工业互联网标准体系架构.docx

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工业互联网体系架构明说写编多年来，随着以互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等为代表新一代信息技术和传统产业加速融合，全球新一轮科技革命和产业变革正蓬勃兴起，一系列新生产方法、组织方法和商业模布署成本。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 ) 开启了工业互联网体系架构研究，在总结中国外发展实践基础上，撰写了工业互联网体系架构汇报 ( 1.0 版），提出了工业互联网内涵、目标、体系架构、关键要素和发展方。向汇报意在推进业界对工业互联网达成广泛共识，以体系架构为牵引，为联盟各项工作和中国工业互联网技术创新、标准制订、试验验证、应用实践等提供参考和引导，共同推进工业互联网健康快速发展。工业互联网是一个长久发展和演进过程，毫无疑问，现在我们对工业互联网认识还是初步和阶段性。联盟将依据中国外工业互联网发展情况和产业界反馈意见，在连续深入研究基础上适时修订和公布汇报新版。 Ol 。（一）工业互联网内涵工业互联网内涵用千界定工业互联网范围和特征，明确工业互联网总体目标，是研究工业互联网基础和出发点，我们认为，工业互联网是互联网和新—代信息技术和工业系统全方位深度融合所形成产业和应用生态，是工业智能化发展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、产品和人之间网络互联为基础，经过对工业数据全方面深度感知、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、运行优化和生产组织方法变革。工业互联网能够关键从“网络”、 “数据”和“安全”三个方面来了解。其中，网络是基础，即经过物联网、互联网等技术实现工业全系统互联互通，促进工业数据充足流动和无缝集成；数据是关键，即经过工业数据全周期感知、采集和集成应用，形成基于数据系统性智能，实现机器弹性生产、运行管理优化、生产协同组织和商业模式创新，推进工业智能化发展；安全是保障，即经过构建涵盖工业全系统安全防护体系，保障工业智能化实现。工业互联网发展表现了多个产业生态系统融合，是构建工业生态系统、实现工业智能化发展必由之路。工业互联网和制造业融合将带来四方面智能化提升。一是智能化生产，即实现从单个机器到产线、车间乃至整个工厂智能决议和动态优化，显著提升全步骤生产效率、提升质量、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，经过灵活柔性组织设计、制造资源和生产步骤，实现低成本大规模定制。四是服务化转型，即经过对产品运行实时监测，提供远程维护、故障估计、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。工业互联网驱动制造业变革将是—个长久过程，构建新工业生产模式、资源组织方法也并非—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、全价值链深度融合和集成应用。（二）工业互联网和智能制造关系作为目前新—轮产业变革关键驱动和战略焦点，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、服务等制造活动各个步骤，含有信息深度自感知、智慧优化自决议、正确控制自实施等功效优异制造过程、系统和模式总称。含有以智能工厂为载体、以生产关键制造步骤智能化为关键，以端到端数据流为基础、以全方面深度互联为支撑四大特征。智能制造和工业互联网有着紧密联络，智能制造实现关键依靠两方面基础能力，—是工业制造技术，包含优异装备、优异材料和优异工艺等，是决定制造边界和制造能力根本；二是工业互联网，包含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，是充足发挥工业装备、工艺和材料潜能，提升生产效率、优化资源配置效率、发明差异化产品和实现服务增值关键。