淺談工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)存取技術(shù)

制造業(yè)尋求自動(dòng)化設(shè)備和應(yīng)用程序的集成，最好的榜樣就像即插即用的網(wǎng)頁瀏覽體驗(yàn)?zāi)菢?，完全不用通過人工來連接“物”，即插即用。為了達(dá)到這一理想狀態(tài)，包括工業(yè)自動(dòng)化的許多專家和從業(yè)人員投入到這一復(fù)雜的挑戰(zhàn)中。然而歷經(jīng)多年，到目前為止任何參與智能制造和工業(yè)4.0的人都知道，絕大部分的實(shí)踐還是碎片化的，局限于一些狹窄領(lǐng)域，更遑論跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存取的互操作性。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?本文作者彭瑜，畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，教授級(jí)高級(jí)工程師，PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表和裝置專委會(huì)名譽(yù)常務(wù)委員，國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者；長(zhǎng)期從事工業(yè)生產(chǎn)過程自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)通信在控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究工作。 ? ? ? 統(tǒng)而言之，目前在世界范圍內(nèi)還沒有機(jī)構(gòu)和組織能提供一種經(jīng)過驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)化方法，市場(chǎng)上的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品也沒有辦法選擇一套公認(rèn)的標(biāo)的技術(shù)。換句話說，為實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)性問題的標(biāo)準(zhǔn)化還是在路上。

好在對(duì)此現(xiàn)狀表示不滿和憂慮的大有人在，有許多人和組織正在謀求突破。最近就有令人高興的消息傳來，微軟的Standards, Consortia & Industrial IoT總架構(gòu)師向美國(guó)ISA的專業(yè)網(wǎng)站透露，微軟與西門子合作率先使用可被發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型（如OPC UA和W3C物聯(lián)網(wǎng)WoT標(biāo)準(zhǔn)），簡(jiǎn)化并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)標(biāo)簽的自動(dòng)變換。這一改工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的項(xiàng)目中最花費(fèi)時(shí)間又容易出錯(cuò)的任務(wù)的現(xiàn)行做法，即：從手動(dòng)將沒有標(biāo)準(zhǔn)化或沒有可被發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型的工業(yè)設(shè)備的數(shù)據(jù)標(biāo)簽，自動(dòng)變換為類似OPC UA這樣的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的操作，從而開辟了即插即用，以便于在邊緣或云中進(jìn)行進(jìn)一步處理的前景。 ?

Vol.1

以互聯(lián)網(wǎng)為師

成功解決互操作性已經(jīng)有了先例，大家所熟悉的網(wǎng)頁瀏覽，調(diào)制解調(diào)器是互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。購買PC后，將其帶回家，標(biāo)準(zhǔn)化的好處立竿見影。首先，開箱即用的個(gè)人電腦通常都有一個(gè)以太網(wǎng)端口。PC連接到網(wǎng)絡(luò)調(diào)制解調(diào)器后，通過DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）獲得IP地址，并發(fā)現(xiàn)自己的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。然后，它會(huì)發(fā)現(xiàn)自己的域名系統(tǒng)（DNS）服務(wù)器是什么，并開始訪問來自全球各地的廣泛信息。所有這些機(jī)制都通過一個(gè)網(wǎng)關(guān)自動(dòng)激活；對(duì)于大多數(shù)用戶來說，它是一種相當(dāng)于魔法的技術(shù)。歷史的經(jīng)驗(yàn)證明，這種全球網(wǎng)絡(luò)只有在市場(chǎng)圍繞特定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)。那么，人們渴望著在運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）也可以使用類似的魔法技術(shù)的時(shí)候，是不是也應(yīng)該思考選擇什么樣的標(biāo)準(zhǔn)化方案和路徑才有可能跨出成功的一步呢？我們可以預(yù)言，像IIoT這種需要在全球形成的網(wǎng)絡(luò)，只有在市場(chǎng)圍繞特定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合時(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)，否則就是一個(gè)實(shí)現(xiàn)不了的“承諾”。 ? 如圖1所指出的在IIoT的許多服務(wù)和功能（諸如歷史數(shù)據(jù)存取、報(bào)警和通知、下達(dá)命令和控制、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)）中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問是最最基礎(chǔ)的，通常也稱為設(shè)備或流程遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。這種類型的數(shù)據(jù)通常被歸類為時(shí)間序列數(shù)據(jù)，是非事務(wù)性（non-transactional）的，以真-假、數(shù)字或文本的形式存在。可視化或測(cè)量工廠層上正在發(fā)生的事態(tài)通常是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的第一步。特別是從大規(guī)模地將各種設(shè)備從不同的地域集成接入IIoT，跨越數(shù)據(jù)互操作的鴻溝的重要性就益發(fā)顯現(xiàn)。如果我們運(yùn)用IIoT最直接的用例即數(shù)據(jù)訪問有了標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，那么工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)給制造商帶來了巨大的挑戰(zhàn)就有了成功的基礎(chǔ)，而不會(huì)出現(xiàn)由于解決不了從工廠現(xiàn)場(chǎng)存取數(shù)據(jù)這方面的問題，常常成為一些數(shù)字化轉(zhuǎn)型計(jì)劃的攔路虎，以至于胎死腹中。

