三层架构,解读HolliCube数字工厂操作系统

2015年，和利时作为工信部2015年启动实施的“智能制造试点示范专项行动”的首批46家示范项目企业之一，开始将云计算与控制系统相融合，正式启动了和利时工业互联网平台的研发。经过四年的研发和产品迭代，和利时推出包括边缘控制器、边缘智能控制系统、边缘网关、生产运营管理系统、工业云为一体的工业互联网平台，即数字工厂操作系统HolliCube，并基于该平台实现了机器设备云、中药调剂设备云、通用设备云、水务行业工业互联网平台、电子生产工业互联网平台、轨道交通综合运维管理平台等多个典型的行业示范性应用。

近日，采访了宁波和利时智能科技有限公司副总工程师李天辉，他告诉记者，HolliCube的定位是打造中国第一套实用数字工厂操作系统，通过赋能行业龙头企业，共同打造垂直行业工业互联网平台。

三层架构，解读HolliCube数字工厂操作系统

HolliCube从结构上分为边缘计算层、工业PaaS层和工业SaaS层。其中，HolliCube-Edge具备强大的数据采集能力，支持工业现场大量异构的总线规范、多种制式的工业以太网规范，依据对控制能力、计算能力、网络能力、存储能力的不同需求，能实现对现场侧的数据采集、控制、分析和优化；HolliCube-Edge提供从低端到高端的边缘计算产品，包括网关级、机器级、产线级、工厂级等四档产品。

具体来说，在靠近物或数据源头的边缘侧，一方面通过大范围、深层次的数据采集，以及异构数据的协议转换与边缘处理，构建工业互联网平台的数据基础，包括通过各类通信手段接入不同的设备、系统和产品，采集海量数据，以及依托协议转换技术实现多源异构数据的归一化和边缘集成；另一方面边缘层融合网络、存储、计算、应用核心能力，就近提供数据分析和业务自动化处理等边缘智能服务，满足敏捷连接，实时业务、数据优化、智能应用、隐私和安全等方面的关键需求。最终，边缘层会利用边缘计算设备实现底层数据的汇聚处理，优化分析和边缘应用并实现数据向云端平台的集成。

李天辉谈到，HolliCube平台边缘计算层是在自动化控制单元模块和传感设备的基础上，融合ICT技术，既借鉴容器化、微服务等ICT理念，又充分认识到边缘计算和云计算的差别，采用了独特的技术与架构的边缘计算。也就是说，和利时的边缘计算层是在控制系统的基础上，叠加了分布式微服务架构、数字双胞胎、实时流式数据分析、设备工艺建模和边缘应用集成开发环境，既能够兼容现有的行业专用技术，又满足实时、可靠等工业现场应用关键需求。

在工业PaaS层，HolliCube平台提供微服务及工具，支持快速应用开发；在IT通用 PaaS 层之上，叠加工业模型、工业数据管理、大数据处理、工业数据分析、工业数据服务等创新功能，构建可扩展的开放式数字工厂操作系统。工业PaaS层主要有以下三个功能：

一是提供工业数据管理能力，将数据科学与工业机理结合，帮助制造企业构建工业数据分析能力，实现数据价值挖掘；二是将大量的工业技术原理、行业知识、基础工艺、模型工具等规则化、软件化、模型化，封装成为微服务组件，供开发者重复使用；三是构建应用开发环境，借助微服务组件和工业建模和应用开发工具，帮助用户快速构建定制化的工业APP。

在工业SaaS层，HolliCube提供各类典型工业领域应用，帮助用户实现数字化转型。工业SaaS层针对特定的工业场景，通过调用边缘层和平台层的微服务，推动工业技术、经验、知识和最佳实践的模型化、软件化和再封装，从而满足不同行业、不同场景的工业 APP需求，形成工业互联网平台的最终使用价值。一方面，应用层可以提供生产、管理、服务等一系列创新性业务应用；另一方面，应用层可以构建良好的工业 APP 创新环境，使开发者基于平台数据及工业PaaS层和边缘层提供的微服务功能实现快速应用创新。