所以我们认为，工业互联网是智能制造关键基础，为其变革提供了必需共性基础设施和能力，同时也能够用千支撑其它产业智能化发展。（一）工业互联网业务需求工业互联网业务需求可从工业和互联网两个视角分析，图 1 所表示。从工业视角看，工业互联网关键表现为从生产系统到商业系统智能化，由内及外，生产系统本身经过采取信息通信技术，实现机器之间、机器和系统、企业上下游之间实时连接和智能交互，并带动商业活动优化。其业务需求包含面向工业体系各个层级优化，如泛在感知、实时监测、正确控制、数据集成、运行优化、供给链协同、需求匹配、服务增值等业务需求。从互联网视角看，工业互联网关键表现为商业系统变革牵引生产系统智能化，由外及内，从营销、服务、设计步骤互联网新模式新业态带动生产组织和制造模式智能化变革。其业务需求包含基于互联网平台实现正确营销、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关键是基于全方面互联而形成数据驱动智能，网络、数据、安全是工业和互联网两个视角共性基础和支撑。其中， “网络”是工业系统互联和工业数据传输交换支撑基础，包含网络互联体系、标识解析体系和应用支撑体系，表现为经过泛在互联网络基础设施、健全适用标识解析体系、集中通用应用支撑体系，实现信息数据在生产系统各单元之间、生产系统和商业系统各主体之间无缝传输，从而构建新型机器通信、设备有线和无线连接方法，支撑形成实时感知、协同交互生产模式。 “数据”是工业智能化关键驱动，包含数据采集交换、集成处理、建模分析、决议优化和反馈控制等功效模块，表现为经过海量数据采集交换、异构数据集成处理、机器数据边缘计算、经验模型固化迭代、基千云大数据计算分析，实现对生产现场情况、协作企业信息、市场用户需求正确计算和复杂分析，从而形成企业运行管理决议和机器运转控制指令，驱动从机器设备、运行管理到商业活动智能和优化。 “安全＇是网络和数据在工业中应用安全保障，包含设备安全、网络安全、控制安全、数据安全、应用安全和综合安全管理，表现为经过涵盖整个工业系统安全管理体系，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风险，确保数据传输和存放安全性，实现对工业生产系统和商业系统全方位保护。工业互联网体系架构如圈 2 所表示。图 2 工业互联网体系架构基千工业互联网网络、数据和安全，工业互联网将构建面向工业智能化发展三大优化闭环。一是面向机器设备运行优化闭环，关键是基千对机器操作数据、生产环境数据实时感知和边缘计算，实现机器设备动态优化调整，构建智能机器和柔性产线；二是面向生产运行优化闭环，关键是基于信息系统数据、制造实施系统数据、控制系统数据集成处理和大数据建模分析，实现生产运行管理动态优化调整，形成多种场景下智能生产模式；三是面向企业协同、用户交互和产品服务优化闭环，关键是基于供给链数据、用户需求数据、产品服务数据综合集成和分析，实现企业资源组织和商业活动创新，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伴随智能制造发展，工厂内部数字化、网络化、智能化及其和外部数据交换需求逐步增加，工业互联网展现以三类企业主体、七类互联主体、八种互联类型为特点互联体系，图 3 所表示。图 3 工业互联网互联示意三类企业主体包含工业制造企业、工业服务企业（围绕设计、制造、供给、服务等步骤提供服务各类企业）和互联网企业，这三类企业角色在不停渗透、相互转换。七类互联主体包含在制品、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自动化控制深入扩展为产品全生命周期各个步骤。八种互联类型包含了七类互联主体之间复杂多样互联关系，成为连接设计能力、生产能力、商业能力和用户服务复杂网络系统。以上互联需求发展，促进工厂网络发生新变革，形成工业互联网整体网络架构，图 4 所表示。图 4 工业互联网整体网络体系目标框架和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关键体系。一是网络互联体系，即以工厂网络 IP 化改造为基础工业网络体系。