工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢研究

摘要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范化、規(guī)?；l(fā)展的基礎是實現(xiàn)跨領域、多層級的互聯(lián)互通互操作。信息通信技術(shù)的不斷進步，激發(fā)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、網(wǎng)絡、設備、系統(tǒng)和應用程序等對象之間更加頻繁的信息流通需求。盡管如此，現(xiàn)實存在的數(shù)據(jù)異構(gòu)、信息異構(gòu)等問題使得信息交互仍然存在困難，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對象之間存在大量信息孤島。通過在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中引入信息模型的方式，來實現(xiàn)跨領域、多層級信息的互聯(lián)互通互操作，并針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢進行分析，最終給出信息模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用及發(fā)展建議。關(guān)鍵詞：信息模型；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；信息孤島；互聯(lián)互通互操作1

引言工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的最大挑戰(zhàn)是普通工業(yè)系統(tǒng)如何從疊加飛速發(fā)展的ICT技術(shù)向信息物理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，而信息物理系統(tǒng)中對象之間異構(gòu)的信息交互是需要解決的首要問題。例如，不同行業(yè)領域機構(gòu)由于業(yè)務發(fā)展需要或者工作性質(zhì)的不同，根據(jù)自身需求開發(fā)的通信對象會存在不同的接口或者信息格式，接口的不同導致信息傳遞受阻，不同格式的信息之間交互成本過高。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各種異構(gòu)信息造成的信息孤島問題是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展道路上的一塊絆腳石。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型是指工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素、全價值鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈在信息空間的標準化表達。通過定義統(tǒng)一的框架及描述形式，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型可以實現(xiàn)信息的標準化，為異構(gòu)信息之間的交互提供解決方案。本文將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型的基本架構(gòu)定義為如圖1所示的形式，圍繞標識、屬性和類對工業(yè)全要素、全價值鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈的信息進行表達。為實現(xiàn)信息模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的有效應用，促進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)范發(fā)展，本文針對信息模型的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢展開分析。圖1

信息模型基本架構(gòu)

2

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型發(fā)展現(xiàn)狀目前，根據(jù)應用需要，國內(nèi)外各組織機構(gòu)圍繞信息模型相關(guān)技術(shù)標準開展了系列研究。2.1

基于OPCUA規(guī)范的信息模型OPCUA包括14種配套規(guī)范，規(guī)范數(shù)量仍在增加，OPCUA通過系列規(guī)范給出了元信息模型及其實施方案。在元信息模型中，基于基本節(jié)點，定義應用過程中的數(shù)據(jù)類型以及地址空間中組織結(jié)構(gòu)的類型等。OPCUA地址空間采用分層結(jié)構(gòu)，所有服務器的頂層以標準化的形式存在，用戶可以通過層次結(jié)構(gòu)訪問地址空間中的所有節(jié)點。同時，在元模型的基礎上，用戶可通過繼承內(nèi)置節(jié)點和增加定義的語義來擴充類型定義。行業(yè)也可以在OPCUA元信息模型的基礎上定義自己的信息模型，如機器人信息模型、機床信息模型、機器視覺信息模型和塑料加工機械信息模型。為實現(xiàn)更多實體的互聯(lián)互通，有時需要針對特定的行業(yè)應用制定特殊的信息模型。OPCUA信息模型呈現(xiàn)形式如圖2所示[1]。圖2

OPCUA信息模型OPCUA系列規(guī)范涵蓋對象類型、變量類型、數(shù)據(jù)類型和引用類型，代表特定的語義。配套規(guī)范包括多種過程控制的垂直領域，如油氣、智能建筑、公共設備等。同時，OPCUA定義了數(shù)據(jù)編碼、安全協(xié)議和傳輸協(xié)議的映射。數(shù)據(jù)編碼通過使用UA二進制、UAXML或者UAJSON定義系列信息模型。因此，基于OPCUA的信息模型主要用于實現(xiàn)設備和系統(tǒng)信息的標準化，出現(xiàn)在信息化應用層，可以解決語義互操作問題。為了實現(xiàn)信息模型功能，OPCUA服務器需要對信息模型進行實例化，構(gòu)建地址空間從而向客戶端暴露實例化的信息模型，使客戶端能夠訪問和管理信息模型中定義的節(jié)點信息?？蛻舳送ㄟ^訪問服務器的地址空間獲取信息模型定義的數(shù)據(jù)和信息。具體建模過程為需求獲取、類型定義、模型實例化。2.2

基于AutomationML標準的信息模型基于AutomationML標準的信息模型核心是以連接不同數(shù)據(jù)格式的頂層數(shù)據(jù)格式CAEX（IEC62424）為框架，整合其他已有的基于XML的數(shù)據(jù)格式，具體參見圖3[2]。通過CAEX（IEC62424）對工廠拓撲，可以實現(xiàn)頂層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建模。在模型中，將工廠拓撲結(jié)構(gòu)按照工廠、單元、組件、特性、接口、關(guān)系以及引用來進行分層，這些分層對象包含屬性以及該層結(jié)構(gòu)與其他對象的關(guān)系。COLLADA（ISO/PAS17506:2012）可以對模型對象的幾何學和運動學特性建模進行描述及格式存儲；PLCOpenXML可以對模型對象中行為和序列特性的邏輯信息進行描述。圖3

