在工业的数字化转型中，彻底释放数据是必经之途。要彻底释放数据首先要解决三个关键问题，即：

       ●创建规模化和范围广泛的设备连接和各种数据源连接

       ●获取数据，并确定这些数据的存储空间

       ●进行数据转换和处理，并发送到需要这些信息的系统和设备，供分析和决策、执行

       本文旨在探讨如何解决这三个关键问题。

1 MQTT和OPC UA是解决IIoT标准化和互操作的重要选项

       数字化转型规划其涉及的范围远超原有的自动化控制系统和企业管理系统的范围，因而规模趋大，趋于复杂，需要高效、高性能和包容性的通信技术和系统架构。

       连接和获取数据的方法分为两大类：

       1）控制特定的网络和协议，

       2）基于开放/标准的协议。

       前者是标准的和专用的现场总线和工业以太网，后者包括两个正在流行的趋势，涉及OPC UA和MQTT。开放协议MQTT+Sparkplug和OPC UA+OPC配套规范和信息模型是解决工业物联网IIoT标准化和互操作性的重要选项。

       MQTT是一种轻量级通信传输协议，适用于带宽有限的网络和具有多个客户端和设备的应用，这些客户端和设备以多对多的方式共享数据（图1）。它使客户端能够发布和订阅云或内部托管代理中的数据，这些代理（brokers）管理数据并将其路由到订阅的客户端。MQTT本身并没有定义数据包中的数据格式（即有效负载），这会导致互操作性问题，以及由于供应商规定了有效负载格式而形成的供应商锁定的风险。Sparkplug扩展了基本的MQTT，为用户、集成商和供应商提供了一种标准化的有效载荷格式，尽管不像OPC UA信息模型那样定义得很完善，但还是定义了用于交换数据的模型。

       MQTT和Sparkplug的用户需要考虑使用智能的MQTT客户端和代理，而不仅仅是移动数据。智能客户端或智能代理将在同一连接上处理多种有效负载格式，能够自动将MQTT主题数据提取到标记中，以便于提供OPC等标准使用，并处理数据连接质量状态的传播。如果控制决策依赖于MQTT数据，那么智能客户端或智能代理必须解决丢失和无序消息的管理问题，保证消息顺序不发生差错地保存，并处理失败的写操作，以及网络停机时的地址存储和转发。

       OPC UA（开放平台通信统一架构）标准是为不同工业系统、设备和应用之间提供数据交换和通信标准化框架的另一种强有力的手段。作为OPC经典标准的演进，OPC UA标准定义了交换广泛工业数据的安全集成方法，以及通常用于特定的垂直行业数据交换的标准化信息模型，这些信息模型具有定义完善的命名空间。

       OPC UA规范除了规定了基本的信息模型（DA，Data Access数据存取信息模型，AC，Alarms& conditions报警和状态信息模型，HA，Histories Access历史数据存取信息模型等）外，还配备了以配套信息模型描述的工业标准信息模型（如PLCopen、ISA 95、AutomationML等）。图2给出OPC UA信息模型的架构。

       OPC UA配套规范为OPC基金会发布的可用行业或通用技术信息模型提供了XML定义文件，以快速授权客户端和服务器应用共享模型中的行业特定数据。一般而言，OPC UA内含有语法的标准，不负责语义的定义，其语义的表达是通过配套的行业信息模型或某种专有技术的配套信息模型及其相应的规范来表达的，所以在这个意义讲，OPC UA只是传递语义，而非定义语义。

       经验丰富的用户和集成商还可以根据他们的业务需要定义和发布他们自己的配套信息模型，以便于与供应链或其他合作伙伴交换工厂数据。这些数据不仅包括原始数据，还包括历史和事件数据、元数据，还包括有关数据源、数据质量和数据点之间相互关系的详细信息。OPC UA Pub/Sub(发布/订阅)是OPC UA协议的扩展，用于需要多对多通信的应用，为所有类型的数据提供有效的传输，包括在OPC UA信息模型中（无论是从配套规范还是用户定义）的原始数据或格式化的数据。OPC UA Pub/Sub也可以在MQTT传输上使用，使用户能够利用OPC UA配套规范和信息模型的高度标准化，以及MQTT的灵活性和简单性。

