工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)研究

摘要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范化、規(guī)?；l(fā)展的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、多層級(jí)的互聯(lián)互通互操作。信息通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，激發(fā)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、系統(tǒng)和應(yīng)用程序等對(duì)象之間更加頻繁的信息流通需求。盡管如此，現(xiàn)實(shí)存在的數(shù)據(jù)異構(gòu)、信息異構(gòu)等問(wèn)題使得信息交互仍然存在困難，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)象之間存在大量信息孤島。通過(guò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中引入信息模型的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、多層級(jí)信息的互聯(lián)互通互操作，并針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行分析，最終給出信息模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用及發(fā)展建議。關(guān)鍵詞：信息模型；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；信息孤島；互聯(lián)互通互操作1

引言工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的最大挑戰(zhàn)是普通工業(yè)系統(tǒng)如何從疊加飛速發(fā)展的ICT技術(shù)向信息物理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，而信息物理系統(tǒng)中對(duì)象之間異構(gòu)的信息交互是需要解決的首要問(wèn)題。例如，不同行業(yè)領(lǐng)域機(jī)構(gòu)由于業(yè)務(wù)發(fā)展需要或者工作性質(zhì)的不同，根據(jù)自身需求開發(fā)的通信對(duì)象會(huì)存在不同的接口或者信息格式，接口的不同導(dǎo)致信息傳遞受阻，不同格式的信息之間交互成本過(guò)高。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各種異構(gòu)信息造成的信息孤島問(wèn)題是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展道路上的一塊絆腳石。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型是指工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素、全價(jià)值鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈在信息空間的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。通過(guò)定義統(tǒng)一的框架及描述形式，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型可以實(shí)現(xiàn)信息的標(biāo)準(zhǔn)化，為異構(gòu)信息之間的交互提供解決方案。本文將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型的基本架構(gòu)定義為如圖1所示的形式，圍繞標(biāo)識(shí)、屬性和類對(duì)工業(yè)全要素、全價(jià)值鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈的信息進(jìn)行表達(dá)。為實(shí)現(xiàn)信息模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的有效應(yīng)用，促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)范發(fā)展，本文針對(duì)信息模型的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)展開分析。圖1

信息模型基本架構(gòu)

2

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型發(fā)展現(xiàn)狀目前，根據(jù)應(yīng)用需要，國(guó)內(nèi)外各組織機(jī)構(gòu)圍繞信息模型相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開展了系列研究。2.1

基于OPCUA規(guī)范的信息模型OPCUA包括14種配套規(guī)范，規(guī)范數(shù)量仍在增加，OPCUA通過(guò)系列規(guī)范給出了元信息模型及其實(shí)施方案。在元信息模型中，基于基本節(jié)點(diǎn)，定義應(yīng)用過(guò)程中的數(shù)據(jù)類型以及地址空間中組織結(jié)構(gòu)的類型等。OPCUA地址空間采用分層結(jié)構(gòu)，所有服務(wù)器的頂層以標(biāo)準(zhǔn)化的形式存在，用戶可以通過(guò)層次結(jié)構(gòu)訪問(wèn)地址空間中的所有節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，在元模型的基礎(chǔ)上，用戶可通過(guò)繼承內(nèi)置節(jié)點(diǎn)和增加定義的語(yǔ)義來(lái)擴(kuò)充類型定義。行業(yè)也可以在OPCUA元信息模型的基礎(chǔ)上定義自己的信息模型，如機(jī)器人信息模型、機(jī)床信息模型、機(jī)器視覺(jué)信息模型和塑料加工機(jī)械信息模型。為實(shí)現(xiàn)更多實(shí)體的互聯(lián)互通，有時(shí)需要針對(duì)特定的行業(yè)應(yīng)用制定特殊的信息模型。OPCUA信息模型呈現(xiàn)形式如圖2所示[1]。圖2