包含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 (工业生产和控制）网络。工厂外部网络用于连接企业上下游、企业和智能产品、企业和用户等主体。二是地址和标识体系，即由网络地址资源、标识、解析系统组成关键基础资源体系。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解析，即经过将工业互联网标识翻译为该物体地址或其对应信息服务器地址，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，及其提供多种资源服务化表述、应用协议。（二）工业互联网网络互联体系 1、工厂内部网络 ( 1 ) 现实状况分析工厂内部网络是在工厂内部用千生产要素以及 IT 系统之间互联网络。总体来看，工厂内部网络展现“两层三级”结构，图 5 所表示。”两层”是指“工厂OT 网络”和“工厂IT 网络"; "三级”是依据现在工厂管理层级划分，网络也被分为“现场级”、 “车间级”、 “工厂级／企业级”三个层次，每层之间网络配置和管理策略相互独立。图 5 工厂网络连接现实状况其中，工厂 OT 网络关键用千连接生产现场控制器（如 PLC、DCS、FCS) 、传感器、伺服器、监控设备等部件。工厂 OT 网络关键实现技术分为现场总线和工业以太网两大类。工厂 IT 网络关键由 IP 网络组成，并经过网关设备实现和互联网和工厂 OT 网络互联和安全隔离。 ( 2 ) 存在问题现在工厂内部网络“两层三级”这种技术体系和网络结构相互隔离情况使 IT 系统和生产现场之间通信存在较多障碍。—是工业控制网络和工厂信息网络技术标准各异，难以融合互通。二是工业生产全步骤存在大量”信息死角”，亟需实现网络全覆盖。三是工厂网络静态配置、刚性组织方法难以满足未来用户定制、柔性生产需要。 ( 3 ) 发展趋势为适应智能制造发展，工厂内部网络展现扁平化、 IP 化、无线化及灵活组网发展趋势。工厂内网络扁平化。—是随着智能机器发展和智能分析集中，工厂 OT 系统将逐步打破车间级、现场级分层次组网模式，智能机器之间将逐步实现直接横向互联。二是整个工厂管理控制系统扁平化，包含 IT 系统和 OT 系统部分功效融合（如 HMI) , 或经过工业云平台方法实现，实时控制功效下沉到智能机器，促进 IT 和 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。伴随工业网络技术发展演进，现场总线正在逐步被工业以太网替换。未来，工业内有线连接将被含有以太网物理接口网络主导，同时基千通用标准工业以太网逐步替换多种私有工业以太网，并实现控制数据和信息数据同口传输。伴随以太网广泛使用，工业网络 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 IP 到底，从而使得 IT 和 OT 节点（机器）直接可达。而为处理大量支持 IP 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关键补充。无线技术逐步向工业领域渗透，展现从信息采集到生产控制，从局部方案到全网方案发展趋势。现在无线技术关键用千信息采集、非实时控制和工厂内部信息化等， Wi-Fi、 Zigb ee 、 2G/ 3G/ LTE、面向工业过程自动化无线网络 WIA PA 、Wirele ssHA RT 及 ISA l 00.1 l a 等技术已在工厂内取得部分使用。对千低功耗、广覆盖、大连接等工业信息采集和控制场景， NB-lo T 将会成为很好技术选择。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补充或替换，如 5G 已明确将工业控制作为其低时延、高可靠关键应用场景， 3GPP 也已开展相关研究工作，对应用场景、需求、关键技术等进行全方面梳理，另外 IEC 正在制订工厂自动化无线网络WIA-FA 技术标准。工厂内网络灵活化组网。未来基千智能机器柔性生产将实现生产域依据需求进行灵活重构，智能机器可在不一样生产域间迁移和转换，并在生产域内实现即插即用。