摘要：随着工业互联网的快速发展，如何进化该技术的结构、原则和应用备受关注。与消费者互联网技术相比，工业互联网最大的区别在于它与工厂的设备密切相关，这是工业互联网复杂性的重要根源。
工业互联网应用的发展也与此密切相关。此外，云计算、边缘计算等新的计算环境也出现在工业互联网上。这些变化自然会进一步增加企业信息系统的复杂性。因此，根据工业设备的多样性和多变性，采用平台开发、运行和维护技术体系将成为必然的选择。平台工具和可复用组件的应用有效地提高了工业互联网应用开发的效率。此外，具有社区性质的工业互联网生态模式的出现也将导致这一领域服务业态的发展，这也是工业互联网产业发展的重要趋势。本文分析了工业互联网平台和服务的发展，提出了相应的实现模式，预测了相关技术的发展趋势。
关键词:工业互联网；平台；服务；云计算；边缘计算；
1 引言
2012年，GE提出了工业互联网，2013年德国汉诺威工业博览会提出了4.0，随后在全球工业界引起了巨大反响。这两种工业信息技术的应用范式具有相同的特点，都需要工业设备数据的收集和处理，并通过互联网环境实现这一过程。
工业社会对大量工业设备进入互联网后可能发生巨大变化的机会非常乐观。人们认为，工业数据将在互联网上获得更多的价值，从而为新一轮的工业革命积累力量。鉴于此，许多工业软件提供商加入了工业互联网的研究、开发和推广。据不完全统计，国内外已正式发布的工业互联网系统软件有100多种，其中包括部分工业PaaS和网关产品。推出这些工业软件和技术，不仅加快了工业互联网产业的发展，也加快了工业互联网应用的发展。然而，在这个过程中，由于缺乏统一的标准和规范，也可能存在一些违背互联网原则的问题。例如，不同供应商提供的工业互联网软件可能不兼容。从目前的发展情况来看，这种可能性非常大。
因此，工业和学术界应努力从系统结构的设计入手，深入探讨工业互联网科学的发展模式。
本文提出了平台和服务的发展问题。除了解释它们与工业互联网系统架构的关系外，还指出了平台和服务技术在工业互联网中的实现方法，以及它们成为未来发展趋势的原因。
2 工业互联网技术发展现状
工业互联网是在自动化和信息技术发展到一定程度的背景下提出的工业生产治理模式，但工业数据的应用仍处于较低水平。它利用互联网技术和云计算资源，试图通过大规模的数据收集和处理，实现企业更精细、更适应外部动态环境的管理。企业加入工业互联网的目的是使生产更加透明，只有这样才能更有效地利用企业的资产，创造更多的财富。我们在这里使用它“加入”而不是“建设”就像今天的移动通信网络一样，工业互联网最终将成为工业社会的一种公共服务机制，“入网”在不需要任何用户自己的情况下，可以获得各种信息服务。“组网”。
目前，国内外很多企业都发布了相应的工业互联网系统软件，如美国GE的Predix、德国Siemens的Mindsphere、中国树根互联的Rootcloud等。这些软件系统具有相似的结构和特点。它们都需要云计算环 环境支撑需要通过互联网连接设备和云计算环境，数据采集和云上的任务需要通过数据网关完成。
但在形成工业互联网社区、接入跨行业、跨领域企业数据等方面，显然远未达到预期目标[1、2]。这是工业互联网在工业社会中广泛应用的基本形式。
另一方面，工业互联网的发展在应用开发过程中也面临着两个重要挑战。一是开发成本高，工业互联网需要更多工艺工程师的参与，但目前的技术发展还不能满足这一要求。大多数所谓的开放技术仍然要求用户连接复杂的计算机应用软件接口（API）的能力。二是信息孤岛问题。传统企业信息化最大的问题是产生大量的信息孤岛。工业互联网因其互联互通的特点，应具有很强的消除信息孤岛的潜力。
然而，由于许多技术提供商根据自己的技术体系建立的企业级工业互联网难以形成覆盖整个工业社会的互联网，这肯定对整个工业社会的数字化转型和发展非常不利。