OPCUA信息模型OPCUA系列規(guī)范涵蓋對(duì)象類型、變量類型、數(shù)據(jù)類型和引用類型，代表特定的語(yǔ)義。配套規(guī)范包括多種過(guò)程控制的垂直領(lǐng)域，如油氣、智能建筑、公共設(shè)備等。同時(shí)，OPCUA定義了數(shù)據(jù)編碼、安全協(xié)議和傳輸協(xié)議的映射。數(shù)據(jù)編碼通過(guò)使用UA二進(jìn)制、UAXML或者UAJSON定義系列信息模型。因此，基于OPCUA的信息模型主要用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)信息的標(biāo)準(zhǔn)化，出現(xiàn)在信息化應(yīng)用層，可以解決語(yǔ)義互操作問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)信息模型功能，OPCUA服務(wù)器需要對(duì)信息模型進(jìn)行實(shí)例化，構(gòu)建地址空間從而向客戶端暴露實(shí)例化的信息模型，使客戶端能夠訪問(wèn)和管理信息模型中定義的節(jié)點(diǎn)信息?？蛻舳送ㄟ^(guò)訪問(wèn)服務(wù)器的地址空間獲取信息模型定義的數(shù)據(jù)和信息。具體建模過(guò)程為需求獲取、類型定義、模型實(shí)例化。2.2

基于AutomationML標(biāo)準(zhǔn)的信息模型基于AutomationML標(biāo)準(zhǔn)的信息模型核心是以連接不同數(shù)據(jù)格式的頂層數(shù)據(jù)格式CAEX（IEC62424）為框架，整合其他已有的基于XML的數(shù)據(jù)格式，具體參見(jiàn)圖3[2]。通過(guò)CAEX（IEC62424）對(duì)工廠拓?fù)?，可以?shí)現(xiàn)頂層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模。在模型中，將工廠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照工廠、單元、組件、特性、接口、關(guān)系以及引用來(lái)進(jìn)行分層，這些分層對(duì)象包含屬性以及該層結(jié)構(gòu)與其他對(duì)象的關(guān)系。COLLADA（ISO/PAS17506:2012）可以對(duì)模型對(duì)象的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性建模進(jìn)行描述及格式存儲(chǔ)；PLCOpenXML可以對(duì)模型對(duì)象中行為和序列特性的邏輯信息進(jìn)行描述。圖3

AutomationML工程數(shù)據(jù)交換格式總覽基于AutomationML標(biāo)準(zhǔn)的信息模型主要用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)間工程信息的標(biāo)準(zhǔn)化，解決工程過(guò)程中信息交換和集成問(wèn)題，如實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線上的機(jī)器人、機(jī)械臂等對(duì)象間的信息互通。由于AutomationML對(duì)引用與關(guān)系進(jìn)行了區(qū)分，其中引用描述了從CAEX對(duì)象到外部存儲(chǔ)信息的鏈接，關(guān)系描述了CAEX對(duì)象之間的聯(lián)系，因此AutomationML對(duì)象也預(yù)留了與其他工程信息相關(guān)的引用機(jī)制。AutomationML定義的基于XML的數(shù)據(jù)格式可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)工程信息的存儲(chǔ)和交換，并支持運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)源的建模。同時(shí)，AutomationML描述的數(shù)據(jù)模型與OPCUA表示的信息模型之間可以相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)AutomationML結(jié)合OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)的方式可以實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用的互操作性。2.3

基于InstrumentML標(biāo)準(zhǔn)的信息模型InstrumentML模型描述語(yǔ)言可以提供統(tǒng)一的信息模型框架，抽象出其面向?qū)ο筇幚淼母鱾€(gè)模型片段，然后提出一種支持這種通用模型框架的軟件。基于InstrumentML標(biāo)準(zhǔn)的模型架構(gòu)如圖4所示，具體包括身份屬性（儀表的身份標(biāo)識(shí)）、結(jié)構(gòu)屬性（儀表的結(jié)構(gòu)屬性）、功能屬性（儀表的功能屬性）、性能屬性、位置屬性、商業(yè)屬性。圖4

InstrumentML模型圖異構(gòu)工業(yè)儀表網(wǎng)絡(luò)的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、各種類型的傳感器、中間交換的信息格式之間存在著差異性，為了有效屏蔽差異性和實(shí)現(xiàn)異構(gòu)工業(yè)儀表網(wǎng)絡(luò)互操作，可以構(gòu)建InstrumentML工業(yè)儀表信息模型?；贗nstrumentML標(biāo)準(zhǔn)的信息模型可實(shí)現(xiàn)儀表信息的標(biāo)準(zhǔn)化，包括儀表身份標(biāo)識(shí)信息和儀表應(yīng)用屬性信息，以及儀表基本特性的描述。構(gòu)建不同工業(yè)儀表信息模型，可以根據(jù)不同儀表單元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或處理模型標(biāo)準(zhǔn)，在抽象模型基礎(chǔ)上標(biāo)準(zhǔn)化的定制其信息模型模板?；谀０宓墓I(yè)儀表處理建模的過(guò)程中，專業(yè)的建模人員把特定的工業(yè)儀表模型匯總單元數(shù)據(jù)字段映射到InstrumentML單元數(shù)據(jù)描述字段，從而在抽象的工業(yè)儀表公共模型中建立對(duì)應(yīng)的單元數(shù)據(jù)組合參數(shù)模板。將已建好的標(biāo)準(zhǔn)模板可視化之后往標(biāo)準(zhǔn)字段填入相應(yīng)的值，最終生成完整的工業(yè)儀表信息模型。2.4

