工业互联网平台参考架构、核心功能与应用价值研究

李 君 ，邱君降，窦克勤

（国家工业信息安全发展研究中心，北京 100040）

0 引言

当前，全球制造业正从数字化阶段向网络化阶段加速迈进，工业互联网平台成为全球制造业竞争的新焦点。发达国家行业龙头企业均将工业互联网平台作为战略布局的重要方向，并逐步构建自主掌控的平台布局能力，如提供资产性能优化服务的通用电气-Predix、基于云开放式物联网操作系统的西门子-MindSphere等标杆性平台。我国制造业龙头企业、ICT领先企业、互联网主导企业基于各自优势，纷纷加快工业互联网平台布局，如树根互联-根云、海尔-COSMOPlat、航天云网-INDICS、阿里云-ET工业大脑、华为-OceanConnect IoT、东方国信-BIOP、和利时-HiaCloud等。总体来看，我国具备加快建设工业互联网平台的基础和优势，但在技术突破、平台应用水平、行业覆盖范围以及生态构建等方面仍需缩短与国际先进平台之间的差距。

围绕工业互联网平台的参考架构、功能和价值，学术界和产业领域的学者纷纷展开研究，形成了一系列研究成果。如美国工业互联网联盟（IIC）提出了包括边缘层、平台层、企业层的平台系统架构，并提出平台在位置感知、通信范式、计算分配、通用资源管理等方面的功能要求[1]；Jasmin Guth等人聚焦物联网平台，构建包括传感器和执行器、工业设备、网关、物联网集成中间件及应用等通用架构[2]；国家工业信息安全发展研究中心对20余家国内外主流工业互联网平台进行对比分析，阐述平台作用机理和发展路径，并提出我国发展工业互联网平台的对策建议[3-5]；我国工业互联网产业联盟提出了工业互联网平台体系架构，论述了平台在推动企业数字化转型、催生新型产业体系等方面的作用[6]；王喜文通过解析通用电气Predix平台和西门子MindSphere平台的核心功能和运营定位，提出了基于工业互联网平台的“协联网”的制造网络构想[7]；李广乾认为，工业互联网平台是一种新兴制造业生态系统，较传统制造业相比，呈现出具有统一标准、改变分工格局、打造平台化生态等重要特点[8]；王峰从服务对象、主攻方向等视角出发，将工业互联网平台划分为资产优化平台、资源配置平台、通用使能平台等三种类型，并分别论述了各类平台对实体经济的应用价值[9]。

图1 工业互联网平台的基本框架

总体看来，已有研究大多是在分析国内外典型工业互联网平台的基础上，讨论平台架构、功能和应用价值，但平台架构及核心功能尚未形成统一认知，且在建设运营参与主体、开放价值生态等方面存在一定局限性。针对这一问题，本文提出工业互联网平台参考架构，并在此基础上提出平台应具备的核心功能及其在企业数字化转型、社会资源配置、工业知识创新等方面的应用价值。

1 工业互联网平台的参考架构

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求的开放式、专业化服务平台，以工业思维和能力与IT思维和能力的集成、融合、创新为基础，实现工业全要素泛在连接、弹性供给、高效配置，是加速制造业创新体系和发展模式转变的重要引擎。工业互联网平台的基本框架由基础设施层（IaaS）、平台层（PaaS）、应用层（SaaS）三大层级构成，如图1、图2所示。

1.1 基础设施层（IaaS）

基础设施层（IaaS）是工业互联网平台的运行基础，由IT基础设施提供商为平台建设与运营提供虚拟化的计算资源、网络资源、存储资源，为平台层（PaaS）、应用层（SaaS）的功能运行、能力构建及服务供给提供高性能的计算、存储、网络等云基础设施。

图2 工业互联网平台架构及其创新生态

1.2 平台层（PaaS）

平台层（PaaS）是工业互联网平台的核心，由平台建设运营主体、各类微服务组件提供商、边缘解决方案提供商等共同建设，提供应用全生命周期服务环境与工具、微服务发布及调用环境与工具、工业微服务库、IT微服务库、工业大数据管理、开放资源接入与管理等功能，依托组件化的微服务、强大的大数据处理能力、高效的资源接入与管理、开放的开发环境工具，向下接入海量社会开放资源，向上支撑工业APP的开发部署与运行优化，发挥着类似于“操作系统”的重要作用。