圖1 ?工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的各種功能 （圖源：IEB網(wǎng)站）

Vol.2

MQTT和OPC?UA

沒有明確定義數(shù)據(jù)存取的互操作性

智能制造利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)眾多目標(biāo)之一是在企業(yè)中納入新的信息產(chǎn)生方和/或信息使用方時(shí)不需花費(fèi)集成成本。簡(jiǎn)化集成主要是通過在通信層和信息層實(shí)現(xiàn)一些知名標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)，譬如OPC UA和MQTT。但是，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是否足以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取的互操作性呢?

目前MQTT已成為實(shí)現(xiàn)“一次提供數(shù)據(jù)；可以到處分發(fā)”（provide data once; distribute everywhere）的架構(gòu)。OPC基金會(huì)于2006年發(fā)布了第一個(gè)OPC UA規(guī)范，其中包括許多其他連接功能中的數(shù)據(jù)存取功能。其優(yōu)點(diǎn)包括啟用非windows設(shè)備、具有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型定義的可瀏覽地址空間，以及具有死帶過濾條件的長(zhǎng)輪詢機(jī)制。OPC UA在制造商中變得流行，因?yàn)槌爽F(xiàn)有客戶端-服務(wù)器范式，在2018年還增加發(fā)布-訂閱協(xié)議，將Pub/Sub連接添加到規(guī)范中，包括無代理（broker-less）協(xié)議的以太網(wǎng)和UDP和有代理（brokered）協(xié)議的AMQP和MQTT。OPC基金會(huì)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)互操作性的目標(biāo)，通過配套規(guī)范定義了標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象類型，每個(gè)規(guī)范都利用核心數(shù)據(jù)定義來構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象定義。

關(guān)于數(shù)據(jù)存取的互操作性，OPC UA和MQTT并未明確定義。如圖2所示，MQTT僅定義基本通信協(xié)議，其余所有堆棧都未定義，這些未定義的堆棧在圖中用紅色標(biāo)注。這就造成選用MQTT時(shí)信息使用方為集成應(yīng)用平添了沉重的負(fù)擔(dān)。

信息使用方面臨的集成障礙包括：熟悉信息產(chǎn)生方實(shí)現(xiàn)的主題路徑，以及確定應(yīng)用程序是否可以通過最后遺囑功能監(jiān)視信息產(chǎn)生方的健康狀況。

另外的挑戰(zhàn)有：選擇使用哪種QoS級(jí)別，信息產(chǎn)生者是在固定的時(shí)間間隔上發(fā)布還是僅在更改的數(shù)據(jù)上發(fā)布，等等。對(duì)集成商來說更可怕的是MQTT沒有傳輸數(shù)據(jù)的定義，因此信息使用方的應(yīng)用程序不得不適應(yīng)設(shè)備選擇的編碼方案、數(shù)據(jù)類型和對(duì)象定義。總之，MQTT僅僅定義數(shù)據(jù)存取模型中的通信協(xié)議層，在通信層以上的各層次均未定義的事實(shí)形成了如下后果，即如果選用MQTT是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)據(jù)存取的互操作性目標(biāo)的。

