工業和信息化部主管、中國信息通信研究院主辦的專業學術期刊。定位于“信息通信技術前沿的風向標，信息社會政策探究的思想庫”。
1 引言
工業互聯網面臨的最大挑戰是普通工業系統如何從疊加飛速發展的ICT技術向信息物理系統的轉變，而信息物理系統中對象之間異構的信息交互是需要解決的首要問題。例如，不同行業領域機構由于業務發展需要或者工作性質的不同，根據自身需求開發的通信對象會存在不同的接口或者信息格式，接口的不同導致信息傳遞受阻，不同格式的信息之間交互成本過高。工業互聯網的各種異構信息造成的信息孤島問題是工業互聯網快速發展道路上的一塊絆腳石。
工業互聯網信息模型是指工業互聯網全要素、全價值鏈、全產業鏈在信息空間的標準化表達。通過定義統一的框架及描述形式，工業互聯網信息模型可以實現信息的標準化，為異構信息之間的交互提供解決方案。本文將工業互聯網信息模型的基本架構定義為如圖1所示的形式，圍繞標識、屬性和類對工業全要素、全價值鏈、全產業鏈的信息進行表達。為實現信息模型在工業互聯網中的有效應用，促進工業互聯網的規范發展，本文針對信息模型的發展現狀及趨勢展開分析。
2 工業互聯網信息模型發展現狀
目前，根據應用需要，國內外各組織機構圍繞信息模型相關技術標準開展了系列研究。
2.1 基于OPC UA規范的信息模型
OPC UA包括14種配套規范，規范數量仍在增加，OPC UA通過系列規范給出了元信息模型及其實施方案。在元信息模型中，基于基本節點，定義應用過程中的數據類型以及地址空間中組織結構的類型等。OPC UA地址空間采用分層結構，所有服務器的頂層以標準化的形式存在，用戶可以通過層次結構訪問地址空間中的所有節點。同時，在元模型的基礎上，用戶可通過繼承內置節點和增加定義的語義來擴充類型定義。行業也可以在OPC UA元信息模型的基礎上定義自己的信息模型，如機器人信息模型、機床信息模型、機器視覺信息模型和塑料加工機械信息模型。為實現更多實體的互聯互通，有時需要針對特定的行業應用制定特殊的信息模型。OPC UA信息模型呈現形式如圖2所示[1]。
OPC UA系列規范涵蓋對象類型、變量類型、數據類型和引用類型，代表特定的語義。配套規范包括多種過程控制的垂直領域，如油氣、智能建筑、公共設備等。同時，OPC UA定義了數據編碼、安全協議和傳輸協議的映射。數據編碼通過使用UA二進制、UA XML或者UA JSON定義系列信息模型。因此，基于OPC UA的信息模型主要用于實現設備和系統信息的標準化，出現在信息化應用層，可以解決語義互操作問題。
為了實現信息模型功能，OPC UA服務器需要對信息模型進行實例化，構建地址空間從而向客戶端暴露實例化的信息模型，使客戶端能夠訪問和管理信息模型中定義的節點信息。客戶端通過訪問服務器的地址空間獲取信息模型定義的數據和信息。具體建模過程為需求獲取、類型定義、模型實例化。
2.2 基于AutomationML標準的信息模型
基于AutomationML標準的信息模型核心是以連接不同數據格式的頂層數據格式CAEX（IEC 62424）為框架，整合其他已有的基于XML的數據格式，具體參見圖3[2]。通過CAEX（IEC 62424）對工廠拓撲，可以實現頂層數據結構建模。在模型中，將工廠拓撲結構按照工廠、單元、組件、特性、接口、關系以及引用來進行分層，這些分層對象包含屬性以及該層結構與其他對象的關系。COLLADA（ISO/PAS 17506:2012）可以對模型對象的幾何學和運動學特性建模進行描述及格式存儲；PLCOpen XML可以對模型對象中行為和序列特性的邏輯信息進行描述。
基于AutomationML標準的信息模型主要用于實現生產系統間工程信息的標準化，解決工程過程中信息交換和集成問題，如實現產線上的機器人、機械臂等對象間的信息互通。由于AutomationML對引用與關系進行了區分，其中引用描述了從 CAEX對象到外部存儲信息的鏈接，關系描述了CAEX對象之間的聯系，因此AutomationML對象也預留了與其他工程信息相關的引用機制。
AutomationML定義的基于XML的數據格式可以實現異構工程信息的存儲和交換，并支持運行環境數據源的建模。同時，AutomationML描述的數據模型與OPC UA表示的信息模型之間可以相互轉換，通過AutomationML結合OPC UA統一架構的方式可以實現更多應用的互操作性。
2.3 基于InstrumentML標準的信息模型
