工業互聯網平臺參考架構、核心功能與應用價值研究

李 君 ，邱君降，竇克勤

（國家工業信息安全發展研究中心，北京 100040）

0 引言

當前，全球制造業正從數字化階段向網絡化階段加速邁進，工業互聯網平臺成為全球制造業競爭的新焦點。發達國家行業龍頭企業均將工業互聯網平臺作為戰略布局的重要方向，并逐步構建自主掌控的平臺布局能力，如提供資產性能優化服務的通用電氣-Predix、基于云開放式物聯網操作系統的西門子-MindSphere等標桿性平臺。我國制造業龍頭企業、ICT領先企業、互聯網主導企業基于各自優勢，紛紛加快工業互聯網平臺布局，如樹根互聯-根云、海爾-COSMOPlat、航天云網-INDICS、阿里云-ET工業大腦、華為-OceanConnect IoT、東方國信-BIOP、和利時-HiaCloud等。總體來看，我國具備加快建設工業互聯網平臺的基礎和優勢，但在技術突破、平臺應用水平、行業覆蓋范圍以及生態構建等方面仍需縮短與國際先進平臺之間的差距。

圍繞工業互聯網平臺的參考架構、功能和價值，學術界和產業領域的學者紛紛展開研究，形成了一系列研究成果。如美國工業互聯網聯盟（IIC）提出了包括邊緣層、平臺層、企業層的平臺系統架構，并提出平臺在位置感知、通信范式、計算分配、通用資源管理等方面的功能要求[1]；Jasmin Guth等人聚焦物聯網平臺，構建包括傳感器和執行器、工業設備、網關、物聯網集成中間件及應用等通用架構[2]；國家工業信息安全發展研究中心對20余家國內外主流工業互聯網平臺進行對比分析，闡述平臺作用機理和發展路徑，并提出我國發展工業互聯網平臺的對策建議[3-5]；我國工業互聯網產業聯盟提出了工業互聯網平臺體系架構，論述了平臺在推動企業數字化轉型、催生新型產業體系等方面的作用[6]；王喜文通過解析通用電氣Predix平臺和西門子MindSphere平臺的核心功能和運營定位，提出了基于工業互聯網平臺的“協聯網”的制造網絡構想[7]；李廣乾認為，工業互聯網平臺是一種新興制造業生態系統，較傳統制造業相比，呈現出具有統一標準、改變分工格局、打造平臺化生態等重要特點[8]；王峰從服務對象、主攻方向等視角出發，將工業互聯網平臺劃分為資產優化平臺、資源配置平臺、通用使能平臺等三種類型，并分別論述了各類平臺對實體經濟的應用價值[9]。

圖1 工業互聯網平臺的基本框架

總體看來，已有研究大多是在分析國內外典型工業互聯網平臺的基礎上，討論平臺架構、功能和應用價值，但平臺架構及核心功能尚未形成統一認知，且在建設運營參與主體、開放價值生態等方面存在一定局限性。針對這一問題，本文提出工業互聯網平臺參考架構，并在此基礎上提出平臺應具備的核心功能及其在企業數字化轉型、社會資源配置、工業知識創新等方面的應用價值。

1 工業互聯網平臺的參考架構

工業互聯網平臺是面向制造業數字化、網絡化、智能化需求的開放式、專業化服務平臺，以工業思維和能力與IT思維和能力的集成、融合、創新為基礎，實現工業全要素泛在連接、彈性供給、高效配置，是加速制造業創新體系和發展模式轉變的重要引擎。工業互聯網平臺的基本框架由基礎設施層（IaaS）、平臺層（PaaS）、應用層（SaaS）三大層級構成，如圖1、圖2所示。

1.1 基礎設施層（IaaS）

基礎設施層（IaaS）是工業互聯網平臺的運行基礎，由IT基礎設施提供商為平臺建設與運營提供虛擬化的計算資源、網絡資源、存儲資源，為平臺層（PaaS）、應用層（SaaS）的功能運行、能力構建及服務供給提供高性能的計算、存儲、網絡等云基礎設施。

圖2 工業互聯網平臺架構及其創新生態

1.2 平臺層（PaaS）

平臺層（PaaS）是工業互聯網平臺的核心，由平臺建設運營主體、各類微服務組件提供商、邊緣解決方案提供商等共同建設，提供應用全生命周期服務環境與工具、微服務發布及調用環境與工具、工業微服務庫、IT微服務庫、工業大數據管理、開放資源接入與管理等功能，依托組件化的微服務、強大的大數據處理能力、高效的資源接入與管理、開放的開發環境工具，向下接入海量社會開放資源，向上支撐工業APP的開發部署與運行優化，發揮著類似于“操作系統”的重要作用。

