作者：上海工业自动化仪表研究院，PLCopen中国组织 彭瑜

摘要：泛在联接性是工业互联网系统中各种参与组件之间实现数据共享的一种基础技术。目前，IIoT领域中存在许多专有联接性技术，虽然在各自应用范围内内相当优化，但是对于建立新的价值空间，以及打开全球的IIoT市场而言，却在数据共享、设计、架构乃至通信诸方面是一种障碍。本文重点阐述工业物联网联接性架构的主要内容，即工业物联网的通信模型、工业互联网参考架构中联接性功能要求、联接传输层和联接框架层的任务和范围、联接框架层和联接传输层的核心任务、美国工业互联网联盟IIC推荐的联接框架层的核心标准。并重点概述作为核心标准之一的数据分发服务DDS，及其在德国工业4.0中应用的适用性。

关键词：泛在联通性；工业互联网；核心联通标准；数据分发服务；工业4.0的通信

Abstract: Ubiquitous connectivity is one of the foundational technologies that enables data sharing among participating components of an Industrial Internet of Things (IIoT) system. Even though there are many proprietary connectivity technologies optimized for a specific domain, the sharing of data, design, architecture, and communication are still obstacles that restricts creating new value streams and unlocking the potential of a global IIoT marketplace.

This paper focused on the main issues of connectivity architecture for IIoT , i.e., the communication model of IIoT, the functional requirements in industrial internet reference architecture, the roles and scope of connectivity transport layer and connectivity framework layer, and the core standards of connectivity framework layer recommended by Industrial Internet Consortium U.S.A.. At last, a brief introduction of DDS(Data Distribution Service), which is one of core connectivity framework layer standards, and a detailed discussion of the applicability of DDS in Industry4.0 are presented.

Key words: Ubiquitous connectivity; Industrial internet; Core connectivity standards; Data distribution service; Communication for industry 4.0

工业物联网IIoT的领导联盟由美国工业互联网联盟IIC和德国Industrie 4.0（I4.0）平台组成。IIC建立了一种跨工业行业的技术架构，而工业4.0着重于制造业，但超越了技术架构，介入了供应链和产品生命周期。这些目标和架构都是互补的，而且这两个组织正在共同绘制今后工业4.0和工业互联网之间实现和发展可互操作性的设计蓝图，如图1所示。

图1 建立工业4.0和工业互联网间的可互操作性

1 什么是泛在联接性？

泛在联接性是工业物联网IIoT系统中各种参与组件之间实现数据共享的一种基础技术。联接性为联接参与者之间，提供功能域内、系统内跨功能域，以及跨系统进行数据交换的能力。这些数据交换包括传感器的数据刷新、事件、报警、状态变化、命令以及组态刷新。简言之，联接性是跨功能域（由工业互联网参考架构所定义）的横向交互功能，具体如图2所示。

图2 联接性是工业互联网各功能域间的横向交互功能

图中绿色箭头：数据/信息流；灰白色箭头：决策流；红色箭头：命令/请求流。功能域有：控制功能域，信息功能域，应用功能域，操作运营功能域和业务功能域。

目前，IIoT领域中充斥着各种各样的专有联接性技术，并且拥有一些在垂直集成系统中针对较小的特定范围的应用案例及优化标准。这联接技术虽然在各自应用范围内还是相当优化的，但是对于建立新的价值空间，以及打开全球的IIoT市场而言，却在数据共享、设计、架构乃至通信诸方面是一种障碍。IIoT联接性的首要目的是要让这些相互隔离的孤立系统的数据开放流动，使得这些封闭的组件和子系统之间能够共享数据和实现可互操作性，以至在各种行业内和各种跨行业中的新型和新兴的生态应用，得以形成和发展。

我们需要建立广泛领域的IIoT的联接性。通过定义IIoT联接性的堆叠模型和开放的联接性参考架构，使从事IIoT的各个利益攸关者，对手头正在开发和应用的联接性技术的适用性进行分类、评估和确认。

2 IIoT工业物联网的通信模型
由于历史发展的局限，经典的开放系统互连OSI 7层模型和互联网4层模型都不能准确地描述工业互联网联接性的要求。毫无疑问，IIoT是工业互联网的一个关键的基础。IIoT系统要求用一个新的联接性功能层模型来着重表达分布式的传感器、控制器、网关、各种设备和器件，以及分布式系统的其它应用组成。当然，这一模型还是以OSI模型和互联网模型为参考，按照新的要求提出了联网（物理层、链路层、网络层）、联接性（传输层、框架层）和信息三大功能共6层的通信模型，又称为IIoT联接性堆叠模型，作为工业互联网参考架构IIRA内的横向交互功能的联接性范围，如图3所示。

