融合成為工業(yè)界的一個越來越重要的話題。IT/OT融合的實際進展十分令人鼓舞。

不過在制造業(yè)中，很多時候對IT/OT融合的關注范圍表現(xiàn)出過于狹窄的問題，基本局限在一條產線、一家工廠。如果涉及一個企業(yè)，也僅僅關注企業(yè)內部，很少擴展到供應鏈以及客戶需求和響應，因而無法利用日益先進的技術來實現(xiàn)制造競爭優(yōu)勢。一些關于IT/OT融合的文章、演示和討論限制了對工業(yè)數(shù)字化轉型的思考范圍，由此產生的直接后果就是在許多方面并沒有改善以往缺乏溝通的局面，而且在制造業(yè)內繼續(xù)形成新的供應商信息孤島。在理想情況下，工業(yè)數(shù)字化轉型應該囊括整個制造過程和生態(tài)系統(tǒng)，包括產品設計、采購與供應鏈同步、柔性生產、廠內/企業(yè)內物流、服務、客戶響應能力，以及相關的基礎設施(如工業(yè)通信系統(tǒng)等)。因此，IT/OT的融合也應不僅貫穿整個制造過程，而且擴充到整個產品生命周期和企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。IT/OT的廣泛融合意味著企業(yè)內的生產流程與企業(yè)相關的外部資源和供應鏈之間，以及與產品生命周期的應用狀態(tài)之間，存在清晰和直接的溝通；而IT/OT的融合發(fā)展是開發(fā)和部署一系列創(chuàng)新技術的關鍵。這些創(chuàng)新將定義制造業(yè)的未來。

1 智能制造生態(tài)系統(tǒng)的全視角

自工業(yè)4.0參考架構模型RAMI 4.0發(fā)布之后，陸續(xù)出現(xiàn)了美國國家標準化技術研究院(NIST)發(fā)布的智能制造生態(tài)系統(tǒng)的參考架構和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟(IIC)發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(industrial internet refrence architeture,IIRA)?？偟膩碚f，工業(yè)4.0參考體系結構模型RAMI 4.0，為物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)、大數(shù)據(jù)分析和先進制造技術(即人們常稱的“智能制造”)的應用提供了與解決方案無關的參考體系架構模型[1]。智能制造在一定意義上可以看成是簡化的工業(yè)4.0。參考模型的表述用于描繪和規(guī)定系統(tǒng)架構的公共結構和基于語義的“交互語言”，有助于促進公共理解和系統(tǒng)互操作性，以及對IT/OT深度融合的全面考量。

NIST提出的智能制造生態(tài)系統(tǒng)有3個維度，即產品、生產和業(yè)務，如圖1所示。

圖1 智能制造生態(tài)系統(tǒng)的3個維度(產品、生產、業(yè)務)Fig.1 Three dimensions of smart manufacturing ecosystem (product, production, business)

產品生命周期管理包括6個階段，即設計、工藝規(guī)劃、生產工程、制造、使用和服務、報廢和回收。生產系統(tǒng)生命周期定義了生產設備生命周期中的5個階段，即設計、建造、調試、運行和維護、退役和回收。業(yè)務即供應鏈管理的生命周期，考慮了資源、計劃、制造、交付、回收這5個階段。常用的工業(yè)軟件，包括產品生命周期管理(product lifecycle management，PLM)、生產過程執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system，MES)/制造運營管理(manufacturing operation management，MOM)、企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning，ERP)、供應鏈管理(supply chain management，SCM)、客戶關系管理(customer relationship management，CRM)、人機接口(human-machine interface,HMI)和數(shù)據(jù)庫(database,DB)。這些工業(yè)軟件和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet protocol，IP)的通信標準協(xié)議，以及各類現(xiàn)場設備等，構成了這3個維度交叉處的硬件和軟件基礎。

RAMI 4.0參考模型包含了工業(yè)4.0基本單元的管理殼規(guī)范。這是制造資產的標準化數(shù)字表達，而且具有與之交互的標準化接口。相對于其他一些參考模型，RAMI 4.0的推進是全方位的、成熟度水平是更高的。而不同參考模型之間的主要分歧體現(xiàn)在用于交換數(shù)據(jù)的標準化協(xié)議棧和數(shù)據(jù)格式上。在設計數(shù)字制造平臺時必須重點考慮這一方面，才有可能應對跨平臺通信和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的挑戰(zhàn)。處理工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉換問題，以及結合邊緣計算處理通信網(wǎng)絡中普遍存在的高度分散問題，也是IT/OT融合不可避免的基本任務之一。

