اینترنت اشیاء صنعتی IIoT با پایش از راه دور، تحلیل هوشمند و کنترل فرآیندهای صنعتی، منجر به ایجاد تحول و ظهور انقلاب صنعتی چهام شده است. دنیای صنعت در مراحل اولیه پذیرش فناوری اینترنت اشیاء صنعتی و پیادهسازی راهحلهای آن دچار چالش خواهد بود. بنابراین، نیاز به رفع چالشهای پدیدار شده در این حوزه وجود دارد. از اینرو، پژوهشگران، معماریهای IIoT مبتنی بر لایههای معماری مختلف و فناوریهای نوظهور برای یکپارچهسازی انتها به انتهای سیستمهای IIoT را پیشنهاد دادهاند. در این مقاله، سه معماری مرجع IIoT پذیرفته شده را به صورت مفصل مورد بررسی قرار میدهیم و مقایسهای بین آنها ارائه خواهیم داد.
کلیدواژهها: اینترنت اشیا، اینترنت اشیا صنعتی، انقلاب صنعتی چهارم، مدل معماری مرجع
مقدمه
اینترنت اشیاء[1] با فراهم کردن اتصال بین میلیاردها دستگاه و دسترسی به آنها از هر مکانی و در هر زمانی، در قرن حاضر انقلابی را به همراه داشته است. مفهوم اولیه IoT به عنوان اتصال اشیاء با اینترنت در سال 1999 توسط کوین آشتون مطرح شد و سازمان ITU آن را به عنوان اتصال بین افراد و اشیاء و بین اشیاء فیزیکی و مجازی برای تبادل اطلاعات جهت انجام وظایف هماهنگ شده توسعه داد. در مقایسه با اینترنت اشیاء که با اتصال برنامههای کاربردی دنیای واقعی بدون دخالت انسان به اهداف هوشمندسازی دست مییابد، اینترنت اشیاء صنعتی[2] تکامل بیشتری را در فرآیند تولید به ارمغان میآورد. IIoT با تلفیق فناوری اطلاعات[3] و فناوری عملیات[4] به صنایع کمک میکند تا کارایی عملیاتی خود را افزایش دهند. بهعلاوه، دوران جدید انقلاب صنعتی چهارم (صنعت 4.0) با یکپارچگی IIoT و سامانههای سایبر-فیزیکی[5]، جهت ایجاد مشارکت و همکاری دستگاههای هوشمند، تحولات جدیدی را به همراه دارد. صنعت 4.0 در هریک از صنایع بهمنظور خودبهینگی، بهبود تصمیمگیری با استفاده از حسگرهای پیشرفته، افزایش کیفیت تولید و تعمیر و نگهداری پیشگیرانه[6] در جهت کاهش زمان خاموشی و از کار افتادن سامانهها استفاده میشود. در این صنعت همچنین CPS قابلیت شبکهبندی، سنجش و محاسبات را با سامانههای فیزیکی ترکیب میکند تا یادگیری و انطباق این سامانهها تسهیل شود. تلفیق IoT، IIoT و CPS، مولفههای صنعت 4.0 را شکل میدهند که در انقلاب صنعتی حال حاضر به اوج خود دست یافته است.
دیجیتالیسازی فرآیندهای صنعتی، نیازمند پیشرفتهای فناورانه جدید است که چالشهای بزرگی را برای یکپارچه سازی انتها به انتهای IIoT ایجاب میکند. برای توسعه انتها به انتهای سیستمهای IIoT، معماریهای مرجع مختلفی مانند RAMI 4.0 [8]، IIRA[7] و [9]OpenFog RA پیشنهاد شدهاند که شامل مجموعهای از لایههای معماری (از حسگر تا ویژگیهای مدیریت سازمان) هستند و راهبردی برای توسعه فراهم میکنند. معماریهای IIoT موجود در منابع مختلف پژوهشی، چالشهای خاص را در یک مورد استفاده خاص در صنعت یا کاربرد صنعت عمومی برطرف میکنند؛ این در حالی است که معماریهای مرجع طرح کلی برای فرآیند توسعه بدون پروتکل و استاندارد ثابتی فراهم میکنند.
در این مقاله، در بخش اول، یک بررسی دقیق از معماریهای مرجع IIoT و جزییات آنها ارائه میدهیم. در بخش بعدی مقاله به بررسی معماریهای مرجع RAMI 4.0 ،IIRA و OpenFog میپردازیم. در بخش 3، مقایسهای بین معماریهای مرجع مذکور انجام شده است. در بخش 4 به نتیجهگیری و چالشهای IIoT اشاره شده است.
از آنجا که یکی از مفاهیم پرکاربرد مطرح شده در انقلاب صنعتی چهارم، اینترنت اشیاء صنعتی است، در ادامه مروری بر معماریهای مرجع IIoT خواهیم داشت.
