工业互联网上云平台建设方案研究

王泓霖

摘 要：【目的】基于工业制造数字化转型升级的要求，对工业互联网上云平台进行设计，实现工业设备的智能化管理。【方法】通过对工业互联网上云平台建设背景及发展趋势的研究，从边缘连接层、基础设施、平台即服务（PaaS）、区块链即服务（BaaS）、软件即服务（SaaS）、安全态势感知及综合防护服务、二级标识解析节点系统等方面出发，搭建工业互联网上云平台，并验证工业互联网上云平台的整体效益。【结果】工业互联网上云平台的建设不仅能有效解决工业设备运营监管难题，形成完善的设备运维生命周期闭环，还能实现监测工业设备运行状态、预测预警和性能优化的目的。【结论】随着工业互联网技术的不断发展，需要不断优化工业互联网上云平台的功能，助力工业制造高质量发展。

关键词：工业互联网平台；工业设备上云；产业发展；工业制造

中图分类号：TP393.09       文献标志码：A        文章編号：1003-5168（2023）14-0031-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.006

Research on Cloud Platform Construction Scheme on Industrial Internet

WANG Honglin

（Weihai Electronic Information Technology Comprehensive Research Center of Ministry of Industry and

Information Technology，Weihai 264200，China）

Abstract：[Purposes] Based on the requirements of digital transformation and upgrading of industrial manufacturing， the cloud platform on the industrial Internet was designed to realize intelligent management of industrial equipment. [Methods] Through the research on the construction background and development trend of cloud platform on the industrial Internet， the cloud platform on the industrial Internet was built from the aspects of edge connection layer， infrastructure， platform as a service （PaaS）， blockchain as a service （BaaS）， software as a service （SaaS）， security situation awareness and comprehensive protection service， secondary identification resolution node system， and the overall benefits of the cloud platform on the industrial Internet are verified. [Findings] The construction of cloud platform on the industrial Internet can not only effectively solve the difficult problem of industrial equipment operation supervision and form a perfect closed-loop life cycle of equipment operation and maintenance， but also achieve the purposes of monitoring the operation state of industrial equipment， forecasting and early warning and optimizing performance. [Conclusions] Based on the continuous development of industrial Internet technology， it is necessary to continuously optimize the functions of the cloud platform on the industrial Internet to help the high-quality development of industrial manufacturing.

Keywords： industrial Internet platform; industrial equipment on the cloud; industrial development; industrial manufacturing

0 引言

我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，这就要求加快转变经济发展方式，优化经济结构，转换增长动力。由于新冠疫情，制造业产能的准确评估、物资生产进度的实时监控、物资品质信息的精准溯源及生产人员缺口情况下的产能保障、跨地域情况下供应链的高效协同，每一项都让制造业迎来“大考”。当前制造企业出现各种问题，凸显出工业互联网平台建设对制造企业的重要性。工业互联网上云是基于数字经济发展的必然趋势，以工业互联网平台为支撑，通过对工业设备数字化、网络化的升级改造，将工业设备与工业互联网系统相连，以此来实现对工业设备运行数据的实时监测、分析等，从而提升工业设备的整体能效。为适应我国工业数字化转型升级建设需求，基于构建现代智能制造产业的要求，提出构建工业互联网上云平台，实现对工业设备的实时监测、故障诊断、优化能效、提升交易能力等，从而达到提高工业设备利用效率、减少污染排放、防范化解经济风险、降低工业设备维护成本等目的。

1 工业互联网上云平台研究

1.1 工业互联网上云平台建设背景

工业设备上云是工业互联网上云平台建设的切入点。工业设备上云作为一种先导性、引领性、示范性应用，将引导工业互联网平台技术和商业模式的迭代升级，带动工业互联网平台的功能演进和规模商用。当前，全球经济进入重塑新阶段，新一轮科技革命和产业变革将有效带动我国工业制造领域的创新发展。工业互联网平台是数字经济的产物，工业设备上云是传统工业制造与互联网技术融合后的产物。目前，国内外对工业设备上云产业的支持力度越来越大。进入新发展阶段，中国高度重视工业设备上云工作。2018年工信部印发的《工业互联网平台建设及推广指南》明确提出要实施工业设备上云“领跑者”计划［1］；2022年工信部印发的《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》，对工业互联网创新发展指出具体的发展路径；2020年山东省政府印发的《关于加快推动工业设备上云 促进工业互联网创新发展的指导意见》指出要大力发展工业设备上云；2021中国电子信息产业发展研究院信息化与软件产业研究所工业互联网研究室发布的《“工业互联网平台+设备上云”白皮书》中对工业设备上云的定位、技术要素及实施路径等进行详细阐述，提出我国工业设备上云产业具有良好的发展需求、巨大的发展潜力及广阔的应用场景；2022年工信部印发的《2022年第三批行业标准制修订和外文版项目计划的通知》对风电设备、火力发电设备、近海船舶设备及工业机器人等4项工业互联网平台设备上云系列行业标准正式立项。在一系列政策的支持下，中国工业互联网平台和工业设备上云产业均取得巨大突破。截至2021年，我国已有100多个重点工业互联网平台，连接的设备数量已经超过7 000万台，我国工业设备上云产业规模也越来越大［2］。

