2.7　互联互通

2.7.1　互联互通的概念

工业化与信息化及互联网的融合是实现智能制造的基础，其核心任务是实现信息的共享与利用，随之带来了对工业系统和设备连接需求的进一步提升。工业互联网提出，要将带有内置感应器的机器和复杂的软件与其他机器、人连接起来，从中提取数据并进行深入分析，挖掘生产或服务系统在性能提高、质量提升等方面的潜力，实现系统资源效率提升与优化。[23]德国“工业4.0”战略提出，通过信息网络与工业生产系统的充分融合，打造数字工厂，实现价值链上企业间的横向集成，网络化制造系统的纵向集成，以及端对端的工程数字化集成，改变当前的工业生产与服务模式。[24]因此，装备、系统、生产线、车间、企业之间的集成对实现智能制造至关重要，而互联互通则是实现集成的纽带。如果没有互联互通技术实现数据的采集与交互，工业云、工业大数据、人工智能都将成为无源之水。

互联互通是指通过有线、无线等通信技术，实现装备之间、装备与控制系统之间，企业之间相互连接及信息交换。[25]国际电工委员会（IEC）在其技术报告中对互联互通的层级定义如图2-14所示。互联互通的本质是实现信息／数据的传输与使用，即通信互联与信息互通。通信互联的基本要求是通信协议、通信接口和数据访问。互联意味着物理上分布于不同层次、不同类型的系统和设备通过网络连接，并且数据在不同层次、不同设备与系统间传输，其解决方案是通信协议和行规。在互联的基础上，互通还要求设备／系统的参数类型一致。信息互通意味着设备和系统能够一致地解析所传输信息／数据的类型甚至了解其含义，其关键在于语义解析，支撑是信息模型或数据字典，同时需要网络和互联协议的支持。

2.7.2　互联互通的主要实现方式

1．信息模型

对于通信互联问题，可以通过现有的各类通信技术解决，如现场总线、工业以太网、无线网络等，其解决方案已较为成熟。因此，解决信息互通问题是当前实现互联互通的关键。信息互通要求使用同样的数据格式和参数类型对制造系统中的数据进行数字化的描述，建立结构和语义一致的信息模型是解决该问题的重要手段。信息模型是对物理对象的抽象和组织，需要反映实际物理对象和数据关系。采用信息模型实现对象映射，完成具体物理对象向信息和数据的转换，使得面向数字化和智能化的系统信息集成更加方便和快捷。[26]

目前在设备信息模型建模方面存在多种方式和标准，如面向机电设备的开放式数控系统标准，面向电子设备的电子设备描述语言EDDL，统一建模语言UML以及OPC UA提供的建模规范等。当前各类已定义的建模方法和语言大多针对某一类特定的装备，如EDDL面向电子设备，MTConnect面向数控机床，目前尚缺乏统一的、成熟的、能广泛适用于不同类型装备的信息模型建模方法。国际上和国内均在为解决此问题提供不同的解决方案。国际上，OPC基金会与各类组织合作，将各类组织的信息模型与OPC UA的信息模型架构建立连接和转换关系，使得可以在OPC UA中使用各类已定义的设备信息模型，并使其符合OPC UA地址空间的结构、引用关系和数据类型等要求，在OPC UA架构下实现不同设备的信息模型。图2-15显示了OPC UA信息模型的层次框架。国内方面，在国家智能制造专项的支持下，由机械工业仪器仪表综合技术经济研究所牵头制定了《数字化车间制造装备集成与互联互通》系列标准[27]，为数字化装备定义了统一的信息模型建模方法和规则，并对典型装备数控机床和机器人给出了具体的信息模型示例。国家机床质量监督检验中心和清华大学等则制定了《数字化车间　机床制造　信息模型》标准[28]，为机械加工数字化车间提供了信息建模规范。

2．OPC UA技术

OPC UA是OPC基金会为解决传统OPC技术在安全性、跨平台性、建模能力和系统互操作性等方面的不足而发布的新一代信息集成规范。OPC UA解决了分布式系统之间数据交换和数据建模两个需求，是业界公认的通用语义互操作的标准。工业4.0组织、美国的工业互联网IIC组织、IoT的推进组织均将OPC UA作为了共通技术进行推广，并纳入了其标准化范围。由于OPC UA具有平台独立、制造商独立、满足语义互操作、分布式智能、国际通用、模块化设计以及庞大的自动化产商支持等特性，使得OPC UA成为目前公认的工业4.0和智能制造使能技术。