معماریهای مرجع IIoT
معماری مرجع، یک چارچوب مشترک جهت توسعه، تجزیهوتحلیل سیستمها بهطوری که به نیازمندیهای عملکردی پاسخ دهد، فراهم میکند. معماریهای مرجع در IIoT، مستقل از فناوریها و استانداردهای خاص هستند. این معماریها، راهنمای ساختاری برای جنبههای مختلف یک سیستم، از جمله مدل شبکه استاندارد برای تعامل با دستگاهها و حسگرها هستند. همچنین خدمات معماری ابر برای ویژگیهای نظارت و مدیریت از راه دور و اطلاعات مربوط به سختافزارهایی که توسط معماری پشتیبانی میشوند، فراهم میکنند. کارشناسان از سازمانهای مختلف، معماریهای مرجع را پیشنهاد دادهاند تا ساختار لازم برای تغییر فرآیند تولید در صنایع و بر اساس فناوریهای موجود را فراهم کنند. سه مدل از اصلیترین معماریهای مرجع IIoT شامل RAMI 4.0، IIRA و OpenFog RA هستند که در ادامه توضیح داده شده است [1].
2- 1-مدل معماری مرجع انقلاب صنعتی چهارم (RAMI 4.0)
این مدل معماری مرجع به منظور به روزرسانی فرآیند تولید و اتوماسیون صنعتی در آلمان توسعه یافته است. در صنعت 3.0، محصولات از یکدیگر جدا هستند، عملکردها به سختافزار منحصر میشوند و اجزای سیستم در سطوح سلسلهمراتبی با یکدیگر تعامل دارند. براساس اطلاعات RAMI 4.0 RA برای Industry 4.0، محصولات قسمتی از شبکه هستند، عملکردها در ساختار شبکه توزیع شدهاند و شرکای مختلف میتوانند بدون توجه به سلسلهمراتب سیستم با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. در شکل 1، مشاهده میکنید که RAMI 4.0 چگونگی تمایز Industry 4.0 از Industry 3.0 را نشان میدهد.
شکل 1: مقایسه انقلابهای صنعتی سوم و چهارم [2]
در RAMI 4.0، استانداردهای بینالمللی الکترونیک، برق، مکانیک و فناوری اطلاعات به صورت بین رشتهای در ارائه فناوری شرکت میکنند. این معماری بر اساس معماری سرویسگرا[10] برای ارائه خدمات بین اجزای سیستم از طریق پروتکلهای شبکه و تبدیل وظایف پیچیده به فرآیندهای ساده بر اساس فناوریها و محصولات مستقل استوار است. شکل 2 نشاندهنده مدل سهبعدی RAMI 4.0 RA است که بین همه شرکای صنعتی تعامل و درک متقابل را فراهم میکند و به آنها کمک میکند که چگونه به صورت ساختار یافته، صنعت 4.0 را اجرا کنند.
شکل 2: مدل معماری RAMI 4.0ا[3]
1-1-2- محور سطوح سلسلهمراتب
سطوح سلسلهمراتبی در محور افقی مدل مبتنی بر استاندارهای بینالمللی IEC 62264 و IEC 61512 فناوری اطلاعات و سیستمهای کنترل هستند. اصطلاحات ایستگاه، مراکز کار، سازمان و جهان متصل در این محور که از این استانداردها استخراج شدهاند برای ایجاد زمینه مشترک در بخشهای فعلی اتوماسیون کارخانه و صنعت فرآیندی هستند. هفت سطح زیر در محور سلسلهمراتب مدل RAMI 4.0 وجود دارد:
محصول: محصول نهایی تولید شده در صنعت است.
دستگاه میدان: دستگاههای سختافزاری مانند حسگرها و محرکها[11] هستند که مقادیر اطلاعات محیط را جمعآوری میکنند.
دستگاه کنترل: دستگاههای کنترلی مانند کنترلکنندههای منطقی قابل برنامهریزی[12] و کنترلکنندههای توزیع شده[13] (DC)، که خواندن مقادیر حسگرها را بر عهده دارند و دستورات کنترلی را به سیستم ارسال میکنند.
ایستگاه: محلی است که کاربر با دسترسی مدیر سیستم، فعالیت صنعتی را نظارت میکند و به فرآیندها و رویدادها پاسخگو است. به عنوان مثال سیستم SCADA این چنین عمل میکند.
مراکز کار: ذخیره دادهها، اطلاعات و تحلیل آنها بر اساس تاریخچه دادهها در این مراکز انجام میشود که بهعنوان سیستم اجرایی تولید یا MES[14] شناخته میشوند. سیستم MES به کنترل، پایش و ردگیری تمام فرآیندهای تولید کمک میکند. مدیریت انبار، داراییها و سرمایههای انسانی مثالهایی از فرآیندهایی است که سیستم اجرایی تولید به مدیریت آن کمک میکند. این سیستم دادهها را از خط تولید و هر منبع دیگری در سازمان جمعآوری کرده و آن را در اختیار اپراتورها، مدیران و تصمیمگیران سازمان قرار میدهد [4].
سازمان: سطح سازمان ([15]ERP) برای مدیریت تمام اطلاعات و تصمیمات سودآور کسبوکار بهکار گرفته میشود. سیستم برنامهریزی منابع انسانی یا ERP بر مواردی نظیر تولید در مقابل سفارشات، هزینه در برابر درآمد و مدیریت برنامهریزی تولید نظارت میکند.