图3 工业物联网IIoT通信的6层模型

IIoT系统的可互操作性层呈沙漏形状（见图4）。其上顶部是一个宽泛的数据模型谱系，以及针对特定垂直行业的功能；颈部通常用于跨垂直行业的互联网层。联通性提供基本的数据共享机制，支持诸如分布式数据可互操作性和管理这样的高级功能，作为实现语法可互操作性（注意：不是语义可互操作性）的横向交互功能。沙漏颈部是IIoT中“互联网”的起点。鉴于颈部上面的联接层目前尚没有被充分认识和理解，所以，为了构建IIoT系统，要侧重考虑和研究“互联网”联网层上面的联接功能。

图4 IIoT联接性堆叠模型

图5 IIoT系统的联接性堆叠模型的功能性

图5表示IIoT联接性堆叠模型，以及联接功能性的范围，作为工业互联网参考架构IIRA中的横向交互功能。联通功能性为IIoT系统中在同一功能域内的参与者之间和在跨功能域的参与者之间，提供数据共享的机制。由图5可见，最底层为物理层，用物理介质（有线、无线）连接网络的所有参与者，并进行以“位”（bit）为特征的物理信号（电信号、光信号或其它）的传输。其上为链接层，用于相邻参与者之间共享物理链接，并通过信号传输协议进行以“帧”为特征的交换。再上面是网络层，进行以有限长度的“数据包”为特征的交换，可能在非相邻（远程）参与者之间进行多链接路由通信。再往上是传输层，是在参与者应用程序之间进行不同长度的通信报文的通信。其上是框架层，是指为参与者应用程序之间提供可组态的有服务质量QoS的结构化数据（状态、事件、数据流）交换。再上面已超出联接的范围，是分布式数据可互操作性和管理层横向交互的功能，依赖于联接框架层提供的有具体物理意义的信息共享。

3 工业互联网参考架构中联接性功能要求

IIRA中联接性在整个架构中的任务是支持参与互联的系统中各端点之间进行数据交换。举例说，信息包括传感器刷新、远传数据、控制命令、报警、事件、状态变化或组态更新和按时间记录的数据等等。基本上联接的任务就是在端点之间提供可互操作的通信，以保证各种组件的集成。不过联接性功能的目标是，为参与联接的端点间提供语法的可互操作性。

通信中的可互操作性有不同的抽象级别：从客户集成，到基于开放型标准的即插即用。按维基百科，可互操作性通常分类如下:

技术可互操作性，是指交换以位和字节表现的信息的能力。这建立在信息交换的基础结构已经存在，同时以基础架构下的网络和协议都有明确定义为前提。

语法可互操作性，是指交换以通常的数据结构表现的信息的能力。这建立在已经使用构造数据的公用协议，且以信息交换的结构已经明确定义为前提。语法可互操作性必须建立在技术可互操作性已经实现的基础上。
语义可互操作性，是指在适当的所给出的信息解释的上下文条件下（即语境）进行交换数据含义的能力。语义可互操作性以语法可互操作性已经建立为前提。

4 联接传输层和联接框架层的任务和范围

对于IIoT系统，联接功能性有两个功能层：联接传输层和联接框架层。前者提供端点间传输数据的方法和手段；在数据交换中它实现端点之间的技术可互操作性。此功能对应于OSI7层模型的第4层传输层，或对应于互联网模型的传输层。联接框架层为被交换的数据以共同而明确的数据格式进行结构化，且与端点的实现无关，与硬件和编程平台解耦；它提供端点之间实现语法可互操作性的机制。在此联接框架层中，“公共数据结构”是指被交换的数据的结构或模式。例如，我们所熟悉的编程语言中的数据结构和数据库的模式。联接框架的功能对应OSI7层模型中的第5层（会话层）至第7层（应用层），或互联网模型的应用层。IIoT的联接性功能层的任务和范围如表1所示。

在分布式数据可互操作性和管理功能中的数据服务框架，建立在由联接框架层提供的语法可互操作性的基础上；工业互联网参考架构的动态合成和协调功能，进一步要求语义可互操作性。

