工業4.0早期的軟肋

　　工業4.0平臺和工業互聯網聯盟IIC在2017年12月5日聯合發表《架構對接和可互操作性》白皮書，在國內引起了廣泛興趣。但是，IIC在2017年2月28日發布《工業物聯網的聯接性框架》白皮書，已經一年多了，卻受到了冷遇。顯而易見，聯接性（connectivity）在工業4.0和工業互聯網中的重要性，在國內還不曾被了解和充分認識。
　　這或許是因為在工業4.0的參考架構RAMI4.0中沒有聯接性的概念，只是在由物理世界按其功能特性映射到虛擬世界的維度中，有一個通信（communication）的層級。而按RAMI4.0的白皮書中對通信層的功能解釋，是用來處理通信協議、數據和文件的傳輸。它在指向信息層的方向上采用統一的數據格式，從而保證通信實現標準化；并為集成層的控制提供服務。這僅僅是將在制造過程中產生的各種信息轉換為統一的數據格式，尚沒有細化到要通過哪些通信協議傳輸，完成“在正確的時間，將適當的數據傳送到正確地點”的任務。這或許也反映出德國在數字通信、互聯網等基礎方面遠遠落后于美國的一個不能回避的現實。由于德國工業4.0對我國的影響太深，以至于我們對它的某些軟肋竟然視而不見。其實德國工業技術界對此也是有逐漸有所理解和認識的，要不然就無法解釋工業4.0平臺與工業互聯網聯盟的合作進程，為什么從2015年就開始啟動，但又遇到挫折，直到2017年才開始有了實質性的推動。
　　還有一個原因是聯接性技術屬于通信基礎性技術，不是那種所謂“顯示度”很高的技術，國內向來采取被動跟隨的姿態，多半是采用“拿來主義”。所以論述工業互聯網平臺的文章連篇累牘，卻很少見到關于聯接性的描述。
　　工業物聯網IIoT的領導聯盟是美國工業互聯網聯盟IIC和德國Industrie 4.0 (I4.0)平臺。 二者各有千秋，IIC 建立了一種跨越工業領域的技術架構；而工業4.0著重于制造業，但超越了技術架構，介入了供應鏈和產品生命周期。由于這些目標和架構都是互補的，因此兩個組織正在共同繪制今后發展、建立工業4.0和工業互聯網之間實現可互操作性的設計藍圖（見下圖）。

圖 | 建立工業4.0和工業互聯網的互操作性

　　什么是聯接性？

　　泛在聯接性是工業物聯網IIoT系統中各種參與組件之間實現數據共享的一種基礎技術。聯接性為聯接參與者之間，提供功能域內、系統內跨功能域，以及跨系統進行數據交換的能力。這些數據交換包括傳感器的數據刷新、事件、報警、狀態變化、命令以及組態刷新。簡言之，聯接性是跨功能域（由工業互聯網參考架構所定義）的橫向交互功能（見下圖）。

圖 | 聯接性是橫向交互功能

　　在圖中綠色箭頭：數據/信息流；灰白色箭頭：決策流；紅色箭頭：命令/請求流。
　　功能域有：控制功能域，信息功能域，應用功能域，操作運營功能域和業務功能域。
　　IIoT領域中充斥著各種各樣的專有聯接性技術，以及在垂直集成系統中一些針對較小的特定范圍的應用案例及優化標準。這些特定范圍的聯接技術雖然在各自應用范圍內內還是相當優化的，但是對于建立新的價值流，以及打開全球的IIoT市場，卻在數據共享、設計、架構乃至通信諸方面是一種障礙。IIoT聯接性的首要目的是要讓這些相互隔離的孤立系統的數據開放流動，使得這些封閉的組件和子系統之間能夠共享數據和實現可互操作性，以至在各種行業內和各種跨行業的新型和新興的生態應用得以形成和發展。
　　我們需要建立廣泛領域的IIoT的聯接性。通過定義IIoT聯接性的堆疊模型和開放的聯接性參考架構，使從事IIoT的各種利益攸關者，對手頭正在開發和應用的聯接性技術的適用性進行分類、評估和確認。

　　IIoT工業物聯網的通信模型

　　由于歷史發展的局限，經典的開放系統互連OSI （open system for interconnection）7層模型和互聯網4層模型都不能準確地描述工業互聯網聯接性的要求。IIoT作為工業互聯網的一個關鍵的基礎，要求用一個新的聯接性功能層模型來著重表達分布式的傳感器、控制器、網關、各種設備和器件，以及分布式系統的其它應用組成。
　　當然，這一模型還是以OSI模型和互聯網模型為參考，按照新的要求提出了聯網（物理層、鏈路層、網絡層）、聯接性（傳輸層、框架層）和信息三大功能共6層的通信模型，又稱為IIoT聯接性堆疊模型，作為工業互聯網參考架構IIRA內的橫向交互功能的聯接性范圍（見下圖）。

