傳統的工業企業中留存了大量的舊有信息系統和工業設備，這些系統和設備中運用的信息采集方式、通信模式、數據格式、操作系統往往并不統一，它們在底層所采用的信息技術可能存在極大的差異。在工業4.0中，目前最關鍵的工作就是引入CPS，連接各類“異構”的系統設備，實現相互間的信息兼容。在數字化的進程中，工業物聯網的搭建需要減少對原有系統的改造，做到向下兼容（兼容老舊系統）。

所以，工業4.0主要以采用“功能擴展”（增加CPS）的方式實現老設備、舊系統的“上網”，注重的是三個“集成”（三類集成：橫向集成、縱向集成、端到端集成），而并不是重構工業系統底層的信息架構（重構協議標準并開放接口）。

從目標來看，工業互聯網和工業4.0是高度一致的，即通過工業系統的聯網來聚合能力，再靈活運用，服務于個性化、創造性的需求，并產生新的商業模式和生態。

在工業互聯網白皮書中，將工業互聯網描述為：致力于工業控制系統聯網，使之形成大型的端對端系統。工業互聯網系統能與人聯接，能充分集成企業內部系統、工藝流程和分析工具。這樣的端對端系統被稱為“工業互聯網系統（IISs）”。

工業互聯網的架構，從商業利益訴求開始（聯盟的發起者都為大型企業），基于各類應用，進行生態體系的研究，并通過簡化方式對系統架構進行解釋，便于各領域組織和個人的理解。

不同于工業4.0在“集成”之上，更注重供應鏈（價值鏈）的研究，工業互聯網則更偏向于對利益相關者-“角色”的研究。生產分工的“角色”，不僅僅是指產業鏈上下的企業和組織，還包括了企業中的各類職業人士，包括商業決策者、技術工程師、產品經理等。在工業4.0中也有大量內容關于對“勞動者（人）”的調研和闡述，但主要是從社會學、人力資源管理學進行整體性的思考。

一、工業物聯網的四層視角

從“角色”的需求出發，工業互聯網提出了四層“視角（Viewpoint）”的結構（有些文章中也稱之為“組件”）。

1. 業務視角（Business Viewpoint）

在工業互聯網的搭建中，業務視角關注于識別利益相關者的商業視野、價值觀和目標。相關人員（包括行業用戶）需要思考如何通過工業互聯網提供的基本功能來實現商業目標。（行業用戶：業務決策者、產品經理、系統工程師等）

2. 應用視角（Usage Viewpoint）

應用視角定位于可靠、復雜的系統應用（功能）。通過專業用戶或邏輯用戶自助式的一系列操作（使用過程），能夠獲取到系統的基本功能或服務，并將其拼裝成成熟的商業應用。（專業用戶：系統工程師、產品經理等;邏輯用戶：智能終端）

3. 功能視角（Functional Viewpoint）

功能視角聚焦于工業互聯網系統中的基本功能模塊（系統的零部件），以支持上層應用組件的運行。功能視角主要研究模塊之間的關聯關系、組合結構、信息交互接口、使用流程和步驟，以及功能模塊和系統外界環境的關聯關系。（系統和組件架構師、開發人員、集成商）

4. 執行視角（Implementation viewpoint）

執行視角主要關注的是功能視角中的信息技術元素，包括具體的工業控制系統、通信方案和軟件程序。執行組件（視角）關注于工業物聯網最基本、核心的技術架構，功能（視角）在執行視角的技術架構上搭建，使得多個應用（視角）能夠協同工作，并實現業務的完整交付。（系統和組件架構師、開發人員和集成商，和系統運營商。）

工業互聯網認為，工業領域的控制系統（ICS）已經能夠實現跨產業部門的工業自動化。它們通過對物理世界的感知，獲得信息的“激勵”，并通過“固化”、明確的邏輯運算，向執行器發布指令信號，從而由設備上的機械裝置改變物理世界和環境的狀態。這種“控制”過程由工程師精心設計，使得自動化設備的所有行為都明確并固定下來。但如果生產環境發生改變，生產產品需要升級，那么必須由工程師重新設計并調整系統，這有可能需要啟動一個生產線的“精益”項目。（精益-Lean：制造業領域專有名詞，可簡單理解為：改進生產系統并提升生產線的能效）。

要適應生產環境和商業需求的變化，控制系統中的信號處理元器件，首先需要與外部信息系統組網通信，其次需要建立共通的“語言”（通信協議、數據規范），還要能夠接受上層應用的調配和指揮，以此實現靈活的“柔性生產”，與其他商業系統協同“智造”。

四層視角之中，“執行視角”主要是構建信息流的通道（從通信行業的角度來說，就是拓撲、接口、規范和消息流程）。在“執行視角”中的獨立設備和系統，會按照接口規范輸出傳感信號或接受指令信號，在“功能視角”中形成數字化映射，即在虛擬世界獲得一個“身份”，能被其他信息系統進行查詢、訪問、調用、關停等。