جهان متصل: سیستم به اینترنت متصل شده است تا به وسیله فرآیند زنجیره تامین با صنایع خارجی در ارتباط باشد.
2-1-2-جریان ارزش و چرخه عمر
استانداردهای فرآیند چرخه عمر مورد استفاده در اتوماسیون صنعتی، کنترل و سیستمهای اندازهگیری در محور افقی مدل RAMI 4.0 قرار دارد. این فرآیند، اطلاعات مربوط به اجزای تولید از مرحله طراحی تا محصول نهایی را نشان میدهد. فیلد نوع مربوط به مرحله طراحی و نمونهسازی اولیه تولید است، در حالی که فیلد نمونه مربوط به زمانی است که محصول بهصورت نهایی، تولید شده است.
3-1-2- لایههای معماری مدل RAMI 4.0
در معماری مدل RAMI 4.0، لایههای عمودی که بهعنوان لایههای قابلیت همکاری[16] شناخته میشوند، تمام فرآیندهای صنعتی (از دستگاهها و داراییهای فیزیکی تا یکپارچگی بین انسان، فناوری و پروتکلها) همراه با خواص عملکردی اجزای سیستم و فرآیندهای کسب و کار آنها را پوشش میدهند. پژوهشگران لایههای معماری زیر را برای مدل RAMI 4.0 توضیح داده اند:
دارایی: این لایه پایینترین لایه است که تمام اجزای فیزیکی از جمله دستگاهها و لوازم جانبی را شامل میشود.
یکپارچگی: این لایه اطلاعات تولید شده از داراییها را به لایههای بالاتر ارائه میدهد، قابلیت فرماندهی و کنترل داراییها را برای لایه عملکرد فراهم میکند و عناصر IT مانند RFID، HMI و محرکها را شامل میشود.
ارتباطات: این لایه مسئول حفظ ارتباط بین شبکهها با استفاده از استانداردها و پروتکلها و ایجاد تعامل لایه دارایی و یکپارچگی با لایههای بالاتر است.
اطلاعات: این لایه پیشپردازش اطلاعات برای رویدادهای مختلف را فراهم میکند، همچنین اطمینان حاصل میکند که صحت و کیفیت دادههای دریافت شده از لایههای پایین حفظ شود و سپس دادههای ساختار یافته را به لایههای عملکردی و تجاری ارائه میدهد.
عملکردی: لایه عملکردی دادهها را از لایه دارایی دریافت کرده و تصمیمات را بر اساس تحلیل دادهها اجرا میکند.
تجاری: این لایه شامل مدلهای کسب و کار سازمان و چارچوبهای قانونی به همراه خدمات پایش بلادرنگ صنعتی با استفاده از داشبوردها و برنامههای تعامل با کاربر است.
2-2-معماری مرجع اینترنت صنعتی (IIRA)
کنسرسیوم صنعتی بین المللی (IIC) یک مدل معماری فریمورک مشترک IIRA را برای پشتیبانی از برنامهها و استانداردهای مختلف در توسعه راه حل IoT ارائه میدهد. IIRA بر اساس استانداردهای ISO / IEEE / IEC 42010 تطبیق داده شده است و میتواند به تغییر در سیستمهای کنترل صنعتی به روشهای زیر پاسخ دهد:
افزایش خودکاری[17] محلی: شامل فراهم کردن فناوریهای جدید، قدرت محاسباتی و حسگری بهبود یافته است که دقت دادهها را افزایش میدهد و به ایجاد سیستمهای خودکار کمک میکند.
افزایش بهینهسازی سیستم: شامل تجزیه و تحلیل دادهها با استفاده از یادگیری ماشین بر روی دادههای جمعآوری شده حسگر به منظور ارائه بینش درباره سیستم پیادهسازی شده و در راستای بهبود سیستمهای کنترل و بهینهسازی آنها است.
IIRA یک معماری سه لایه شامل لایه لبه[18] ، لایه پلتفرم[19] و لایه سازمان[20] است. گره[21]ها، دستگاهها، حسگرها، سیستمهای کنترل و داراییهای مختلف از طریق اتصالات سیمی و بیسیم به درگاه لبه[22] متصل شده و یک شبکه مجاورت[23] را تشکیل میدهند. دروازه لبه مدیریت و تجمیع دستگاهها را انجام میدهد، سپس دادههای مربوطه را از طریق شبکه دسترسی به لایه پلتفرم ارسال میکند. لایه پلتفرم تبدیل دادهها، عملیات و تجزیه و تحلیل دادهها را انجام میدهد؛ سپس اطلاعات را از طریق شبکه خدمات به لایه سازمان ارسال میکند. در لایه سازمان، کاربران نظارت و کنترل را تحت نظر برنامههای دامنه انجام میدهند و دستورات کنترلی را با استفاده از فرآیند جریان کنترل[24] به لایه پلتفرم ارسال میکنند. لایه پلتفرم سپس این اطلاعات را به لایه لبه ارسال کرده تا وظایف مربوطه را انجام دهد. شکل 3، معماری سه لایه IIoT را نشان میدهد که توسط IIC ارائه شده است.