圖 | 工業物聯網IIoT通信的6層模型

　　IIoT系統的可互操作性層呈沙漏形狀。其上頂部是一個寬泛的數據模型譜系，以及針對特定垂直行業的功能；頸部通常用于跨垂直行業的互聯網層。聯通性提供基本的數據共享機制，支持諸如分布式數據可互操作性和管理這樣的高級功能，作為實現語法可互操作性（注意：不是語義可互操作性）的橫向交互功能。

圖 |? IIoT聯接性堆疊模型

　　沙漏頸部是IIoT中“互聯網”的起點。鑒于頸部上面的聯接層并沒有很好的認識和理解，所以，為了構建IIoT系統，要側重考慮和研究“互聯網”聯網層上面的聯接功能。

圖 | IIoT系統的聯接性堆疊模型的功能性

　　上圖表示IIoT聯接性堆疊模型，以及聯接功能性的范圍，作為工業互聯網參考架構IIRA中的橫向交互功能。聯通功能性為IIoT系統中在同一功能域內的參與者之間和在跨功能域的參與者之間，提供數據共享的機制。由圖可見，最底層為物理層，用物理介質（有線，無線）連接網絡的所有參與者，并進行以“位”（bit）為特征的物理信號（電信號、光信號或其它）的傳輸。其上為鏈接層，用于相鄰參與者之間共享物理鏈接，并通過信號傳輸協議進行以“幀”為特征的交換。再上面是網絡層，進行以有限長度的“數據包”為特征的交換，可能在非相鄰（遠程）參與者之間進行多鏈接路由通信。再往上是傳輸層，是在參與者應用程序之間進行不同長度的通信報文的通信。其上是框架層，是指為參與者應用程序之間提供可組態的有服務質量QoS的結構化數據（狀態、事件、數據流）交換。再上面已超出聯接的范圍，是分布式數據可互操作性和管理層橫向交互的功能，依賴于聯接框架層提供的有具體物理意義的信息共享。
　　這里順便指出，互聯網協議（IP）是流行于網絡層的聯接標準，因互聯網而誕生，而現在也用于物聯網，而且在網絡層對其上一層和下一層都具有獨立的使能創新。雖然IP連接、非IP連接以及相當多的無線存取技術不斷的發展并進入市場，使IIoT共同體有了新的選擇，但下面三層都與OSI模型相同，而且廣為人知。網絡層以上的各層最近十年發展迅速，但還沒有被廣泛認識和了解。因此本文件重點在網絡層以上的各層，即聯接傳輸層和聯接框架層。

　　聯接性功能要求

　　工業互聯網參考架構IIRA中聯接性在整個架構中的任務是的支持參與互聯的系統中的端點之間進行數據交換。舉例說，信息包括傳感器刷新、遠傳數據、控制命令、報警、事件、狀態變化或組態更新和按時間記錄的數據等等。基本上聯接的任務就是在端點之間提供可互操作的通信，以保證各種組件的集成。不過聯接性功能的目標限于為所參與聯接的端點之間提供語法可互操作性。
　　通信中的可互操作性，可以達到從客戶集成到基于開放型標準的即插即用等抽象的不同級別。可互操作性通常分類如下:
　　☆ 技術可互操作性，是指交換以位和字節表現的信息的能力。這建立在信息交換的基礎結構已經存在，同時基礎架構下的網絡和協議都有明確的定義。
　　☆ 語法可互操作性，是指交換以通常的數據結構表現的信息的能力。這建立在已經使用構造數據的公用協議，而且信息交換的結構已經明確定義。語法可互操作性以技術可互操作性已經建立為前提。
　　☆ 語義可互操作性，是指在適當的所表現的信息解釋的上下文條件下（即語境）進行交換數據含義的能力。語義可互操作性以語法可互操作性已經建立為前提。

