摘要

　　据专家预计，截至 2025 年，工业物联网 (IIoT) 将为全球工业运营的升级带来 4.6 万亿美元的商机，并提升全球经济的价值。这反映出由于技术的进步，几乎所有领域都呈现出了向数字化发展的趋势。对于原始设备制造商 (OEM) 而言，数字化趋势与基础设施的数据化及可联网性需求不谋而合，从而满足行业通过基础设施（甚至是日益陈旧的基础设施）创造价值的需求。本文介绍了 OEM 如何能够利用 Siemens 基于云的开放式 IoT 操作系统MindSphere 顺应和利用这些趋势。MindSphere 不仅部署迅速，还为用户提供了功能强大的分析和群队管理工具，可供访问的 MindSphere 应用程序编程接口(API) 和应用程序数量也在迅速增长，因而大幅提升了用户机器的性能和优化效果、创造了新的收入流、提高了公司的盈利能力，并扩大了其市场竞争优势。

　　本白皮书阐述了 OEM 如何能够大胆地思考打造创新性的解决方案，甚至是以服务为导向的全新商业模式，从而充分运用基于云的技术。本书接着概述了 Siemens 基于云的开放式 IoT 操作系统 MindSphere，该系统使OEM 能够将自己的愿景变为现实。

　　向着富有前瞻性的动态前景砥砺前行

　　各 OEM 在自身的商业模式方面，正越来越多地开始遇到各种根本性的挑战：设备生命周期正变得越来越短， 导致利用其产品获利的时间也相应地变短。要克服该项挑战，就要使机器的固件和软件保持全新和安全的状态，以确保客户能够尽可能充分地利用自身的设备资 产。图 1 阐释了这一现象。

　　大多数 OEM 都明白，客户购买机器的目的就是为了完成某项任务：从地下抽取石油、将发动机安装到卡车 中、将汽水灌装到瓶子里，等等。但许多人都没有意识到，再高一层次的数据驱动型软件应用能把这项任务做到什么程度。了解这一现象对于理解自主制造的工作原理非常重要。

　　例如，在一个 IIoT 环境中，制造执行系统 (MES) 可能是接收企业资源规划 (ERP) 系统所发出的命令。而这些系统又可能是通过接入零售链 ERP 的电子数据交换（或一个 Web 应用）接收预设的需求信号。零售链 ERP 将会监控收银机上的单位销售量，以了解特定商店的货架上何时需要补充产品。

　　这种由需求驱动的制造还可以与批量定制方案结合使用。设想一下，一辆为特定客户（也许是某一个人或者车队所有者）制造的卡车会以何种方式在生产线上组装起来。负责安装发动机的机器人装置能知道该辆卡车的引擎罩下需要的是六缸还是八缸发动机，并会从自动导引车中提取正确的发动机，而该发动机则是自动导引车从库存中取来的。

　　重点是，传统的 OEM 思维会将一台设备（甚至是像多轴计算机数控 (CNC) 机床这类尖端复杂设备）看作工业客户生产蓝图当中的一个独立部分，其输入和输出则是工厂生产流程的一部分。

　　与此相反，富有远见的 OEM 则会将其看作是提供成果的手段，工业运营者会在增值任务中使用该方法来为客户提供优于竞争对手的服务。毕竟，当有人走进五金店要找 1/4 英寸钻头时，他实际上并不是在找直径为 1/4。

　　图 1：设备的盈利窗口随着其生命周期缩短而缩短，这就要求 OEM 尽可能地降低服务和保修成本，同时尽可能提高盈利能力。

　　英寸并能切削出螺旋形锋利刃口的金属棒；他们寻找的是操作该钻头所获得的结果：在他们要处理的材料上钻出一个 1/4 英寸的孔。

　　要想在向自主式制造发展的环境当中取得成功，OEM 必须转变思维方式，在观念上从以产品为中心转变为以用户为中心。作为用户，OEM 的客户倾向于尽量减少资本支出，以利于缩减运营支出。他们想要的不是空气压缩机，而是想要压缩空气。这依然表明，他们想要的是成果，而不一定是方法或手段。这就是为什么有远见的人下一步会考虑自己如何能往机器中加入其他的功 能，用以支持这种以用户为中心的角度，而且这通常都会涉及到利用这些机器所生成的数据。

