Индустриальный Интернет вещей (понятия, архитектура, функциональные объекты)

Концепция Интернета вещей находит свое применение, практически, во всех областях нашей жизни: это и "умные" устройства, используемые в бытовой жизни, и системы мониторинга и сфера здравоохранения. Одной из важных областей применения Интернета вещей является и промышленность, где внедрение Индустриального Интернета вещей IIoTпозволит управлять производством: обеспечивать мониторинг производственной информации и осуществлять необходимые управляющие воздействия. Следует, также, отметить тот факт, что Индустриальный Интернет вещей подразумевает не только сбор информации, но также и ее последующий анализ, что важно для принятия различных производственных или бизнес-решений.
Как и с концепцией Интернета вещей, самого по себе, так и с Индустриальным Интернетом вещей неразрывно связана проблема стандартизации и описания правил и последовательности внедрения Индустриального Интернета вещей в производство. На зарубежных рынках пока отсутствуют готовые решения для Индустриального Интернета вещей, а в России только сейчас начинается активное обсуждение возможных вариантов реализации, организация различных форумов, посвященных данной тематике, и осознание лидерами отечественной промышленности необходимости осуществления пилотных проектов для дальнейшего эффективного и повсеместного внедрения IIoT.

Определения
На сегодняшний день существует несколько определений IIoT[1], [2], [3], [4], [5]. Рассмотрим основные:
- Концепция, описывающая системы, которые соединяют и интегрируют промышленные системы управления с корпоративными системами, бизнес-процессами и аналитикой [1].
- Объединяет промышленные активы и машины -- вещи -- с информационными системами предприятия, бизнес-процессами и людьми, которые их эксплуатируют и используют [2].
- Это эволюция существующих технологий, которая позволит конечным пользователям улучшать процессы, повышать производительность и сохранять преимущество в нашей все более конкурентоспособной глобальной экономике [3].
- Под индустриальным Интернетом вещей, как правило, понимают применение Интернета вещей в отдельно взятой промышленности [4].
- Интернет вещей для корпоративного/отраслевого применения - система объединенных компьютерных сетей и подключенных промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и ПО для сбора и обмена данными, с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме, без участия человека [5].
Из приведенных понятий видно, что в большинстве случаев под Индустриальным Интернетом вещей подразумевается не только набор датчиков и актуаторов. Он тесно связан с аналитикой, бизнес-процессами и управлением производством и не может быть построен без этих систем на производстве.Для того, чтобы убедиться в этом, необходимо рассмотреть архитектуру Индустриального Интернета вещей и его функциональные элементы.

 Архитектура Индустриального Интернета вещей
На данный момент эталонная архитектура Индустриального Интернета вещей представлена лишь одним стандартизующим органом -- Консорциумом Индустриального Интернета вещей (IndustrialInternetConsortium, IIC) [6]. Эталонная архитектура Индустриального Интернета вещей - TheIndustrialInternetofThingsReferenceArchitecture[1] - рассматривается с четырех точек зрения:
- с точки зрения бизнеса;
- с точки зрения использования;
- с функциональной точки зрения;
- и с точки зрения реализации.
Остановимся более подробно на последних двух.

- Домен управления.
- Эксплуатационный домен.
- Информационный домен.
- Домен приложения.
- Домен бизнеса.
Рассмотрим функции каждого домена.
Домен управления состоит из набора функций, представленных на рис. 2, 

