Mô Hình Kiến Trúc IIoT Tham Khảo IIRA – Industrial IoT Reference Architecture

Người ta có thể tìm thấy nhiều cơ hội tăng ROI khi sử dụng IoT để giải quyết các vấn đề và mang lại giá trị trong bối cảnh công nghiệp. Cải tiến quy trình, theo dõi tài sản và bảo trì phòng ngừa là ba trụ cột chính thúc đẩy việc triển khai IoT công nghiệp.

Bánh xe liên tục quay của các platform IoT công nghiệp mới từ các nhà cung cấp mới và cũ có thể gây kinh ngạc cho những người làm việc để chỉ định các hệ thống tổng thể giải quyết các cơ hội này đó có thể là Bosch hay Cisco, GE hay Hitachi, Honeywell hay Rockwell Automation. Tuy nhiên việc xuất hiện nhiều platform như thế sẽ gây khó khăn cho các nhà phát triển ứng dụng cũng như người sử dụng cuối khi tìm hiểu định nghĩa, cấu trúc và quan điểm sử dụng của các nhà cung cấp platform.

Bài viết này chia sẻ một thông tin chi tiết hơn về 1 mô hình tham khảo tiêu chuẩn IIRA- Industrial IoT Reference Architecture cho hệ thống IoT Công nghiệp để giúp các nhà ứng dụng có thể có cách tiếp cận tính hệ thống hơn khi triển khai các giải pháp IoT công nghiệp (IIoT).

Lưu ý : Bài viết hơi nặng tính học thuật và kỹ thuật về hạ tầng. Nếu bạn không rành về Kỹ thuật có thể bỏ qua bài này.

Góc nhìn về Internet Of Things.

Mô hình IIRA là gì ?

Một kiến trúc được thiết lập ở mức cao nhất, IIRA cung cấp các mô hình, định nghĩa và một bộ từ vựng được xác định rõ. Tài liệu trình bày một bộ tiêu chuẩn cốt lõi và là điểm chung cho những người tham gia IoT để phát triển khung, tài liệu, truyền thông và triển khai. Chúng tôi cho rằng công cụ này sẽ thúc đẩy khả năng tương tác và giúp hướng dẫn phát triển tiêu chuẩn. Ở đâu có tiêu chuẩn, tất cả chúng ta đều có thể phát triển mạnh.

IIRA đang ở nhà giữa trận chiến giữa OT và IT

Hai khu vực trong Doanh nghiệp IT-OT đã gây nhiều tranh cãi – những nhà quản lý các dịch vụ và kiến trúc CNTT cấp doanh nghiệp và những nhà điều hành các hệ thống kiểm soát công nghiệp được kết nối trong thế giới thực, từ lâu đã đánh dấu lãnh thổ của họ.

Trong hai thập kỷ qua, khu vực sản xuất chỉ gửi dữ liệu vào văn phòng hỗ trợ và Enterprise IT sẽ xem xét mọi yêu cầu từ một thiết bị muốn kết nối với thế giới bên ngoài (ví dụ như hỗ trợ).

1 concept về mô hình kiến trúc IIoT

Khi các nhà quản lý nhà máy có nhu cầu về các hệ thống giám sát và sản xuất công nghiệp luôn cần các đội quản lý CNTT của doanh nghiệp dưới sự ủy nhiệm để củng cố hệ thống và dữ liệu, tuy nhiên lại gặp khó khăn với các khu vực OT phía dưới.

Và cụm từ vũng như công nghệ IIoT – Internet vạn vật công nghiệp ra đời nhằm thúc đẩy sự giao thoa này và làm xoa dịu cuộc chiến này.

Tại sao IT -OT phải làm việc cùng nhau?

Phần 6 của tài liệu IIRA tổng hợp tương lai của IIoT theo cách hứa hẹn một thế giới tốt hơn cho các kỹ sư điều khiển công nghiệp:

Dựa trên sự tiến bộ không ngừng của công nghệ tính toán và truyền thông, internet công nghiệp có thể biến đổi đáng kể các hệ thống điều khiển công nghiệp theo hai chủ đề chính :

a) Tăng quyền tự chủ hợp tác local : Các công nghệ cảm biến và phát hiện mới cung cấp dữ liệu ngày càng chính xác hơn.

