1.3 工业互联网体系架构2.0
1.3.1 工业互联网体系架构2.0概述
工业互联网体系庞大、涉及领域广泛、技术融合程度高，如果没有较为统一的认识和顶层设计，各界对工业互联网理解的差异将导致技术选择与标准化路线分化，这会大大增加互操作难度与部署成本。为推动产业界形成认识层面的共识，同时也为工业互联网实践提供依据，有必要对工业互联网进行顶层设计。
在技术应用和产业发展层面，在工业和信息化部指导下，工业互联网产业联盟启动了工业互联网体系架构研究，在总结国内外发展实践的基础上，制定了工业互联网体系架构1.0版和2.0版，结合丰富多样化的企业实践和各类新技术的融合应用对工业互联网提出的新需求，形成了指引各领域系统布局与各行业实施部署的建设与应用架构指南，开启工业互联网建设发展的新阶段。为此，工业互联网产业联盟在工业和信息化部的指导下，联合广大成员单位，历经3年时间，在2016年发布的《工业互联网体系架构（版本1.0）》（以下简称“架构1.0”）基础上，研究制定了《工业互联网体系架构（版本2.0）》（以下简称“架构2.0”）。架构2.0于2019年10月份在联盟内发布后，获得业界广泛采纳和应用，有力推动了工业互联网的产业实践和创新发展。架构2.0在继承架构1.0核心理念、要素和功能体系的基础上，从业务、功能和实施三个视图重新定义了工业互联网的参考体系架构，如图1-2所示。并形成了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的设计思路，自上向下层层细化和深入。
图1-2 工业互联网体系架构2.0
1.业务视图
业务视图明确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。
工业互联网的业务需求包括产业层、商业层、应用层和能力层四个层次，如图1-3所示。
图1-3 工业互联网的业务需求
（1）产业层
产业层主要阐释了工业互联网在促进产业发展方面的主要目标、实现路径与支撑基础。从发展目标看，工业互联网通过将自身的创新活力深刻融入各行业、各领域，最终将有力推进工业数字化转型与经济高质量发展。为实现这一目标，构建人机物、全要素、全产业链、全价值链全面连接的新基础是关键，这也是工业数字化、网络化、智能化发展的核心。
（2）商业层
商业层主要明确了企业应用工业互联网构建数字化体系的愿景、战略方向和具体目标。商业层主要面向CEO等企业高层决策者，用以明确在企业战略层面，如何通过工业互联网保持和强化企业的长期竞争优势。
（3）应用层
应用层主要明确了工业互联网赋能于企业业务转型的重点领域和具体场景。应用层主要面向企业CIO（首席信息官）、CTO（首席技术官）、CDO（首席数据官）等信息化主管与核心业务管理人员，帮助其在企业各项生产经营业务中确定工业互联网的作用与应用模式。
（4）能力层
能力层描述了企业通过工业互联网实现业务发展目标所需构建的核心数字化能力。能力层主要面向工程师等具体技术人员，帮助其定义企业所需的关键能力并展开实践。
2.功能架构
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。
工业互联网以数据为核心，数据功能体系主要包含感知控制、数字模型、决策优化三个基本层次，以及一个由自下而上的信息流和自上而下的决策流构成的工业数字化应用优化闭环，如图1-4所示。在工业互联网的数据功能实现中，数字孪生已经成为关键支撑，通过资产的数据采集、集成、分析和优化来满足业务需求，形成物理世界资产对象与数字空间业务应用的虚实映射，最终支撑各类业务应用的开发与实现。
图1-4 工业互联网的核心功能原理
（1）感知控制层
感知控制层构建工业数字化应用的底层“输入-输出”接口，包含感知、识别、控制和执行四类功能。
（2）数字模型层
数字模型层包含数据集成与管理、数据模型和工业模型构建、信息交互三类功能。
（3）决策优化层
决策优化层主要包括分析、描述、诊断、预测、指导及应用开发。
3.实施框架
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。
