1.2.1　工业互联网技术参考架构

美国工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）发布的工业互联网参考架构（Industrial Internet Reference Architecture，IIRA），是目前世界范围内影响力较大的关于工业互联网的参考架构。IIRA的视角是通过分析美国工业互联网联盟和其他组织、机构开发的各种工业互联网的实践案例进行定义的，其中明确了工业互联网系统的利益相关者，并确定了适当的关注视角框架，这四种视角分别是：商业视角、用户视角、功能视角和实施视角（见图1-1）。四种视角构成了从具体的应用场景层面对工业互联网系统进行逐层详细分析的基础。在具体的应用过程中，将工业互联网视角作为其体系结构设计基础的工程师，可以根据需求定义额外的视角进行扩展，并基于其特定的系统需求组织系统的视角结构层次。

商业视角：关注的是利益相关者的识别和他们的业务远景，并在其业务和监管环境中建立工业互联网系统的价值观和目标。商业视角进一步明确了工业互联网系统如何通过将能力映射到基本系统实现预期的目标，而这些关注点是面向业务的，业务决策者、产品经理和系统工程师会对商业视角特别感兴趣。

用户视角：解决预期系统使用的问题。它通常表示为涉及人类或逻辑用户的活动序列（例如，系统或系统组件），这些活动将交付其预期功能，最终实现其基本系统功能。用户视角的参与方通常包括系统工程师、产品经理和正在设计工业互联网系统规范的个人，以及在最终使用环节代表用户的个人。

功能视角：关注工业互联网系统中的功能组件、功能组件的结构和相互关系、功能组件之间的交互作用，以及系统与环境中外部因素的关系和相互作用，支持整个系统的使用和活动。系统和组件架构师、开发人员和集成商会对功能视角特别感兴趣。

实施视角：关注处理实现功能视角层所需的技术，功能视角实现元素间的通信方案和生命周期过程，这些元素从使用角度的行为（使用视角）和业务角度对系统功能的支持方面进行协调。系统和组件架构师、开发人员和集成人员及系统操作人员会对实施视角特别感兴趣。

工业互联网参考架构从工业互联网的全生命周期涉及的各个方面描述了工业互联网的全貌，而工业互联网技术参考架构从技术实现层面解构工业互联网。工业互联网技术参考架构是技术层面的抽象描述，有助于识别不同应用场景的问题和挑战。工业互联网技术架构的设计，需要强调使用不同技术的异构设备之间的可扩展性、可伸缩性、模块化和互操作性。已有的一些参考架构起源于过去在不同的应用环境中的工业互联网[3]。通常采用的方法是根据所选的技术现状、业务需求和技术需求，围绕每个级别提供的服务进行多层描述。例如，国际电信联盟支持由五层组成的物联网体系结构：传感、访问、联网、中间件和应用层。有些学者提出了物联网的三个主要层次：感知层（传感器层）、网络层和服务层（或应用层）。工业4.0（RAMI 4.0）中的技术参考架构模型侧重于下一代工业制造系统；该架构确定了一个三维模型，其轴是与产品生命周期相关的生命周期和价值流，以及与不同组件功能相关的层次结构。这个层次与轴结合的模型还描述了信息、通信和互联网技术等，并包括一个通信层[4]。

数据流和控制流是两种不同类型的信息在工业互联网系统中传输，数据流是需要处理的数据，控制流是某些生产过程的结果数据。关于工业互联网的技术架构也正在不断出现，但不同的版本提供了功能一致的系统实现，并为创新的业务模型和服务提供条件，而且通常是一个多层次的结构，层次的数量由具体的、异构的设备和网络决定。由美国IIC提出[2]的工业互联网三层技术参考架构被业界广泛接受，即工业互联网技术架构由边缘层、平台层和企业层构成，如图1-2所示。

边缘层从边缘节点收集数据，使用近距离网络（一般以现场总线网络为主）通信，该层的体系结构特征包括分布的广度、位置、管理范围和近距离网络的特性，根据具体的应用场景而有所不同。很明显，工业互联网中的边缘计算网关可以管理一个由工业现场控制设备组成的工业互联网的子系统。

平台层从企业层接收、处理和转发控制命令到边缘层，该层整合流程并分析来自边缘层和其他层的数据流，提供设备和资产的管理功能，还提供非特定领域的服务，如数据查询和分析。