这需要工厂网络灵活组网，实现网络层资源可编排能力，软件定义网络 (SDN) 是其中实现方法之—。 ( 4 ) 目标架构图 6 工厂内部网络目标架构工业互联网场景下工厂内部网络方案将包含五个关键步骤，图 6 所表示，— 是工厂 IT 网络。为适应互联网发展趋势，同时也为了工厂内庞大数量生产、监控终端接入， IT 网络应该基千 1Pv6 或支持 1Pv4/ 1Pv6 双栈。二是工厂OT 网络。工业以太网将逐步替换现场总线，实现 "e 网到底,,'同时在以太网向下延伸基础上实现智能机器、传感器、实施器等 IP 化或 1Pv6 化。三是直达智能机器和在制品连接。智能机器、传感器、在制品等生产现场设备、物品将实现到 IT 网络直达连接以实现对生产现场实时数据采集等功效。四是泛在无线连接。生产现场智能机器、在制品、传感器、运输设备等将经过各类无线技术实现连接，依据设备能耗、传送距离等可采取 Zig b e e 等短距离通信技术或 Wi-Fi、 LTE 增强、NB-loT、 5G 等无线技术。五是基于 SO N IT/ OT 组网方案。IT 网络和 OT 网络采取 SON 技术，实现控制平面和转发平面分离，经过 SO N 控制器和制造控制系统（如 M ES 等）协同进行网络资源调度，支撑柔性制造和生产自组织。 2、工厂外部网络 ( 1 ) 现实状况分析工厂外部网络关键是指以支撑工业全生命周期各项活动为目标，用千连接企业上下游之间、企业和智能产品、企业和用户之间网络。现在，大量工业企业已经和公众互联网之间实现互联，但互联网为工业生产带来价值仍比较有限。从互联形式上来看，工厂生产步骤和企业管理步骤仍封闭在工厂内部，从公众互联网角度来看，工厂内部仍是—个“黑盒”。从应用形式上看，工厂和互联网结合关键是在产品销售和供给链管理等步骤，互联网在工业生产全生命周期中资源优化配置作用仍未充足表现。 ( 2 ) 存在问题现在以1Pv4 公众互联网为主体工厂外部网络承载未来工业互联网应用存在四个方面关键问题，—是网络性能难以满足。公众互联网没有服务质量确保，难以满足工业生产和互联网融合后对网络提出低时延、高可靠、服务质量确保需求。二是网络承载能力难以满足。现在公众互联网业务承载和隔离能力较弱，在 VPN 专网上能够承载 VPN 数量也有限，难以满足大量工业企业专线互连要求。三是网络安全威胁。工业互联网应用对网络安全要求进—步提升，现在互联网安全能力有待提升。四是网络地址空间有限。现在以 1Pv 4 为基础公众互联网本身面临地址枯竭局面，难以承载工业互联网数以百亿终端接入要求。 ( 3 ) 发展趋势伴随网络和信息技术、服务模式发展，原来局限在工厂内工业生产过程逐步扩展到外部网络，工业生产信息系统和互联网正在走向深度协同和融合，包含 IT 系统和互联网融合、OT 系统和互联网协同、企业专网和互联网融合、产品服务和互联网融合。企业 IT 系统和互联网融合从网络层面来看是工厂内部 IT 网络向外网延伸。企业将其 IT 系统（如 ERP 、CRM 等）托管在互联网云服务平台中，或利用 Sa a s 服务商提供企业IT 软件服务。 OT 系统和互联网协同从网络层面看是部分 OT 系统网络向外网延伸。在部分人力较难达成，且又需要实现生产过程调整和维护场景下，需要经过可靠互联网连接，实现远程 OT 系统控制。现在互联网质量对千时延、抖动、可靠性有极高要求实时控制还无法承载。企业专网和互联网融合是将在公众网络中为企业生成独立网络平面，并可对带宽、服务质量等进行灵活快速定制。这类业务场景需要提供独立网络资源控制能力，开放网络可编程能力，和定制化网络资源（如带宽、服务质量等）。现在互联网尚不支持这类业务场景，需要网络虚拟化及软件定义网络技术深入发展和布署。产品服务和互联网融合将经过智能工业产品信息采集和联网能力为工业企业提供新产品服务模式。工业企业基千这些平台能够为用户提供产品监测、估计性维护等延伸服务，从而延长了工业生产价值链。这类业务基础是对海量产品数据采集和监测，需要经过无线等技术实现工业产品泛在接入。工厂和公众网络互联需求不停增强和扩展，新型互联出现对现有公众网络不停提出新需求，一是支持百亿终端接入，联网工业装备及产品数量将达成百亿级水平。