شکل 3: مدل معماری سیستم IIoT سه لایهای- IIRAا[5]
1-2-2- دامنههای عملکردی و دیدگاههای عملکردی
IIRA شامل دو بخش عملکردی مهم دیدگاه عملکردی و دامنه عملکردی در معماری خود است. دیدگاه عملکردی، دیدگاه کلی از مشاهدات معماری اجزای سیستم و ساختار آن است. دامنه عملکردی شامل پنج دامنه متمایز است که سازندههای معماری سیستم هستند. شکل 4 اطلاعات پردازش بین دامنههای عملکردی مدل IIRA را نشان میدهد. پیکانهای سبز رنگ، جریان داده/اطلاعات را نشان میدهند، پیکانهای خاکستری/سفید، جریان تصمیم را نشان میدهند و پیکانهای قرمز رنگ جریان فرمان/درخواست را نشان میدهند.
شکل 4: دامنههای مدل IIRAا[5]
2-2-2- دامنههای عملکردی
دامنه کنترل: شامل عملکردهایی برای پیادهسازی سیستمهای کنترل در صنایع است. این دامنه شامل عملکردهای حسگری و محرکی است که دادهها را از حسگرها میخوانند و سیگنالهای کنترلی را برای محرکها ارسال میکنند. همچنین، شامل عملکرد ارتباطی است که امکان تبادل اطلاعات بین اجزای سیستم و فناوریها را با استفاده از ویژگیهای مختلف مانند API را فراهم میکند. دامنه کنترل با استفاده از مدلسازی بر روی دادههای حسگر، رفتار و شرایط سیستم را تفسیر میکند.
دامنه عملیات: وظایف مدیریت و عملیات برای دامنه کنترل را انجام میدهد. همچنین، عملکردهای تأمین و استقرار را برای دسترسی به داراییها در مقیاس بزرگ و ردگیری، اضافه کردن، تغییر یا حذف آنها بدون توجه به محیط صنعتی فراهم میکند.
دامنه اطلاعات: این دامنه عملکردی پردازش و جمع آوری دادهها را از اجزای سیستم انجام میدهد و تحلیل دادهها را برای به دست آوردن اطلاعات درباره پارامترهای سیستم و بهینهسازی سیستم از طریق مراحل تصمیمگیری انجام میدهد.
دامنه برنامه: دامنه برنامه شامل عملکردهای پیادهسازی منطق و قوانین برنامه برای بهینهسازی در سطح بالا است. همچنین، شامل API و UI است که با استفاده از آن، اطلاعات مربوط به تعاملات انسان یا برنامههای مختلف برای پردازش در دسترس است.
دامنه کسبوکار: شامل عملکردهای مختلف برای پشتیبانی از فعالیتها و فرآیندهای کسبوکار و یکپارچهسازی آنها در سیستمهای IIoT است. نمونههایی از عملکرد کسبوکار، ERP، MES، پرداختها، صورتحساب و … هستند.
3-2- معماری مرجع OpenFog
این معماری به محققان، توسعهدهندگان، طراحان و صنایع کمک میکند تا اجزای مورد نیاز برای رایانش مه[25] را ارائه دهند. OpenFog مدل معماری مبتنی بر مه[26] را برای حل مسائل پیادهسازی صنعتی از طریق سازگاری با [27]SaaS[28]،PaaS و IaaS[29] ارائه میدهد. OpenFog RA در صنایع مختلف از جمله خودروهای هوشمند و سامانههای کنترل ترافیک، شهرهای هوشمند، ساختمانهای هوشمند و غیره کاربرد دارد. هدف آن ارائه امنیت، شناخت، چابکی، تأخیر کم و کارآیی است. علاوه بر این، OpenFog RA بر اساس هشت ستون اصلی شکل گرفته است که ویژگیهای کلی مدل سیستم را برای پیادهسازیهای بلادرنگ نشان میدهد. دیدگاه[30] ویژگیهای عرضه شده در این معماری مرجع را برجستهتر میکند، در حالی که نما[31] جنبههای ساختاری معماری لایهای را نشان میدهد. قسمت نما حاوی سه رویکرد صاحبنظر در معماری مرجع بهعنوان نمای نرمافزار، نمای سیستم و نمای گره است. شکل 5 مدل OpenFog RA را نشان میدهد. لایههای عمودی سبز روشن، دیدگاه معماری مرجع را نشان میدهند، لایههای زرد روشن و آبی روشن، نماهای گره و معماری نرمافزار را مشخص میکنند و لایههای قرمز روشن، نمای معماری سیستم را نشان میدهند.
شکل 5: معماری OpenFogا[6]
1-3-2- ستونهای معماری رایانش مه
معماری OpenFog RA براساس هشت ستون اصلی شکل گرفته است. این ستونها ویژگیهای اصلی سیستمهای پیاده شده با فناوری رایانش مه و معماری لایه بندی شده را نشان میدهند.