OPC UA在數(shù)據(jù)存取模型的每個(gè)級(jí)別上都實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。雖然每一層的定義都優(yōu)于其他技術(shù)，但問題出在在模型的每一層級(jí)其規(guī)范的組合都包含許多選擇（見圖2）。考慮到過多的通信協(xié)議、編碼方案、數(shù)據(jù)類型和對(duì)象定義，簡(jiǎn)單地將OPC UA的信息使用方連接到OPC UA的信息產(chǎn)生者方并不能保證數(shù)據(jù)存取的互操作性，因?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用可能會(huì)在堆棧上選擇不同的選項(xiàng)。集成商必須仔細(xì)評(píng)估信息產(chǎn)生方的設(shè)備在每一層實(shí)現(xiàn)了哪些選項(xiàng)，并確保它與信息使用者方應(yīng)用程序的功能相匹配?；蛘呦喾矗缮虒⒘私庑畔⑹褂梅綉?yīng)用程序的功能，并不得不限制它可以使用的OPC UA產(chǎn)品的范圍。由此可見，如果目標(biāo)是互操作性，指定OPC UA是不夠的。

圖2 ?MQTT和OPC UA的協(xié)議棧 （圖源：IEB網(wǎng)站）

Vol.3

OPC UA over MQTT

開辟了新路徑

或許OPC基金會(huì)已開始認(rèn)識(shí)到，雖然在每一個(gè)層面有多種技術(shù)規(guī)范提供選擇可以增加靈活性，但其帶來的負(fù)面影響卻是增加了集成的成本和推廣的困難。于是，在2022年2月宣布，包括亞馬遜AWS、谷歌Cloud、IBM、微軟、SAP和西門子六家云服務(wù)提供商有些在目前的產(chǎn)品中支持基于OPC UA over MQTT，有些會(huì)在他們的開發(fā)路線圖中支持OPC UA over MQTT。這一聲明標(biāo)志著這六家重要企業(yè)將與OPC UA over MQTT組合兼容。更令人印象深刻的是，這一聲明標(biāo)志著企業(yè)內(nèi)部多云架構(gòu)的可能性，允許用戶無縫地將數(shù)據(jù)從一個(gè)云供應(yīng)商轉(zhuǎn)移到另一個(gè)云供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)云到云的互操作性。

OPC基金會(huì)在2022年4月的OPC國(guó)際日上指出，OPC UA over MQTT已有數(shù)千種實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于需要識(shí)別OPC UA Pub/Sub技術(shù)的信息使用方應(yīng)用的終端用戶和集成商，OPC基金會(huì)于2022年6月創(chuàng)建了一個(gè)市場(chǎng)，作為一個(gè)可供公眾訪問的網(wǎng)頁，允許基于功能、傳輸、應(yīng)用配置文件和許多其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選。問題在于雖然已經(jīng)保證了普遍的市場(chǎng)支持，但沒有宣布任何OPC UA over MQTT產(chǎn)品在OPC市場(chǎng)上市的時(shí)間表，包括來自六家云服務(wù)提供商的產(chǎn)品。對(duì)于需要商業(yè)產(chǎn)品的終端用戶和集成商來說，了解市場(chǎng)上可用的產(chǎn)品仍然是一個(gè)挑戰(zhàn) 與此同時(shí)，OPC基金會(huì)正在為構(gòu)建語義語境的數(shù)據(jù)連通性做出努力。OPC UA FLC（現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信）計(jì)劃正在傳感器、執(zhí)行器、控制器、企業(yè)和云之間創(chuàng)建開放標(biāo)準(zhǔn)語義語境的數(shù)據(jù)連接通信解決方案，滿足工業(yè)自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化的所有要求。

OPC UA FX繼續(xù)取得快速進(jìn)展，將最基本的工業(yè)通信現(xiàn)代化，并將主流計(jì)算數(shù)據(jù)概念推向工業(yè)邊緣。OPC UA現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信（FLC）計(jì)劃目標(biāo)包括：在供應(yīng)商、平臺(tái)以及目前尚不可知的范疇之間構(gòu)建安全可靠的通信，實(shí)現(xiàn)從傳感器到企業(yè)及其他領(lǐng)域的互操作性。OPC基金會(huì)生態(tài)系統(tǒng)是統(tǒng)一的，由工業(yè)、IT、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和云組織組成，有超過65個(gè)聯(lián)合工作組參與，專注于定義和實(shí)現(xiàn)從工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（包括傳感器/執(zhí)行器）到企業(yè)和云系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語境和語義數(shù)據(jù)模型。 OPC基金會(huì)與清潔能源和智能制造創(chuàng)新研究所（CESMII）共同開發(fā)的全球可用UA云庫使OPC UA信息模型在全球范圍內(nèi)的云端可用，為用戶提供查找和使用OPC模型的有效方法。這簡(jiǎn)化了為語義數(shù)據(jù)模型提供可信源的應(yīng)用工程。

