Технологическая платформа Интернета вещей: стандарты, возможности, перспективы

В статье рассматриваются общие вопросы, связанные с платформами для Интернета вещей, а также аспекты их использования на производстве. Описывается концепция интеграции промышленной платформы IoT в инфраструктуру предприятия в рамках парадигмы "Индустрия 4.0".

Интернет вещей. Стандарты и определения

Тема Интернета вещей очень популярна в интернете и СМИ, но до сих пор существует много белых пятен. Это вызвано в первую очередь тем, что весь спектр технологий, определений, понятий пока не стандартизован. И хотя работы в этом направлении ведутся, они далеки от завершения.

Такой вакуум – это благодатное поле для появления различного рода публикаций в попытке объяснить, в чем же привлекательность Интернета вещей, чем он отличается от обычного интернета, какова его экосистема и как следует ее понимать и использовать.

Сейчас принято разделять IoT на бытовой и индустриальный (IIoT). В данной статье речь пойдет именно о промышленном интернете вещей (IIoT) и платформах для него (далее IoT и IIoT в рамках статьи используются как синонимы).

Что касается решений для IoT, они позволяют объединить "интернет-вещи" таким образом, чтобы получать от них конкретную пользу (англ. value). Ее обеспечивают приложения, в рамках платформы обрабатывающие данные, поступающие от подключенных к ней IoT-устройств.

Восемь компонентов "правильной"IoT-платформы

Для извлечения максимальной пользы из технологии альянс "вещь-платформа" должен быть высокоэффективен. Подчеркивая, насколько тесна эта связь, сегодня часто используют термин "экосистема Интернета вещей", под которым понимают взаимодействие всех участников процесса формирования полезности: платформу, подключенные к ней устройства, вовлеченных в процесс людей.

Приведу описание того, что должен содержать продукт, который может являться полноценным решением для IoT. Платформа должна объединять восемь интегрированных компонентов (слоев). Схематично они показаны на рисунке ниже.

 Рис. 1. Восемь компонентов IoT-платформы

Слои описаны в порядке от самого близкого к устройствам слоя (снизу вверх на рисунке):

• "Подключение и нормализация". Первый слой отвечает за обеспечение физической связи с устройствами, безопасное получение от них данных, поддержку стандартных протоколов информационного обмена, очистку данных и идентификацию устройств. Чем более совершенно ПО этого слоя, тем проще, безопаснее и качественнее выполняется подключение устройств.
• "Управление устройствами". Следующий слой отвечает за возможность управления состоянием подключенных устройств, передачу на них различных управляющих воздействий, обновление программ устройств и т. п.
• "Обработка и реакция". На данном слое платформа содержит доступный пользователю (как правило, без программирования) инструментарий, который позволяет на основании данных, полученных от устройств, настраивать различные сценарии взаимодействия с внешней средой. Например, отсылать оповещения по электронной почте в случае превышения пороговых значений температуры, отдавать команды на включение вентиляции и т. п. Данный слой позволяет нам настраивать различную логику поведения экосистемы Интернета вещей.
• "Визуализация". К этому слою относятся инструменты для настройки отображения информации от устройств в удобном пользователю виде (например, различные графики, активные графические элементы и т. п).
• "Аналитика". Этот набор инструментов предназначен для создания продвинутых аналитических алгоритмов, в том числе на основе машинного обучения. Благодаря им можно реализовать, например, предиктивную диагностику оборудования.
• "Дополнительные инструменты". Это специализированные приложения, а также инструменты их разработки и администрирования.
• "Внешний интерфейс". Это механизм интеграции со сторонними системами, например, для взаимодействия с производственными системами предприятия (ERP, MES) или системами сервис-провайдеров, которые предоставляют свои услуги на основе данных, получаемых из платформы.[1]

Оставшийся слой несколько выпадает из общей вертикали и, в отличие от семи других, для пользователя является скрытым: как правило, ни пользователи, ни устройства напрямую с ним не взаимодействуют. Это хранилище данных, где агрегируется информация со всех объектов, объединённых решением. Производительность хранилища существенно влияет на производительность всей экосистемы.