事实上，在工业互联网发展的背后，是关于如何设计、制定和处理该技术的系统结构、技术标准和系统的复杂性。其中，系统结构是一个非常基本的问题，它不仅决定了工业互联网的组成，而且定义了工业互联网的目标、任务和相应的技术路线。技术标准的重要性来自于工业互联网人、机、物的客观需求，但建立如此庞大的标准体系并不容易。每个技术提供商都倾向于强调自己的想法，削弱对工业公共基础设施建设的重视。此外，工业互联网本身就是一个典型的复杂系统，要应对上述挑战并不容易。我们必须为此寻求一些新的发展模式。针对工业互联网体系结构的特点，将其发展纳入平台化和服务化框架，是本文提出的应对挑战的思路。
3 系统架构的设计
工业互联网是一个典型的复杂系统。由于它将设备、人和互联网（包括计算机和网络）连接在一起，网络节点数量庞大，结构复杂。工业类别很多，不同行业对数据、信息和决策的要求差异很大，这进一步增加了工业互联网的复杂性。此外，由于生产技术的改进、市场环境的变化等因素，工业互联网的需求几乎每时每刻都在不同程度地发生变化。目前，工业互联网的应用开发模式大多仍处于企业级信息系统层面，开发的劳动力和时间成本非常高。工业互联网的系统结构包括软硬件的组成和结构、工业数据的组成和结构，以及相关技术资源的组成和应用模式。可以看出，为工业互联网提供新的系统结构，不仅要大大降低系统的复杂性，而且要大大提高技术资源的再利用率。只有这样，工业互联网才能真正发展起来。
由于工业互联网是一个分布式数字系统，其软件和硬件的特点主要是数量多、分布广。为了提高工业互联网应用开发的效率，方便整个网络的运行和管理，应综合考虑其系统架构的设计。
图1是所有工业互联网的四层架构，即设备层、网络层、核心层和应用层。设备层，又称边缘层，由工业设备的通信部分和网关设备组成。边缘计算单元也可以包含在设备层中。网络层，又称通信层，是将工业设备与核心层连接起来的基础设施，由互联网组成。核心层由云计算资源组成，是工业互联网数据处理的中心。应用层主要由人机交互终端设备组成，在特定的软件窗口上显示各种工业互联网的应用过程或结果，并输入工业用户的应用需求。该架构与业界普遍认为的三层架构[3]的区别在于突出了基础互联网的作用，即这里所谓的网络层。
图1 工业互联网的四层架构
从图1的系统结构可以看出，工业互联网可以连接许多设备和应用程序。这些设备和应用程序依赖于大量的数据来保持一定的逻辑关系。
因此，必须有一个基本的操作系统软件来维持这种关系，并能够适应这种关系可能发生的各种变化。图2是在工业互联网四层架构的基础上建立的一种新的系统架构表达形式。其中，工业互联网核心包含了大量的计算资产，其作用是处理工业互联网的数据，并将处理结果返回到工业系统中的经理和生产者以及相应的工业设备。我们称具有这一特征的核心为平台。平台外包裹一圈软件服务资产，分别提供：工业互联网与工业设备之间的数据通信服务、工业互联网开发、部署、运维、工业应用数据通信服务、工业互联网等信息技术系统的第三方数据通信服务。简而言之，这里所谓的软件服务资产本质上是一组与平台外的信息系统保持数据通信的功能模块。
图2 工业互联网平台与服务结构的理念
4 平台化和服务化技术
工业互联网的平台化需要严格的定义，因为它涉及到整个工业系统不同地区和应用程序之间的互联互通的特点，这也是相关技术研发的必然要求[4]。因此，面对图1所示的工业互联网系统架构，如果确定为平台，应具有以下三个特点：（1）具有特定的计算环境，使工业用户能够根据统一的算法模型构建云计算和边缘计算环境中的分布式计算关系；（2）连接工业设备数据源的快速方法，包括通用网关产品的应用及其协议分析方法，并有能力为不同的应用程序提供互操作，建立全网络设备的互联机制；（3）有一定数量的公共技术资源可持续增加，支持各种工业互联网应用的开发，满足高效、低成本的要求。
