基于服务转型的工业互联网架构研究

卢光明 郭利

（1.北京信息职业技术学院，北京 100018；2.国家工业信息安全发展研究中心，北京 100040）

一、工业互联网网络标准及其技术定位

（一）国家标准发布为工业互联网建设提供了技术规范

国家标准化管理委员会发布了2022 年第13 号中华人民共和国国家标准公告，批准发布国家标准GB/T 42021-2022《工业互联网 总体网络架构》，这是我国工业互联网网络领域发布的首个国家标准。《工业互联网 总体网络架构》国家标准围绕工业互联网网络规划、设计、建设和升级改造，规范了工业互联网工厂内、工厂外网络架构的目标架构和功能要求，提出了工业互联网网络实施框架和安全要求，有助于加快构建高质量的工业互联网网络基础设施，有助于引导全行业全产业的数字化、网络化、智能化水平提升，对于加速我国产业数字化转型具有非常重要的意义。

该标准根据三类企业主体的类型，即工业制造企业、工业服务企业和网络服务企业制定了七类互联主体的连接方案。七类互联主体主要包括在制品、智能机器、工厂控制系统、工业信息系统（管理软件）、在用智能产品、工业互联网应用以及用户。对七类互联主体基于联系功能的多样化形成八种互联类型，即智能机器与工厂控制系统的互联、在制品与智能机器之间的互联、在制品与管理软件的互联、智能机器与智能机器的互联、工厂控制系统与工业信息系统（管理软件）的互联、工业信息系统（管理软件）与用户的互联、工业信息系统（管理软件）与协作平台的互联、智能产品与工厂的互联[1]。这些互联类型可以抽象为包括设计能力、生产能力、商业能力以及为用户服务的复杂网络结构能力等的能力要求，如图1 所示。

图1 GB/T 42021—2022《工业互联网 总体网络架构》架构图

（二）工业互联网网络框架的技术定位及其前提假设

工业互联网网络框架从工业互联网要素的层面，细致地描述和定义了工业互联网的网络连接框架，而且重点从网络互连和数据互通的角度构建起了整个工业互联网的标准化体系。而在应用层面，则通过接入各种工业软件、工业APP 等应用系统，对生产系统进行实时控制、运动控制、生产管理、办公应用，对在制品、生产设备、生产环境、操作人员等进行监控和管理，实现智能工厂、智能产品的构建，建立起与用户、生产分支机构、主要供应商等外部主要干系人的紧密互动和同步协作。

因此，该标准隐含如下几个前提假设：第一，工业互联网首先是一个相对技术性的活动，能够从技术角度定义和把握工业互联网技术的应用和发展；第二，数据应用是工业互联网应用的基础，数据智能是工业互联网应用中应该特别强调的技术重点；第三，连接是工业互联网的技术核心，保证生产系统各要素的充分、有效连接是工业互联网建设的重点。因此，该标准规定了各种各样的连接技术标准和规范，具有很强的技术导向性，而对企业业务则很少涉及。

（三）工业互联网建设需要与企业具体业务发展对接

总体来说，该标准主要是以工业互联网的技术应用为核心构建的技术应用标准，与企业的具体业务特征以及企业管理与业务总体的服务化转型趋势结合较少。而事实上，在具体实践中这样的业务转型趋势以及企业业务的具体转型才是影响企业工业互联网总体规划、分步实施的战略关键。工业互联网系统架构的科学制定、工业互联网系统各部分逻辑关系的确定以及工业互联网的具体架构设计、选型和实施策略选择等因素，对企业实施工业互联网的目标和内容进行整体规划、全面系统地指导企业工业互联网的阶段性发展进程、协调工业互联网技术的综合应用、及时地满足企业业务转型发展的需要都具有重要的作用。工业互联网技术需要依据企业的业务转型来展开，只有这样才可以有效利用企业的资源，促进企业战略目标的实现，满足企业可持续发展的需要。