2 IT/OT融合的實時同步優(yōu)化方向

工業(yè)制造數(shù)字化轉型的一個基本要素是向實時制造業(yè)務的企業(yè)架構轉變。從終極目標來看，工業(yè)企業(yè)應該追求實時、同步、優(yōu)化地實現(xiàn)全范圍和全過程的IT/OT融合。但這畢竟需要一系列的技術支持和經(jīng)驗積累，是一個漸進的過程，難以一蹴而就。

從企業(yè)最上層的管理到生產線現(xiàn)場最底層的傳感器和執(zhí)行器，從提供生產制造順利進行所需要的原材料、配套件和各種能源的供應鏈到對產品客戶群體的周到服務和需求滿足，都要求實時制造業(yè)務具備集成、快速響應和高效的基本屬性。這正是推動數(shù)字制造架構(digital manufacturing architecture，DMA)迅速發(fā)展的原始動力。為了協(xié)調和優(yōu)化生產制造生態(tài)系統(tǒng)的所有要素，包括可能因實際的社會環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境而變化的供應鏈，以及客戶對產品及服務的靈活需求，許多工業(yè)企業(yè)在已經(jīng)或正在建立的管理系統(tǒng)的基礎上，不斷擴展對生產現(xiàn)場生成數(shù)據(jù)的采集、利用和分析。而IT團隊和OT團隊的集成和融合在組織的層面上為采用數(shù)字制造架構奠定了基礎，不但可以順理成章地實現(xiàn)整個制造企業(yè)的數(shù)據(jù)即時可視化，而且可以為涵蓋供應鏈和客戶在內的所有利益相關者提供進一步優(yōu)化的實時和同步的數(shù)據(jù)[2]。如圖2所示，其目標是使內部和外部生產資源中變化的參數(shù)實施實時同步和優(yōu)化。例如美國的陶氏化學(Dow)公司正在朝著成為一家更可持續(xù)發(fā)展、受到客戶青睞的實時運營的跨國公司而努力，旨在實現(xiàn)更好的庫存管理和客戶滿意度，在正確的時間將正確的產品送到正確的地方。這個在全球有著22 000名運營人員、每天產生200億個數(shù)據(jù)點的企業(yè)，正在利用其所擁有的數(shù)據(jù)來推動更好的決策和優(yōu)化，從而制定更準確的運營和銷售計劃[2]。

圖2 對內部和外部生產資源中變化的參數(shù) 進行實時同步和優(yōu)化Fig.2 Real-time synchronization and optimization of changing parameters in internal and external production resources

長期以來，工業(yè)企業(yè)的業(yè)務管理系統(tǒng)，特別是許多ERP簡單地通過書面或電子方式發(fā)送工作訂單和庫存清單以啟動生產運行，缺乏實時、同步地向工廠發(fā)送指令和信息的能力。在生產過程中，管理制造業(yè)務的部門對生產中發(fā)生的各種事情常常一無所知，直到工廠生產結束才有信息反饋到ERP系統(tǒng)。例如，對生產過程中消耗的物料常常采用所謂的“倒沖法”(backblush)，在制造完成之后才按照實際生產的數(shù)量和物料清單算出物料的消耗量，再從物料庫存中扣除。這樣得到的現(xiàn)有庫存數(shù)量根本不是實時數(shù)據(jù)，而完全是近似靜態(tài)數(shù)據(jù)的“馬后炮”。由此可見，制造企業(yè)的數(shù)字化轉型目標關乎如何將其業(yè)務管理轉化和整合為一個全面的實時業(yè)務系統(tǒng)，從而更有效、全面地重塑生產制造的競爭力基礎，使得生產制造更高效和響應更快，企業(yè)的銷售和利潤得以提升。過去，在大多數(shù)生產組織中，制造和生產與公司的其他業(yè)務系統(tǒng)耦合松散，導致效率低下、機會喪失和決策失誤。隨著業(yè)務系統(tǒng)執(zhí)行和處理事務的實時化，這種情況已經(jīng)發(fā)生了喜人的變化。

