深度剖析：工業互聯網平臺大盤點（國際篇）

飲水機e-works粗略統計，截止2018年3月，聲稱能提供工業互聯網平臺服務的國內外廠商已經超過150傢，耳熟能詳且能直接說出名字的工業互聯網平臺不下30傢。漫天飛舞的工業互聯網平臺可謂是亂花漸欲迷人眼，讓人看的眼花繚亂，很難讓人真正理解不同工業互聯網平臺之間的本質區別。帶著對工業互聯網的思考，e-works特別策劃瞭題為“工業互聯網平臺大盤點”的活動，希望能通過對業界主流工業互聯網平臺的梳理來理清它們之間的區別，進而引導制造企業有針對性的推進工業互聯網平臺的選型與實施。一、工業互聯網平臺定義e-works數字化企業網總編黃培博士認為，工業互聯網是指工業互聯的網，而不是工業的互聯網。他認為，在企業內部工業互聯網要實現工業設備、信息系統、業務流程、產品與服務、人員之間的互聯，實現企業IT網絡與工控網絡的互聯，實現從車間到決策層的縱向互聯；在企業與企業之間，工業互聯網要實現上下遊企業（供應商、經銷商、客戶、合作夥伴）之間的橫向互聯；從產品生命周期的維度來看，工業互聯網要實現產品從設計、制造到服役，再到報廢回收再利用整個生命周期的互聯。工業與信息化部電子信息司副司長安筱鵬則將工業互聯網用一個簡單的公式進行表述，即“數據+模型=服務”。安司長認為，工業互聯網平臺通過對企業的機器、業務系統、產品模型等過程數據進行廣泛的采集，將采集到的關鍵數據導入到工業化模型以實現業務功能的軟件化，最終為企業提供工業級應用服務，幫助企業優化生產流程，為產品從研發到生產、銷售和使用等全生命周期提供服務，從而實現制造資源的優化配置。圖 1 工業互聯網平臺架構在工業互聯網產業聯盟提供的白皮書中將工業互聯網平臺從架構上具體劃分為四個層次，即邊緣層、IaaS層、工業PaaS層和工業SaaS層。其中，IaaS層主要是為PaaS層提供雲基礎設施支撐，以構建滿足工業應用開發需求的硬件環境。工業與信息化部電子信息司副司長安筱鵬曾用三句話概括瞭工業互聯網平臺需要支撐的應用功能。第一，數據采集是基礎。對應工業互聯網的邊緣層，其本質是利用泛在感知技術對多源設備、異構系統、運營環境、人員信息等要素進行實施高效采集和雲端匯聚。第二，工業PaaS是核心。對應工業互聯網的平臺層，其本質是在現有成熟的IaaS平臺上構建一個可擴展的操作系統，為工業應用軟件開發提供一個基礎平臺。第三，工業APP是關鍵。對應工業互聯網的應用層，其主要功能是為面向特定工業應用場景，激發全社會資源推動工業技術、經驗、隻是和最佳實踐的模型化、軟件化、在封裝，讓用戶可以通過對工業APP的調用實現對特定制造資源的優化配置。二、工業互聯網平臺應用支撐能力通過梳理業界專傢對工業互聯網平臺的定義，我們可以總結出工業互聯網平臺需要具備的基本功能：第一，能實現將不同來源和不同結構的數據進行廣泛采集；第二，具備支撐海量工業數據處理的能力；第三，能通過工業機理和數據科學實現海量數據的深度分析，並能實現對工業知識的沉淀和復用；第四，能夠提供開發工具及環境，實現工業APP的開發、測試和部署。從當前工業互聯網發展水平看，能完全滿足以上四個層級功能的國內工業互聯網平臺還比較少，但針對某些行業應用，領先的廠商基本能做到四個桌上型飲水機層級功能的全覆蓋。比如在燃氣輪機、醫療等領域，由於較高的市場占有率和多年的數據積累使得GE、西門子能充分構建基於這些數據運行特點的算法和模型，通過工業機理和數據科學實現海量數據的深度分析，並能實現對工業知識的沉淀和復用。同時還能夠提供開發工具及環境，實現工業APP的開發、測試和部署。但對於當前大多數工業互聯網平臺而言，由於行業影響力和技術支撐能力有限，基本上隻能做到數據采集和分析，很難提供基於PaaS平臺的應用開發能力。同時缺乏強力的合作夥伴也很難形成工業APP應用開發生態。為瞭全面的瞭解當前工業互聯網平臺的發展情況，我們將以前面談到的四個層次功能為基礎，采用對標的方法對當前主流的工業互聯網平臺進行功能梳理和解讀。1．國外主流廠商及平臺(1)GE ——Predix按照Predix白皮書公佈的信息，Predix平臺的四大核心功能是鏈接資產的安全監控、工業數據管理、工業數據分析，雲技術應用和移動性。平臺架構共分為三層，分別為邊緣連接層、基礎設施層和應用服務層。