امنیت: امنیت معماری OpenFog نه تنها به استانداردهای خاص محدود نمیشود، بلکه شامل تمام مکانیزمهای امنیتی از سطح سختافزار تا سطح برنامه مبتنی بر نرم افزار است. ویژگیهای امنیتی ارائه شده در OpenFog RA شامل حریم خصوصی و صحت داده[32]، گمنامی[33]، تایید[34]، اندازهگیری[35]، اعتماد[36] و اعتبارسنجی کاربر و دستگاه[37] هستند. مدل OpenFog امنیت انتها به انتها را فراهم میکند. علاوه بر این، پس از تأیید اطلاعات، لینک شبکه بین گرهها فراهم میشود و سپس فرآیند اعتبارسنجی صورت میگیرد.
قابلیت مقیاسپذیری: این مدل ویژگیهایی را فراهم میکند که گرههای ابر، سرویسهای ذخیره سازی و شبکهها براساس نیاز کاربران مقیاسپذیر هستند. در OpenFog RA انواع قابلیت مقیاسپذیری به شرح زیر وجود دارد:
عملکرد مقیاسپذیر: شامل بهبود عملکرد مه با توجه به نیازهای برنامه با کاهش تأخیر[38] در سامانه است.
ظرفیت قابل مقیاسپذیر: به افزایش ظرفیت شبکه، سامانه، برنامه و کاربر کمک میکند.
قابلیت اطمینان مقیاسپذیر: این قابلیت اطمینان با استفاده از مههای افزونه[39] در صورت وجود خطای شبکه یا بار زیاد اطلاعات یا پردازش تأمین میشود.
امنیت مقیاسپذیر: شامل ویژگیهای امنیت نرمافزار و سختافزار اضافی است مانند فراهم کردن دسترسی و پردازش اطلاعات رمزنگاری شده هنگامی که امنیت سخت گیرانه میشود.
سختافزار مقیاسپذیر: اجزای سختافزاری اضافی را در صورت وجود نیاز بین مههای[40] شبکه و سامانههای داخلی آنها، نظیر عملیات ذخیرهسازی داده، افزایش مقیاس شبکههای سیمی و بی سیم و بالابردن مقیاس فرآیندهای محاسباتی فراهم میکند.
باز بودن[41]: این ستون از محیطی متنوع پشتیبانی میکند که گرههای مه و دستگاههای یک شبکه تعاملپذیر با حذف تأثیرات منفی حاصل از کیفیت و هزینه وجود یک تک فروشنده[42] را تشکیل داده و بدون توجه به مکان، قابلیت تعامل بین اجزاء را فراهم میکند.
خود مختاری[43]: ساختار خودمختاری، با فراهم کردن تسهیلات تصمیم گیری نزدیک دستگاهها، از پردازش متمرکز جلوگیری میکند و کارآمدی در عملکرد، امنیت و هزینه را به ارمغان میآورد. این قابلیت با فعالسازی گزینه کشف شبکه[44] به دستگاهها کمک میکند تا در صورت بروز مشکلات در uplink، فعال بمانند.
قابلیت برنامهریزی: برنامهریزی گرهها و سیستمهای پیاده شده در لایههای سختافزاری و نرمافزاری با قابلیت تغییر وظیفه گرههای مه فراهم شده است. برنامهریزی امنیت بهینه شده را با بهروز رسانی خودکار پچ امنیتی، همراه با زیرساخت قابل تطبیق و چندین مستأجر فراهم میکند.
قابلیت اعتماد، در دسترس بودن و خدمات پذیری[45]: در حالی که قابلیت اعتماد، اطمینان حاصل میکند که گرههای ابر و اجزای کلی سیستم به شرایط داده شده برای ارائه عملکرد خود کار میکنند، قابلیت در دسترس بودن به مدیریت و پشتیبانی مستمر بک اند[46]، از جمله دسترسی افزونه[47] و امن دستگاهها و پیکربندیهای افزونه اشاره دارد. خدماتپذیری نصب، بهروزرسانی و نگهداری خودکار گرههای مه را با پشتیبانی از قطعات سختافزاری قابل تعویض فراهم میکند.
چابکی: این ستون مسئول مدیریت تغییرات در سیستم و ارائه بینشهای تحلیلی از دادههای گسترده دریافت شده از حسگرها برای انجام تصمیمات کارآمد کسبوکار است.
سلسله مراتب: با توجه به اینکه همه سیستمها در OpenFog RA سلسله مراتبی نیستند، این ستون اطلاعات سلسله مراتب مکمل و سنتی را برای سیستمهای شرکت فراهم میکند.
2-3-2- دیدگاهها
دیدگاههای نشان داده شده در ستونهای سبز عمودی در شکل 5 به شرح زیر است:
کارایی و مقیاس: عملکرد سیستمهای پیاده شده تحت مراقبت مداوم برای کیفیت خدمات (QoS) و کمترین تأخیر با استفاده از شبکههای حساس به زمان و محاسبات بحرانی[48] است. اندازهگیری گذردهی[49] و تأخیر گره مه، کارایی رایانش مه را تعیین میکند که با نزدیک کردن رایانش مه به لبه، بهبود مییابد. فناوریهای جدید مجازیسازی و کانتینرسازی در رایانش مه، قابلیت مقیاسپذیری و جداسازی گرهها را بهبود میبخشند. این فناوریها همچنین میتوانند ترافیک شبکه و تخصیص منابع بر اساس اولویت را انجام دهند.
