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過去幾十年，數(shù)字技術(shù)一直在改變我們生活的世界。比如說，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和云計(jì)算就引發(fā)了我們社會生活和企業(yè)運(yùn)營方式的變革。這場變革已開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，最明顯的就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè) 4.0，以及這些力量對智慧工廠等其他創(chuàng)新理念的推動。

智慧工廠可在 IIoT 和云技術(shù)的推動下取得長足進(jìn)步。例如，使用來自 IIoT 和在云端處理的數(shù)據(jù)，預(yù)測性分析能夠?yàn)橹腔酃S優(yōu)化各種過程。然而，包括鋼鐵廠在內(nèi)的很多工業(yè)企業(yè)，其系統(tǒng)大多有更為嚴(yán)格的要求，比如實(shí)時(shí)計(jì)算和通信限制，這些是云提供不了的。

為解決這些限制，霧計(jì)算應(yīng)運(yùn)而生。這是一種新的計(jì)算范式，可為工業(yè)帶來顯著效益。

本文將討論這些相互關(guān)聯(lián)的思想和 IIoT、云計(jì)算與霧計(jì)算之間的關(guān)系，審視其解決的問題和帶來的好處，描繪鋼鐵行業(yè)在不遠(yuǎn)的未來將如何利用該新范式，并探討網(wǎng)絡(luò)安全的重要性，闡述為何必須將網(wǎng)絡(luò)安全視為這整個(gè)技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分。

理解關(guān)鍵概念

我們的第一個(gè)問題是：智慧工廠是什么？

智慧工廠是高度數(shù)字化的聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)環(huán)境，包含大量帶有計(jì)算和通信功能的設(shè)備（事物）。其中一些設(shè)備僅與其他本地設(shè)備或遺留后端 IT 系統(tǒng)通信，網(wǎng)絡(luò)——實(shí)體系統(tǒng)等其他設(shè)備則甚至能通過全球互聯(lián)網(wǎng)與其他系統(tǒng)通信。智慧工廠驅(qū)動智能制造，智能制造利用智慧工廠的資源提供健壯、可靠和安全的生產(chǎn)運(yùn)營，促進(jìn)制造自動化，通過減少損耗/停機(jī)優(yōu)化生產(chǎn)過程。

需要思考的下一個(gè)問題是：我們?nèi)绾芜_(dá)成智慧工廠的愿景？我們研究和發(fā)展了很多技術(shù)范式，用以實(shí)現(xiàn)智慧工廠和智慧城市及智能家居等其他智慧實(shí)體愿景。這些技術(shù)范式包括萬物互聯(lián)網(wǎng) (IoE)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 和工業(yè) 4.0。

各個(gè)范式之間聯(lián)系緊密。比如說，IIoT 就是 IoT 的一個(gè)子集，IoT 又是 IoE 的子集。我們不妨進(jìn)一步探究這些相互聯(lián)系的范式。

IoE 是思科引入的一套系統(tǒng)，“將人員、過程、數(shù)據(jù)和物體連接起來，構(gòu)建比之前更加相關(guān)、更有價(jià)值的網(wǎng)絡(luò)連接——轉(zhuǎn)信息為行動，為企業(yè)創(chuàng)建新功能，為個(gè)人帶來更豐富的體驗(yàn)，為國家開創(chuàng)前所未有的經(jīng)濟(jì)機(jī)會。” 而 IoT 則是基于事物的技術(shù)范式，其中事物指的是內(nèi)嵌了計(jì)算與通信功能的物體。

這些物體連接在一起組成物連網(wǎng) (NoT)，相互連接所用的通信協(xié)議有可能不同。采用在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施中運(yùn)行的連接協(xié)議，用戶或其他系統(tǒng)可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問這些物體。這些物體往往能為事物帶來增值功能，比如可以通過互聯(lián)網(wǎng)查看監(jiān)控?cái)z像機(jī)視頻反饋，或者在外度假時(shí)關(guān)閉廚房里忘了關(guān)的燈。

IoE 和 IoT 的主要差異在于人和過程。IIoT 類似 IoT。主要差異是，從定義來說，IIoT 利用基于工業(yè)需求和資源的技術(shù)與事物，而 IoT 超越了工業(yè)范疇，包含任意性質(zhì)的事物。