       在任何实现中，都会存在没有以任何形式就地实现MQTT或OPC UA系统和要连接的设备，因此必须通过设备更换或集成软件，或者提供连接和集成标准PLC和控制协议、传统设备和非标准协议设备的解决方案（见图3）。现有的商用工业软件通过创建符合MQTT和OPC UA标准的具有可视化的组态接口，连接任何只具有串行或以太网的设备，并且运用OPC UA和MQTT标准的文档化及通信协议。这样的解决方案可以使众多的串行、USB和以太网接口的设备即使不使用开放/标准协议集成，也无需编写任何自定义代码，就可以参与MQTT和OPC UA的数据交换。

2 运用统一命名空间UMS创建高效信息交换架构

       现有大多数的工业信息系统建模采用的传统金字塔网络和系统架构结构（如图4所示），依据用于定义控制功能和其他企业功能之间接口的功能建模标准IEC 62264/ISA 95标准。这种体系结构的特点是用一个技术堆栈对包括位于底部的工厂级组件和位于顶部的企业/云组件进行描述。在这个堆栈中，每一层相互连接，并且只与直接在其上或其下的一层通信。因此，数据通过点对点连接，且每次向上或向下传输一层。这种基于分层客户端-服务器的架构，是实现IEC 62264/ISA 95标准的一种方式。然而，IEC 62264 /ISA 95并没有规定实现?字塔网络和系统体系结构的方法，这是因为它纯粹是一个功能建模标准，而不是一个互连网络标准。

       显然，这种架构方法不适合构建智能制造系统，一方面是由于这种系统难以管理，数据传输的耦合过于紧密，更重要的是这种系统不可扩展。明眼人从图5中就能清晰地看出其弊端。

       更合适的智能制造架构应该是如图6所示的模式，网络的参与者彼此之间不直接接触。它们将自己的信息发布到一个中央信息存储库，即一个统一的命名空间。然后，其他参与者可以按需从统一命名空间中提取对其有用的信息。由于所有的直接通信都被完全删除，因此很容易将控制系统与IT系统合并，而不需要了解彼此的实现细节。事实上，在统一命名空间体系结构中，如果将供应商A的设备替换为供应商B的设备，只要新设备的信息发布到与老设备相同的主题命名空间，其他网络参与者甚至会浑然不知这种变化。使用统一命名空间还允许智能制造系统可以按需地加以扩展，这是另外一个明显的优点。

       最早的UNS项目由UNS的最重要的倡导者Walker Reynolds于2005年构建的。这个项目是为盐矿实施的，使用了动态数据交换（DDE）与Excel电子表格。在接下来的一年里，该项目适应了MQTT技术。

       从自动化的角度来看，UNS是一种通用的命名约定，它根据设备、数据点和服务的位置、功能、类型等属性进行组织。进一步说UNS不仅是一种命名约定，而且是一种满足以下要求的架构：

       ●UNS是业务数据和事件的语义层次结构。 

       ●UNS是连接所有智能设备和IT基础设施的枢纽。 

       ●UNS是业务中所有数据和信息的唯一真实来源。 

       ●UNS是数字化转型的基础。 

       ●UNS是业务的当前状态所在，支持业务的实时快照。

       总之，UNS是一个本体通信层，它连接了IIoT中的所有其他部分。它提供了一个共享的数据枢纽，支持不同系统和利益相关者之间的通信和协作，而不管其底层技术或供应商如何。这种共享的数据枢纽可以提高工业物联网系统的互操作性、可扩展性和灵活性，降低集成成本，加快上市或工程时间。

       从本质上讲，统一命名空间是一种中间件解决方案，运用它可以从各种工业系统采集数据，为其添加语义环境，并将其转换为其他系统可以理解的格式。实现统一命名空间的方法之一是使用基于Sparkplug的网络体系结构。事实证明，统一命名空间体系结构和IEC 62264/ISA 95实际上是相互补充的。我们完全可以基于统一命名空间架构设计智能制造系统，然后使用IEC 62264/ISA 95标准对推送到统一命名空间的数据对象进行建模。这样我们便可以使用一种创新和现代的方式来组织制造系统的组件，并完善地结合一种经过验证和测试、且在全球广泛使用的企业信息集成的功能建模标准。

       由此我们可以得出这样的结论，虽然依据IEC 62264/ISA 95标准构成的数据架构在世纪90年代中后期起发挥了很大作用，但当前如果企业盲目地将其作为数字化转型战略的基础，显然会冒着巨大的风险，导致许多数字化转型的努力都以失败告终。

