工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計與參考架構(gòu)的探索和實踐

(一)源起：工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的客觀要求控機床、PLC等為代表的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了工業(yè)自動化，以CAD、ERP等為代表的工業(yè)軟件加速了工業(yè)信息化的普及，當(dāng)前正進入以數(shù)字化、要在自動化、信息化基礎(chǔ)上實現(xiàn)更高級的智能化。響應(yīng)復(fù)雜的市場變化、更充分滿足個性多樣的產(chǎn)品要求、更廣泛實現(xiàn)綠色集約的生產(chǎn)等。但基于當(dāng)前自動化信息化系統(tǒng)基礎(chǔ)上的工業(yè)流程與系統(tǒng)的優(yōu)化是局部的，智能是初級的，工業(yè)體系柔性化、敏捷化程度不夠，針對快速迭代和復(fù)雜多變的新需求響應(yīng)能力不足。為工業(yè)發(fā)展變革的重要機遇，將為制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型創(chuàng)造條件，在技術(shù)和需求的驅(qū)動下，制造業(yè)將從自動化信息化的3.0階段向智能化的驅(qū)動的智能化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)方式由集中式制造向網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同組織轉(zhuǎn)傳統(tǒng)金字塔式向平臺化協(xié)同生態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)體系由單線條產(chǎn)業(yè)鏈價值鏈向智能化產(chǎn)業(yè)網(wǎng)鏈轉(zhuǎn)變。鏈和全生命周期的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生，通過全面連接工業(yè)體系而推動信息技術(shù)與工業(yè)融合不斷加深，驅(qū)動工業(yè)生產(chǎn)體系、資源組織方式、商業(yè)服務(wù)模式變革，全面支撐新工業(yè)革命不斷深化。(二)發(fā)展：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化升級的基礎(chǔ)設(shè)施和賦能體系工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過新型傳感、通信網(wǎng)絡(luò)和計算技術(shù)，將人、設(shè)備、生產(chǎn)和信息化系統(tǒng)及整個工業(yè)體系連接起來，匯聚工業(yè)設(shè)備與產(chǎn)品等各類大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，并結(jié)合工業(yè)知識與經(jīng)驗，實現(xiàn)建模分析和決體系的智能化變革。成了新型應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的路徑與基石。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心功能主要包含以下幾個部分：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過新型網(wǎng)絡(luò)連接打通全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈。以5G、TSN、工業(yè)PON等為代表的有線和無線網(wǎng)絡(luò)將工業(yè)環(huán)境下的人、生產(chǎn)設(shè)備、軟件系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)、各要素連接起來，使數(shù)據(jù)可以在各環(huán)節(jié)與要素之解特定設(shè)備的運行情況、倉儲情況等信息。從產(chǎn)品價值鏈來看，產(chǎn)品趨勢，實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)部門間的信息互通。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過標(biāo)識解析體系建立全要素的編碼認(rèn)證與數(shù)字映射。在數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)被采集和傳輸之后，還需建立數(shù)據(jù)、模型等虛擬資產(chǎn)與實體資產(chǎn)賦予唯一的編碼，通過對唯一編碼的解析識別，查詢實體資產(chǎn)對應(yīng)的虛擬信息。如為一臺壓縮機賦予標(biāo)識編碼，作為該壓縮機的運行狀況、維修檔案等信息。會產(chǎn)生購物習(xí)慣、用戶體驗、出行路線等各種數(shù)據(jù)，互聯(lián)網(wǎng)平臺通過收集這些數(shù)據(jù)并進行分析，基于各類部署在手機平臺上的移動APP提供購物推薦、出行路線規(guī)劃、餐館等位預(yù)約等服務(wù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過綜合型的安全防護保障工業(yè)體系可靠運行。隨著工業(yè)系統(tǒng)數(shù)字化水平越來越高，IT與OT融合程度越來越深，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保障體系顯得尤為重要，需要形成包含設(shè)備安全、控制安全、網(wǎng)絡(luò)安力，全方位解決開放創(chuàng)新帶來的安全隱患。(三)體系：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)頂層設(shè)計引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化實踐協(xié)同推進如果沒有較為統(tǒng)一的認(rèn)識和頂層設(shè)計，各界對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理解的差異將導(dǎo)致技術(shù)選擇與標(biāo)準(zhǔn)化路線分化，這會大大增加互操作難度與部署提供依據(jù)，有必要對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行頂層設(shè)計。