工业互联网产业联盟：工业互联网体系架构 （版本2.0）(118页).pdf

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1、 工业互联网体系架构 （版本 2.0） 工业互联网产业联盟（AII） 2020 年 4 月 声声 明明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、 数据、 观点、 建议， 不构成法律建议， 也不应替代律师意见。 本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟 所有（注明是引自其他方的内容除外） ，并受法律保护。如需 转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何 人不得将报告的全部或部分内容以发布、 转载、 汇编、 转让、 出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方 式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数 据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责

2、任。 工业互联网产业联盟 联系电话：010-62305887 邮箱： I 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达成共识，为开 展工业互联网实践提供了参考依据。 通过几年来的理

3、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

4、技术架构的关系以更好 II 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

5、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。 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

6、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。 III 工业互联网体系架构（版本 2.0） 编写过程中也获得了 众多专家的指导与帮助。 特别感谢工业和信息化部信息通信管理 局、信息技术发展司、网络安全管理局等对报告的全面指导。报 告编制中， 编写组就体系架构 2.0 设计关键问题先后征询了邬贺 铨、方滨兴、孙凝晖、于海斌、屈贤明、安筱鹏、吕卫锋、王飞 跃、韩秀成、赵敏、张俊等院士及专家意见，并结合意见对体系 架构 2.0 进行了多次修改和完善。 上海优也信息科技有限公司首 席技术战略官林诗万、 上海宝信软件股份有限公司首席技术官丛 力群、 华为

7、集团标准与产业部首席产业规划专家史扬等专家为报 告提出了详细的建设性指导意见， 为体系架构 2.0 研究和本报告 撰写提供了重要参考。此外，白皮书编写过程中也得到了联盟成 员及国内外众多企业的大力支持， 结合自身实践经验提供大量素 材，对白皮书中观点的形成和完善提出了重要建议。 在此一并感谢所有参与本报告编写， 以及为报告提供指导和 建议的专家、企业和机构。 IV 指导单位：工业和信息化部 组织单位：工业互联网产业联盟 牵头编写单位：中国信息通信研究院 参与编写单位（排名不分先后） ：华为技术有限公司、中国 航天科工集团有限公司、中国电信集团公司、海尔集团公司、中 国移动通信集团有限公司、中国

8、联合网络通信集团有限公司、中 国大唐集团公司、中国电子信息产业集团、清华大学、北京航空 航天大学、华东理工大学、中国科学院沈阳自动化研究所、上海 优也信息科技有限公司、上海宝信软件股份有限公司、三一集团 有限公司、北京东方国信科技股份有限公司、北京建谊投资发展 (集团)公司、上海威派格智慧水务股份有限公司、浪潮集团有限 公司、阿里巴巴网络技术有限公司、深圳市腾讯计算机系统有限 公司、 富士康工业互联网股份有限公司、 中兴通讯股份有限公司、 奇安信科技集团股份有限公司、用友网络科技股份有限公司、金 蝶国际软件集团有限公司、太极计算机股份有限公司、万向集团 公司、北京工业大数据创新中心有限公司、中

9、船工业互联网有限 公司、江苏徐工信息技术有限公司、石化盈科信息技术有限责任 公司、北京索为系统技术股份有限公司、埃森哲（中国）有限公 司、参数技术（上海）软件有限公司、ANSYS（中国）有限公司、 施耐德电气（中国）有限公司 编写组主要成员： V 中国信息通信研究院： 余晓晖、刘默、蒋昕昊、杨希、刘棣 斐、曹蓟光、张恒升、黄颖、李海花、刘阳、池程、田慧蓉、刘 晓曼、李艺、李铮、田洪川、谭小野、袁林、李亚宁、尹杨鹏、 陈绮瑶、肖荣美、王峰、王欣怡、罗松、杜加懂、魏凯 华为技术有限公司：张顺茂、史扬 中国航天科工集团有限公司：柴旭东、纪丰伟 中国电信集团公司：张东 海尔集团公司：陈录城、王晓凤、赵

10、榕、田浩、黄梓洋 三一集团有限公司：贺东东 清华大学：王建民、王晨 中国科学院沈阳自动化研究所：于海斌 阿里研究院：安筱鹏 上海宝信软件股份有限公司：丛力群、王奕、杨海荣 上海优也信息科技有限公司：林诗万 北京东方国信科技股份有限公司：邓尧刚、金风明、李阳 北京建谊投资发展(集团)公司：张鸣、孙永升、王宇 上海威派格智慧水务股份有限公司：杨峰、丁凯、李美玲 参数技术（上海）软件有限公司：刘强、郎燕 ANSYS（中国）有限公司：孙志伟 施耐德电气（中国）有限公司：庞邢健 I 目 录 一、工业互联网的内涵与意义 . 1 二、工业互联网体系架构 2.0：定位与作用 . 2 （一）工业互联网体系架构

