Thách thức về khả năng tương tác (Interoperability) trong IIoT

Khả năng Tương tác (Interoperability) là nền tảng cho sự thành công của IIoT và Nhà máy Thông minh. Bài viết phân tích chi tiết các Thách thức Kỹ thuật Cốt lõi như sự xung đột giữa các giao thức OT (Modbus, Profibus) và IT (MQTT, HTTP), cùng với vấn đề Khóa nhà cung cấp (Vendor Lock-in) và Hệ thống Kế thừa (Legacy Systems). Chúng tôi sẽ đề xuất các giải pháp chiến lược, tập trung vào vai trò của Industrial Gateway và việc áp dụng tiêu chuẩn mở như OPC UA để xây dựng kiến trúc IIoT linh hoạt, đảm bảo Tính Toàn vẹn (Data Integrity) và Cybersecurity OT.

1. Khái niệm và Tầm quan trọng của Interoperability trong IIoT

1.1. Định nghĩa và các cấp độ Tương tác trong bối cảnh Công nghiệp

Khả năng tương tác trong bối cảnh công nghiệp được xác định là khả năng các thành phần vật lý và kỹ thuật số làm việc cùng nhau một cách thống nhất, điều này được đo lường qua ba cấp độ chính: kỹ thuật, ngữ nghĩa và tổ chức.

• Cấp độ Kỹ thuật (Technical): Cấp độ này mô tả khả năng các hệ thống kết nối vật lý và thiết lập kênh truyền thông, điều này bao gồm sự tương thích về phần cứng, giao diện vật lý (ví dụ: RS-485, Ethernet) và các giao thức truyền tải cơ bản.
• Cấp độ Ngữ nghĩa (Semantic): Cấp độ này yêu cầu tất cả các bên tham gia hiểu cùng một ý nghĩa của dữ liệu được trao đổi, điều này cần một Mô hình Dữ liệu Chung và Metadata rõ ràng để đảm bảo rằng “áp suất” được đo bởi thiết bị A được hiểu chính xác bởi hệ thống phân tích B.
• Cấp độ Tổ chức (Organizational): Cấp độ này tập trung vào sự phối hợp của các quy trình kinh doanh và quy tắc quản trị dữ liệu giữa các đơn vị hoặc chuỗi cung ứng, điều này đảm bảo rằng các luồng dữ liệu hỗ trợ các quyết định kinh doanh xuyên suốt tổ chức.

Khả năng Tương tác đầy đủ đòi hỏi sự hài hòa ở cả ba cấp độ, điều này vượt ra ngoài việc chỉ kết nối vật lý các thiết bị.

1.2. Hậu quả khi thiếu Tương tác: Chi phí và Hiệu suất Vận hành (OEE)

Việc thiếu Interoperability dẫn đến việc dữ liệu bị kẹt trong các “silo” hệ thống độc lập, điều này ngăn cản việc tận dụng tối đa giá trị của Phân tích Dữ liệu Lớn để cải thiện quy trình sản xuất.

Tác động	Mô tả Chi tiết	Ảnh hưởng đến IIoT
Chi phí Tích hợp Tăng	Kỹ sư buộc phải viết các bộ chuyển đổi (Adapters) hoặc Driver tùy chỉnh cho mỗi thiết bị, điều này đòi hỏi chi phí nhân lực và thời gian cao.	Làm chậm quá trình Chuyển đổi số và tăng TCO (Total Cost of Ownership).
Giảm OEE	Dữ liệu không được hợp nhất để tạo ra cái nhìn toàn diện, khiến việc tối ưu hóa Hiệu suất Vận hành (OEE) trở nên khó khăn.	Gây lãng phí tài nguyên và cơ hội cải tiến.
Khó khăn trong Mở rộng	Mỗi lần mở rộng hệ thống (thêm máy mới hoặc nhà cung cấp mới) đều tạo ra thách thức tích hợp mới, làm giảm Tính linh hoạt (Agility).	Hạn chế khả năng Scalability của kiến trúc Cloud/Edge.
Rủi ro Data Integrity	Dữ liệu có thể bị lỗi, sai lệch hoặc mất ngữ cảnh trong quá trình chuyển đổi qua nhiều lớp tích hợp thủ công.	Làm suy yếu độ tin cậy của các Mô hình AI/Machine Learning được xây dựng trên dữ liệu đó.