联接框架层在信息交换中为参与的端点提供逻辑数据交换服务。在此层可观察和“理解”数据交换，同时运用相关知识来优化数据的传送。它是位于联接传输层上部的逻辑功能层，而且并不需要知晓实现联接传输层的技术。联接框架层为端点间提供语法可互操作性，所交换的数据其结构化具有共同而明确的数据格式，与端点的实现无关，而且与硬件和编程平台解耦。与端点后面的应用逻辑有关，可能要求一个或多个数据交换的模式，其中有两个主要的数据交换模式：发布——订阅和请求——响应。

联接框架层的关键利益是将不同功能的实现加以抽象和隐藏，这样在联接框架中所使用的应用软件无需了解实现的具体方法，而是直接利用联通框架层的功能。这样既减少了开发成本，又提高了生产能力和质量。

表1 IIoT联接性功能层的任务和范围

5 联接框架层和联接传输层的核心任务

联接框架层的核心功能包括数据资源模型、发布-订阅和请求-响应交换机制、数据的服务质量、数据的信息安全和可编程API等。具体如图6所示。

图6 联接框架层的核心功能

联接传输层为端点连接提供逻辑传输网络。联接传输类似一个在端点之间执行数据流动的不透明管道。联通传输层的关键任务是为端点之间提供技术可互操作性。联通传输的核心功能包括：端点寻址、通信模式、网络拓扑、连通性、优先管理、时序和同步，以及消息安全。图7概述了联接传输层的核心功能。

图7 联接传输层的核心功能

6 联接框架层的核心标准
IIoT联接框架层标准给出原来主要是用于相关垂直行业的联接标准（如oneM2M用于电讯行业, OPC-UA用于制造业），为那些行业提供了赋能的技术特性，也为许多其它行业提供应用服务。另外的联接标准（例如DDS和互联网服务），原来是为通用的、非特定行业的应用服务，显然也可以用于很多其它行业的许多不同类型的应用服务。传输层是专为框架层服务的，在框架层与传输层之间没有任意其它功能空间。

图8 IIoT系统联接性标准

传输层与框架层的区别很重要。传输层一定要与一种数据类型系统相配对，例如MQTT可与一种数据类型系统技术如由Google开发的protocol buffers相配对，同时可用来建立一种专用用户的联接性框架。

显然，目前可供选用的联接性标准没有一个能全面满足IIoT系统的要求，能够完成由高速运动的机器人生产线、离散制造业、过程控制系统等各种类型的工业生产系统和生产管理系统的数据流通和连接，为万物互联及人与物互联的超大规模系统提供无懈可击的联接性。为此需要选择若干个标准构成核心标准，构成一个相互补充的联接性标准簇。但这个标准簇又不能超过3到4个标准，否则，要为这些标准之间建立核心网关的数量过多，而使数据的及时流动和实时流动变得不切实际和不可实现。

图8概述了IIoT联接框架层和传输层的核心标准。由图可知，联接框架层的核心标准有4个，其中1个是源于通用的WEB服务HTTP；1个是除美国以外其他国家工业界很少采用的数据分发服务DDS；另外2个则是来源于某些垂直行业的特定应用，但显然也可以推广到许多行业，乃至跨行业的应用，即流行于制造业的OPCUA和由电信行业开发、目前主要用于家居自动化的oneM2M。DDS和OPCUA定义了自己的传输协议，而Web服务和oneM2M则依赖于通用的传输协议。为完整的表达，图中还示出网络IP层和更低的链路层和物理层的各种协议。运用HTTP的Web服务被称之为专为应用程序使用的联接框架，主要用于人类用户互动的接口。

表2 IIoT联接性框架核心标准的判据表

选择核心标准的主要依据共10项，在表2中已清晰概述。其中前5项是必须具备的关键判据，只要有一项不符要求就不能选用。

7 以数据为中心的系统的优势

相对于以平台为中心或以网络为中心的信息管理系统，以数据为中心的信息管理系统，可以在系统资源受到诸多限制（例如通信带宽受限、联接性可能处于时断时续的间歇状态、连接存在噪声、处理和存贮能力有限等），经常出现未曾预计的工作流，以及经常发生动态网络拓扑和网络节点的变化等情况下，仍能尽可能的保持信息管理系统的正常运行。这就是为什么美国国防部的战术信息管理系统，在历经以平台为中心和以网络为中心等多种解决方案后，选定以数据为中心的数据分发服务DDS，并获得满意的运行效果。除了上述原因之外，以平台为中心的系统一旦发生小的变化或缺少了任意一种资源，就会使整个系统瘫痪；以网络为中心的系统本质上是一种“事后诸葛亮”的系统，系统小有变化就会使系统性能显著变差。