1.3 应用层（SaaS）

应用层（SaaS）是工业互联网平台的关键，通过激发全社会力量，依托各类开发者基于平台提供的环境工具、资源与能力，围绕特定应用场景形成一系列工业APP，类型可包括品生命周期管理/经营管控/产业链运营等各类典型场景的通用APP、行业级APP、企业级定制APP等，通过实现业务模型、技术、数据、资源等软件化、模块化、平台化、通用化，加速工业知识复用和创新。各类工业APP的大规模应用将有效促进社会资源的优化配置，加快构建基于平台的开放创新生态。

2 工业互联网平台的核心功能

工业互联网平台应具备分布式IT资源调度与管理，工业资源泛在连接与优化配置，工业大数据管理与挖掘，微服务供给、管理与迭代优化，覆盖工业APP全生命周期的环境与工具服务，以及良性循环创新生态构建等六个方面的核心功能。具体说明如下。

2.1 分布式IT资源调度与管理

工业互联网平台应建立IT软硬件的异构资源池并提供高效的资源调度与管理服务，通过实现IT能力平台化，大幅降低企业信息化建设成本，加速企业数字化进程，推动核心业务向云端迁移，为运营技术（Operational Technology，缩写为OT）和IT的融合和创新应用提供基础支撑。一是应通过购买、租用、共建共享等方式，建设分布式云基础设施（IaaS），通过虚拟化实现计算、存储、网络等IT资源的池化、统一管理。二是应提供IT基础资源调度与管理服务，实现对云基础设施的动态均衡调度，并按用户实际需求提供弹性扩容、多租户资源隔离与按需计费等服务。

2.2 工业资源泛在连接与优化配置

工业互联网平台应全面推动“人机物法环”等工业资源的数据化、模型化，通过制造能力的平台化支撑全社会制造资源的动态配置。一是应通过在边缘侧部署边缘处理解决方案，接入并广泛汇聚异布的专业技术人员技能、设备设施、产品及原材料、工控系统、业务系统等各类工业资源。二是应将物理世界的资源要素在信息空间进行全要素重建，形成工业资源的数字孪生。三是应可将数据化、模型化的工业资源进行加工、组合、优化，形成模块化的制造能力，并通过对工业资源基础管理、动态调度、优化配置等服务，促进制造能力的在线交易、动态配置、共享利用。工业资源的连接与调用过程如图3所示。

图3 基于平台的工业资源连接与优化配置

2.3 工业大数据管理与挖掘

工业互联网平台应具备海量工业数据汇聚共享、价值挖掘能力，以数据为驱动加速构建工业知识体系。一是应提供海量、多源、异构工业大数据的转换、清洗、分级存储、分析挖掘、可视化处理等功能，支撑海量数据的汇聚利用和核心价值挖掘。二是应通过人机智能融合支持各参与主体快速将工业与IT技术、知识、经验、方法快速封装为微服务及微组件，并基于平台进行发布、调用运行、持续优化，实现各参与主体知识的复用、传播、提升，形成基于数据驱动、持续迭代的工业知识体系。基于工业大数据管理构建微服务及微组件的过程如图4所示。

图4 基于工业大数据管理的微服务及微组件构建

2.4 微服务供给、管理与迭代优化

工业互联网平台应提供微服务的供给、管理与迭代优化功能，一是支持各类微服务组件提供商，围绕“人机物法环”等方面，快速构建人员技能、设备/产品、生产资源、标准业务、工业环境等一系列高度解耦、可复用的工业微服务及微组件，以及数据库、通用算法、中间件等方面的IT微服务及微组件。二是应支持平台建设运营主体对各类微服务及微组件进行认证、注销等基础管理，并结合工业APP的运行需求实现微服务及微组件的快速发现、编排与调用。三是支持各类微服务组件提供商结合工业微服务及微组件、IT微服务及微组件的使用情况，对其进行持续迭代优化。基于平台进行微服务发布与迭代优化的过程如图5所示。

图5 基于平台的微服务发布调用与迭代优化

2.5 覆盖工业APP全生命周期的环境与工具服务

工业互联网平台应构建开发者社区，汇聚工业、IT、通信等领域的各类开发者，并提供覆盖工业APP全生命周期的环境与工具服务，支持各类工业APP的开发、测试验证、部署与运行优化，为企业转型升级提供可用好用的工业APP。具体而言，平台一方面应提供方便易用的工业APP开发、测试验证、仿真、部署等应用开发与部署环境与工具，充分赋能各类开发者，快速将其掌握的工业技术、经验、知识和最佳实践进行模型化、软件化和再封装，形成一系列实用性强的工业APP。另一方面，应提供工业APP运行与优化环境与工具，实现工业APP的运行与调度，并结合应用情况对工业APP进行迭代优化。工业APP开发与运行优化过程如图6所示。