事实上，在具体的实践活动中企业需要从生产企业服务化转型的大背景下来理解工业互联网的实施，必须紧密结合生产企业服务化转型的业务和管理需求，才能够有效地指导工业互联网应用的具体实施，找到工业互联网技术具体的实施路径。工业互联网是生产企业实现个性化定制等服务转型的必要技术手段，因此不仅需要从技术角度来考虑工业互联网的架构，而且还需要从生产企业服务化转型的角度来设计服务型的工业互联网架构，构建起服务化的工业互联网体系。支持业务发展才是工业互联网应用和实施的根本，我们相信随着工业互联网应用的深入，相关的行业实践标准也会逐渐成熟，成为企业进行工业互联网实践的业务参考，推进工业互联网技术与商业应用的完美融合。

二、生产企业服务化转型趋势及工业互联网服务架构

（一）生产企业服务化转型是全球的发展趋势

服务化转型早在20 世纪80 年代就已经出现，只是在不同的历史时期，服务的表现形式与服务的发展程度存在差异。三十多年前，Vandermerwe 和Rada 于1988 年最先提出服务化一词（the servitization of manufacturing）。当时对其的初步定义是，制造企业由仅仅提供物品或物品与附加服务向“物品—服务包”的转变，而且这种附加服务会越来越多，甚至超过产品自身的价值本身。

这种完整的“服务包”包括物品、服务、支持、自我服务和知识，并且服务在整个“包”中居于主导地位，是产品增加值的主要来源，也是产品价值创新的重要源泉。1999 年，White 等学者也提出，制造业的服务化就是制造商的角色由物品提供者向服务提供者转变，并指出这是一种动态的变化过程，企业和产品都可能处于服务化过程之中，并用“servicizing”来一词来表述服务化，强调制造企业需要随着消费者服务需求的变化进行调整。相对于产品生产的稳定性，这样的服务化强调了服务过程的动态性。2000 年，Reiskin 将产品的服务化转型定义为“企业从以生产产品为中心向以提供服务为中心的转变”，这就更加强调了企业整体组织结构、运营方式的转变，要求整个企业从相对稳定的产品生产向服务化转变，强调了所有生产要素组织和配置方面的全面转移，尤其是人员结构的转变、岗位和人员素质要求的转移[2]。

（二）服务化转型的层次与结构

2003 年，Szalavetz 提出，制造业的服务化转型具有两层含义。首先是企业内部资源分配和调度概念的首次提出，认为制造企业的服务化转型首先是内部资源组织的服务化转型，传统制造企业由原先的基于制造的专业化分工向基于部门之间服务协同的专业化分工协作转型。其次才是与产品相关的对顾客外部服务的提供。没有组织良好的外部服务就很难实现对顾客外部服务质量的提升。因为，服务化转型是企业内外部一体化的转型，不仅是简单的技术应用，还是企业“由内向外”的整体性、系统性的变革。随着大数据、人工智能、工业互联网等技术的应用，制造行业的服务化、层次化和结构化的趋势更加明显。

生产制造企业服务化转型是企业经营管理重心的根本转变。从根本上来说，制造业的服务化转型是制造企业将传统的以制造为中心的思维，转变为以顾客为中心、以客户的消费场景为中心，以提供更加完整的物品、服务、知识等支持为核心的商业创新行为。在信息技术的加持下，平台经济成为新的产品形态，因此有学者认为服务化就是把既有的实物产品作为各种基于互联网的工具或接口，从而向顾客提供与物品相关的、更加丰富多样性的增值服务，同时为制造业的增值服务提供了更多商业和技术发明拓展的可能性。同时，提出制造企业向顾客提供更丰富的服务是服务化演进向更加高级阶段发展的基本路径，也就是说制造企业可能会最终转变为纯粹的服务和解决方案提供商，为消费者提供更加丰富多样的服务，而不再仅仅是产品销售[3]。