最后，我們來看看工業(yè) 4.0 和它在這一生態(tài)系統(tǒng)中的位置。德國總理默克爾宣稱，工業(yè) 4.0 是 “通過數(shù)字技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)的融合，完全轉(zhuǎn)變整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。” 這表明，工業(yè) 4.0 中，與制造等工業(yè)系統(tǒng)相關(guān)的所有實(shí)體，均數(shù)字互連。

《福布斯》和 Schaefer 將工業(yè) 4.0 描述為物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的緊密互連。所有這些認(rèn)知顯露出工業(yè) 4.0 和萬物互聯(lián)網(wǎng)之間的某種等同度，但在定義上，二者之間存在一個(gè)主要差異：IoE 包含所有事物，而工業(yè) 4.0 主要著眼工業(yè)范疇。

基礎(chǔ)與當(dāng)前技術(shù)水平

有一個(gè)技術(shù)位于上述所有概念的核心，那就是物聯(lián)網(wǎng)。IoT 是一種技術(shù)范式，但同時(shí)也是技術(shù)現(xiàn)實(shí)，是已經(jīng)存世的高度復(fù)雜的系統(tǒng)。IoT 研究與部署快速發(fā)展，其采用率也呈指數(shù)級增長。

云計(jì)算在 IoT 發(fā)展中起到了非常重要的作用。沒有云，我們的 IoT 不會今天這個(gè)樣子。

圖 1 顯示的是當(dāng)前最先進(jìn)的 IoT 架構(gòu)。簡單說，IoT 的當(dāng)前架構(gòu)由存在于互聯(lián)網(wǎng)邊緣的事物組成。這些常被稱為邊緣設(shè)備的事物組成了物連網(wǎng) (NoT)，具備與其他設(shè)備或人員通信的能力，要么直接使用各種專用 IoT 通信協(xié)議，要么通過互聯(lián)網(wǎng)。

圖 1：IoT 架構(gòu)——當(dāng)前技術(shù)水準(zhǔn)

如圖所示，IoT 設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)與云通信。當(dāng)前最先進(jìn)的 IoT 技術(shù)使用云做數(shù)據(jù)處理、情報(bào)和通信網(wǎng)絡(luò)。比如說，使用智能手機(jī)開關(guān)家里的聯(lián)網(wǎng)電燈時(shí)，智能手機(jī)上的應(yīng)用與云中終端通信，云再用預(yù)先設(shè)立的始終在線的連接將給定指令傳回給設(shè)備。此類命令與控制架構(gòu)在 IoT 產(chǎn)品中非常常見。

霧計(jì)算推動未來發(fā)展

IoT 的當(dāng)前架構(gòu)適用于很多應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是消費(fèi)市場領(lǐng)域。然而，該架構(gòu)也有各種短板，特別是在智慧工廠和 IIoT 方面。

最主要的缺陷之一是時(shí)延。智慧工廠和其他 IIoT 系統(tǒng)有很多組件（事物）對時(shí)延敏感。這意味著智慧工廠中的很多組件都有實(shí)時(shí)限制（同樣的實(shí)時(shí)限制也存在于遺留非智慧工廠中）。

工業(yè)系統(tǒng)利用所謂的運(yùn)營技術(shù) (OT)，也就是通過直接監(jiān)視和/或控制閥門、泵等實(shí)體設(shè)備，來檢測或引發(fā)物理過程改變的硬件和軟件。OT 由多種系統(tǒng)構(gòu)成，比如可編程邏輯控制器 (PLC)、監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集 (SCADA)、分布式控制系統(tǒng) (DCS)、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) (CNC) 和廣義上的工業(yè)控制系統(tǒng) (ICS)。

很多此類技術(shù)，還有這些技術(shù)用到的傳感器和促動器，都有實(shí)時(shí)限制。舉個(gè)例子，如果不能在毫秒級接收和處理信號，PLC 在特定環(huán)境中可能故障。這種限制給需要向云端發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的智慧工廠造成了問題。（對實(shí)施控制系統(tǒng)而言，從云端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的耗時(shí)太長了。）