　　OEM 如何才能做到这一点？通过边缘和云端的先进分析技术帮助工厂运营者更出色地管理可变性，尤其是在批量定制方案中。这里列出了 OEM 可以使用MindSphere 给自身的运营及其工业客户的运营带来好处的其他方法：

　　• 提高服务效率，同时通过基于运行状况的预测性维护和利用云的远程诊断降低保修成本，从而可以减少或消除技术人员上门服务的情况

　　• 增强产品特性和功能，这是通过将性能数据实时反馈给 OEM 研发团队来实现的，作为一种可行性情报， 它可以提高产品设计及虚拟数字化双生模型与实际产品性能的一致性

　　• 增加服务数量，例如通过群队管理解决方案监控性能和刀具磨损，以产生递增式的高利润服务收入，构建OEM 的盈利能力

　　• 创新型的商业模式，例如以计时的方式提供运营服务，使 OEM 能够出于自身资产负载表和税务会计的目的掌握资产折旧

　　各OEM可以利用 MindSphere，通过以往可能无法提供的或是成本高昂的数据驱动型创新特性、功能和服务来实现其价值主张。微软创始人比尔·盖茨意识到，PC 的真正价值不在硬件上，而是在软件上，正是基于这种简单而又深奥的认知，他创造了 900 亿美元的财富。对于今天的 OEM 来说，好消息是无论其规模如何，Siemens 的 MindSphere 让他们都能够在自身业务中成功地践行这种见解。

　　对已有数十年历史的工业基础设施进行现代化改造， 如今已势在必行

　　McKinsey 认为 OEM 存在着巨大的 IIoT 商机，而Siemens 自己的研究也迎合了这一观点，据其估计，全世界的工厂机器中只有百分之三处于监控之下。这是因为全球的工业产能中有很多都包含陈旧过时的基础设施，其中很多都已经使用了多达数十年，即使它们拥有数码电子元件或通信功能，应用范围也十分有限。

　　据一项统计，在这些旧设备安装后的几十年时间里，技术已经进步了 1000 多倍。举例来说，2016 年英特尔公司发布了包含 75 亿个电路的 22 核英特尔至强Broadwell-E5 芯片，而在 20 年前，其旗舰产品奔腾 II 芯片“仅仅”包含 750 万个电路。而成本则已经下降了一半甚至更多。

　　技术上的各种进步一起刺激了其他创新。电路密度已经使智能传感器能够将相当于一个登月舱的处理能力和功能封装在一个微小的外壳当中。可编程逻辑控制器(PLC) 的效率和功能远超以往，并且还包括集成安全功能，而以前它们需要使用自己的工厂网络来提供安全保障。先进的分析功能不仅能够处理数据库中的结构化数据，还能够处理文本和视频输入中的非结构化数据。事实上，达到超级计算机规模的并行处理如今可以分析数万亿字节大小的非结构化数据集。

　　软件领域也出现了类似的创新。开发人员已经实现了机器学习和人工智能 (AI)：机器学习能够让机器在不经过明确编程的情况下进行学习；而人工智能则会向计算机灌输类似于人类的行为。例如，机器学习算法旨在以毫秒为单位实现迭代式的性能提升。这可以帮助工厂设备的操作人员在几分钟内优化周期时间和材料的使用，而不是需要数月的时间手动进行微调。而这样做既可以提高效率，又可以节省生产时间和成本，这很有可能会改变游戏规则，即提供愈加丰厚的利润，以扩大定价余地和盈利能力。

　　通过云开辟新的商机

　　对于 OEM 来说，所有这些技术性能上的增强可能已经，也可能尚未融入到其工业设备中。诚然，对于许多机器而言，这种速度、处理能力、存储以及通信功能并不全都是必需的。如果断开连接，嵌入高等软件功能可能会使得更新、升级和支持 OEM 机器产品变得愈加艰难，尤其是从远距离执行这些操作。但是，将机器连接到网络可能会使其面临网络安全风险的威胁。虽然先进的功能可能会使机器更加吸引客户，但这样做也可能会减弱它们在成本上的竞争力。