強調(diào)加快構(gòu)筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等制造新基礎(chǔ)和新生態(tài)。在技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面，在工業(yè)和信息化部指導(dǎo)下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)國內(nèi)外發(fā)展實踐的基礎(chǔ)上，制定了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0版和2.0網(wǎng)提出的新需求，形成了指引各領(lǐng)域系統(tǒng)布局與各行業(yè)實施部署的建設(shè)與應(yīng)用架構(gòu)指南，開啟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的新階段。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)1.0的指導(dǎo)下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸由理念走向推成顯現(xiàn)了巨大的生命力和創(chuàng)造力，同時，這也對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)提出了新的需求。如何定義一個更加通用化的架構(gòu)體系以指引各個領(lǐng)域的系統(tǒng)性布局，如何打通數(shù)字化轉(zhuǎn)型、業(yè)務(wù)體系、商業(yè)變革和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的關(guān)系以更好指導(dǎo)企業(yè)的發(fā)展實踐，如何充分考慮指南。界共識，研究制定了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(版本2.0)》，在繼承等三個視圖重新定義了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的參考體系架構(gòu)，并逐一進行了展和參考的方法論，作為當(dāng)前階段的頂層設(shè)計認(rèn)識共同推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新發(fā)展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0主要包含業(yè)務(wù)視圖、功能架構(gòu)、實施框架三現(xiàn)所需的核心功能、基本原理和關(guān)鍵要素。實施框架明確描述各項功能在企業(yè)落地實施的層級結(jié)構(gòu)、軟硬件系統(tǒng)和部署方式。(一)業(yè)務(wù)視圖工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)視圖如圖1所示，包括產(chǎn)業(yè)層、商業(yè)層、應(yīng)用層、能力層四個層次，其中產(chǎn)業(yè)層主要定位于產(chǎn)業(yè)整體數(shù)字化轉(zhuǎn)型的宏觀四個層次自上而下來看，實質(zhì)是產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型大趨勢下，企業(yè)如何續(xù)驅(qū)動其業(yè)務(wù)乃至整個企業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，并最終帶來整個產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。實現(xiàn)路徑與支撐基礎(chǔ)。從發(fā)展目標(biāo)看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過將自身的創(chuàng)新活力深刻融入各行業(yè)、各領(lǐng)域，最終將有力推進工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型與經(jīng)全面連接的新基礎(chǔ)是關(guān)鍵，這也是工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的核心。還可進一步細(xì)分為商業(yè)模式、市場需求、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、運營管理、資產(chǎn)調(diào)配、交付速度等若干戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。三大鏈條的創(chuàng)新優(yōu)化變革，推動企業(yè)業(yè)務(wù)層面數(shù)字化發(fā)展。通過打通產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、流程規(guī)劃、生產(chǎn)過程的整體優(yōu)并進行數(shù)據(jù)深度分析優(yōu)化，實現(xiàn)全價值鏈的效率提升與重點業(yè)務(wù)價值面維護保障與質(zhì)量服務(wù)。核心數(shù)字化能力。按照上述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展愿景、推進方向與業(yè)務(wù)需景下的具體應(yīng)用實踐。(二)功能架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)如圖2所示，包含網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三大功能策流構(gòu)成的工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用優(yōu)化閉環(huán)。圖2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以數(shù)據(jù)為核心，在網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三大功能體系支撐下，由自下而上的信息流和自上而下的決策流共同組成，在信息流與決策流的雙向作用下，優(yōu)化閉環(huán)連接物理空間與數(shù)字空間，以數(shù)據(jù)分析決策為核心，支撐形成了面向不同工業(yè)場景的智能應(yīng)用與解決方案。