工业互联网体系架构版本20.docx

1、工业互联网体系架构版本20工业互联网体系架构编写说明当前，以新一代信息技术为驱动的数字浪潮正深刻重塑经济社会的各个领域，移动互联、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术与各个产业深度融合，推动着生产方式、产品形态、商业模式、产业组织和国际格局的深刻变革，并加快了第四次工业革命的孕育与发展。而越来越清晰的是，工业互联网是实现这一数字化转型的关键路径，构筑了第四次工业革命的发展基石。2016 年，工业互联网产业联盟（AII）发布了工业互联网体系架构（版本 1.0），推动产业各界认识层面统一，为开展工业互联网实践提供了参考依据。通过几年来的理论和实践探索， 工业互联网已从概念形成普及进入到应用实践推

2、广的新阶段，业界对工业互联网的发展方向已有高度的共识。在这一过程中，国内外均形成了大量的探索实践，工业互联网几乎涵盖了工业的各个行业、大中小各类企业乃至实体经济的各个领域，新一代信息技术与制造、能源、交通、医疗、服务等技术的融合集成初步显现了其巨大的生命力和创造力，为进一步创造新的生产力和发展动能奠定了基础。也因如此，丰富和多样化的企业实践和各类新技术的应用也对工业互联网的体系架构提出了新的需求：如何定义一个更加通用化的架构体系以指引各个领域的系统性布局，如何打通数字化转型、业务体系、商业变革和工业互联网技术架构的关系以更好指导企业的发展实践，如何充分考虑技术发展演进和落地实施部 署需求以更好

3、定义工业互联网的层次架构、功能划分和接口关系， 从而为产业界提供科学、清晰和可操作的指南。基于此，工业互 联网产业联盟在工业和信息化部的指导下，凝聚产业界共识，研究制定了工业互联网体系架构（版本 2.0），在继承版本 1.0 核 心理念、要素和功能体系的基础上，从业务、功能、实施等三个 视图重新定义了工业互联网的参考体系架构，并逐一进行了展开， 希望作为当前阶段的一个认识，为政府、企业、科研机构、投资 者等利益相关方提供引导和参考，共同推动工业互联网的创新发 展。本报告主要分为八个部分。第一部分介绍了工业互联网的内涵与意义。第二部分回顾了体系架构 1.0 版本，并介绍 2.0 版本的定位与作用

4、。第三部分明确工业互联网体系架构 2.0 的设计方法论，剖析工业互联网体系架构 2.0 的整体视图。第四部分深入分析工业互联网体系架构 2.0 的业务视图，并给出产业、企业、工厂等不同层面业务目标与应用方向。第五部分剖析工业互联网体系架构 2.0 的功能架构，探究网络、平台、安全三大体系的功能视图、现状分析、存在的问题，并指出未来的发展趋势。第六部分着重分析工业互联网体系架构 2.0 的实施框架，描述网络、标识、平台、安全部分实施部署方式和关键要素。第七部分对工业互联网技术体系进行梳理。第八部分分析企业结合体系架构2.0 在垂直行业的应用实践。一、工业互联网的内涵与意义当前全球经济社会发展正面

5、临全新挑战与机遇，一方面， 上一轮科技革命的传统动能规律性减弱趋势明显，导致经济 增长的内生动力不足。另一方面，以互联网、大数据、人工 智能为代表的新一代信息技术发展日新月异，加速向实体经 济领域渗透融合，深刻改变各行业的发展理念、生产工具与 生产方式，带来生产力的又一次飞跃。在新一代信息技术与 制造技术深度融合的背景下，在工业数字化、网络化、智能 化转型需求的带动下，以泛在互联、全面感知、智能优化、安全稳固为特征的工业互联网应运而生。工业互联网作为全 新工业生态、关键基础设施和新型应用模式，通过人、机、物的全面互联，实现全要素、全产业链、全价值链的全面连 接，正在全球范围内不断颠覆传统制造模