часть из которых, в зависимости от уровня сложности реализации системы, может отсутствовать:
- считывание - считывание сенсорной информации с датчиков (например, температура, давление, скорость оборотов, уровень заряда и пр.);
- активация - функция, отвечающая за приведение в действие актуаторов, при поступлении соответствующих команд и сигналов управления из вышестоящих доменов;
- коммуникация - взаимодействие между актуаторами, датчиками, контроллерами и шлюзами. Форма данной коммуникации может быть любой, например, общая шина или конкретная сетевая архитектура. С помощью этой функции можно реализовать автоматическое обнаружение новых элементов, автоматическую реконфигурацию в случае сетевых сбоев;
- объектная абстракция - абстрактное представление множества датчиков, актуаторов, контроллеров на последующих уровнях, выражая также их взаимосвязь друг с другом. Эта функция создает контекст, в котором данные датчиков и сенсоров могут быть понятны на более высоких уровнях;
- моделирование - позволяет выстроить модель состояний, условий и поведения управляемых систем путем интерпретации и корреляции данных, собранных с датчиков, тем самым, давая возможность в дальнейшем моделировать поведение системы при изменении некоторых ее компонентов;
- управление активами - поддержка изменения конфигурации, настройки, обновления прошивок, ПО и другие операции;
- исполнение - данная функция выполняет логику управления подконтрольной системы. Логика управления может быть изначально сконфигурирована в устройствах и статична, может динамически меняться вышестоящими доменами. Результатом исполнения данной логики управления является последовательность действий, которые будут применены к системе через функцию активации.
Таким образом, домен управления отвечает за работу датчиков и актуаторов. Стоит отметить, что в данном домене как точность действий, так и принятие решений крайне критичны к задержкам во времени.
Эксплуатационный домен - набор функций, отвечающих за подготовку, управление, мониторинг и оптимизацию систем и ресурсов в домене управления. То есть схожие функции домена управления на этом уровне рассматриваются более глобально и масштабно. Существующие на сегодняшний день промышленные системы управления в основном направлены на организацию оптимального использования оборудования на предприятии. В то время как системы управления Индустриальным Интернетом вещей должны подняться на уровень выше и быть способными различать операции по типам используемого оборудования, группам механизмов и заказчикам. То есть в рамках одного эксплуатационного домена будет происходить работа с несколькими доменами управления, которые могут быть расположены на различных предприятиях, как это предлагается в [1]. Однако при этом внедрение IIoTна единичном предприятии не теряет своей целесообразности, ведь в данном случае функции эксплуатационного домена будут сосредоточены в рамках одного предприятия, а не нескольких.

Рис. 3 отражает то, как эксплуатация в IIoT-системе поддерживается посредством набора функций, перечисленных ниже:
- Снабжение и развертывание - настройка, управление, регистрация и отслеживание активов, т.е. ресурсов предприятия, например, станков, сенсоров, датчиков, актуаторов, элементов производства. Это необходимо как для их внедрения, так и изъятия.
- Управление - набор функций, с помощью которых отдаются команды на нижележащий уровень, а также принимаются ответы на эти команды. Стоит понимать, что для полноценной реализации данной функции необходимо модернизировать некоторые из старых активов, сделав их доступными для подключения к системе и для коммуникации.
- Мониторинг и диагностика - обнаружение и диагностирование проблем с использованием полученных от домена управления данных.
- Прогнозирование - служит в качестве механизма интеллектуального анализа систем IIoTи позволяет, в первую очередь, обнаружить потенциальные проблемы до того, как они могут произойти, и предоставить рекомендации как избежать их в будущем.
- Оптимизация - повышение надежности и производительности активов, снижение потребления энергии и увеличение доступности и производительности активов, за счет определения производственных потерь и неэффективности. Оптимизация в эксплуатацинном домене должна включать в себя:
- автоматизированный сбор данных и их обработка;
- способность выявлять такие события, как, например, время простоя оборудования, задержки и т.д.;
- анализ и выявление причины данных проблем.
Иными словами, управление, мониторинг и контроль за датчиками, актуаторами и в целом всеми активами в домене управления, которых может быть несколько, реализуются именно в эксплуатационном домене. Несмотря на схожие названия некоторых функций домена управления и эксплуатационного, следует отличать их друг от друга.
То есть функция управления в нижележащем домене управления является более локальной, например, изменения прошивки одного из элементов, обновление ПО, в то время как управление в эксплуатационном домене -- это глобальная функция, необходимая для отправки команд и получения на них ответа.
Стоит отметить, что некоторые функции, такие как мониторинги диагностика, прогнозирование, оптимизация иногда могут потребовать более масштабной аналитики. Поэтому наиболее оптимальным решением может стать совместное использование этих функций в рамках информационного домена.
Центральное положение на рис. 1 занимает Информационный домен, которыйпредставляет собой набор функций для сбора данных из различных доменов, а также для преобразования, сохранения, моделирования или анализа этих данных с целью получения информации обо всей системе.