Việc tạo ra các bộ chuyển đổi (Adapters) và cầu nối (Bridges) tùy chỉnh cho từng cặp thiết bị/hệ thống làm tăng chi phí Triển khai đáng kể, điều này buộc các doanh nghiệp phải dành nguồn lực lớn cho việc duy trì các giải pháp tích hợp độc quyền thay vì đổi mới. Dữ liệu bị kẹt trong các “silo” hệ thống ngăn cản việc phân tích Dữ liệu Lớn toàn diện, điều này trực tiếp làm giảm Hiệu suất Vận hành (OEE) vì các quyết định tối ưu hóa không dựa trên cái nhìn toàn cảnh về dây chuyền sản xuất. Hơn nữa, mỗi lần bổ sung thiết bị mới đều yêu cầu tích hợp phức tạp, điều này làm chậm tốc độ Chuyển đổi số và hạn chế nghiêm trọng khả năng mở rộng (Scalability) của kiến trúc IIoT.

2. Thách thức Kỹ thuật Cốt lõi: Xung đột Giao thức và Chuẩn hóa Dữ liệu

2.1. Sự đa dạng và Khác biệt của Giao thức Công nghệ Vận hành (OT)

Sự đa dạng của các giao thức Công nghệ Vận hành (OT) kế thừa đặt ra một Thách thức Kỹ thuật Cốt lõi lớn đối với Interoperability, điều này bởi vì chúng được thiết kế cho các mạng cục bộ, khép kín và có mục đích chuyên biệt.

Nhiều giao thức OT không có các tính năng bảo mật tích hợp, điều này tạo ra lỗ hổng lớn khi các nhà máy cố gắng kết nối chúng với mạng IT mở và Internet. Đặc tính Hoạt động Khác biệt cũng là một rào cản, bởi vì giao thức OT thường yêu cầu tính Deterministic (độ trễ cố định) cho các tác vụ điều khiển quan trọng, điều này hoàn toàn khác biệt với tính chất Best-Effort của mạng IT được thiết kế cho thông lượng (throughput) chứ không phải độ trễ.

2.2. Xung đột giữa Lớp Giao thức Công nghiệp (OT) và Công nghệ Thông tin (IT)

Sự chênh lệch về mục đích giữa các giao thức OT và IT tạo ra một xung đột kiến trúc cơ bản, điều này đòi hỏi một lớp chuyển đổi phức tạp để luân chuyển Dữ liệu Chuỗi thời gian hiệu quả. Giao thức IT (ví dụ: MQTT, HTTP) tập trung vào tính mở, khả năng mở rộng (Scalability) và bảo mật dữ liệu, điều này hoàn toàn trái ngược với giao thức OT tập trung vào điều khiển máy móc theo thời gian thực (Real-time control) và hiệu quả trong môi trường mạng cục bộ.

Rào cản Mạng (Network Segmentation) là một hệ quả trực tiếp của sự xung đột này, bởi vì sự cần thiết phải phân đoạn mạng để bảo vệ hệ thống Cybersecurity OT lại gây khó khăn cho việc truyền Dữ liệu Chuỗi thời gian lên nền tảng đám mây (Cloud) và ngược lại.

2.3. Vấn đề Chuẩn hóa Dữ liệu và Mô hình Ngữ nghĩa (Semantic Data Models)

Việc thiếu Mô hình Dữ liệu Chung là một rào cản Interoperability ở cấp độ ngữ nghĩa, điều này làm cho việc tổng hợp và phân tích dữ liệu từ các nguồn khác nhau trở nên vô cùng phức tạp. Ví dụ, một biến được gọi là “Temp_1” trên PLC của Siemens có thể biểu thị nhiệt độ môi trường (Environmental Temperature), trong khi trên PLC của Rockwell nó lại biểu thị nhiệt độ khuôn (Mold Temperature); không có ngữ cảnh (Semantic) rõ ràng, Mô hình AI/Machine Learning không thể xử lý dữ liệu này một cách đáng tin cậy.