其中，邊緣連接層主要負責收集數據並將數據傳輸到雲端；平臺層主要提供基於全球范圍的安全的雲基礎架構，滿足日常的工業工作負載和監督的需求；應用服務層主要負責提供工業微服務和各種服務交互的框架，主要提供創建、測試、運行工業互聯網程序的環境和微服務市場。圖2 Predix工業互聯網平臺架構Predix平臺主要通過一個名為Predix機器的功能模塊采集工業數據，這是一個能嵌入到工業控制系統或網絡中的軟件棧，其嵌入方式主要由三種：1)部署在網關。對於支持通用工業通訊協議（如modbus，opc等）或TCP/IP等IT通訊協議的設備，Predix機器可以通過設備自身所支持的協議直接與設備進行通訊，在這種應用場景中，Predix機器往往部署在網關上，而網關起到設備與雲之間的通訊連接作用；2)部署在控制器。Predix機器直接部署在設備的控制單元中，這樣做能夠削弱機器軟件與硬件之間的聯系，實現連接、可升級性、兼容性、遠程訪問等，使獨立運行或在單獨網絡中運行的工業設備能夠直接連接到雲端，完成數據采集與實時分析；3)部署在傳感器節點。在這一應用場景中，傳感器部署在生產現場，完成數據采集，直接將數據上傳至雲端，在雲端完成其他的數據處理操作。為瞭實現對大量采集來的工業數據進行處理和分析，進而優化工業生產過程。Predix平臺提供包括設備服務、數據服務、分析服務在內的一系列服務。具體實現過程：Predix先通過設備服務為設備建模，再利用數據服務將采集的設備運行數據與來自其他的數據源的數據（包括設備模型、ERP數據）相結合，並根據數據的特點存儲到不同類型的數據庫中，最後采用分析服務對數據進行分析，進而輸出分析結果。目前，Predix提供兩種類型的數據分析：操作數據分析和歷史數據分析。其中，操作數據分析實質是實時數據分析，對設備的狀態變化進行實時分析與響應；歷史數據分析是對海量歷史數據進行分析，進而建立設備預防性維護模型。面對當前不同行業數據的分析需求，Predix分析服務提供開發框架，一個基於微軟Cloud Foundry框架的PaaS開發平臺，利用這個開發平臺，企業可以根據需求自主開發算法和模型，在通過配置、抽象以及擴展模型用於管理分析算法的執行。由於多年在航空、能源、電力辦公室飲水機、醫療等行業的經驗和數據積累，Predix平臺內部集成瞭一些針對飛機發動機引擎、醫療數據、能源數據的算法和模型。除此之外，GE及合作夥伴還基於Predix平臺開發部署瞭一系列工業APP應用，包括計劃和物流、互聯產品、智能環境、現場人力管理、工業分析、資產績效管理、運營優化等。e-works認為，Predix平臺基本實現瞭對工業互聯網平臺四大功能的全覆蓋，屬於比較典型的工業互聯網平臺。就目前而言，Predix工業互聯網平臺無論是在技術架構的領先性、功能服務的全面性、行業應用的覆蓋度，以及業界的影響力等方面都要領先與同行，屬工業互聯網平臺中的旗艦和標桿。(2)西門子——MindSphere如果需要為Predix選擇一個行業對手，我認為非MindSphere莫屬。MindSphere是西門子推出的基於雲的開放式物聯網操作系統，自2016年4月發佈以來受到瞭行業的廣泛關註。MindSphere之所以有著強大的行業影響力就在於西門子不但在構建工業互聯網理念，而且有著比較廣泛的行業應用實踐，包括一系列數字化工廠和無人工廠都是以MindSphere平臺為核心構建。圖3 MindSphere基於雲的開放式物聯網操作系統對工業設備的數據采集，西門子提供瞭一個MindConnect的工具盒子，可以讓設備輕松連接入網。在這裡可以找到Nano這種即插即用的工具，而配套的網關、軟件也都使得連接變得容易，並且可以輕松集成到MES軟件上。當然，這個即插即用目前是有限制條件的，要麼設備支持西門子S7的通訊協議，要麼支持OPC UA這個新一代通訊協議。當然Nano應該隻是一個面向既有產品的過渡手段，而對於西門子新自動化設備而言，這種工具幹脆就會直接成為數字化設備的一部分。MindSphere平臺主要依托Nano這一網關型硬件產品，向上與MindSphere的雲端進行連接，向下與西門子的眾多具有以太網通訊能力的硬件產品、以及支持通用協議的其他品牌產品進行通訊，完成數據采集與傳輸。