用以数据为中心通信传输的信息可以进一步分类为：信号、流和状态。信号表示连续变化的数据（例如传感器的读数），信号通常进行尽最大的努力的发送。流数据表示数据对象以快速方式记录的值，而这些值必须在前面同样以快速方式记录下来的那些值的前后关系或关连中予以解释。状态表示一组对象（或系统）的状态，被编成一组数据属性（或数据结构）的最新值。一个对象的状态并没有必要随任意固定的周期而变化。状态的快速变化可能就在一个长时间间隔没有变化之后突然发生。状态数据的订阅者一般都是关心最新的状态。但是，当状态长时间可能没有变化时，系统仍需确保最新状态能可靠地传送。换句话说，若某状态值被丢失，不能保证总会接收到，系统一直等待其值再次发生变化，直到准确被接收为止。

8 数据分发服务DDS简述

数据分发服务DDS是美国OMG集团管理的一个基于发布/订阅（pub/sub）联接性标准。正如图9所示，它是一个通过全局数据的存贮方式，沟通处于高度分散分布的数据发布和数据订阅之间的高质量传递和发送。

图9 基于全局数据存贮的数据分发服务

创立DDS的关键抽象是全分布的全局数据空间。在DDS规范中，要求实现全局数据空间必须是全分布式的，以避免引入单点故障或单点瓶颈。全局数据空间执行对发布者和订阅者的动态发现，不依赖于任意种类的集中注册（有些其它的pub/sub技术例如JMS，就是如此）。由于发布者和订阅者都是可以被动态发现的，所以它们可在任意点及时地参加或退出全局数据空间。全局数据空间也可以发现应用程序所定义的数据类型，并且将发现的这些数据类型加以传送，就如这是发现过程的一部分。在本质上当我们利用一个具有自动发现的全局数据空间的系统时，不需要对任何事项进行组态。任意参与者都会被自动发现，在被发现的同时，数据也开始流动。再者，由于全局数据空间是全分布式的，人们不必担心某个服务器引发的未知原因，会影响系统的可用性。在DDS系统中不存在单点故障的问题，尽管应用程序会被冲击和重启，或者连接/断开，系统仍然在连续运行。

由于DDS只规定了两个层次（如图10所示），在制定规范时充分考虑性能/效率两者的平衡，且运行开销较少，所以运行高效，性能上佳。对于动态的变化，它通过元事件（mata-events）进行检测。DDS还按照美国国防部战术信息管理系统的要求，规定了QoS的策略。例如，通过建立约定，可在多系统各层级中精确规定不同的QoS策略，这些策略可以在很大范围内变化，以适应不同系统、不同层级的通信质量保证的要求。DDS还尽可能将处理靠近数据（边缘计算概念的体现），而不是集中处理。DDS通过解耦提供灵活、高性能和模块化的结构：发布者/订阅者为匿名的，在通信中它们的位置无关紧要；数据的读取者和写入者的数量可以是任意的，不加限制；在异步、连接断开、对时间敏感实时性要求很高、系统的规模扩充或缩小的情况下，QoS保证分布式数据的可靠分发；不依赖于平台和协议，便于移植，且具有可互操作的特性。

图10 DDS的架构

在DDS的架构中，处于底层的是以数据为中心的发布/订阅层（DCPS），其底层的API应用程序可按所规定的QoS策略，与其它DDS使能的应用程序进行主题数据交换。处于上层的数据本地重构层（DLRL），其API定义如何构建本地对象的高速缓冲存贮（cache），使应用程序可以存取主题数据，就如这些数据不在远程而在本地那样。DDS规范只定义策略和应用程序与服务之间的接口，并不考虑实现服务的不同参与者的通信协议和技术方法；也不关心DDS内部资源的管理。