امنیت: معماری مه تا زمانی که اعتماد بین اجزای سیستم وجود ندارد، امن نیست. سختافزار گره ابر با اقدامات مناسب، امن است و امنیت کامل داده و صحت آن از سطح پایین سختافزار تا سطح نرمافزار با رمزگذاری امنیت انتها به انتها تضمین میشود. دیدگاه امنیت همچنین شامل ویژگیهای شناسایی تهدید و حفظ حریم خصوصی است.
قابلیت مدیریت: دیدگاه قابلیت مدیریت، قابلیت پاسخگویی و تصمیمگیری مشابه با انسان را با کمک الگوریتمهای ماشین فراهم میکند. این دیدگاه، عملکردهای مدیریت کارآمد را برای طیف گستردهای از اقدامات[50] در مقایسه با سامانههای فناوری اطلاعات و فناوری عملیاتی سنتی فراهم میکند. علاوه بر این، تمام عملکردهای مدیریت، از جمله سامانه هشداردهی، عملکردهای عملیات و نگهداری، کشف دستگاهها و گرهها و غیره را پوشش میدهد.
داده، تجزیهوتحلیل و کنترل: با تولید دادههای زیاد در صنایع برای انجام تجزیهوتحلیل جهت تصمیمگیری، روشهای تجزیهوتحلیل سنتی برای نیازهای رو به رشد مناسب نیست. علاوه بر این، با حرکت شرکتها به سمت تعمیر و نگهداری پیشگیرانه با پایش پارامترهای سامانه، برآورده کردن نیازهای سختگیرانه مشکل به نظر میرسد. رایانش مه با انجام تجزیهوتحلیل دادهها در لبه نزدیک منبع برای تجزیهوتحلیل خاص و ارسال اطلاعات مربوط به خدمات ابر برای عملکردهای کسبوکار و پردازشهای مربوط به کسبوکار، به دست آوردن این اهداف را ممکن میکند.
ارتباط برنامههای کاربردی مه و کسبوکار IT: این دیدگاه اشاره به این موضوع دارد که برنامههای مه باید در هر سطح سلسلهمراتبی عمل کرده و دادهها را با گرههای دیگر به اشتراک بگذارند تا تعامل دادهها را به منظور حداکثرسازی ارزشها از دیدگاه کسبوکار IT در محیطهای چند تامینکنندهای فراهم آورد.
3-3-2- نمای گره
این نما، پایینترین سطح نماهای استفاده شده در OpenFog RA است. لایههای زرد روشن در شکل 5 جنبههای نمای گره معماری را نشان میدهند. این جنبهها باید قبل از اضافه کردن یک گره به شبکه رایانش مه مورد توجه قرار گیرند.
امنیت گره: امنیت گره، الزامات امنیتی لایه افقی و عمودی را نشان میدهد زیرا امنیت سیستم از سطح سیلیکون تا سطح نرم افزاری بسیار حائز اهمیت است.
مدیریت گره: این جنبه فرآیند مدیریت سیستم را با فعال کردن رابطهای مدیریت از گرهها پشتیبانی میکند. این رابطها پشتیبانی از نظارت و کنترل گرههای سطح پایین را توسط سیستمهای مدیریت سطح بالا انجام میدهند.
شبکه: بخش شبکه، گرهها را قادر میسازد تا براساس شبکههای حساس به زمان و آگاه به زمان، با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و اطلاعات را در شبکه به اشتراک بگذارند.
شتاب دهندهها: شتابدهندههای استفاده شده در برنامههای کاربردی مه، توان و تأخیر ارتباطات را بسته به سناریو شبکه بهبود میبخشند.
محاسبات: گرههای ابر، نرم افزار منبع باز را در سطح گره خود برای محاسبات پایه و تعامل بین دیگر گرهها و اجزای سیستم اجرا میکنند.
ذخیرهسازی: اگرچه نیاز به ذخیره داده قبل از یادگیری یا انجام تجزیهوتحلیل وجود دارد، یک دستگاه ذخیرهسازی قابل اعتماد لازم است که با نیازمندیهای صحت داده و شرایط سلامت دستگاه ذخیرهسازی آگاه باشد.
حسگرها، عملگرها و کنترل: این عناصر، عناصر پایینترین سطح معماری یک سیستم IoT هستند. در حالی که بعضی از این دستگاهها قابلیت پردازش دارند، بعضی دیگر ناتوان در پردازش داده هستند. این عناصر با استفاده از اتصال سیمی یا بیسیم به سیستم متصل میشوند.
لایه انتزاعی پروتکل: این لایه وظیفه ارتباط سنسورها و محرکها با گره مه را برای انجام تجزیهوتحلیل دادهها دارد. همچنین اطمینان حاصل میکند که قابلیت همکاری بین محصولات چند تامینکننده برای بهینهسازی داده لایههای متقابل[51] وجود دارد.
4-3-2- نمای معماری سیستم
نمای معماری سیستم شامل چندین نمای گره برای پیادهسازیهای مه مقیاسپذیر است. این دیدگاه به مسائل تیمهای فنی، تولیدکنندگان و معماران سیستم پرداخته است. لایه عمودی عملکرد و مقیاس و برخی لایههای افقی که زیر خط مرزی قرمزرنگ در شکل 5 قرار دارند، دیدگاه معماری سیستم OpenFog RA را مشخص میکنند.
