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工业互联网平台和评价
摘 要：工业互联网平台作为工业互联网发展的核心载体,需要具备基础支撑、工业操作系统和应用服务等关键能力.而我国当前平台发展中还面临着一系列问题和挑战,亟需加快推动平台评价测试体系构建,为平台建设、平台应用和平台监管三类主体提供参考依据,促进整个平台产业的可持续高质量发展.`
关键词：工业互联网平台；评价体系；测试系统
1引言
工业互联网是新一代信息技术与制造业深度融合的产物,近年来迅速兴起,发展势头强劲,将对未来工业发展产生全方位、深层次、革命性影响.其中,工业互联网平台作为工业互联网中网络汇聚的节点和数据集成挖掘、智能应用部署的载体,能够支撑工业技术、经验、知识的模型化、软件化、复用化,不断优化研发设计、生产制造、运营管理等资源配置效率,形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业生态,被视为新一代工业体系中的“操作系统”.
2 工业互联网平台的核心功能
工业互联网平台是在传统云平台的基础上叠加物联网、大数据、人工智能等新兴技术,构建更精准、实时、高效的数据采集体系,建设包括存储、集成、访问、分析、管理功能的使能平台,实现工业技术、经验、知识模型化、软件化、复用化,以工业APP的形式为制造企业各类创新应用,最终形成资源富集、多方参与、合作共赢、协同演进的制造业生态.构建工业互联网平台过程中需要解决多类工业设备接入、多源工业数据集成、海量数据管理与处理、工业数据建模分析、工业应用创新与集成、工业知识积累迭代实现等一系列问题,总体上可归纳成三大核心能力和对应的12 个关键功能,如图1 所示.
工业互联网平台的基础支撑能力包括边缘层的工业数据采集能力和IaaS 层的云基础设施能力,能够基于先进的计算架构和高性能的云计算基础设施,支撑海量异构数据的采集、接入、存储、处理和计算,重点包括如下4 个功能：
（1）工业数据采集和接入.一是数据采集方案,能够集成成熟的第三方采集方案,或自主研发相关软硬件产品,对工业现场各类数据进行采集；二是多源异构数据接入,支持接入工业设备、工业产品、应用软件等不同数据源产生的异构数据.
（2）工业协议转换与传输.一是向下兼容协议转换,基于Profibus、Modbus、EtherCAT、Profinet 等主流工业总线和工业以太网协议或自定义协议研发多协议转换解析模块,实现数据格式转换和统一；二是利用HTTP、MQTT等标准协议或自定义协议方式将数据传输到云端,实现数据的远程接入.
（3）工业数据边缘计算.一是部署边缘计算节点,提供可在终端设备或网络节点等靠近数据源的边缘侧进行部署的边缘处理系统,降低网络负载要求,提升响应实时性；二是进行边缘数据分析应用,在边缘侧加载运行各类智能化应用程序,实现数据清洗、缓存和实时分析等不同功能.
（4）云计算.一是云基础设施,通过自主研发或租用成熟商业产品方式,构建稳定可靠云基础设施；二是云服务能力,提供双线接入、大带宽等高质量网络服务,并能够按照用户实际需求,弹性提供计算、存储服务.
工业互联网平台的工业操作系统能力主要涵盖工业PaaS 层的通用能力和工业专业能力,能够向下对接海量设备、自身承载工业知识,对外开放开发环境与接口,向上承载工业APP,实现工业资源的优化配置与制造体系的智能驱动,主要包括如下3个功能：
（1）通用PaaS 环境.一是基础架构,借助CloudFoundry、OpenShift 等成熟架构技术,实现通用PaaS 云平台的快速、可靠构建,并具备在不同IaaS 平台间进行灵活迁移部署能力；二是运行与管理,综合运用SOA、微服务架构、容器、分布式等新型技术手段,构建具备资源调度分配、组件快速部署等能力的应用运行环境,以及具备多租户管理、开发运维、状态监控等能力的平台管理环境.
（2）工业大数据处理分析.一是海量工业数据存储和管理,借助SQL数据库、NoSQL数据库、分布式文件存储等现有成熟第三方数据存储管理系统及其他自主研发数据存储管理系统,实现海量工业数据的存储、编目与索引；二是通用分析算法库,提供各类通用数学算法,支撑进行聚类分析、关联分析、文本分析和深度学习等；三是行业机理模型库,面向装备、电子、冶金、石化等不同行业,提供满足不同场景分析应用需求的各类机理模型,既包括基于物理化学规律的传统理论模型,也包括行业先验知识与数据分析算法互相融合的新型数据模型.