四個視角中的系統和能力是相互交織，只是看待的角度層面不同。商業視角和應用視角更多的是從商業的角度來看待生產活動，它更關心的是資金、客戶關系、供應鏈、人力資源、企業資產、產品的生命周期等等，是從上（需求）向下（實現）看待工業物聯網。功能組件和執行組件是從信息技術、行業技術的角度來看生產活動，它聚焦于如何調配計算資源、如何傳遞信息、如何操作設備、系統的維護和運營、技術構架的健壯性和安全性，更層次化、深入化地理解工業物聯網系統，關注于它的“有機性”。

二、工業物聯網的技術架構

在工業互聯網的四個組件中，功能視角和執行視角都是從技術的角度來拆解工業互聯網。其中，功能視角關注工業整體系統，是頂層的技術架構，定義并展現了工業核心能力的相互關系;執行視角關注信息系統結構，是支撐功能視角的數字化基礎，它對工業物聯網的信息/網絡能力進行了層級劃分。

通俗的來說，執行視角描述了一個人（工業）的“神經網絡”，而功能視角則呈現了一個人（工業）的“器官組織”。工業互聯網通過這兩種視角，注重于理清信息技術與工業技術之間的關系。就目前來看，工業4.0的架構思路傾向于將信息技術進行改進和疊加。相對而言，工業互聯網則更關注未來工業系統的重構，使得信息和工業深度、有機的融合。

1. 功能視角

工業互聯網聯盟希望有一個明晰的、技術層面的功能結構，一方面兼容工業自動化原本傳統的工業技術結構，并且普適于大多數的工業信息系統（如ERP等），另一方面能夠具有良好的擴展性和健壯的系統性，可以達到全面數字化生產的程度，并適合相關企業和人員來進行理解、設計、開發、運營。所以，工業互聯網對工業領域和信息領域的技術進行了融合，并定義和劃分相應的功能模塊，提出了“功能視角”的概念，這便是工業互聯網的頂層功能架構：功能域模型。

功能域模型由五個基礎的功能域組成。企業的信息系統可以包含所有的功能域，也可能是其中幾個，還可以是單獨一個功能域，每個功能域都是相對獨立、完整的系統。當然，實際的業務系統會根據應用特色，刪減或修改功能域中的某些細節性技術，但這不會影響工業互聯網的整體結構。

（1） 控制域

控制域整體部署在物聯網邊緣，貼近實物和環境，在物聯網結構之中處于邊緣位置。控制域包括：

感測，是傳感器對設備、環境的感知;

驅動，就是指通過傳遞指令信號，使得設備上的機械部件或電路開關實施規定動作。此外，向電子標簽等存儲設備注入數據也是驅動的一種類型。

交流，是指信息在邊緣網絡中傳遞。

實體抽象可以理解為物的“數字化”，即物的（狀態或屬性）實體信息由統一、規范、有實際意義的數據（即數字化信息）來表示，這樣上層系統就可以解讀感測信息、改寫設備狀態（驅動）。實體抽象是物理系統和信息系統的橋梁，完成虛擬和現實相互間的映射。在物聯網領域中，“數字化”的狹義理解就是“實體抽象”。

建模，是對物理世界的系統性描述（包括對單一事物的分析和預測能力）。建模的對象可以是生產設備（例如通過采集大量的設備狀態信息，來預測設備的隱性故障），也可以是外部環境（例如機器乒乓球手，通過視頻中的乒乓球軌跡，來判斷球的落點）。建模的數據源來自下層的“實體抽象”。復雜的建模需要融合高深的行業技術知識，并通過高等計算（人工智能到等）來實現。

執行者通過對控制目標的解讀，按照自有的控制邏輯，實施一系列的操作（向驅動和感測傳達指令）。執行者具有自主性，具有一定的決策權和智能，可以動態、靈活地完成任務。當然，對于一些特別重要或簡單的控制目標，執行者會不經過邏輯判斷，直接執行。

整個控制域實現了（控制）目標和（物理）行為的統一。

（2） 操作域

操作域是對控制域系統的集中化運營，它可以遠離控制域，實現遠程的監管。操作域主要的職責包括：

為功能（組件）的實現，調配和部署資源并進行相應管理。

為保證功能的健壯性，操作域還需要具備監測和診斷分析的能力：通過分析系統的關鍵性能指標，來評估系統的健康，針對系統故障、性能下降等問題，及時上報或預警。

操作域除了“反應式”的運營方式外（出現告警后再處理），還需要支持預測和優化：預測故障和系統瓶頸，在故障和問題發生前處理（預測性維護）;掌控各類資源的利用率和下層系統設備的情況，通過調整資源分配來實現生產優化（例如動態地關閉一些空載運行的機器，來節省工廠的電力消耗）

