工业互联网和软件定义

基于IT领域的软件定义基础架构，随着两化融合的加深和不断进步，现有的工业网络也提出了工业领域的软件定义基础架构。埃克森美孚公司在2014年正式提出工业领域开放系统安全和过程控制的下一代演变架构。并提交给ARC Forum一份“功能特征”的论文，详细描述了埃克森美孚公司对下一代工业网络架构的设想。其主旨的利用软件定义的方式，在通用的硬件上实现工业专用设备的“功能特征”以实现工业组件的标准化和自动化。埃克森美孚研究与工程公司的总工程师就如何推进这一举措提出了更新措施以及后续步骤。其中一项重大举措是建立开放集团新的开放流程自动化论坛，该论坛目前拥有102个成员。该论坛将重点研究开发基于标准的开放、安全、可互操作的流程控制架构。该论坛是一个基于共识的最终用户、系统集成商、供应商、学术界汇聚的标准组织。

在2015年埃克森美孚公司正式将他们的构想和他们寻求的集成商合作伙伴洛克希德•马丁（Lockheed Martin）公司签订合同，洛克希德•马丁负责具体实施该方案的设计和论证测试工作。这个完全开放和可互操作的系统架构利用物联网（IoT）、无线和云服务的机会实现工业网络的架构和技术革新。促使埃克森美孚公司开始研究和开发控制系统替代品，下面的这些趋势正在促使和积累这种的技术变革正在成为可能：

•航空电子设备使用开放系统

•电信网络中的实时虚拟化和软件定义网络（SDN）

•IT/OT网络安全创新

•IioT（物联网）、无线和云服务

此外2015年成立的“Coalitionof the Willing II”也致力于开发下一代的工业网络系统架构，Coalitionof the Willing (COW II) 项目也是一个将工业专用硬件设备和系统迁移到通用平台上实现的多阶段项目，主要目的是分解工业现有的专有设备和操作性功能模块，并设计出分布式智能平台，实现软件定义工业操作性功能模块，提高经济效益和实现增强上的操作等。

历史总是惊人的相似，这一幕和当初的PLC诞生是如此的相似，以至于我们不得不重视他们的创新与进展。

工业互联网把机器连入网络，并利用产生的数据为企业服务。工业互联网的数据来自安装在机器上的传感器。通过掌握和分析机器产生的海量数据可以精确地知道每一台机器每一个零件的运转情况，进而通过分析机制对每一台机器每一套设备提供量身定做的解决方案。

基于软件定义的工业互联网平台将硬件基础架构资源和软件基础架构资源分离开来，并自动执行计算、网络和存储环境的配置流程，并且该平台提供开放接口导入工业互联网上的海量数据。在此基础上，基于软件定义基础架构的平台，可以提取相关的数据进行分析。通过自动化运维系统，每一台机器，每一个零件都将具备智能分析、自我诊断和自我修复的功能。通过业务编排系统，形成生产全流程的智能决策，实现机器弹性控制、运营管理优化、生产协同组织与商业模式创新。具体实现如图所示。

图 来自网络

基于软件定义的工业互联网架构能够通过工业全系统的互联互通实现工业数据的无缝集成，从生产系统的内部智能化改造升级和依托互联网的新模式推进工业互联网的发展。

同时，在计算机发展到今天，软件定义已经不是什么新鲜事物，“软件定义一切”已经成了一句口头禅。提起软件定义，很早就有的概念是软件定义仪器。软件定义仪器的本质是用计算机来进行数据处理，完成仪器的核心功能。传统仪器通常采用专用硬件的方式完成核心功能，因此，在研制一台仪器的时候，重点在于研制这些专用硬件。然后将这些专用硬件拼装成一台仪器设备，配上特定的软件，最后形成一台仪器。而软件定义仪器的思想已经将仪器设备切分成通用模块和计算机两大部分。通用模块主要有各类数据采集模块、信号发生模块、电源模块、驱动模块等。这些模块是通用的，并且可以通过PXI等仪器总线互连在一起，形成一套硬件设备。在这些通用模块的基础上，核心的数据处理算法完全运行在计算机上，以及板载的FPGA上。对于仪器设备，硬件模块是通用的，不同的仪器具有不同的软件，这就是软件定义仪器，也被俗称为虚拟仪器。从此我们可以看出，软件定义仪器基于通用的硬件模块，不同的软件功能则实现了不同的仪器设备。美国的NI（国家仪器）一直在推动软件定义仪器。但是，在很多人眼里，这种软件定义仪器往往演变成了计算机仪器，以为在一台仪器设备中有了计算机之后，这个仪器设备就成了软件定义仪器。在没有理解软件定义仪器核心思想的时候，往往会感慨“虚拟仪器”真的好“虚”。其实，软件定义仪器的思想是测试测量行业的一大进步，其强调了信号处理在仪器领域的重要地位，并且将硬件抽象成了几类通用模块。传统只能通过硬件来提高精度的办法，如今可以采用强大的数字信号处理的方法的来实现。并且在通用硬件的基础上很快的构建仪器系统，这就是软件定义仪器的优势。

在工业互联网时代，应为工业化和信息化融合的需求建立创新性的体系架构。目前工业的专用设备也逐渐向软件定义工业设备方向发展，比如目前国外正在研发的虚拟PLC等。其目的就是将专用的PLC软硬件切分成通用模块和计算机两大部分。通用模块主要有各类IO模块、信号发生模块、电源模块、驱动模块等。这些模块是通用的。并且通过工业以太网互连在一起，并和最终的基于计算机的控制器连接形成虚拟PLC解决方案。目前包括西门子以及通用电气等均在实行这类方案的探索。这是典型的软硬件分离，和IT时代的虚拟化类似，将会基于解耦的PLC模块实现自动化、通用化和模块化，最终为软件定义设备提供基础架构支撑。

目前我们能够看到的是，工业互联网的体系架构正在第一阶段进行探索和试验，即解耦工业设备，将工业专用硬件设备和系统迁移到通用平台上实现，主要目的是分解工业现有的专有设备和操作性功能模块。待这一阶段技术目标达成后，和IT实现一样，继续往上实现软件定义工业设备，实现软件定义工业操作性功能模块，提高经济效益和实现增强上的操作等，达成工业互联网体系架构技术成熟度和工业4.0框架的技术支撑。