从以上特点可以看出，工业互联网平台化的优势非常明显。
只要计算单元的粒度合适，采用统一算法模型的分布式计算环境就能很好地利用分布特性解决工业互联网的复杂系统问题。
另一方面，如果每个计算单元的结构对称，采用数据驱动技术，也可以为计算的可视化和动态重构创造更有利的条件。平台化的另一个显著优势是用系统配置取代了大规模软件的编程，有效解决了制约工业互联网发展的关键问题，即异构工业设备的数据采集和数据集成。该平台集成了数据的流动通道，为设备或应用程序之间的互联互通创造了良好的条件。
由于平台可以支持多项平行任务，工业互联网中的公共技术资源（如微服务或工业机制模型）可以完全对称地呈现，这对工业互联网社区建设、软件资源的再利用和应用开发效率的提高非常重要。简而言之，平台更有利于工业互联网人、机器和事物的协调和统一。
我们设计了一个虚拟计算环境，如图3所示。它利用内存资源建立实时数据库，并将计算过程等同于数据库的动态更新过程。
因此，需要数据库的计算机制。该功能由图3中的数据引擎模块完成。内存数据库包含静态和动态数据，数据引擎使用静态数据来完成动态数据的更新。为了使工业互联网平台满足工程技术人员开发相关应用和未来社区生态建设和发展的要求，我们引进了图形计算技术。应用程序开发人员可以使用图形计算工具构建相关算法的图形结构。该结构具有相对直观的逻辑关系。它还可以通过自动编译技术将图形结构映射成特定的数据模型，从而实现工业互联网应用的无代码开发模式。借助这种图形结构与数据模型的映射关系，我们还可以轻松实现工业互联网应用计算的可视化和动态重构功能。
图3 数据引擎计算单元原理示意图
为工业互联网服务平台化也创造了有利条件。在工业互联网的开发和应用过程中，工业用户需要大量的技术服务的主要原因是：（1）避免重复开发；（2）充分利用平台共享技术资源；（3）更专业地管理工业互联网的运营和发展。在工业互联网平台上，虽然服务提供商可能没有用户企业的专业生产管理知识，但他们仍然可以为软件开发工具、算法组件开发、平台部署、应用运行保证和工业数据处理提供非常专业的技术支持。在平台基础上实现工业互联网服务，其基本作用主要体现在优化工业互联网产业链，努力降低工业用户应用工业互联网门槛，如大量自动配置[5]，使工业互联网应用更依赖于技术服务，而不是技术开发。只有这样，才能满足工业互联网产业可持续发展的要求。
服务也是工业互联网产业发展的重要体现。这是产业链延伸的必然趋势，也是引入云计算和边缘计算后可支配计算能力显著提高的必然结果。当然，除了平台技术的支持外，服务还需要从上述三个方面建立和不断改进服务的形式和内容。一些具体的服务示例，如表1所示。
表1 工业互联网平台的服务类型和服务示例
在避免重复开发方面，技术服务提供商可以从工业互联网的结构设计和部署、常规应用的算法开发、工业互联网的应用范式等方面为新用户提供相对成熟的技术，经过多个用户应用程序的测试。随着服务对象的不断增加，这类服务的质量将继续提高。这对工业互联网的新用户非常重要。他们不需要在复杂的工业互联网系统建设和应用开发上投入更多的人力、财力和物力，而是可以专注于解决企业专有的技术和管理问题。
在技术资源共享方面，技术服务提供商需要在工业互联网平台上投资建设大型复杂的技术基础设施（如产品设计软件、系统模拟软件、工业大数据分析软件、工业共同技术算法软件开发包等），然后按时向需要这些服务的企业用户分配资源，避免企业用户投资，但利用率不是很高，软件系统运行维护复杂，升级成本高，充分发挥工业互联网资源共享的作用。
