工业互联网概念和模型分析（上）【鹏越·工控安全(183)】

关键词: 工业互联网; 参考体系结构; 互联网; 物联网

工业互联网在近两年逐步成为国际工业界关注的热点问题，作为引领工业互联网技术研究和开发的工业互联网联盟 ( http:∥www.iiconsortium.org /) ，已经从2014年3月成立时的5 家国际著名企业［1］，发展到2015 年9 月的、由来自24个国家的200 多家企业、研究机构等成员机构组成的国际性技术联盟［2］。

为何有这么多国家的公司和研究机构如此关注于工业互联网? 工业互联网究竟具有哪些诱人的发展前景值得我们的关注? 工业互联网与现有互联网、物联网、工业物联网技术有何本质区别? 工业互联网发展现状如何? 还有哪些值得学术界研究的理论问题? 为了回答这些问题，需要先查阅国内外权威的百科全书网站对于这些问题的回答。

百度百科( http:∥baike.baidu. com /) 采用的“工业互联网” 定义是: “工业互联网( Industrial Internet) ———开放、全球化的网络，将人、数据和机器连接起来，属于泛互联网的目录分类，” 以及“工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果。它通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业，激发生产力，让世界更美好、更快速、更安全、更清洁且更经济。”

在百度百科给出的工业互联网的定义中，并没有提到工业互联网联盟( IIC) ，以及相关的定义和目标。从中可以推断出，国内关注于百度百科的相关研究人员对于工业互联网的认识较为宽泛，没有涉及到工业互联网的主要目标和核心技术，没有明确工业互联网与现有互联网的本质区别。百度百科有关工业互联网的网页，没有注明更新的日期，所以，无法确定这些定义和说明给出的具体时间。

维基百科(https:∥en．wikipedia． org/wiki /) 采用“Industrial Internet” 定义的中文含义是: 工业互联网表示复杂物理机械与联网传感器和软件的集成。

工业互联网把机器学习、大数据、物联网、机器与机器通信、信息网络系统等领域综合在一起，从机器获取数据、分析数据(通常是实时)、用以调整操作。维基百科提到了2014 年3 月27 日由美国电报电话公司( AT＆T) 、思科( Cisco) 、通用电气( GE) 、国际商用机器( IBM) 和英特尔(Intel)5 家企业发起了工业互联网联盟 ( Industrial Internet Consortium，IIC) ，该联盟试图将多国的企业、学术界、政府聚集起来，共同推动工业互联网技术的开发、接纳以及广泛的使用。

这个更新于2015年9月11日的维基百科的工业互联网页面，仅仅将一份2015年初发表的有关应用于工业4．0的信息物理系统的体系结构作为工业互联网的体系结构，该体系结构既不同于IIC于2014年7月发布的最初工业互联网体系结构框架［1］，也不同于IIC于2015年6月正式发布的第一份技术报告中提出的工业互联网参考体系结构［3］。

这从一个侧面说明了工业互联网的相关定义和技术架构尚没有在国际范围内得到充分的学术研究。维基百科提到，“Industrial Internet” 这个术语在15 年前曾经出现过，但这仅仅是一种词汇上的巧合。我们认可这个判断，因为当时的报告摘要并没有具体涉及到本文讨论的工业互联网的任何内容，所以不能盲目地认为15 年前就有了现在的工业互联网的想法或概念。

从以上百度百科和维基百科发布的“工业互联网” 条目，我们可以相信: 工业互联网是这两年才提出的概念，工业互联网技术是与工业互联网联盟( IIC) 密切相关; 工业互联网的权威技术报告应该是经过IIC 讨论并且公开发表的技术报告。根据IIC发布的工程技术方面工作的进展报告［4］，IIC在工程技术方面的工作有3 个目标: 构建工业互联网产品、过程、服务创新的测试床，制定开放体系结构以及安全和隐私保护框架，形成具有技术超前创新、最佳实践能力的IIC生态系统，以此推动工业互联网的技术创新。

Elsevier 是世界著名的出版商，出版的期刊是国际公认的高水平学术期刊。ScienceDirect 是Elsevier 公司的核心产品，产品收录了近2 000 多种高质量的学术期刊，其中计算机网络和电信领域最为权威的期刊之一，ComputerNetworks，就包括在该产品中。Science Direct中80%以上的期刊被SCI、EI等国际知名检索刊物收录。我们在2015年8月底，以Industrial Internet作为关键词，查询了http:∥www．sciencedirect．com/science/search，没有找到一篇以该关键词作为标题发表的论文。由此可以看出，工业互联网目前仅仅是工业互联网协会(IIC)提出的一个概念，并没有在学术界得到较为系统地研究。

