全面解讀工業物聯網及其技術

物聯網是由感測裝置、終端，資訊處理中心和使用者組成網路，而工業物聯網必定是物聯網的不可分割分支，且能率先實現產業化。概述了工業物聯網及其關鍵技術、 實現難點以及關鍵應用。工業物聯網和雲端計算的完美結合，便是工業物聯網應用成功的標誌。

1. 物聯網和工業物聯網

物聯網(Internet of Things)是指把物體用網際網路絡連線起來，在中國，物聯網技術已從實驗室階段走向實際應用，國家智慧電網、機場安保、物流等領域已出現物聯網身影。物聯網的關鍵環節可以歸納為全面感知、可靠傳送、智慧處理。全面感知是指利用射頻識別(RFID)、GPS、攝像頭、感測器、感測器網路等感知、捕獲、測量的技術手段，隨時隨地對物體進行資訊採集和獲取；可靠傳送是指透過各種通訊網路、網際網路隨時隨地進行可靠的資訊互動和共享；智慧處理是指對海量的跨部門、跨行業、跨地域的資料和資訊進行分析處理，提升對物理世界、經濟社會各種活動的洞察力，實現智慧化的決策和控制。相比網際網路具有的全球互聯．瓦通的特徵，物聯網具有局域性和行業性特徵，已被公認為是繼計算機、網際網路與行動通訊網之後的世界資訊產業第三次浪潮。

而工業是物聯網應用的重要領域。具有環境感知能力的各類終端、基於泛在技術的計算模式、行動通訊等不斷融入到工業生產的各個環節，可大幅提高製造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統工業提升到智慧工業的新階段。物聯網在工業領域的主要應用環保監測及能源管理、工業安全生產管理、製造業供應鏈管理、生產過程工藝最佳化、中國計算機報製圖等等面。物聯網在工業應用領域的應用，構成了“工業物聯網”，它是廣域的物聯網的具體化的例項，也是最容易被世人接受的物聯網。工業物聯網的核心理念是交叉學科的組合，涉及到資訊保安、網路通訊、自動化，是跨學科的，其特徵為：嵌入式、互通和實時性、經濟性和便利性。

 

2. 工業物聯網的關鍵技術與難點

01. 工業物聯網的關鍵技術

按照工業物聯網網路內資料的流向及處理方式將物聯網分為三個層次：

工業用感測網路層： 即以二維碼、RFID、感測器為主，實現對“物”或環境狀態的識別以及感知訊號的攝入；

傳輸網路層： 即透過現有的網際網路、廣電網、通訊網或者下一代網際網路(1Pv6)，實現資料的傳輸和計算，尤其是現在流行的概念：雲端計算；

應用網路層： 即輸入輸出控制終端，包括電腦、手機等終端等等。

從整體上來看，物聯網還處於起步階段，而工業物聯網的真正達到實用化、大規模應用，必須解決如下關鍵技術問題：　　

工業用感測器： 工業用感測器是一種檢測裝置，能夠測量或感知特定物體的狀態和變化，並轉化為可傳輸、可處理、可儲存的電子訊號或其他形式資訊。工業用感測器是實現工業自動檢測和自動控制的首要環節。在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種感測器來監視和控制生產過程中的各個引數，使裝置工作在正常狀態或不錯的狀態，並使產品達到最好的質量。可以說，沒有眾多質優價廉的工業感測器，就沒有現代化工業生產體系，更談不上工業物聯網。　　

工業無線網路技術： 工業無線網路是一種由大量隨機分佈的、具有實時感知和自組織能力的感測器節點組成的網狀(Mesh)網路，綜合了感測器技術、嵌入式計算技術、現代網路及無線通訊技術、分散式資訊處理技術等，具有低耗自組、泛在協同、異構互連的特點。工業無線網路技術是繼現場匯流排之後工業控制系統領域的又一熱點技術，是降低工業測控系統成本、提高工業測控系統應用範圍的革命性技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點，已經引起許多國家學術界和工業界的高度鶯視。　　

工業過程建模： 沒有模型就不可能實施先進有效的控制，傳統的集中式、封閉式的模擬系統結構已不能滿足現代工業發展的需要。工業過程建模是系統設計、分析、模擬和先進控制必不可少的基礎。　　

工業物聯網在工業領域的大規模應用還面臨工業整合服務代理匯流排技術、工業語義中介軟體平臺等關鍵技術問題。

 

02. 工業物聯網通訊方式與技術標準難點

工業物聯網終端通訊介面技術與方式

儘管現場匯流排技術在中國工業控制領域應用十分普及，但由於其通訊與互動的相容性等問題，工業物聯網的終端通訊介面不太可能再採用現場匯流排方式，只可能採用公有協議的介面方式，　　