　　那么 OEM 应该怎么做？坐以待毙肯定是不行的。他们应当考虑云，尤其是并非为办公室、企业和 Web 应用程序设计，而是专门为工业物联网 (IoT) 环境而设计的云：Siemens 的 MindSphere。借助它，OEM 可以着手通过以下方式帮助其客户实现自身的数字化转型：

　　• 优化资产利用率， 提供尽可能高的运行时间和可用性

　　• 提高维护效率， 进而实施预测性维护实践

　　• 通过基于运行状况的监控 提高运营可见性

　　• 利用数据透明度和集中的关键绩效指标 (KPI) 提供出色的运营见解和责任制

　　• 实现新的机器功能， 同时兼具数据分析和资产群组监控功能

　　通过将工业资产连接到 MindSphere，OEM 可以充分发挥从 IoT 中获得的数据对于制造业转型的基础性作用。

　　以采用 Siemens PLM Software 解决方案设计的风力涡轮发电机为例。在部署该风力涡轮发电机后，可以使用Siemens 的软件来监控和检测其物理性能方面的振动， 然后将这一工作特征与在该涡轮机的设计阶段运行的仿真结果进行比较。利用这一数字化双胞胎概念，可以将该涡轮机在真实世界的工作特性与软件呈现的应有特性相比较，这样就可以在可能出现维护或维修问题之前提早做出调整。

　　MindSphere 可以帮助 OEM 将这一概念延伸到他们的机器上，同时不仅能提高性能、可靠性和可维护性，相比其他那些没有在自身设备产品中采用这一概念的 OEM，还会获得显著的竞争优势。如今，各公司都可以利用 MindSphere 实现产品从构思、实现到利用的闭环运行，从而将整条价值链中的运营数据整合在一起，这不仅可以提高运营效率，还可以将仿真和测试结果与真实世界的观察结果进行比较。

　　借助 MindSphere 拓展性能、可扩展性、能见度和见解

       作为一种基于云的开放式 IoT 操作系统，MindSphere 为 OEM 提供了特定于具体市场的应用和解决方案。这些应用和解决方案的设计目的，在于减少向机器中增加尖端复杂特性和功能所需的大量人工、时间和费用，

　　如 MindSphere 标配的统包式分析和群队管理工具。MindSphere  所提供的云计算已经得到了全世界范围内各个公司信息技术 (IT) 团队的欢迎，它使许多前台办公室和面向客户的业务职能部门都实现了数字化转型。这是因为该云模型提供了下列优势：

　　• 随需型 IT 基础设施， 这种基础设施不但会经常更新，而且非常安全，规模上几乎没有限制，也不用为维护、修补程序、更新、安全以及其他所有权琐事而烦心

　　• 节省了资本支出， 并节省了采购、部署、交付使用以及维护必需硬件所需的时间、人工和技能

　　•  灵活的“即用即付”成本模型 它通过基于消费的定价帮助 OEM 避免了前期在硬件方面的资本成本，同时使成本与使用量保持一致；OEM 也可以将这种模式作为一项福利和竞争优势传递给自己的客户

　　•  使用经济高效的 平台即服务 (PaaS) 功能（如高性能计算）和软件即服务 (SaaS) 应用程序（如MindSphere 内置的高级数据分析）

　　通过 MindSphere 的开放式标准和接口，OEM 能够灵活地收集数据，并使自身的解决方案与客户的基础设施相匹配，不论该设备由 Siemens 还是第三方制造。

　　MindSphere 的工作原理

　　Siemens 的 MindSphere 采用了一种简单的三层式架构：

　　1.  MindConnect：连接层 该安全层（包含软件和硬件选项）将 OEM 机器连接到 MindSphere。它可以通过 MindConnect LIB 软件开发包 (SDK) 与

　　MindSphere 标准化 API 进行交互，因而可以编写特定于客户或用例的连接代理程序。这些 API 有利于数据从设备资产传输至  MindSphere，同时也拓展了协议支持。