基于PackML標(biāo)準(zhǔn)的信息模型基于PackML的信息模型可以涵蓋包裝行業(yè)設(shè)備的多種運(yùn)行狀態(tài)和模式，如維修運(yùn)行模式、手動(dòng)運(yùn)行模式、自動(dòng)運(yùn)行模式等。在PackML中定義了17種模式，可根據(jù)需要設(shè)定其中的部分狀態(tài)，這17個(gè)狀態(tài)模式基本能夠滿足除了包裝行業(yè)以外的其他行業(yè)。圖5為PackML的狀態(tài)模型。圖5中方框?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，箭頭方向?yàn)樵O(shè)備的運(yùn)作流程，每當(dāng)完成一個(gè)階段，設(shè)備會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。其中，SC為狀態(tài)完成（StateComplete）。圖5

PackML狀態(tài)模型圖基于PackML的信息模型主要用于包裝過(guò)程的描述，處于信息化應(yīng)用層，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)與操作模式的信息標(biāo)準(zhǔn)化。PackML信息模型具有三大基本功能，包括統(tǒng)一的操作員界面、協(xié)調(diào)一致的信息和協(xié)調(diào)一致的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。因此，利用PackML建模可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)與操作模式的信息標(biāo)準(zhǔn)化。3

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型面臨挑戰(zhàn)3.1

認(rèn)知需要形成統(tǒng)一目前，世界各國(guó)的組織機(jī)構(gòu)對(duì)信息模型的理解和闡述不一，給出的信息模型的內(nèi)涵和架構(gòu)也不盡相同。針對(duì)信息模型的認(rèn)知沒(méi)有形成有效統(tǒng)一的理解，給信息的標(biāo)準(zhǔn)化工作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。3.2

頂層設(shè)計(jì)有待構(gòu)建由于各單位對(duì)信息模型的認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，還未有一套完整的針對(duì)信息模型的標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型缺乏頂層設(shè)計(jì)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺乏頂層框架。首先，在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)層面，信息標(biāo)準(zhǔn)主要是由各單位針對(duì)各自領(lǐng)域編制，標(biāo)準(zhǔn)的流通性和適用范圍窄；同時(shí)，在各種模型之間銜接不暢，模型之間的合作效率低下，對(duì)信息孤島的現(xiàn)象難以打破?？傮w而言，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系不足以覆蓋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型的需求。3.3

標(biāo)準(zhǔn)體系急需完善工業(yè)行業(yè)一般先有產(chǎn)品后出標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)不同，信息通信行業(yè)通常先有標(biāo)準(zhǔn)后推產(chǎn)品。因此，對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而言,信息通信標(biāo)準(zhǔn)的缺乏會(huì)阻礙行業(yè)的發(fā)展，信息模型的核心是實(shí)現(xiàn)信息的標(biāo)準(zhǔn)化。近年來(lái)，以國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）為主參與制定的標(biāo)準(zhǔn)雖然逐漸在信息模型中推廣，國(guó)內(nèi)在信息標(biāo)準(zhǔn)化方面也在不斷發(fā)力，但還沒(méi)有形成體系。3.4

應(yīng)用推廣比較困難工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜，對(duì)信息的處理方式多種多樣，與傳統(tǒng)的信息處理方式相比，信息模型對(duì)信息的標(biāo)準(zhǔn)化處理要求更高。信息模型在發(fā)展過(guò)程中，需要持續(xù)的技術(shù)、資金、人員等投入，在商業(yè)應(yīng)用和推廣過(guò)程中也面臨著基礎(chǔ)薄弱、場(chǎng)景復(fù)雜、成效緩慢等眾多挑戰(zhàn)，將是一項(xiàng)長(zhǎng)期、艱巨、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。當(dāng)前，信息模型整體仍處于起步階段。4