AutomationML工程數(shù)據(jù)交換格式總覽基于AutomationML標準的信息模型主要用于實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)間工程信息的標準化，解決工程過程中信息交換和集成問題，如實現(xiàn)產(chǎn)線上的機器人、機械臂等對象間的信息互通。由于AutomationML對引用與關(guān)系進行了區(qū)分，其中引用描述了從CAEX對象到外部存儲信息的鏈接，關(guān)系描述了CAEX對象之間的聯(lián)系，因此AutomationML對象也預留了與其他工程信息相關(guān)的引用機制。AutomationML定義的基于XML的數(shù)據(jù)格式可以實現(xiàn)異構(gòu)工程信息的存儲和交換，并支持運行環(huán)境數(shù)據(jù)源的建模。同時，AutomationML描述的數(shù)據(jù)模型與OPCUA表示的信息模型之間可以相互轉(zhuǎn)換，通過AutomationML結(jié)合OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)的方式可以實現(xiàn)更多應用的互操作性。2.3

基于InstrumentML標準的信息模型InstrumentML模型描述語言可以提供統(tǒng)一的信息模型框架，抽象出其面向?qū)ο筇幚淼母鱾€模型片段，然后提出一種支持這種通用模型框架的軟件?；贗nstrumentML標準的模型架構(gòu)如圖4所示，具體包括身份屬性（儀表的身份標識）、結(jié)構(gòu)屬性（儀表的結(jié)構(gòu)屬性）、功能屬性（儀表的功能屬性）、性能屬性、位置屬性、商業(yè)屬性。圖4

InstrumentML模型圖異構(gòu)工業(yè)儀表網(wǎng)絡的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、各種類型的傳感器、中間交換的信息格式之間存在著差異性，為了有效屏蔽差異性和實現(xiàn)異構(gòu)工業(yè)儀表網(wǎng)絡互操作，可以構(gòu)建InstrumentML工業(yè)儀表信息模型?；贗nstrumentML標準的信息模型可實現(xiàn)儀表信息的標準化，包括儀表身份標識信息和儀表應用屬性信息，以及儀表基本特性的描述。構(gòu)建不同工業(yè)儀表信息模型，可以根據(jù)不同儀表單元數(shù)據(jù)標準或處理模型標準，在抽象模型基礎上標準化的定制其信息模型模板?；谀０宓墓I(yè)儀表處理建模的過程中，專業(yè)的建模人員把特定的工業(yè)儀表模型匯總單元數(shù)據(jù)字段映射到InstrumentML單元數(shù)據(jù)描述字段，從而在抽象的工業(yè)儀表公共模型中建立對應的單元數(shù)據(jù)組合參數(shù)模板。將已建好的標準模板可視化之后往標準字段填入相應的值，最終生成完整的工業(yè)儀表信息模型。2.4

基于PackML標準的信息模型基于PackML的信息模型可以涵蓋包裝行業(yè)設備的多種運行狀態(tài)和模式，如維修運行模式、手動運行模式、自動運行模式等。在PackML中定義了17種模式，可根據(jù)需要設定其中的部分狀態(tài)，這17個狀態(tài)模式基本能夠滿足除了包裝行業(yè)以外的其他行業(yè)。圖5為PackML的狀態(tài)模型。圖5中方框為設備運行的狀態(tài)，箭頭方向為設備的運作流程，每當完成一個階段，設備會自動跳轉(zhuǎn)到下一個運行狀態(tài)。其中，SC為狀態(tài)完成（StateComplete）。圖5

PackML狀態(tài)模型圖基于PackML的信息模型主要用于包裝過程的描述，處于信息化應用層，可以實現(xiàn)機器狀態(tài)與操作模式的信息標準化。PackML信息模型具有三大基本功能，包括統(tǒng)一的操作員界面、協(xié)調(diào)一致的信息和協(xié)調(diào)一致的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。因此，利用PackML建?？梢詫崿F(xiàn)機器狀態(tài)與操作模式的信息標準化。3

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型面臨挑戰(zhàn)3.1

認知需要形成統(tǒng)一目前，世界各國的組織機構(gòu)對信息模型的理解和闡述不一，給出的信息模型的內(nèi)涵和架構(gòu)也不盡相同。針對信息模型的認知沒有形成有效統(tǒng)一的理解，給信息的標準化工作帶來了挑戰(zhàn)。3.2

頂層設計有待構(gòu)建由于各單位對信息模型的認識不統(tǒng)一，還未有一套完整的針對信息模型的標準，主要原因是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型缺乏頂層設計，行業(yè)標準缺乏頂層框架。首先，在現(xiàn)有的標準層面，信息標準主要是由各單位針對各自領域編制，標準的流通性和適用范圍窄；同時，在各種模型之間銜接不暢，模型之間的合作效率低下，對信息孤島的現(xiàn)象難以打破。總體而言，現(xiàn)有的標準體系不足以覆蓋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型的需求。3.3