　　此外，MindConnect IoT 扩展是一种附加的连接层选项，它使得许多新的 IoT 协议都能够与 MindSphere 通信。其示例包括 OPC 一体化体系架构 (OPC UA)、S7、ModBus/RTU 和 ModBus/TCP、REST、MQTT 以及 CANBus。通过采用一种完整的环境，OEM 可以管理设备并进一步开发资产，以便与多种受支持的现场协议进行交互，并提供各种硬件连接代理，以便弥合与其他协议之间的隔阂。

　　除软件解决方案   MindConnect   外，还有MindConnect   Nano   和   MindConnect   IoT2040 设 备等硬件连接解决方案。它们都支持行业标准协议，大大方便了通过与 PLC 及其他传感器进行交互来收集和传输数据的过程。

　　这些解决方案支持 Siemens S7 协议，该协议用于从 S7-3xx、S7-4xx 和 ET-200 PLC 等型号采集数据。此外，它们还支持 OPC UA，只要数据源支持通过使用 OPC UA 规范第 8 部分的 OPC UA 服务器来提供数据，就可以从中采集数据。同时，通过采用完全集成式自动化 (TIA) Portal STEP 7 库，OEM 还可以利用现有的 Siemens S7-1500 PLC 直接连接到MindSphere 和数字环境。TIA Portal STEP 7 库扩展了 S7-1500 PLC 的功能，使其可以将 PLC 数据传输至 MindSphere。

　　使用MindSphere 应用程序 Manage MyMachines可以通过加密的Internet通信将诸如 Sinumerik 840D sl和828D等计算机数控(CNC)无缝连接到MindSphere。这让车间经理、机器-工具操作员和维护人员能够基于云来掌握所有互联 CNC 机床中的关键数据和工作状态。

　　除资产连接能力以外，MindConnect Integration 还提供了一种可以将多个数据系统安全连接到MindSphere 的方法，如企业解决方案、ERP 和 MES 系统、旧应用程序以及管理控制和数据采集 (SCADA) 系统。基于浏览器的工具可以用来以图形的方式配置数据值映射，从而帮助 OEM 构建灵活的集成，这样做可以将企业系统（不论是云端系统还是本地系统） 纳入到采用 MindSphere 的环境中。

　　2.  MindSphere 操作系统 MindSphere 托管于高度安全的云提供商数据中心 Amazon Web 服务 (AWS)。这使得 OEM 及其客户在开发、运行和管理应用时，能够避免因构建基础设施或管理复杂的软件堆栈所产生的费用、人工或复杂性。

　　MindSphere 的设计宗旨是让 OEM 及其客户能够根据成本、可配置性、可扩展性、位置和安全性来选择理想的云部署策略。

　　鉴于 Siemens 不仅在全球大多数行业的领域都具备深厚的专门知识，还拥有全球规模的 AWS 公共云， 因此 OEM 可以大大加快 IoT 解决方案的开发。通过访问 MindSphere 开放式物联网 API，合作伙伴可以与 Siemens 和 AWS 合作开发高价值的应用程序， 并提供数字服务。有了开放式 API，合作伙伴就能开发、部署和销售自己的 MindSphere 解决方案。

　　3.  MindSphere 应用程序 作为 MindSphere 核心产品的一部分，MindSphere  随附了一款便于使用的应用：Fleet  Manager。通过它可以总览   MindSphere 中已配置的资产，这样用户就可以根据在 Fleet Manager 中配置的用户定义参数快速搜索所有的资产并聚焦于相关问题。用户还能够配置规则，以便在一台机器或一组机器的工作参数达到预定义的状态后自动监控机器并创建后续请求，例如电子邮件通知。

　　对于 OEM 而言，MindSphere 不同于其他云的六个方面如下

　　1. Siemens 是一家以完全端到端的云操作系统（ 从连接性到 PaaS，再到应用和数字服务）提供完整物联网的公司。

　　2. Siemens 的制造流程和自动化技术知识让人们从一开始就熟悉了 MindSphere IoT 操作系统的开发。

　　3. 工厂运营者比任何人都更了解自己的工厂和机器，因此 Siemens 将 MindSphere  设计成一套用于工业物联网的开放式操作系统，从而提供了一种使用其他云和工具的选择。