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型發(fā)展趨勢(shì)4.1

完善的標(biāo)準(zhǔn)體系逐步形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備、物料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品和人之間的互聯(lián)互通。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步，面向行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化信息應(yīng)用需求也越來(lái)越大。一方面，標(biāo)準(zhǔn)化的信息可以解決工業(yè)領(lǐng)域不同廠家設(shè)備、不同設(shè)備型號(hào)等造成的信息孤島問(wèn)題，提高信息利用效率，降低信息服務(wù)成本；另一方面，面向未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最實(shí)際的信息應(yīng)用需求，通過(guò)解決行業(yè)內(nèi)部各類環(huán)境、應(yīng)用需求的信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，來(lái)解決行業(yè)間信息匯聚、融合理解等問(wèn)題。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息模型將逐步實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建。4.2

關(guān)鍵技術(shù)有序推進(jìn)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些組織陸續(xù)開展了信息模型的相關(guān)研究工作，主要在信息模型的關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行布局。國(guó)際方面，IEC針對(duì)數(shù)字工廠相關(guān)的信息模型進(jìn)行研究，在數(shù)字化描述方面取得一些成果。德國(guó)西門子公司提出數(shù)字孿生的應(yīng)用形式，通過(guò)信息模型實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體屬性和行為的數(shù)字化表述；德國(guó)電氣與電子制造商協(xié)會(huì)利用信息模型成功對(duì)資產(chǎn)管理殼的資產(chǎn)進(jìn)行描述，并實(shí)時(shí)體現(xiàn)資產(chǎn)的狀態(tài)；OPC基金會(huì)在OPCUA信息模型方面持續(xù)布局，通過(guò)定義統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)不同廠商軟件之間的數(shù)據(jù)交換；IVI則研究信息模型在實(shí)現(xiàn)相互通信和連接方面的相關(guān)技術(shù)。國(guó)內(nèi)方面，中國(guó)信息通信研究院、機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、華為技術(shù)有限公司等機(jī)構(gòu)針對(duì)信息模型相關(guān)技術(shù)展開研究，主導(dǎo)發(fā)布了系列信息模型成果；中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、航天云網(wǎng)科技發(fā)展有限責(zé)任公司等企業(yè)都在使用OPCUA技術(shù)，涉及信息模型的通用建模規(guī)則、模型元素定義、語(yǔ)義化描述方法等內(nèi)容。4.3

應(yīng)用場(chǎng)景向多元化方向延伸伴隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)推進(jìn)，工業(yè)通信技術(shù)更新?lián)Q代的節(jié)奏可能會(huì)超過(guò)之前的任一階段。傳統(tǒng)的信息交互方式嚴(yán)重制約了信息的互聯(lián)互通互操作，信息的利用效率低下。信息模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，如數(shù)字孿生、資產(chǎn)管理殼、OPCUA等，將打破傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)眾多信息交互對(duì)象之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)橫向和縱向信息的協(xié)同，降低信息交互成本。4.4

行業(yè)內(nèi)部呈現(xiàn)協(xié)同發(fā)展趨勢(shì)在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備與設(shè)備往往獨(dú)立操作；但對(duì)處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中心的智能工廠而言，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層需要打通，并通過(guò)信息模型技術(shù)有機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)資源的垂直整合。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)信息的使用需求也會(huì)越來(lái)越大，各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)紛紛涉足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，試圖尋找一種有效、可靠的方法，實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。因此，信息模型的應(yīng)用將促進(jìn)行業(yè)內(nèi)部的協(xié)同發(fā)展。5

結(jié)束語(yǔ)信息模型的發(fā)展仍處于起步階段，國(guó)內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的研究正處于越來(lái)越熱的時(shí)期。為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)沿著正確的發(fā)展方向前進(jìn)，同時(shí)加快該技術(shù)的發(fā)展速度，本文針對(duì)信息模型的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)給出以下建議。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣，涉及領(lǐng)域繁雜,在各自的應(yīng)用場(chǎng)景中，均有其適用的信息模型。為促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展，建議各行業(yè)領(lǐng)域，甚至各應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)適合自身的信息模型，并搭建信息模型服務(wù)平臺(tái)，由行