在2019年，由于價格的波動和可獲得資源缺乏足夠的穩(wěn)定性，供應鏈管理已經(jīng)是一個挑戰(zhàn)。因此，平衡所有生產要素(包括客戶需求、可變投入成本、供應鏈延遲，以及客戶導向的系統(tǒng)要求在互聯(lián)網(wǎng)時代作出快速反應等)，以獲得盡可能最佳的結果至關重要。新興的DMA利用分布式計算和開放系統(tǒng)的進展來實現(xiàn)同步、實時、優(yōu)化生產，以適應包括供應鏈、客戶需求、能源和可持續(xù)發(fā)展等在內的外部變化。新興的DMA營造生產制造生態(tài)系統(tǒng)的實時閉環(huán)運營環(huán)境如圖3所示。

圖3 DMA營造生產制造生態(tài)系統(tǒng)的實時閉環(huán)運營環(huán)境Fig.3 DMA creates a real-time, closed-loop operating environment for the manufacturing ecosystem

在圖3中，基于客戶訂單和供應鏈要素的業(yè)務運營系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)以及生產現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)都被送入工廠和流程的理想運營模型(數(shù)字孿生)，并且運用了人工智能(artificial intelligence,AI)和機器學習(machine learning，ML)等分析工具進行運營的優(yōu)化。系統(tǒng)實時性能的提升創(chuàng)建了實時的閉環(huán)運營環(huán)境，通過不斷的反饋動態(tài)調整和優(yōu)化生產。概括地說，DMA通過集成整個生產制造的業(yè)務，將基于客戶定單和供應鏈要素的業(yè)務運營和基于生產現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)采集的工廠運營緊密結合。所形成的實時閉環(huán)運營環(huán)境，實現(xiàn)了IT和OT靈活組合的實時同步和優(yōu)化的閉環(huán)操作。

DMA是一種分布式數(shù)字制造體系。其混合計算架構將各種應用程序分布到生產和制造中最合理的位置。該分布式系統(tǒng)包括傳感器、驅動器、條形碼讀取器、攝像機和其他現(xiàn)場設備的嵌入式處理器上的應用程序，由它們完成就地控制和就地優(yōu)化，同時還具有存取和使用遠程計算資源的能力來完成復雜計算，以及運用常駐云端主機的基于數(shù)字孿生、人工智能的分析算法。DMA通過適當、合理地將應用程序分布在云端、企業(yè)服務器、用于通信和協(xié)調操作的工業(yè)邊緣計算機、邊緣計算控制器和智能傳感器/執(zhí)行器中，構筑一個單一的、高度內聚的系統(tǒng)。構建的軟件模塊包括人工智能、機器學習、圖像處理/識別、系統(tǒng)仿真和先進傳感算法等。這是通過廣泛使用成熟技術實現(xiàn)的高容量級別的應用。

基于開放標準的新體系結構具有靈活性和可伸縮性，在不影響整個系統(tǒng)的情況下簡化了組件的升級，同時還具有高容錯性和低延遲的優(yōu)勢。將應用程序分配到最低的邏輯級別執(zhí)行，不但能確?？刂?、計算和優(yōu)化在最接近使用點的地方完成、提供足夠的實時響應，而且充分利用了分布式計算風險分散的特點，達到更高的容錯性。這里需要借鑒計算機行業(yè)的成功經(jīng)驗，即多供應商分布式系統(tǒng)體系結構依賴于開放標準和認證。正如沒有開放標準互聯(lián)網(wǎng)就無法正常運行一樣，沒有開放標準及其認證、沒有形成多供應商提供的符合開放標準的硬件和軟件組件的局面，數(shù)字制造架構DMA也難以正常運行。

3 OT和IT網(wǎng)絡的物理層融合

在IT/OT融合發(fā)展的趨勢中，應該特別強調工業(yè)自動化與控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化的技術融合。這是體現(xiàn)OT與IT融合的關鍵。美國羅克韋爾自動化與思科等合作推出的融合的全廠以太網(wǎng)(converged plant-wide Ethernet,CPwE)[3]，以及華為紫金實驗室正在聯(lián)合寶信、上海交大等開發(fā)的確定性IP網(wǎng)絡，都是標志性進展。顯而易見，融合的工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡技術必將推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的加速實現(xiàn)。