還有一個(gè)可擴(kuò)展性與互操作性相結(jié)合的問題。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的許多應(yīng)用都利用MQTT作為一種輕量級(jí)方法向任意數(shù)量的信息使用方發(fā)布數(shù)據(jù)。然而，盡管MQTT支持可擴(kuò)展性，但它本身并不能促進(jìn)互操作性。另一方面，OPC基金會(huì)更理解集成的挑戰(zhàn)不僅僅是對(duì)通信層加以規(guī)范，因此他們規(guī)范了從通信層到信息層的完整技術(shù)棧。而且OPC基金會(huì)更重視信息層，其主要價(jià)值主張都是通過信息層來展開的，OPC ?UA專門用了4000多頁來進(jìn)行信息定義，而通信定義只有不到300頁，就可見一斑。

Vol.4

MQTT/Sparkplug

也是一種解決方案

為了解決MQTT上缺乏信息互操作性的問題，Arcom/Eurotech于2015年創(chuàng)建了Sparkplug標(biāo)準(zhǔn)，以明確定義協(xié)議映射、編碼方案、公共數(shù)據(jù)類型，以及自定義對(duì)象結(jié)構(gòu)的方法。它最初是的一個(gè)不知名的專有定義，用于幫助通過MQTT進(jìn)行內(nèi)部集成。很快在一年之內(nèi)，Cirrus Link使用該技術(shù)為美國(guó)Inductive Automation公司的Ignition（一個(gè)流行的SCADA/MES平臺(tái)）開發(fā)了各種第三方模塊。Ignition的MQTT引擎模塊為數(shù)據(jù)存取互操作性建立了一個(gè)簡(jiǎn)單而明顯的用例。

來自任意數(shù)量供應(yīng)商的Sparkplug信息產(chǎn)生方將信息發(fā)布到標(biāo)準(zhǔn)MQTT代理。然后，這些信息立即可用，并在Ignition的內(nèi)部標(biāo)簽結(jié)構(gòu)中枚舉為標(biāo)簽和用戶定義類型（User Defined Types，UDT）。該功能最令人印象深刻的是，新連接的Sparkplug設(shè)備自動(dòng)出現(xiàn)，無需終端用戶或集成商輸入。2019年，開源組織Eclipse基金會(huì)獲得了Sparkplug規(guī)范的所有權(quán)。由于Ignition允許任何人通過免費(fèi)和功能齊全的試用下載來評(píng)估其平臺(tái)，包括任何業(yè)余愛好者都可以使用的免費(fèi)Maker Edition，因此它的受歡迎程度持續(xù)增加。

Sparkplug從下往上構(gòu)建堆棧，通過MQTT定義信息以實(shí)現(xiàn)互操作性，而OPC基金會(huì)則從上向下指定發(fā)布-訂閱功能以實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性。OPC UA工作組開始開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，通過其他用例擴(kuò)展其現(xiàn)有的信息定義，如防火墻遍歷、控制器到控制器通信、控制器到云通信，或通過消息代理大規(guī)模連接信息產(chǎn)生方和信息使用方。之后，在2018年，OPC基金會(huì)發(fā)布了第14部分:Pub/Sub規(guī)范，MQTT已成為其四個(gè)通信協(xié)議中最受歡迎的，這主要是因?yàn)槭袌?chǎng)之前對(duì)樹莓派應(yīng)用、家庭自動(dòng)化項(xiàng)目或其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用都用到MQTT，因而熟悉。此外，2021年5月發(fā)布的UA- IIoT - Starterkit僅支持MQTT，以至最近的OPC網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)在提到Pub/Sub架構(gòu)時(shí)主要討論OPC UA over MQTT。圖3給出Sparkplug與OPC UA over MQTT，看來OPC基金會(huì)正在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的范疇內(nèi)僅支持MQTT，不支持其它的協(xié)議。