زیرساخت پلتفرم سختافزاری: این دیدگاه نیازمندیهای پلتفرم مه را برای اطمینان از ایمنی افراد و سختافزار در برابر هر گونه خطر، حفاظت سیستم در برابر محیط و پشتیبانی مکانیکی زیرساخت سختافزار کلی معرفی میکند. سیستم پیادهشده همچنین باید استانداردهای تطابق و تنظیمات را رعایت کند.
مجازیسازی سختافزار و کانتینرها: مجازیسازی سختافزار، امکان به اشتراکگذاری چندین موجودیت را بر روی یک دستگاه فیزیکی فراهم میکند و با محدود کردن بخشهای خاص سیستم از ماشینهای مجازی، امنیت سیستم را تضمین میکند. استفاده از کانتینرها، هزینههای اضافی را کاهش داده و مکانیسمهای سبک وزن[52] را در محیط رایانش مه فراهم میکند.
5-3-2- نمای معماری نرمافزار
این دیدگاه شامل دیدگاه معماری نرمافزاری است که در یک پلتفرم اجرا میشود. پلتفرم با ترکیب دیدگاههای گره برای پردازش سناریوهای خاص شکل میگیرد. نرمافزار گرههای ابری در سه لایه جداسازی شده است که در لایههای آبی روشن در شکل 5 نشان داده شده است.
خدمات برنامه کاربردی: این لایه به کمک لایههای دیگر خدماتی را فراهم میکند تا مورد استفاده قرار گیرد و نیازهای خاص را برآورده کند.
پشتیبانی برنامه: این قسمت نرمافزاری زیرساخت، هیچ خدمات جدیدی انجام نمیدهد، اما برنامههای کاربردی دیگر را در اجرای وظایف خاص، پشتیبانی میکند.
مدیریت گره و پشتیبان نرمافزار: این لایه مدیریت گره را انجام میدهد و ارتباط بین گرهها را برقرار میکند.
مقایسه مدلهای معماری مرجع IIoT
معماریهای مرجع ارائه شده توسط سازمانهای مختلف رویکردهای متفاوتی را برای توسعه و پیادهسازی IoT صنعتی دارند. در حالی که RAMI 4.0 درباره فرآیند صنعت از سطح تولید تا سطح شرکت است، IIRA درباره فرآیند صنعتی با ارتباط بین سیستمهای پیادهشده است. Platform Industrie 4.0 و IIC در حال حاضر در حال همکاری برای ارائه یک معماری مرجع مشترک با ترسیم RAMI 4.0 و IIRA هستند. در حالی که RAMI 4.0 با استفاده از یک درگاه، ارتباط بین سختافزار و نرمافزار را برقرار میکند، IIRA لایه Edge را برای محاسبه و ذخیره دادهها فراهم میکند. OpenFog RA درباره موارد استفاده تولید و پردازش داده بالا در برنامههای صنعتی است. معماری مرجع OpenFog برای پیادهسازی در هر برنامهی یکپارچهسازی عمودی در صنعت طراحی شده است. انتخاب یک معماری مرجع خاص به نیازهای سیستم پیادهسازی شده بستگی دارد. جدول 1 مقایسه معماریهای مرجع IIoT را نشان میدهد.
جدول 1: مقایسه معماریهای IIoTا[1]
| دسته بندی/ویژگی | RAMI 4.0 | IIRA | OpenFog RA |
| سازمان ارائهدهنده مدل معماری | انجمن صنایع برق و الکترونیک آلمان (ZVEI) | کنسرسیوم صنعتی بینالمللی (IIC) | کارگروه معماری OpenFog |
| لایهها | تجاری، عملکردی، اطلاعاتی، ارتباطی، یکپارچهسازی و دارایی | تجاری، مصرف، عملکرد و پیادهسازی | شامل و نه محدود به دیدگاه عملکرد و توسعه |
| سلسلهمراتب | محصول، میدان، دستگاه، کنترل دستگاه، ایستگاه، مراکز کاری و سازمان | غیر سلسلهمراتبی | دستگاهها، پایش و کنترل، پشتیبانی عملیاتی، پشتیبانی تجاری و سیستمهای سازمانی |
| تفاوت در کاربردهای صنعتی | تمرکز بر تولید هوشمندانه اشیا از طریق فرآیند چرخه عمر محصول | فرآیند تولید را پوشش میدهد اما چرخه عمر محصول را کامل نمیکند. کارها را قادر میسازد تا با تعامل سیستمهای بزرگ مستقر شده هوشمندانه کار کنند. | تمرکز بر پلتفرم عمومی برای کاربرد با هرگونه مطالعه موردی استفاده از بازار عمودی. به عنوان مثال، کشاورزی، شهرهای هوشمند، حمل و نقل و غیره. |
| درگاه[53]، لبه یا مه | تجزیهوتحلیل دادهها و اتصال سختافزار و ابر در درگاه | محاسبات، پردازش و ذخیرهسازی در لبه | قابلیتهای ذخیرهسازی، پردازش، محاسبات، شتابدهندهها و شبکه برای کاربرد عمودی در هر مه |
نتیجهگیری
از آنجا که ظهور IIoT بر اساس یکپارچگی فناوری اطلاعات و فناوری عملیاتی اتفاق افتاده است، مشکلات ناشی از این یکپارچگی نیز باید با کمک فناوریهای جدید حل شوند. اگرچه مدلهای معماری مرجع مانند RAMI 4.0، IIRA و OpenFog، یک ساختار و راهنمای طرح اولیه برای برنامههای کاربردی IIoT را فراهم میکنند؛ با این حال، به دلیل مشکلات ناشی از فناوریهای متنوع و استفادههای صنعتی گوناگون، حل چالشهای پیش روی IIoT با دنبال کردن معماریهای مرجع، مشکل به نظر میرسد. در این رابطه، استفاده از فناوریهای جدیدی مانند رایانش لبه/مه، شبکههای نرمافزار محور، نسل پنجم موبایل، یادگیری ماشین و … به همراه پشتیبانی از معماریهای مرجع، خدمات ابری، پروتکلها و استانداردها، چالشهای یکپارچگی IIoT را حل میکند.
