摘要：随着工业互联网的快速发展，有关这项技术的结构、原理、应用等方面将如何演化的问题备受关注。与消费互联网技术相比较，工业互联网最大的不同之处在于它与工厂里的设备紧密相连，这是工业互联网之所以复杂的重要根源。
工业互联网应用的开发也与此有紧密的联系。此外，在工业互联网中还出现了云计算、边缘计算等新的计算环境。这些变化自然会进一步增加企业信息系统的复杂性。所以，针对工业设备的多样性和多变性，采用平台化的开发、运行和维护技术体系将成为一种必然的选择。平台工具和可复用组件的应用有效地提升了工业互联网应用开发的效率。此外，具有社区性质的工业互联网生态模式的出现也将引发这一领域服务业态的发展，这也是工业互联网产业发展的重要趋势。本文对工业互联网平台化与服务化的发展问题进行了分析，提出了相应的实现模式，并对相关技术的发展趋势做出预测。
关键词：工业互联网；平台化；服务化；云计算；边缘计算
1 引言
2012年美国GE提出工业互联网，2013年德国汉诺威工业博览会上提出工业4.0，随后在全球工业界引起极大反响。这两种工业信息技术的应用范式有着相同的特性，都需要工业设备数据的采集和处理，并都通过互联网环境来实现这一过程。
工业社会十分看好在大量工业设备接入互联网之后可能带来的巨大变革的机会，人们相信工业数据将在互联网上获得更多价值的体现，从而为新一轮的工业革命积蓄力量。鉴于此，许多工业软件的提供商加入了研究、开发和推广工业互联网的行列。据不完全统计，目前国内外已经正式发布的工业互联网系统软件有100多种，其中包括一部分工业PaaS和网关产品。这些工业软件和技术的推出加速了工业互联网产业的发展，也加速了工业互联网应用的开发。然而在这一进程中，由于缺乏统一的标准和规范，也有可能会出现一些与互联网原则相悖的问题，例如不同供应商提供的工业互联网软件之间可能互不兼容。从目前的发展情况来看，这种可能性是非常大的。
因此，工业界和学术界都要努力从体系架构的设计开始，深入探讨工业互联网科学的发展模型。
本文提出平台化和服务化的发展问题，除了说明它们与工业互联网体系架构的关系外，还指出了平台化和服务化技术在工业互联网中的实现方法，以及它们能够成为未来发展趋势的理由。
2 工业互联网技术发展的现状
工业互联网是在自动化和信息化技术发展到一定程度，但工业数据的应用还处于较低水平的背景下提出的一种工业生产治理模式。它利用了互联网的技术与云计算资源，试图通过数据的大规模采集和处理，实现企业更加精细化和更加适应外部动态环境的管理。企业加入工业互联网的目的就是要让生产更加透明，只有这样才能更有效地利用企业的资产，创造更多的财富。在这里，我们使用“加入”而不是“建设”工业互联网，是因为它最终将成为工业社会的一种公共服务机制，就像今天的移动通讯网络一样，“入网”就能获得各种各样的信息服务，而不需要任何用户自行“组网”。
目前，国内外许多企业都发布了相应的工业互联网系统软件，例如美国GE的Predix，德国Siemens的Mindsphere，中国树根互联的Rootcloud等。这些软件系统都有相似的结构和特点。它们都需要云计算环 境的支撑，都需要通过互联网连接设备与云计算环境，都需要通过数据网关完成数据采集和上云的任务。
但是在形成工业互联网社区，接入跨行业跨领域的企业数据等方面，很显然还远没有达到预期的目标[1,2]。而这是工业互联网获得工业社会普遍应用的基本形态。
另一方面，在应用开发过程中，工业互联网的发展还面临两个重要挑战。一是开发成本很高，工业互联网需要更多的工艺工程师的参与，但是目前的技术发展还不能满足这一要求。大部分所谓开放的技术仍然要求用户具有连接复杂计算机应用软件接口的能力。二是信息孤岛问题，传统企业信息化最大的问题就是产生大量的信息孤岛，工业互联网因其互联互通特质而应该具有极强的消除信息孤岛的潜力。
但是，由于众多的技术提供商根据它们自身的技术体系而建立的企业级工业互联网，难以形成覆盖整个工业社会的互联网，这对整个工业社会的数字化转型发展肯定是非常不利的。