　　聯接傳輸層和聯接框架層的任務和范圍

　　對于IIoT系統，聯接功能性有兩個功能層：聯接傳輸層和聯接框架層。前者為端點之間的提供傳輸數據的方法和手段；在數據交換中它實現端點之間的技術可互操作性。此功能對應于OSI7層模型的第4層傳輸層，或對應于互聯網模型的傳輸層。聯接框架層為端點提供將數據變成明確的結構化，并完成被解析的過程；它提供端點之間實現語法可互操作性的機制。在此聯接框架層中，“公共數據結構”（“common data structure” ）是指被交換的數據的結構或模式。例如，我們所熟悉的編程語言中的數據結構和數據庫的模式。聯接框架的功能對應OSI7層模型中的第5層（會議層）至第7層（應用層），或互聯網模型的應用層。IIoT的聯接性功能層的任務和范圍可見下表。
　　在分布式數據可互操作性和管理功能中的數據服務框架建立在由聯接框架層提供的語法可互操作性的基礎上，工業互聯網參考架構的動態合成和協調功能要求語義可互操作性。
　　聯接框架層在信息交換中為參與的端點提供邏輯數據交換服務。在此層可觀察和“理解”數據交換，同時運用相關知識來優化數據的傳送。它是位于聯接傳輸層上部的邏輯功能層，而且應該并不需要知曉實現聯接傳輸層的技術。聯接框架層為端點間提供語法可互操作性，所交換的數據其結構化具有共同而明確的數據格式，與端點的實現無關，而且與硬件和編程平臺解耦。與端點后面的應用邏輯有關，可能要求一個或多個數據交換的模式，其中有兩個主要的數據交換模式：發布-訂閱和請求-響應。
　　聯接框架層的關鍵利益是將不同功能的實現加以抽象和隱藏，這樣在聯接框架中使用的應用軟件無需了解實現的具體方法，而是利用了聯通框架層的能力。這樣既減少了開發成本，又提高了生產能力和質量。

表 |? IIoT聯接性功能層的任務和范圍

　　聯接框架層和聯接傳輸層的核心任務

　　聯接框架層的核心功能包括數據資源模型、發布-訂閱和請求-響應交換機制、數據的服務質量、數據的信息安全和可編程API等。用下圖概述如下。

圖 | 聯接框架層的核心功能

　　聯接傳輸層為端點連接提供邏輯傳輸網絡。聯接傳輸類似一個在端點之間執行數據流動的不透明管道。聯通傳輸層的關鍵任務是為端點之間提供技術可互操作性。聯通傳輸的核心功能包括：端點尋址、通信模式、網絡拓撲、連通性、優先管理、時序和同步，以及消息安全。下圖概述了聯接傳輸層的核心功能。

圖 | 聯接傳輸層的核心功能

　　聯接框架層的核心標準

　　IIoT 聯接框架層標準給出原來主要是用于相關垂直行業的聯接標準（如oneM2M用于電訊行業, OPC-UA用于制造業），為那些行業提供了賦能的的技術特性，也能夠為許多其它行業提供應用服務。另外的聯接標準（例如DDS和互聯網服務），原來是為通用的、非特定行業的應用服務，顯然也可以用于很多其它行業的許多不同類型的應用服務。傳輸層是專為框架層服務的，在框架層與傳輸層之間沒有任意其它功能空間。

圖 |? IIoT系統聯接性標準

　　傳輸層與框架層的區別很重要。傳輸層一定要與一種數據類型系統相配對，例如消息隊列遙測傳輸協議MQTT可與一種數據類型系統技術如由Google開發的protocol buffers相配對，同時可用來建立一種專用用戶的聯接性框架。
　　顯然，目前可供選用的聯接性標準沒有一個能全面滿足IIoT系統的要求，能夠完成由高速運動的機器人生產線、離散制造業、過程控制系統等各種類型的工業生產系統和生產管理系統的數據流通和連接，為萬物互聯及人與物的互聯的超大規模系統提供無懈可擊的聯接性。為此需要選擇若干個標準構成核心標準，構成一個相互補充的聯接性標準簇。但這個標準簇又不能超過3到4個標準，否則，要為這些標準之間建立核心網關的數量過多，而使數據的及時流動和實時流動變得不切實際和不可實現。
　　上圖概述了IIoT聯接框架層和傳輸層的核心標準。由圖可知，聯接框架層的核心標準有4個，其中1個是源于通用的WEB服務HTTP、1個是除美國之外其他國家工業界幾乎很少采用的數據分發服務DDS；另外2個則是來源于某些垂直行業的特定應用，但顯然也可以推廣到許多行業，乃至跨行業的應用，即流行于制造業的OPC UA和由電信行業開發、目前主要用于家居自動化的oneM2M。DDS和OPC UA定義了自己的傳輸協議，而Web服務和oneM2M則依賴于通用的傳輸協議。為完整的表達，圖中還示出網絡IP層和更低的鏈路層和物理層的各種協議。運用HTTP的Web服務被稱之為專為應用程序使用的聯接框架，主要用于人類用戶互動的接口。
　　選擇核心標準的主要依據共10項，在下表中已清晰概述。其中前5項是必須具備的關鍵判據，只要有一項不符要求就不能選用。