二是支持百级业务平面，考虑工业现场 OT、 IT 各类应用以及未来业务发展，不一样质量要求业务平面应达成数百等级。三是支持百万用户隔离，全国规模以上工业企业数量在 50 到 60 万家左右，每个企业根据 3 到 5 个 VPN 需求计，网络承载能力需达成百万级 VPN 水平。四是提供全程服务质量确保，满足不一样工业互联网应用端到端网络质量可靠性要求。五是提供网络编排能力，网络应经过开放接口支持工业和其它行业用户对网络功效和协议进行自定义。六是提供内嵌安全能力，实现内生安全和网络可溯源方便保障关键应用安全。工业和外部网络进—步融合，将推进个性化定制、远程监控、智能产品服务等全新制造和服务模式。为此，工厂外部网络需要含有更高速率、更高质量、更低时延、安全可靠、灵活组网等能力，这些需求在现在互联网上还无法满足，需采取5G、软件定义网络 (SDN) 、网络功效虚拟化 (N FV) 等一系列新网络技术研究和布署来支撑工业互联网发展。 ( 4 ) 目标架构图 7 工厂外部网络目标架构工业互联网场景下工厂外部网络方案将包含四个关键步骤，图 7 所表示，— 是基千 1Pv6 公众互联网。工业互联网终端数量将达成数百亿量级， 1Pv6 在公众互联网中布署势在必行，同时还需要考虑 1Pv4 到 1Pv6 过渡网络方案。二是基千 SON 工业互联网专网或 VPN。对部分网络质量要求较高，或比较关键业务，需要用专网或VPN 方法来承载。专网中需要利用 SON、NFV 等技术实现业务、流量隔离，并实现网络开放可编程。三是泛在无线接入。利用 NB-loT、 LTE 增强、5G 等技术，实现对各类为满足各类海量智能产品无线接入。四是支持工业云平台接入和数据采集。工厂外部网络支持企业信息化系统、生产控制系统，和各类智能产品向工业云平台数据传送和服务质量确保。（三）工业互联网地址和标识解析体系 1、标识及标识解析体系 ( 1 ) 现实状况分析如同域名系统 (DNS) 在互联网中作用一样，标识解析体系是工业互联网关键神经系统。工业互联网中标识，就类似于互联网中域名，是识别和管理物品、信息、机器关键基础资源。工业互联网中标识解析系统，就类似互联网中域名解析系统，是整个网络实现互联互通关键基础设施。现在中国外存在多个标识编码及标识解析方案。标识编码方面还未统—，中小型企业内部大量使用自定义私有标识，而包含流通步骤供给链管理、产品溯源等应用模式正在逐步尝试跨企业公有标识。标识解析方面总体可分成两大发展路径。以是否基千 DNS 区分，标识解析体系发展存在两条路径（改良路径和变革路径）。改良路径仍基千互联网 DNS 系统，对现有互联网 DNS 系统进行合适改善来实现标识解析，其中以美国 GS1 / EPCglob al 组织针对 EPC 编码提出 O NS 解析系统相对成熟。国际上关键标识解析体系在中国全部授权设立了分支机构，如电子标准化院组建0 1D 注册中心，物品编码中心负责中国 EPC 编码分配。同时中国相关单位也在基于 DN S 系统主动探索其它改良方案，如中科院计算机网络信息中心物联网异构标识解析 NIOT 方案，中国信息通信研究院 CID 编码体系。中国单位经过在中国家顶级域 .C N 下注册二级域名，形成境内标识解析系统。同时为改变域名解析系统长久受制于美国局面，中国互联网企业（天地互连企业）开展了根节点拓展试验 “雪人计划” 。变革路径采取区分于 DN S 标识解析技术，目前关键是数字对象名称管理机构 (DO NA 基金会）提出 Ha nd le 方案，未来还可能出现新技术方案。 Ha n d le 方案采取平行根技术，实现各国共同管理和维护根区文件，现已在 ITU、美、德及中国设置了 4 个根服务器，既能够独立于 DNS 又能够和现有 DN S 兼容。电子—所负责运行中国根。现在各方案在中国均已开启并形成—定规模布局，且不一样方案之间已含有互通能力，能够相互兼容、互通和共存。 ( 2 ) 存在问题为支撑工业互联网发展，标识解析体系面临部分新需求和挑战，现有标识解析体系尚难以完全满足这些需求。一是功效方面，因为工业互联网中主体对象起源复杂、标识形式多样、难以统—，需要支持异构兼容性和有效扩展性。二是性能方面，工业互联网标识数据将大大超出现有互联网标识数据，需要工业互联网标识解析系统含有高效性和可靠性，针对工厂内柔性制造等特定场景还需要保障较低解析时延。