Sức mạnh tính toán nhúng lớn hơn cho phép phân tích nâng cao hơn các dữ liệu này và các mô hình tốt hơn về trạng thái của một hệ thống vật lý và môi trường mà nó vận hành. Kết quả của sự kết hợp này biến đổi các hệ thống điều khiển từ chỉ tự động sang tự trị, cho phép chúng phản ứng thông minh phù hợp ngay cả khi các nhà thiết kế của hệ thống không lường trước được trạng thái hệ thống hiện tại. Kết nối phổ biến giữa các hệ thống ngang hàng cho phép mức độ hợp nhất và hợp tác mà trước đây không thực tế.

b) Tăng tối ưu hóa hệ thống thông qua việc phối hợp toàn cầu: Thu thập dữ liệu cảm biến từ các hệ thống điều khiển và áp dụng phân tích, bao gồm các mô hình được phát triển thông qua machine learning với những dữ liệu này, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về hoạt động của doanh nghiệp. Với những hiểu biết này, chúng tôi có thể cải thiện việc ra quyết định và tối ưu hóa các hoạt động của hệ thống trên toàn cầu thông qua việc điều phối tự động và tự trị.

Kiến trúc tham khảo Internet công nghiệp IIRA

Hai khu vực này được xem xét ngang nhau trong vai trò của họ trong kiến trúc IIoT thông qua IIRA. Phần đầu của tài liệu IIRA bắt đầu với VIEWPOINTS.

Quan điểm là rất quan trọng đối với thiết kế IIRA. Thiết kế IIRA bắt đầu bằng việc xác định hình dạng và hình thức của Kiến trúc Internet vạn vật công nghiệp bằng cách bắt đầu với quan điểm của các bên liên quan.

Phiên bản 1.8 bổ sung các tiến bộ IIoT mới nhất cho IIRA, phản ánh quan điểm của IIC về IIRA như một tài liệu sống của IoT . Đây là tổng quan về một số bổ sung:

Một số phần mới, bao gồm Mô hình kiến trúc dữ liệu phân lớp, Hàm cắt chéo và Đặc điểm hệ thống chính, và Mô hình triển khai miền tính toán và chức năng
Phụ lục mới về Xem xét không gian thiết kế cung cấp tổng quan minh họa về các tham số và ràng buộc thiết kế IIoT có thể có.
Các sửa đổi để tăng cường sự rõ ràng, điều này đặc biệt củng cố ý tưởng rằng các mẫu kiến trúc chỉ mang tính đại diện và không có ý định bao gồm tất cả

IIC (ndustrial-Internet-Consortium : Hiệp hội internet công nghiệp) bao gồm một loạt các thành viên bao gồm các kiến trúc sư hệ thống và phần mềm, chuyên gia bảo mật và chuyên gia kinh doanh. Do tính đa dạng này, IIRA có nghĩa là cung cấp giá trị trên tất cả các ngành có thể hưởng lợi từ IIoT (và có rất nhiều lợi ích để đi xung quanh).

Shi-Wan Lin, đồng chủ tịch của Nhóm công tác kiến trúc IIC cho biết, đã nhận ra rằng IIoT mang lại giá trị và chuyển đổi hoạt động kinh doanh. Một thách thức chính đối với nhiều doanh nghiệp bây giờ là làm thế nào để bắt đầu. IIRA cung cấp một khuôn khổ để thúc đẩy các dự án IIoT từ quan điểm kinh doanh. Điều này rất có giá trị đối với các doanh nghiệp để xây dựng các hệ thống IIoT có thể mang lại giá trị kinh doanh như mong đợi.

Sử dụng IIRA làm hướng dẫn để phát triển một tài liệu kiến trúc cụ thể cho từng trường hợp, các quan điểm được gắn với toàn bộ quy trình vòng đời của kiến trúc IIoT sẽ được phát triển song song.

Khi IIRA tiến triển, các Viewpoint được gắn vào các hệ thống và được phân loại thành năm lĩnh vực chức năng:

Miền kiểm soát
Miền hoạt động
Miền thông tin
Miền ứng dụng
Lĩnh vực kinh doanh

Lưu ý tầm quan trọng của miền điều khiển trong hình 6-5 được mượn dưới đây – Kiểm soát được đánh giá cao và được thực hiện để đáp ứng không chỉ cảm biến vật lý, mà cả dữ liệu vận hành và ứng dụng (ví dụ: một hệ thống được xác định đầy đủ).

IIRA cũng xác định các hệ thống và kiến trúc thành các tầng, miền, mạng và luồng dữ liệu như dưới đây.

