1.1.2 工业互联网的组成与架构

就目前全球现状来看，几乎所有制造业都在逐渐地从数字化阶段转向网络化阶段。随着相关专家学者提出工业互联网这一概念，工业互联网立即成为全世界的热点与焦点，诸如美国、德国等发达国家纷纷把工业的风向标指向工业互联网，将其作为重要的战略发展目标，并自主研发出属于自己的工业互联网相关架构，对自身的工业发展起到了一定的促进作用。我国相关企业对工业互联网的研究也不甘落后，并取得了一些令人骄傲的成果。关于工业互联网的架构，各国都针对实际情况发布了参考性文件，下文将简单介绍中、德、美、日的相关参考构架。

1.德国RAMI 4.0参考架构模型

德国将工业4.0与医疗保健、市政交通、家居建筑和工厂电网等各个行业结合在一起，形成了物与服务联网的整体架构，如图1-1所示。

其中，德国工业4.0参考架构模型（RAMI 4.0）如图1-2所示。

RAMI 4.0旨在为工业4.0提出一个直观简单的构架模型，它以IEC 62890和IEC 62264/61512为基础，从业务、功能、信息、通信、集成和设备六个层面出发，包括原型（开发、维护/使用）和实物（生产、维护/使用）两大部分，将产品、现场设备、控制设备、工段、车间、企业和互联世界结合在一起，所有组件相互依存，形成了一个完整的集成模型。

其中，设备层面包括各种资产，如传感器、制动器、机械零件、文件和IP等；集成层面是“现实世界”与信息技术表征间的接口，也是资产的人机接口；通信层面是指信息层通信，必要时（如对时间敏感的应用）会通过实时网络直接通信；信息层面兼容了工业4.0的数据表示与数据访问；功能层面兼容了工业4.0的功能层，为业务流程提供基本服务；业务层面的目的在于实现最终的业务流程。整体构建清晰明了，结合本国的实际情况将国际规范本地化，整个生命周期内数据连贯，模型内原型与实物价值链相结合，得到了其国内相关人员的广泛支持与认可。

2.美国IIRA 1.8参考架构模型

美国工业互联网联盟（IIC）于2017年1月发布了美国工业互联网参考架构IIRA 1.8，此次发布的1.8版本是基于2015年6月发布的1.7版本，融合了一些新型技术，是目前美国较为通用的工业互联网参考架构，具体如图1-3所示。

IIRA是由许多IIC成员（包括系统和软件架构师、业务专家和安全专家等）基于ISO/IEC/IEEE 42010:2011标准共同设计的架构模板和方法，目的在于构建一个对各个工业领域都具有广泛可用性的标准架构体系。

IIRA 1.8将工业互联网参考架构中的Viewpoint1至Viewpoint4定义为业务、使用、功能和实施四个基础视图（viewpoint）。其中，业务视图关注的是利益相关者的身份关注点，以及他们在工业互联网下的业务愿景、价值和目标；使用视图旨在解决系统使用中遇到的关注点，它通常描述一系列涉及人或逻辑用户（如系统或系统组件）的活动；功能视图侧重于功能性部分、结构和相互关系以及系统与外部环境要素间的相互作用，进而支持整个系统的运行；实施视图则注重涉及实施性功能的组件、通信规划和生命周期过程的技术，可通过使用视图和业务视图协调上述要素。

IIRA 1.8没有明确讨论架构的概念和关键结构，而是将一些概念较为松散地运用于其中，这样有利于研究人员根据特定的系统要求，通过定义额外的视图对其进行扩展。同时，IIRA 1.8中涉及的各项核心概念和技术适用于制造、采矿、运输、能源、农业、医疗保健、公共基础设施和几乎所有其他行业中的每个小型、中型和大型企业。此外，IIRA 1.8简明的语言及其对价值定位的强调，可帮助业务决策者、工厂经理和IT经理更好地了解如何从商业角度驱动工业互联网系统的开发。

