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干貨!一文詳解工業(yè)互聯網及中國未來
近期，工信部、財政部等部委密集出臺《工業(yè)互聯網發(fā)展行動計劃(2018-2020年)》《工業(yè)互聯網專項工作組2018年工作計劃》《2018年工業(yè)轉型升級資金工作指南》等多項旨在推進工業(yè)互聯網發(fā)展的產業(yè)支持政策，引發(fā)市場廣泛關注。
業(yè)內普遍認為，隨著工業(yè)互聯網上升為我國“制造強國”的國家戰(zhàn)略高度，以及產業(yè)支持政策的不斷落地，工業(yè)互聯網將進入快速發(fā)展期。
在此，筆者需要指出的是，雖然工業(yè)互聯網發(fā)展將為中國制造業(yè)“彎道超車”插上翅膀，但究竟能飛多遠，取決于三大工業(yè)互聯網技術標準的支持。
下面，讓我們從什么是工業(yè)互聯網談起，來了解它的前世、今生以及未來。
什么是工業(yè)互聯網?
關于工業(yè)互聯網的表述有很多，通用的官方定義為——
工業(yè)互聯網是鏈接工業(yè)全系統(tǒng)、全產業(yè)鏈、全價值鏈，支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關鍵基礎設施，是新一代信息技術與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應用模式，是互聯網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體。
從本質來看，工業(yè)互聯網的本質是以機器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產品及人之間的網絡互聯為基礎，通過對工業(yè)數據的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現智能控制、運營優(yōu)化等生產組織方式變革。
工業(yè)互聯網在底層邊緣層強調設備的接入。從這個意義上說，工業(yè)互聯網和工業(yè)物聯網的定義更加擬合，可以交換使用。
工業(yè)互聯網與互聯網有何異同?
如圖 1所示，工業(yè)互聯網的架構相比互聯網架構體系，多了一層涉及到傳感器等設備接入的邊緣層，即從概念上多了把物理世界映射到電子世界的過程，對比互聯網，其本質則是完全線上的電子信息的交互與分享。因此，工業(yè)互聯網在接入標準、業(yè)務模式、網絡拓撲、數據特性等方面相比互聯網會有所不同。下面逐一做簡要分析：
1、標準化程度
就互聯網應用來說，HTTP、HTTPS協(xié)議已成為統(tǒng)一應用層接入協(xié)議，借助底層TCP/IP協(xié)議族，用戶使用瀏覽器接入使用互聯網，同時利用DNS標識解析服務，可以有效的做到搜索、定位到指定網站，進而完成信息的獲取。
移動互聯網的發(fā)展，使得手機App形成另一種接入入口，但是其本質依然遵循互聯網網頁應用設計架構MVC原理，行業(yè)標準化程度高。
對比互聯網，工業(yè)互聯網標準碎片化較為突出。首先，對比互聯網本身就是單純的IT網絡，工業(yè)互聯網涉及到IT網絡和OT網絡的融合，自然需要融合多通信協(xié)議和標準。其次，工業(yè)互聯網IP化程度與互聯網不可同日而語，多種應用協(xié)議并存，如MQTT、CoAP、Modbus、PROFIBUS、私有TCP/UDP等，多數邊緣設備無法支持HTTP協(xié)議族，這也是邊緣設備計算能力差異化的側面反映。最后，工業(yè)互聯網在設備、服務尋址方面沒有類似DNS這樣的統(tǒng)一標識解析服務，解析服務同樣標準碎片化，例如Handle、OID、Ecode等分別由不同組織發(fā)起。
2、業(yè)務模式
互聯網行業(yè)屬于輕資產行業(yè)，而工業(yè)互聯網涉及到設備投入，即涉及固定資產和庫存管理，屬于重資產。
相比互聯網技術平均每隔3年迭代一次的高頻率更新換代，工業(yè)互聯網技術迭代需要同時發(fā)生在邊端設備和服務器兩端，涉及到的不僅是上層應用軟件方面的升級，還涉及到固件甚至是硬件方面的升級，在技術換代成本和安全穩(wěn)定性上是雙高門檻，很多企業(yè)不得不在技術先進性上妥協(xié)。