       创建和实现统一命名空间（UNS）的概念是一种积极的趋势，它支持有效的信息交换，从而支持实时决策。使用UNS有助于打破信息孤岛，使企业能够从广泛的来源收集和分析数据，从而提供更完整的运营情况。UNS支持在所有应用的分布式环境中都有效，而不是仅在某一处有效。进入UNS模型的信息的工具应该符合标准化的要求。OPC UA、UA信息模型、UA Pub/Sub、MQTT和MQTT Sparkplug、OPC UA over MQTT都是满足这些要求的技术，此外，HTTP、Modbus Plus也是可以用于UNS。运用这些技术使数据进入UNS成为可能。在这些工具中，MQTT Sparkplug使用轻量级消息传递协议，使其非常适合低带宽或不可靠的网络。而OPC UA采用更健壮的消息传递协议，能够处理更大的数据量，这更适合高速和安全的网络。

3 基于统一分析架构的数据集成、转换及处理

       将未经验证的数据发送到云端既浪费带宽，又浪费数据摄入费用和时间。解决这个问题的措施是数据验证、语义语境化，将数据转化为信息，并进行处理运行操作和业务或事务数据库和系统的集成，这是运用数据增值的一个重要环节。经过这些转换和处理后所取得的信息，可以为提供可操作的见解，实现明智的决策，推动运营效率的提高和支持持续改进计划发挥巨大作用，从而为增值作出贡献。应该指出的是，在工业自动化的范畴内语义语境化严格受到行业标准的规范和限制，这也是OPC UA通过配套信息模型构建行业语义语境的基本出发点。

       填平数据鸿沟需要一个超越前面讨论的典型连接性的全面解决方案，即统一分析框架（UAF，Unified Analysis Framework）。这种解决方案的基本功能包括数据清理、规格化（normalizing，用标准格式表示）和语义语境化，以及向各种使用者，包括前面提到的统一命名空间UNS提供数据。此项工作内容应该尽可能在靠近数据源的边缘高效地完成，而不应该将可能无效或未聚合的数据发送到云端进行分析、机器学习和进行其他增值活动。

       为OT构建一个对业务和云集成有敏锐理解的统一分析架构UAF和数据转换处理的软件。UAF解决方案的目的是转换在边缘收集的数据，为在云中进行的高级分析、人工智能和机器学习做好准备。可以将此视为将工业信息源（如流程历史数据、业务数据、手动收集的数据等）连接到各种数据使用端的信息中心。作为一个中心，该软件为来自各种源的数据语义语境化、数据清理和KPI计算提供了一个集中的位置，以便大规模地执行和管理。

       理想情况下，UAF解决方案在边缘运行，并囊括本地OT数据（DCS、PLC、智能手机等）的连接，以及与事务性业务数据源（ERP、MES、过程历史数据库、SQL数据库等）的连接；并且进行数据转换处理计算和语义语境化，还可以通过业务层和云发布结果（见图7）。这样做的好处是降低了云系统摄入数据的成本，但更重要的是，可以确保将高质量的数据交付给云系统，而不是在分析之前浪费时间清理云中的数据。可以通过在不同层进行跨业务管理的模板化来提供可伸缩的数据治理工程。

       在基于统一分析架构UAF的数据处理软件中，OPC路由器是一款高度可组态的软件工具，用于使用拖放可视化工作流集成各种工业业务和物联网数据源，旨在减少智能制造，工业物联网和数字化转型应用中的工程时间和风险。主要特点是：

       ●OPC客户端连接到OPC UA，OPC DA和OPC XML-DA服务器 

       ●OPC UA服务器，包括数据访问和Method触发器 

       ●与数据库的连接包括：Microsoft SQL Server，MySQL，Oracle，MongoDB，InfluxDB和其它ODBC数据库 

       ●通过SMB(Windows共享)和FTP(SSL & plain)访问文件，用于可扩展企业实现的存储和转发、冗余和模板 

       ●可视化工作流加快了与各种数据源的连接 

       ●SAP认证的ERP集成连接器 

       ●SOAP-Web服务连接器，用于集成其他ERP/MES系统或将任何SOAP Web服务数据转换为OPC

4 小结

       智能制造和工业数字化转型计划的成功需要考虑许多因素。其中最为关键的是要解决获取正确的数据，对其进行转换并将其传送到正确的位置，供进一步分析决策使用。在这个关键的环节中，国内尚没有相应的系统成套的工具性工业软件，致使在工业企业数字化转型的规划中都需要自行开发类似的软件，因而工作效率和成功率都难以保证。开发可供广泛运用的工具性软件应该受到急迫的重视和推动。