按照IIC 给出的定义［3］，工业互联网是“一种物品、机器、计算机和人的互联网，它利用先进的数据分析法，辅助提供智能工业操作，改变商业产出。它包括了全球工业生态系统、先进计算和制造、普适感知、泛在网络连接的融合。”

需要说明的是:定义中的“互联网” 对应的英文是“internet” ，表示采用目前因特网( Internet) 技术构成的、相互连接的网络，而Internet 则是联通全球的因特网专有的名称，所以，这里的“互联网” 与“Internet of Things” ( 物联网) 中的“Internet” 是不同的含义。物联网直接的中文译名应该是“物品因特网” ，当然，现在公认的物联网同样包括人与人、人与物的互联。所以，工业互联网并不属于“因特网” 这类全球的信息基础实施，而是属于应用于工业领域的特殊的互联网技术，或者可以说至少目前还没有成为Internet的一部分，融入因特网。但是，物联网技术标准应该充分考虑工业互联网需求，并且能够支持工业互联网的技术，通过未来的全球信息基础设施，支持工业互联网的组网与应用。

另外，工业互联网作为一种用于连接物品、机器、计算机和人的联网技术，需要依赖于数据分析方法辅助提供智能操作，这样，在工业互联网技术体系中需要包括普适感知和泛在网络连接这类物联网中的特征技术，同时，这些物联网的特征技术又必须支撑工业互联网的特殊需求。

由于工业互联网强调了数据分析技术和大数据技术［5］，并且融合了工业生态系统，由此可以推断:工业互联网包括了网络应用技术，并且是可以构成全球工业生态系统的技术体系。

IIC 给出的工业互联网定义存在需要进一步澄清的问题，包括: 如何区别“物品” 与“机器”、“计算机” 和“人”。在物联网的定义中，物品包括了机器、计算机和人，并且“人” 是物联网的核心。这就需要IIC 进一步细化有关“物品”、“机器”、“计算机” 和“人” 的定义。

根据IIC 的技术报告［3］，工业互联网系统( IIS)将展示3 个基本的端到端特性: 物理安全、信息安全、系统自愈。考虑到IIS 是大规模异构的系统，并且采用多个厂商生产的部件构成，这些部件通常广泛部署、不断更新，定义、测量、确保和维护IIS 的特性在技术上具有很大挑战，所以，优先考虑IIS 这3个基本特性。我们认为，这3个系统特性不仅是鉴别工业互联网系统的主要依据，也是鉴别工业互联网技术的主要依据。

物理安全( safety)表示不会导致不可接受的安全风险的系统操作条件，这些安全风险包括对人们健康造成直接的实际损伤或伤害，或者对于财产或环境的破坏而对人们造成的间接伤害［3］。这种物理安全特性有时也称为系统的可靠性。

信息安全( security) 表示不允许非预期地、非授权地对工业互联网系统或数据的访问、改变或销毁的系统操作条件［3］。这种信息安全特性有时也称为系统的可信性。

系统自愈( resilience) 表示能够避免、缓解以及管理动态负面条件，同时完成指派的任务; 并且能够在事故之后重构操作能力的系统条件［3］。这种系统特性有时也称为稳定性。

IIC在技术报告中给出了这些系统特性在工业互联网系统中提供的4 种方式［3］: 通过系统功能部件和这些部件之间的交互，通过这些功能部件的创建和系统组装的工程化过程，通过系统使用和维护的方式，通过在这些功能部件及其组装后的系统生命期内的监测和审核。这些方式都可以表示为工业互联网的功能、实现、部署方面的能力，体现在工业互联网的技术体系中。每个工业互联网系统对于这3 个系统特性的要求以及要求的等级可能存在不同，这是由商业应用场景、商业价值决定的，由法规和合同限定的，或者是对于某个特定类型系统的习惯性的约定。为了在工业互联网系统演进过程中维护这些系统特性，应该在这些系统的生命期内连续跟踪和审核这些系统特性。

IIC 发布的第一个工业互联网的技术报告还是重点强调信息安全［3］，也就是网络空间安全的技术问题。这是属于信息和通信技术领域的安全问题，也是迄今尚未完全解决的技术难题。因此从这个角度可以看出，IIC 有关工业互联网技术的研究还是不完整的，尚没有提出一个覆盖这3 个基本系统特性的完整的工业互联网技术体系。

工业互联网技术的提出与工业互联网联盟的成立是密切相关的; 而工业互联网联盟的成立又与当前的制造业、医疗业、交通业、能源领域、公共事业领域的信息和通信技术的发展相关。2014 年初，总部设在美国的电气和电子工程师协会( IEEE) 的标准化学会设立了物联网技术标准项目，欧洲经过5 年多的物联网技术研究和开发，也开始着手进行物联网技术标准化工作。但由于物联网中“物” 的含义太宽泛，使得物联网应用需求、物联网技术体系、物联网应用实践呈现出很大程度的多样性和差异化，使得物联网技术标准的制定面临很多的障碍。而面对这类涉及到多个应用领域的、多样性和差异化较为突出的技术，国际标准机构通常的做法是制定较为宽泛的、使得所有应用领域都能够采纳的通用技术标准。目前ITU 正在制定的物联网技术标准就是采用这样的方法［6］，例如物联网的通用需求［7］。