（三）工业互联网技术支持的企业服务转型

充分利用工业互联网的感知作用、联结作用、计算作用，赋能企业的生产经营管理，提升企业内外部的协作效率，重塑企业与市场的关系、企业与用户的关系，实现产业价值链的更高效协同，以场景化服务为核心构建工业互联网的业务价值体系是工业互联网当下承担的重要职责，也是工业互联网技术应用的最大价值。只有这样才能够在企业总体发展的框架下衡量每一项工业互联网技术的应用价值，找到提升工业互联网经济发展路径的方法。

因此，基于企业业务服务化转型的工业互联网应以产品的服务化转型、企业商业模式的服务化转型，以及企业经营管理的服务化转型等业务内容为核心和重点来展开，让技术为企业转型升级赋能。而且更为重要的是，企业可能根据自身的业务需要，组织和应用不同的工业互联网技术形态，谋划工业互联网的阶段性发展重点，制订根据业务需求建立的工业互联网阶段性节点和具体的发展路径，安排工业互联网建设的投入和产出分析架构，衡量每一项技术的投入和可能的产出。图2 展示了基于服务价值导向的工业互联网架构的几个重点业务维度，以及这些业务维度中形成的新兴技术与商业应用的良性互动。

图2 基于服务价值导向的工业互联网架构

（四）重视工业互联网应用服务化转型中的组织体系性支持

工业互联网对企业各领域的影响有些是直接的，有些则是间接的。如果单纯地从技术的角度分析则会很容易过分地强调那些可见的、直接的作用，而忽视那些间接的作用。但是事实上，很多工业互联网实施过程中遇到的难题，都是由那些不可见的、间接的因素所引发的，如企业文化、制度的转型，既可以被认为是工业互联网技术应用的结果，也可以被认为是推动工业互联网技术应用的动力和原因，而且其作用也很难科学、量化地衡量。但是从实践经验来看，很多看似技术性的问题背后都是文化问题，是文化和制度落后于技术发展，或者是对技术应用抱有不切实际的期望所造成的。

因此，工业互联网架构的最主要依据应该是企业的业务架构，依据的是企业的战略构想，而技术应该是实现企业业务转型和战略构想的工具。为了实现企业自身的经营性业务目标，企业可以根据需要灵活应用各种技术手段，采取不同的技术措施，选择不同的技术方案。企业的业务架构、战略架构是指导工业互联网建设和发展的逻辑中心，因此在规划工业互联网建设中，需要从企业全局发展进行综合布局，以避免顾此失彼，限制了工业互联网技术更加有效的应用和可持续发展。

三、支持企业业务服务化转型与工业互联网建设机理

工业互联网作为企业生产制造系统服务化转型的重要技术支持和技术手段，需要重新整合和编排生产制造资源，重新评估各种生产资源在未来新的市场结构中的价值，重新定位自身服务能够给消费者创造的价值。具体来说，工业互联网在这样的生产企业服务化转型中要承担以下几个方面的职能，以推动生产系统向服务化、数字化、网络化、智能化方向发展，推动生产制造系统的服务化转型升级，适应时代的变化，为消费者提供更加个性化、更好体验感的产品和服务。

（一）生产系统更加“有序化”的集成

站在系统的角度，想要解决企业各生产系统、各生产要素间的通信问题，把原先散乱、缺乏统一规划、缺乏面向服务整合的各系统间的、主要基于自动化的互联结构转变为基于服务的新型联结，锻造出企业的新兴技术能力和业务能力。这就需要利用工业互联网技术将企业业务梳理成更规范、可治理、可动态演进的网络互联结构。这样的服务化转型往往要求企业追求比高效生产更加复杂的服务性、场景性的目标，因此需要有一个更加柔性化、敏捷性的，由网络技术、数字技术和智能技术支持的新型生产系统。而这就是工业互联网技术能够“大显身手”的地方。通过工业互联网进行生产制造的技术规范、服务管理规范，实现灵活性和规范性的高效平衡，让生产制造系统在面向服务的转型升级过程实现更加“有序化”的集成，让各种原材料、生产设备、各种装备等实现更高效的重组、更动态的集成，使生产系统能够按照市场和业务发展的需求实现动态协同和演进。