虽然我国工业设备上云产业取得了优异的成绩，但我国工業设备上云产业发展起步较晚，工业设备上云产业面临数据采集难、安全风险高、工业机理模型缺失、工业APP匮乏等问题，尤其是当前芯片等“卡脖子”技术尚未得到有效解决，导致我国工业设备上云产业发展还面临巨大挑战。我国要加快推进工业设备“智”改升级，推动工业设备数字化转型升级。

1.2 工业互联网上云平台发展趋势

通过对我国工业互联网平台发展现状进行分析，我国工业互联网上云平台建设主要呈现以下发展趋势。

1.2.1 设备上云技术开发。技术开发是工业互联网产业发展的核心要素。当前，工业设备上云存在信息“孤岛”问题，严重制约工业互联网产业的发展。解决信息“孤岛”的关键就是要加强技术创新，通过打造具有产业融合的大数据技术来增强设备上云产业的发展。根据调查发现，目前关于设备上云技术的网络开发都只是立足于几种网络共享技术，并没有立足于工业互联网产业整体发展。因此，基于设备间的异构性特征来开发物理层融合和MAC底层协议是设备融合发展的主要趋势。

1.2.2 工业大数据处理。我国进入大数据发展新时代，大数据成为支撑工业设备上云的重要技术。在海量的数据信息环境中，及时充分地挖掘数据价值是提升工业制造水平的关键。当前，工业设备上云大数据技术能有效、快速地从工业设备中挖掘相应数据，但基于工业互联网平台的开放性，导致数据存储量较大，给工业设备上云带来一定的技术挑战。将数据处理由应用层向边缘转化，在感知层快速挖掘出有用的数据信息将成为工业设备上云产业发展的主要趋势之一。

1.2.3 工业互联网安全。安全是工业设备上云产业发展的前提。由于工业互联网平台是开放的，是由各个架构体系连接而成的，必须重视网络安全。工业设备上云增加工业企业间的联系性，但工业互联网平台的网络防范技术相对比较单一，基于不同应用场景会存在一定的技术缺陷。因此，围绕工业设备上云过程的数据采集、传输、分析及应用等环节，构建系统的、有效的入侵防范体系、移动设备跨域认证法，将会成为工业互联网平台发展研究的热点［3］。

2 工业互联网上云平台整体功能架构

2.1 边缘连接层

基于边缘连接提供数据应用全过程的服务支撑，实现设备数据的全面连接和融合，打破数据“孤岛”，构建设备或生产大数据的资源池；以设备数据为核心，构建集中化、统一化监控管理，面向设备状态，实现精准的运维保障；通过大数据学习，建立故障预测、寿命预测、劣化趋势分析等创新应用，发掘设备的大数据价值；具备开放性服务能力，能快速构建和拓展应用，促进智能化场景的落地。物联网平台采用微服务来开发架构，可满足百万级海量设备的并发接入，并实时支持平台的动态高可扩展性需求。

2.2 基础设施即服务（IaaS）层

IaaS层作为工业互联网平台的底座，可实现工业互联网平台资源的弹性和按需扩展，同时能满足平台企业上云需求。IaaS层集中建设高性能计算集群和普通计算集群，可形成集中式高性能存储、对象存储、分部署存储等模式，采用面向未来的同构混合架构，对客户的私有云和公有云进行同构混合管理。在同一个云管平台中按照“统一门户、统一认证、统一运营、统一运维、统一北向API、统一服务目录、统一操作系统、统一技术体系”原则，实现同构混合。建设时可结合威海本地运营商数据中心的建设情况，按照资源整合与投入利用效率最大化原则来统筹建设数据中心资源，为工业互联网平台提供稳定运行的基础环境。

2.3 平台即服务（PaaS）层

PaaS层为工业应用软件开发提供平台支撑，由通用PaaS（IPaaS）和应用PaaS（APaaS）构成。通用PaaS包括开发工具库、开发脚本库、应用部署库、中间件，提供应用开发、部署的基础能力；应用PaaS包括四大公共库和四大开发池，即设备知识库、微服务组件库、机理模型库、算法模型库和微服务开发池、应用系统开发池、自动化设备开发池、大数据开发池，为工业应用开发提供所需的丰富资源服务。

2.4 区块链即服务（BaaS）层

区块链即服务（Blockchain as a Service，BaaS）是指将工业区块链框架嵌入到工业互联网平台中，利用区块链服务基础设施的部署和管理优势，提供便捷、高性能的区块链生态环境和生态配套服务，从而构建安全可信、稳定可靠、快速高效的工业区块链服务［4］。

2.5 软件即服务（SaaS）层

SaaS层是面向特定场景的，可提供场景化的云化智能工厂解决方案和行业内的供需对接交易平台服务。工业互联网上云平台的SaaS分为工业经营应用、创新场景化工业应用等服务，为工业企业提供从咨询测评、运营管理到协同制造、设备后服务等全方位的精细化服务，形成智能制造核心能力评估服务、智能制造监测平台服务等场景化解决方案。