InstrumentML模型描述語言可以提供統一的信息模型框架，抽象出其面向對象處理的各個模型片段，然后提出一種支持這種通用模型框架的軟件。基于InstrumentML標準的模型架構如圖4所示[3]，具體包括身份屬性（儀表的身份標識）、結構屬性（儀表的結構屬性）、功能屬性（儀表的功能屬性）、性能屬性、位置屬性、商業屬性。
異構工業儀表網絡的各種監測數據、各種類型的傳感器、中間交換的信息格式之間存在著差異性，為了有效屏蔽差異性和實現異構工業儀表網絡互操作，可以構建InstrumentML工業儀表信息模型。基于InstrumentML標準的信息模型可實現儀表信息的標準化，包括儀表身份標識信息和儀表應用屬性信息，以及儀表基本特性的描述。
構建不同工業儀表信息模型，可以根據不同儀表單元數據標準或處理模型標準，在抽象模型基礎上標準化的定制其信息模型模板。基于模板的工業儀表處理建模的過程中，專業的建模人員把特定的工業儀表模型匯總單元數據字段映射到InstrumentML單元數據描述字段，從而在抽象的工業儀表公共模型中建立對應的單元數據組合參數模板。將已建好的標準模板可視化之后往標準字段填入相應的值，最終生成完整的工業儀表信息模型。
2.4 基于PackML標準的信息模型
基于PackML的信息模型可以涵蓋包裝行業設備的多種運行狀態和模式，如維修運行模式、手動運行模式、自動運行模式等。在PackML中定義了17種模式，可根據需要設定其中的部分狀態，這17個狀態模式基本能夠滿足除了包裝行業以外的其他行業。圖5為PackML的狀態模型[4]。圖5中方框為設備運行的狀態，箭頭方向為設備的運作流程，每當完成一個階段，設備會自動跳轉到下一個運行狀態。其中，SC為狀態完成（State Complete）。
基于PackML的信息模型主要用于包裝過程的描述，處于信息化應用層，可以實現機器狀態與操作模式的信息標準化。PackML信息模型具有三大基本功能，包括統一的操作員界面、協調一致的信息和協調一致的狀態轉移。因此，利用PackML建模可以實現機器狀態與操作模式的信息標準化。
3 工業互聯網信息模型面臨挑戰
3.1 認知需要形成統一
目前，世界各國的組織機構對信息模型的理解和闡述不一，給出的信息模型的內涵和架構也不盡相同。針對信息模型的認知沒有形成有效統一的理解，給信息的標準化工作帶來了挑戰。
3.2 頂層設計有待構建
由于各單位對信息模型的認識不統一，還未有一套完整的針對信息模型的標準，主要原因是工業互聯網信息模型缺乏頂層設計，行業標準缺乏頂層框架。首先，在現有的標準層面，信息標準主要是由各單位針對各自領域編制，標準的流通性和適用范圍窄；同時，在各種模型之間銜接不暢，模型之間的合作效率低下，對信息孤島的現象難以打破。總體而言，現有的標準體系不足以覆蓋工業互聯網信息模型的需求。
3.3 標準體系急需完善
工業行業一般先有產品后出標準，與傳統工業行業不同，信息通信行業通常先有標準后推產品。因此，對于工業互聯網而言，信息通信標準的缺乏會阻礙行業的發展，信息模型的核心是實現信息的標準化。近年來，以國際電工委員會（IEC）和國際標準化組織（ISO）為主參與制定的標準雖然逐漸在信息模型中推廣，國內在信息標準化方面也在不斷發力，但還沒有形成體系。
3.4 應用推廣比較困難
工業互聯網應用場景復雜，對信息的處理方式多種多樣，與傳統的信息處理方式相比，信息模型對信息的標準化處理要求更高。信息模型在發展過程中，需要持續的技術、資金、人員等投入，在商業應用和推廣過程中也面臨著基礎薄弱、場景復雜、成效緩慢等眾多挑戰，將是一項長期、艱巨、復雜的系統工程。當前，信息模型整體仍處于起步階段。
4 工業互聯網信息模型發展趨勢
4.1 完善的標準體系逐步形成
工業互聯網的本質是實現設備、物料、控制系統、信息系統、產品和人之間的互聯互通。隨著工業互聯網相關標準和關鍵技術的不斷進步，面向行業的標準化信息應用需求也越來越大。一方面，標準化的信息可以解決工業領域不同廠家設備、不同設備型號等造成的信息孤島問題，提高信息利用效率，降低信息服務成本；另一方面，面向未來工業互聯網技術最實際的信息應用需求，通過解決行業內部各類環境、應用需求的信息標準化技術，來解決行業間信息匯聚、融合理解等問題。隨著工業互聯網的發展，信息模型將逐步實現標準體系的構建。
4.2 關鍵技術有序推進
近年來，國內外一些組織陸續開展了信息模型的相關研究工作，主要在信息模型的關鍵技術方面進行布局。
