工业互联网基础 课件 1.3 工业互联网体系架构

第一章工业互联网概述《工业互联网基础》/工业互联网系列课程1.3工业互联网体系架构>>《工业互联网基础》目录美国工业互联网参考架构02中国工业互联网参考架构01德国工业4.0参考架构03《工业互联网基础》/工业互联网系列课程中国工业互联网参考架构我国为推进工业互联网发展，中国工业互联网产业联盟于2016年8月发布了《工业互联网体系架构（版本1.0）》（以下简称“体系架构1.0”）。体系架构1.0提出工业互联网网络、数据、安全三大体系。基于三大体系，工业互联网重点构建三大优化闭环，即面向机器设备运行优化的闭环，面向生产运营决策优化的闭环，以及面向企业协同、用户交互与产品服务优化的全产业链、全价值链的闭环，并进一步形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等四大应用模式。如图1.1所示。图1.1 工业互联网体系架构1.0中国工业互联网参考架构工业互联网体系架构2.0是在1.0版本基础上的完善和升级，包括业务视图、功能架构、实施框架三大板块，该架构设计思路是以商业目标和业务需求为牵引，进而明确系统功能定义与实施部署方式，自上向下层层细化和深入。如图1.2所示。图1.2 工业互联网体系架构2.0中国工业互联网参考架构业务视图明确了企业应用工业互联网实现数字化转型的目标、方向、业务场景及相应的数字化能力。业务视图主要用于指导企业在商业层面明确工业互联网的定位和作用，提出的业务需求和数字化能力需求对于功能架构设计是重要指引。图1.3 工业互联网体系架构—业务视图1.业务视图中国工业互联网参考架构功能架构明确企业支撑业务实现所需的核心功能、基本原理和关键要素。功能架构主要用于指导企业构建工业互联网的支撑能力与核心功能，并为工业互联网实施框架的制定提供参考。图1.4 工业互联网体系架构—功能架构（来源关于互联网产业联盟）

2.功能架构中国工业互联网参考架构实施框架描述各项功能在企业落地实施的层级结构、软硬件系统和部署方式。实施框架主要为企业提供工业互联网具体落地的统筹规划与建设方案，进一步可用于指导技术选型与系统搭建。图1.5 工业互联网体系架构—实施框架（来源关于互联网产业联盟）3.实施框架目录美国工业互联网参考架构02中国工业互联网参考架构01德国工业4.0参考架构03《工业互联网基础》/工业互联网系列课程美国工业互联网参考架构美国工业互联网联盟（IndustrialInternetConsortium,IIC）于2019年6月19日发布了最新版本为v1.9版的工业互联网参考架构（IndustrialInternetReferenceArchitecture，IIRA），为指导企业开发部署工业互联网解决方案的指导框架。美国工业互联网参考架构注重跨行业的通用性和互操作性，提供一套方法论和模型，以业务价值推动系统的设计，把数据分析作为核心，驱动工业互联网系统从设备到业务信息系统的端到端的全面优化。美国工业互联网参考架构包括商业视角、使用视角、功能视角和实现视角4个层级。如图1.6所示。图1.6 美国工业互联网参考架构美国工业互联网参考架构从商业视角来看，在企业中建立工业互联网系统之后，利益相关者的企业愿景、价值观和企业目标被更多聚焦。它进一步明确了工业互联网系统如何通过映射基本的系统功能去达到既定目标。图1.7 一个愿景和价值驱动模型（来源于AI城市智库）1.商业视角美国工业互联网参考架构使用视角指出系统预期使用的一些问题，它主要涉及的目标包含最终实现系统功能的人或用户。这些问题通常牵涉到系统工程师、产品经理和其他利益相关者，包括参与到工业互联网系统规范制定和代表最终使用用户的人。图1.8 角色，参与方，活动与任务（来源于AI城市智库）2.使用视角美国工业互联网参考架构功能视角聚焦工业互联网系统里的功能元件，包括他们的相互关系、结构、相互之间接口与交互，以及与外部环境的相互作用，来支撑整个系统的使用活动。该视角确定了商业、运营、信息、应用和控制五大功能领域，对系统组件建筑师、开发商和集成商有强大的吸引力。图1.9 功能域，跨部门和系统特性（来源于AI城市智库）3.功能视角美国工业互联网参考架构实现视角主要关注功能部件之间通信方案与生命周期所需要的技术问题。这些功能部件通过活动来实现协调并支持系统能力。此视角所关注的问题与系统组件工程师、开发商、集成商和系统运营商有密切联系。图1.10 工业互联网参考架构4.实现视角目录美国工业互联网参考架构02中国工业互联网参考架构01德国工业4.0参考架构03《工业互联网基础》/工业互联网系列课程德国工业4.0参考架构2015年4月，德国电工电子与信息技术标准化委员会发布了“工业4.0参考架构”（ReferenceArchitectureModelIndustry4.0，RAMI4.0），并对工业4.0进行了多角度描述。工业4.0参考架构模型，深度聚焦于制造过程和价值链的生命周期，为其建立了一个比较完整的三维模型。这个模型对在制造环境里不同环节单元的功能的分析、它们之间的互操作性的需求的辨认，以及对相应的标准制定和采用，都十分有价值。图1.11德国工业4.0参考架构德国工业4.0参考架构工业4.0参考架构模型以一个三维模型展示了工业4.0涉及的所有关键要素。如图1.11所示，RAMI4.0模型的第一个维度(垂直轴)是信息物理系统的核心功能，借用了信息和通信技术常用的分层概念。各层实现相对独立的功能，同时下层为上层提供接口，上层使用下层的服务。从下到上各层代表的主要功能为：图1.11德国工业4.0参考架构德国工业4.0参考架构资产层是机器、设备、零部件及人等生产环节的每个单元；集成层是传感器和控制实体等；通信层是专业的网络架构等；信息层是对数据的处理与分析过程；功能层是企业运营管理的集成化平台；商业层是各类商业模式、业务流程、任务下发等，体现了制造企业的各类业务活动。如图1.12所示。图1.12工业4.0模型功能层级划分及作用1.工业4.0模型功能层级划分及作用德国工业4.0参考架构第二个维度(左侧水平轴)描述的是全生命周期及其相关价值链。即以产品全生命周期视角出发，描述了以零部件、机器和工厂为典型代表的工业要素从虚拟原型到实物的全过程。具体体现为三个方面：一是基于IEC62890标准，将其划分为模拟原型和实物制造两个阶段。二是突出零部件、机器和工厂等各类工业生产部分都要有虚拟和现实两个过程，体现了全要素“数字孪生”特征。三是在价值链构建过程中，工业生产要素之间依托数字系统紧密联系，实现工业生产环节的末端链接。我们以机器设备为例，虚拟阶段就是一个数字模型的建立包含了建模与仿真。在实物阶段主要就是实现最终的末端制造。图1.13产品生命周期2.全生命周期及其相关价值链德国工业4.0参考架构第三个维度(右侧水平轴)是在IEC62264企业系统层级架构的标准基础之上（该标准是基于普度大学的