6、式、生产组织方式 和产业形态，推动传统产业加快转型升级、新兴产业加速发 展壮大。工业互联网是实体经济数字化转型的关键支撑。工业互联网通过与工业、能源、交通、农业等实体经济各领域的融合，为实体经济提供了网络连接和计算处理平台等新型通用基础设施支撑；促进了各类资源要素优化和产业链协同，帮助各实体行业创新研发模式、优化生产流程；正推动传动工业制造体系和服务体系再造，带动共享经济、平台经济、大数据分析等以更快速度、在更大范围、更深层次拓展，加速实体经济数字化转型进程。工业互联网是实现第四次工业革命的重要基石。工业互联网为第四次工业革命提供了具体实现方式和推进抓手，通过人、机、物的全面互联，全要素、全产

7、业链、全价值链的全面连接，对各类数据进行采集、传输、分析并形成智能反馈，正在推动形成全新的生产制造和服务体系，优化资源要素配置效率，充分发挥制造装备、工艺和材料的潜能，提高企业生产效率，创造差异化的产品并提供增值服务，加速推进第四次工业革命。工业互联网对我国经济发展有着重要意义。一是化解综 合成本上升、产业向外转移风险。通过部署工业互联网，能 够帮助企业减少用工量，促进制造资源配置和使用效率提升， 降低企业生产运营成本，增强企业的竞争力。二是推动产业 高端化发展。加快工业互联网应用推广，有助于推动工业生 产制造服务体系的智能化升级、产业链延伸和价值链拓展， 进而带动产业向高端迈进。三是推进创新

8、创业。工业互联网 的蓬勃发展，催生出网络化协同、规模化定制、服务化延伸 等新模式新业态，推动先进制造业和现代服务业深度融合， 促进一二三产业、大中小企业开放融通发展，在提升我国制 造企业全球产业生态能力的同时，打造新的增长点。二、工业互联网体系架构 2.0：定位与作用面向第四次工业革命与新一轮数字化浪潮，全球领先国 家无不将制造业数字化作为强化本国未来产业竞争力的战 略方向。主要国家在推进制造业数字化的过程中，不约而同 把参考架构设计作为重要抓手，如德国推出工业 4.0 参考架构 RAMI4.0、美国推出工业互联网参考架构 IIRA、日本推出工业价值链参考架构 IVRA，其核心目的是以参考架构

9、来凝聚产业共识与各方力量，指导技术创新和产品解决方案研发， 引导制造企业开展应用探索与实践，并组织标准体系建设与 标准制定，从而推动一个创新型领域从概念走向落地。我国为推进工业互联网发展，由中国工业互联网产业联盟于 2016 年 8 月发布了工业互联网体系架构（版本 1.0）（以下简称“体系架构 1.0”）。体系架构 1.0 提出工业互联网网络、数据、安全三大体系，其中“网络”是工业数据传输交换和工业互联网发展的支撑基础，“数据”是工业智能化的核心驱动，“安全”是网络与数据在工业中应用的重要保障。基于三大体系，工业互联网重点构建三大优化闭环，即面向机器设备运行优化的闭环，面向生产运营决策优化的

10、闭环， 以及面向企业协同、用户交互与产品服务优化的全产业链、全价值链的闭环，并进一步形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等四大应用模式。图 1 工业互联网体系架构 1.0（一）工业互联网体系架构 1.0 的进展与成效工业互联网体系架构 1.0 自发布以来，在凝聚我国政产学研用各界共识，指导技术研究、产品开发、实践应用、产业发展、生态打造、国际合作等诸多领域发挥了重要作用。一是推动工业互联网相关基础研究。基于体系架构 1.0，工业互联网产业联盟组织编写了 56 份研究报告，涵盖网络、数据、平台、安全、应用等各领域，基本形成了对工业互联网的体系化认识。二是促进工业互联网技术创新与产品