边云协同，HolliCube平台五大服务功能

对于工业互联网和工业云之间的区别。李天辉认为，“互联网”强调的是连接、集成和互联互通，而“云”更侧重于强调资源弹性调度和使用的方式。

工业互联网平台的建设应统筹考虑边缘侧、工厂侧以及云端的融合和协同，实现数据、模型、服务、算法、应用在边、云间的平滑迁移和协同工作，实现边缘计算平台和云平台的协同，同时必须充分认识到边缘计算平台和云平台在应用场景、计算架构、工业特征要求等方面存在本质差异，也就要求边缘计算平台和云计算平台在基础技术架构上应有所不同，边缘计算应更强调实时、可靠、可信、边缘智能，而云平台更侧重于数据汇聚分析、资源弹性扩展、大数据分析等方面。

从这方面看，和利时数字工厂操作系统HolliCube是一个典型的工业互联网平台，提供了一个完整的边云协同管理平台和基础服务，并实现了以下五个方面的功能。

第一，提供边缘计算服务。平台的边缘计算不仅满足用户对于实时性、可靠性、数据优化、隐私和安全、边缘智能应用等方面的关键需求，而且作为非常重要的一个中间环节，比较好的处理了与传统控制系统、信息化系统和云化互联网架构的新一代集成平台的融合和平稳过渡。

第二，提供数字化转型支撑体系。平台为企业数字化转型提供云化互联架构集成平台。该平台提供一套标准、一个开发环境、一个运行环境和一个运营环境。一套标准是指工业对象标识、工厂模型描述、数据格式、服务接口等；一套开发环境是指面向非软件专业的行业人员，提供快速建模工具、行业组件库（人、设备、物料、产品、工艺、规则、业务逻辑）、组态工具、应用开发模板、模拟仿真工具等；一套运行环境是指支持分布式计算环境，支持私有云、混合云和公有云部署，提供统一的弹性运行框架，包括工业数据中间件、工业现场信息交换引擎、虚拟工厂模型、运行引擎、规则引擎、计算引擎、工作流引擎、大数据引擎和可视化引擎；一套运营管理环境是指多租户管理、资源分配、开发维护、商业运维、安全管理等。

第三，提供五大核心服务。包括边缘和云端统一的工业信息模型服务，工业实时数据和时序数据服务，工业数据分析服务，完整的安全服务，以及边缘和云端一体化运营服务。

第四，提供数据交换服务。无论是HolliCube平台自身，还是架构在该平台之上的企垂直行业应用平台，都可以与其它领域开放的工业互联网平台进行数据交换。每个用户既可以是数据的提供者，也可以是数据的消费者。通过更广泛的工业互联，实现更大的数据价值，从这个意义上讲，面向生产的和利时数字工厂操作系统HolliCube是其它工业互联网平台（如，面向资源协同的工业互联网平台）的数据基础。

第五，提供强大的开发工具。科研院所工作者、新老用户、系统集成商和开发人员都可以通过平台快速创建解决方案。平台将工业行业Know-How沉淀在平台上，将传统众多软件的应用解构，并基于PaaS层的共性模型构件对新应用进行重构，包括工业共性零件的模型，行业的部件模型，以及应用的场景模型等。

和利时工业互联网平台采用了融合边缘计算和云计算的基础架构，平台架构中边缘计算和工业PaaS层既有不同的体系结构，又在信息模型、数据标识、工业算法、服务管理、服务接口和服务编排部署等方面实现有机融合和一体化设计。

开放共赢，HolliCube携手多方构建合作生态

李天辉强调，和利时依托自主研发的数字工厂操作系统HolliCube，为客户提供数字化生产和服务的解决方案，构建与高校、科研院所、上下游企业、系统集成商、行业协会、联盟、标准团体的生态伙伴合作关系。

HolliCube平台为SaaS应用开发、运行与管理提供了云化与服务化的平台环境、实现快速应用开发的相关工具以及丰富的应用开发资源，帮助合作伙伴从传统的难以扩展的单体架构、服务器与工作站部署运维方式，迅速转向基于微服务架构、敏捷DevOps的软件交付以及工业互联网平台的服务模式。

在系统的部署与运行阶段，SaaS应用开发商使用平台可视化管理控制台可将“应用系统”一键部署到平台上并启动运行，平台依据“组态”里的数字化对象模型描述从指定的数据源进行自动的数据采集与数据存储，形成“数据湖”；依据“组态”里的对象UI组件与对象数据绑定描述，调用平台服务的API获取动态数据，在对象UI组件进行动态数据展示；平台依据“组态”里对模型的业务流程编排、事件处理规则编排与分析算法编排定义来启动执行这些编排，实现高级的实时业务智能特性。