企业层实现特定用户域内的应用程序，如决策支持系统等，并为终端用户（包括操作专家）提供接口。企业层从边缘层和平台层接收数据流，并向平台层和边缘层发出控制命令。

图1-2中每层都具有功能块，这些功能块表示该层的主要功能位置，但并不专门分配给该层。例如，平台层中的“数据转换”功能也可以在边缘层中找到（例如，由网关执行），尽管这些功能块将以不同的方式和目的实现。例如，边缘层的“数据转换”功能块通常通过特定设备的配置和接口实现，并且不同的设备具有不同的实现方式，与平台层的方式差异很大。而在平台层中，“数据转换”功能块通常作为一个高级服务进行实现，该服务对从任何设备源或类型抽象出来的数据进行操作。

在工业互联网中使用不同的网络通信技术连接这三层结构：近距离网络（如基于有线网络的现场总线网）连接传感器、执行器、设备、控制系统和资源，统称为边缘节点。这些边缘节点通常连接在一起作为与网关相关的一个或多个群集合，该网关连接到其他网络，同时支持边缘层和平台层之间的数据流和控制流的连接。例如，近距离网络可以是一个公司网络，即一个覆盖在公共互联网或4G/5G网络的私有专用网络，该网络支持平台层和企业层中的各种服务之间的连接，以及支持每层提供的服务；近距离网络也可以是一个覆盖在公共互联网或互联网本身上的私有网络，并提供终端用户和各种服务之间的企业级安全性。

工业互联网的三层体系结构模式组合了主要组件（例如，平台、管理服务、应用程序），这些组件通常映射到功能视角。从层和域的角度看，边缘层实现了大部分的控制域，平台层将大部分信息和操作域进行分层处理，企业层将大多数应用程序和业务域分层，这种映射过程形成了跨层的简单功能分区。在实际应用系统中，工业互联网系统的各层的功能映射在很大程度上取决于系统用例和需求的具体情况。例如，信息域的一些功能可以在边缘层中或靠近边缘层实现，同时还可以使用一些应用程序逻辑和规则实现智能边缘计算。实施过程中的层结构通常不具有到特定功能域的独占性映射关系的另一个原因是，这些层通常相互提供服务，以完成系统的端到端活动。例如，这些服务来自信息功能域的数据分析，会成为对其他层中其他功能域的支持。平台层的操作域组件本身向同一层或另一层中的其他组件提供服务（资产管理服务流）。类似的操作域服务也可以提供给企业层中的应用程序域组件，相反，操作域组件可以使用数据服务，目的是从资产数据中获得更好的信息或知识。例如，用于资产的诊断、预测和优化。因此，来自所有功能域的组件都可以利用相同的数据，并使用分析平台和服务将数据转换为特定用途的信息。

由网关作为中介的边缘连接和管理体系架构包括用于工业互联网系统边缘的本地连接解决方案，具有连接广域网的网关的网络结构，如图1-3所示。

网关充当广域网的端点，同时隔离边缘节点的本地网络。此架构模式允许本地化操作和控制（边缘分析和计算），主要好处是可以降低工业互联网系统的复杂性，工业用户则可以同时扩大在网络中管理资产的数量。但是，这种模式并不适合于一些特定应用，即不允许工业资产在本地网络边界内以稳定集群的方式移动工业应用环境。边缘网关还可以用作设备和资产的管理点和数据聚合点，其中一些数据处理和分析及控制逻辑功能在边缘网关中部署，本地网络可以使用如下所述的不同拓扑结构：

在星形拓扑结构中，边缘网关充当一个集线器，用于将一组边缘节点相互连接并连接到广域网。网关本身直接连接集群中的每个边缘实体，允许从边缘节点输入数据，以及向边缘节点输出控制命令数据流。

在网状网络（或对等）拓扑结构中，边缘网关还充当连接边缘节点集群到广域网的集线器。然而，在这种拓扑结构中，一些边缘节点具有路由能力。例如，从一个边缘节点到另一个边缘节点的路径，边缘网关的路由路径会发生变化，并且会动态、经常性地改变。这种拓扑最适合于地理广域分布的、资源受限设备中的低功耗和低数据速率应用程序，并可以提供广泛的区域覆盖。