11、开发。工业互联网产业联盟组织设立了 55 个测试床，重点开展了5G、大数据、人工智能、区块链、边缘计算等技术在制造场景的测试验证，并结合体系架构 1.0 提出的网络、数据、安全等方向，输出了数百项产品和解决方案。三是指导工业互联网标准体系建设。体系架构 1.0 为工业互联网标准化工作提供理论框架与方向指引，推动工业互联网综合标准化体系建设指南的出台，助力工业互联网产业联盟陆续建立起工业互联网标准体系 1.0 和 2.0 版本，并已成功立项平台通用要求、安全总体要求 8 项联盟标准，形成对新兴领域关键技术、核心架构、测试评估、成果转化等方面的规范和指引。 四是引导工业互联网应用探索与实践。工业互

12、联网产业联盟 遴选出 163 个优秀示范案例，在钢铁、石化、汽车、家电、信息电子、高端装备等十余个行业和典型制造场景开展了网 络、平台、安全等方面的应用试点，以标杆试点强化应用推 广，推进体系化应用探索与落地。五是推进国际对接与开放 合作。工业互联网产业联盟与美国 IIC 基于顶层架构的共性开展了 IIRA 与体系架构 1.0 的对接和映射，也在积极与德国对接开展体系架构互认并联合发布实践报告等成果，组建工 业互联网专家工作组等多个执行对接组，为工业互联网技术、产业、标准等层面的国际合作与共识达成奠定基础。（二）从 1.0 到 2.0：工业互联网体系架构的演进体系架构 1.0 发布三年多以来，

13、工业互联网的概念与内涵已获得各界广泛认同，其发展也正由理念与技术验证走向规模化应用推广。这一背景下，有必要对体系架构 1.0 进行升级，特别是强化其在技术解决方案开发与行业应用推广的实操指导性，以更好支撑我国工业互联网下一阶段的发展。具体来说，一是提供一套可供企业开展实践的方法论。重点是构建一套由“业务需求功能定义实施部署”构成的方法论，使企业能够结合自身业务特点，明确所需要的工业互联网核心功能，并进而指导相应软硬件系统的设计、开发与部署。二是从战略层面为企业开展工业互联网实践指明方向。重点是明确企业通过工业互联网实现数字化转型的核心方向与路径，结合企业基础确立商业战略与细分目标，充分发挥工业

14、互联网实践价值，构建企业转型升级优势。三是结合规模化应用需求对功能架构进行升级和完善。重点是从企业工程化应用视角，参考领先企业实践经验与最新技术发展，对工业互联网功能原理进行明确与完善，形成一套实操性更强的网络、平台、安全功能体系。四是提出更易于企业应用部署的实施框架。重点是强化与现有制造系统的结合， 明确各层级的工业互联网部署策略以及所对应的具体功能、系统和部署方式，以便对企业实践提供更强参考作用。基于上述四方面考虑，工业互联网产业联盟组织研究提出了工业互联网体系架构 2.0，旨在构建一套更全面、更系统、更具体的总体指导性框架。在发展和演进的同时，工业互联网体系架构 2.0 也充分继承了体系

15、架构 1.0 的核心思想。一是体系架构 2.0 仍突出数据作为核心要素。业务视图的数字化转型方向、路径与能力实质由数据所驱动，功能架构的网络、平台、安全服务于数据的采集、传输、集成、管理与分析，实施框架则核心回答了如何通过部署工业互联网，提升现有制造系统的数据利用能力。二是体系架构 2.0 仍强调数据智能化闭环的核心驱动及其在生产管理优化与组织模式变革方面的变革作用。基于体系架构 1.0 提出的三大智能化闭环，体系架构 2.0 将其归纳为共性的数据优化闭环，体现其在工业互联网系统中无处不在的特征。这一数据优化闭环既可以作用于企业现有生产和管理，使之更加精准智能，也可以作用于资源配置优化与生产方