（二）生产系统实现知识“复用”

知识“复用”是指实现知识层面的服务化转型。生产制造系统是一个由各种不同功能的模块组成的系统，以完成个性化产品生产和个性化服务为企业业务发展目标。因此，从功能的角度出发来理解工业互联网对生产制造系统的重构，不断重新集成和整合，可以认为是将生产制造系统中实现特定功能的“知识”封装，即将业务逻辑抽象成可复用、可组装的“知识”，并通过工业互联网将这些知识联结起来，实现特定的个性化产品和服务功能组合，然后进一步通过服务的有序化、智能化编排，高效利用“知识”和基于场景的“数据”实现业务的快速重组和有序化集成。因此，工业互联网技术会将原先固有的业务功能转变为通用的业务服务知识，实现业务逻辑基于“知识共享”的快速复用，解决传统生产制造系统中的“紧耦合”问题，以及由此造成的生产制造中知识的“提取”和“复用”问题。

（三）生产系统工艺的“智能化”编排服务

借助于工业互联网，生产系统实现了数字化、网络化，更进一步实现智能化的编排，而生产系统的“有序”集成和知识的“复用”必然在一定程度需要借助人工智能技术来实现。因此，工业互联网必然是智能化的网络，而且是一种基于大数据分析技术的智能网络，是能够进行自主决策的智能网络，是人类智能和人工智能充分交互的生产监控网络、生产决策网络、生产优化网络、生产执行网络。大数据和人工智能技术不仅使具体的生产工艺能够得到有效的改善，而且能够通过工艺系统互联的网络迅速实现工艺系统的改进，能够实现基于工艺改进的生产知识系统的不断更新和优化、个性化生产计划的智能编排、生产BOM 系统的自动化匹配，以及生产质量管理和生产操作规范的自动化、智能化生成和优化。

（四）企业业务服务化和创新型响应体系建构

企业需要对自身的生产制造职能进行必要的解耦和重新组合，实现企业业务服务化和创新需求。具体来说，就是将生产职能抽象成可复用、可组装的各种服务，甚至是微服务，并通过工业互联网将这些服务联结起来。这样就要求将传统职能型的企业架构转变为服务化的企业架构，以适应生产底层技术架构系统的变化，进一步提升企业对外服务的能力。如果说前两个层面是从生产系统资源调用、系统功能复用、系统性知识复用等专业技术层面来解决生产系统服务化转型方面的领域问题，则该创新层面主要是解决企业服务转型中的综合性、系统性问题，以及更高层面的服务资源整合方面的问题。在该业务服务化创新环节主要是将传统的以业务驱动的企业管理方式转变为服务牵引的新型组织方式，实现企业整体组织方式和文化的服务化变革。在工业互联网将企业业务单元封装成一项项“功能性服务”的同时，企业中的每个管理人员、操作人员也会相应地实现服务化的职能和岗位分解，借助工业互联网技术实现企业管理和经营的高效服务化转型，让工业互联网成为企业的底层“操作系统”，如图3 所示。

图3 工业互联网助力生产企业服务化转型机理图

四、基于服务的工业互联网架构创新

（一）工业互联网是一种复杂的感知计算和决策系统

作为企业服务化转型的技术手段和工具，工业互联网不仅是一种信息互联的网络，更是支持数据采集和处理、模型计算的智慧网络，提供生产决策支持的网络，甚至是直接进行智能决策的网络和生产执行的网络。因此，工业互联网结构不仅包括网络交换机、PLC 等传统的自动化、网络化设备，还包括各种类型的多模态传感器、云端的边缘计算系统、微服务计算系统、人工智能系统等信息处理模块和子系统。只有这样集感知、传输、存储、计算、决策等多种功能于一体的综合服务网络才能够承担这样的企业服务化重构职能，实现企业预期的服务转型目标，实现工业互联网的技术和商业诉求。