三是安全方面，由千工业互联网标识解析系统中存放了更多包含到国计民生敏感数据，所以需要提供隐私保护、真实认证、抗攻击能力，攻击溯源能力。四是管控方面，标识是工业互联网关键基础资源，能够反应和统计分析工业运行状态，需要愈加公正平等治理体系。现在关键标识解析系统是否能够满足工业互联网在功效、性能、安全、管控等方面需求还需要检验。 ( 3 ) 发展趋势闭环私有标识及解析系统正在逐步向开环公共标识及解析系统演进。现在标识技术在资产管理、物流管理等部分步骤得到应用和推广，并正在向生产步骤渗透，如产线能够经过自动读取在制品标签标识来匹配对应处理。伴随面向产品全生命周期管理及跨企业产品信息交互需求增加，将推进企业标识系统和公共标识解析对接。标识对象也将伴随自动化标识技术应用逐步扩展，早期可能侧重产品标识，逐步覆盖原材料、软件系统等多种管理对象和要素。多个标识解析体系在—定时期内共存。基千改良路径方案和基千变革路径方案在中国外均已开启并形成一定规模布局。从现在看，已经有标识类应用现实状况难以打破，短期内难以实现标识解析体系统一。且现在多个方案已含有互通能力，能够相互兼容、互通和共存。公平对等是标识解析关键发展方向。传统互联网治理格局长久不变， DN S 域名系统最高管理权掌握在少数国家手中，这种集中化单边管理机制既轻易受到黑客攻击，又存在控制权争议问题。现在，中国外已经提出并开始布局多个新型标识解析体系方案，如 O NS 在 2.0 版本已经支持并连根， Ha ndle 采取平行根设计，其共同特征是倾向千分布式多边管理机制，愈加强调公平、对等。 2、工业互联网地址工业互联网发展需要大量IP 地址。工业互联网需要支撑海量智能机器、智能产品接入，而现在已趋千枯竭 1Pv 4 地址难以满足未来工业互联网发展海量地址空间需求。所以 1Pv6 是工业互联网络发展肯定选择。1Pv6 在处理工业互联网地址需求同时，也能为工厂内网各设备提供全球唯一地址，为愈加好进行数据交互和信息整合提供了条件。 1Pv6 在工业互联网应用技术和管理将成为研究热点。1Pv6 即使已经研究了多年，但工业应用有其特殊性，尤其是工厂内网在安全性、可靠性、网络性能等方面全部有较高要求，所以1Pv 6 和工业互联网结合技术需要进—步深入研究。同时，工业生产关系国计民生，提前开展 1Pv 6 地址在工业互联网中分配和管理研究，将有利千提升主管部门互联网监管水平。（四）工业互联网应用支撑体系 ( 1 ) 现实状况分析工业互联网应用支撑体系包含三个层面，—是实现工业互联网应用、系统和设备之间数据集成应用使能技术，二是工业互联网应用服务平台，三是服务化封装和集成。工业互联网应用、系统和设备集成应用使能技术是支撑工业企业内部或工业企业和互联网数据分析平台之间实现数据集成和互操作基础协议。和互联网中 HTM L 等协议类似，工业互联网中应用使能技术关键作用是在异构系统（不一样操作系统、不一样硬件架构等）之间实现数据层面相互“了解” ，实现信息集成和互操作。OPC 是目前应用较广泛工厂内应用使能技术，其定义了—套通用数据描述和语法表示方法（信息模型），每个系统能够将各自数据信息以 OPC 格式进行组织，从而能够被其它系统所获取和集成。工业互联网应用服务平台现在关键表现为可集成布署各类工业云服务能力和资源平台，以实现在线设计研发、协同开发等工业云计算服务。这类服务关键面向中小工业企业。—是经过在线集成设计云服务能够为工业企业提供设计资源和工具服务。二是开展基千云平台多方协作、设计众包等新型开发方法，实现制造资源高效整合。现在也逐步出现—些工业云服务平台，经过利用应用使能技术，实现对生产现场数据有效采集和分析，并将结果应用千企业管理和决议。现在工业企业服务化集成关键集中在工厂运行层信息系统中，大型企业经过企业服务总线 (ES B) 将 ERP 、 C RM、 M ES 等信息系统经过 SO A 化形式进行资源组织，为企业运行提供基础管理支撑。在此基础上，向工厂／车间下沉 M ES 或 SC ADA 系统基础停留在业务逻辑预置开发、数据库为中心交互模式，而底层设备、物料等生产资源仍无法实现 SO A 化服务资源调度。 ( 2 ) 存在问题现在工业互联网应用支撑体系仍在发展早期，存在三个关键问题：—是工业云平台标准化和规范化问题。现在面向工业云平台缺乏标准和规范，企业可能会针对云服务商业务绑定、数据迁移、数据安全等问题有所顾虑。二是应用使能技术通用性问题。现在 OPC 在工厂内部取得了较广泛应用，在一定程度上处理了设备和系统信息交互和集成问题，不过 OPC 仅规范了读写格式，对于设备和系统缺乏结构化、模型化规范化表示，所以对上层应用系统来说仍然是独立 1/0 变量或功效，系统集成和业务逻辑复杂。三是服务化有待发展和探索。现在企业级各个信息系统已能够实现基千 SO A 集成，但生产控制层面关键还是基千定制协议和定制逻辑，难以快速进行服务组合和设计。另外怎样实现生产企业内部业务及数据互联网服务化，还需探索。 ( 3 ) 发展趋势云计算逐步引入到工厂内部和工厂外部。一是以 la aS 模式为基础开展工厂私有云和公共云建设。云计算为工业企业 IT 建设提供了愈加高效率、低成本、可扩展方法，经过 la aS 能够在不对现有企业 IT 架构进行较大改变情况下，实现系统到云端平滑迁移。—些大企业能够自建私有云平台，或采取混合云模式充足利用公共云能力，而中小企业则更多利用公共云服务，提升其 IT 建设能力。二是以 Pa aS 平台构建工业应用新模式。Pa aS 平台现有后端强大计算、存放能力支撑，同时前端又能够以简单易用 REST 接口实现应用快速构建，能够满足工业企业对估计维护等创新应用快速开发、布署需求。对千传统 Pa aS 平台来说，面对工业互联网应用需求，需要实现对设计、生产、供给等各个步骤数据采集能力，并在云端构建面向工业各领域特有分析模型和通用应用支撑能力。三是以 Sa a s 平台向企业直接提供 IT 应用服务。现在已经有厂商针对企业管理、协同研发等领域提供 Sa a s 服务，随着工业互联网发展，面向工业领域 Sa a s 服务将逐步丰富，形成覆盖研发设计、协同制造、企业管理、产品服务等全步骤应用产品。中小企业利用 Sa a s 服务能够快速构建覆盖全生命周期多样化应用。应用使能技术工厂内外展现不一样趋势。一是工厂内不一样系统间数据集成协议。工厂内部以 OPC-UA 为代表数据集成协议将得到愈加广泛应用，成为连接生产设备和 IT 系统“数据总线＇，以处理由千制造控制系统、 IT 系统类型众多、厂商各异，数据格式、模型不一样，无法被其它系统所”了解”和处理问题。二是工业设备、产品到云平台之间数据集成协议。工业设备、产品到云平台之间数据集成协议则会形成以开放标准为主协议集，为实现对产品制造、使用、维护等过程中数据充足分析和利用，发挥生产、产品数据最大价值，需要未来自生产现场和智能产品异构数据经过网关或消息中间件转换形成统一模型数据信息发送到云端，实现集中分析处理。目前实现从生产现场到云端应用数据集成协议类型很多，如 O ASIS MQTT 和AMQP, IETF CoAP 和 XMPP 等。服务化封装和集成成为处理异构应用、系统和设备协同关键手段。伴随工业互联网发展，多种智能设备、控制系统、信息系统、智能产品等将在工厂内部及整个互联网中实现互联和协作，经过对这些设备和系统功效进行服务化封装，如经过服务化将生产设备由传统数据源变为可重组服务单元，从而能够简化各类业务和应用系统开发，并正在成为关键发展方向。其中，基千语义服务化封装，能够有效处理异构设备和系统抽象和可认知间题，而受到产业主动推进。 4 ) 目标架构图 8 工业互联网应用支撑体系工业互联网场景下应用支撑体系方案将包含四个关键步骤，图 8 所表示，一是工厂云平台。在大型企业内部建设专有云平台，实现企业／工厂内 IT 系统集中化建设，并经过标准化数据集成，对内开展数据分析和运行优化。还能够考虑混合云模式，将部分数据能力及信息系统移植到公共云平台上，便千实现基千互联网信息共享和服务协作。二是公共工业云服务平台。面向中小工业企业开展设计协同、供给链协同、制造协同、服务协相同新型工业互联网应用模式，及提供Sa a s 类服务。三是面向行业或大型企业专用工业云服务平台。面向大型企业或特定行业，提供以工业数据分析为基础专用云计算服务。