这类宽泛的技术标准，虽然可以消除不同应用领域技术的多样性和差异化而引起的需求和技术体系的冲突，但无法直接指导具体应用领域的产品开发。从产品制造商的角度看，还是期望能够制定直接用于产品设计和生产的技术标准，而产品制造商联盟通常可以根据特定产品的技术需求，制定有针对的技术标准，直接应用于产品的设计和生产，同时也可以限制非联盟之外的产品的互连、互通、互操作能力，取得较好的市场收益。例如，开放对象管理(OMG) 最初就是产品生产厂家的联盟。

主要由生产厂商成员单位构成的工业互联网联盟，就是一个为了制定可以直接应用于相关产品制造商的产品设计和开发的，连接物品、分析物品数据、优化产品生产和应用的技术标准的一个联盟，其目的就是推动信息和通信技术在工业领域的深入应用。

由此我们就不难理解为何IIC 将工业互联网的特征仅仅限定在以下3 个方面: 物理安全、信息安全和系统自愈。因为这3 个特性都是当前的信息和通信技术无法满足大规模工业化生产、无法达到工业产品要求的特性。虽然我们可以容忍我们的网络应用连续运行10 多个小时可能出现一些问题，需要重启相关的网络应用或重启运行网络应用的计算机系统，但我们无法容忍连续飞行10 多个小时就出现问题的飞机。工业界对于安全性和自愈性具有十分严格的要求，这是现在的信息和通信技术无法达到的。所以，基于物理安全、信息安全和系统自愈特征的工业互联网技术是具有很重要的研究和开发价值的。

我们不能简单地将工业互联网理解为“互联网+工业” 或者“工业+互联网” ，这是因为“互联网+工业” 仅仅意味着将互联网应用于工业领域，而工业领域包括“产、供、销” 等多个方面，将互联网应用于工业领域的物流管理和仓储管理就是属于“互联网+ 工业” ，但这并不具有工业互联网的技术特征，应该不属于工业互联网技术的研究领域。

由基于以上工业互联网的技术特征可知，工业互联网也不同于工业物联网，工业物联网主要是指物联网在工业领域的应用［8］，文献［8］罗列了五类物联网在工业领域的应用: 卫生医疗服务产业、食品供应链产业、安全采矿生产领域、运输和后勤产业以及消防领域，其中，食品供应链产业、运输和后勤产业的物联网应用并不需要严格意义上的物理安全、信息安全和系统自愈这3 个特性; 但卫生医疗服务产业、消防领域属于工业互联网技术适用的范畴。

所以，虽然工业互联网技术领域与工业物联网技术领域存在某些重叠，但工业互联网在核心技术、研究目标方面不同于工业物联网。

同样，也不能因为工业互联网技术中包括了数据分析和处理技术，就将现有的数据分析和处理技术都冠以“工业互联网” 的数据分析和处理技术。

作为面向工业互联网的数据分析和处理技术，必须支持工业互联网技术的物理安全、信息安全和系统自愈的3 个特性，所有进行分析和处理的数据必须明确是从真实的数据源采集到的、没有经过有意或无意更改的数据; 所有的数据分析和处理过程必须是可信的，并且具有分析和处理过程的自主发现错误、更正错误的能力。

工业互联网技术的研究和开发就是为了构建工业互联网系统。为了理解工业互联网的目标和范畴，必须理解工业互联网系统的含义。

IIC 给出的工业互联网系统的定义如下［3］: “工业互联网将把工业控制系统在线连接，构成多个巨大的、端到端的、与人连接的系统，并且完全地与企业系统、商业过程以及分析方案集成。这些端到端的系统称为工业互联网系统，英文缩写为IIS。” 系统如图1 所示。

IIC 进一步给出了IIS 的能力描述［3］: “在这些工业互联网系统中，面向操作的传感器数据、操作员与这些系统的交互数据可以与机构信息或公共信息结合，用于高级分析或其他高级数据处理，例如用于基于规则的策略和决策系统的分析和处理。这些分析和处理的结果将反过来促进决策优化、操作优化以及在巨大数量的、不断增加自治性的控制系统之间协同优化的能力提升。”

从以上IIC 给出的工业互联网系统的定义以及相关能力描述可以看出，工业互联网的目标是将工业界大规模部署和使用的、具有自治能力的工业控制系统在线连接起来，并且与现有的企业管理、研发和决策系统集成，形成多个可以优化决策、优化操作、优化巨大数量的自治控制系统协同的工业互联网系统。