实际上，在工业互联网发展问题的背后，是关于这项技术的体系架构、技术标准，以及系统的复杂性如何设计、如何制订和如何处理的问题。其中，体系架构是非常基础性的问题，它不仅决定了工业互联网的构成，更重要的是它界定了工业互联网的目标、任务和对应的技术路线。技术标准的重要性来源于工业互联网的人-机-物构成的客观需求，但是要建设这样一个庞大的标准体系并不是一项容易的事情。每一个技术提供商都更倾向于强调他们的主张，而弱化对建设工业公共基础设施的重视程度。再加上工业互联网本身就是一种典型的复杂大系统，要应对上述挑战更不是一件容易做到的事情。我们必须为此寻求一些新的发展模式。针对工业互联网体系架构的特点，将其发展纳入到平台化和服务化的框架中，这是本文提出应对挑战的一种思路。
3 体系架构的设计
工业互联网是典型的复杂大系统。因为它将设备、人和互联网连接在一起，网络节点数量庞大，结构复杂。工业门类很多，不同行业对数据、信息和决策的要求差异很大，这也进一步增加了工业互联网的复杂性。此外，由于生产工艺技术的提升，市场环境的变化等因素，工业互联网的需求几乎每时每刻都在发生着不同程度的变化。目前，工业互联网的应用开发模式大部分还停留在企业级的信息化系统层面上，开发的人工与时间成本都非常高。工业互联网的体系架构涉及软硬件的组成与结构，工业数据的组成与结构，以及相关技术资源的组成和应用模式等。由此可见，如果要为工业互联网提供一种全新的体系架构，不仅要极大地降低系统的复杂性，而且要极大地提升技术资源的复用性，只有这样工业互联网才能真正发展起来。
由于工业互联网是一种分布式的数字化大系统，所以它的软硬件特征主要是数量多、分布广。为了能够提高工业互联网应用开发的效率，便于整套网络的运行管理，其体系架构的设计应按照一个整体来考虑。
图1是所有工业互联网都具有的4层架构，即从左到右分别为设备层、网络层、核心层和应用层。其中设备层，也称为边缘层，是由工业设备的通讯部分和网关设备共同组成的。设备层中还有可能包含边缘计算单元。网络层，也称为通讯层，这是由互联网构成的一种基础设施，用于将工业设备与核心层联系在一起。核心层是由云计算资源构成的，是工业互联网数据处理的中心。应用层主要由人机交互的终端设备构成，将各种工业互联网的应用过程或结果显示在特定的软件视窗上，同时也从这里输入工业用户的应用需求。该架构与业界通常认为的三层架构[3]区别在于突出了基础互联网的作用，即这里所谓的网络层。
图1 工业互联网的4层架构
从图1的体系架构可以看出，工业互联网可以连接的设备很多，可以执行的应用也很多，这些设备和应用都依靠大量的数据保持着某种逻辑上的关系。
为此，必须要有一种操作系统性质的基础软件来维持这样的关系，并且能够适应这种关系可能发生的各种变化。图2是在工业互联网4层架构基础之上建立的一种新的体系架构表达形式。其中，工业互联网内核包含了大量的计算资产，它们的作用是对工业互联网的数据进行处理，并将处理结果返回工业系统中的管理者与生产者，以及对应的工业设备。我们把具有这种特征的内核称为一种平台。在平台的外部包裹着一圈软件服务资产，分别提供：工业互联网与工业设备之间的数据通讯服务，工业互联网开发、部署、运维等后台支持服务，工业APP数据通讯服务，以及工业互联网与其它信息技术系统的第三方数据通讯服务。总之，这里所谓软件服务资产本质上就是一组与平台外的信息系统维持数据通讯的功能模块。
图2 工业互联网平台化与服务化结构设想
4 平台化和服务化技术
工业互联网的平台化需要一个严格的定义，因为这涉及到整个工业大系统不同区域、不同应用之间的互联互通应具备哪些特征的问题，同时这也是相关技术研究与发展的必然要求[4]。因此，面对如图1所示的工业互联网体系架构，如果认定它是平台化的，则应具有以下三个方面的特征：要有特定的计算环境，使得工业用户无论是在云计算还是边缘计算环境中，都能够依据统一的算法模型来建构分布式的计算关系；要有连接工业设备数据源的快捷方法，包括通用网关产品的应用及其协议解析方法，并具有为不同的应用提供互操作的能力，建立全网设备的互联互通机制；存在一定数量并可持续添加的公共技术资源，用于支撑各种工业互联网应用的开发，满足高效和低成本的要求。