也正因為技術換代的高成本、高風險，企業(yè)在工業(yè)互聯網技術前期預研和選型上更為慎重，畢竟相比互聯網技術，工業(yè)互聯網(IIOT)的設計周期普遍較長。
3、網絡拓撲和系統(tǒng)構成
傳統(tǒng)互聯網由于采用建立在TCP/IP上的HTTP通信機制，使用B/S或C/S模式，對網絡拓撲的敏感性和依賴性較低，其通信轉換大多為端口轉發(fā)，基本不涉及協(xié)議轉換。
工業(yè)互聯網基于網關的多協(xié)議轉換正獲得普遍應用，例如GE推出的數據采集轉換模塊Predix Machine。由于系統(tǒng)上下層通信依賴網關，因此工業(yè)互聯網對網絡拓撲較互聯網更敏感。同時，由于眾多設備接入，數據成指數級增長，但是傳輸帶寬卻是有限的，因此邊緣計算節(jié)點在工業(yè)互聯網部署中，相比互聯網更具必要性。
4、數據特性
工業(yè)互聯網與互聯網相比，有著完全不同的數據特性。
數據特性的不同直接導致系統(tǒng)架構設計側重點的不同，這也是為什么互聯網架構不能直接應用于IIOT(工業(yè)互聯網)的原因之一，在此列舉以下幾個例子：
(1)并發(fā)連接。由于IIOT接入并發(fā)居多，這意味著工業(yè)互聯網接入設計需采用異步通信接入。相比Web接入，很多成熟的架構多以同步通信為主。
(2)數據時序性。IIOT接入的數據有著很強的時間順序，數據產生頻率快，測點多，數據量巨大。傳統(tǒng)關系型數據庫無法滿足對時間序列數據的有效存儲與處理，因此需要使用專門的時序性數據庫例如InfluxDB等。
(3)數據關聯性。相比互聯網，IIOT接入的數據維度和類型多而廣。由于是時序數據，對于突發(fā)事件而言，數據間隱含著較強關聯性。這需要系統(tǒng)架構支持數據融合，以便深度挖掘數據間的關聯性，更好的支持上層業(yè)務系統(tǒng)決策。
(4)延時容忍度。工業(yè)互聯網由于涉及OT網絡和實時控制，對系統(tǒng)的延時要求較互聯網要高得多。因此，系統(tǒng)延時往往需要從邊端設備就開始規(guī)劃和設計，例如軟實時操作系統(tǒng)Linux有時不能滿足需求，基于硬實時的RTOS可有效降低邊端設備數據采集的延時不確定性。
了解了上述工業(yè)互聯網與互聯網的差異，再去思考工業(yè)互聯網的未來，或許就能更加深刻地去理解其對工業(yè)制造業(yè)乃至國家發(fā)展的重要意義。
近期，工信部、財政部等部委密集出臺《工業(yè)互聯網發(fā)展行動計劃(2018-2020年)》《工業(yè)互聯網專項工作組2018年工作計劃》《2018年工業(yè)轉型升級資金工作指南》等多項旨在推進工業(yè)互聯網發(fā)展的產業(yè)支持政策，引發(fā)市場廣泛關注。
業(yè)內普遍認為，隨著工業(yè)互聯網上升為我國“制造強國”的國家戰(zhàn)略高度，以及產業(yè)支持政策的不斷落地，工業(yè)互聯網將進入快速發(fā)展期。
在此，筆者需要指出的是，雖然工業(yè)互聯網發(fā)展將為中國制造業(yè)“彎道超車”插上翅膀，但究竟能飛多遠，取決于三大工業(yè)互聯網技術標準的支持。
下面，讓我們從什么是工業(yè)互聯網談起，來了解它的前世、今生以及未來。
什么是工業(yè)互聯網?
關于工業(yè)互聯網的表述有很多，通用的官方定義為——
工業(yè)互聯網是鏈接工業(yè)全系統(tǒng)、全產業(yè)鏈、全價值鏈，支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關鍵基礎設施，是新一代信息技術與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應用模式，是互聯網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體。
從本質來看，工業(yè)互聯網的本質是以機器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產品及人之間的網絡互聯為基礎，通過對工業(yè)數據的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現智能控制、運營優(yōu)化等生產組織方式變革。
工業(yè)互聯網在底層邊緣層強調設備的接入。從這個意義上說，工業(yè)互聯網和工業(yè)物聯網的定義更加擬合，可以交換使用。
工業(yè)互聯網與互聯網有何異同?
