La parola architettura potrebbe far venire in mente l’arte, lo stile o l’esperienza visiva più in generale magari combinati con elementi di tipo strutturale che ne caratterizzano principalmente l’aspetto estetico.
Qui ci riferiamo però ad un’infrastruttura informatica che definisce un ecosistema digitale atto a garantire la distribuzione e gestione di servizi, disponibile all’eventuale futuro innesto di modifiche per seguire l’evoluzione tecnologica permettendo l’implementazione di possibili sviluppi migliorativi.
L’architettura di un sistema digitale
Più che di architettura, facendo il parallelo con l’ingegneria edile, forse in questo caso si potrebbe parlare di vera e propria ‘struttura portante’ fatta, cioè di plinti, pilastri, fondamenta e solai.
Esistendo un forte legame tra l’idea di struttura-architettura e il concetto di spazio in cui essa si rappresenta, il nesso che lega l’architettura alla struttura è molto stretto, essendo la struttura il mezzo che consente all’architettura di esprimersi.
In questa prospettiva, la parte architetturale vera e propria di un sistema digitale corrisponde alle scelte tecnico-funzionali che serviranno a darne una specifica caratterizzazione applicativa, dipendendo questa dalle scelte fatte in funzione delle condizioni contestuali in cui la struttura si inserisce e soprattutto dalle soluzioni che verranno attuate per dare consistenza alle specifiche esigenze che si vogliono privilegiare.
Risulta quindi evidente che, nell’uso e applicazione delle nuove tecnologie digitali, si ha la necessità di poter disporre di strutture informatiche che abbiano fondamenta più che solide e siano in grado di accettare modifiche future.
L’importanza di una (infra)struttura tecnologica robusta e ben congegnata
Non dare il giusto peso alla struttura portante di tutta l’architettura dell’ecosistema digitale, oltre che essere rischioso, è anche poco lungimirante, aumentando fortemente le probabilità di non sfruttare appieno i benefici delle tecnologie già oggi disponibili e ancor di più di quelle future.
Dunque, una (infra)struttura tecnologica robusta e ben congegnata e l’uso di reti di comunicazione agili, disponibili ed efficienti sono fattori imprescindibili per un ecosistema digitale ben orchestrato e in grado di sfruttare davvero il potenziale reso disponibile dalle tecnologie emergenti, così come è necessario impostare una struttura-architettura ‘ragionata’ capace di preparare l’ambiente per garantire che le nuove tecnologie, con tutti i nuovi modelli di business da esse derivabili, attecchiscano, cooperino e si sviluppino.
Innovare da solo può non bastare, innovare con criterio fa la differenza. Criterio che implica conoscenza e comprensione di quello che si sta facendo per indirizzare con saggezza le soluzioni verso le scelte più appropriate dettate dalle peculiarità dell’organizzazione.
Architetture a supporto di sistemi e processi produttivi
Con questi presupposti, il gruppo di lavoro del Comitato Scientifico di SPS Italia, nell’ambito della stesura del documento generale Position Paper 2024 / volume 2 “Linee guida per una trasformazione digitale umano-centrica nell’era della IA”, composto da 3 capitoli, ha dedicato il ‘Cap.2’ dal titolo “Architetture a supporto di Sistemi e Processi Produttivi: dalla ISA 95 alle più moderne RAMI 4.0, ISO IoT, WoT e IIRA che offrono una maggiore capacità di rappresentare le nuove esigenze tecnologiche” principalmente alle architetture digitali.
Il lavoro, senza la pretesa di essere esaustivo, presenta una panoramica di opzioni di Architetture di Sistemi e Processi orientate alla migliore applicazione delle nuove tecnologie digitali disponibili, elencandone vantaggi e svantaggi in maniera comparata a seconda dei diversi ambiti applicativi.