表 | IIoT聯接性框架核心標準的判據表

　　數據分發服務DDS簡述

　　DDS目標是專為IIoT應用的聯接框架標準，一般用于控制、工業應用、信息和操作運行范圍。其主要目的是將組件（設備、網關或應用程序）與其它組件連接，使之成為實時系統和系統中的系統。組件互動于一個分享的數據空間，而從不相互直接互動。因此也可稱為以數據為中心的的中間件標準。多年來它已經植根于國防、工業和嵌入式的高新應用。
　　DDS通過一關系數據模型實現直接的組件-數據-組件通信。DDS也被稱為數據總線，因為它模擬數據庫中在移動的的數據，而數據庫只是管理存貯于其中而非流動中的數據。數據庫和數據總線都是實現以數據為中心的抽象；但它們的應用并不直接相互作用，而是互動于基礎結構中。與數據庫不同的是，數據庫將已產生的數據存貯，供之后用所存貯數據的有關屬性進行搜索。而數據總線通過數據屬性過濾進來的數據，管理未來發生的數據。以數據為中心使數據庫本質上是個大型的存貯系統，以數據為中心使數據總線成為IIoT軟件集成和自治運行的一種基本技術。
　　類似于對存貯數據進行存取控制的方法，數據總線用許多同時發生的組件控制數據存取和刷新。其核心是DDS圍繞以數據為中心構建了發布-預訂的數據交換機制。但是標準還定義了請求-應答的數據交換機制。關鍵的抽象是各個應用程序使用數據總線本身進行互動，而不是讓應用程序直接與其它的參與應用程序進行互動。DDS提供精確的以數據為中心的服務質量QoS，包括可靠的多播，可組態的傳送，多種級別的數據持續時間，歷史數據，組件和傳輸冗余自動發現，聯接管理，以及無須知曉傳輸細節、以數據為中心的傳輸信息安全。此外，一對多、多對一的通信是其很突出的特點。DDS提供有力的方法過濾和精確選擇什么數據送到哪里，而這個“哪里”的目標可以是幾千個同時發生的組件。為了支持小的邊緣設備，有一個輕量級別的DDS版本，可運行在有限制的嵌入式環境中。DDS數據總線保證超可靠的運行，并且簡化了用于程序的編碼。它不要求服務，極容易組態和操作，因而消除了故障點和阻塞點。一個基于DDS的系統不存在組件之間的應用編碼互動。DDS自動發現和連接正在發布和正在接收的組件，有新的組件（如智能機械）加入系統不必進行組態變更。組件可以自行開發，或由獨立的第三方提供。DDS克服了點對點系統存在的問題，諸如缺乏可擴展的性能，缺乏可互操作性，以及逐漸演進發展架構的能力。它具有即插即用的簡單性、可擴展性和特別高的實時性能。
　　由于其靈活性、可靠性以及快速構建復雜系統或實時系統，DDS通常用來進行系統集成和構建自治系統。總之，DDS是一種經過驗證的高可靠、高性能的構建大規模跨垂直行業的IIoT軟件系統的技術。運用DDS的工業物聯網應用包括農田、醫院醫療集團、醫療保險、自動駕駛飛機和汽車、鐵路、資產跟蹤、自動測試、智慧城市、通信、數據中心切換、視頻共享、消費電子、石油和天然氣開采、廣播電視、空中交通控制、航空電子技術、SCADA、機器人以及國防。
　　已有的DDS網關包括很多聯接技術，如DNP3, C37.118, Modbus, HLA, JMS 等等。DDS-Webv1.0規范定義了一種標準的Web服務網關。OMG組織正在開發DDS和OPC UA間的網關標準。OPC基金會正在開發以增加DDS作為附加發布-訂閱通信選項為目標的OPC-UA-DDS發布行規。oneM2M正在研究oneM2M與DDS之間共同工作的網關、綁定DDS的oneM2M協議，以及基于DDS的oneM2M實體間的數據直接交換。

　　結束語

　　沒有完整高效的泛在聯接性，工業互聯網平臺就是空中樓閣，中看而不中用。沒有數量極其可觀的現場數據源（設備、傳感器、各類數據采集裝置和邊緣計算設備等）的有效聯接，就不會有實時的數據流動，就不會建立適時和及時的數據流動，工業互聯網也就不會產生新的價值流，形成不了新的價值鏈。
　　美國工業互聯網聯盟IIC發布的《工業物聯網的聯接性框架》白皮書提出了聯接性框架層的核心標準的概念，并從眾多的標準中選擇了DDS、OPC UA、HTTP和oneM2M這4種標準作為核心標準，幾乎覆蓋了在工業的各個行業泛在聯接性的要求。
　　我國目前掀起了工業互聯網的發展熱潮，卻對作為工業互聯網的主要構成—工業物聯網IIoT的聯接性重視不夠，認識不足。當下業界急需補充這一短板，否則后患無窮。