Lợi ích toàn diện của mô hình IIRA

Mỗi quan điểm của IIRA cung cấp một cách nhìn duy nhất về các yếu tố thiết kế của hệ thống IIoT và thường phân tích của một kỹ sư chỉ được thực hiện trong một quan điểm riêng. Nhưng có những lúc người thiết kế phải xem xét các tương tác xảy ra giữa các quan điểm khác nhau.

Những người tạo ra kiến trúc tham chiếu đã cân nhắc điều này khi họ lắp ráp các quan điểm. Các tác giả của IIRA đã sắp xếp các quan điểm theo một thứ tự cụ thể để phản ánh mô hình tương tác xảy ra giữa bốn yếu tố. Về cơ bản, điều này có nghĩa là các quyết định từ quan điểm cấp cao hơn áp đặt các yêu cầu đối với các quan điểm bên dưới nó (Hình 2). Ví dụ: các quyết định do quan điểm kinh doanh ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề đang được xem xét trong quan điểm sử dụng.

Ngoài ra, các nhà thiết kế phải đấu tranh với một lớp các vấn đề thiết kế đòi hỏi phải xem xét trong bối cảnh của tất cả các quan điểm. Những thứ này được gọi là mối quan hệ xuyên suốt của IoT. Schneider cho biết, những cân nhắc xuyên suốt như an ninh và an toàn ảnh hưởng đến tất cả các tầng lớp của mọi ngành công nghiệp. Đơn giản là không thể xây dựng một hệ thống an toàn, chức năng mà không cần suy nghĩ về tác động của những vấn đề này đối với tất cả các bộ phận của hệ thống.

Các miền chức năng của IIRA tập trung vào các chức năng hệ thống chính cần có để nhận ra các khả năng của hệ thống IIoT chung. Tuy nhiên, các chức năng bổ sung phải được cung cấp để cho phép các chức năng chính trên toàn hệ thống. Các chức năng được gọi là giao thoa này phải được cung cấp trên nhiều thành phần chức năng của hệ thống.

Bắt đầu xây dựng thế nào ?

Các quyết định được đưa ra trên tất cả các quan điểm giúp các kỹ sư đặt nền móng cho các dự án thiết kế mới. Bằng cách xác định các quan điểm IIoT có liên quan, IIRA cho phép các kiến trúc sư dễ dàng và nhanh chóng tạo ra các quan điểm kinh doanh, sử dụng, chức năng và triển khai của riêng họ để đáp ứng các yêu cầu hệ thống độc đáo của họ, Mark nói, chiến lược gia tiêu chuẩn, Sáng kiến IP chiến lược, SAP. Bằng cách sử dụng các khía cạnh dễ hiểu của IIRA để giáo dục các bên liên quan và giám đốc điều hành kinh doanh của họ, họ cũng sẽ có thể nhận được đầu vào tốt hơn từ các bên liên quan đó trong chu kỳ thiết kế và mua vào hoàn chỉnh hơn khi giao hàng.

Quan điểm toàn cầu này cũng cung cấp hướng dẫn khi chọn các thành phần cho một thiết kế. Đây không phải là lợi ích không đáng kể. Các sản phẩm của IIoT là các hệ thống phức tạp được kích hoạt bởi nhiều công nghệ và bao gồm nhiều thành phần khác nhau. Thật không may, ít nhà cung cấp có thể cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh.

Và, đó là nơi IIRA có thể hỗ trợ. Theo Shi-Wan, các quyết định được đưa ra trong các quan điểm về chức năng và triển khai cho phép nhà thiết kế phá vỡ một hệ thống IIoT phức tạp thành các thành phần mạng và chức năng nhỏ hơn. Các nhà thiết kế hệ thống sau đó có thể sử dụng thông tin này như một hướng dẫn trong việc tìm kiếm các thành phần từ các nhà cung cấp khác nhau trên thị trường, cả dưới dạng các khối xây dựng thương mại hoặc nguồn mở. Ví dụ, người ta có thể tìm kiếm một chức năng quản lý thiết bị từ một nhà cung cấp, một giải pháp phân tích từ một nhà cung cấp khác và một cổng IoT từ một người thứ ba, theo ông Shi-Wan. IIRA cung cấp hướng dẫn về cách các chức năng này có liên quan với nhau và cách chúng được tích hợp vào một hệ thống hoàn chỉnh.

Có gì mới ở phiên bản IIRA 1.8 ?

