离散制造企业工业互联网平台发展模式分析

2022-06-20刘建康

金属加工(冷加工) 2022年5期

刘建康

天津职业技术师范大学机械工程学院天津 300222

1 序言

在“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”的发展趋势下，以工业互联网为核心的数字化转型为我国制造业升级提供了强大动力。工业互联网由网络、平台和安全三大体系构成[1]，其中，工业互联网平台是工业互联网的核心，是连接设备、软件、工厂、产品和人等工业全要素的枢纽，是海量工业数据采集、汇聚、分析和服务的载体，是支撑工业资源泛在连接、弹性供给和高效配置的中枢，是智能制造时代的关键基础设施。工业互联网平台的建设和实施，需要充分考虑产业发展趋势，从技术实现、业务组织、企业管理和人才培养等不同视角来分析工业互联网平台模式和架构，经过一个反复迭代、动态优化和不断演进的过程，实现工业互联网平台的生态化发展，推动两化融合迈向新的阶段。

2 离散制造工业互联网平台模式分析

离散制造企业的生产效率不像流程制造企业主要由设备产能决定，而是很大程度上取决于资源要素配置的合理性。相同规模和硬件设施的两个企业因管理水平不同，可能导致生产效率的巨大差异。从这个意义上来说，离散制造企业通过实施工业互联网转型来提升竞争力更具潜力。建设面向离散制造的工业互联网平台，需要充分考虑离散制造特点，融合云计算、物联网等新兴信息技术，合理规划工业互联网平台运行模式。

与传统互联网平台相比，工业互联网平台有诸多明显区别。应用场景方面，互联网平台主要部署在云端服务器中，主要连接的主体是个人计算机（PC）、手机等终端设备，提供网页、视频、游戏和数据存储等服务，应用场景相对简单。而工业互联网平台需要实现人、机和物等各类工业要素的实时连接与智能交互，连接种类、数量更多，提供工业业务流程管理和产品全生命周期服务，场景更为复杂；技术需求方面，互联网平台突出体现为“尽力而为”的服务方式，对服务响应、网络时延和可靠性等要求不严格，但工业互联网平台直接涉及生产过程控制，网络和服务性能上要求低时延、确定性、高可靠性和高安全性。

由于互联网平台的应用场景相对简单，所以比较容易提炼出较多的共性需求，由此诞生了多种云服务平台模式，典型的云服务模式被划分为3种：IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务）、PaaS（Platform-as-a-Service，平台即服务）和SaaS（Software-as-a-Service，软件即服务）。当前工业互联网平台的建设大多借鉴或者沿用了PaaS和SaaS服务模式，寄希望于发掘和整合工业生产过程中的共性需求，结合云服务相关技术栈开发诸多工业应用，形成工业互联网服务套件，供企业组合搭配应用。但是，由于工业互联网应用场景更加复杂，尤其是涉及机器、物料等要素的连接，所以工业互联网平台更多注重边缘层设备接入和数据采集，因此，工业互联网企业通常会提供配套的边缘网关设备，通过协议转换实现生产现场的“万物互联”。目前，业界基本已形成智能终端（边缘网关）+云架构平台+工业APP的工业互联网平台架构模式。

现有工业互联网平台解决方案，大都支持公有云、私有云两种部署方式。公有云方式下业务功能大多数运行在平台提供商的远程服务器中，这种方式可以为企业节省大量的运维成本。私有云方式是在企业内部服务器部署工业互联网平台，这种方式可以实现网络隔离，有效保护私有数据的安全，同时，数据传输的高带宽、低时延和高可靠性要求都比较容易得到满足。离散制造企业通常以车间、生产线的形式组织生产，生产过程控制的动态性、不确定性较强，生产现场数据呈现大数据的5V特点。由于数据传输的时延、带宽需求高，所以离散制造企业更加适合私有云方式部署工业互联网平台。

从功能的角度分析，离散制造企业希望工业互联网平台能够提供生产监控、业务系统和企业管理等功能的一站式解决方案，也就是说，工业互联网平台是传统SCADA、MES和ERP等多个系统功能的集合体。然而，由于离散制造现场设备的多样性，导致边缘层数据交互需求极其碎片化，工业互联网平台与设备层之间数据采集和指令传递不仅存在巨大的障碍，使工业现场数据采集的时效性降低，而且工业互联网平台中的工业APP产生的各种决策指令难以传递至现场加工设备。因此，工业互联网平台应该与底层设备控制系统协同开发，工业互联网企业应该不仅提供边缘网关设备用于数据采集，还应该提供边缘控制器用于生产设备的控制。

综合上述分析，面向离散制造的工业互联网平台发展模式应当具有如下特征。

（1）边缘层工业互联网平台提供基于边缘网关的工业数据采集和基于边缘控制器的设备控制。

（2）企业层以私有云部署工业PaaS平台+工业APP的方式实现企业内部业务功能，比如人事管理、订单管理、生产排程和库存管理等。

（3）社会层以公有云部署工业SaaS平台+工业APP的方式为企业提供共性需求业务服务，比如企业需求对接、工业知识共享和行业发展动态分析等。

工业互联网平台是传统工业云平台的迭代升级[2]，比如当前国内很大一部分工业互联网平台是由传统MES、ERP系统转型而来。然而，由于我国工业控制系统、高端工业软件等产业基础薄弱，诸多工业互联网企业各自为战，缺乏龙头企业，导致国内工业互联网平台呈现碎片化发展趋势，难以形成资源聚集效应，工业APP与用户数量的双向迭代和良性发展局面尚未形成。工业互联网平台是新工业体系的“操作系统”，其中的工业PaaS平台应该被打造成为工业界的Android系统，建立类似APP Store的工业APP分发机制，才能汇聚整个社会的力量开发海量工业APP，形成工业互联网生态体系。