圖3 ?Sparkplug和OPC UA over MQTT協(xié)議棧 （圖源：IEB網(wǎng)站）

Vol.5

W3C正在開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)WoT

最近微軟的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的總架構(gòu)師向媒體透露，他們利用WoT的TD（Thing Description, ·物描述）作為架構(gòu)模式，OPC UA作為接口，創(chuàng)建了一個(gè)參考實(shí)現(xiàn)，并以UA Edge Translator應(yīng)用程序的形式演示這個(gè)概念。該應(yīng)用程序運(yùn)行在Docker容器中，便于部署在支持Docker或kubernetes的工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)上。通過擴(kuò)展UA Cloud Publisher的UI，僅一次單擊完成對(duì)UA Edge Translator的組態(tài)。目前，UA Edge Translator只處理Modbus設(shè)備，但添加其它設(shè)備也很方便。演示提供了SIEMENS SENTRON PAC電能表的WoT組態(tài)文件樣本，其中已經(jīng)包含了將電能表映射到標(biāo)準(zhǔn)化OPC UA PROFI能源配套規(guī)范所需的信息。OPC UA PROFI能源配套規(guī)范直接從UA云庫加載。這一演示表明WoT開始步入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存取互操作性的戰(zhàn)場(chǎng)。

萬維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）在交付全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方面有著良好的記錄，包括構(gòu)建Web的HTML和CSS。在其麾下2020年成立了W3C物聯(lián)網(wǎng)（WoT）工作組，其任務(wù)是通過構(gòu)建模塊的規(guī)范來對(duì)抗物聯(lián)網(wǎng)的碎片化，從而實(shí)現(xiàn)跨物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和應(yīng)用領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)的輕松集成。作為現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，W3C WoT提供了標(biāo)準(zhǔn)化的元數(shù)據(jù)和其他可重用的技術(shù)構(gòu)建塊，目標(biāo)是使跨物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和應(yīng)用領(lǐng)域的集成變得容易。其方法是通過遵循著名且成功的Web范式，通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)構(gòu)建模塊，幫助簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)，增加靈活性和互操作性，特別是對(duì)于跨域的應(yīng)用；同時(shí)支持已建立的標(biāo)準(zhǔn)和工具的重用。 通常，在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中，開發(fā)人員必須面臨以下挑戰(zhàn)：必須了解來自不同供應(yīng)商和制造商的不同物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和服務(wù)組成的異構(gòu)技術(shù)環(huán)境（參見圖4）。這種多樣性包括通信協(xié)議、有效負(fù)載數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)模型和安全需求的變化。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常是針對(duì)一個(gè)狹窄而具體的用例開發(fā)，在其生命周期內(nèi)，這些應(yīng)用難以擴(kuò)展、維護(hù)或重用。

WoT規(guī)范提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)構(gòu)建模塊，引入了一個(gè)基于屬性、事件和動(dòng)作的簡(jiǎn)單交互抽象。屬性包括傳感器的測(cè)量值（只讀）、組態(tài)參數(shù)（讀/寫）、狀態(tài)（只讀或只寫）、或計(jì)算結(jié)果（只讀）、等等；動(dòng)作包括機(jī)器啟動(dòng)/停止、淡入/淡出、長(zhǎng)期持續(xù)的過程（打印文件、隨時(shí)間改變屬性等）、等等；事件包括現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、門已開、數(shù)據(jù)已在流動(dòng)、等等。任何物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口都可以用這種抽象來描述（參見圖5）。通過使用這種抽象，應(yīng)用程序可以有一個(gè)通用的支撐（a common anchor）來檢索物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的元數(shù)據(jù)，了解可以訪問哪些數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的功能，以及如何訪問這些數(shù)據(jù)和服務(wù)的功能。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的元數(shù)據(jù)，包括實(shí)現(xiàn)這種通用抽象所需的所有信息，都被記錄在所謂的WoT的 TD（物描述）中。TD是W3C物聯(lián)網(wǎng)中的一個(gè)核心構(gòu)建塊，可以被視為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例的入口端（很像網(wǎng)站的index.html）。它提供以下信息：相關(guān)的數(shù)據(jù)和功能，使用哪種協(xié)議，數(shù)據(jù)如何編碼和結(jié)構(gòu)化，使用安全機(jī)制控制存取，以及進(jìn)一步的機(jī)器可讀和人可讀的元數(shù)據(jù)。TD用JSON-LD表示，可以由物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身提供，也可以托管在外部的存儲(chǔ)庫中，如TD目錄。

圖5 ?TD的概念圖（圖源：WoT網(wǎng)站）

總的來說，WoT是一個(gè)協(xié)議無關(guān)的方法，并提供了一個(gè)公共機(jī)制來定義如何將特定的協(xié)議（如MQTT、HTTP、CoAP或Modbus）映射到WoT的交互屬性-動(dòng)作-事件抽象中（參見圖6）。這個(gè)映射和協(xié)議特定的元數(shù)據(jù)是由WoT綁定模板提供的。特定協(xié)議的綁定模板為客戶端如何通過相應(yīng)的面向網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議接口來激活每個(gè)WoT交互抽象提供了指導(dǎo)。