（3）开发环境与组件工具.一是基础开发环境,支持Ja、Ruby、PHP 等多类开发语言,提供Git、Jenkins等开源工具或自主研发的多样化开发工具,借助开放API 接口,实现应用快速开发、测试和扩展；二是管理类组件,面向多租户管理、统一认证管理、计费和订单管理等提供各类功能组件,实现对通用性运营管理业务的支撑；三是业务类组件,提供建模、仿真分析、可视化展示、知识管理等各类工具化的功能组件,并能够转化为工业微服务组件,降低应用开发门槛；四是应用类组件,面向设计、仿真、生产、管理、服务等生产过程不同环节,结合实际应用需求形成各类组件或工业微服务组件,实现工业知识的固化封装和复用.
工业互联网平台的应用服务能力主要依托工业SaaS 层,通过工业数据、知识、资源等的汇聚,实现软件工具共享、云端业务集成应用、制造和服务能力交易、业务和模式创新以及合作生态构建,从而实现整个平台的可持续发展.主要包括以下4个关键功能：
（1）工业云应用服务.一是传统软件的云化服务,将CAX、MES、ERP等传统工业软件云化,为企业提供按需付费的订阅服务,降低使用成本；二是原生SaaS软件服务,基于平台资源构建、部署、运行自研或第三方开发的工业APP应用,形成各类SaaS软件服务.
（2）业务互联互通服务.一是提供核心业务应用服务,面向产品研发设计、建模仿真、设备监控、工艺优化、供应链管理、产品故障检测等应用场景,提供涵盖设计、仿真、生产、管理和服务等不同类型的APP,促进企业核心业务的云端迁移；二是实现核心业务集成打通,通过不同业务APP之间的数据共享和互操作,打通OT/IT并进行产品全生命周期数据管理,帮助企业加快业务系统之间的纵向、横向及端到端集成.
（3）能力交易共享服务.一是多样化交易服务,为工业企业提供在线发布、供需对接、精准计费和弹性供给等多种交易服务功能；二是多类型制造和服务能力交易,通过对设备和产品数据的云端集成和共享,实现工业企业研发设计、设备制造、物流运输、产品运维等各种能力在线交易和优化配置.
（4）创新生态服务.一是建立开发者社区,依托平台打造开放、开源的开发者社区,吸引大量活跃注册用户入驻社区进行技术交流、需求发布及应用开发；二是支撑应用创新,面向不同行业和场景进行海量工业微服务组件和工业APP 研发,实现工业知识、工艺、模型的封装和复用,支持制造体系和工业知识体系重构；三是构建生态体系,提供相应的服务界面、应用功能和运行机制,支持大量第三方开发者利用平台进行创新应用开发和发布,以及支持工业用户直接使用服务并实时反馈需求,最终形成开放的APP 应用与工业用户之间相互促进、双向迭代的生态体系.
此外,工业互联网平台安全保障功能是必须遵循的基本要求.需要建立访问控制、安全审计、入侵防范、数据灾备和快速恢复等机制,保障平台的数据采集和传输安全,设备运行安全、数据应用安全.
3 我国工业互联网平台建设与应用所面临的问题
随着全球工业互联网发展的不断深入,以及GE、西门子等国际巨头在工业互联网平台领域的引领带动,我国工业互联网平台发展也迎来了高速增长期.自2015 年起,先是航天云网、海尔、三一重工三家行业龙头结合自身产业实践经验率先发布工业互联网平台,随后国内装备制造企业、信息通信企业、工业软件企业等众多主体纷纷布局工业互联网平台.据中国信息通信院调研统计,在短短两年多时间里,国内具备一定行业、领域、区域影响力的平台数量已经增长到了50多个,平台应用覆盖了钢铁、航空航天、机械装备、汽车、电子、能源等重点行业,开始在研发设计、生产制造、运营管理、仓储物流、产品服务等核心生产环节发挥重要作用.