最有可能採用的通訊接入方式有：工業乙太網、WlFI、2G、3G等，有些智慧終端可能具有上述兩種或兩種以上的介面：　　

工業乙太網終端： 具有工業乙太網介面的終端一般應用在資料量傳輸較大、通訊環境條件較好、現場很容易佈線並具有連線工業網際網路的工業通訊環境。如工廠的固定裝置檢測、機臺自動化、物流分流自動化等工業物聯網才會。　　

WlFI無線通訊： 一般應用在資料量傳輸較大、乙太網條件較好，但終端部分佈線不容易或不能佈線的場合，在終端周圍架設WlFI路由或WIFI閘道器等裝置實現。一般應用在無線城市、智慧交通、環境監測、汙水處理等需要大資料無線傳輸的場合或其他應用中終端周圍不適合佈線但需要高資料量傳輸的工業物聯網場合。　　

2G終端： 應用在小資料量移動傳輸的場合或小資料量傳輸的野外工作場合，如乍載GPS定位、物流RFID手持終端、水庫水質監測、汙染環境監測等。該類終端因具有移動或野外條件下的聯網功能，能為工業物聯網的深層次應用提供了更加廣闊的市場。　　

3G終端： 在2G終端基礎上的升級，增加了上下行的通訊速度，以滿足移動影像監控，下發影片等應用場合，如：警車巡警影像的同傳、動態實時交通訊息的監控等，在一些大資料量的感測應用，如震動量的採集或電力訊號實施監測中也可以用到該類終端。

工業物聯網技術標準的難點

工業物聯網終端推廣的最大障礙，就是工業物聯網終端的標準化：　　

目前工業物聯網技術在中國蓬勃發展，具有廣闊的市場強勁，據專家估計，未來3～5年內隨著我國物聯網技術的推廣和普及，工業物聯網也會隨之等到發展，終將形成一個萬億級規模的大市場。現今，制約物聯網技術，尤其是工業物聯網技術大規模推廣的主要原因則是終端的不相容問題，不同廠商的裝置和軟體無法在同一個平臺_卜使用，裝置間的協議沒有統一的標準。因此，在物聯網的普及和終端的大規模推廣前必須解決標準化問題，具體表現為以下幾個方面：　　

硬體介面標準化： 工業物聯網的感測裝置由不同廠商提供，如果每家的介面規則或通訊規則都不同，便會導致終端介面設計的不同，而終端不可能為每個廠商都預留介面，所以需要感測裝置廠商和終端廠商一同制定標準的物聯網感測器與終端間的介面規範和通訊規範，以滿足不同廠商裝置問的硬體互通、互連需求。　　

資料協議標準化： 資料協議指終端與平臺層的資料流互動協議，該資料流可以分為業務資料流和管理資料流。中國移動與愛立信合作制定的WMMP協議就是一個很好的管理協議，它的推廣和普及必將帶動資料協議的標準化程式，方便新研發終端的網路接入及管理。物聯網的發展需要國家相關部門主導，相關行業聯合制定出類似WMMP更完善的通用協議，以滿足各種應用和不同廠家終端的互聯問題，擴大未來物聯網的推廣。如智慧電網中統一採用IEC擊1850通訊協議，對加速電力工業物聯網一智慧電網的實現必將起到了推波助瀾的催化劑的作用。

 

 

3. 工業物聯網的關鍵應用與未來

從當前技術發展和應用前景來看，工業物聯網的應用主要集中在以下幾個方面 ： 　

製造業供應鏈管理： 工業物聯網應用於企業原材料採購、庫存、銷售等領域，透過完善和最佳化供應鏈管理體系，提高了供應鏈效率，降低了成本。例如空中客車(Airbus)、豐田汽車透過在供應鏈體系中應用感測網路技術，構建了全球製造業中規模最大、效率最高的供應鏈體系。　

生產過程工藝最佳化： 工業物聯網技術的應用提高了生產線過程檢測、實時引數採集、生產裝置監控、材料消耗監測的能力和水平。生產過程的智慧監控、智慧控制、智慧診斷、智慧決策、智慧維護水平不斷提高。鋼鐵企業應用各種感測器和通訊網路，在生產過程中實現對加工產品的寬度、厚度、溫度的實時監控，從而提高了產品質量，最佳化了生產流程。

產品裝置監控管理： 各種感測技術與製造技術融合，實現了對產品裝置操作使用記錄、裝置故障診斷的遠端監控。

環保監測及能源管理： 工業物聯網與環保裝置的融合實現對工業生產過程中產生的各種汙染源及汙染治理各環節關鍵指標的實時監控，支援其智慧排汙監控系統的建立與完善，實現智慧排汙自動監控裝置、水質資料監控裝置、水質引數檢測儀等裝置的整合應用。在重點排汙企業排汙口安裝無線感測裝置，不儀可以實時豁測企業排汙資料，而且可以遠端關閉排汙口，防止突發性環境汙染事故的發生。電信運營商已開始推廣基於物聯網的汙染治理實時監測解決方案。　　