工业互联网实施框架是整个体系架构2.0中的操作方案，解决“在哪做”“做什么”“怎么做”的问题。当前阶段工业互联网的实施以传统制造体系的层级划分为基础，适度考虑未来基于产业的协同组织，按设备、系统、企业、产业4个层级开展系统建设，指导企业整体部署。
（1）网络实施框架
工业互联网网络建设目标是构建全要素、全系统、全产业链互联互通的新型基础设施。从实施架构来看，在设备层和系统层建设生产控制网络，在企业层建设企业与园区网络，在产业层建设国家骨干网络，全网构建信息互操作体系。
（2）标识实施框架
工业互联网标识实施贯穿设备、系统、企业和产业四个层面，形成了以设备层和系统层为基础，以企业层和产业层节点建设为核心的部署架构。
（3）平台实施框架
工业互联网平台部署实施总体目标是打造制造业数字化、网络化、智能化发展的载体和中枢。其实，施架构贯穿设备、系统、企业和产业四个层级，通过实现工业数据采集、开展边缘智能分析、构建企业平台和打造产业平台，形成交互协同的多层次、体系化建设方案。
（4）安全实施框架
安全实施框架体现了工业互联网安全功能在设备、系统、企业、产业的层层递进，包括边缘安全防护系统、企业安全防护系统和企业安全综合管理平台，以及省/行业级安全平台和国家级安全平台。
1.3.2 工业互联网体系架构2.0标准
工业互联网体系架构2.0中包含总体标准、基础共性标准和应用标准。
（1）总体标准
总体标准主要指工业互联网重点领域的相关标准，包括网络与连接标准、标识解析标准、边缘计算标准、平台与数据标准、工业App标准和安全标准等。
（2）基础共性标准
基础共性标准主要规范工业互联网领域的通用性、指导性，包括术语定义、通用需求、架构、测试与评估、管理等标准。
（3）应用标准
应用标准主要包括工业互联网领域的应用场景和垂直行业应用等的相关标准。
1.总体标准
架构2.0中的总体标准具体如下。
（1）网络与连接标准
网络与连接标准主要包括工厂内网、工厂外网、工业设备/产品联网、网络设备、网络资源管理、互联互通等标准。
1）工厂内网标准：主要规范工业设备/产品、控制系统、信息系统之间网络互联要求，包括工业以太网、工业无源光网络、时间敏感网络、确定性网络、软件定义网络以及工业无线、低功耗无线网络、第五代移动通信技术（5G）工业应用等关键网络技术标准。
2）工厂外网标准：主要规范连接生产资源、商业资源以及用户、产品的公共网络（互联网、专网、VPN等）要求，包括基于多协议标签交换、光传送网、软件定义网络等技术的虚拟专用网络标准，以及长期演进、基于蜂窝的窄带物联网等蜂窝无线网络标准。
3）工业设备/产品联网标准：主要规范工业设备/产品联网所涉及的功能、接口、参数配置、数据交换、时钟同步、定位、设备协同、远程控制管理等要求。
4）网络设备标准：主要规范工业互联网内使用的网络设备功能、性能、接口等关键技术要求，包括工业网关、工业交换机、工业路由器、工业光网络单元、工业基站、工业无线接入点等标准。
5）网络资源管理标准：主要规范工业互联网涉及的地址、无线频谱等资源使用管理要求以及网络运行管理要求，包括工业互联网IPv6地址管理规划、应用和实施等标准，用于工业环境的无线频谱规划等标准，以及工厂内网络管理、工厂外网络管理等标准。
6）互联互通标准：主要规范跨设备、跨网络、跨域数据互通时涉及的协议、接口等技术要求。
（2）标识解析标准
标识解析标准主要包括编码与存储、标识数据采集、解析、数据交互、设备与中间件、异构标识互操作等标准。
1）编码与存储标准：主要规范工业互联网的编码方案，包括编码规则、注册操作规程、节点管理等标准，以及标识编码的各类存储标准。
2）标识数据采集标准：主要规范工业互联网标识数据的采集方法，包括各类涉及标识数据采集实体间的通信协议以及接口要求等标准。
3）解析标准：主要规范工业互联网标识解析的分层模型、实现流程、解析查询数据报文格式、响应数据报文格式和通信协议等要求。
4）数据交互标准：主要规范设备对标识数据的过滤、去重等处理方法以及标识服务所涉及的标识间映射记录数据格式和产品信息元数据格式等要求。