Lo standard storico ISA-95
Qui se ne farà una breve disanima senza però dimenticare lo standard storico ISA-95, sviluppato nel 1995 da International Society of Automation per fornire un framework comune per l’integrazione dei sistemi di produzione. Definisce modelli e concetti per facilitare la comunicazione e la gestione delle informazioni tra i livelli aziendali e i sistemi di controllo industriale puntando alla standardizzazione di interfacce dei livelli ‘pianificazione e gestione’ e ‘automazione di processo’ in aziende manifatturiere. ISA-95 ha fornito una base importante per l’automazione industriale e ha generato tanti benefici, ma la continua evoluzione tecnologica spinge a riconsiderare modelli e standard esistenti. Sebbene ISA-95 presenti ancora numerosi punti di validità non è sempre efficace con le nuove tecnologie digitali.
Le principali criticità derivano dai limiti dovuti alla sua struttura statico-gerarchica e sono:
- Complessità e poca flessibilità: può essere complesso in alcune implementazioni per aziende di piccole dimensioni. La struttura gerarchica è troppo rigida per adattarsi alle esigenze di aziende che richiedono processi flessibili. È focalizzata sui processi produttivi e non per seguire la vita del prodotto
- Scarso adattamento a tecnologie emergenti: l’evoluzione rapida delle tecnologie supera la sua capacità di adattamento. Standard più recenti sono più agili per incorporare nuove tecnologie (es. IoT, IA)
- Interfacce standard obsolete: ci sono nuovi e più efficienti approcci per gestire lo scambio di informazioni tra i livelli aziendali e di controllo che includono anche il tracking di prodotto, l’energy management e la circolarità
- Limitazioni nell’integrazione verticale e orizzontale: ISA-95 nasce per l’integrazione verticale tra i livelli di produzione, ma ora è necessario migliorare l’integrazione orizzontale tra sistemi di produzione diversi, tra aziende che collaborano ecc
- Poca agilità d’implementazione: è troppo dettagliato e richiede un impegno significativo per le nuove implementazioni, servono standard più agili a adattarsi ai cambiamenti
- Sfide nella gestione dei dati in tempo reale: ISA-95 presenta limiti in applicazioni che richiedono una gestione in real-time
Gli standard più recenti
Breve descrizione delle caratteristiche principali e filosofia di alcuni standard più recenti.
Reference Architectural Model Industry 4.0 (RAMI 4.0)
Reference Architectural Model Industry 4.0 (RAMI 4.0) è un’architettura pensata per Industry 4.0, sviluppata dall’associazione tedesca di produttori elettrici e elettronici (ZVEI) per dare un modello di riferimento per Industry 4.0. Il punto centrale della proposta RAMI 4.0 è di avere una visione olistica dell’intera catena del valore in ottica di imprese manifatturiere e non solo.
Si prefigge di indicare come affrontare I4.0 in modo sistematico e strutturato. È un modello unificato che comprende tutti i componenti per garantire ai partecipanti di un sistema digitale di condividere dati e informazioni in modo efficiente.
RAMI 4.0 va visto come una mappa tridimensionale (fig.1) le cui direttrici modellano processi, prodotti e servizi nelle loro componenti principali. Una dimensione è il ciclo di vita/flusso di valore, l’altra è la gerarchia e la terza è composta da 6 voci: area di business, funzionale, informativo, comunicazione, integrazione, assets. Il modello si concentra sull’IoT e sui sistemi cyber-fisici nel dominio della produzione industriale.
fig.1
La Filosofia di RAMI 4.0 suddivide i processi complessi in parti minori per renderle più comprensibili. Include fin dalla progettazione la privacy dei dati e la sicurezza a livello IT. Vuole dare una risposta alle problematiche di semantica, identificazione, funzioni, standard di comunicazione, internazionalizzazione per definire la smart-factory.