四是工厂内各生产设备、控制系统和 IT 系统间数据集成协议，以及生产设备、IT 系统到工厂外云平台间数据集成和传送协议。（一）工业大数据内涵特征工业大数据是指在工业领域信息化应用中所产生数据，是工业互联网关键，是工业智能化发展关键。工业大数据是基千网络互联和大数据技术，贯穿千工业设计、工艺、生产、管理、服务等各个步骤，使工业系统含有描述、诊疗、估计、决议、控制等智能化功效模式和结果。工业大数据从类型上关键分为现场设备数据、生产管理数据和外部数据。现场设备数据是起源千工业生产线设备、机器、产品等方面数据，多由传感器、设备仪器仪表、工业控制系统进行采集产生，包含设备运行数据、生产环境数据等。生产管理数据是指传统信息管理系统中产生数据，如 SC M、C R M、 ER P、 M ES 等。外部数据是指起源千工厂外部数据，关键包含来自互联网市场、环境、用户、政府、供给链等外部环境信息和数据。工业大数据含有五大特征。—是数据体量巨大，大量机器设备高频数据和互联网数据连续涌入，大型工业企业数据集将达成 PB 级甚至 EB 等级。二是数据分布广泛，分布于机器设备、工业产品、管理系统、互联网等各个步骤。三是结构复杂，现有结构化和半结构化传感数据，也有非结构化数据。四是数据处理速度需求多样，生产现场级要求实现实时时间分析达成毫秒级，管理和决议应用需要支持交互式或批量数据分析。五是对数据分析置信度要求较高，相关关系分析不足以支撑故障诊疗、估计预警等工业应用，需要将物理模型和数据模型结合，追踪挖掘因果关系。（二）工业互联网大数据功效架构工业互联网数据架构，从功效视角看，关键由数据采集和交换、数据预处理和存放、数据建模、数据分析和数据驱动下决议和控制应用四个层次五大部分组成，图 9 所表示。图 9 工业互联网数据体系参考架构数据采集和交换层关键实现工业各步骤数据采集和交换，数据源既包含来自传感器、 SC ADA 、 M ES、 ER P 等内部系统数据，也包含来自企业外部数据，关键包含对象感知、实时采集和批量采集、数据核查、数据路由等功效。数据预处理和存放层关键目标是实现工业互联网数据初步清洗、集成，并将工业系统和数据对象进行关联，关键包含数据预处理、数据存放等功效。数据建模层依据工业实际元素和业务步骤，在数据基础上构建用户、设备、产品、产线、工厂、工艺等数字化模型，并结合数据分析层提供数据报表、可视化、知识库、数据分析工具及数据开放功效，为各类决议产生提供支持。决议和控制应用层关键是基千数据分析结果，生成描述、诊疗、估计、决议、控制等不一样应用，形成优化决议提议或产生直接控制指令，从而实现个性化定制、智能化生产、协同化组织和服务化制造等创新模式，并将结果以数据化形式存放下来，最终组成从数据采集到设备、生产现场及企业运行管理连续优化闭环。（三）工业互联网大数据应用场景工业大数据应用覆盖工业生产全步骤和产品全生命周期。工业大数据作用关键表现为状态描述、诊疗分析、估计预警、辅助决议等方面，在智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸四类场景下发挥着关键驱动作用。工业大数据技术应用示意图10 所表示。图 10 工业互联网大数据技术应用示意 ( 1 ) 智能化生产中工业大数据应用虚拟设计和虚拟制造。虚拟设计和虚拟制造是指将大数据技术和 CAD、CAE、 C AM 等设计工具相结合，深入了解历史工艺步骤数据，找出产品方案、工艺步骤、工厂布局和投入之间模式和关系，对过去相互孤立各类数据进行汇总和分析，建立设计资源模型库、历史经验模型库，优化产品设计、工艺计划、工厂布局计划方案，并缩短产品研发周期。生产工艺和步骤优化。生产工艺和步骤优化是指应用大数据分析功效，评定和改善目前操作工艺步骤，对偏离标准工艺步骤清况进行报警，快速地发觉错误或瓶颈所在，实现生产过程中工艺步骤快速优化和调整。设备估计维护。设备估计性维护是指建立大数据平台，从现场设备状态监测系统和实时数据库系统中获取设备振动、温度、压力、流量等数据，在大数据平台对数据进行存放管理，进—步经过构建基千规则故障诊疗、基千案例故障诊疗、设备状态劣化趋势估计、部件剩下寿命估计等模型，

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