　　4. 用户可以快速高效地分析其工厂所产生的庞大数据量，找出短板，并在生产性能和可用性方面实现重大改进。

　　5. MindSphere 通过内置的 MindSphere 就绪型软件代理为 OEM 及其客户定制连接性，这些代理可以安装在 OEM 机器上作为连接层，用于扩展协议支持以及与多个数据系统、MindConnect 设备和现有 Siemens 旧硬件的集成。

　　6. 在完成数据摄取和分析之后，OEM 可以为其终端客户提供创新性的数字服务以及对MindSphere 应用程序的访问权限，以便为这些新的商业产品提供支持。

　　Fleet Manager 将会以直观的方式向用户显示这些通知。例如，以地图视图显示互联资产的地理位置。在详细信息视图中，用户会看到显示在不同图表当中的记录数据。用户还可以定义要显示的数据时间范围， 并能够深入研究自己的数据。作为对 Fleet Manager 应用的补充，Siemens 提供了 Visual Analyzer，该选件提供了丰富的数据可视化和复杂的算法应用，全部都集成于同一个用户界面当中。

　　此外，MindSphere  还提供了其他工具，用以简化数据分析和应用程序开发。例如，OEM 可以使用一个基于 Web 的编辑器来设计自己的可视化工作流程、创建规则，并定义触发器动作。利用仅配置模式， 他们可以为深一层的可视化准备数据，包括规范、转换、更改、汇总和添加变量，并修改数据模型。在完成数据准备之后，他们不但可以定义 KPI，还可以计算和存储该数据。

　　MindSphere 还提供了开放式 API 和服务，以便使 OEM 能够以较短的时间开发和部署软件应用。MindSphere API 充分利用 Siemens 的行业知识和物联网 (IoT)，为迁移到物联网 (IoT) 解决方案的关键业务驱动因素提供了支持。它还支持集成式开发环境，例如 Intellij 和 Eclipse 以及与 AWS 原生服务的集成。随着时间的推移，API、分析学和工具中的新增功能将会帮助 OEM 增强和扩展其机器的功能。

　　此外，MindSphere 商店也提供  MindSphere  应用， 该应用的基础就是丰富广博的领域专门知识，范围涉及各行各业。

　　保护数据和连接免受尖端威胁的侵害

　　与其他基于云的解决方案相比，侧重于运营技术的工业级网络安全是 MindSphere 的另一个与众不同之处。它基于多种行业标准，如国际标准组织 (ISO) 27001、国际电工委员会 (IEC) 62443 和 BSI（德国联邦信息安全局）。静态数据存储在 AWS 数据中心的高性能服务器上。所有数据都符合尖端的数据安全标准，它们受到的保护足以抵御网络威胁和自然灾害。动态数据则一律使用 256 位安全套接字层 (SSL)/传输层安全性 (TLS) 或更高强度的加密技术进行加密。

　　OEM 可以使用这些严格的安全标准帮助将其解决方案销售给如同所有工业运营者一样担心网络威胁的工业客户。同时，OEM 及其客户也需要确保自身的安全措施，如制定深度防御最佳实践。而且 OEM 和客户都可以保证自己拥有各自的数据。

　　以MindSphere硬件连接性选件MindConnect Nano为例，它采用了安全机制来确保只会连接并发送数据到MindSphere 平台。它通过验证其安全证书来识别MindSphere。在处理设备使用的证书和密钥方面，它应用了证书和密钥管理措施。重要的是，MindConnect Nano 没有任何开放的入站端口，这可以将内部敌人的攻击拒之门外。

　　在入网过程中，MindConnect Nano 必须通过MindSphere 的身份验证流程。完成验证之后，两个实体会就之后通信中使用的加密密钥达成一致。最终，MindSphere 被设计成为只会从已经顺利完成验证流程的有效 MindConnect Nanos 接收数据。

