工業(yè)自動化領域正在出現(xiàn)重大技術(shù)變革。這種變革有可能使長期供應商的商業(yè)模式過時。它還要求所有類型的供應商采用云計算領域的新興軟件技術(shù)和實踐。這種變革幾乎完全由新的軟件技術(shù)而不是硬件驅(qū)動。雖然變革將首先影響連續(xù)過程自動化，但這些新軟件技術(shù)的功能和價值將推動它們及其新業(yè)務模式進入許多其他領域，包括工廠自動化和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）。
推動這種變革的技術(shù)是軟件應用程序的“容器化”。軟件容器技術(shù)幾十年前在UNIX操作系統(tǒng)中誕生，并且在龐大的Linux開源生態(tài)系統(tǒng)和主要云計算服務供應商的推動下迅速發(fā)展。
軟件容器為軟件開發(fā)人員和最終用戶提供兩個主要價值。首先，它們提供了自動化方法，可以跨任意數(shù)量的物理或虛擬機部署和管理多個分布式應用程序。其次，容器軟件開發(fā)過程創(chuàng)建了一個“容器鏡像”存儲庫——可以協(xié)同創(chuàng)建的軟件交付成果，并包含在特定計算機環(huán)境中運行應用程序所需的所有工件。
容器鏡像的開發(fā)創(chuàng)建了一個強大的新抽象，將應用程序與異構(gòu)CPU、操作系統(tǒng)、軟件版本以及它們在生產(chǎn)期間運行的環(huán)境隔離開來。此外，由于容器鏡像的范圍包含單個應用程序，因此容器將開發(fā)人員的注意力從管理機器轉(zhuǎn)移到管理應用程序。這大大提高了應用程序部署和可見性。在過去的五到十年中，容器開發(fā)、部署和編排軟件工具已經(jīng)成熟。它們現(xiàn)在遠遠超過傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)軟件技術(shù)，能夠提供并管理分布式和高可用性應用程序——例如未來分布式控制系統(tǒng)（DCS）的自動化應用程序。
垂直整合的商業(yè)模式的終結(jié)
自從20世紀70年代引入PLC和DCS以來，控制級別（ISA 95級別1和2，企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成的國際標準）的自動化硬件和軟件架構(gòu)從根本上沒有改變。一直到今天，工業(yè)自動化市場結(jié)構(gòu)圍繞著捆綁的自動化硬件和軟件。這種結(jié)構(gòu)非常類似于20世紀70年代的小型機市場，每個主要的計算機供應商（Da-ta General，Prime，HP等）都推出了自己獨特的捆綁應用程序和軟件工具集，以及他們自己的渠道合作伙伴和獨立軟件供應商（ISV）。
但是，最終以用戶為中心的開放式過程自動化論壇（開放式集團論壇，華為、IBM、富士通、甲骨文等是白金會員）（Open Process Automation Forum （a Forum of The Open Group））的形成以及大部分過程自動化供應商社區(qū)的支持表明，這種高度垂直整合的業(yè)務模式已經(jīng)受到威脅，可能正在達到其終點。
傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)模型的終結(jié)
對于嵌入式系統(tǒng)和傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的傳統(tǒng)市場而言，最終也是如此。網(wǎng)絡（分布式）嵌入式系統(tǒng)——特別是工業(yè)嵌入式系統(tǒng)——在其生命周期中的開發(fā)、部署和管理方式需要進行轉(zhuǎn)型。
目前，許多嵌入式軟件（即使它起源于開源）包含許多專有元素。出于安全原因，今天更新嵌入式軟件越來越重要，但遺憾的是，這通常很難或不可能。因此，網(wǎng)絡安全已經(jīng)成為嵌入式系統(tǒng)的一個長期問題，特別是在消費電子領域。這也會產(chǎn)生其他問題。應用程序不靈活、操作系統(tǒng)和軟件工具鏈是分散的、開發(fā)速度很慢、硬件/軟件集成仍然存在問題。更糟糕的是，經(jīng)驗豐富的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)人員比較缺乏。
雖然嵌入式系統(tǒng)軟件市場確實感受到了Linux的影響，但傳統(tǒng)嵌入式市場的其他方面仍然存在多年。市場需要改變技術(shù)，進入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、智能制造等時代。未來的工業(yè)嵌入式系統(tǒng)將要求整個軟件堆?？梢宰詣由墶獜捻攲討贸绦虻降讓硬僮飨到y(tǒng)和虛擬機管理程序。
那么，如果當前用于工業(yè)自動化的技術(shù)堆棧不再能夠很好地發(fā)揮作用，那將被什么取代呢？
容器軟件擾亂了許多行業(yè)
最近，ARC Advisory Group（ARC咨詢集團）與過程自動化業(yè)務的C-Level高管進行了討論，他對開放式過程自動化系統(tǒng)的前景持悲觀態(tài)度。根據(jù)這位高管的說法，“我們的客戶不希望必須在許多不同供應商的數(shù)千臺設備上管理其應用軟件?！?