11、1.0 的进展与成效 . 4 （二）从 1.0 到 2.0：工业互联网体系架构的演进 . 5 三、工业互联网体系架构 2.0：总体框架 . 7 （一）体系架构设计方法论 . 7 （二）工业互联网体系架构 2.0 . 9 四、业务视图 . 11 （一）工业互联网的总体业务视图 . 11 （二）业务视图-产业层 . 12 （三）业务视图-商业层 . 14 （四）业务视图-应用层 . 15 （五）业务视图-能力层 . 17 五、功能架构 . 20 （一）工业互联网核心功能原理 . 20 （二）工业互联网网络功能视图 . 24 1.功能视图 . 24 2.现状与问题 . 28 II 3.发展趋势 .

12、31 （三）工业互联网平台功能视图 . 34 1.功能视图 . 34 2.现状与问题 . 37 3.发展趋势 . 39 （四）工业互联网安全功能视图 . 41 1.功能视图 . 41 2.现状与问题 . 44 3.发展趋势 . 45 六、实施框架 . 47 （一）实施框架总图. 47 （二）网络实施框架. 49 1. 生产控制网络建设 . 49 2. 企业与园区网络建设 . 51 3. 国家骨干网络部署 . 52 4.信息互通互操作体系部署 . 53 （三）标识实施框架. 54 1、设备层系统部署 . 54 2、边缘层系统部署 . 55 3、企业层系统部署 . 56 4、产业层系统建设 . 5

13、7 （四）平台实施框架. 58 III 1.设备层系统部署 . 59 2.边缘层系统部署 . 60 3.企业层系统实施 . 61 4.产业层系统实施 . 62 （五）安全实施框架. 64 1.边缘安全防护系统实施 . 65 2.企业安全防护系统实施 . 68 3.企业安全综合管理平台实施 . 71 4.省/行业级安全平台实施 . 72 5.国家级安全平台实施 . 73 七、技术体系 . 74 （一）工业互联网技术体系总图 . 74 （二）重点技术发展概述 . 77 1.5G 技术 . 77 2.工业人工智能技术. 78 3.边缘计算技术 . 79 4.区块链技术 . 80 5.数字孪生技术 .

14、 81 八、体系架构 2.0 在垂直行业的应用实践. 81 （一）垂直行业体系架构 2.0 应用方法 . 81 （二）船舶行业：产业链协同优化应用场景 . 83 1.背景与目标 . 83 IV 2.功能架构 . 86 3.实施部署 . 89 （三）石化行业：智能工厂建设 . 93 1.背景与目标 . 93 2.功能架构 . 96 3.实施部署 . 99 1 一一、工业互联网的内涵工业互联网的内涵与意义与意义 当前全球经济社会发展正面临全新挑战与机遇，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

15、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、

16、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 2 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

17、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

18、， 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。 二二、工业互联网体系工业互联网体系架构架构 2.02.0：定位定位与与作用作用 3 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

19、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闭环， 以及面向企业协同、用户交互与

20、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。 4 图 1 工业互联网体系架构 1.0 （一一）工业互联网体系架构工业互联网体系架构 1.01.0 的进展的进展与成效与成效 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。

21、二是促进工业互联网技术创新与产品开发。 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 5 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

22、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。 （二二）从从

23、1.01.0 到到 2.02.0：工业互联网工业互联网体系架构的演进体系架构的演进 体系架构 1.0 发布三年多以来，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 6 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

24、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

25、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 7 继承了体系架构 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

26、，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。 三三、工业工业互联网互联网体系架构体系

27、架构 2.02.0：总体框架总体框架 （一一）体系体系架构架构设计方法论设计方法论 工业互联网是借助新一代信息通信技术实现工业数字 8 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

28、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/IEEE 42010 系统与软件工程标准为主要方法，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，

29、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 9 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，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 IEC 62890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

30、、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。 （二二）工业互联网体系架构工业互联网体系架构 2.02.0 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 层细化和深入。 图 2 工业互联网体系架构 2.0 10 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

31、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、

32、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、 11 安全的系统架构、部署方式以及不同系统之间关系。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。 四四、业务业务视图视图 （一一）工业工业互联网互联网的总体业务视图的总体业务视图 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