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工业物联网联盟与平台发展趋势

日期: 2018-06-08
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      工业物联网联盟发展现况自GE提出工业互联网(Industry of Internet)与“1%的威力”,以及德国工业4.0引入虚实整合系统(Cyber Physical System,CPS)概念后,结合网络和物物相联的工业物联网(IIoT)成为热门议题。相较于工业4.0是整体制造架构的革新,IIoT更着重提升跨工业领域的兼容性与安全性。但工业制造领域涵盖层面广泛,各类设备、技术协议与信息系统非常繁杂,加上技术汰换率较低,许多旧技术仍在在线运作,降低各设备间的沟通兼容性。因此,当物物相联的工业物联网需求来临时,高难度的整合议题成为一大挑战。


  正因工业制造领域架构庞大复杂,加上需整合的范围广,许多厂商开始组成联盟来推动市场变革,从运作架构、技术框架、安全防护与开发环境进行协议整合。这些联盟代表的不仅是标准或制度,更代表产业将塑造新的生态系,也因此联盟发展至关重要,将大幅影响未来整个工业制造领域的走向和体系。


  IIC为AT&T、Cisco、GE、IBM与Intel于2014年共同成立的工业物联网联盟,目前已有240家会员,如软件平台厂商PTC、机电大厂ABB、云端厂商Microsoft、测试厂商National Instrument、传统制造大厂Siemens与芯片厂商Qualcomm,生态系相当完整。


  同时简化科技以降低相互连接的困难度,并以联盟形式逐步影响各组织制定标准的流程和走向,进而提供测试场域,让创新技术与商业模式得以实行。


  在架构演进上,IIC在2015年于柏林发布工业网络参考架构(Industrial Internet Reference Architecture,后皆称IIRA),针对跨工业领域会遇到的安全隐私、联机与互操作性问题制定架构,让现存标准或未来可能出现的新标准能统一在此安全架构下运作。


  IIC也与不同联盟合作,如2015年3月与物联网组织OIC(现已改为OCF,并与AllSeen合并)结盟,透过技术互通与信息分享,兼容于彼此的参考架构和开发框架。2016年则与工业4.0平台(Industrie 4.0)达成合作意向,其中IIC着重跨工业领域的集成,包括能源、医疗、制造、运输与公共领域等,而Industrie 4.0则聚焦工业制造。


  在资安方面,IIC也于2016年9月底发布IIRA第一版安全协议(Industrial Internet of Things,Volume G4:Security Framework,IISF),是由芯片制造商、设备开发商与终端用户共同订定。如何顺利相连又不影响既有功能、不受外在侵入或干扰,或在不受到外在威胁的情况下增加预测功能(通常是透过连接云端)都是考虑重点。


  建置底层通讯技术

  AVnu Alliance是由Broadcom、Cisco、Harman、Intel与Xilinx等厂商于2009年成立,主要进行音频视讯桥接(Audio Video Bridging,AVB)与时效性网络(Time-Sensitive Networking,TSN)的标准制定和认证服务,其中TSN主打工业以太网通讯,致力于实现利用单一网络技术来整合工业环境中OT(Operations Technology)和IT(Information Technology)间的沟通。


  TSN是根据以太网络IEEE 802标准制定,明订不同以太网络层和功能需求,并确保装置间的互操作性,且能将目前100Mbit/s等级的工业以太网络传输速率大幅提升10倍以上至Gbit/s等级传输量,足以支持工业4.0时代的各类应用,如工业大数据、云端运算、自动化、人工智能、机器人与3D打印等。


  目前工业物联网许多应用如机器视觉、3D扫描与电力分析等在进阶感测应用上有一定困难,主要原因就是受限于网络带宽资源紧绷,而TSN将会纳入标准的以太网络速率,包括目前使用中的1Gb、10Gb与400Gb,并支持全双工通讯,有望满足上述应用的带宽需求。


  此外,TSN优先处理快速系统响应和闭回路控制应用所需的低延迟通讯作业,等级可达到数十微秒的传输时间,以及数十毫微秒的节点时间同步效能。为确保高时效传输效率,TSN还可透过自动化设定提供高稳定的数据路径,借助封包复制与合并完成路径备援,大幅减少数据遗失、延迟与同步上的困难。


  TSN希望能整合OT和IT架构,以及时效性和非时效性数据,并依照应用需求有效调整,但TSN属于底层通讯技术,若要采用新的底层技术须考虑厂商的接受程度,因此TSN沿用标准的以太网络组件和IT传输作业,承袭既有的以太网络特性,如HTTP接口和网络服务等。