16、式重构，引发商业模式创新。三是体系架构 2.0 继承了三大功能体系。考虑到体系架构 1.0 中网络、数据、安全在数据功能上存在一定重叠，如网络体系包含数据传输与互通功能，安全体系中包含数据安全功能，因此在体系架构2.0 中以平台替代数据，重点体现 1.0 中数据的集成、管理与建模分析功能，形成网络、平台、安全三大体系，但功能内涵与 1.0 基本一致。三、工业互联网体系架构 2.0：总体框架（一）体系架构设计方法论工业互联网是借助新一代信息通信技术实现工业数字化转型的复杂系统工程，融合了工业、通信、计算机软件、数据科学等诸多领域的最新技术与产业实践，因此在体系架构 2.0 的研究设计中，一方面充

17、分参考了主流的架构设计方法论，包括以 ISO/IEC/IEEE 42010 为代表的系统与软件工程架构方法论，和以开放组体系结构框架（TOGAF）、美国国防部体系架构框架（DODAF）为代表的企业架构方法论，以提升架构设计的科学性和体系性；另一方面借鉴现有相关参考架构的设计理念与关键要素，包括以工业互联网参考架构（IIRA）为代表的软件架构，以工业 4.0 架构（RAMI 4.0） 和工业价值链参考架构（IVRA）为代表的工业架构，和以物联网参考架构（ISO/IEC 30141）为代表的通信架构。在架构设计方法论层面，体系架构 2.0 以 ISO/IEC/IEEE42010 系统与软件工程标准

18、为主要方法，重点参考该方法在架构设计中，对视图、需求、系统、环境、模型等各类架构要素及相互关系的阐述，以此明确体系架构 2.0 研究设计的基本框架、描述方式与关键要素。考虑到体系架构 2.0 将对企业应用实践发挥重要指导作用，因此在设计中也参考了TOGAF、DODAF 等企业架构设计方法，在业务视图中突出了企业商业愿景与业务需求，并借鉴从通用架构到行业架构、企业架构过程中的应用推广方法。在架构设计内容和要素方面，体系架构 2.0 充分参考了工业、软件和通信等领域具有代表性的架构。考虑到体系架构 2.0 将重点服务于工业领域，因此在架构设计中参考了RAMI 4.0 等典型架构对于工业体系的理解，

19、包括基于 ISA-95 的由现场设备到经营管理系统的层级划分，以及 IEC62890 标准体现的从虚拟原型到实物制造的产品/资产全生命周期理念。此外，考虑到数据在工业互联网中的核心驱动要素作用，体系架构 2.0 也参考了 IIRA 以数据为牵引，定义控制、运营、信息、应用等功能域，描述信息流和决策流的功能架构设计理念，以及 ISO/IEC 30141 等通信典型架构对于不同设备、系统之间互联互通的设计理念。（二）工业互联网体系架构 2.0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，自上向下层

20、层细化和深入。图 2 工业互联网体系架构 2.0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。这在企业内部将会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

21、功能原理总体视图，形成物理实体与数字空间的全面联接、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

22、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。四、业务视图（一）工业互联网的总体业务视图业务视图包括产业层、商业层、应用层、能力层四个层 次，其中产业层主要定位于产业整体数字化转型的宏观视角， 商业层、应用层和能力层则定位于企业数字化转型的微观视 角。四个层次自上而下来看，实质是产业数字化转型大趋势 下，企业如何把握发展机遇，实现自身业务的数字化发展并 构建起关键数字化能力；自下而上来看，实际也反映了企业 不断构建和强化的数字化能力将持续驱动其业务乃至整个 企业的转型发展，并最终带来整个产业的数字化转型。工业 互联网业务视图如图 3