3.日本“Society 5.0”下的“互联工业”参考架构模型

日本政府对于未来制造业的愿景，主要是通过“Connected Industries”（互联工业）来体现的。为了实现这一点，日本在智能制造方面有一系列的举措。日本提出的“Society 5.0”视野下的“互联工业”架构如图1-4所示。

作为日本国家战略层面的产业愿景，“互联工业”强调“通过各种关联，创造新的附加值的产业社会”，包括物与物的连接、人和设备及系统之间的协同、人和技术相互关联、既有经验和知识的传承，以及生产者和消费者之间的关联。强调在整个数字化进程中，要充分发挥日本的两大优势——高科技和高现场力，构筑一个以解决问题为导向、以人为本的新型产业社会。

“互联工业”面向各种各样的产业，通过企业、人、数据、机械相互连接，产生出新的价值，同时创造出新的产品和服务，提高生产力。这与日本政府的一个更高目标“Society 5.0”密切相关。对于未来的投资战略，日本提出了第四次产业革命，通过人工智能和机器人等技术，推动多种产业发展，并将智能产业与社会生活融合，解决社会需求，最终实现“Society 5.0”。日本正在朝着超智能社会即“Society 5.0”的方向发展，而要实现“Society 5.0”，产业所面临的最重要的问题，就是工业与网络的互联。

4.中国工业互联网体系架构

在两化融合的浪潮下，中国也紧跟时代步伐，“互联网+先进制造业”是我国现阶段的重要研究领域之一。目前，国内较为权威的工业互联网架构文件是由工业和信息化部指导、中国信息通信研究院牵头、中国电信集团公司和华为技术有限公司等多家单位参与编写的《工业互联网体系架构（版本2.0）》（工业互联网产业联盟发布），其中的工业互联网体系架构如图1-5所示。

工业互联网体系架构2.0包括业务视图、功能架构、实施框架三大板块，形成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，自上而下层层细化和深入。

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。业务视图首先提出了工业互联网驱动的产业数字化转型的总体目标和方向，以及这一趋势下企业应用工业互联网构建数字化竞争力的愿景、路径和举措。这在企业内部将进一步细化为若干具体业务的数字化转型策略，以及企业实现数字化转型所需的一系列关键能力。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后续功能架构设计是重要指引。

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。功能架构首先提出了以数据驱动的工业互联网功能原理总体视图，形成物理实体与数字空间的全面连接、精准映射与协同优化，并明确这一机理作用于从设备到产业等各层级，覆盖制造、医疗等多行业领域的智能分析与决策优化。进而细化分解为网络、平台、安全三大体系的子功能视图，描述构建三大体系所需的功能要素与关系。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，并为后续工业互联网实施框架的制定提供参考。

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。实施框架结合当前制造系统与未来发展趋势，提出了由设备层、边缘层、企业层、产业层四层组成的实施框架层级划分，明确了各层级的网络、标识、平台、安全的系统架构、部署方式以及不同系统之间的关系。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，进一步可用于指导企业技术选型与系统搭建。

业务视图、功能架构和实施框架三者相辅相成，构建了完善的工业互联网体系架构。工业互联网是繁荣数据经济的新基石，是创新网络国际治理的新途径，是统筹两个强国建设的新引擎。

中、美、德、日的工业互联网及智能制造参考架构存在一定的差异是由于各国面向的对象（利益相关者）不同，关注点不同，架构背景不同，现实社会发展情况也不尽相同。美国的架构体系注重良好的扩展性，德国侧重于直观简单，适应性强，日本着重与“Society 5.0”的密切联系，我国的工业互联网体系架构则偏重于使用具体的技术系统名称来进行描述，便于理解但扩展性略逊色。因而，在之后的发展中可以借鉴各国工业互联网架构体系的长处，对我国的工业互联网架构体系进行进一步的改进和完善。