Thách thức Metadata càng làm vấn đề trầm trọng hơn, bởi vì khó khăn trong việc tự động gán Metadata (dữ liệu về dữ liệu) cho các luồng dữ liệu OT khiến phần mềm phân tích không thể hiểu được bối cảnh nguồn gốc của dữ liệu.

Vấn đề Tính Toàn vẹn (Data Integrity) cũng nằm ở đây, bởi vì quá trình chuyển đổi giữa các giao thức và hệ thống có thể làm dữ liệu bị lỗi, sai lệch hoặc mất ngữ cảnh ban đầu. Việc đảm bảo rằng dữ liệu từ cảm biến được mã hóa, truyền đi, và giải mã với ngữ nghĩa không đổi qua tất cả các lớp của kiến trúc IIoT là một yêu cầu kỹ thuật cao. Sự thiếu chuẩn hóa này buộc các nhà phát triển phải tạo ra các lược đồ dữ liệu thủ công, điều này tăng chi phí và làm giảm Tính linh hoạt (Agility) của toàn bộ hệ thống.

3. Thách thức về Hệ thống Kế thừa và Ràng buộc Tổ chức

3.1. Rào cản từ Hệ thống Kế thừa (Legacy Systems) và tuổi thọ thiết bị

Các Hệ thống Kế thừa (Legacy Systems) đóng vai trò là một rào cản vật lý và kinh tế đáng kể đối với Interoperability, điều này bởi vì chúng được triển khai với các công nghệ cũ, độc quyền và có chu kỳ thay thế rất dài. Chu kỳ Thay thế Dài của thiết bị công nghiệp (PLC, máy móc) – thường kéo dài từ 15-20 năm – khiến việc thay thế toàn bộ cơ sở hạ tầng để đạt được Interoperability lý tưởng là không khả thi về mặt kinh tế đối với hầu hết các doanh nghiệp sản xuất. Việc thay thế một máy CNC đắt tiền chỉ vì giao thức của nó đã lỗi thời là một quyết định đầu tư phi thực tế.

Do đó, các công ty thường phải thực hiện Retrofitting (lắp đặt thêm cảm biến và Industrial Gateway vào các thiết bị cũ), điều này mang lại thách thức về chi phí và tính phức tạp. Chi phí Retrofit không chỉ bao gồm phần cứng mà còn bao gồm thời gian ngừng máy để cài đặt và tích hợp, và đôi khi việc lắp đặt can thiệp sâu có thể làm mất hiệu lực bảo hành ban đầu của thiết bị. Thách thức này đòi hỏi các giải pháp IIoT phải được thiết kế để hoạt động song song và không can thiệp vào hoạt động điều khiển cốt lõi của các Hệ thống Kế thừa.

3.2. Vấn đề Khóa nhà cung cấp (Vendor Lock-in) và Hệ sinh thái độc quyền

Hiện tượng Khóa nhà cung cấp (Vendor Lock-in) làm trầm trọng thêm vấn đề Interoperability bằng cách cố tình tạo ra rào cản kỹ thuật để giữ chân khách hàng, điều này hạn chế khả năng lựa chọn công nghệ tốt nhất của người dùng. Các nhà cung cấp lớn thường sử dụng các phần mềm điều khiển và giao diện độc quyền, điều này làm phức tạp hóa việc giao tiếp của thiết bị của họ với các giải pháp phần mềm hoặc thiết bị của đối thủ. Sự khó khăn trong việc trích xuất Dữ liệu Chuỗi thời gian theo thời gian thực từ các hệ thống độc quyền này buộc các công ty phải tiếp tục đầu tư vào cùng một thương hiệu.

