過去幾十年，數(shù)字技術一直在改變我們生活的世界。比如說，物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和云計算就引發(fā)了我們社會生活和企業(yè)運營方式的變革。這場變革已開始進入工業(yè)領域，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 和云技術的推動下取得長足進步。例如，使用來自 IIoT 和在云端處理的數(shù)據(jù)，預測性分析能夠為智慧工廠優(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)大多有更為嚴格的要求，比如實時計算和通信限制，這些是云提供不了的。

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

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

理解關鍵概念

我們的第一個問題是：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，包含大量帶有計算和通信功能的設備（事物）。其中一些設備僅與其他本地設備或遺留后端 IT 系統(tǒng)通信，網(wǎng)絡——實體系統(tǒng)等其他設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)運營，促進制造自動化，通過減少損耗/停機優(yōu)化生產(chǎn)過程。

需要思考的下一個問題是：我們?nèi)绾芜_成智慧工廠的愿景？我們研究和發(fā)展了很多技術范式，用以實現(xiàn)智慧工廠和智慧城市及智能家居等其他智慧實體愿景。這些技術范式包括萬物互聯(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。

各個范式之間聯(lián)系緊密。比如說，IIoT 就是 IoT 的一個子集，IoT 又是 IoE 的子集。我們不妨進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，構建比之前更加相關、更有價值的網(wǎng)絡連接——轉(zhuǎn)信息為行動，為企業(yè)創(chuàng)建新功能，為個人帶來更豐富的體驗，為國家開創(chuàng)前所未有的經(jīng)濟機會。” 而 IoT 則是基于事物的技術范式，其中事物指的是內(nèi)嵌了計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。采用在云計算基礎設施中運行的連接協(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)控攝像機視頻反饋，或者在外度假時關閉廚房里忘了關的燈。

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)字技術和互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)工業(yè)的融合，完全轉(zhuǎn)變整個工業(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)相關的所有實體，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)與服務互聯(lián)網(wǎng)的緊密互連。所有這些認知顯露出工業(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。

基礎與當前技術水平

有一個技術位于上述所有概念的核心，那就是物聯(lián)網(wǎng)。IoT 是一種技術范式，但同時也是技術現(xiàn)實，是已經(jīng)存世的高度復雜的系統(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 不會今天這個樣子。

圖 1 顯示的是當前最先進的 IoT 架構。簡單說，IoT 的當前架構由存在于互聯(lián)網(wǎng)邊緣的事物組成。這些常被稱為邊緣設備的事物組成了物連網(wǎng) (NoT)，具備與其他設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——當前技術水準

如圖所示，IoT 設備通過互聯(lián)網(wǎng)與云通信。當前最先進的 IoT 技術使用云做數(shù)據(jù)處理、情報和通信網(wǎng)絡。比如說，使用智能手機開關家里的聯(lián)網(wǎng)電燈時，智能手機上的應用與云中終端通信，云再用預先設立的始終在線的連接將給定指令傳回給設備。此類命令與控制架構在 IoT 產(chǎn)品中非常常見。

霧計算推動未來發(fā)展

IoT 的當前架構適用于很多應用領域，尤其是消費市場領域。然而，該架構也有各種短板，特別是在智慧工廠和 IIoT 方面。

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

工業(yè)系統(tǒng)利用所謂的運營技術 (OT)，也就是通過直接監(jiān)視和/或控制閥門、泵等實體設備，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)、計算機數(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，還有這些技術用到的傳感器和促動器，都有實時限制。舉個例子，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)進行處理的智慧工廠造成了問題。（對實施控制系統(tǒng)而言，從云端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的耗時太長了。）

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

圖 2：融入霧計算的 IoT IIoT 架構

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)絡延遲使用更高級的計算資源。采用該架構就可以實現(xiàn)智慧工廠，甚至是負責控制系統(tǒng)運行的智慧工廠都能實現(xiàn)。

上面圖 2 顯示了 “霧計算層” 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，可被用作霧計算資源?？拷吘壍慕粨Q機與路由器、現(xiàn)場計算中心，甚至與 NoT 同處邊緣的專用霧計算節(jié)點，都屬于此類資源。

益處與解決的問題

霧計算能助力 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路線。由此，制造業(yè)將達成前所未有的客戶級協(xié)作，實現(xiàn)批量定制與大規(guī)模個性化定制。充分利用智慧工廠各方面優(yōu)勢的潛在機會是無窮的。

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)絡安全就是實現(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)復雜性與無數(shù)新型網(wǎng)絡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、使用 IIoT 技術和保護 IIoT 技術的人。IIoT 網(wǎng)絡安全需要相關各方之間強有力的跨領域協(xié)作。換句話說，網(wǎng)絡安全不能再各自為戰(zhàn)，每個人都需要參與進來，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)絡安全方面，我們的教育生態(tài)系統(tǒng)堪稱荒蕪。理科學生的課程中應納入網(wǎng)絡安全基礎教育，以便他們可以在日后的工作中將網(wǎng)絡安全融入新技術。

結語

本文討論了智慧工廠技術和物聯(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基礎。以云計算和霧計算這樣的技術為例，闡述了此類思想和技術間的相關關聯(lián)。霧計算是不斷進化中的新型技術，將成為完全發(fā)揮 IIoT 和智慧工廠潛力的關鍵組件。

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