Теперь давайте перейдем непосредственно к основной теме нашей статьи – технологической платформе.[2]

Технологическая платформа и ее место на производстве

В рамках концепции "Индустрия 4.0" Интернет вещей является одной из прорывных технологий, выполняя функции фундамента для построения цифрового производства. Таким образом, в качестве целей внедрения технологической IoT-платформы выделяются:

• Оптимизация производственных процессов для повышения его эффективности (снижение простоев оборудования, гибкая переналадка, перемещение заготовок между технологическими переделами и т. п.).
• Повышение качества послепродажного обслуживания готовой продукции (мониторинг работоспособности изделий, планирование обслуживания, полноценные цифровые двойники для проведения виртуальных испытаний и многое другое, что можно сделать благодаря получению неограниченного количества данных с изделий).

Особенно ощутимым эффект от внедрения будет в случае бережливого производства (lean manufacturing) и при переходе на контракты полного жизненного цикла продукции. То есть в современных условиях только полнофункциональная платформа обеспечит интегрированное производство или, как принято говорить, единую цифровую среду производственных процессов и процессов жизненного цикла продукции.

Понятно, что подобный комплексный подход – очень непростая задача. Существует соблазн быстро решить какую-то локальную проблему (например, мониторинг станков) за счет внедрения специализированной информационной системы.

Однако это приводит к ситуации, при которой на предприятии лавинообразно растет количество слабо интегрированных друг с другом информационных систем, а эффект от их использования нивелируется из-за затрат на обслуживание и интеграцию в полуручном режиме.

Внедрение же промышленной платформы – это задел на будущее. Благодаря универсальности решения появляется возможность последовательного наращивания функционала с помощью механизмов разработки приложений, аналитики и визуализации. При таком подходе все инструменты интегрированы друг с другом изначально и имеют доступ к единому хранилищу данных.

Не стоит забывать и про информационную безопасность. Так как платформа является целостным решением, обеспечить безопасность ее экосистемы гораздо проще, чем конгломерата различных информационных систем.

Резюмируя, отмечу: если делать ставку на "цифровое предприятие", то решение для Интернета вещей будет очень разумным вложением средств, которое быстро окупится.

Часто в качестве возражения против внедрения платформы на предприятиях приводят такой аргумент: "У нас есть отличная АСУ ТП и привычная всем SCADA. Зачем нам еще одна такая же система?". Дело в том, что эти системы, являясь по сути "IoT версии 1.0", обеспечивают контроль (нередко весьма эффективный) достаточно устоявшегося производства и старого оборудования. Если предприятие планирует развитие, то тогда IoT-платформа – отличный инструмент, способный дать синергический эффект. С ее помощью можно объединить и SCADA с АСУ ТП, и современное оборудование, которые производители выпускают с прицелом на Интернет вещей, и продукцию, и персонал, создав полного "цифрового двойника" экосистемы "потребитель – производство – продукция".

Ниже на рисунке представлена упрощённая схема подобной системы.

Рис. 2. Место технологической IoT-платформы в экосистеме предприятия

На производстве в качестве Интернета вещей могут выступать как целые SCADA-системы, так и отдельные единицы оборудования: станки ЧПУ, промышленные роботы. Таким образом, весь поток производственных данных позволит организовать максимально эффективные процессы проектирования, технологической подготовки производства, выпуска продукции и эксплуатации оборудования.

Что касается внедрения, для начала нужно выбрать наиболее подходящее решение. Так как не все "правильные" платформы подходят в качестве технологических, можно предложить несколько универсальных рекомендаций:

• Так как технологические платформы должны обеспечивать обработку данных с производственного оборудования, слой платформы, отвечающий за подключение и нормализацию, должен поддерживать периодичность опроса устройств не более нескольких десятков миллисекунд. Также этот слой должен поддерживать взаимодействие с промышленными контроллерами и промышленными протоколами (MODBUS, OPC UA и подобными).
• Хранилище должно обладать высокой надежностью и возможностью легкого горизонтального масштабирования. При этом предпочтение следует отдавать No SQL (нереляционным базам данных), способным быстро записывать и обрабатывать "сырые" данные со всех типов устройств, поскольку обмен ими здесь происходит небольшими, но частыми блоками. При выборе с пользовательской точки зрения рекомендуется отдавать предпочтение тем платформам, которые имеют полнофункциональный веб-интерфейс. Это дает возможность взаимодействия с приложениями через любые, в том числе мобильные, устройства без установки специальных клиентов.
• Платформа должна поддерживатьмеханизмы, позволяющие изолировать данные с устройств от доступных пользователю данных. Так будет обеспечена информационная безопасность технологических сетей.
• Наконец, платформа должна поддерживать механизмы мультитенантности, легко разворачиваться как в публичном, так и в приватном облаке предприятия. Это даст возможность безопасного подключения как потребителей продукции, так и потенциальных поставщиков и партнеров в единую цифровую среду предприятия.