  参与TSN标准订定和测试的厂商不乏许多大厂,2016年3月以National Instrument为首,联合工业物联网联盟IIC,以及Bosch Rexroth、Cisco、Intel、KUKA、Schneider Electric与TTTech等共同开发TSN测试平台。未来IIC内的厂商都能以TSN进行底层技术的升级,大幅提升TSN在市场的接受度和可用性。


  工业物联网平台崛起-以GE Predix为例


  工业物联网联盟负责制定各类标准,并建立大架构下每层关系,让各厂商在有弹性且得以互相沟通的框架内进行商业运作,也就是说工业物联网联盟建立了整个产业的「骨架」,但要让产业充满“灵魂”,则仰赖各厂商的商业模式和服务提供,提供完整运营支持的后端物联网平台就扮演重要角色,让厂商能顺利建构自家商业体系。


  以下即以GE Predix平台为例,探讨工业物联网平台发展。

  GE应对工业物联网潮流,搭配数字化转型业务,推出工业物联网软件平台Predix,初期仅提供GE客户或专门厂商使用,但2015上半年已全面开放给所有厂商。Predix可视为工业领域特用的操作系统,主要目标是透过接取终端硬件和设备数据,连接各类工业设备。


  由于Predix是基于云端发展,特别强调Cloud Foundry建置,让工业领域客户省去自行建置云端或后续维护的麻烦,更可充分利用云端替厂商进行业务优化,例如搜集全球内建传感器的机械设备数据(设备需通过Predix-ready认证),并连接数据将这些智能机械设备和Predix平台中各式软件结合,再进行实时分析。GE最初是将此架构应用在油气工业和航空等先进机械设备。


  Predix系统架构相当庞大,从智能设备认证、数据数据连接、边际运算架构与云端系统建置和服务提供,到最后的分析工具都涵盖在内。在最关键的分析工具方面,GE透过投资大数据分析平台厂商Pivotal,让Predix的分析能力进一步强化。此外,GE也持续透过并购或合作,提升平台中各种能力,如去年底并购云端服务厂商ServiceMax与知名物联网软件厂商Bit Stew,并于2017年与公有云大厂Microsoft的Azure平台合作。


  若从GE Predix平台发展来看,可简单归纳出工业物联网平台的几点趋势:


  一、Predix的核心是提供Cloud Foundry建置,现今客户重视应用的快速开发和快速上线(Time to Market),因此平台透过提供基础建设整合,让用户可以更专注在本业发展。


  二、目前大部分厂商没有能力和资金进行大量且长时间的数据汇整,因此工业物联网平台需提供简易、直观且兼容性高的数据集成功能,才能协助厂商顺利跨出工业智慧化的第一步。


  三、对厂商而言,平台的最大价值在于提供分析能力。Predix平台真正发挥效用也是在GE投资Pivotal后,让Predix的分析运算能力得以强化,协助客户找出数据蕴含的洞察(Insight)。


  四、现今厂商的业务开发或企业营运不只局限在单一环境,而会依需求找寻最佳环境。因此,工业物联网平台必须拥有高度可用性和支持能力,运作于云端、雾端或数据中心等。


  五、承上,因为环境多元,加上黑客事件往往会造成厂商极大损失,因此用户在使用或搬移数据时,平台将扮演重要的保全角色。


  小结

       一、工业物联网联盟发展朝向串接与整合趋势迈进:与各大物联网联盟逐渐整合的情况类似,工业物联网联盟也正朝向相容合作迈进,整体框架、连接性与安全性都会更整合。工业物联网的参与者彼此间的连结性与可靠性的要求远大于消费性物联网,扩散出去的网络更是绵密复杂,因此市场参与者若无法融入各联盟标准或框架,很难在市场中生存,而未来即使出现新的工业物联网联盟,也势必会与既有现存的大型联盟合作。


  二、工业物联网平台功能需更多元,但协助客户专注本业的使命不变:目前市场上工业物联网平台十分多元,但工业物联网各层与各层间的专业度和连结性相当高,非工业领域背景的平台厂商无法应付,唯有将工业专业知识确实融入平台间,才有能力和机会进行整条产业链的平台串整,许多企业客户需要的也正是这种多功能、高整合性的平台服务,让他们能更专注在自身业务。


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