Рис. 4 отображает декомпозицию сразу трех доменов - информационного, приложения и бизнеса.
Информационный домен состоит из двух функций:
- функция сбора данных непосредственно отвечает за сбор данных из других доменов, ее хранение, а также дальнейшее распространение этих данных по доменам;
- аналитика - последующий анализ полученных и обработанных данных для их моделирования или, например, для другой последующей обработки.
Функции сбора и анализа данных в этом домене дополняют функции, реализованные в домене управления. Но в домене управления эти функции непосредственно участвуют в незамедлительном управлении физическими системами, тогда как в информационном домене они предназначены для содействия принятию решений, оптимизации общесистемных операций и совершенствованию системных моделей в долгосрочной перспективе. Компоненты, реализующие функции информационного домена, могут быть размещены как отдельно, так и вместе со своими функциями-копиями в домене управления. Также уже была отмечена целесообразность взаимодействия некоторых функций из эксплуатационного домена с функциями информационного домена.
Домен приложенияявляется набором функций, реализующих логику приложений, которые выполняют конкретные бизнес-функции.
Домен приложения состоит из двух функций:
- логика и правила;
- APIи пользовательский интерфейс.
Функции домена бизнеса обеспечивают сквозные (end-to-end) процессы и операции систем IIoT, объединяя их с бизнес-функциями. Под сквозными процессами традиционно понимаются совокупности всех подпроцессов, действий и порядок их следования, которые необходимы для достижения целей основного процесса. А в качестве примеров вышеуказанных бизнес-функций можно привести:
- планирование ресурсов предприятия (Enterprise Resource Planning - ERP);
- управление взаимоотношениями с клиентами (Customer Relationship Management - CRM);
- управление жизненным циклом изделия (Product Lifecycle Management - PLM);
- систему управления производством (Manufacturing Execution System - MES);
- управление человеческими ресурсами (Human Resource Management - HRM);
- управление активами;
- управление жизненным циклом услуг;
- системы биллинга и оплаты;
- системы планирования работ.
Получается, что взаимодействие всех пяти доменов между собой можно описать следующим образом:
- В домене бизнеса производителем ставится конкретный бизнес-план или задача.
- Далее эта информации поступает в домен приложения и информационный домен.
- В информационном домене в ходе анализа полученных данных формируются команды для актуаторов, содержащие информацию о новом режиме работы, необходимом для достижения поставленной задачи.
- Эта информация поступает в эксплуатационный домен, в котором при необходимости выбирается один из нескольких доменов управления и происходит управление производственными активами (датчиками, актуаторами, средствами производства) в нем.
- В домене управления с помощью актуаторов выполняются необходимые действия, а с помощью сенсоров -- можно не только управлять точностью актуаторов, но и получить информацию о текущем состоянии производства.
- Для лучшего понимания модели перейдем от функциональной плоскости к плоскости реализации.

Архитектура IIoTс точки зрения реализации
Реализация на производстве системы IIoT- это трудоемкая и затратная задача.
В общем случае реализация системы IIoTпредоставляет следующие возможности и преимущества:
- получение информации о состоянии производства в режиме реального времени (отчеты, графики и т.д.);
- анализ данной информации для поиска неисправностей, путей оптимизации процессов, выявление фактов простоя оборудования;
- дальнейшая оптимизация и повышение эффективности производства;
- возможность гибко управлять производственными активами, заранее проанализировав (учитывая online-данные) необходимую занятость оборудования для производства определенного числа товаров.
Плоскость реализации является техническим представлением системы IIoT, она связана с технологиями и системными компонентами функциональной плоскости. Архитектура системы IIoT и выбор технологий, используемых для ее реализации, также определяются требованиями бизнеса, включая ограничения стоимости и времени выхода на рынок, бизнес-стратегию, а также запланированную эволюцию самих технологий.
Варианты реализации системы IIoT следуют определенным устоявшимся архитектурным схемам, т.н. архитектурным шаблонам:
- Трехуровневаяархитектура(Three-tier architecture pattern). 
- Архитектура взаимодействия иуправления посредством шлюза(Gateway-Mediated Edge Connectivity and Management architecture pattern).
- Архитектура с многоуровневой шиной данных (Layered Databus pattern).
- Архитектурный шаблон (architecturepattern) - это упрощенный и абстрактный вид реализации системы IIoT, повторяющийся во многих системах IIoT, но допускающий вариации. Основное внимание будет уделено рассмотрению трехуровневой архитектуры "Three-tierarchitecturepattern", поскольку шаблоны "Gateway-MediatedEdgeConnectivityandManagementarchitecturepattern"и "Layered Databus pattern"считаются частными случаями самой общей трехуровневой архитектуры.