1.3 應用層（SaaS）

應用層（SaaS）是工業互聯網平臺的關鍵，通過激發全社會力量，依托各類開發者基于平臺提供的環境工具、資源與能力，圍繞特定應用場景形成一系列工業APP，類型可包括品生命周期管理/經營管控/產業鏈運營等各類典型場景的通用APP、行業級APP、企業級定制APP等，通過實現業務模型、技術、數據、資源等軟件化、模塊化、平臺化、通用化，加速工業知識復用和創新。各類工業APP的大規模應用將有效促進社會資源的優化配置，加快構建基于平臺的開放創新生態。

2 工業互聯網平臺的核心功能

工業互聯網平臺應具備分布式IT資源調度與管理，工業資源泛在連接與優化配置，工業大數據管理與挖掘，微服務供給、管理與迭代優化，覆蓋工業APP全生命周期的環境與工具服務，以及良性循環創新生態構建等六個方面的核心功能。具體說明如下。

2.1 分布式IT資源調度與管理

工業互聯網平臺應建立IT軟硬件的異構資源池并提供高效的資源調度與管理服務，通過實現IT能力平臺化，大幅降低企業信息化建設成本，加速企業數字化進程，推動核心業務向云端遷移，為運營技術（Operational Technology，縮寫為OT）和IT的融合和創新應用提供基礎支撐。一是應通過購買、租用、共建共享等方式，建設分布式云基礎設施（IaaS），通過虛擬化實現計算、存儲、網絡等IT資源的池化、統一管理。二是應提供IT基礎資源調度與管理服務，實現對云基礎設施的動態均衡調度，并按用戶實際需求提供彈性擴容、多租戶資源隔離與按需計費等服務。

2.2 工業資源泛在連接與優化配置

工業互聯網平臺應全面推動“人機物法環”等工業資源的數據化、模型化，通過制造能力的平臺化支撐全社會制造資源的動態配置。一是應通過在邊緣側部署邊緣處理解決方案，接入并廣泛匯聚異布的專業技術人員技能、設備設施、產品及原材料、工控系統、業務系統等各類工業資源。二是應將物理世界的資源要素在信息空間進行全要素重建，形成工業資源的數字孿生。三是應可將數據化、模型化的工業資源進行加工、組合、優化，形成模塊化的制造能力，并通過對工業資源基礎管理、動態調度、優化配置等服務，促進制造能力的在線交易、動態配置、共享利用。工業資源的連接與調用過程如圖3所示。

圖3 基于平臺的工業資源連接與優化配置

2.3 工業大數據管理與挖掘

工業互聯網平臺應具備海量工業數據匯聚共享、價值挖掘能力，以數據為驅動加速構建工業知識體系。一是應提供海量、多源、異構工業大數據的轉換、清洗、分級存儲、分析挖掘、可視化處理等功能，支撐海量數據的匯聚利用和核心價值挖掘。二是應通過人機智能融合支持各參與主體快速將工業與IT技術、知識、經驗、方法快速封裝為微服務及微組件，并基于平臺進行發布、調用運行、持續優化，實現各參與主體知識的復用、傳播、提升，形成基于數據驅動、持續迭代的工業知識體系。基于工業大數據管理構建微服務及微組件的過程如圖4所示。

圖4 基于工業大數據管理的微服務及微組件構建

2.4 微服務供給、管理與迭代優化

工業互聯網平臺應提供微服務的供給、管理與迭代優化功能，一是支持各類微服務組件提供商，圍繞“人機物法環”等方面，快速構建人員技能、設備/產品、生產資源、標準業務、工業環境等一系列高度解耦、可復用的工業微服務及微組件，以及數據庫、通用算法、中間件等方面的IT微服務及微組件。二是應支持平臺建設運營主體對各類微服務及微組件進行認證、注銷等基礎管理，并結合工業APP的運行需求實現微服務及微組件的快速發現、編排與調用。三是支持各類微服務組件提供商結合工業微服務及微組件、IT微服務及微組件的使用情況，對其進行持續迭代優化。基于平臺進行微服務發布與迭代優化的過程如圖5所示。

圖5 基于平臺的微服務發布調用與迭代優化

2.5 覆蓋工業APP全生命周期的環境與工具服務

工業互聯網平臺應構建開發者社區，匯聚工業、IT、通信等領域的各類開發者，并提供覆蓋工業APP全生命周期的環境與工具服務，支持各類工業APP的開發、測試驗證、部署與運行優化，為企業轉型升級提供可用好用的工業APP。具體而言，平臺一方面應提供方便易用的工業APP開發、測試驗證、仿真、部署等應用開發與部署環境與工具，充分賦能各類開發者，快速將其掌握的工業技術、經驗、知識和最佳實踐進行模型化、軟件化和再封裝，形成一系列實用性強的工業APP。另一方面，應提供工業APP運行與優化環境與工具，實現工業APP的運行與調度，并結合應用情況對工業APP進行迭代優化。工業APP開發與運行優化過程如圖6所示。