23、 所示。图 3 工业互联网业务视图（二）业务视图-产业层“产业层”主要阐释了工业互联网在促进产业发展方面的主要目标、实现路径与支撑基础。从发展目标看，工业互联网通过将自身的创新活力深刻融入各行业、各领域，最终将有力推进工业数字化转型与经济高质量发展。为实现这一目标，构建全要素、全产业链、全价值链全面连接的新基础是关键，这也是工业数字化、网络化、智能化发展的核心。全面连接显著提升了数据采集、集成管理与建模分析的水平，使各类生产经营决策更加精准和智能，同时也使各类商业和生产活动的网络化组织成为可能，大幅提高资源配置效率。基于这一新基础，一是一批以数据为核心，提供数据采集、网络传输、数据管理、建模分

24、析、应用开发与安全保障等相关产品和解决方案的企业快速成长兴起，形成一个工业数字技术的“新产业”，并成为各行业数字化转型的关键支撑；二是各行业纷纷探索运用工业互联网提升现有业务，形成智能化生产、网络化协同、个性化定制、服务化延伸等一系列数字化转型的“新模式”，这之中既有数据智能对现有业务的优化提升，也有基于网络化组织带来的模式创新与重构； 三是伴随产业数字化转型的深入，将在诸如网络众包众创、制造能力交易、产融结合等领域涌现一批服务企业，形成数字化创新的“新业态”。新产业、新模式、新业态共同构成了产业高质量发展的新动能，同时也是工业互联网价值创造的关键路径。工业互联网业务视图产业层架构如图 4 所

25、示。面向 CEO 等企业高层决策者，用以明确在企业战略层面，如何通过工业互联网保持和强化企业的长期竞争优势。从目标愿景来看，在数字化发展趋势下，企业应加快依托工业互联网来构建数字化转型的竞争优势，形成以数据为核心驱动的新型生产运营方式、资源组织方式与商业模式， 以支撑企业不断成长壮大。为实现上述目标愿景，企业可通过工业互联网，从提升价值、创新模式和降低成本三大战略方向进行努力。例如，在提升价值方面，工业互联网可以帮助企业更好对接客户， 通过产品创新实现更高附加价值；在创新模式方面，工业互联网可以推动企业由卖产品走向卖服务，创造新的业务模式和收入来源，甚至进一步实现生产、服务与信贷、保险、物流等

26、其他领域的创新融合，进一步释放数据价值红利；在降低成本方面，工业互联网通过数据驱动的智能，可以帮助企业在提高生产效率、减少停机与不良品、减少库存等一系列关键环节和场景发挥作用。上述三大战略方向可进一步分解和细化为若干战术目标，如商业模式、市场需求、产品质量、生产效率、运营管理、资源调配和交付速度等，这是工业互联网赋能于企业的具体途径。工业互联网实现企业各层级要素全面互联，对各类数据进行采集、传输、分析并形成智能反馈，助力企业生产效率、产品质量和运营管理提升，加快市场需求响应与交付速度，优化资源要素配置，强化商业模式创新，实现各类生产经营活动目标的提升优化。工业互联网业务视图商业层架构如图 5

27、所示。图 5 工业互联网业务视图商业层架构（四）业务视图-应用层发展。一是工业互联网通过对产品全生命周期的连接与贯通， 强化产品设计、流程规划到生产工程的数据集成与智能分析， 实现产品链的整体优化与深度协同。如通过工业互联网网络 互联实现项目人员异地远程在线协同，以及模型、机理等各 类数据远程共享，企业可以低成本高效率地完成产品、工艺 的协同研发和优化。二是工业互联网面向企业业务活动，一 方面支撑计划、供应、生产、销售、服务等全流程全业务的 互联互通，另一方面面向单环节重点场景开展深度数据分析优化，从而实现全价值链的效率提升与重点业务的价值挖掘， 例如，企业可通过工业互联网实现生产过程数据实时