2017年数据分发服务DDS被IIC选定为工业物联网IIoT应用的联接框架核心标准，一般用于控制、工业应用、信息和操作运行范围。其主要目的是将组件（设备、网关或应用程序）与其它组件连接，使之成为实时系统和系统中的系统（SoS）。组件互动于一个分享的数据空间，而从不相互直接互动。因此也可称为以数据为中心的中间件标准。DDS通过一关系数据模型实现直接的组件-数据-组件的通信。DDS也被称为数据总线，因为它模拟数据库中在移动的数据，而数据库只是管理存储于其中而非流动中的数据。数据库和数据总线都是实现以数据为中心的抽象；但它们的应用并不直接相互作用，而是互动于基础结构中。与数据库不同的是，数据库将已产生的数据存储，为以后用所存储数据的有关属性进行搜索。而数据总线通过数据属性过滤参与通信的数据，管理正在发生和将要发生的数据。以数据为中心使数据库本质上是个大型的存储系统；以数据为中心使数据总线，已经成为IIoT软件集成和自治运行的一种基本技术。

类似于对存储数据进行存取控制的方法，数据总线用许多同时发生的组件控制数据存取和刷新。其核心是DDS围绕以数据为中心构建了发布-预订的数据交换机制。但是标准还定义了请求-应答的数据交换机制。关键的抽象是各个应用程序使用数据总线本身进行互动，而不是让应用程序直接与其它的参与应用程序进行互动。DDS提供精确的以数据为中心的服务质量QoS，包括可靠的多播，可组态的传送，多种级别的数据持续时间，历史数据，组件和传输冗余自动发现，联接管理，以及无须知晓传输细节、以数据为中心的传输信息安全。此外，一对多、多对一的通信是其很突出的特点。DDS提供有力的方法过滤和精确选择什么数据送到哪里，而这个“哪里”的目标可以是几千个同时发生的组件。为了支持小的边缘设备，有一个轻量级别的DDS版本，可运行在有限制的嵌入式环境中。DDS数据总线保证超可靠的运行，并且简化了用于程序的编码。它不要求服务，极容易组态和操作，因而消除了故障点和阻塞点。一个基于DDS的系统不存在组件之间的应用编码互动。DDS自动发现和连接正在发布和正在接收的组件，有新的组件（如智能机械）加入系统不必进行组态变更。组件可以自行开发，或由独立的第三方提供。DDS克服了点对点系统存在的问题，诸如缺乏可扩展的性能，缺乏可互操作性，以及逐渐演进发展架构的能力。它具有即插即用的简单性、可扩展性和特别好的实时性能。

概括地说，通过DDS的基础架构（如图11所示）使得各种不同类型的设备、应用程序或路由器相互之间，能够进行由QoS保证的通信。

图11 DDS的基础架构

自从2004年OMG采用DDS标准之后，用了不到6年的时间就成功地确立了在分布式大数据的发布/订阅技术方面不可动摇的地位，应用到包括雷达信号处理、无人机飞行和着陆、空中交通控制管理、大规模监控系统、自动股票和股票期权交易等多种商业领域。而且被一些重要的行政管理机构（如美国海军、美国国防部信息技术标准注册机构等）推荐为实时数据分发的技术方法。此后，由于其灵活性、可靠性以及快速构建复杂系统或实时系统，DDS通常用来进行系统集成和构建自治系统。总之，DDS是一种经过验证的高可靠、高性能的构建大规模跨垂直行业的IIoT软件系统的技术。运用DDS的工业物联网应用包括农田、医院医疗集团、医疗保险、自动驾驶飞机和汽车、铁路、资产跟踪、自动测试、智慧城市、通信、数据中心切换、视频共享、消费电子、石油和天然气开采、广播电视、空中交通控制、航空电子技术、SCADA、机器人以及国防。

9 从一个典型例子看DDS过滤数据的强大能力

在一个区域同时有一万部汽车在行驶。系统需要捕捉在200m范围内以10m/s的速度向某一目标运动的汽车的行驶轨迹。在该区域内所有可能路径均布置有位置传感器，如果传感器每秒刷新1000次，要求每刷新5次时把汽车的位置发送给系统。也就是说，每个传感器必须能够存储600个老的采样值（每秒采集200个位置数据，连续采集3秒的数据存入传感器的缓冲存储区）。假设每秒钟这10000部汽车的位置被传感器检测1000次，但仅仅有3部汽车在200米范围内，那么系统将会从10000×1000＝10000000个采样来发现3×200=600个采样数据。设想为此系统要付出什么样的代价。