由于地域發(fā)展和技術發(fā)展的局限性，以及企業(yè)的利益驅使，從20世紀90年代開始在流程工業(yè)和離散制造工業(yè)盛行的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)，從來就不存在一種統(tǒng)一而標準的規(guī)劃。這導致OT領域蔓生出許多的控制通信網(wǎng)絡，僅納入IEC 61158國際標準的就達二十余種。盡管后來發(fā)現(xiàn)了這一嚴重缺陷，但無論如何修補都難以融合成一個無縫連接的網(wǎng)絡。專用的現(xiàn)場總線以及工業(yè)以太網(wǎng)即使企圖繼承標準的以太網(wǎng)，但幾經(jīng)改動，都難以實現(xiàn)不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換?；诋敃r的技術條件限制，這些通信網(wǎng)絡的開發(fā)基礎是網(wǎng)絡基礎架構功能的最小化，導致了網(wǎng)絡的基礎架構呈現(xiàn)不穩(wěn)定的特性，在服務器或工作站中容易形成數(shù)據(jù)孤島；其他缺陷包括對網(wǎng)絡的運行僅有被動支持，沒有主動支持，更談不上對于IT/OT融合給予全局性的支持；對信息安全考慮不周，或缺乏內生的信息安全特性等。

這就是當前OT網(wǎng)絡的實際狀態(tài)。從融合的角度來看，采用最新網(wǎng)絡解決方案擁有更好的基礎和利用新數(shù)據(jù)流的最佳機會。要邁開融合的步伐，首先要在OT網(wǎng)絡的物理層營造一種融合的基礎。這個基礎非基于IP的以太網(wǎng)網(wǎng)絡莫屬，不然就不存在與企業(yè)IT網(wǎng)絡融合的基本前提。有了融合的最基本的基礎，就有可能采用滿足OT連接性的標準規(guī)范，從而降低工業(yè)網(wǎng)絡的故障時間。不過服務器和工作站仍然會存在以下數(shù)據(jù)孤島的弊病:①網(wǎng)絡的可見性很差，對網(wǎng)絡的運行狀況沒有全局性和結構化的支持；②依然存在信息安全的漏洞；③沒有對IT/OT網(wǎng)絡的整體規(guī)劃，因而產生不了良好的、令人滿意的效果。

總之，組織架構設計不完善或先天的不兼容導致信息孤島基本無法避免，信息的暢通交換難以實現(xiàn)。為了使IT/OT融合具有堅實的通信基礎，首先要做到OT網(wǎng)絡與IT網(wǎng)絡在物理層的融合。其前提是從企業(yè)到工廠均采用統(tǒng)一的物理層標準和規(guī)范，即OT網(wǎng)絡與IT網(wǎng)絡均以基于IP的以太網(wǎng)通信作為基礎。目前，有許多努力正在沿著這一方向開展，如OPC UA推行的現(xiàn)場層通信(field layer communication,FLC)、先進物理層(advanced physical layer,APL)協(xié)議、單股雙絞線以太網(wǎng)SPE，以及確定性IP的開發(fā)等。近年來，在這個方向的實用化進展迅速，已出現(xiàn)一些商業(yè)化前景明朗的成果，僅從Profibus/Profinet國際組織已經(jīng)宣稱不再對現(xiàn)場總線Profibus進行維護的消息中可見端倪。

評估物理層的基礎架構必須有1個恰當?shù)姆椒ê鸵?guī)范。這方面可以借鑒由羅克韋爾、思科和Panduit合作開發(fā)的全廠融合的以太網(wǎng)架構CPwE，通過使用標準以太網(wǎng)、IP、網(wǎng)絡服務、安全服務，有助于實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡和安全技術的融合(包括IT/OT在物理層的融合)，以及實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things,IIoT)。例如：在物理層基礎架構中采用IEC 62439-3中定義的并行冗余協(xié)議(parallel redundancy protocol,PRP)標準；允許啟用PRP的工業(yè)控制系統(tǒng)設備在2個獨立的局域網(wǎng)上發(fā)送重復的以太網(wǎng)幀來創(chuàng)建無縫網(wǎng)絡冗余。這符合工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡技術融合的發(fā)展趨勢，特別是OT與IT在基礎架構上的融合[4]。