如果設備的通訊協議比較特殊，用戶可以基於Nano中的開源軟件自行開發設備通訊與數據采集程序。下面我們具體介紹MindSphere是如何實現與設備之間的通訊與數據傳輸，主要的方式可歸結為四種：1)MindConnect NanoMindConnect Nano實質上是一款嵌入式工控機，通過預先進行配置的方式與MindSphere進行連接通訊。在硬件上支持的接口主要包括USB、PCIe插槽、串口以及以太網口。支持的通訊協議包括西門子S7系列的以太網通訊協議以及OPC UA。Nano能夠通過安全的網絡連接向MindSphere傳輸加密數據，保證數據安全。Nano隻能與MindSphere共同使用。從Nano的產品介紹中可以看出，它扮演的角色類似於位於雲平臺和現場設備之間的工業網關，既完成數據采集（包括建立通訊），又完成數據向雲端的加密傳輸。而且Nano這一工業網關隻能用於MindSphere體系中。2)MindConnect IOT 2040這款產品的定位還是作為工控設備與物聯網的直立式飲水機link”>連接器，因為這款產品本身秉承瞭SIMATIC系列產品的工藝設計，保證瞭在工業現場惡劣環境下的可靠性，這一點能夠彌補Arduino等物聯網開源硬件在工業強度等級上的不足，相當於給性能強大的物聯網硬件穿上一身安全服。3)MindConnect Software從功能上推斷可能就是Nano中提供的免費開源軟件。通過這個開源的軟件用戶可以自行開發所需要的通訊協議，與設備建立連接，采集數據。比如有些設備並不支持OPC UA工業通信標準，也不支持西門子S7系列的以太網通訊協議，在這種情況下，企業就可以利用MindConnect Software進行自主的通訊協議開發。4)SIMATIC系列及其他西門子產品西門子的自動化產品中有很多通訊模塊，比如以太網通訊模塊，甚至有些CPU模塊中就帶有以太網通訊的功能，因此，MindSphere可以通過Nano直接與西門子的這類產品進行集成，實現通訊與數據采集。對於數據的分析，MindSphere白皮書介紹比較簡單，隻是在介紹瞭MindSphere融合瞭自己開發的Sinalytics分析平臺。這個平臺與Predix平臺非常類似，整合瞭遠程維護、數據分析及網絡安全等一系列現有技術和新技術，還能夠對機器感應器產生的大量數據進行整合、保密傳輸和分析。不過西門子提供的資料表明，Sinalytics分析平臺主要是提升對燃氣輪機、風力發電機、列車、樓宇和醫療成像系統的監控能力。但經過2017年的發展，西門子已經對MindSphere平臺的數據分析和應用開發能力做瞭重大優化。西門子通過與IBM進行合作，將Watson Analytics融入到MindSphere中，為MindSphere提供瞭多個分析工具，包括預測分析、規范分析和認知分析。在2017年漢諾威工業博覽會上，西門子展示約50種工業APP，包括瞭降低安全風險，提升互聯設備和工廠的可用性等功能。除此之外，西門子正在與源訊、埃森哲、Evosoft、SAP和微軟，以及亞馬遜雲服務（AWS）和Bluvision等新的合作夥伴進行合作，強化工業APP產業生態的構建。MindSphere平臺向下提供數據采集API，即支持開放式通訊標準OPC UA，也支持西門子和第三方設備的數據連接；向上提供開發API，方便合作夥伴和用戶開發應用程序。MindSphere平臺應用開發也是基於Cloud Foundry框架構建，即搭建完整的大數據預處理、存儲及分析的技術框架，也融合瞭西門子以前在若幹個領域積累的分析模型與算法，也提供開放的接口，便於用戶嵌入滿足個性化需求的分析算法模型。e-works認為，MindSphere平臺是目前最貼近制造企業工業自動化應用需求的工業互聯網平臺。西門子本身就是一傢制造企業，生產制造一些關鍵的工業自動化設備。因此，既能準確的把握制造企業的應用需求，也能通過對工業設備的技術和生態掌控構建滿足制造企業需求的工業互聯網平臺。這決定瞭MindSphere平臺必然是當前制造企業的優先關註對象和應用實施的首選。 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