Il concetto di sovrapposizione di strati è sostituito da una rete di interazioni tra prodotti intelligenti e mondo digitale. Le funzioni sono distribuite a tutti i partecipanti per consentire operazioni più flessibili tra sistemi e macchine. Per connettere gli asset fisici al mondo digitale suggerisce l’uso di appropriati tool amministrativi posizionati sul “sistema” inteso come sensore, macchina, unità o impianto. Poiché ogni “sistema” dispone di un proprio tool di amministrazione, diverse risorse possono essere connesse e formare un’unità con una propria identità e un suo tool per unificare tutti i partecipanti. Crea quindi, una gestione della comunicazione di livello superiore. Il tool permette agli oggetti fisici di essere connessi e interfacciarsi in modo standard alla rete. La connessione permette di condividere dati e informazioni sulla risorsa connessa per provare a fornire agli oggetti fisici un loro gemello digitale interoperabile.
ISO IoT Reference Architecture (ISO IoT RA)
ISO IoT Reference Architecture (ISO IoT RA) definisce: le caratteristiche di sistema, un modello concettuale, un modello di riferimento e le viste dell’architettura per l’IoT. È in sviluppo dal Gruppo di Lavoro 10 del Comitato Tecnico Congiunto 1 di ISO e di IEC e se diventerà uno standard effettivo, sarà un riferimento autorevole per terminologia e concetti IoT.
La filosofia di ISO IoT RA si concentra sulla creazione di un framework universale per facilitare l’interoperabilità, la sicurezza e l’efficacia delle soluzioni IoT. Mira a stabilire linee guida chiare e principi architetturali condivisi che possano essere applicati in vari settori industriali, garantendo che i dispositivi e i sistemi IoT possano comunicare e interagire in modo sicuro e affidabile indipendentemente dal loro ambiente operativo.
Industrial Internet Reference Architecture (IIRA)
Industrial Internet Reference Architecture (IIRA) definisce l’Internet industriale come “un Internet delle cose, delle macchine, dei computer e delle persone, che consente operazioni industriali intelligenti utilizzando l’analisi avanzata dei dati per risultati aziendali trasformativi” e afferma che “incarna la convergenza dell’ecosistema industriale globale, dell’informatica e della produzione avanzate, del rilevamento pervasivo e della connettività di rete onnipresente“. Assume una definizione di IoT simile alla definizione ISO e si concentra sulle applicazioni industriali.
IIRA, pubblicato nel 2015, è una descrizione concisa e completa dell’architettura IoT end-to-end per lo spazio Internet industriale e fornisce una definizione dei componenti costitutivi e delle interfacce, con i requisiti funzionali e tecnologie di implementazione. Il Rapporto Tecnico IIRA si compone di due parti: la prima descrive i diversi punti di vista e i vari domini funzionali necessari per valutare i sistemi Internet industriali, la seconda invece contiene un’analisi dei principali problemi del sistema, compreso il rilascio e la garanzia delle sue caratteristiche chiave. Le principali aree di attenzione sul sistema sono: Safety, Attendibilità del dato, Privacy, Resilienza, Integrabilità, Interoperabilità, Connettività, Gestione dei dati, Analytics, Controllo intelligente e resiliente, Componibilità dinamica e integrazione automatica.
La filosofia di IIRA è incentrata sulla promozione di un approccio sistematico e interdisciplinare allo sviluppo di soluzioni per l’IIoT. Mira a fornire una guida coerente e completa per la progettazione, l’implementazione e la gestione di sistemi IIoT robusti, sicuri e interoperabili per servire una vasta gamma di industrie. Al cuore della filosofia IIRA vi è l’interoperabilità tra sistemi diversi, la sicurezza dei dati e delle comunicazioni e la scalabilità delle soluzioni IIoT.
Web Internet of Things/IoT (WoT/IoT)
Web Internet of Things/IoT (WoT/IoT) spiega le sue attività nel modo seguente (sito W3C Web of Things, 2016): “La IoT soffre di una mancanza di interoperabilità tra le piattaforme. Di conseguenza, gli sviluppatori si trovano ad affrontare silos di dati, costi elevati e un potenziale di mercato limitato. Questo può essere paragonato alla situazione prima di Internet, quando esistevano tecnologie di rete non interoperabili in competizione. Internet semplifica lo sviluppo di applicazioni in rete indipendentemente da tali tecnologie. Il W3C sta cercando di fare lo stesso per la IoT“.