OPC UA采用了集成地址空间，增加对象语义识别功能，实现了对信息模型的支持。为了让数据使用不受供应商或操作系统平台限制，OPC UA将数据组织为包含必要内容的信息，并能被具有OPC UA功能的设备理解及使用，这一过程称为数据建模。OPC UA包含了通用信息模型，该模型是其他所需模型的基础，重要的模型包括数据访问信息模型（传感器、控制器和编码器产生的过程数据）、报警和状态信息模型、历史获取信息模型和程序信息模型等。OPC UA还为特定领域的应用开发提供了丰富和可扩展的信息层次结构，实现了信息模型的互操作，其他组织可在OPC UA信息模型基础上构造他们的模型，通过OPC UA公开特定的信息。

除信息建模外，OPC UA还可用作数据传输的统一通信协议，为独立于平台的通信和信息技术创造了基础。OPC UA具有可升级性、网络兼容性、独立于平台和安全性等特点，可广泛应用于控制系统、MES以及ERP。

OPC UA采用客户端／服务器模式实现信息交互功能。OPC UA客户端与服务器之间相互交互的软件功能层次模型如图2-16所示，具体包括：

（1）OPC UA服务器／客户端应用程序，实现作为客户端／服务器的设备或系统的程序或代码，客户端使用API发送和接收消息；

（2）OPC UA服务器／客户端API，用于分离客户端／服务器应用代码与OPC UA通信栈的内部接口，实现如管理连接（会话）和处理服务报文等功能；

（3）OPC UA通信栈，实现OPC UA通信通道，包括消息编码、安全机制和报文传输；

（4）真实对象，OPC UA服务器应用可访问的，或OPC UA服务器内部维护的物理或软件对象，例如物理设备和传感器；

（5）OPC UA地址空间，客户端使用OPC UA服务可以访问的服务器内节点集，节点用于表示实际对象、对象定义和对象间的引用。

3．协议映射技术

目前各类协议和建模方法的多样化在带来各类互联互通解决方案的同时，也带来一些问题。由于通信协议标准和通信技术众多，因此，对各种协议进行支持，实现多种通信协议之间的互联互通是非常困难的。在多种通信协议之间建立可以使不同通信协议之间进行数据转换的桥梁是解决该问题的重要方法。不同协议或信息模型之间的转换称为协议映射，映射在信息模型和协议之间建立了桥梁，以实现数据转换。学者们和国际组织对不同协议映射已经进行尝试并取得了一些成果，如建立了FDT和EDDL到OPC UA地址空间节点的映射方法，UML类图与OPC UA信息模型之间的映射方法，MTConnect到OPC UA的映射集成方法。

实现协议映射的方法是为设备和系统开发映射接口。当使用某种协议和方法为一个设备和系统建立信息模型后，可通过协议映射接口将其映射到其他协议，以实现与其他类型接口设备的互联互通。通过映射实现互联互通和信息集成的架构如图2-17所示。映射接口可以嵌入在设备自身数字控制器中，也可以作为一个额外的硬件和软件服务系统添加于设备外部，此时映射接口成为协议之间的转换适配器和中间件。

2.7.3　互联互通在智能制造领域的应用

互联互通作为智能制造的重要使能技术，在智能制造的各方面均有重要的作用。最常见的互联互通应用可见于数控机床和上下料机器人组成的柔性生产线中。数控机床与机器人之间，或者数控机床／机器人与上层管控系统之间，通过互联互通相互获取数据、状态和指令，根据解析相关信息，相互配合完成生产调度和生产节拍的配合，共同完成工作。

互联互通在数字双胞胎中也同样起着重要作用。数字双胞胎是以数字化的方式建立物理实体多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画实体在环境中的属性、行为、规则等。数字双胞胎也能够用于诊断、监控、预防和资产预测性维护的有效调度。互联互通中的信息模型技术通过对数字双胞胎各种属性信息建模的方式实现信息标准化，为信息在物理世界层和虚拟世界层的顺利流通提供保障。