他認為，通過少數(shù)供應商制造的控制器管理工廠的自動化軟件是很困難的。對于管理不同供應商的應用軟件，和不同供應商的數(shù)百個硬件模塊單元或工廠，這需要技術(shù)的重大進步。與現(xiàn)在工廠中運行的最新過程自動化系統(tǒng)相比，此類系統(tǒng)在部署和編排（Orchestration）軟件方面必須要大大提高。
然而，工業(yè)自動化行業(yè)和其他幾個主要行業(yè)，現(xiàn)在正在為高度分散的自動化和功能創(chuàng)建參考架構(gòu)甚至特定解決方案。這些舉措有許多共同點。
例如，全球汽車行業(yè)正在開發(fā)一種參考架構(gòu)，該架構(gòu)將包含安全性、車輛自主性、遠程服務、信息娛樂和便利性的車載功能。這包括定義一組稱為汽車級Linux的特定Linux軟件。在電信這個另一個龐大的行業(yè)中，公司正在開發(fā)在蜂窩基站和電信中心局交換機中虛擬化處理功能的架構(gòu)。這兩項計劃稱為NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）和CORD（中央辦公室重新設計為數(shù)據(jù)中心）。
汽車、電信和工業(yè)自動化等行業(yè)的數(shù)字化挑戰(zhàn)將需要大規(guī)模和長期生命周期地管理遠程部署的軟件。這將需要在工業(yè)軟件開發(fā)、部署和維護以及包括嵌入式設備在內(nèi)的所有類型硬件方面取得突破（而不是逐步改進）。
好消息是這些突破已經(jīng)存在?，F(xiàn)在，用于軟件容器管理和編排的領先開源工具現(xiàn)在可以實時部署和管理分布式應用程序。理想情況下，這些相同的工具將被納入新興的開放式過程自動化計劃中。
軟件開發(fā)的融合
從歷史上看，軟件開發(fā)分為三大類軟件：企業(yè)軟件（運行業(yè)務），嵌入式軟件（運行于內(nèi)部），以及云軟件（運行在第三方云資源上）。雖然他們之間存在一些重疊，但它們各自也有一些獨特的開發(fā)工具。
在未來五年左右的時間里，云軟件開發(fā)技術(shù)似乎將主導其他形式的開發(fā)，而這三者將在很大程度上融合。此外，這種融合將以開源軟件的速度發(fā)展，而不是以當今工業(yè)自動化行業(yè)典型的軟件開發(fā)速度，后者慢得多。
這種融合的第一階段將是所謂的云原生軟件的開發(fā)，標志著傳統(tǒng)企業(yè)軟件和云軟件的融合。用于這些任務的部署和編排軟件工具將變得司空見慣并且眾所周知。當按照縮小形式的云原生軟件滿足嵌入式系統(tǒng)軟件的要求時，這將推動第二階段的融合——嵌入式系統(tǒng)軟件是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的“面包和黃油”，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）。
在過去兩年推出的許多工業(yè)產(chǎn)品中，工業(yè)自動化領域現(xiàn)在可以看到使用Docker和Linux容器部署應用程序的方式。除此之外，一種名為Unikernels的新興云技術(shù)將嵌入式軟件開發(fā)的小規(guī)模原則與云執(zhí)行平臺相結(jié)合。雖然Unikernel技術(shù)目前主要是研究領域，但這可能會改變。事實上，風險資本已經(jīng)投入到為企業(yè)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場開發(fā)單核產(chǎn)品的公司。
此外，云計算是一項價值2500億美元的業(yè)務，擁有大量的研發(fā)資金。它正在迅速發(fā)展，并由亞馬遜、阿里巴巴、微軟、谷歌、IBM等大型科技公司主導。這些大公司正在為一個龐大且不斷發(fā)展的業(yè)務展開激烈競爭。期望云計算業(yè)務中使用的開源軟件技術(shù)將迅速而廣泛地發(fā)展，這是合理的。