3 离散制造工业互联网平台架构设计

当前工业互联网平台架构与传统互联网平台并没有很大差异，尤其是在服务器端应用的技术栈几乎全部来自互联网行业[3]，与制造现场关系密切的工业自动化控制相关技术栈并未融入其中，导致工业互联网平台与现场生产设备间的交互存在诸多障碍。针对这一问题，结合离散制造特点，本文提出了一套更为新颖的离散制造工业互联网平台架构（见图1）。

图1 离散制造工业互联网平台架构

离散制造工业互联网平台架构分为3层，即设备层、私有云层和公有云层。

（1）设备层包括生产制造设备、网络设备及计算设备。

（2）私有云层包括由AI功能组件、工业大数据功能组件和业务功能组件等构成的工业PaaS服务平台，并采用CSaaS（Control System as a Service，控制系统即服务）的理念集成了开放式体系架构控制系统套件，可直接通过现场总线控制现场生产设备。

（3）公有云层主要包括企业级、社会级层面的工业APP应用，采用SaaS模式提供服务。

私有云服务器安装在靠近车间生产现场的位置，减小服务器与现场设备间的空间距离，以利于工业大数据的采集和传输，同时，采用工业实时以太网总线，控制指令数据的低时延、确定性传输也得到保障，采用可配置、可扩展、可重构的开放式体系架构控制系统，可以满足多种多样的设备控制需求，从而使得CSaaS方案变得可行。

在双寡头市场上，如果寡头厂商提供的产品或服务之间具有较强的可替代性，则由于竞争的存在，使得寡头厂商很难达成串谋哄抬市场价格。为了获得更大的市场份额，同时保护已经占有的市场份额不被竞争对手挤占，寡头厂商的最优选择就是维持价格不变。这样的结果是有利于消费者的。

开放式体系架构控制系统与诸多功能组件都可以被看作是一个个工业APP，为了实现工业APP的便捷部署以及它们之间的交互通信，在私有云服务器中部署了一个分布式松散耦合软件协作框架。该框架采用基于DDS（Data Distribution Service for Real-Time Systems，面向实时系统的数据分发服务）的发布/订阅式通信模式，和基于微服务框架的容器编排部署方式。该框架提供如下能力。

（1）分布式通信分布式协作框架需要提供各种通信模式和手段，尤其是发布/订阅式通信模式在工业互联网应用中尤为重要，被认为是未来工业互联网主流通信模式。

（2）模块开发标准分布式协作框架需要提供标准API用于模块开发，兼容多种编程语言，包括C/C++、Python和Java等。

（3）软件包管理机制提供基于容器技术的工业APP软件包管理机制。

（4）通信接口契约不同微服务组件由不同团队开发，为了保障微服务组件之间的交互通信，接口契约需要规定服务间的交互方式、通信协议、数据序列化协议、语义规范和通信QoS等方面的关切问题。

（5）辅助管理工具集包括管理控制台，提供基于Web的图形管理界面，系统运行数据监控、查询及可视化工具。

4 工业互联网人才体系建设

工业互联网的发展必然伴随着大量的人才需求，工业互联网相关职业涌现，带动国内就业人数显著增加[4]。但是随着企业的深入应用，越发感受到工业互联网的建设和实施，对现有专业技术人才和劳动者的技能素质提出了新的、更高的要求[5]。工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合的产物，传统IT行业和制造业相关人才的知识结构，逐渐难以满足工业互联网快速发展的实际需求，企业对高素质、复合型人才的需求越来越迫切。

（1）研发型人才负责工业互联网平台及工业APP的编程开发及调试工作，要求具备较高的专业技术能力，并且对工业互联网平台体系架构有深刻的理解。

（2）运营与维护型人才负责工业互联网平台的安装部署和日常运行维护工作，要求具备网络、服务器和工业APP的生命周期各个阶段的运营与维护能力。

（3）技能型人才负责企业中工业互联网平台的应用工作，要求熟悉工业互联网平台的使用方法，能够根据行业工艺流程，通过参数调整、组态配置等手段，实现工业APP的部署运行，实现生产流程控制，并能够处理一般生产过程异常状况。

当前工业互联网整体处于发展初期，尚未建立成熟的人才培养体系，人才供需两端匹配度不高。其中，工业互联网研发型和运维型人才主要由传统IT行业、工控行业人才转型而来，这些人才当前仍然需要进一步深化对工业互联网的理解，使自己的技术和能力更好地与工业互联网需求相匹配。当前最主要的问题是高素质技能型人才缺乏[6]，制造企业在实施工业互联网平台建设和应用时，存在大量定制化需求，亟需大量既懂得制造工艺、又熟悉工业互联网平台应用的技能型人才，而这些人才主要依赖工业互联网平台厂商提供的培训，而不同厂商平台技术路线的差异，将导致他们掌握的技能有一定程度的局限性。因此，需要加快工业互联网标准体系的建设，明确工业互联网共性技术需求，进一步引导普通高等院校加快建设工业互联网相关专业，建立产业和教育深度合作的人才培养模式，推动人才供给侧教学改革，壮大我国工业互联网人才队伍。