Трехуровневая архитектура системы IIoT
Трехуровневая архитектура включает оконечный уровень, уровень платформы и уровень предприятия. Эти уровни занимаются обработкой потоков данных и потоков управления, связанных с использованием системы. Они соединены тремя сетями так, как показано на рис. 5.
-- Оконечный уровень (EdgeTier) осуществляет сбор данных от пограничных узлов, используя бесконтактную сеть.
-- Уровень платформы (PlatformTier) принимает, обрабатывает и пересылает управляющие команды от уровня предприятия до оконечного уровня. Он объединяет процессы и анализирует потоки данных от оконечного уровня и других уровней. Также он обеспечивает функции управления для устройств и активов.
-- Уровень предприятия (EnterpriseTier) реализует специфичные для домена приложения и системы поддержки принятия решений функции и предоставляет интерфейсы для конечных пользователей, включая специалистов по эксплуатации. Уровень предприятия принимает потоки данных от оконечного уровня и уровня платформы и также выдает управляющие команды на них.
Три различные сети соединяют между собой вышеперечисленные уровни:
-- Бесконтактная сеть (Proximity Network) соединяет датчики, актуаторы, устройства, системы управления и активы, которые вместе называются оконечными узлами. Обычно она соединяет эти оконечные узлы в виде одного или несколько кластеров, которые связаны со шлюзом, соединенным с другими сетями. Взаимодействие из внешней сети с устройствами или датчиками через бесконтактную сеть невозможно. Это взаимодействие возможно только при наличии сети доступа, отсюда данная сеть и получила свое название "бесконтактная".
-- Сеть доступа (Access Network) обеспечивает возможность соединения потоков данных и управления между оконечным уровнем и уровнем платформы. Это может быть корпоративная сеть, частная сеть поверх общедоступной Интернет сети или вообще сеть 4G / 5G.
-- Сервисная сеть (Service Network) обеспечивает связь между службами уровней платформы и предприятия, а также услугами на каждом уровне. Это может быть частная сеть поверх общедоступной Интернет сети или просто Интернет, что позволяет обеспечить уровень безопасности предприятия между конечными пользователями и различными службами.
Трехуровневая архитектура сочетает в себе основные компоненты (например, платформы, службы управления, приложения), которые обычно сопоставляются с функциональными доменами (функциональная плоскость), как показано на рис. 6. Рассматривая каждый уровень с точки зрения функциональных доменов, нетрудно заметить, что оконечный уровень реализует большую часть функций домена управления, уровень платформы -- функции домена эксплуатации и информационного домена, а уровень предприятия -- домен приложений и бизнеса. Это отображение демонстрирует простое функциональное разбиение на уровни. Однако в реальной системе функциональное отображение уровней системы IIoT сильно зависит от особенностей использования и требований к системе. Например, некоторые функции информационного домена могут быть реализованы в оконечном уровне.

Заключение
При рассмотрении архитектуры Индустриального Интернета вещей с функциональной точки зрения и с точки зрения внедрения, было установлено, что бизнес является неотъемлемой частью системы IIoT, прослеживающейся в каждой плоскости. Именно решения, принимаемые на этом уровне, оказывают влияние на развитие всей системы, ставят цели и позволяют повышать эффективность предприятий, а, следовательно, увеличивать и прибыль.
То есть Индустриальный Интернет вещей не является просто внедрением технологий Интернета вещей на производстве. При отсутствии на предприятии конкретных отлаженных бизнес-процессов, систем OSS/BSSи системы аналитики построение Индустриального Интернета вещей невозможно
Таким образом, можно сделать вывод о том, что Интернет. вещей можно условно разделить на две большие области:
- Пользовательский Интернет вещей. К нему, в основном, можно отнести различные приложения и устройства, используемые людьми в быту, для спортивных целей и т.д.
- Индустриальный Интернет вещей. Это Интернет вещей, который тесно связан с аналитикой, бизнес-процессами и управлением производством и не может быть построен без данных систем в производстве.

Список используемых источников:

1. IIC/The Industrial Internet of Things Volume G1: Reference Architecture IIC:PUB:G1:V1.80:20170131/Industrial Internet Consortium/2017;
2. IIC/Industrial Analytics: The Engine Driving the IIoT Revolution (IIC:WHT:IN2:V1.1:PB:20170329)/ /Industrial Internet Consortium/2017;
3. Kepware Inc/Industrial Internet of Things and Communications at the Edge/Tony Paine/2016;
4. Ростелеком &IDC/ Индустриальный Интернет вещей: перспективы российского рынка/Семеновская Е.//2016;
5. J’son & Partners Consulting/ Индустриальный (Промышленный) Интернет Вещей в мире и перспективы развития в России//2016;
6. Industrial Internet Consortium IIC [online].Доступ через: https://www.iiconsortium.org/;

 В. Гойхман
А. Лаврова