5）设备与中间件标准：主要规范工业互联网标识解析服务设备所涉及的功能、接口、协议、同步等要求。
6）异构标识互操作标准：主要规范不同工业互联网标识解析服务之间的互操作，包括实现方式、交互协议、数据互认等标准。
（3）边缘计算标准
边缘计算标准主要包括边缘设备标准、边缘智能标准和能力开放标准三个部分。
1）边缘设备标准：主要规范边缘云、边缘网关、边缘控制器等边缘计算设备的功能、性能、接口等要求。
2）边缘智能标准：主要规范实现边缘计算智能化处理能力技术的相关要求，包括虚拟化和资源抽象技术、实时操作系统、分布式计算任务调度、边云协同策略和技术等。
3）能力开放标准：主要规范基于边缘设备的资源开放能力、接口、协议等要求，以及边缘设备之间互通所需的调度、接口等要求。
（4）平台与数据标准
平台与数据标准主要包括数据采集标准、资源管理与配置标准、工业大数据标准、工业微服务标准、应用开发环境标准以及平台互通适配标准等。
1）数据采集标准：主要规范工业互联网平台对各类工业数据的集成与接入处理相关技术要求，包括协议解析、数据集成、数据边缘处理等标准。
2）资源管理与配置标准：主要规范工业互联网平台基础资源虚拟化、资源调度管理、运行管理等技术要求，以及工业设备和工业资源配置要求等。
3）工业大数据标准：主要包括工业数据交换、工业数据分析、工业数据管理、工业数据建模、工业大数据服务等标准。
4）工业微服务标准：主要规范工业互联网平台微服务架构原则、管理功能、治理功能、应用接入、架构性能等要求。
5）应用开发环境标准：主要规范工业互联网平台的应用开发对接和运营管理技术要求，包括应用开发规范、应用开发接口、服务发布、服务管理以及资源管理、用户管理、计量计费、开源技术等标准。
6）平台互通适配标准：主要规范不同工业互联网平台之间的数据流转、业务衔接与迁移，包括互通共享的数据接口、应用进行移植和兼容的应用接口、数据及服务流转迁移要求等标准。
（5）工业App标准
工业App标准主要包括工业App开发类标准、工业App应用类标准和工业App服务类标准。
1）工业App开发类标准：用于规范工业App参考架构、工业App开发方法、工业App开发平台等。在工业App参考架构方面，提出工业App的典型分类，并针对工业App的不同分类提出工业App的参考架构及判定准则；在工业App开发方法方面，提出工业App的开发方法典型分类（如工业软件云化改造、基于平台原生开发、跨平台移植适配等），并有效规范不同工业App开发方法的技术过程及控制要求；在工业App开发平台方面，基于开发平台与不同工业资源（如工业软件、制造设备、工业产品等）的适配原则，提出工业App开发平台的典型分类，并有效规范不同工业App开发平台的应用模式及性能要求。
2）工业App应用类标准：用于规范工业App的应用需求、应用模式、应用评价等应用特性的相关标准。在工业App应用需求方面，有效规范工业App的应用主体、组配化环境、建模方法、性能要求等；在工业App应用模式方面，有效规范工业App的独立应用及组配化应用模式，并进一步规范工业App在组配化应用模式中的应用定位；在工业App应用评价方面，针对不同类型的工业App及应用模式，有效规范工业App评价指标体系及评价方法。
3）工业App服务类标准：服务于工业App生态建设，用于规范工业App的知识产权、质量保证、流通服务、安全防护等。在工业App知识产权方面，有效规范工业App的知识产权确定及保护要求；在工业App质量保证方面，有效规范工业App在全寿命周期不同阶段的质量评价及控制要求；在工业App流通服务方面，有效规范工业App的定价、交易管理、售后服务管理等有关要求；在工业App安全防护方面，有效规范工业App的知识安全、数据安全、应用安全等有关要求。
（6）安全标准
安全标准主要包括设备安全、控制系统安全、网络安全、数据安全、平台安全、应用程序安全、安全管理等标准。