Các thiết bị đã mua thường bị giới hạn khả năng cập nhật giao thức hoặc tiêu chuẩn mới, điều này buộc người dùng phải phụ thuộc vào nhà cung cấp ban đầu cho các bản vá lỗi và nâng cấp, kể cả khi có các tiêu chuẩn mở tốt hơn xuất hiện. Tình trạng này không chỉ làm tăng chi phí mà còn làm giảm Tính linh hoạt (Agility) của công ty trong việc thích ứng với các công nghệ IIoT mới nổi. Khóa nhà cung cấp trở thành một rào cản tổ chức khiến các quyết định mua sắm bị chi phối bởi khả năng tương thích hiện có thay vì hiệu quả và đổi mới công nghệ.

3.3. Yêu cầu về Bảo mật (Security) trong môi trường Tương tác

Việc mở rộng khả năng Interoperability đồng nghĩa với việc mở rộng bề mặt tấn công mạng, điều này tạo ra một thách thức phức tạp giữa tính mở và Cybersecurity OT. Việc kết nối mạng OT khép kín, vốn không được thiết kế cho bảo mật, với mạng IT mở rộng bề mặt tấn công mạng đáng kể, điều này đòi hỏi các biện pháp bảo vệ mạnh mẽ. Mối quan tâm về Cybersecurity OT là ưu tiên hàng đầu, bởi vì một sự cố bảo mật trong môi trường sản xuất có thể dẫn đến thiệt hại vật chất, nguy hiểm cho An toàn Lao động và gián đoạn hoạt động sản xuất.

Thách thức lớn nhất là sự đánh đổi giữa Bảo mật và Truyền thông, bởi vì các giải pháp Interoperability thường phải cân bằng giữa tính dễ dàng truyền thông và các lớp bảo mật nghiêm ngặt. Việc áp dụng các giao thức mã hóa mạnh mẽ (ví dụ: TLS/SSL) và cơ chế xác thực người dùng (Authentication) trên các Industrial Gateway có thể thêm độ trễ vào luồng dữ liệu, điều này đôi khi không thể chấp nhận được đối với các quy trình điều khiển thời gian thực có tính Deterministic cao. Do đó, chiến lược bảo mật phải được thiết kế với nguyên tắc Security by Design ngay từ cấp độ cảm biến.

4. Các Giải pháp và Chiến lược Công nghệ để Đạt được Interoperability

4.1. Vai trò Thiết yếu của Industrial Gateway và Edge Computing

Industrial Gateway là thành phần công nghệ then chốt để giải quyết vấn đề Interoperability ở cấp độ kỹ thuật và giao thức, điều này bằng cách hoạt động như một dịch giả trung gian an toàn giữa OT và IT. Industrial Gateway thực hiện chức năng Chuyển đổi Protocol, điều này cho phép các thiết bị OT cũ sử dụng giao thức như Modbus được ánh xạ (map) một cách trơn tru sang các giao thức IT hiện đại như MQTT hoặc OPC UA. Vai trò này cho phép các Hệ thống Kế thừa tiếp tục hoạt động mà vẫn đóng góp Dữ liệu Chuỗi thời gian vào kiến trúc IIoT.

Xử lý tại Edge (Edge Computing) bổ sung sức mạnh cho Gateway bằng cách cho phép xử lý sơ bộ Dữ liệu Chuỗi thời gian ngay tại nhà máy, điều này giảm tải cho mạng trung tâm và tăng tốc độ phản hồi. Các Mô hình ML đơn giản có thể được triển khai trên Gateway để thực hiện các chức năng như lọc dữ liệu, tính toán OEE cục bộ, hoặc phát hiện các điểm bất thường nhỏ, chỉ truyền dữ liệu có giá trị lên Cloud. Hơn nữa, cổng Gateway là điểm kiểm soát Cybersecurity OT quan trọng, thực hiện xác thực và mã hóa trước khi dữ liệu rời khỏi tầng sản xuất, điều này đảm bảo Tính Toàn vẹn (Data Integrity) của dữ liệu khi truyền đi.