2.6 安全态势感知及综合防护服务

工业互联网平台服务的对象以工业企业为主，目的是帮助企业实现全面数字化，因此，对安全风险进行控制是非常重要的。需要开展安全态势感知和综合防护平台建设，为工业APP发布的业务系统提供安全风险监测服务，包括高可用性风险监测、非法篡改风险监测、平台漏洞风险监测和平台合规性风险监测等。通过大数据引擎技术来收集各业务应用系统的脆弱性信息数据，建立基于安全威胁的信息安全数据仓库；通过定制化数据清洗和筛选技术处理后，从不同安全维度出发，将各业务信息系统安全状况直观地展示给工业互联网平台运营中心。

2.7 二级标识解析节点系统

标识解析二级节点上接国家顶级节点，下接企业节点，是工业互联网标识解析系统重要组成部分。二级解析节点平台利用标识和标签技术，通过云平台将消费者、企业、流通连接起来，从而打通供应链每个环节，实现各类割裂数据的集成和应用，打造更加高质量的产业生态。在此基础上孵化行业应用，提供全面的产品防伪溯源、供应链管理、精准營销、品牌建设等［5］。

3 工业互联网平台工业设备上云系统效益

3.1 经济效益

3.1.1 工业互联网平台工业设备上云系统的应用能促进企业设备管理的科学化、规范化。提高工业设备科学化管理水平是提升工业设备经济效益的关键。通过构建工业互联网平台设备上云系统，依托互联网平台对设备管理全过程进行有效监督，制定事前、事中及事后相结合的设备运行管理评价体系，实现对工业设备的标准化管理，最大程度降低设备维修概率。

3.1.2 提高设备可利用率，增加收益。通过对设备的预防性维护，提高设备完好率，减少设备发生故障的时间，降低设备故障率，提高设备利用效率。

3.1.3 优化安排维修资源，降低成本。维修成本高低是影响企业整体效率和高效生产的重要因素。在构建完成工业设备上云系统后，能立足于企业整体发展视角对设备相关资源进行实时跟踪审计，提升企业库存管理效率。同时，借助工业上云系统，按照工业设备的检修计划来合理安排资源的采购及使用，这样能确保工业设备得到及时检修，降低设备故障发生率。

3.1.4  设备运行过程更加透明。通过对设备数据的实时采集，可实时查看到设备运行状况， 并对设备报警作出及时有效的处理，提高设备的利用率。

3.1.5  减少人员，降低成本。能有效减少程序管理人员的数量，缩短设计阶段的开发时间，减少由人员操作失误造成的程序版本调用错误，提高工作效率。通过对设备的远程运维，可有效降低设备运维人员的差旅成本。

3.2  社会效益

有助于企业打造一个基于工业互联网平台的全要素、全产业链、全价值链的工业设备上云解决方案，实现全过程的数据采集、全要素的数据分析、全价值链的动态管理，为各工业产业提供示范效应。同时，构建一个可持续的基于工业互联网平台的工业设备上云开发者生态。通过推出基于数据采集网关的开源数据采集模块，制定相应的开发机制、方法、工具，培养开发者社区，建立良好的运营机制，为将来工业互联网的应用和人才培养起到促进作用。

3.3 应用前景

打造基础共性工业互联网平台，推动工业产业智能化升级。基于工业互联网平台的工业设备上云解决方案对电子信息、新材料、海洋等战略性新兴产业和特色重点行业的各环节生产设备进行接口分析，可形成多种设备的数据采集方案，从技术层面来构建全面的基础共性服务能力，包括物联网数据采集能力、海量数据的分析和建模能力、工业应用服务及组件开发能力、AI工业视觉资源应用能力、标识统一解析能力、安全态势感知防护能力等，从而满足不同行业企业的基础共性应用场景数字化需求，在同行业企业中可大范围复制推广，能有效降低战略性新兴产业和特色重点行业设备上云的经济成本［6］。

4 结语

工业互联网已成为制造业数字化转型的重要方向，构建工业互联网上云平台是助力工业制造智能化生产、实现工业制造强国战略的重要举措。因此，为推动工业企业生产工艺与互联网系统的深度融合，需要建立完善的工业互联网上云平台，来加速我国制造业升级转型，促进制造业高质量发展。

参考文献：

［1］陆峰.工业互联网发展需要解决的五个关键问题［J］.网络安全和信息化，2020（7）：26-27.

［2］赵锟.山东省企业上云政策对上云水平影响研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2021.

［3］周忠亮.基于工业互联网平台的设备健康管理系统的设计与应用［J］.石油化工设备技术，2022（6）：54-61，7.

［4］姬晓婷.“工业互联网平台+设备上云”白皮书发布［N］.中国电子报，2021-10-29（004）.

［5］刘艳.重塑制造业之前 工业互联网平台还要跨越哪些难关［N］.科技日报，2021-05-07（005）.

［6］余娜.工业互联网平台创新发展论坛在乌镇召开［N］.中国工业报，2021-12-14（002）.