1）设备安全标准：主要规范工业互联网中各类终端设备在设计、研发、生产制造以及运行过程中的安全防护、检测及其他技术要求，包括数据采集类设备、智能装备类设备（如可编程逻辑控制器、智能电子设备）等。对于每一类终端设备，均包括但不限于设计规范、防护要求（或基线配置要求）、检测要求等标准。
2）控制系统安全标准：主要规范工业互联网中各类控制系统中的控制软件与控制协议的安全防护、检测及其他技术要求，包括数据采集与监视控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统等安全标准。
3）网络安全标准：主要规范承载工业智能生产和应用的通信网络与标识解析系统的安全防护、检测及其他技术要求，以及相关网络安全产品的技术要求。
4）数据安全标准：主要规范工业互联网数据的安全防护、检测及其他技术要求，包括工业大数据、用户个人信息等数据安全技术要求、数据安全管理规范等标准。
5）平台安全标准：主要规范工业互联网平台的安全防护、检测、病毒防护及其他技术要求，包括边缘计算能力、工业云基础设施（包括服务器、数据库、虚拟化资源等）、平台应用开发环境、微服务组件等安全标准。
6）应用程序安全标准：主要规范用于支撑工业互联网智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等服务的应用程序的安全防护与检测要求，包括支撑各种应用的软件、App、Web系统等。
7）安全管理标准：主要规范工业互联网相关的安全管理及服务要求，包括安全管理要求、安全责任管理、安全能力评估、安全评测、应急响应等标准。
2.基础共性标准
架构2.0中的基础共性标准主要规范工业互联网的通用性、指导性标准，包括术语定义、通用需求、架构、测试与评估、管理等标准。
（1）术语定义标准
术语定义标准主要规范工业互联网相关概念，为其他各部分标准的制定提供支撑，包括工业互联网场景、技术、业务等主要概念的定义、分类、相近概念之间的关系等。
（2）通用需求标准
通用需求标准主要规范工业互联网的通用能力需求，包括业务、功能、性能、安全、可靠性和管理等方面需求的标准。
（3）架构标准
架构标准包括工业互联网体系架构以及各部分参考架构，以明确和界定工业互联网的对象、边界、各部分的层级关系和内在联系。
（4）测试与评估标准
测试与评估标准主要规范工业互联网技术、设备/产品和系统的测试要求，以及工业互联网应用领域、应用企业和应用项目的成熟度要求，包括测试方法、评估指标、评估方法等。
（5）管理标准
管理标准主要规范工业互联网系统建设及运行相关责任主体以及关键要素的管理要求，包括工业互联网系统运行、管理、服务、交易、分配、绩效等方面的标准。
3.应用标准
架构2.0中的应用标准包括典型应用标准和垂直行业应用标准等。
（1）典型应用标准
典型应用标准包括智能化生产标准、个性化定制标准、网络化协同标准、服务化转型标准。
1）智能化生产标准：主要面向工业企业的生产制造环节，制定通用的业务应用等标准。
2）个性化定制标准：主要面向个性化、差异化客户需求，制定通用的业务应用等标准。
3）网络化协同标准：主要面向协同设计、协同制造、供应链协同等场景，制定通用的业务应用等标准。
4）服务化转型标准：面向产品远程运维、基于大数据的增值服务等典型场景，制定通用的业务应用等标准。
（2）垂直行业应用标准
垂直行业应用标准依据总体标准、基础共性标准和典型应用标准，面向汽车、航空航天、石油化工、机械制造、轻工家电、电子信息等重点行业领域的工业互联网应用，开发行业应用导则、特定技术标准和管理规范，优先在重点行业领域实现突破，同时兼顾传统制造业转型升级的需求，逐步覆盖制造业全应用领域。
值得注意的是，工业互联网体系架构2.0在当前阶段具有一定引领性和超前性，但由于当前技术的限制，在应用实施方面还存在诸多问题。具体来说，在网络方面存在各层级网络功能割裂难互通、数据体系互不兼容、标识编码规则和标识数据模型不统一等问题。在平台方面存在数据集成管理难度大、数据挖掘应用不充分、应用创新不灵活等问题。在安全方面存在隐私和数据保护力度不够、安全防护能力待提升、安全可靠性不充分等问题。未来，随着新技术的演进和产业实际需求的变化，工业互联网架构将持续发展与演进。