这个工业互联网系统已经不再是现有意义上的“互联网系统”或“互联网应用系统”，而是工业控制系统与企业管理和决策系统融合的现代工业系统，并且可以形成全球产能合作和共享的工业生态系统。

为了进一步明确工业互联网的目标，IIC 的技术报告明确了工业互联网系统的范围，明确提出工业互联网系统覆盖能源、卫生医疗、制造、公共服务、交通以及相关工业系统。并且明确提出许多工业互联网系统都是关键任务环节，要求高标准的信息安全、物理安全和系统自愈，并且明确指出工业互联网系统不同于消费者和商业行业的系统。当然，工业互联网系统研究和开发的技术是可以应用于其他互联网应用系统的。

我们认为，工业互联网与现有互联网的根本区别在于: 工业互联网涉及到的应用都是没有人工直接介入的应用，如果传统工业系统没有人工介入就无法及时发现可能的安全隐患，也无法及时发现故障和恢复故障，因此工业互联网系统需要具有系统自愈的能力。虽然可以强调工业领域都是属于任务关键领域，而金融领域也是属于任务关键领域，但金融领域并不在IIC 划定的工业互联网范畴内。所以，工业互联网的主要特征之一是支持没有人工介入的操作，这也是物联网具有的特征之一［9］。

在国家层面，这种工业互联网系统可以减少新产品的开发周期，降低产品的库存，实现基于订单的生产模式，并且能够基于市场需求优化国家层面的工业产能配置，形成国家层面的工业生态系统，最大限度地降低能耗( 注: 工业操作的优化将降低能耗，使得工业化生产具有竞争力，借助于工业互联网系统，能够容易地加入工业生态系统中) ，降低物流成本( 在距离产品销售地最近的区域生产，可以减少不必要的物流成本) ，提升国家的整体工业实力和创新活力; 在国际层面，这种工业互联网系统可以基于国际市场需求优化国际层面的工业产能配置，形成全球工业生态系统，降低全球的能耗和物流成本，促进工业的全球化、市场的全球化，真正促进全球经济的可持续发展。

由此可以看出，工业互联网技术的研究和开发是真正可以促进国家和全球实体经济健康、可持续发展的核心技术，与只是利用现有的互联网技术买卖商品、提供服务等现有的互联网技术应用相比，工业互联网技术的研究和开发对国家实力的提升、对全球经济的发展更加深刻和有效。所以，工业互联网技术值得各国政府的关注，值得国际学术界和工业界的关注。

当然，工业互联网系统目前还是一张美好的蓝图，要实现这个美好的蓝图，还需要学术界和工业界进行艰苦而复杂的技术研究和开发。如何才能进行有效的工业互联网技术的研究和开发? 这需要分析和梳理工业互联网的技术体系以及面临的理论难题。（未完待续）

（转自：南京邮电大学学报）

参考文献:［1］IndustrialInternet Consortium．Engineering: Thefirst steps［EB/OL］．［2014-07-31］．http:∥www． iiconsortium． org/pdf/IIC_First_Steps_2014． pdf．［2］IndustrialInternet Consortium．Engineering: One-pageover view［EB/OL］．［2015-09-30］．http:∥www． iiconsortium．org/pdf/IIC_Overview_9_1_2015． pdf．［3］IndustrialInternet Consortium．The Industrial Internet reference architecture technical document［EB/OL］．［2015-06-30］．http: ∥www．iiconsortium．org/white-papers．htm．［4］IndustrialInternet Consortium．Engineering: Engineeringupdate［EB/OL］．［2015-09-20］． http: ∥www． iiconsortium． org/pdf/IIC_Engineering_Update_November_2014． pdf．［5］GeneralElectric ( GE) andAccenture．Industrial Internet insights report for 2015［EB/OL］．［2015-10-18］．http:∥www．ge．com/digital/sites/default/files/industrial-internet insights-report．pdf．［6］沈苏彬，杨震．物联网体系结构及其标准化［J］．南京邮电大学学报: 自然科学版，2015，35( 1) : 1 －18．SHEN Subin，YANG Zhen． Architecture of Internet of Things and its standardization［J］．Journal of Nanjing University ofPosts and Telecommunications: Natural Science Edition，2015，35( 1) : 1 －18．( inChinese)［7］ITU-T． Recommendation Y． 2066 Common requirements oftheInternet of Things［S］．2014．［8］LIDaxu，WU He，LIShancang． Internetof Things in industries: A survey［J］． IEEE Transactions on Industrial Informatics，2014，10( 4) : 2233 －2243．［9］ITU-T．Ｒecommendation Y．2060 Overview of the Internet of Things［S］． 2012．

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