2.6 良性循环创新生态构建

图6 基于平台的工业APP全生命周期管理

除了以上五项核心功能，工业互联网平台应具备创新生态构建能力，通过优势互补、强强联合、跨界合作，打通技术和专业壁垒，共享数据资源，形成新型制造业创新生态。具体而言，应以平台建设运营商为主导，通过建立一套实现资源共享、动态协作的价值分享机制，广泛汇聚IT基础设施提供商、微服务组件提供商、边缘解决方案提供商、工业资源拥有方、数据资源拥有方、工业APP开发者、工业APP用户等，形成需求与供给高效精准匹配、应用与服务持续迭代、多方共生共赢的良性发展生态，如图7所示。

图7 工业互联网平台的创新生态

3 工业互联网平台应用价值

工业互联网平台在充分发挥其核心功能的基础上，可为降低企业信息化成本、优化全社会资源配置、加速工业知识创新等提供有利契机。

通过IT资源的池化管理与弹性分配，降低企业信息化成本。工业互联网平台提供分布式IT资源及其调度管理服务，通过对IT资源进行池化管理，构建灵活简便的资源域，满足对资源的分级分域调度，从而实现资源的集约化管理与使用，有效契合企业的信息化需求，极大降低其软硬件投入成本及信息化进入门槛，推动企业信息化水平快速提升。

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通过制造能力的在线交易和按需匹配，优化社会资源配置。工业互联网平台通过广泛连接工业资源、构建资源的数字孪生、形成模块化的制造能力、促进制造能力的供需对接，带来全社会资源的网络化动态配置，引导企业、行业、区域间制造能力互补，形成制造能力社会化共享的良好格局。

通过模块化的方法工具和开放的价值生态，加速工业知识创新。工业互联网平台通过创新商业模式赋能平台各参与方，提升各类创新主体理解、掌握和运用各类工业知识的能力，大幅降低创新门槛和创新成本，让海量用户企业、开发者成为工业知识创造的主体，推动工业知识加速创新、快速迭代，并推动工业知识在实践中的深度应用。

4 结束语

我国拥有完备的工业体系、创新引领的互联网生态、庞大的专业人才队伍、超大规模的应用市场需求，具备加快建设工业互联网平台的基础和优势。本文提出工业互联网平台参考架构，明确平台应具备的核心功能及应用价值，将为引导我国工业互联网平台的建设与发展，促进工业经济向数据驱动型创新体系和发展模式转变提供有益借鉴。

[1]Industrial internet consortium working committees. The industrial internet of things volume G1:reference architecture[DB/OL].http://www.iiconsortium.org/IIC_PUB_G1_V1.80_2017-01-31.pdf, 2017-01-31.

[2]Guth J,Breitenbücher U, Falkenthal M, et al. A detailed analysis of IoT platform architectures:concepts, similarities, and differences[M].Internet of everything.Springer,Singapore,2018:81-101.

[3]国家工业信息安全发展研究中心.国内外工业互联网平台对比分析研究[DB/OL]. http://www.cspiii.com/sx/rdxw /2017-11-01-4420.html, 2017-11-01.

[4]国家工业信息安全发展研究中心.关于工业互联网平台作用机理和发展路径的思考[DB/OL].http://www.sohu.com/a/220270870_286727

[5]国家工业信息安全发展研究中心. 以开放价值生态替代封闭技术生态,实现换道超车—关于我国发展工业互联网平台的若干建议[DB/OL]. http://www.sohu.com/a /204162909_286727.

[6]工业互联网产业联盟.工业互联网平台白皮书（2017）[DB/OL]. http://www.aii-alliance.org/ index.php? m=content &c=index&a=show&catid=23&id=186, 2017-12-01.

[7]王喜文.工业互联网平台实现协同制造[J].中国信息化,2017(5):14-17.

[8]李广乾.工业互联网平台,制造业下一个主攻方向[J].中国信息化,2016(2016:12):11-14.

[9]王峰.工业互联网平台分类研究[J].电信技术,2017(10):8-11.