4.2. Áp dụng các Tiêu chuẩn Mở và Phổ biến

Việc áp dụng rộng rãi các Tiêu chuẩn Mở và Phổ biến là chiến lược then chốt để giải quyết triệt để vấn đề Interoperability ở cấp độ Ngữ nghĩa và Giao thức, điều này phá vỡ thế độc quyền của các hệ thống cũ. Tiêu chuẩn OPC UA là một trong những giải pháp quan trọng nhất cho vấn đề này, bởi vì nó cung cấp một Mô hình Dữ liệu Thống nhất và nền tảng giao tiếp an toàn, độc lập với nhà cung cấp, giải quyết vấn đề Interoperability ở cả cấp độ kỹ thuật và ngữ nghĩa. OPC UA cho phép các thiết bị và hệ thống giao tiếp mà không cần driver tùy chỉnh, từ đó loại bỏ nhiều rào cản kỹ thuật.

Giao thức MQTT là lựa chọn ưu tiên cho việc truyền Dữ liệu Chuỗi thời gian lên Cloud nhờ vào tính nhẹ, hiệu quả và mô hình Publish/Subscribe, điều này giúp giảm đáng kể lưu lượng mạng. Kết hợp OPC UA (chuẩn hóa dữ liệu tại tầng OT) với MQTT (truyền tải dữ liệu lên IT) tạo ra một kiến trúc mạnh mẽ, linh hoạt và có khả năng mở rộng. Các công ty cũng nên tham gia vào các Nhóm Phát triển Cộng đồng Mở như Industrial Internet Consortium (IIC) để thúc đẩy các khuôn khổ và tiêu chuẩn IIoT mở, điều này giúp tạo ra một hệ sinh thái ít bị Khóa nhà cung cấp hơn.

4.3. Kiến trúc Microservices và Dịch vụ Dựa trên API

Việc áp dụng Kiến trúc Microservices trong phát triển phần mềm IIoT là một chiến lược tổ chức nhằm tách biệt các chức năng phức tạp, điều này giúp cải thiện Interoperability ở cấp độ ứng dụng. Thay vì một ứng dụng SCADA/MES nguyên khối (Monolithic), Microservices cho phép các ứng dụng giao tiếp với nhau thông qua các API được định nghĩa rõ ràng, độc lập với hệ thống nguồn dữ liệu. Điều này có nghĩa là dịch vụ Quản lý Chất lượng có thể lấy dữ liệu từ dịch vụ Xử lý Dữ liệu Cảm biến thông qua API chuẩn hóa, ngay cả khi dữ liệu đó đến từ các giao thức OT khác nhau.

Việc xây dựng một Lớp Trừu tượng Dữ liệu (Data Abstraction Layer) trở nên cần thiết trong kiến trúc này, điều này giúp ẩn đi sự phức tạp và khác biệt của các hệ thống OT cơ bản, chỉ cung cấp dữ liệu đã được chuẩn hóa cho các ứng dụng cấp cao. Lớp này đảm bảo rằng các nhà khoa học dữ liệu và kỹ sư AI/Machine Learning luôn làm việc với dữ liệu có Tính Toàn vẹn (Data Integrity) cao và có ngữ cảnh (Semantic) rõ ràng. Sự linh hoạt của API cho phép các doanh nghiệp nhanh chóng tích hợp các dịch vụ mới, chẳng hạn như dịch vụ Bảo trì Dự đoán của bên thứ ba, mà không làm gián đoạn toàn bộ hệ thống.

5. Kết luận

Interoperability là yếu tố không thể thiếu để các doanh nghiệp khai thác trọn vẹn giá trị của IIoT, điều này bởi vì nó quyết định khả năng chuyển đổi dữ liệu thành hành động và tối ưu hóa OEE. Việc đạt được khả năng tương tác thành công đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa các giải pháp công nghệ như Industrial Gateway và các tiêu chuẩn mở như OPC UA, cùng với chiến lược tổ chức nhằm tránh sự phụ thuộc vào Khóa nhà cung cấp. Hơn nữa, ưu tiên các giải pháp giải quyết vấn đề Ngữ nghĩa (Semantic) là then chốt, bởi vì việc hiểu được bối cảnh của Dữ liệu Chuỗi thời gian quan trọng hơn nhiều so với tốc độ truyền tải đơn thuần.