然而,尽管我国工业互联网平台发展已经取得了一些可喜的成绩,但是也要清醒地看到,工业互联网平台的发展刚刚起步,其建设与应用中仍然面临诸多问题和挑战.从全球来看,虽然众多国际巨头纷纷布局,平台数量和产业规模扩张很快,但大部分平台的业务模型、技术能力、商业模式、生态组织等还在探索中,从功能到形态还有很大的创新与拓展空间,平台建设方法与应用效果还不存在成熟的参考路径和评价方法.从我国来看,由于部分产业基础薄弱、应用场景复杂、生态构建能力不足等原因,大部分企业在开展工业互联网平台建设及应用推广过程中都面临着设备连接难、数据分析难、系统集成难、应用开发难、效益测算难、部署实施难等各种困难和挑战.具体而言,根据工业互联网产业联盟和中国信息通信研究院的调研测试发现,当前平台建设与推广中所面临的问题主要表现在数据采集、工业PaaS和工业SaaS 三个方面.
（1）数据采集方面.一是平台连接设备数量明显不足,导致汇聚工业数据的能力欠缺,制约了工业大数据建模分析和工业APP 的开发；二是协议转换能力较弱,导致大部分平台连接的设备种类较少,限制了平台跨行业服务能力的构建；三是边缘计算能力有待提高,边缘计算功能种类和部署节点数量较少,还未形成能够满足复杂工业场景的边缘数据处理能力.
（2）工业PaaS 方面.一是对海量数据的处理能力较为薄弱,大多数平台还尚未建设基于大数据架构的数据存储与计算能力,无法对海量数据进行高效的管理；二是工业大数据建模分析能力有待加强,目前平台上提供的分析算法、分析工具、工业模型的数量和种类较少,难以支撑用户挖掘海量数据的应用价值；三是应用开发能力不强,大部分平台提供的开发环境、开发框架和开发工具数量和种类不足,还无法支撑各类开发者入驻平台.
（3）工业APP 方面.一是工业APP 服务能力不足,工业APP数量明显偏少,并且应用范围聚焦于少数行业和领域,跨行业跨领域服务能力还需进一步提高；二是开发者运营能力不足,目前仅有少数平台具备开发者社区,并且入驻平台的开发者数量较少,活跃开发者比例较低,多方参与的开发者生态尚未形成.
上述问题的出现不能简单归结为技术能力的欠缺,事实上还有很大一部分原因是企业对于平台应该具备的核心能力和平台发展的重点方向尚未形成清晰共识.
因此,产业界需要一套全面、客观、科学的方法论,形成完善的工业互联网平台评价体系,既能为平台的建设及运营水平评估提供依据,又能够对平台功能及性能的检验提供参考,驱动平台能力水平不断提升,实现高质量发展.
4 工业互联网平台评价体系构建
2018 年7 月发布的《工业互联网平台评价方法》以发展工业互联网平台和打造平台体系为出发点和落脚点,为研究制定可量化、可操作、体系化的平台评价指标提供了重要指导,初步形成了我国工业互联网平台的评价体系.
工业互联网平台评价体系呈现出“一横四纵”的清晰逻辑架构：“一横”是平台基础共性能力要求,“四纵”分别是特定行业、特定领域、特定区域和跨行业跨领域四类平台能力要求.其中,“一横”给出所有平台都应具备的通用能力要求,奠定了平台基础评价体系；而“四纵”则在基础评价体系之上,围绕不同平台各自特点延展出针对性评价内容.
（1）基础共性能力要求方面.从工业互联网平台向下实现工业设备数据连接集成,向上支撑工业数据管理分析,以工业APP 形式为用户提供服务的基本功能出发.一是立足平台是未来工业操作系统这一重大定位,明确平台所应该具备的基础功能.首先聚焦操作系统的调度管理功能,将平台上涉及到的工业设备、工业APP、用户、开发者以及工业数据都抽象成统一的底层资源,并提供配置、搜索、操作、维护等各类管理功能,形成工业设备管理、软件应用管理、用户与开发者管理、数据资源管理四项能力要求.其次从操作系统为用户提供应用服务支撑的角度,提出能够支撑数据存储和处理的存储计算服务要求,能够实现数据建模分析和软件化的应用开发服务要求,并且面向数据、应用安全提出了安全防护服务要求；此外,考虑到平台服务的灵活性以及创新技术在平台中的融合应用,也针对性地提出了平台间调用服务和新技术应用服务要求.二是围绕工业互联网平台边缘层、IaaS 层、平台层、应用层四层功能架构,明确平台所应该具备的技术能力.突出边缘层所关注的设备协议兼容、边缘计算、异构数据融合等技术,IaaS 层所关注的云计算技术,平台层和应用层分别关注的工业大数据分析和工业应用软件开发部署技术,为平台建设提供重要指导.三是面向工业互联网平台的运营和发展,明确平台的投入产出能力要求.平台不仅要建的好,更要用的好,合理的投入、良好的产出以及可控的风险是保障发展生命力的关键,也是推动平台产业可持续、高质量发展的基本要求.