用于工業(yè)自動化的小規(guī)模云
ARC認為，五年內(nèi)所有軟件開發(fā)都可能使用云軟件開發(fā)方法。在軟件“食物鏈”中，如果“軟件正在吞噬世界”，那么正在吞噬軟件開發(fā)世界的軟件就是云軟件開發(fā)和工具。即使在嵌入式軟件的封閉和專業(yè)化的世界中，也可能會被當前和未來的云軟件技術(shù)超越。
這并不是說所有應用程序都將在云中運行。相反，云軟件使用的軟件開發(fā)和部署技術(shù)將超越并主導其他形式的軟件開發(fā)。這有兩個可能的原因。
第一個原因是，云雖然巨大，但卻是一個相對較新且仍在不斷發(fā)展的行業(yè)。也就是說，今天的熱門云計算軟件技術(shù)與云計算本身一樣新近。OpenStack、Cloud Foundry、Docker和Kubernetes（K8s）等軟件在過去五到十年中都已作為開源軟件發(fā)布。云計算專家一致認為，當前的云計算模型包含大量冗余，可以大大改進。因此，人們應該期待這一領域的快速和持續(xù)的技術(shù)發(fā)展。
很好，但這就是云。工業(yè)自動化市場為何要關注這個問題？
這導致了期望云軟件開發(fā)占據(jù)主導地位的第二個原因。這是因為云軟件技術(shù)可以縮小到更小的系統(tǒng)，這也是開放過程自動化論壇關注的工業(yè)自動化系統(tǒng)類型。讓我們來看一個關鍵的例子：容器軟件。
容器和工業(yè)自動化
容器有什么意義？人們可以看到為什么這些對云和企業(yè)來說很重要，但為什么它們對工業(yè)自動化等應用很重要？
讓我們退后一步，回顧一下容器的歷史。容器技術(shù)始于20世紀90年代末，當時Sun Microsystems等公司正在構(gòu)建非常強大的UNIX服務器。從操作和管理的角度來看，更容易在這些巨大的機器中對應用程序進行分區(qū)，而不是將所有進程一起運行。容器背后的原始概念是在應用程序之間創(chuàng)建分區(qū)，以便更輕松地管理大型服務器。
容器技術(shù)的缺點是實現(xiàn)它需要技術(shù)嫻熟的UNIX系統(tǒng)管理員。對于當時的大公司（Sun Microsystems，Oracle，SAP和其他公司）而言，這并沒有什么問題。但是，對深度UNIX管理專業(yè)知識和大型服務器的需求限制了容器在相對較少的公司中的使用。
什么改變了？為什么容器現(xiàn)在如此受歡迎？隨著容器技術(shù)在Linux中的應用，一家風險投資公司開發(fā)了軟件工具，大大簡化了Linux容器的創(chuàng)建、部署和操作。這個名為Docker的軟件五年前發(fā)布給開源社區(qū)。
因此，在過去的五年中，對容器的興趣在云計算和企業(yè)計算領域呈爆炸式增長。此外，在過去幾年中，許多工業(yè)自動化產(chǎn)品也隨Docker一起交付，使系統(tǒng)集成商和最終用戶能夠輕松地將自己的應用程序與這些產(chǎn)品集成。
早些時候，我們提到了針對電信的NFV和CORD計劃（一種邊緣計算開源平臺）。在電信行業(yè)，全數(shù)字化將把所有模擬信號處理轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡的邊緣。從蜂窩塔到中心局的所有其他服務將通過軟件執(zhí)行并以數(shù)字方式完成。結(jié)果將是一個高度靈活的基礎架構(gòu)，可以在不更改硬件的情況下添加新服務。而在以前，電信網(wǎng)絡運營商如何設想能夠在多年的生命周期內(nèi)管理如此龐大的軟件定義基礎設施？
最后，這也許是最重要的一點，容器軟件可以縮小到非常小的系統(tǒng)。Docker運行時軟件已移植到小型ARM核心單板計算機，現(xiàn)在用于支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用和服務。