从上述特征可知，工业互联网平台化的优势是非常明显的。
采用统一算法模型的分布式计算环境，只要其计算单元的颗粒度合适，就能够很好地利用分布特性解决工业互联网的复杂系统问题。
另一方面，如果每个计算单元的结构对称，且采用数据驱动的技术，那么在计算的可视化和可动态重构方面还能够创造更有利的条件。平台化另一个显著好处在于用系统配置取代了大规模软件的编程，同时也有效地解决了制约工业互联网发展的关键问题，即异构工业设备的数据采集与数据融合问题。平台化集成了数据的流动通道，为设备或应用之间的互联互通创造了有利的条件。
由于平台化可支撑多项平行的任务，工业互联网中的公共技术资源均可采用与应用完全对称的方式呈现，这对于工业互联网社区建设，以及软件资源的复用和提高应用开发的效率来说都是非常重要的。总之，平台化更有利于工业互联网人、机、物的协同统一。
为了采用数据驱动技术进行计算，我们设计了一种如图3所示的虚拟计算环境。它利用内存资源建立一种实时数据库，并将计算过程等效于该数据库的动态更新过程。
因此，需要一种数据库的计算机制。这个功能由图3中的数据引擎模块完成。内存数据库中包含静态与动态两种数据，数据引擎利用其中的静态数据做驱动，完成其动态数据的更新。为了让工业互联网的平台能够满足工程技术人员开发相关应用和未来社区生态的建设与发展的要求，我们引入了图计算技术。应用开发人员可以利用图计算工具来构建相关算法的图结构。这种结构具有相对比较直观的逻辑关系，它还能够通过自动编译技术，将图形结构映射为特定的数据模型，从而实现工业互联网应用的无代码开发模式。借助这种图形结构与数据模型的映射关系，我们还可以轻松实现工业互联网应用计算的可视化和可动态重构的功能。
图3 数据引擎计算单元原理示意图
平台化为工业互联网的服务化也创造了有利条件。在工业互联网的开发和应用过程中，工业用户之所以需要大量的技术服务，主要原因是：为了避免重复性的开发；为了充分利用平台中的共享技术资源；为了更专业地管理工业互联网的运行与发展。在工业互联网平台中，尽管服务提供方未必都能具备用户企业的生产和管理专业知识，但是他们仍然能够在软件开发工具提供，算法组件开发，平台部署，应用运行保障，以及工业数据处理方面提供十分专业的技术支持。在平台化基础上实现工业互联网的服务化，其本质作用主要体现在优化工业互联网的产业链上，努力将工业用户应用工业互联网的门槛降下来，例如采用大量的自动配置的方式[5]，让工业互联网的应用更依赖于技术的服务，而不是技术的开发。只有这样，才能满足工业互联网产业可持续发展的要求。
服务化也是工业互联网产业发展的重要体现。这是产业链延伸的必然趋势，也是引入云计算、边缘计算后可支配算力大幅度提升的必然结果。当然，服务化除了需要平台化技术的支撑外，还需要从上述三个方面的需求出发，建立并持续完善服务的形式与内含。一些具体的服务示例如表1所示。
表1 工业互联网平台服务类型与服务示例
在避免重复性的开发方面，技术服务提供方能够从工业互联网的结构设计与部署，常规应用的算法开发，以及工业互联网应用范式等几个方面提供经过多个用户应用检验的相对比较成熟的技术给新的用户。随着服务对象的不断增加，这类服务的质量就会保持持续提升的趋势。这对于工业互联网的新用户来说是非常重要的。他们不用在复杂的工业互联网系统建设和应用开发上投入更多的人力、财力和物力，可以专注于他们企业专有的技术和管理问题的解决。
在技术资源的共享方面，技术服务提供方需要在工业互联网平台上投资建设较大规模和较为复杂的技术基础设施，然后按需按时将资源分配给需要这些服务的企业用户，避免了企业用户自行投资但利用率又不是很高，运行维护又非常复杂，升级成本也不菲的软件系统，充分发挥工业互联网资源共享的作用。