在这两种拓扑结构中，边缘节点都不能从广域网直接访问。边缘网关充当边缘节点的单向入口点和提供路由及地址转换的管理点，其支持以下功能：

• 通过有线串行总线和短程无线网络实现本地连接，而且新的通信技术和协议正在新的工业互联网边缘现场部署场景中出现。

• 支持边缘终端节点和广域网之间各种数据传输模式的网络和协议桥接：异步、流式、基于事件触发和存储转发。

• 本地数据处理，包括融合、转换、过滤、整合和分析。

• 设备和资产控制及管理终端节点，在本地管理边缘节点，并充当代理，通过广域网对边缘节点进行远程管理。

• 在本地范围内执行控制站点的特定决策和应用程序逻辑。

此外，分层数据总线也是工业互联网技术参考架构中的重要内容。分层数据总线是跨多个行业的工业互联网系统的通用架构，这种体系结构提供了低延迟、安全、跨系统逻辑层的对等数据通信。对于必须管理现场应用程序之间的直接交互（如控制、本地监视和边缘分析）的工业控制系统而言，分层数据总线非常有用。在系统的底层，智能工业控制设备利用现场数据进行本地控制、自动化操作和实时分析。更高级别的系统使用另一个数据总线进行监控，并将这些终端节点整合到整个工业系统体系中，进而实现复杂的、互联网规模的、潜在的、基于云的控制、监控和分析应用程序。数据总线是一个逻辑连接的空间，实现一组公共模式，并在终端节点之间使用特定的模式集进行通信。因此，数据总线的每一层都实现一个公共数据模型，支持该层终端节点之间的互操作通信。数据总线支持应用程序和设备之间的通信，如数据总线可以部署在一台智能控制设备内，连接控制设备的内部传感器、执行器，完成控制和分析功能。在更高的智能系统层次，另一种数据总线可用于机器和机器之间的通信。而在系统与系统之间的层级，不同的数据总线则可以连接一系列系统，以完成协同控制、监控和分析功能。每种数据总线可能具有一组不同的模式或数据模型，数据模型在各层之间变化，因为较低级别的数据库只导出一组受控的内部数据。可以在各层之间使用适配器匹配数据模型，适配器还可以分离和桥接安全域，或者充当集成遗留/老旧工业控制系统或不同控制协议的适配接口点。一般情况下，发生在层与层之间的转换将会过滤和减少数据。这是一种重要功能，因为控制和分析的范围在每一层都会增加，而数据量通常会逐渐减少以匹配更广泛的范围、更大的延迟和更高的抽象层级。除了在控制、信息、应用和企业领域的应用外，这种分层数据总线体系结构在工业控制的操作领域也很有用，用于监控、支持和管理系统内的设备、应用程序和子系统。

数据总线的核心是一个以数据为中心的发布-订阅通信模型，数据总线中的应用程序只需“订阅”所需的数据，并“发布”所生成的信息，消息直接在通信节点之间按逻辑传递，基本通信模型表示的过程是：发现应该发送什么数据及何时何地发送数据，这种设计体现了日常工业控制过程中时间紧迫的信息传递系统过程。发布-订阅模型能够有效地快速分发大量时间紧迫的信息，特别是在存在不可靠的传递机制的情况下。

工业互联网分层数据总线体系结构具有以下优点：

• 快速的设备与设备的集成能力，交付时间以毫秒或微秒为单位。

• 总线内部和总线之间自动的数据和应用程序发现能力。

• 可扩展集成，包括数十万个传感器和执行器。

• 自然冗余，允许极端的可用性和分层的子系统隔离，使复杂系统设计的开发成为可能。

一方面，工业互联网技术架构是由美国工业互联网联盟（IIC）提出的一个在全球范围内接受度较高的架构，由边缘层、平台层和企业层构成。另一方面，在工业互联网系统工程建设及实施层面，该三层架构由工业互联网云、管（网）侧、边、端的技术体系落地。工业云平台、工业互联网平台、工业标识解析等对应工业互联网云侧即企业层；工业互联网4G/5G/光纤等通信基础设施对应工业互联网管（网）侧即平台层；工业边缘计算网关及各类接入和汇聚网关等组成工业互联网边侧即边缘层。而工业互联网中的仪器仪表、执行器和传感器等具有一定的信息存储和分析能力，则构成工业互联网端侧。