Docker和Kubernetes
作為一個額外的好處，開源軟件世界已經(jīng)在很大程度上融合在一個容器編排工具上（在此上下文中的編排是指管理容器部署的軟件）。這個開源容器編排軟件工具Kubernetes起源于谷歌，該公司通過使用容器實現(xiàn)的SaaS產(chǎn)品證明了其可靠性。今天，Kubernetes可能是企業(yè)軟件領域最熱門的開源項目。ARC認為，對于那些擁有工廠運營或工程經(jīng)驗的人來說，與他們自己組織中的IT專家討論其對未來自動化架構(gòu)的潛在適用性是值得的。畢竟，Docker和Kubernetes不僅僅是管理和構(gòu)建容器的技術(shù)。
不僅僅包含用于存儲或傳輸應用程序的文件，術(shù)語“容器”還指使用內(nèi)核中內(nèi)置的功能。這些功能創(chuàng)建了一個“包含”的環(huán)境，用于在內(nèi)核上運行代碼。代碼認為它是唯一的應用程序。嚴格來說，容器是執(zhí)行時體驗，而不是分發(fā)時體驗。
安裝到文件中并作為創(chuàng)建容器的基礎分發(fā)的軟件工件稱為“容器鏡像”，這可能是一個令人困惑的術(shù)語。容器鏡像是使用Docker或其他容器開發(fā)工具創(chuàng)建的軟件工件。
當使用容器鏡像（而不是軟件包管理器）時，軟件分發(fā)和生產(chǎn)中的部署是用戶驅(qū)動的和應用程序驅(qū)動的而不是供應商驅(qū)動的。容器可以極大地減少軟件最終用戶的集成負擔，使他們能夠更多地關注他們的應用程序，同時讓容器鏡像的構(gòu)建者專注于目標系統(tǒng)依賴性和配置。
當供應商而非用戶需要驅(qū)動軟件分發(fā)時（如軟件包管理器的情況），最終用戶或系統(tǒng)集成商負責組裝正確版本并正確設置所有運行時配置參數(shù)。通過包管理器提供的軟件是要集成的模塊化軟件單元。另一方面，容器鏡像是從最終用戶角度來看的單個但完全集成的應用程序。
如前所述，對于作為嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)設備，“終點就在附近?！闭雇磥恚邇r值設備和服務將得到遠程監(jiān)控、管理、更新和服務，其軟件堆棧需要提供服務。這需要極高的自動化水平。因此，在未來的嵌入式系統(tǒng)中需要Docker和容器，包括工業(yè)自動化中的嵌入式系統(tǒng)。
工業(yè)自動化的容器和編排
與當今工業(yè)自動化中使用的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)相比，容器具有幾個重要的優(yōu)點，可以使工業(yè)自動化系統(tǒng)對于最終用戶和供應商而言更簡單，更有價值。這些包括：
- 容器專注于應用程序而不是機器。這有效地將應用程序開發(fā)與運行應用程序的計算、存儲和網(wǎng)絡系統(tǒng)的管理分離。通過使應用程序開發(fā)人員和系統(tǒng)支持專家能夠有效地解耦并且干擾更少，這可以在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)提供價值。
- 創(chuàng)建和管理容器鏡像的存儲庫代表了由硬件、處理器體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)和支持軟件依賴性的變化引入的復雜性的解決方案。
- 容器鏡像文件的“分層”屬性使供應商和最終用戶能夠有效地創(chuàng)建和迭代地增強存儲庫。這認識到容器鏡像的一些（“低層”）方面將在許多應用中長時間使用，而其他方面（“高層”）或特定應用可能經(jīng)常發(fā)展或改變。