網(wǎng)絡(luò)體系主要由網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通、標(biāo)識解析三大部分組成。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是指通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)人機料法環(huán)以及產(chǎn)業(yè)上下游、智能產(chǎn)品、用戶等全要素的連接，為信息數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)建立基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)互通是指實現(xiàn)各要素、各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)與信息的聯(lián)系起來。平臺體系主要由邊緣層、PaaS層、應(yīng)用層三部分組成。邊緣層提供海量工業(yè)數(shù)據(jù)的接入、協(xié)議解析與數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)邊緣分析應(yīng)用等功能。PaaS層提供資源管理、工業(yè)數(shù)據(jù)與模型管理、工業(yè)建模分析和工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新等功能。應(yīng)用層提供工業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用、開發(fā)者社區(qū)、應(yīng)用商店、應(yīng)用二次開發(fā)集成等功能。安全體系主要由可靠性、保密性、完整性、可用性以及隱私和數(shù)據(jù)保環(huán)節(jié)打造完整的安全防護，確保設(shè)備正常、控制可靠、應(yīng)用穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健、數(shù)據(jù)保密。(三)實施框架工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施框架是整個體系架構(gòu)中的具體操作方案，解決“在哪安全四大系統(tǒng)展開，實施框架如圖3所示。圖3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施框架當(dāng)前階段工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實施以傳統(tǒng)制造體系的層級劃分為基礎(chǔ)，適度考慮未來基于產(chǎn)業(yè)的協(xié)同組織，按“設(shè)備、邊緣、企業(yè)、產(chǎn)業(yè)”四個層級開展系統(tǒng)建設(shè)，指導(dǎo)企業(yè)整體部署。設(shè)備層對應(yīng)工業(yè)設(shè)備、產(chǎn)品的運行和維護功能，關(guān)注設(shè)備底層的監(jiān)控優(yōu)化、故障診斷等應(yīng)用；邊緣層對應(yīng)車間或產(chǎn)線的運行維護功能，關(guān)注工藝配置、物料調(diào)度、能全系統(tǒng)，關(guān)注供應(yīng)鏈協(xié)同、資源配置等應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)注全要素、全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈互聯(lián)互通新型基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)安全管控、態(tài)勢感知、防護能力等建設(shè)。(四)技術(shù)支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系是支撐功能架構(gòu)實現(xiàn)、實施架構(gòu)落地的整體技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)所需重點技術(shù)集合。同時，以人工智能、5G為代表的新技術(shù)加速融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，不斷拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力內(nèi)涵和作用邊界。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是通過更大范圍、更深層次的連接實現(xiàn)對工業(yè)系統(tǒng)策，其技術(shù)體系由制造技術(shù)、信息技術(shù)以及兩大技術(shù)交織形成的融合升人類獲取、處理、分析數(shù)據(jù)的能力。制造技術(shù)和信息技術(shù)的融合強化了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的賦能作用，催生工業(yè)統(tǒng)的實時建模和仿真，產(chǎn)品和工藝技術(shù)隱性知識的挖掘和提煉等創(chuàng)新應(yīng)用成為可能。(參見圖4)架構(gòu)在垂直行業(yè)的落地應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0作為一套數(shù)字化轉(zhuǎn)型的系統(tǒng)方法論，對垂直行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用推廣和實施落地具有較好的引領(lǐng)指導(dǎo)作用。各垂打造行業(yè)共性建設(shè)路徑，形成該行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用指南和數(shù)字化轉(zhuǎn)署與應(yīng)用成效。我國石化行業(yè)信息化、自動化水平基礎(chǔ)相對較好，但隨著全球石化行中石油、中海油等行業(yè)龍頭企業(yè)紛紛進行布局。(一)業(yè)務(wù)視角石化行業(yè)全要素生產(chǎn)率的全面提升。