Internet è visto come un modello e non come una componente essenziale (di solito lo è), l’attenzione si concentra su interoperabilità per l’IoT in generale e non su una sua area specifica di applicazione. Quindi un livello di interoperabilità che può essere utilizzato su diverse piattaforme e standard: è analogo alla relazione tra Internet e le tecnologie di rete sottostanti, dove Internet definisce un livello di astrazione gestito da indirizzi IP e pacchetti dati insieme al software API Socket che è indipendente da tali tecnologie e gestito dal sistema operativo e rappresenta un canale di comunicazione tra un processo e una risorsa gestita.
La Filosofia di WoT presenta una visione innovativa per l’integrazione dell’IoT con il World Wide Web, puntando a superare le sfide di interoperabilità e fruibilità dei dispositivi smart. L’idea centrale è di utilizzare i protocolli web standard e le tecnologie esistenti per facilitare la comunicazione tra dispositivi IoT, rendendo l’interazione con questi accessibile e universale come navigare su internet. Mira a creare un ecosistema in cui dispositivi di diversa natura possano condividere dati e funzionalità attraverso un’interfaccia comune, sfruttando il web come piattaforma globale per interconnessioni e interazioni enfatizzando la semantica e promuovendo l’uso di standard aperti per i dati e le interfacce dei dispositivi, in modo che possano essere compresi e utilizzati da applicazioni web, senza la necessità di adattatori o traduttori specifici.
Le 4 architetture descritte hanno il seguente modello di base comune (fig.2) e, nonostante ciò, differiscono tra loro, ma non sono contraddittorie o in disaccordo, semplicemente guardano l’IoT da prospettive diverse.
fig.2
I “punti di vista” delle architetture di riferimento: somiglianze e differenze
La tabella raccoglie i ‘punti di vista delle architetture di riferimento’:
Anche se i punti di vista delle singole architetture sono riportati nella stessa riga, possono avere definizioni diverse, ovvero i punti di vista uguali nelle varie colonne vanno contestualizzati nella loro architettura per capirne il significato.
Evidenziamo alcune somiglianze e differenze tra i punti di vista. Per i dettagli si consiglia di consultare le descrizioni prodotte dagli enti responsabili delle architetture. Notare che, sebbene IIRA non abbia punti di vista specifici su informazione e comunicazione, il suo punto di vista sul sistema copre molti degli aspetti affrontati da tali punti di vista in altre architetture.
Aziendali (business)
Il livello aziendale IIRA affronta le criticità orientate al business: la proposta di valore, il ritorno d’investimento, i costi di manutenzione e la responsabilità sul prodotto.
Il livello aziendale RAMI 4.0 si occupa della realizzazione dei processi aziendali.
Utilizzabilità/uso
RA ISO IoT si concentra sul modo in cui il sistema IoT viene sviluppato, testato, gestito e utilizzato. Identifica tre gruppi di utenti IoT: provider di servizi, sviluppatore di servizi e utente e per ognuno ne descrive utenti, attività e ruoli.
IIRA riguarda il modo in cui un sistema Internet industriale realizza le funzionalità chiave identificate nel punto di vista aziendale e descrive i concetti relativi all’utilizzo: Entità, Sistema, Attività, Ruolo e Attività.
Funzionali
ISO IoT RA e IIRA identificano e descrivono i domini funzionali con approcci simili anche se i domini sono diversi.
RAMI 4.0 Functional Layer e WoT Software Objects hanno approcci simili tra loro e diversi da quelli orientati al dominio di ISO IoT RA e IIRA.
ISO IoT RA ha una vista funzionale neutra per la tecnologia delle funzioni necessarie a formare un sistema IoT.