- 開發(fā)人員可以創(chuàng)建容器開發(fā)和部署環(huán)境，以便在將應用程序部署到生產(chǎn)環(huán)境之前實施特定的工作和測試流程。
容器編排（Container orchestration）同樣重要，原因有很多。這些包括：
- Orchestration提供了大大簡化系統(tǒng)擴展和管理的功能。
- Orchestration提供聲明性分布式系統(tǒng)配置。此配置描述了分布式系統(tǒng)的所需狀態(tài)。協(xié)調(diào)器用于實現(xiàn)和維護這種期望的狀態(tài)。協(xié)調(diào)器的操作使分布式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高應用程序可用性和諸如“自我修復”的屬性，因為協(xié)調(diào)器在分布式系統(tǒng)的一部分受到干擾或中斷時用于恢復期望的系統(tǒng)狀態(tài)。
- 聲明式系統(tǒng)配置比命令式配置工具更不容易出錯，必須執(zhí)行以糾正操作，需要對可執(zhí)行文件進行故障排除。
- 聲明式系統(tǒng)配置與版本控制系統(tǒng)相結(jié)合，使得最近系統(tǒng)的回滾變得微不足道。軟件包管理器、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)有的DCS產(chǎn)品根本無法做到這一點。
- 圍繞容器構(gòu)建協(xié)調(diào)器會將主要操作重點轉(zhuǎn)移到應用程序性能上，這是最終用戶關心的。因為每個容器都是一個應用程序，所以不需要從許多不同的應用程序中過濾掉信號或日志，以便將診斷集中在特定的應用程序上。
- 專注于應用而非機器可以在許多其他領域帶來連鎖效應。例如，它使得正確構(gòu)建、部署和維護應用程序變得更加容易，并將應用程序運行時問題與機器問題分開。
容器和開放過程自動化
為什么所有這些都與開放過程自動化論壇有關？因為在工業(yè)自動化領域，尤其是過程自動化領域，應用程序經(jīng)常每天更換。大型過程自動化安裝幾乎每天都需要對其控制應用程序配置進行微小的更改?？刂婆渲檬沁^程自動化操作技術(shù)（OT）領域的日常工作。添加了新的測量，測試了新的控制方案，調(diào)整了參數(shù)或警報限制，等等。
這種不斷變化的情況，是為什么過程工業(yè)最終用戶在其DCS中運行的控制應用（配置）中投入了如此多的知識產(chǎn)權(quán)。這些應用程序代表了工程和調(diào)整控制系統(tǒng)以服務于實際工廠及其運營目標的人工年數(shù)。不幸的是，今天的知識產(chǎn)權(quán)被控制語言和慣用語捕獲，這些語言和機構(gòu)不具備機器可讀性并且總是高度專有。標準化的容器和編排工具提供了從這個死胡同的退出通道。
應用程序部署的容器
然而，今天的DCS確實使最終用戶能夠輕松地進行頻繁的控制應用程序更改。至少，成功的開放式過程自動化系統(tǒng)需要在次要工程變更方面支持相同的性能水平（可能還要高得多）。將應用程序部署到目標系統(tǒng)（特別是OPAF分布式控制節(jié)點所設想的小型目標系統(tǒng)）將是一項非常重要的任務，并且它將是每天執(zhí)行的任務，用于開放式自動化系統(tǒng)的整個安裝生命周期。
總而言之，這種成熟的，基于容器的軟件部署技術(shù)高度標準化，廣泛使用，可在開源中使用，可在各種平臺上運行，并且已經(jīng)在從最大（谷歌）到最小的安裝中進行了現(xiàn)場驗證。
選擇不在未來的開放式自動化架構(gòu)中采用容器技術(shù)，意味著符合OPAF的系統(tǒng)必須與將使用這些功能強大的軟件工具的未來產(chǎn)品競爭。自動化供應商應該意識到這些能力，他們必須了解未來的競爭格局，以及當前或敏捷的新競爭者可能帶給市場的創(chuàng)新。