（2）特定行业平台能力要求方面.在基础共性能力基础上,结合我国工业互联网平台在钢铁、航空航天、石油化工、电子信息等重点行业的部署应用情况,总结提炼出面向特定行业的特性要求.一是针对离散行业和流程行业的差异性,细化了行业平台设备接入能力要求,使其更贴合离散行业以台套设备为主、流程行业以工艺流程设备为主的应用现状.二是更加突出行业平台对整个行业水平的提升与带动作用,强调借助行业机理模型、微服务组件、工业APP等软件部署方式,实现工业知识经验的沉淀、转化与复用,打破行业内传统的封闭知识体系,激发创新与发展活力.三是促进行业平台规模化应用效应,对平台在行业内的用户覆盖能力提出要求,保障行业平台健康持续运营,促进以平台为核心的行业应用生态形成.
（3）特定领域平台能力要求方面.在基础共性能力基础上,围绕平台在研发设计、生产制造、运营管理、仓储物流等产品生命周期关键环节中的应用,提出面向特定领域的平台要求.一是从横向集成的角度,要求平台能够对产品生命周期各个环节所涉及到的数据进行全面集成、开发和利用,为实现不同环节乃至全生命周期环节的优化应用奠定基础.二是总结平台成功应用经验,复制推广协同设计、供应链管理、设备预测性维护等关键领域内的优秀应用模式,促进企业生产效率与产品质量的显著提升.
（4）特定区域平台能力要求方面.在基础共性能力基础上,着眼于平台在区域经济中所发挥的牵引带动作用,形成面向特定区域的平台要求.一是强调平台必须在区域中进行落地应用,能够真正服务地方、服务企业,为区域经济发展带来实实在在的效益.二是要求平台能够满足区域产业转型升级共性需求,依托区域产业集聚特色,充分发挥区域资源协同能力,带动区域企业协同发展.三是在区域应用和带动的效果上,需要具备规模推广能力,助力区域平台做大做强,从而更好为区域经济发展提供强力支撑.
（5）跨行业跨领域平台能力要求方面.《国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》提出,“到2020 年,支持建设10 个左右跨行业、跨领域平台,建成一批支撑企业数字化、网络化、智能化转型的企业级平台”.以支撑开展跨行业跨领域平台遴选并打造具备国际竞争力的工业互联网平台为目标,一方面对平台综合能力提出更高要求,突出在行业、领域和区域方面的跨越覆盖能力和数量规模优势,另一方面对平台运营能力和安全能力也更加关注,更加强调平台的生态构建和全面防护,为平台高质量发展提供有力支撑.
5 工业互联网平台评价测试应用实践
依托工业互联网平台评价体系,中国信息通信研究院设计了涵盖设备连接、云基础设施、工业大数据、工业APP、开发者生态运营等八大类关键指标的平台测评方法,探索开发出相关测试系统与工具,现已经和10 余家企业合作开展平台能力试验评测,帮助平台建设企业分析和发现自身优势和劣势,为其下一步建设提升和应用布局提供参考和指导.例如,在与江苏某企业开展的测试合作中,综合专家评估和系统测试结果后,分析了其平台具备较强的数据采集能力、工业大数据支撑环境良好、工业APP功能相对丰富等优点,也指出了边缘计算功能简单、算法模型数量不足、应用开发支持不够全面、开发者生态有待构建等主要问题,为其下一步发展提供了引入边缘智能、丰富算法工具和建设开发者社区等针对性建议.实践证明,相关测试结果均得到了企业的认可与认同,能够有效帮助技术人员进一步加深平台认识,帮助平台决策管理人员凝聚发展共识,有力地支撑和促进了我国平台产业的健康持续高质量发展.
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