با توجه به اینکه همپوشانی IoT صنعتی، صنعت 4.0 و IoT، بهبود کارایی تولید را در صنایع به دنبال دارد باید چالشهای این حوزههای نیز مورد توجه قرار گیرند. طبق مدل RAMI 4.0، اجزای فیزیکی و مجازی یک سیستم پیادهسازی شده میتوانند بدون توجه به سلسلهمراتب شبکه با یکدیگر مستقیماً ارتباط برقرار کنند؛ این در حالی است که، سیستم نیاز به قابلیت همکاری دارد تا اجزای سیستم بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. به دلیل رشد نمایی فناوریهای ناهمگون[54]، IIoT با چالشهای زیادی در قابلیت همکاری، تاخیر، امنیت، حریم خصوصی، مقیاسپذیری و … روبرو است.
منابع
[1] Mirani, A.A., Velasco-Hernandez, G., Awasthi, A. and Walsh, J., 2022. “Key Challenges and Emerging Technologies in Industrial IoT Architectures: A Review”, Sensors, 22(15), p.5836.
[2] Moldehn, A. Industrie 4.0—Intelligent Production of Tomorrow. Available online: https://dam-mdc.phoenixcontact.com/asset/
156443151564/d90d65eff0734c9a49d76134aa1061e1/Digital_Tranformation_at_Phoenix_Contact.pdf (accessed on 10 September 2023).
[3] Adolphs, P.; Berlik, S.; Dorst, W.; Friedrich, J.; Gericke, C.; Hankel, M.; Heidel, R.; Hoffmeister, M.; Mosch, C.; Pichler, R.; et al. DIN SPEC 91345:2016—Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI4.0); Technical Report ICS 03.100.01; 25.040.01; 35.240.50; Platform Industrie 4.0: Berlin, Germany, 2016.
[4] Mantravadi, S. and Møller, C., 2019. “An overview of next-generation manufacturing execution systems: How important is MES for industry 4.0?”. Procedia manufacturing, 30, pp.588-595.
[5] Lin, S.W.; Miller, B.; Durand, J.; Bleakley, G.; Chigani, A.; Martin, R.; Murphy, B.; Crawford, M. The Industrial Internet Reference Architecture; Technical Report IIC:PUB: G1:V1.07: PB:20150601; Object Management Group: Needham, MA, USA, 2019.
[6] OpenFog Consortium. The OpenFog Consortium Reference Architecture: Executive Summary; Technical Report; OpenFog Consortium: Fremont, CA, USA, 2017.
پینوشت
[1] Internet of Things (IoT)
[2] Industrial Internet of Things (IIoT)
[3] Information Technology (IT)
[4] Operational Technology (OT)
[5] Cyber-Physical Systems (CPS)
[6] predictive maintenance
[7] Industrial Internet Reference Architecture
[8] Reference Architectural Model Industry 4.0
[9] OpenFog Reference Architecture
[10] Service Oriented Architecture (SOA)
[11] Actuators
[12] Programmable Logic Controller (PLC)
[13] Distributed Controler (DC)
[14] Manufacturing Execution System
[15] Enterprise Resource Planning
[16] interoperability
[17] autonomy
[18] Edge
[19] Platform
[20] Enterprise
[21] node
[22] Edge Gateway
[23] Proximity Network
[24] Control Flow
[25] Fog Computing
[26] Fog as a Service (FaaS)
[27] Software as a Service
[28] Platform as a Service
[29] Infrastructure as a Service
[30] Perspective
[31] View
[32] data privacy and integrity
[33] anonymity
[34] attestation
[35] measurement
[36] trust
[37] user and device verifications
[38] latency
[39] redundant fogs
[40] Fogs
[41] Openness
[42] Single Vendor
[43] Autonomy
[44] Network discovery
[45] Reliability, Availability, and Serviceability (RAS)
[46] Back-end
[47] Redundant
[48] critical computing
[49] throughput
[50] actions
[51] Cross layer
[52] lightweight
[53] Gateway
[54] heterogeneous