國際方面，IEC針對數字工廠相關的信息模型進行研究，在數字化描述方面取得一些成果。德國西門子公司提出數字孿生的應用形式，通過信息模型實現對實體屬性和行為的數字化表述；德國電氣與電子制造商協會利用信息模型成功對資產管理殼的資產進行描述，并實時體現資產的狀態；OPC基金會在OPC UA信息模型方面持續布局，通過定義統一數據接口，實現不同廠商軟件之間的數據交換；IVI則研究信息模型在實現相互通信和連接方面的相關技術。
國內方面，中國信息通信研究院、機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、華為技術有限公司等機構針對信息模型相關技術展開研究，主導發布了系列信息模型成果；中國科學院沈陽自動化研究所、航天云網科技發展有限責任公司等企業都在使用OPC UA技術，涉及信息模型的通用建模規則、模型元素定義、語義化描述方法等內容。
4.3 應用場景向多元化方向延伸
伴隨著世界范圍內工業互聯網的持續推進，工業通信技術更新換代的節奏可能會超過之前的任一階段。傳統的信息交互方式嚴重制約了信息的互聯互通互操作，信息的利用效率低下。信息模型在工業互聯網中的應用，如數字孿生、資產管理殼、OPC UA等，將打破傳統工業網絡眾多信息交互對象之間的壁壘，實現橫向和縱向信息的協同，降低信息交互成本。
4.4 行業內部呈現協同發展趨勢
在傳統的工業生產過程中，設備與設備往往獨立操作；但對處于工業互聯網中心的智能工廠而言，現場設備層需要打通，并通過信息模型技術有機連接，實現工廠內資源的垂直整合。隨著工業互聯網技術的不斷發展，各行各業對信息的使用需求也會越來越大，各企業和研究機構紛紛涉足工業互聯網信息標準化領域，試圖尋找一種有效、可靠的方法，實現信息的互聯互通。因此，信息模型的應用將促進行業內部的協同發展。
5 結束語
信息模型的發展仍處于起步階段，國內外關于該技術的研究正處于越來越熱的時期。為實現該技術沿著正確的發展方向前進，同時加快該技術的發展速度，本文針對信息模型的發展現狀及趨勢給出以下建議。
工業互聯網覆蓋范圍廣，涉及領域繁雜，在各自的應用場景中，均有其適用的信息模型。為促進該技術的發展，建議各行業領域，甚至各應用場景開發適合自身的信息模型，并搭建信息模型服務平臺，由行業組織對各領域開發的信息模型實行集中統一管理，提高信息模型服務效率。
多場景、多渠道合作。由于應用場景多樣，行業發展趨勢各異，針對信息模型的開發水平有高有低。建議對信息模型具有相同需求的企業或單位合作開發，大企業為中小企業開放平臺和資源，帶動中小企業發展，中小企業實現技術創新，給大企業注入活力。
各企業和單位將自身信息模型相關應用場景接入行業組織中，實現資源共享共開發。例如，借助工業互聯網產業聯盟的平臺優勢，在各企業及行業之間建立信息模型共享知識庫，實現信息模型的知識共享，并對共享知識不斷迭代更新，促進信息模型技術進步。
參考文獻
[1] Florian Pauker, Thomas Fruhwirth, Burkhard Kittl, et al.A systematic approach to OPC UA information model design[J]. Procedia CIRP 57, 2016（57）： 321-326.
[2] 柳曉菁， 王春喜 . 一種通用工程數據交換格式——自動化標記語言（AutomationML） 介紹[J] . 儀器儀表標準化與計量， 2018（1）： 8-10.
[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會。 GB/T 19769. 1-2015功能塊 第一部分：結構[S]. 北京：中國標準出版社， 2016.
[4] 宋華振 . 什么是 PackML[J] . 智慧工廠， 2016 （2）：28-30.
作者簡介
余思聰：中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師，主要從事工業互聯網體系架構、平臺、標準化、新技術等研究工作。
黃穎：中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師，主要從事工業互聯網總體架構、標準化、平臺、邊緣計算等研究工作。
劉陽：中國科學院沈陽自動化研究所副研究員，主要從事工業數據語義化處理、工業互聯網標識解析與信息模型等研究工作。
李海花：中國信息通信研究院工業互聯網與物聯網研究所副所長，正高級工程師，主要從事工業互聯網標識解析與信息模型等研究工作。