面向服务（SOA）的思想其实一直是主导网络架构、软件架构、计算架构、存储架构等IT 架构的一种主流思想，也是整个IT 系统演进的重要方向。就软件架构来说，面向服务是面向对象思想之后的一种新的思维模式，其核心特征就是以松耦合、粗粒度的服务单元来快速、敏捷地构建新的软件系统。作为一种思想，SOA不涉及具体的实现技术细节，是一种纯粹的软件架构形式和系统计算形式，只是通过服务调用的形式来调用各种数据资源、计算资源，以实现软件动态构建、灵活调整服务的目标。

（二）应该是传统SOA 架构的升级

传统的SOA 架构是面向服务的架构，即企业的IT 系统由服务组成，企业的各个应用系统是由许多标准的服务件“组装”起来的，组成应用系统的各个服务之间是一种松耦合的关系。在软件行业中，基于这种服务的编程思想表现为函数和模块的调用，即把经常用到的代码块、函数和模块定义为基于服务的功能模块，以实现被称为系统调用的功能模块，按照业务需求进行灵活调用。而在工业互联网中 SOA 架构则不仅是基于服务的调用，更是基于各种网络大规模协同的调用和复用，是更大层面的调用。而且调用的形式也不再局限于SOAP、WSDL、UDDI 等服务协议，而是更加开放地利用各种接口技术，满足服务化的调用要求。因此，从总体上来说，工业互联网架构也不再局限于传统SOA 的服务总线（ESB）技术，而会根据业务服务化发展的需要，灵活构建有线无线混合、云端与边缘协同的网络结构，如图4 所示。

图4 传统SOA 架构图及其对工业互联网架构的借鉴

这样的服务型架构形式能够满足生产系统的需求，尤其是针对离散型生产系统中各部分工艺需要随个性化定制要求灵活集成、快速解耦的特点，能够保证基于工业互联网实现各种功能服务的松耦合和敏捷集成。而且优秀的面向特定应用领域的模块可以以开源或者开放的商业化形式对外发布，全球的开发人员都可以利用这些模块来开发自己的应用程序，从而减少大量重复性的代码编写工作。并且这样的开放形式，还能够保证通用性较强的功能模块得到不断更新、优化和维护，实现功能的不断迭代。如很多编程语言中的类库中保存着很多已经相对成熟的开发模块，有相关需求的编程人员和企业可以调用其中的程序进行敏捷开发和改进，同时极好地支持了该编程语言的普及，丰富了编程语言的生态。

（三）工业互联网可以借鉴微服务架构

现在正迅速崛起和发展的微服务架构可以实现生产系统的去中心化，去掉了ESB 企业总线，可以更加灵活地根据生产需要组织网络，编排相关的计算资源，以实现面向服务的生产资源的灵活调配。同时，服务化的思想进入企业业务系统基于服务的解耦和重构模式建构中，使企业内外部资源真正实现基于服务的组件化，打造出敏捷的个性化定制生产服务系统。与此同时，云计算技术，尤其是容器技术的出现，为微服务架构的实现提供了更便利的条件，比如能够支持更小的单元部署，每个服务可以通过类似Node 或者Spring Boot 等技术实现进程管理，并与其他进程协同，实现整个系统更加彻底的松耦合，能够更好地满足企业业务服务化转型的需要。这样基于微服务架构的工业互联网就可以更好地契合企业的服务化转型，如图5所示。