　　MindConnect Nano 与 MindSphere 之间的所有通信都通过 TLS 1.2 标准进行加密，并采用长度为 256 位的加密密钥。为了遵守适用的 Siemens 信息安全准则，TLS 配置将会定期接受检查。这有助于保护 MindConnect Nano 与 MindSphere 之间的通信免遭中间人攻击或任何篡改。

　　而且，MindConnect Nano 还具备以下可保护  OEM  客户自动化网络完整性的特性：

　　• 只有 MindConnect Nano 可以发起出站 HTTPS 连接： 只有从 MindConnect Nano  设备到  MindSphere 平台的出站 HTTPS 连接会建立。该连接总是由MindConnect  Nano（绝非由   MindSphere   平台）发 起。即便在 MindConnect  Nano  设备上进行固件更 新，也要遵守“仅出站”规则

　　• 单独的物理接口： MindConnect Nano  使用两个单独的网络接口连接到自动化网络和外部网络。此外，它还拥有内部防火墙，可以减少自动化网络暴露在外部网络下的几率。内部防火墙只对 MindConnect  Nano 用例有效，客户无法对其进行配置

　　• 对自动化系统的只读访问权限： MindConnect Nano 中的所有数据采集驱动程序对数据来源仅具备只读权限。该设备的设计目的并非是用来修改任何数据或者将任何控制信号发送给数据来源

　　• 软件安全性得到加强： MindConnect Nano  软件基于一个定制的 Linux 操作系统，该操作系统只包含 OEM 的客户需要的组件和服务

　　• 对防火墙友好的连接性： MindConnect Nano 通过采用 HTTPS 并且对防火墙友好的出站 Internet 流量进行通信。它只需要在防火墙中打开一个单独的出站端口（HTTPS 端口 443）和一个固定的 URL，不需要打开任何入站端口

　　• 代理服务器支持：  MindConnect  Nano  支持使用代理服务器向 MindSphere 平台传输出站流量。可以使用 MindSphere 中的资产配置工具来配置代理服务器设置

　　• 离网：使 MindConnect Nano 离网将会停止数据采集，并使其与 MindSphere 断开

　　向实现数字化转型迈出新的一步

　　全球工业工厂设施的数字化势不可挡。首先，如果运营者想要保持盈利能力和竞争力，除了迅速对老化的基础设施进行现代化改造之外，别无选择。这不仅是因为过时的机器装备会由于更加频繁的维护、维修、现场更换以及难以寻找的备件而产生相关的运营成本，更因为工程和维护技术知识也在快速淘汰之中，这就是所谓的“  灰色海啸”。而且，如果新型机器的速度、质量和价格 都较为理想，并且在许多情况下只需占用较少的空间就可以工作时，使用老旧机器还会产生相关的机会成本。

　　其次，如今对于各种不同规模的工厂运营者来说，能够从 IIoT 中发掘数据，以便大幅增加运营透明度和生产效率，这才称得上是经济实用。采用快速易用的“即用即  付”云模型时，这种效果尤为明显，例如使用 Siemens 基于云的开放式 IoT 操作系统 MindSphere 所提供的功能。而且通过这一模型，他们可以获得 IIoT 功能，同时免除了硬件基础设施所需的资本和维护费用，这不仅可以确保始终实现保护和升级，还能实现灵活、基于使用量的成本模型。

　　对于 OEM 来说，数字化趋势预示着漫长的潜在盈利期。无论 OEM 的规模有多大，Siemens 的 MindSphere 都能帮助其从这一趋势中获利。由于云的触角范围遍布全球，因此可以帮助打开他们以前可能因为自身能力限制而无法考虑的新市场，包括全球市场。而且MindSphere 还能得到 Siemens 的支持，包括销售人员和专门服务覆盖范围，以及几乎遍布世界各处的全球合作伙伴生态系统。

　　通过将 Siemens 的 MindSphere（基于云的开放式 IoT 操作系统）融入到自己的机器中，OEM 可以从中获益；如果您也是其中的一员，敬请联系当地的 Siemens 代表或全球合作伙伴，或者访问 MindSphere  网站了 解详情。它是专门为工业和 OEM 而设计和打造的解决方案。