在企業(yè)和商業(yè)層面，石化企業(yè)的目標(biāo)是基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全企業(yè)信一方面提高企業(yè)技術(shù)水平與生產(chǎn)管理水平，降低安全風(fēng)險，實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，另一方面提升市場預(yù)測能力，降低市場風(fēng)險對企業(yè)的影響。即通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)與經(jīng)營數(shù)據(jù)的深入分析實現(xiàn)生產(chǎn)與經(jīng)營的協(xié)同，使企業(yè)可以快速基于市場信息調(diào)整生產(chǎn)計劃。二是產(chǎn)業(yè)鏈價值鏈一體化，即通過打通產(chǎn)供銷各端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于價格預(yù)測的采購與銷售優(yōu)化和基于原油品質(zhì)的生產(chǎn)決策優(yōu)化。三是資產(chǎn)全生命周期一體化，即基于設(shè)備運行數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)大型壓縮機等高價值設(shè)備的預(yù)測性維護，優(yōu)化工廠全生命周期管理。全局協(xié)同是優(yōu)先需要建設(shè)的能力。(參見圖5)(二)功能架構(gòu)形成全鏈條一體化協(xié)同能力。在網(wǎng)絡(luò)方面，以現(xiàn)有工業(yè)總線和工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，推進5G、工業(yè)TSN等新型網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)部署，強化信息采集與信息傳輸能力。在平臺方面，打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，集成ERP、通過大數(shù)據(jù)建模分析提供優(yōu)化服務(wù)。在集團層面開展不同煉廠、產(chǎn)業(yè)鏈不同環(huán)節(jié)的資源調(diào)度。在安全方面，形成“云網(wǎng)端”一體化信息安全防護技術(shù)體系。(參見圖6、圖7)(三)實施框架某石化集團智能工廠建設(shè)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施思想保持一致，指導(dǎo)集團互聯(lián)網(wǎng)平臺和企業(yè)智能制造平臺為核心，劃分為集團CLOUD層和現(xiàn)場SITE層，后者包括以油田和煉廠等代表的企業(yè)執(zhí)行層、以檢化驗和診斷等能力為代表的邊緣實施層、以感知和控制為代表的SCADA探索產(chǎn)業(yè)鏈資源組織，在企業(yè)層關(guān)注具體研究、生產(chǎn)、運營等任務(wù)的DA絡(luò)全局覆蓋和復(fù)雜設(shè)備接入。(參見圖8)石化行業(yè)整體工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探索取得了初步成果，一是生產(chǎn)管控一體化程度提高，如九江石化自2014年以來通過全流程優(yōu)化，增效5值產(chǎn)品，2017年優(yōu)化停產(chǎn)39套裝置，增產(chǎn)35萬噸乙烯，增效6.6健康分析模型對壓縮機組進行監(jiān)測分析，避免因設(shè)備故障引起的停工損失約1365萬元。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0在當(dāng)前階段具有一定引領(lǐng)性和超前性，但由于當(dāng)前技術(shù)的限制，在應(yīng)用實施方面還存在諸多問題。具體來說，在網(wǎng)絡(luò)方面存在各層級網(wǎng)絡(luò)的功能割裂難互通，數(shù)據(jù)體系互不兼容，標(biāo)識編碼規(guī)則和標(biāo)識數(shù)據(jù)模型不統(tǒng)一等問題。在平臺方面存在數(shù)據(jù)集成方面存在隱私和數(shù)據(jù)保護力度不夠，安全防護能力待提升，安全可靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)將持續(xù)發(fā)展與演進。(一)網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展與演進方向一是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)趨向扁平化，IT與OT網(wǎng)絡(luò)加速融合。數(shù)字化新業(yè)務(wù)對高實時控制信息與非實時過程數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生了更高要求，有線與無線網(wǎng)絡(luò)走向融合互補，共同構(gòu)建全流程、無死角的全場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋。二實現(xiàn)各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解耦，傳統(tǒng)工業(yè)控制閉環(huán)中的數(shù)據(jù)將逐漸開放出來供上層應(yīng)用使用。三是邊緣側(cè)智能化程度逐步提高。為適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場與產(chǎn)品側(cè)高實時性的場景需求，未來計算能力將逐漸下沉，通過在網(wǎng)邊緣側(cè)可處理任務(wù)的復(fù)雜程度。(二)平臺體系發(fā)展與演進方向一是平臺智能化水平大幅提升。基于平臺的數(shù)據(jù)智能成為整個制造業(yè)智能化的核心驅(qū)動，大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)持續(xù)拓展數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的同化能力持續(xù)深化。通用組件、共性能力加速沉淀，產(chǎn)業(yè)鏈價值鏈各方接入平臺范圍大大擴展，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈、多領(lǐng)域、跨邊界的協(xié)同協(xié)臺遷移與云化原生拓展，業(yè)務(wù)模型解耦與功能訂閱等模式創(chuàng)新