2.6 良性循環創新生態構建

圖6 基于平臺的工業APP全生命周期管理

除了以上五項核心功能，工業互聯網平臺應具備創新生態構建能力，通過優勢互補、強強聯合、跨界合作，打通技術和專業壁壘，共享數據資源，形成新型制造業創新生態。具體而言，應以平臺建設運營商為主導，通過建立一套實現資源共享、動態協作的價值分享機制，廣泛匯聚IT基礎設施提供商、微服務組件提供商、邊緣解決方案提供商、工業資源擁有方、數據資源擁有方、工業APP開發者、工業APP用戶等，形成需求與供給高效精準匹配、應用與服務持續迭代、多方共生共贏的良性發展生態，如圖7所示。

圖7 工業互聯網平臺的創新生態

3 工業互聯網平臺應用價值

工業互聯網平臺在充分發揮其核心功能的基礎上，可為降低企業信息化成本、優化全社會資源配置、加速工業知識創新等提供有利契機。

通過IT資源的池化管理與彈性分配，降低企業信息化成本。工業互聯網平臺提供分布式IT資源及其調度管理服務，通過對IT資源進行池化管理，構建靈活簡便的資源域，滿足對資源的分級分域調度，從而實現資源的集約化管理與使用，有效契合企業的信息化需求，極大降低其軟硬件投入成本及信息化進入門檻，推動企業信息化水平快速提升。

【】【】

通過制造能力的在線交易和按需匹配，優化社會資源配置。工業互聯網平臺通過廣泛連接工業資源、構建資源的數字孿生、形成模塊化的制造能力、促進制造能力的供需對接，帶來全社會資源的網絡化動態配置，引導企業、行業、區域間制造能力互補，形成制造能力社會化共享的良好格局。

通過模塊化的方法工具和開放的價值生態，加速工業知識創新。工業互聯網平臺通過創新商業模式賦能平臺各參與方，提升各類創新主體理解、掌握和運用各類工業知識的能力，大幅降低創新門檻和創新成本，讓海量用戶企業、開發者成為工業知識創造的主體，推動工業知識加速創新、快速迭代，并推動工業知識在實踐中的深度應用。

4 結束語

我國擁有完備的工業體系、創新引領的互聯網生態、龐大的專業人才隊伍、超大規模的應用市場需求，具備加快建設工業互聯網平臺的基礎和優勢。本文提出工業互聯網平臺參考架構，明確平臺應具備的核心功能及應用價值，將為引導我國工業互聯網平臺的建設與發展，促進工業經濟向數據驅動型創新體系和發展模式轉變提供有益借鑒。

[1]Industrial internet consortium working committees. The industrial internet of things volume G1:reference architecture[DB/OL].http://www.iiconsortium.org/IIC_PUB_G1_V1.80_2017-01-31.pdf, 2017-01-31.

[2]Guth J,Breitenbücher U, Falkenthal M, et al. A detailed analysis of IoT platform architectures:concepts, similarities, and differences[M].Internet of everything.Springer,Singapore,2018:81-101.

[3]國家工業信息安全發展研究中心.國內外工業互聯網平臺對比分析研究[DB/OL]. http://www.cspiii.com/sx/rdxw /2017-11-01-4420.html, 2017-11-01.

[4]國家工業信息安全發展研究中心.關于工業互聯網平臺作用機理和發展路徑的思考[DB/OL].http://www.sohu.com/a/220270870_286727

[5]國家工業信息安全發展研究中心. 以開放價值生態替代封閉技術生態,實現換道超車—關于我國發展工業互聯網平臺的若干建議[DB/OL]. http://www.sohu.com/a /204162909_286727.

[6]工業互聯網產業聯盟.工業互聯網平臺白皮書（2017）[DB/OL]. http://www.aii-alliance.org/ index.php? m=content &c=index&a=show&catid=23&id=186, 2017-12-01.

[7]王喜文.工業互聯網平臺實現協同制造[J].中國信息化,2017(5):14-17.

[8]李廣乾.工業互聯網平臺,制造業下一個主攻方向[J].中國信息化,2016(2016:12):11-14.

[9]王峰.工業互聯網平臺分類研究[J].電信技術,2017(10):8-11.