RAMI 4.0 contiene servizi che supportano i processi aziendali e forniscono l’accesso alle risorse fisiche e ha un concetto di “shell” di amministrazione che dà l’accesso alle risorse (fig.3)
fig.3
I concetti funzionali di WoT contengono gli oggetti software (fig.4)
fig.4
Informativi
Per RA_ISO_IoT la visualizzazione di informazioni ne descrive il flusso interno e tra i domini di un sistema IoT.
Per RAMI 4.0 il livello di informazioni riguarda i dati relativi alle risorse. Questo può risiedere nei manifesti delle shell di amministrazione delle risorse. Il manifesto descrive cos’è l’asset e dove si inserisce nel sistema, includendo interfacce e comunicazione.
Per WoT descrizioni e metadati delle cose costituiscono un concetto base e possono essere descrizioni formali leggibili da una macchina. Da queste descrizioni è possibile generare oggetti software che rappresentano le entità fisiche. Un buon approccio etichetta i dati come appartenenti ad un’ontologia che descrive le relazioni tra i concetti in modo interpretabile dalla macchina: Che cos’è? (es. sensore di temperatura); Quali sono i vincoli di dominio? (Il sensore di temperatura ha unità fisiche nell’insieme {Kelvin, Celsius, Fahrenheit}, altre ontologie ne descrivono posizione e cosa misura)
Di comunicazione
ISO IoT RA descrive le principali reti di comunicazione coinvolte nei sistemi IoT e le entità che connettono (fig.4)
fig.4 – Aspetti relativi alle comunicazioni per ISO IoT RA
ISO IoT RA identifica 4 tipi di rete: prossimità, accesso, servizi, utente che forniscono connessioni a utenti umani, digitali e sistemi esterni.
RAMI 4.0 guarda al modo in cui i componenti comunicano nelle reti fornendo gli standard di comunicazione e utilizzando un formato dati uniforme. OPC UA è, ad esempio, un approccio per l’implementazione di questo livello. Nessuno standard è obbligatorio.
Del componente
Sebbene la vista del sistema ISO IoT RA, il punto di vista dell’implementazione IIRA e il livello di integrazione RAMI 4.0 abbiano nomi diversi, corrispondono tutti a punti di vista che includono componenti di sistema.
RAMI 4.0 Asset mostra i componenti fisici monitorati e su cui agiscono i sistemi IoT.
ISO IoT RA descrive i componenti fisici generici (dispositivi, sottosistemi, reti) in ogni dominio per formare un sistema IoT.
IIRA Implementation rappresenta tecnicamente un Industrial Internet System e tecnologie e componenti necessari per implementarne attività e funzioni.
Specifici di settore
Gran parte di RAMI 4.0 è generico e può essere applicato ad altre aree verticali mentre le dimensioni ‘ciclo di vita’ e ‘gerarchia della matrice’ sono specifiche per l’industria manifatturiera e in questo si differenzia dagli altri.
Sovrapposizioni tra le 4 architetture
In conclusione, le 4 architetture hanno significative sovrapposizioni, ma diverse coperture e diversi punti di enfasi perché guardano alle stesse cose in modi diversi. Gli enti che le producono sono consapevoli del lavoro degli altri e spesso lo usano. Tra loro c’è collaborazione, per esempio i rappresentanti di Platform Industrie 4.0 e di Industrial Internet Consortium hanno concordato una cooperazione che include la futura interoperabilità dei sistemi e l’uso di ambienti di test comuni.
C’è da augurarsi che gli sviluppi futuri mantengano i diversi punti di vista e le differenze di approccio, perché situazioni diverse possono richiedere interventi diversi. La disponibilità di una gamma di architetture di riferimento è comunque importante sebbene talvolta generi un po’ di confusione. È bene avere uno schema comparativo che orienti le scelte ed è sempre consigliabile analizzare le “definizioni” dei singoli elementi poiché le terminologie potrebbero generare fraintendimenti.