图5 微服务架构的工业互联网结构图

五、工业互联网未来发展趋势分析

《工业互联网 应用实施指南》标准对工业互联网的建设目标做了说明，即“通过工业经济全要素、全产业链、全价值链的全面连接，支撑服务制造业数字化、网络化、智能化转型，不断催生新模式、新业态、新产业”。该目标高屋建瓴地提出了工业互联网的建设任务和建设目标，对尚处于建设初期的我国工业互联网提供了非常有价值的指导，对于指导我国工业互联网技术和产业发展具有重要的参考价值。结合整个市场消费发展趋势的服务化转型分析工业互联网未来的发展趋势，其主要呈现出以下几个方面的特点。

（一）工业互联网建设必须与企业业务的服务化转型相结合

企业主体在工业互联网建设过程中需要与自身的业务特点相结合，与企业所处的行业整体发展状况相结合，否则企业很难找到工业互联网的落脚点。而且企业只有以业务发展作为工业互联网发展的基础，才能够找到工业互联网落地的具体技术解决方案，让工业互联网技术为生产企业的业务发展服务，为企业的商业价值创新服务。而不是让企业的业务“削足适履”，以适应工业互联网技术逻辑发展的要求。因此，每个企业需要根据相关实施标准，进行本地化改造，而不是直接“生搬硬套”地执行各种规范和标准。

（二）工业互联网建设必须在更大范围内与企业的文化建设和管理理念转型相结合

其实无论是智能制造，还是工业互联网，其背后的诉求都是制造业的服务化转型，为消费者提供更加满意的服务体验。个性化制造只是这种服务化的典型体现，而且相对于个性化制造，制造业的服务化转型更能够准确地体现制造业的智能化转型基本特征和根本价值诉求。因为，工业互联网的管理诉求，除了个性化制造之外，还需要从根本上改变企业的组织管理形式，甚至改造企业文化，实现企业管理决策的人性化和服务化，只有这样才能保证生产个性化的真正落地。支持企业的服务化转型才是工业互联网建设和发展的根本，是主导其演进的根本逻辑。而且在工业互联网建设中，真正的难点不是技术应用，而是管理理念和企业文化的根本性变革。由此可见，当前的企业转型更关键的是文化转型，而不是技术转型。

（三）工业互联网建设必须与企业具体的管理实践转型相结合

生产制造企业的智能化转型是一个技术问题，同时又不是单纯的技术问题，从根本上讲，生产制造企业的智能化转型是更广泛意义上的文化问题，但需要从具体的管理入手，才能够保证工业互联网技术的应用。因此，工业互联网应用是企业经营管理的变革，是企业中每个人意识的变革，以及企业激励和监管体系的变革。虽然这样的变革在很大程度上是由技术变革所引起的，但是技术只是起到“导火索”的作用，真正引发改变的是具体的组织、具体的部门、具体的每个人。这就需要伴随着工业互联网的应用，建立起新的、更加细致的、更加与工业互联网技术相匹配的管理体系，否则任何新技术的应用给企业带来的影响可能只是暂时的，从长期来看，不仅起不到预期的效果，更可能导致灾难性的后果。因为生产的服务化转型是一个系统工程，技术只在其中起到工具性作用。这不是生产制造企业智能化升级的目标，企业的智能化目标应该是在技术的加持下，组织中每个部门、每个人、每个商业合作伙伴的智能化，从而提供更加智能化的服务。

（四）工业互联网必须是开放的网络，本身需要不断优化升级

服务的动态性要求工业互联网必然是开放的网络，可以通过各种不同的接口技术，构建起基于服务动态性需求的开放的生产制造体系。基于网络技术、计算技术、区块链技术、人工智能技术，以及边缘计算技术等新技术的发展，未来的工业互联网必然是开放的，甚至是可以实现自组织的网络。多模态的感知技术、人工智能技术、大数据技术、边缘计算技术将成为驱动工业互联网不断演进和发展的新型动力。而从根本上来说，业务的开放性以及基于开放性而构建的服务化不断转型，能根据市场和产业的发展，为消费者提供更加满意的服务，是促进工业互联网技术不断演进的动力。当然，技术本身也会推动工业互联网的发展，但是技术必须符合业务的发展。