工業安全生產管理： 把感應器嵌入和裝備到礦山裝置、油氣管道、礦工裝置中，可以感知危險環境中工作人員、裝置機器、周邊環境等方面的安全狀態資訊，將現有分散、獨立、單一的網路監管平臺提升為系統、開放、多元的綜合網路監管平臺，實現實時感知、準確辨識、快捷響應、有效控制。　　

石化裝置智毹測控： 將工業物聯網技術推廣應用到石油勘探、開採、運輸等環節，建立油井生產智慧遠端測控系統，實現對石化生產裝置的智慧測控和管理，促進化工企業的安全生產和科學管理。　　

煤礦安全生產管理： 重點應用感測器、無線射頻識別、行動通訊等技術實現水、火、頂板、瓦斯等煤礦重大危險源的識別與監測，建設和完善安全監測網路系統，提升煤礦安全生產過程的監控和應急響應水平。　　

智慧電網： 智慧電網是最為典型的工業物聯網的應用之一，但由於智慧電網肩負著國家工業所需能源輸送的重任與國民經濟的基礎，考慮到安全性，電力工業物聯網可能僅為一張具有物聯網意義，但區域性相對孤立的物聯網。例如：江西省電網對分佈在全省範圍內的2萬臺配電變壓器安裝感測裝置，對執行狀態進行實時監測，實現用電檢查、電能質量監測、負荷管理、線損管理、需求側管端研發等各個方面綜合分析，一年來降低電損1．2億千瓦時。 

另外，與未來先進製造技術相結合將是工業物聯網應用的生命力所在。工業物聯網正在工業領域廣泛滲透和應用，並與未來先進製造技術相結合，形成新的智慧化的製造體系。這一製造體系仍在不斷髮展和完善之中。工業物聯網與先進製造技術的結合主要體現在8個領域。　　

泛在感知網路技術 ：建立服務於智慧製造的泛在嘲絡技術體系，為製造中的設計、裝置、過程、管理和商務提供無處不在的網路服務。目前，面向未來智慧製造的泛在網路技術發展還處於初始階段。　

泛在製造資訊處理技術： 建立以泛在資訊處理為基礎的新型製造模式，提升製造行業的整體實力和水平。目前，泛在資訊製造及泛在資訊處理尚處於概念和實驗階段，各國政府均將此列入國家發展計劃，大力推動實施。　　

虛擬現實技術： 採用真三維顯示與人機自然互動的方式進行工業生產，進一步提高製造業的效率。目前，虛擬環境已經在許多重大工程領域得到了廣泛的應用和研究。未來，虛擬現實技術的發展方向是三維數字產品設計、數字產品生產過程模擬、真三維顯示和裝配維修等。　　

人機互動技術： 現代感測技術、感測器網、工業無線網以及新材料的發展，提高了人機互動的效率和水平。目前製造業處在一個資訊有限的時代，人要服從和服務於機器。隨著人機互動技術的不斷髮展，我們將逐步進入基於泛在感知的資訊化製造人機互動時代。　　

空間協同技術： 空間協同技術的發展目標是以泛在網路、人機互動、泛在資訊處理和製造系統整合為基礎，突破現有製造系統在資訊獲取、監控、控制、人機互動和管理方面整合度差、協同能力弱的侷限，提高製造系統的敏捷性、適應性、高效性。　　

平行管理技術： 未來的製造系統將由某一個實際製造系統和對應的一個或多個虛擬的人工製造系統所組成。平行管理技術就是要實現製造系統與虛擬系統的有機融合，不斷提升企業認識和預防非正常狀態的能力，提高企業的智慧決策和應急管理水平。　　

電子商務技術： 目前製造與商務過程一體化特徵日趨明顯，整體呈現出縱向整合和橫向聯合兩種趨勢。未來要建立健全先進製造業中的電子商務技術框架，發展電子商務以提高製造企業在動態市場中的決策與適應能力，構建和諧、可持續發展的先進製造業。　

系統整合製造技術： 系統整合製造是由智慧機器人和專家共同組成的人機共存、協同合作的工業製造系統。它集自動化、整合化、網路化和智慧化於一身，使製造具有修正或重構自身結構和引數的能力，具有自組織和協調能力，可滿足瞬息萬變的市場需求，應對激烈的市場競爭。　

當前，工業物聯網可在部分需求迫切、技術成熟、效益明顯、帶動性強的工業領域，圍繞關鍵環節開展物聯網的應用試點，必將會催生和推進工業物聯網在中國智慧工業的發展。

 

4. 結論

從目前的工業物聯網技術發展現狀、行業應用現狀、終端研發等各個方面綜合分析，當前的工業物聯網的商業模式、技術應用、通訊互聯、資料雲端處理、安全等等方面還不成熟。但是，隨著物聯網與雲端計算的結合及其逐步建立的更可靠和嚴謹的虛擬化資料中心(DC)，且透過對各種能力資源共享，必將會推動我國工業物聯網的發展，也就能帶動我國的工業向更高等級的水平發展，提高我國的工業水平以及國家綜合實力，實現中華民族的復興。