如圖 1所示，工業(yè)互聯網的架構相比互聯網架構體系，多了一層涉及到傳感器等設備接入的邊緣層，即從概念上多了把物理世界映射到電子世界的過程，對比互聯網，其本質則是完全線上的電子信息的交互與分享。因此，工業(yè)互聯網在接入標準、業(yè)務模式、網絡拓撲、數據特性等方面相比互聯網會有所不同。下面逐一做簡要分析：
1、標準化程度
就互聯網應用來說，HTTP、HTTPS協(xié)議已成為統(tǒng)一應用層接入協(xié)議，借助底層TCP/IP協(xié)議族，用戶使用瀏覽器接入使用互聯網，同時利用DNS標識解析服務，可以有效的做到搜索、定位到指定網站，進而完成信息的獲取。
移動互聯網的發(fā)展，使得手機App形成另一種接入入口，但是其本質依然遵循互聯網網頁應用設計架構MVC原理，行業(yè)標準化程度高。
對比互聯網，工業(yè)互聯網標準碎片化較為突出。首先，對比互聯網本身就是單純的IT網絡，工業(yè)互聯網涉及到IT網絡和OT網絡的融合，自然需要融合多通信協(xié)議和標準。其次，工業(yè)互聯網IP化程度與互聯網不可同日而語，多種應用協(xié)議并存，如MQTT、CoAP、Modbus、PROFIBUS、私有TCP/UDP等，多數邊緣設備無法支持HTTP協(xié)議族，這也是邊緣設備計算能力差異化的側面反映。最后，工業(yè)互聯網在設備、服務尋址方面沒有類似DNS這樣的統(tǒng)一標識解析服務，解析服務同樣標準碎片化，例如Handle、OID、Ecode等分別由不同組織發(fā)起。
2、業(yè)務模式
互聯網行業(yè)屬于輕資產行業(yè)，而工業(yè)互聯網涉及到設備投入，即涉及固定資產和庫存管理，屬于重資產。
相比互聯網技術平均每隔3年迭代一次的高頻率更新換代，工業(yè)互聯網技術迭代需要同時發(fā)生在邊端設備和服務器兩端，涉及到的不僅是上層應用軟件方面的升級，還涉及到固件甚至是硬件方面的升級，在技術換代成本和安全穩(wěn)定性上是雙高門檻，很多企業(yè)不得不在技術先進性上妥協(xié)。
也正因為技術換代的高成本、高風險，企業(yè)在工業(yè)互聯網技術前期預研和選型上更為慎重，畢竟相比互聯網技術，工業(yè)互聯網(IIOT)的設計周期普遍較長。
3、網絡拓撲和系統(tǒng)構成
傳統(tǒng)互聯網由于采用建立在TCP/IP上的HTTP通信機制，使用B/S或C/S模式，對網絡拓撲的敏感性和依賴性較低，其通信轉換大多為端口轉發(fā)，基本不涉及協(xié)議轉換。
工業(yè)互聯網基于網關的多協(xié)議轉換正獲得普遍應用，例如GE推出的數據采集轉換模塊Predix Machine。由于系統(tǒng)上下層通信依賴網關，因此工業(yè)互聯網對網絡拓撲較互聯網更敏感。同時，由于眾多設備接入，數據成指數級增長，但是傳輸帶寬卻是有限的，因此邊緣計算節(jié)點在工業(yè)互聯網部署中，相比互聯網更具必要性。
4、數據特性
工業(yè)互聯網與互聯網相比，有著完全不同的數據特性。
數據特性的不同直接導致系統(tǒng)架構設計側重點的不同，這也是為什么互聯網架構不能直接應用于IIOT(工業(yè)互聯網)的原因之一，在此列舉以下幾個例子：
(1)并發(fā)連接。由于IIOT接入并發(fā)居多，這意味著工業(yè)互聯網接入設計需采用異步通信接入。相比Web接入，很多成熟的架構多以同步通信為主。
(2)數據時序性。IIOT接入的數據有著很強的時間順序，數據產生頻率快，測點多，數據量巨大。傳統(tǒng)關系型數據庫無法滿足對時間序列數據的有效存儲與處理，因此需要使用專門的時序性數據庫例如InfluxDB等。
(3)數據關聯性。相比互聯網，IIOT接入的數據維度和類型多而廣。由于是時序數據，對于突發(fā)事件而言，數據間隱含著較強關聯性。這需要系統(tǒng)架構支持數據融合，以便深度挖掘數據間的關聯性，更好的支持上層業(yè)務系統(tǒng)決策。
(4)延時容忍度。工業(yè)互聯網由于涉及OT網絡和實時控制，對系統(tǒng)的延時要求較互聯網要高得多。因此，系統(tǒng)延時往往需要從邊端設備就開始規(guī)劃和設計，例如軟實時操作系統(tǒng)Linux有時不能滿足需求，基于硬實時的RTOS可有效降低邊端設備數據采集的延時不確定性。
了解了上述工業(yè)互聯網與互聯網的差異，再去思考工業(yè)互聯網的未來，或許就能更加深刻地去理解其對工業(yè)制造業(yè)乃至國家發(fā)展的重要意義。
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