圖6 由WoT物描述TD可推斷出WoT腳本API （圖源：WoT網(wǎng)站）

可選的WoT腳本API構(gòu)建塊定義了一個(gè)ECMAScript（JavaScript）API，它可由WoT物描述規(guī)范推斷出來，并支持WoT交互抽象。它定義了行為實(shí)現(xiàn)和基于腳本的WoT運(yùn)行時(shí)之間的接口。但是請(qǐng)注意，WoT的實(shí)現(xiàn)并不局限于腳本環(huán)境。Java或C/ c++中的編程語言API也可以從WoT的腳本API中派生出來。

Vol.6

適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的

數(shù)據(jù)存取模型

其實(shí)從應(yīng)用的角度看，工業(yè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)、同步、協(xié)同的業(yè)務(wù)處理和制造過程，其重要基礎(chǔ)就是全局的數(shù)據(jù)共享，而不是數(shù)據(jù)交換。這就要求有一個(gè)從數(shù)據(jù)存取架構(gòu)的視角建立的數(shù)據(jù)存取模型，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)/信息的使用方與數(shù)據(jù)/信息的產(chǎn)生方解耦，就如在互聯(lián)網(wǎng)中通過TCP/IP模型實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)/信息的存取與具體設(shè)備的地址脫鉤那樣。有人設(shè)想了這樣的數(shù)據(jù)存取模型（見圖7）。

圖7 設(shè)想的數(shù)據(jù)存取模型 （圖源：IEB網(wǎng)站）

要使數(shù)據(jù)/信息的使用方與數(shù)據(jù)/信息的產(chǎn)生方解耦，一個(gè)重要前提是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)架構(gòu)的通信連接，而不是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。在“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”體系結(jié)構(gòu)中，信息使用方必須發(fā)起的連接數(shù)量與系統(tǒng)中信息產(chǎn)生方的數(shù)量直接相關(guān)。信息產(chǎn)生方的數(shù)量還規(guī)定了必須在信息使用方一側(cè)設(shè)計(jì)的不同協(xié)議和客戶自定義語法解析功能的數(shù)量。因此，隨著信息產(chǎn)生方數(shù)量的增加和實(shí)現(xiàn)的協(xié)議數(shù)量的增加，點(diǎn)到點(diǎn)模型變得不可持續(xù)。 當(dāng)從所有工廠設(shè)備收集信息時(shí)，企業(yè)系統(tǒng)受到了所需通信協(xié)議數(shù)量的挑戰(zhàn)。對(duì)于應(yīng)用程序來說，要做到跨所有設(shè)備且與任何協(xié)議通信，負(fù)擔(dān)是在太大了。人們一直在努力通過將過多的通信協(xié)議通用化來消除這種負(fù)擔(dān)，但一涉及到產(chǎn)品采用，那又是另外一回事了。工業(yè)自動(dòng)化制造商不會(huì)只優(yōu)先考慮標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，而是繼續(xù)在EtherCAT、PROFINET和EtherNet/IP等原生現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新。幾乎所有的設(shè)備都繼續(xù)支持Modbus/TCP來交換數(shù)據(jù)，有些還增加了IO-Link。一些設(shè)備已經(jīng)發(fā)展到包含OPC UA服務(wù)器，但即使是OPC基金會(huì)成員的工業(yè)自動(dòng)化制造商仍然省略O(shè)PC UA服務(wù)器。一些集成商和終端用戶正在等待最新的設(shè)備規(guī)范OPC UA FX，期望它將導(dǎo)致更大的市場(chǎng)采用。相比之下，其他人嚴(yán)重懷疑在工業(yè)設(shè)備這一級(jí)別是否有可能采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議?？紤]到各種訴求和復(fù)雜情況，采用W3C的WoT解決方案是一個(gè)可行途徑。

結(jié)束語 ? ? ?

時(shí)至今日我們尚不能看到適合全球的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)存取互操作性的明朗格局。我們盼望能在此方向加快進(jìn)程，讓企業(yè)在納入新的數(shù)據(jù)/信息產(chǎn)生方或數(shù)據(jù)/信息使用方時(shí)不需花費(fèi)或極少集成成本。 ? ?

編輯：黃飛