在預測分析方面，操作域需要信息域的幫助，以彌補他可能在計算能力上的不足。

（3） 信息域

從不同的域中采集信息，并將這些大量的異構信息進行轉換、建模、存儲，最終實現高級分析的功能（分析系統瓶頸或預測產業鏈趨勢）。

信息域具備的數據處理能力包括：

采集（匯集）傳感器和操作狀態的海量數據

數據質量管理（數據過濾、去重、挑揀垃圾數據）

（異構）數據格式轉換

語義化處理（在原始數據中注入備注信息，關聯其它數據集等，比如位置信息、時序信息等）

存儲和數據持久化（data persistence，內存數據模型和存儲模型的相互轉換）

數據分發處理（包括流分析處理-streaming analytic processing）

控制域也有數據采集和建模的能力，但主要是用于即時的計算、實時的反饋、連續的操作，其關注點在于設備的“物理行為”。信息域的建模主要是用于“后計算”的，即通過大數據分析、智能預測，制定一個長期的優化目標，并通過調整控制域的執行策略，實現系統整體的性能提升。

信息域對控制域具有“引導”作用，如果將控制域看做“生產者”，那么信息域就是“管理者”。

（4） 應用域

應用域是所有“功能（function）”（也稱之為“函數”）的集合，包含對“控制域”進行操作的功能。功能在應用域中表示為一個個相對獨立的應用程序，業務則是多個應用程序的系統性組合。雖然在軟件應用的底層代碼中也有“功能（函數）”的概念，但應用域所指的“功能”是高度抽象（語義化）和復雜的邏輯程序，它可以包含一組協同的物理操作或一系列流程化的數據處理行為。

操作功能發出的操作請求并不是無條件執行的，它必須接受控制域的條件約束，例如違反作業安全的操作指令會被控制域“拒絕”。

（5） 業務域

業務域即是企業各類的業務系統，例如：企業資源管理（ERP）、客戶關系管理（CRM）、資產管理系統、人力資源管理系統（例如人力資源的共享中心）、項目管理系統等等。這些信息業務是通過完整的一套軟件程序來實現閉環的業務流程，也被稱為：實現“端到端”的操作流程，例如用戶從客戶端到電商平臺（服務端）下訂單購買商品。

2. 執行視角

功能視角作為頂層技術架構，本質上是從工業領域的整體視角看待工業互聯網的技術架構，而執行視角則是從“具體實現”的視角看待工業互聯網，它其實屬于功能視角的一個基礎部分，不過以作者看來，“實現”的本質就是物理信息和虛擬信息的相互轉換，所以執行視角所展示的功能拓撲看起來更像一種“服務于信息的組網和計算方式”，其強調了協議、接口，以及系統動作、設備狀態的信息化映射。對于通信領域的人士來說就很容易讀懂執行視角之下的架構，而且能夠和物聯網網絡架構進行對應。

（1） 三層架構

執行視角下的工業互聯網分為三個基本層級：邊緣層、平臺層、企業層，它們分別對應不同的網絡和功能特性。

邊緣層收集各類設備數據并匯總轉發至平臺層，或由平臺層反向發送數據（例如操作指令）至邊緣層中的設備。

平臺層，一方面具有設備和資產的管理監控功能，可以向上層應用（企業層）提供這些能力。另一方面，它可以接受并執行企業層下達的操作指令：數據分析、信息查詢或控制設備運作。平臺層整合了工業領域中的各類信息能力，并形成具有開放性的服務系統。

企業層，就是行業應用層。它可以是商業決策系統，也可以是提供給外部用戶的設備監控系統，還可以是給內部運營人員用于產品質量分析的軟件應用。它可以從平臺層獲取大量的底層生產數據，也可以通過平臺層控制海量的設備，但它并不“關心”這些功能（查詢、操控）具體是如何實現的，它只負責高層應用的邏輯實現。

（2） 三層網絡

在三層架構模式之中存在三層網絡：鄰接網絡（Proximity Network）、接入網絡（Access Network）、服務網絡（Service Network）

鄰接網絡，通過一定數量的轉發節點連接一定區域范圍內的邊緣節點（包括傳感器、驅動器、設備、資產、控制系統和邊緣服務），并且在區域內形成局部網絡。鄰接網絡可以理解為物聯網的邊緣網絡，不過它更強調了在一個場景化的空間范圍內。

接入網絡，實現資產、終端、設備連接到平臺層的網絡。接入網絡可以是企業專網，也可以是商用的運營商網絡，例如4G LTE網絡。所有終端都需要通過網關設備連接到服務網絡。

服務網絡，實現平臺層和企業層連接。它可以是互聯網，也可以是運營商的移動網絡，或是企業私有網絡，還可以是建立在各種網絡之上的虛擬專線網絡。其實，企業系統之間的互聯也可以通過服務網絡。