在工业互联网运营管理方面，技术服务提供商需要不断监控和管理用户企业的IT资产，包括计算环境和应用软件的运营状态，以确保用户企业的工业互联网能够满足生产和管理的要求。该服务的基础是工业互联网的结构和管理对用户企业来说足够复杂，劳动力成本相对较高，难以合理配置计算资源。
鉴于以上分析，我们提出了工业互联网的架构设计，面向服务，如图4所示。其中，工业互联网的核心部分是云平台。除数据库和数据引擎阵列外，还需要部署三个基本服务模块：共享资源、运维管理和开发管理。工厂设备的数据通过边缘层发送到云平台的数据码头进行缓存。云平台的服务窗口用于工厂管理和生产各种应用的响应，即应用的可视化窗口。技术服务提供商作为工业互联网的第三方，其主要任务包括与企业用户连接，处理企业的应用需求，调用解决方案库，提供应用开发服务。此外，通过云平台的服务接口，可以获取工业互联网运行状态信息，提供运维管理，确保工业互联网与企业生产管理过程同步。
图4 面向服务的工业互联网架构设计
5 工业互联网生态系统的演变
在平台化和服务化技术的推动下，工业互联网的生态系统也将发生一些新的变化。首先，我们预测平台社区将在不久的将来出现。在平台技术的推动下，工业互联网的系统结构、平台组成和应用模式将进一步演变，这不仅将促进工业互联网核心技术的标准化，而且可以尽快形成若干最终的工业互联网应用范式。加强应用的共同基础是工业互联网健康发展的重要力量。同时，这一演变也有利于信息技术从基于编程代码的开源社区向基于算法组态的开源社区的成长空间转变。
换句话说，更多掌握工业知识的专业人士将加入工业互联网生态系统的建设，这更有利于纯信息技术专业人员领导的工业互联网领域技术的发展。工业互联网的应用场景多样多变，这就决定了其应用结构比消费互联网复杂得多。平台社区的出现和建设将大大提高共同知识的再利用能力，从而有效降低工业互联网应用的成本。从这些分析中不难看出，如果没有这样的变化，工业互联网的产业发展就很难维持。
其次，我们预测，在不久的将来，工业互联网的商业模式将变得更加明显，并进入逐渐成熟的阶段。目前，工业互联网与传统企业信息发展模式没有本质区别。虽然云计算和互联网有两个新要素，但它们只是时空的扩张。作为一种新的商业形式，工业互联网的商业模式仍然相对模糊。
这就是为什么工业互联网平台可以达到数百个甚至更多的根本原因。然而，随着平台化和服务化技术的发展，工业互联网的商业模式已经显露出来。在边缘层，在平台和服务的支持下，通用网关产品技术将有质的飞跃，就像几年前从手机到智能手机的质的变化一样。另一方面，越来越强大的工业互联网云平台将吸引一些第三方技术服务提供商，从直接帮助企业用户开发应用到间接提供高质量的数据服务。这两种变化的结合可以产生巨大的力量，将工业互联网的商业模式提升到工业数据运营商的水平。 企业用户只需通过通用网关将工厂设备和企业管理的数据上传到工业互联网的云平台上，就可以选择某种数据“套餐”从数据到财富的转换成果。经过这样的转型，工业互联网才会真正进入成熟发展的历史阶段。
6 结论
工业互联网提出时间不长，相关实践的积累仍然非常有限。因此，现在结论工业互联网未来的总体趋势，还是时尚早。然而，工业互联网的平台化和服务化发展趋势非常明显。这是由互联网、设备接入和开发者的结合以及信息技术发展的规律决定的。工业互联网体系结构的设计和相关规范的设置也在这一发展趋势的形成中发挥了重要作用。工业界，特别是工业互联网技术提供商，需要顺应这一发展趋势，推出具有竞争力的平台和服务技术和产品，抓住市场机遇。平台和服务技术的快速发展和应用也将进一步促进基于工业互联网的新工业生态环境的建立，这也将在促进新一轮工业革命中发挥非常重要的作用。
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