После выбора решения следующим шагом станет возможность "малой кровью" убедиться, насколько выбранная платформа отвечает поставленным перед ней целям. Это можно сделать с помощью пилотного проекта – быстрого внедрения на базе платформы полезной функциональность в ограниченном контуре. Например, можно проверить, насколько быстро и эффективно с помощью решения удастся реализовать управление кондиционированием, организовать мониторинг оборудования с ЧПУ, решить задачу локального позиционирования персонала. Не нужно сразу проводить масштабное внедрение. Показательной будет скорость подключения до 10 единиц оборудования: на практике современные технологические платформы позволяют выполнить такое ограниченное внедрение за пару дней, оценив реальные результаты[3].

Если цель пилота достигнута, то можно планировать полномасштабный проект. По своему опыту могу сказать, что наиболее эффективным будет применение гибкого подхода Agile при реализации. Это обусловлено тем, что платформа Интернета вещей (как никакой другой инструмент "Индустрии 4.0") вписывается в концепцию Agile: позволяет последовательно наращивать функциональность за счет подключения новых устройств и создания новых интеграций и приложений. Таким образом, внедрение может превратиться в череду "быстрых побед", а "поражения"откроют новые возможности, поскольку неудачные части можно быстро изолировать от общей цифровой экосистемы.

Платформа IoT: компромисс или драйвер рынка

В заключение позвольте выразить собственное мнение относительно промышленных платформ и их дальнейшего будущего. Так как концепция Интернета вещей предполагает, что участвующие в обмене данными вещи имеют "мозг"внутри себя, платформа, на мой взгляд, – это, скорее, временное явление. Бум их развития произошел именно благодаря тому, что устройства промышленного интернета несколько уступают своим бытовым собратьям по уровню интеллекта. Пока преобладающими являются различные сенсоры и датчики, "мозг"которых находится на платформах, а не внутри устройств.

На момент написания данной статьи разработано уже более 400 "правильных" платформ со всеми 8 компонентами. Дальнейший сценарий их развития представляется следующим:

• Благодаря жесткой конкуренции к 2020 году на рынке платформ определятсяоколо 100 наиболее крупных игроков.
• Далее будут медленно происходить слияния и интеграция платформ в макро- или даже мегаплатформу. Это приведет к очередному росту спроса на системы обеспечения информационной безопасности для защиты данных и устройств.
• Одновременно будут развиваться и "вещи", для которых "интеллект" станет неотъемлемой частью уже с конвейера. И потребность в использовании полнофункциональных платформ исчезнет: нужно будет лишь обеспечивать среду взаимодействия вещей и интеграцию данных. То есть начнется возврат от сложных систем к более простым и дешевым.

Мегаплатформы могут остаться как самостоятельное явление или некие глобальные AI, однако это уже не будут просто"промышленные платформы Интернета вещей".

А пока давайте вместе использовать открывающийся потенциал описанных технологий интеллектуального производства.

[1]В качестве примера можно рассмотреть такую модель. Производитель автомобилей обеспечивает мониторинг и контроль своей продукции с помощью собственной IoT-платформы, которая собирает данные по работе узлов всех автомобилей. Через интерфейс интеграции сервисные организации получают информацию об износе деталей автомобилей, оптимизируя логистику при закупке запасных частей.

[2]Большинство платформ являются именно технологическими, так как бытовые IoT-устройства, как правило, обладают утилитарным встроенным функционалом в отличие, например, от подключаемого набора датчиков, который без дополнительных решений не обладает «интеллектом».

[3]Очевидно, что такая скорость внедрения возможна при условии готовности каналов подключения устройств. Например, оборудование должно быть подключено к технологической сети.