霧計(jì)算是該問題及其他多個(gè)問題的一個(gè)解決方案。開放霧聯(lián)盟 (OpenFog Consortium) 表示，霧計(jì)算“是在云到物 (Cloud-to-Thing) 連續(xù)統(tǒng)一體任意位置分發(fā)計(jì)算、存儲、控制和聯(lián)網(wǎng)資源及服務(wù)的系統(tǒng)級橫向架構(gòu)。”

圖 2：融入霧計(jì)算的 IoT IIoT 架構(gòu)

本質(zhì)上，霧將云類資源推近了事物和 NoT 所在的邊緣，使之能以更小的網(wǎng)絡(luò)延遲使用更高級的計(jì)算資源。采用該架構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)智慧工廠，甚至是負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)運(yùn)行的智慧工廠都能實(shí)現(xiàn)。

上面圖 2 顯示了 “霧計(jì)算層” 包含聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的位置，這些聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)位于邊緣與云間，可被用作霧計(jì)算資源。靠近邊緣的交換機(jī)與路由器、現(xiàn)場計(jì)算中心，甚至與 NoT 同處邊緣的專用霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)，都屬于此類資源。

益處與解決的問題

霧計(jì)算能助力 IIoT 和智慧工廠帶來種種益處，包括生產(chǎn)力、產(chǎn)品質(zhì)量和安全性的提升。IIoT 可為清潔綠色制造提供技術(shù)路線。由此，制造業(yè)將達(dá)成前所未有的客戶級協(xié)作，實(shí)現(xiàn)批量定制與大規(guī)模個(gè)性化定制。充分利用智慧工廠各方面優(yōu)勢的潛在機(jī)會是無窮的。

面臨的挑戰(zhàn)

盡管 IIoT 和智慧工廠可帶來諸多益處，但也存在明顯的挑戰(zhàn)與困難。網(wǎng)絡(luò)安全就是實(shí)現(xiàn) IIoT 美好前景過程中需跨越的最大障礙。隨著越來越多的高級 IIoT 系統(tǒng)上線，系統(tǒng)復(fù)雜性與無數(shù)新型網(wǎng)絡(luò)攻擊方法也將水漲船高。

美麗新世界需要所有參與方做出某種程度上的變革，包括那些打造 IIoT 技術(shù)、使用 IIoT 技術(shù)和保護(hù) IIoT 技術(shù)的人。IIoT 網(wǎng)絡(luò)安全需要相關(guān)各方之間強(qiáng)有力的跨領(lǐng)域協(xié)作。換句話說，網(wǎng)絡(luò)安全不能再各自為戰(zhàn)，每個(gè)人都需要參與進(jìn)來，發(fā)揮自己的作用。

另外，我們還需直擊問題的核心——教育。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，我們的教育生態(tài)系統(tǒng)堪稱荒蕪。理科學(xué)生的課程中應(yīng)納入網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)教育，以便他們可以在日后的工作中將網(wǎng)絡(luò)安全融入新技術(shù)。

結(jié)語

本文討論了智慧工廠技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè) 4.0 等其他范式所需的技術(shù)基礎(chǔ)。以云計(jì)算和霧計(jì)算這樣的技術(shù)為例，闡述了此類思想和技術(shù)間的相關(guān)關(guān)聯(lián)。霧計(jì)算是不斷進(jìn)化中的新型技術(shù)，將成為完全發(fā)揮 IIoT 和智慧工廠潛力的關(guān)鍵組件。

IIoT 和智慧工廠的主要障礙之一是網(wǎng)絡(luò)安全。跨領(lǐng)域協(xié)作、培育內(nèi)嵌安全的思維理念和將網(wǎng)絡(luò)安全納入理科課程，是實(shí)現(xiàn)未來萬物智慧互聯(lián)美好愿景所必需的的。

思科 IoE：

https://www.cisco.com/c/dam/en_us/about/business-insights/docs/ioe-economy-faq.pdf

默克爾發(fā)言：

http://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2015/568337/EPRS_BRI(2015)568337_EN.pdf

《福布斯》和 Schaefer 對工業(yè) 4.0 的描述：

https://purehost.bath.ac.uk/ws/portalfiles/portal/155084182/1_s2.0_S2212827117301257_main_SPD.pdf

OpenFog Consortium 對霧計(jì)算的描述：

https://www.w3.org/2017/05/wot-f2f/slides/OpenFog-Overview-W3C-Open-Day-in-May-2017.pdf