當IT網(wǎng)絡和OT網(wǎng)絡在物理層都采用基于IP的以太網(wǎng)標準，意味著這兩者在基礎架構上的融合。接著，可以進一步采用各種提高和擴充網(wǎng)絡通信的措施，以體現(xiàn)企業(yè)聯(lián)接的價值。這種擴展性可表現(xiàn)為移動通信、邊緣計算、視頻和云服務進行數(shù)據(jù)存取。例如：在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中運用基于IP的有線和無線基礎架構；配備連接無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關；虛擬化和計算服務向數(shù)據(jù)實時化演進；對網(wǎng)絡健康和信息安全進行預測和保持高度警覺；令網(wǎng)絡本身具有積極主動的可見性和專家遠程支持等。但即使如此，依然可能出現(xiàn)整體信息安全服務漏洞。

實施信息安全的縱深防護，其中1個重要措施是在OT網(wǎng)絡和IT網(wǎng)絡之間設置1個信息安全保護層，或所謂的工業(yè)非軍事化區(qū)(industrial demilitarized zone，IDMZ)。

當今的IT/OT融合越來越依賴企業(yè)管理和制造環(huán)境之間的數(shù)據(jù)交換，因此即使在企業(yè)管理網(wǎng)絡一直都面臨來自網(wǎng)絡環(huán)境的動態(tài)威脅的情況下，也要設法保護制造資產和網(wǎng)絡免受網(wǎng)絡攻擊。工業(yè)安全標準(NIST 800-82、ISA/IEC 62443等)和監(jiān)管實體建議使用IDMZ來降低安全風險。有了這一企業(yè)IT網(wǎng)絡和OT網(wǎng)絡之間的附加網(wǎng)絡安全層，在不可信安全域(如企業(yè)安全域)和可信安全域(如工業(yè)安全域)之間不允許直接進行網(wǎng)絡通信，而是提供緩沖區(qū)代理連接。IDMZ基礎設施由各種網(wǎng)絡設備組成，包括(但不限于)安全設備/防火墻、IDMZ服務器、虛擬專用網(wǎng)絡(virtual private metwork,VPN )服務器、交換機和路由器。

IT 和OT在基礎架構上的融合進程如圖4所示。

圖4 IT 和OT在基礎架構上的融合進程Fig.4 IT and OT infrastructure convergence process

IT 和OT在基礎架構上的融合進程可劃分為4個階段。從沒有任何融合的第一階段走向OT網(wǎng)絡物理融合的第二階段，首先要解決的是由于OT網(wǎng)絡歷史上形成的難以統(tǒng)一而存在的局限性。其方法是在OT網(wǎng)絡中摒棄互不兼容的各種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，在物理層統(tǒng)一采用基于IP的以太網(wǎng)標準，為IT網(wǎng)絡和OT網(wǎng)絡融合營造統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎架構。到了IT和OT物理融合的第三階段，需要在信息安全的縱深防御上狠下功夫，在位于不可信安全區(qū)的企業(yè)業(yè)務管理網(wǎng)絡和可信安全區(qū)的工業(yè)控制網(wǎng)絡之間建立緩沖區(qū)。到了最后階段，將出現(xiàn)所謂的網(wǎng)格化的“網(wǎng)絡織物”(network fabric)，將IT/OT基礎架構利用有線和無線通信手段擴展至移動設備、邊緣計算、可視化和云服務。對IT/OT融合的基礎架構本身還有必要建立積極主動的可見性，使網(wǎng)絡運行的各個環(huán)節(jié)都呈現(xiàn)高度透明，從而預警可能發(fā)生的故障和外來的攻擊。

4 結論

IT/OT融合的終極目標應該是實時、同步、優(yōu)化實現(xiàn)全范圍和全過程的IT/OT融合。其中：全范圍是指涵蓋供應鏈和客戶的工業(yè)生產制造的生態(tài)系統(tǒng)；全過程是指產品、生產系統(tǒng)和業(yè)務運營系統(tǒng)3個維度上的全流程。IT/OT融合迫切需要從基礎架構上重塑企業(yè)管理網(wǎng)絡和工業(yè)制造的運營網(wǎng)絡(包括現(xiàn)場網(wǎng)絡)。為此，首先要從“七國八制”的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)狀中脫穎而出，采用基于IP的以太網(wǎng)標準。

對于大型、超大型企業(yè)，要達到這一目標有相當大的難度和相當大的工作量。對于中小型企業(yè)，要達到這一目標從總體觀念而言與大型企業(yè)并無二致，但從技術而言范圍相對小得多、涉及的站點少得多、流程也較為簡略，因此較容易實現(xiàn)。其關鍵是需要有足夠的需求和動力。