在工业互联网的运行管理方面，技术服务提供方需要对用户企业的IT资产，包括计算环境和应用软件的运行状态进行不间断的监控管理，确保用户企业的工业互联网能够满足生产、管理的各项要求。这项服务的基础是工业互联网的结构和管理对于用户企业来说足够复杂，自行运维的人力成本比较高，以及难以做到合理配置计算资源等情况。
鉴于以上分析，我们提出一种面向服务的工业互联网的架构设计，如图4所示。其中，工业互联网的核心部分是云平台，除了数据库和数据引擎阵列外，需要部署共享资源、运维管理和开发管理三个基本服务模块。工厂设备的数据经过边缘层后送入云平台的数据码头进行缓存处理。云平台的服务窗口用于工厂管理和生产各项应用的响应，即应用的可视化窗口。作为工业互联网的第三方，技术服务提供方的主要任务包括与企业用户连接，处理企业的应用需求，调用解决方案库，提供应用开发服务。另外通过云平台的服务接口，获取工业互联网运行状态信息，提供运维管理，确保工业互联网与企业生产管理过程保持同步。
图4 面向服务的工业互联网架构设计
5 工业互联网生态体系的演化
在平台化和服务化技术的推动下，工业互联网的生态体系也将会发生一些新的变化。首先是我们预测在不久的将来，平台社区将会出现。在平台化技术的推动下，工业互联网的体系架构、平台构成，以及应用模式都会进一步的演化，这不仅会推动工业互联网核心技术的标准化，而且有可能尽快形成若干定型的工业互联网应用范式。增强应用的共性基础是工业互联网健康发展的重要力量。与此同时，这种演化还有利于信息技术的成长空间从基于编程代码的开源社区向基于算法组态的开源社区转变。
换言之，将会有更多的掌握工业知识的专业人员加入到工业互联网的生态体系的建设中来，这与纯粹由信息技术的专业人员主导的工业互联网更有利于该领域技术的发展。工业互联网的应用场景是多样和多变的，这就决定了它的应用结构要远比消费互联网复杂很多。平台社区的出现和建设，将在很大程度上提升共性知识的复用能力，从而有效降低工业互联网应用的成本。我们从这些分析中不难看出，如果没有这样的变化，工业互联网的产业发展是难以维系的。
其次是我们预测在不久的将来，工业互联网的商业模式会变得更加明显，并进入逐渐成熟的阶段。目前，工业互联网与传统的企业信息化发展模式还没有本质上的区别，虽然这里出现了云计算和互联网这两个新要素，但它们都仅仅是时空上的扩张而已。工业互联网作为一种新的业态，它的商业模式是什么，目前暂时还是比较模糊的。
这就是为什么现在工业互联网的平台可以多达上百种，甚至更多的根本原因。但是，随着平台化和服务化技术的发展，工业互联网的商业模式已露出端倪。在边缘层，通用网关产品技术在平台和服务的支撑下，将出现质的飞跃，犹如几年前移动电话到智能手机的质变一样。另一方面，越来越强大的工业互联网云平台将吸引一部分第三方的技术服务提供方，产生从直接帮助企业用户开发应用到间接提供高品质数据服务的转变。这两方面的变化组合起来就能产生巨大的力量，将工业互联网的商业模式上升到工业数据运营商的层面。
企业用户只需要将工厂设备和企业管理的数据经由通用网关上传到工业互联网的云平台上，就可以通过选择某种“套餐”的方式获得从数据到财富的转换成果。工业互联网在经历了这样的蜕变之后，才会真正步入成熟发展的历史阶段。
6 结论
工业互联网提出的时间还不长，相关实践的积累也还十分有限。因此，现在对工业互联网未来的总体走势下结论，还为时尚早。但是，工业互联网的平台化和服务化这两个方面的发展趋势是非常清晰的。这是由互联网、设备接入和开发者这三个方面的结合，以及信息技术发展的规律所决定的。工业互联网体系架构的设计和相关规范的设定也对这一发展趋势的形成起到了很重要的作用。工业界，特别是工业互联网技术的提供商需要顺应这一发展趋势，推出平台化和服务化有竞争力的技术和产品，抢占市场的先机。平台化和服务化技术的快速发展和应用，还将进一步推进以工业互联网为基础的新工业生态环境的建立，这对于最终引发新一轮的工业革命也有相当重要的推动作用。