如果在有一个应用程序中能精确地接收所关注的600个采样值，而且信息的流量率和可靠性是有保证的，我们只需采用像DDS这样的的数据总线，在源头上从10×106个数据中过滤出600个符合约束条件的数据，这样总的数据流减少99.994%。

10 DDS是如何实现这种高效的数据传送呢？

由图12可以知道，DDS通过主题Topic将发布者和订阅者加以连接。主题是：为设定目的而采集的相关给定数据类型的所有“实例”，用于提供基于内容的订阅。主题包括主题名和类型。主题在域中必须是唯一的。不同的主题可以有相同的类型。多主题对应于SQL的join，内容过滤主题对应于SQL的select。可以调用ContentFilteredTopic和MultiTopic，来控制订阅的范围。还可以通过钥匙key可进一步定义，缩小数据目标，如对需要建模的动态目标（例如跟踪）；还可显著减少系统的规模（见上述过滤的例子）；用于可靠的多送一（即报警主题）。

用另外的一种表述，我们可以理解为，在DDS中主题就是数据由发布者流向订阅者的载体，表示一个信息单元可以被产生或被使用。主题由类型、唯一的名称和一组QoS策略三项定义而成，QoS策略用来控制与主题相关联的非功能特性。主题类型可用OMG的IDL（接口描述语言）标准的子集来表示，它用不支持任意类型的限制来定义struct类型。结构的嵌套也是允许的。

图12 DDS定义的主题、类型和钥匙

在定义主题类型中有主题钥匙，可以选择一个或多个数据元素作为该类型的钥匙。DDS将利用这个钥匙对传入的数据分类。通过规定一个数据元素作为钥匙，应用程序可以检索来自DDS的数据，使其与一个特定的钥匙匹配，或者与一序列钥匙中的下一个钥匙匹配。持有钥匙将这些数据容器被定义为一个实例。钥匙提供了可扩可缩的特性。如果一个应用程序有多个据有相同钥匙相同主题的发布者，这使该应用程序提供某个主题的冗余。通过设定QoS的参数Ownership和Ownership Strength建立冗余。

11 DDS的QoS策略

DDS通过设定QoS策略的设定，可在很大范围内提供非功能特性（如数据的可用性、数据传送、数据的时效和资源利用）的明确选择。图13给出DDS中可用的QoS设定策略表。对于传统系统，这些策略控制关键的数据非功能特性；而对于SoS则是绝对必要的。每个DDS实体（如一个主题，数据读取者和数据写入者等）都可以使用所提供的QoS策略的一个子集。这些控制端到端特性的策略可考虑作为订阅匹配的一部分。DDS订阅要匹配主题类型和名称，以及匹配由数据读取者和数据写入者提供/请求的QoS策略。DDS所提供的这种匹配机制确保了端到端的数据类型保持一致，同时也保持了端到端的QoS策略。

图13 DDS的QoS策略概貌表

以下介绍主要的几种DDS的QoS策略：数据的可用性（Data availability），数据传送（Datadelivery），数据的时效（Data timeliness），资源（Resources）以及组态（Configuration）。

（1）数据可用性。DDS的数据可用性策略用来控制域的参与者其使用数据的可用性，在时间和空间上为应用程序持续解耦；也使得在高度动态的环境下（其特征是不断有发布者/订阅者加入和退出），这些应用程序还能够正常运行。（2）数据传送。DDS提供QoS策略来控制数据如何传送，以及发布者可以如何声明其对数据刷新的独有的权利。这些DDS的数据传送QoS策略控制数据的可靠性和可用性，使得有关的正确数据能在正确的时间传送到正确的目标节点。更灵巧的选择数据的方法是由DDS提供的内容检测的方法，允许应用程序可以选择基于感兴趣的或与所需要的内容有关的信息进行传送。这些QoS策略在SoS（系统的系统）中尤其有用，因为它们可用来精确而真实地传送所要传送的数据，不仅限制所用的资源的数量，而且还可以通过独立的数据流使干扰的程度最小化。（3）数据的时效。DDS提供QoS策略来控制分布式数据的时间特性，有助于以一种适时的手段确保以任务为关键（mission-critical）的信息所需要的重构共享运行的场景，还提供控制数据的暂存特性。这些特性在SoS中特别有用，因为这些策略可以用来定义和控制各种不同的子系统数据交换的需要暂存的时间，以确保带宽的优化利用。（4）资源。DDS定义QoS策略控制网络和计算机的资源能力，来满足数据传送的要求。QoS策略支持不同单元和操作场景构成以网络为中心的mission-critical的信息管理。通过这些QoS策略来规划和控制从最低端的嵌入式系统与窄带宽、且噪声大的无线链接，到高端的服务器与高速的光纤链接。这些DDS资源QoS策略提供控制就地资源和端到端的资源（诸如存贮空间和网络带宽）。这些特性尤其在SoS中很有用处，因为它们由大型异构的子系统、设备和网络链接所形成的特征，通常要求通过减少采样以及对所用的资源的数量进行整体的可控限制。（5）组态。DDS提供定义和用户指定的自动引导信息的QoS策略。这些可进行组态的DDS的QoS策略，对在SoS中运行引导和组态应用提供有用的机制，提供一种组态信息的完全的分发方法。