28、采集与 连通，叠加机器学习、边缘计算、工业大数据分析等技术， 实现产品质量提升、能耗降低，提升生产制造环节价值。三 是工业互联网将孤立的设备资产单元转化为整合互联的资 产体系，支撑系统设计、建造、投产、运维、退役到报废与 回收等设备全生命周期多个环节数据集成串联，这为设备管 理难度大的企业，尤其是为重资产企业，提供轻便化、灵活 化、智能化的设备管理方式和产品后服务，实现资产链的全 面运维保障与高质量服务。例如，企业可以通过工业互联网 构建面向边缘设备的全面互联和感知能力，优化设备维护周 期，预测关键设备的故障，并进行远程的在线维护，从而提 高资产资源的可靠性和资产管理的经济效益。工业互联网业

29、务视图应用层架构如图 6 所示。图 6 工业互联网业务视图应用层架构（五）业务视图-能力层“能力层”描述了企业通过工业互联网实现业务发展目标所需构建的核心数字化能力。能力层主要面向工程师等具体技术人员，帮助其定义企业所需的关键能力并开展实践。按照上述工业互联网发展愿景、推进方向与业务需求， 企业在数字化转型过程中需构建泛在感知、智能决策、敏捷响应、全局协同、动态优化五类工业互联网核心能力，以支和交付速度，形成企业敏捷响应的能力；四是基于泛在感知、全面连接与深度集成，在企业内实现研发、生产、管理等不同业务的协同，探索企业运行效率最优，在企业外实现各类生产资源和社会资源的协同，探索产业配置效率最优

30、，最终建立全局协同的能力；五是通过对物理系统的精准描述与虚实联动，建立数字孪生，在监控物理系统同时，能够在线实时对物理系统的运行进行分析优化，使企业始终在最优状态运行，形成动态优化的能力。工业互联网业务视图能力层架构如图 7 所示。图 7 工业互联网业务视图能力层架构通过以上整体论述可以看出，传统的自动化和信息化是工业互联网的基础，同时工业互联网又是对传统自动化和信息化的升级拓展与变革创新。自动化和信息化本质是把生产操作和管理流程通过软硬件系统的方式予以固化，从而建立了垂直制造体系，实现业务流程抽象和基础数据积累，保证企业在结构化的框架下准确高效运行，这些奠定了工业互联网作用的基础环境。同时，

31、工业互联网从两个层面对传统自动化和信息化进行拓展创新：一是工业互联网将管理知识、工艺机理等各种隐性的经验显性化，形成数据驱动的智能。无论是设备资产、生产过程、管理运营还是商业活动，都存在大量未被挖掘利用、靠经验积累的知识、工艺、技术等，工业互联网将其转化为更精确的机理模型和数据模型，并通过平台等载体沉淀封装形成可复用、可移植的微服务组件、工业 APP 等，结合海量数据计算分析和决策优化，实现机理模型结合数据科学的智能化，这个过程突破了原有知识边界和封闭知识体系， 带来新的知识。二是工业互联网推动形成商业模式和生产组织方式的变革甚至重构。工业互联网打通企业生产、销售、运营、供应、管理等各个业务环

32、节和流程，通过全产业链、全价值链的资源要素连接，推动了跨领域资源灵活配置与内外部协同能力提升，并基于此形成了产融结合、平台经济、五、功能架构（一）工业互联网核心功能原理工业互联网的核心功能原理是基于数据驱动的物理系统与数字空间全面互联与深度协同，以及在此过程中的智能分析与决策优化。通过网络、平台、安全三大功能体系构建， 工业互联网全面打通设备资产、生产系统、管理系统和供应图 8 工业互联网功能原理在工业互联网的数据功能实现中，数字孪生已经成为关键支撑，通过资产的数据采集、集成、分析和优化来满足业务需求，形成物理世界资产对象与数字空间业务应用的虚实映射，最终支撑各类业务应用的开发与实现。工业互联网的详细数据功能原理如图 9 所示：底层“输入-输出”接口，包含感知、识别和控制、执行四类功能。感知是利用各类软硬件方法采集蕴含了资产属性、状态及行为等特征的数据，例如用温度传感器采集电机运行中的温度变化数据。识别是在数据与资产