Để hiểu vị trí của IIRA v. 1.8 trong quá trình phát triển của kiến trúc tham chiếu, bạn phải nhớ rằng bạn đang nói về một tài liệu sống của IoT. Nói chung, đại diện cho sự cải tiến gia tăng so với người tiền nhiệm của nó. Nó thêm các mô tả và đại diện mới hoặc làm rõ một vài ý tưởng và mối quan hệ chính, làm nổi bật tầm quan trọng của chúng hoặc làm cho chúng dễ hiểu hơn.

V1.8 cũng đưa ra khái niệm về độ tin cậy của các hệ thống IIoT. Điều này bao gồm các đặc điểm hệ thống quan trọng về an toàn, bảo mật, quyền riêng tư, độ tin cậy và khả năng phục hồi – một khái niệm được phát triển tốt trong Khung bảo mật Internet công nghiệp được công bố gần đây.

Một trong những cải tiến quan trọng hơn có thể được tìm thấy trong phần giới thiệu của mẫu kiến trúc databus lớp xếp lớp như hình dưới. Cơ sở dữ liệu lớp không phải là một khái niệm mới cho ngành công nghiệp. Trên thực tế, nó đã trở thành một kiến trúc phổ biến trên các hệ thống IIoT trong nhiều ngành công nghiệp. Được thiết kế riêng cho các ứng dụng điều khiển, giám sát và phân tích cạnh, kiến trúc cung cấp truyền thông dữ liệu ngang hàng, an toàn, ngang hàng qua các lớp logic của hệ thống.

Cơ sở dữ liệu lớp cung cấp truyền thông dữ liệu ngang hàng, an toàn, độ trễ thấp ngang qua các lớp logic của hệ thống. Ở cấp độ thấp nhất, máy thông minh sử dụng cơ sở dữ liệu để kiểm soát cục bộ, tự động hóa và phân tích thời gian thực. Các hệ thống cấp cao hơn sử dụng một cơ sở dữ liệu khác để kiểm soát và giám sát giám sát. Kết hợp các hệ thống này cho phép các ứng dụng phân tích, kiểm soát, giám sát và phân tích phức tạp, trên quy mô Internet.

Về mặt lợi ích, kiến trúc cơ sở dữ liệu phân lớp cung cấp tích hợp giữa thiết bị với thiết bị nhanh, với thời gian phân phối tính bằng mili giây hoặc micro giây, cũng như phát hiện ứng dụng và dữ liệu tự động trong và giữa các bus. Đồng thời, công nghệ đáp ứng nhiều yêu cầu của hệ thống tự động hóa, bao gồm tích hợp khả năng mở rộng của cảm biến và bộ truyền động, dự phòng tự nhiên và cách ly hệ thống phân cấp, cho phép phát triển các thiết kế hệ thống phức tạp.

Schneider cho biết, thiết kế kỹ thuật này đã được chứng minh trong hàng trăm ứng dụng trên các ngành công nghiệp. Phần mềm cho phép các hệ thống IIoT thực hiện đủ nhanh để kiểm soát các quy trình vật lý và quy mô đủ lớn để hoạt động cho các hệ thống cấp công nghiệp.

Một bức tranh lớn hơn của các platform IIoT

Toàn diện như IIRA, khung chỉ đại diện cho một phần của bức tranh được vẽ bởi IIC cho các nhà thiết kế IIoT. Mặc dù IIRA cung cấp khung thiết kế cấp cao, hai khung IIC khác cung cấp hướng dẫn chuyên sâu hơn trong các lĩnh vực cụ thể.

Khung kết nối Internet vạn vật công nghiệp (IICF) cung cấp phân tích sâu rộng về các vấn đề kết nối IIoT. Không chỉ là tài liệu tham khảo thiết kế cấp cao, khung thiết kế còn cung cấp hướng dẫn chi tiết, thiết thực cho những hệ thống IIoT xây dựng đó.

Mặt khác, Khung bảo mật Internet công nghiệp (IISF) đi sâu hơn vào các vấn đề bảo mật. IISF cung cấp một nguồn tài nguyên toàn diện để hiểu các cân nhắc về bảo mật IIoT. Cụ thể, IISF giải thích cách bảo mật phù hợp với hoạt động kinh doanh của các hoạt động công nghiệp và nó xác định các khối xây dựng chức năng để giải quyết các mối quan tâm về bảo mật và cung cấp hướng dẫn triển khai và các kỹ thuật thực tế cho bảo mật IIoT.

Phiên bản đầy đủ của kiến trúc này có thể download IIC_PUB_G1_V1.80_2017-01-31