SaaS开发商可以通过平台服务与组件的复用，以及使用可视化的建模与工程组态工具、可视化管理控制台，大幅降低应用开发与运维工作量、复杂度与成本，实现真正的DevOps一键式敏捷交付并对外开通业务。还可以将自己开发的应用上架到平台应用商店里，形成应用生态系统。第三方厂商可以从应用商店里在线付费订购自己需要的应用，快速实现基于已有SaaS应用成果来对外开展业务。

立足客户，探索新型细分行业业务新模式

在推动HolliCube平台的深化应用过程中，和利时立足于客户的商业目标、业务模式以及数字化现状，系统考虑工厂基础设施、物流布局规划、生产规划，依托数字化转型和智能制造顶层设计和规划，提供边云协同的工业互联网平台和通用工业APP，针对行业典型的难点和痛点，联合客户、高校、系统集成商等生态合作伙伴共同构建面向具体行业的工业APP生态，如机器人设备云、中药调剂设备云、折弯机设备云、火电燃煤机组预测优化应用、电子制造生产管理、医药电子批记录、机床KPI分析等等。

以水务行业为例，和利时通过与龙头企业合作，基于HolliCube建立水务行业运营管理平台，实现共享型的面向行业开发者模式，支持水务企业数字化能力的快速提升，引领水务行业发展，探索新型细分市场业务模式。整个平台构建包括了以下方面的建设内容：

1）水务行业工业互联网平台构建整体规划；

2）建立水厂数据的统一编码、标识规则和元数据模型；

3）基于OPC UA构建水厂信息模型、各类设备模型以及工艺模型；

4）分布在全国各地的污水厂、净水厂、乡镇供水泵房数据的接入和预处理；

5）水务行业工业互联网平台IaaS、GPaas和工业PaaS服务的建立和部署；

6）数据清洗和大数据分析平台的建立和部署；

7）开发面向水务生产运营管理的典型APP，包括生产过程远程监视、多水厂KPI指标分析、综合运营管理驾驶舱等等。

目前，该水务行业工业互联网平台已经实现了现场海量数据的建模、接入、预处理、大数据存储以及可视化展示等功能，下一步将深入挖掘和分析数据，利用机器学习平台探索污水处理精确曝气优化控制等创新型应用。

瞄准未来，和利时推出“3+1+N”战略

2018年和利时正式提出“3+1+N”战略，其中，“3”就是和利时的三大核心业务（工业自动化、轨道交通自动化、医疗自动化）。“+1”是将融合了工业互联网、工业大数据、人工智能和信息安全的智能制造技术，赋能和利时三大核心业务，提升公司方案水平和实施能力，推动集团现有业务数字化、智能化升级。“+N”是通过开发面向工业企业用户、APP开发者、系统集成商和平台运营商四位一体的工业互联网集成开发平台，赋能大型企业数字化转型和中小企业服务平台建设，促进可持续发展的工业互联网生态环境的形成，提升整个行业的智能制造水平。

对于大型集团型制造企业，和利时将立足于客户的商业目标、业务模式以及数字化现状，系统考虑工厂基础设施、物流布局规划、生产规划，依托数字化转型和智能制造顶层设计和规划，提供边云协同的工业互联网平台和服务，联合客户共同打造智能专用设备与产线、数字化车间/工厂和集团数字化管理运营平台，实现集团管理的数字化，并进而带动整个行业的数字化、智能化转型和落地。

对于数量众多的中小型制造企业，不适合采用投资较多的“大而全”的解决方案，而是需要更灵活部署、投资较小的“工业互联网+边缘计算”的解决方案。和利时将更聚焦于去解决行业典型中小型企业的难点、痛点，一旦获得突破，就可以以点带面，将突破性案例通过工业机理模型、工业微服务、工业APP等形式沉淀到HolliCube平台上，通过工业互联网+边缘计算的方案在整个行业快速推广复制。

李天辉谈到，和利时数字工厂操作系统HolliCube已经具备了基本的平台框架和主要的工业服务，当前及后续工作将以沉淀工业知识和扩展平台资源为主，选取基于机理模型和微服务的流程和离散工业数据交换、过程控制、工艺优化、计划调度、能源管理、物流管理、资产管理、运维管理等典型场景，联合平台生态合作伙伴共同建设不同垂直行业的工业互联网平台，推进垂直行业工业互联网平台应用创新，加速工业APP或解决方案的开发和应用，加速工业互联网平台及解决方案在流程行业和离散行业中的推广及应用。