標準體系急需完善工業(yè)行業(yè)一般先有產(chǎn)品后出標準，與傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)不同，信息通信行業(yè)通常先有標準后推產(chǎn)品。因此，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而言,信息通信標準的缺乏會阻礙行業(yè)的發(fā)展，信息模型的核心是實現(xiàn)信息的標準化。近年來，以國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）為主參與制定的標準雖然逐漸在信息模型中推廣，國內(nèi)在信息標準化方面也在不斷發(fā)力，但還沒有形成體系。3.4

應用推廣比較困難工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景復雜，對信息的處理方式多種多樣，與傳統(tǒng)的信息處理方式相比，信息模型對信息的標準化處理要求更高。信息模型在發(fā)展過程中，需要持續(xù)的技術(shù)、資金、人員等投入，在商業(yè)應用和推廣過程中也面臨著基礎薄弱、場景復雜、成效緩慢等眾多挑戰(zhàn)，將是一項長期、艱巨、復雜的系統(tǒng)工程。當前，信息模型整體仍處于起步階段。4

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息模型發(fā)展趨勢4.1

完善的標準體系逐步形成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是實現(xiàn)設備、物料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品和人之間的互聯(lián)互通。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標準和關(guān)鍵技術(shù)的不斷進步，面向行業(yè)的標準化信息應用需求也越來越大。一方面，標準化的信息可以解決工業(yè)領域不同廠家設備、不同設備型號等造成的信息孤島問題，提高信息利用效率，降低信息服務成本；另一方面，面向未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最實際的信息應用需求，通過解決行業(yè)內(nèi)部各類環(huán)境、應用需求的信息標準化技術(shù)，來解決行業(yè)間信息匯聚、融合理解等問題。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，信息模型將逐步實現(xiàn)標準體系的構(gòu)建。4.2

關(guān)鍵技術(shù)有序推進近年來，國內(nèi)外一些組織陸續(xù)開展了信息模型的相關(guān)研究工作，主要在信息模型的關(guān)鍵技術(shù)方面進行布局。國際方面，IEC針對數(shù)字工廠相關(guān)的信息模型進行研究，在數(shù)字化描述方面取得一些成果。德國西門子公司提出數(shù)字孿生的應用形式，通過信息模型實現(xiàn)對實體屬性和行為的數(shù)字化表述；德國電氣與電子制造商協(xié)會利用信息模型成功對資產(chǎn)管理殼的資產(chǎn)進行描述，并實時體現(xiàn)資產(chǎn)的狀態(tài)；OPC基金會在OPCUA信息模型方面持續(xù)布局，通過定義統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)不同廠商軟件之間的數(shù)據(jù)交換；IVI則研究信息模型在實現(xiàn)相互通信和連接方面的相關(guān)技術(shù)。國內(nèi)方面，中國信息通信研究院、機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所、華為技術(shù)有限公司等機構(gòu)針對信息模型相關(guān)技術(shù)展開研究，主導發(fā)布了系列信息模型成果；中國科學院沈陽自動化研究所、航天云網(wǎng)科技發(fā)展有限責任公司等企業(yè)都在使用OPCUA技術(shù)，涉及信息模型的通用建模規(guī)則、模型元素定義、語義化描述方法等內(nèi)容。4.3

應用場景向多元化方向延伸伴隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)推進，工業(yè)通信技術(shù)更新?lián)Q代的節(jié)奏可能會超過之前的任一階段。傳統(tǒng)的信息交互方式嚴重制約了信息的互聯(lián)互通互操作，信息的利用效率低下。信息模型在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用，如數(shù)字孿生、資產(chǎn)管理殼、OPCUA等，將打破傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡眾多信息交互對象之間的壁壘，實現(xiàn)橫向和縱向信息的協(xié)同，降低信息交互成本。4.4

行業(yè)內(nèi)部呈現(xiàn)協(xié)同發(fā)展趨勢在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程中，設備與設備往往獨立操作；但對處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中心的智能工廠而言，現(xiàn)場設備層需要打通，并通過信息模型技術(shù)有機連接，實現(xiàn)工廠內(nèi)資源的垂直整合。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對信息的使用需求也會越來越大，各企業(yè)和研究機構(gòu)紛紛涉足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息標準化領域，試圖尋找一種有效、可靠的方法，實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。因此，信息模型的應用將促進行業(yè)內(nèi)部的協(xié)同發(fā)展。5

結(jié)束語信息模型的發(fā)展仍處于起步階段，國內(nèi)外關(guān)于該技術(shù)的研究正處于越來越熱的時期。為實現(xiàn)該技術(shù)沿著正確的發(fā)展方向前進，同時加快該技術(shù)的發(fā)展速度，本文針對信息模型的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢給出以下建議。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍廣，涉及領域繁雜,在各自的應用場景中，均有其適用的信息模型。為促進該技術(shù)的發(fā)展，建議各行業(yè)領域，甚至各應用場景開發(fā)適合自身的信息模型，并搭建信息模型服務平臺，由行