工业物联网的数据集成

随着网关技术的不断发展，创新、高效的软件解决方案及IT架构在工业物联网系统架构中将发挥着更为重要的作用。其中，工业物联网集成工业数据的一个关键问题在于如何利用软件、IT和创新算法来部署网络解决方案，从而使得生产效率更高。

（在一个典型的物联网应用拓扑中，包括两个网关层，一个在自动化网络中，另一个在两个防火墙之间的“隔离区”。）

当提及扩展和实施创新的物联网解决方案时，IT架构可以发挥关键的作用。关于IT与OT的接口模型，我们会面临哪些问题呢？这种接口对边缘和云有什么意义呢？数字化时代下的传统网关又是如何演变为灵活、高效的数据集成软件解决方案的呢？

一 IT架构问题

无论是数字化、工业4.0，还是工业物联网（IIoT），这些都具有一个共同点：如何利用软件、IT和创新算法来提高生产效率。很多公司和用户早在应用测试和验证项目中看到了这一点，但是，在将这投入到生产环境并进行广泛使用之前，还需要克服一些挑战。

关于体系架构的问题，或者更准确地说是IT体系架构，它在工业物联网中扮演着非常重要的角色。在工业物联网解决方案中采用了哪些标准和技术？云平台又是如何适用的？如何保证IT的安全性呢？

在整个工业物联网系统中，为确保不同的组件易于集成应在哪里使用开放的接口呢？哪些标准有较强的关联性呢？这些和其他架构问题的解决对于用户有效地应对由开发软件和IT系统的内在潜力所带来的挑战非常重要。

对于一个新项目而言，工业物联网应用程序和创新软件解决方案的投资回报率通常是不确定的，但它可以确保供应商在项目开始时保持成本可控，同时为解决方案提供可用性和可扩展性，并使其可面向未来。

工业物联网通常指的是使用集中式平台。该平台使应用程序可以部署在任何站点和任何工厂环境中，尽管各个站点之间在已安装设备和可用接口方面存在一些实际差异。一个好的架构将确保这个集中式平台的高效运行，同时降低工业物联网的投资程度。

创新在IT领域中仍保持高速：虽然工厂系统和安装的设备可能有几年甚至几十年的生命周期，但IT领域的创新周期是非常短的。因此，有关体系架构的决策，特别是在OT/IT接口方面，将极大地影响其在生命周期内能够被运营商开发出来的潜力，以及创新软件解决方案所提供的预期优化效果和相关成本控制。

高效使用IT：随着越来越多的资金被投入到了IT中以及IT成本的上升，有关IT系统整体效率的一般性问题变得更加重要。因此，关于体系架构和IT基础设施的决策对于工业物联网解决方案的总拥有成本（TCO，Total Cost of Ownership）至关重要。

二主要IT供应商的角色

随着软件和IT的重要性不断增长，传统的主要IT基础设施供应商也将在工业生产系统中发挥着更为重要的作用。

行业先锋是云平台的三巨头：亚马逊、微软和谷歌（也被称为“超大规模”供应商）。对于制造商来说，选择这些与之相关的公司有以下几个原因。

云平台通常在软件使用的成本和灵活性方面具有普遍的优势，然而，与企业IT不同的是，物联网需要在数据产生源头附近的分析处理能力，而不仅仅是在云端。因此，云服务供应商一直在用“边缘”（即本地数据的存储和处理）服务来补充自己的主平台。

近年来，云平台功能也得到了扩展，包括针对工业物联网应用的专门服务。除了为云、边缘和工业物联网提供基础设施和基础服务外，这些供应商还忙于开发机器学习和人工智能的创新算法。这些算法也可以被应用开发人员和系统集成商轻松使用。

（创新物联网解决方案的数据集成必须满足一系列的复杂要求，而框架问题的解决在实施中起着关键作用。）

三软件虚拟化的应用

至少在支持使用虚拟化技术来进行边缘计算的情形下，工业物联网云供应商使用的参考架构已经“标准化”了。在我们考虑工业用户的需求之前，需要先了解一下虚拟化的现状。

虚拟化利用整合机制来减少软件层和硬件层之间的依赖，这是在过去十年中IT的一大趋势。虚拟化可以使软件被简单、灵活地部署到广泛的硬件和系统环境中，而用户能够从中获得诸多益处，包括降低软件开发和维护的成本。虚拟化的一个具体例子是“容器化”。随着Docker服务的推出，“容器化”已经得到了越来越广泛的应用。这项技术现在主要用在边缘和云计算的物联网参考架构中。

然而，虚拟化技术绝不局限于云平台的交互。即使用户决定不再使用云平台，在设计实施创新、高效的软件解决方案（如工业物联网的解决方案）时，也有充分的理由需要使用虚拟化。

四自动化网络

典型的工厂系统和自动化网络是什么样子的呢？用户操作这些系统的要求有哪些？前面讨论的架构问题又是怎么与之相匹配的呢？

IT安全和网络拓扑架构是自动化网络的核心问题。自动化网络通常是在有两道防火墙的多层框架内运行。“隔离区”（DMZ）则位于这两道防火墙之间。自动化网络和公司网络（或互联网）之间没有直接连接，而且DMZ和自动化网络之间的通信必须要有安全保障。

因此，大多数工业物联网应用方案有必要使用至少两个网关层。其中一层包括了DMZ在内的所有边缘网关，它们与互联网或云平台（根据需要）建立连接。而自动化网络内的第二层IT/OT网关，它们可以直接与边缘网关通信，但不能与公司网络或云平台通信。

除了这些从网络拓扑架构中所得出的具体网络要求外，工业用户构建自动化网络还需要考虑数据集成和OT/IT接口的其他（功能）要求。

简而言之，这意味着已安装的工厂设备以及旧改项目将在未来几年内保持相关性和主导地位。虽然越来越多的新式设备可能会提供标准化接口，特别是基于OPC UA标准的接口，但是现在大多数已安装的设备却无法提供标准化接口。

作为工业物联网解决方案的一部分，数据集成工作不仅仅是简单地将专有接口翻译成标准化协议，其中还有一些更为复杂的要求，如高效地处理大量的数据源，以及提供一套统一的软件应用来对接工厂或设备的特定接口，以实现多站点部署。构建自动化网络还需要能够灵活地应对IT安全要求——不仅要在更大程度上提高安全性，还要确保相关成本保持在可接受的水平。

五 IT/OT网关架构

接下来是有关IT/OT网关的架构组成。传统上，这种网关“属于OT”，例如，它在一个地方安装和运行，目的是为HMI系统或数据库提供来自自动化网络的数据。这些传统的应用方式在工厂系统的生命周期内变化很小。因此，在传统的方案用例里需要一个低维护成本的产品，可以在其配置几乎不被改变的情况下运行多年。然而，创新的工业物联网解决方案将对这种网关或数据集成方案有着截然不同的要求。这些要求包括以下内容。

动态、灵活的载荷配置。在许多情况下，将产生的所有数据发送到位于DMZ的边缘网关是不可取的，甚至在技术上也是不可行的。用户需要选择对有效载荷进行简单的配置，以及在工厂系统的生命周期内对这种配置进行有效的修改，例如当一个新的软件应用需要访问尚未被边缘网关所提供的数据时。

灵活的可扩展性。很少有用户能推测出几年后有哪些新的软件或工业物联网应用可能会引起人们的兴趣。因此，数据集成解决方案必须足够灵活，以便能够支持未来的应用程序，而无需从头开始再进行数据集成......

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