12 DDS在工业4.0中适用性

在德国工业4.0的实践中，OPC UA在通信中的地位首先获得了普遍肯定。但仅仅采用OPC UA并不能满足其全面的联通性要求。随着工业4.0内涵和外延的不断扩展和丰富，工业4.0和工业互联网之间的互操作，以及基于价值的服务，不仅被提上日程，而且在迅速推进。于是扩展其联通性的工作引起了广泛重视。2017年与德国和日本工业界交流时，德国ZVEI协会曾提出将DDS和OPC UA纳入工业4.0参考架构模型RAMI4.0中的通信标准（见图14）。随后，又有中国台湾凌华科技（ADLink）收购了美国从事DDS开发应用的VortexTechnologies，在YouTube中讨论DDS在工业4.0中的适用性时指出了，DDS可以用于RAMI4.0描述的三个维度。如图15所示，鉴于DDS着重于通信和信息，用于分布式数据的表达和分享，所以在HierarchyLevel这一维度可以用在由控制设备（control device）层级往上到企业间的连接（connected world）层级；在Life Cycle& Value Stream这一维度，DDS可用于从产品开发的后一阶段到产品生产和维护服务的阶段；在由物理世界映射到数字虚拟世界的层级这一维度，可以用在从通信（communication）层级向上到经营业务（business）层级。

图14 德国ZVEI提出将DDS纳入RAMI4.0通信标准

图15 DDS在RAMI4.0的适用性表达

13 结束语

工业互联网和工业4.0要将原材料、设备、制造流程、产品、维护服务和参与全过程的管理和制造人员等进行必要的适时联接，从全局和全周期的视角优化生产和服务，就一定要建立强有力的泛在联接性。

美国IIC选择DDS、OPCUA、oneM2M和HTTP作为其联接性的核心标准，已在全世界工业界，尤其在德国，得到积极响应。当然，这一推进过程是长期的，优势的显现也需要很长的过程。目前的现实是，在工业物联网领域中存在着多种专有联接性技术，在垂直集成系统中，也有针对一些较小的特定范围的应用案例及优化标准。这些特定范围的联接技术虽然在各自应用范围内还是相当优化的，但是对于建立新的价值空间，以及打开全球的工业互联网市场来说，在数据共享、设计、架构乃至通信诸方面却是一种障碍。泛在联接性的首要目的是要让这些相互隔离的孤立系统的数据开放流动，使得这些封闭的组件和子系统之间能够共享数据和实现可互操作性，以至在各种行业内和各种跨行业中的新型和新兴的生态应用得以形成和发展。所以，泛在联接性的核心标准的推进是一个方向性的问题。如果不在早期引起重视，任其自行其是，以后再行统一，付出的代价将是十分巨大的。

作者简介：

彭瑜（1938-），男，湖南长沙人，教授级高级工程师，毕业于清华大学热能工程系，现任上海工业自动化仪表研究院教授级高工、顾问，PLCopen中国组织名誉主席，中国自动化学会仪表和装置专委会名誉常务委员，PowerLink中国用户协会理事长，工信部智能制造标准化体系建设工作组专家，国家智能制造标准化协调推进组专家咨询组专家。迄今为止，已经为中国工业自动化技术的发展服务了50多年，涉及流程工业、离散制造业等领域的检测、控制、生产制造、执行管理等多个方面。自1993年起，因对工业技术的突出贡献获得国务院特殊津贴和相关证书。

摘自《自动化博览》2018年9月刊