一文了解工業物聯網及其關鍵技術

　　 一、工業物聯網概述

　　工業物聯網是將具有感知、監控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動通信、智能分析等技術不斷融入工業生產過程各個環節，從而大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，最終實現將傳統工業提升到智能化的新階段。從應用形式上，工業物聯網的應用具有實時性、自動化、嵌入式(軟件)、安全性和信息互通互聯性等特點。

　　（一）工業互聯網

　　經常見到的另一個相關概念是工業互聯網，該概念最早由通用電氣于2012年提出，隨后美國五家行業龍頭企業聯手組建了工業互聯網聯盟(IIC)，將這一概念大力推廣開來。除了通用電氣這樣的制造業巨頭，加入該聯盟的還有IBM、思科、英特爾和AT&T等IT企業。工業互聯網實際指的是工業互聯的網，而不能理解成工業的互聯網。

　　在企業內部，要實現工業設備（生產設備、物流裝備、能源計量、質量檢驗、車輛等）、信息系統、業務流程、企業的產品與服務、人員之間的互聯，實現企業IT網絡與工控網絡的互聯，實現從車間到決策層的縱向互聯。

　　在企業間，要實現上下游企業（供應商、經銷商、客戶、合作伙伴）之間的橫向互聯。

　　從產品生命周期的維度來看，要實現產品從設計、制造到服役，再到報廢回收再利用整個生命周期的互聯。這實際上與工業4.0(Industry 4.0)提出的三個集成的內涵是相通的。

　　工業互聯網未來更多的是關注設計、研發、制造、營銷和服務等方面，通過充分的融合，來提高整個工業系統和運行效率，工業互聯網最重要的是實現企業信息的數字化。

　　（二）工業物聯網

　　工業物聯網到目前為止還沒有統一的定義，在中國電子技術標準化研究院的《工業物聯網白皮書（2017）》中嘗試定義為：工業物聯網是通過工業資源的網絡互連、數據互通和系統互操作，實現制造原料的靈活配置、制造過程的按需執行、制造工藝的合理優化和制造環境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構建服務驅動型的新工業生態體系。

　　事實上，工業物聯網是網絡技術發展過程中與工業制造相結合的產物，也有文獻定義為“機器、計算機和人員使用業務轉型所取得的先進的數據分析成果來實現智能化的工業操作”。工業物聯網表現出6大典型特征：智能感知、泛在連通、精準控制、數字建模、實時分析、迭代優化。

　　在工業4.0或者“工業互聯網”的大背景下，工業物聯網成為(IIoT)數字化轉型中心舞臺的一部分。數據是相關產品中的關鍵資產和生產資料，且在全球連接的產品(在整個生命周期中)的應用分析中是必不可少的功能。

　　工業物聯網是物聯網中最大的和最重要的組成部分，雖然從支出的角度來看現在消費者應用是物聯網最大的應用領域，而工業物聯網的應用主要是從2018年開始的，盡管如此，工業物聯網在整個物聯網的應用遠景中仍然在變得更加重要和先進。

　　（三）工業互聯網與工業物聯網的關系

　　工業物聯網指的是物聯網在工業中的應用。工業互聯網涵蓋了工業物聯網，但進一步延伸到企業的信息系統、業務流程和人員。

　　工業互聯網的概念實際上與國外提出的萬物互聯（Internetof Everything，將人、流程、數據和事物結合在一起，使得網絡連接變得更加相關、更有價值）理念有相似之處，相當于是工業企業的萬物互聯。

　　其實，工業互聯網、工業物聯網都是在互聯網發展到一定階段，隨著技術進步和產業需求，產生的解決工業領域中相關問題的網絡。工業物聯網是工業互聯網的子集，內涵更注重“物”之間的連接與通信，而工業互聯網不僅包括工業過程中的“物聯”，還包括工業過程中的信息系統、業務流程和人等要素。

　　二、工業物聯網及其典型特征

　　（一）工業互聯網的現實應用場景

　　我國工業互聯網產業聯盟的白皮書中，認為工業互聯網平臺當下主要的應用場景為四個：（1）面向工業現場的生產過程優化；（2）面向企業運營的管理決策優化；（3）面向社會化生產的資源優化配置與協同；（4）面向產品生命周期的管理與服務優化。

　　物聯網數字產業真正顛覆的是農業、城市基礎設施、醫療保健，將持續拓展到以下行業：水務行業解決方案、石油和天然氣行業賦能、運輸智能跟蹤、醫療行業業務模式優化、采礦行業監控工作流程、酒店物聯網服務和產品體驗增值。

　　目前我國的制造業正在推動和轉型，而工業互聯網和工業物聯網都很重要，但實際上還有很長的路要走，在安全性問題、技術基礎、實際需求等方面都要進行探討和優化。

　　（二）工業物聯網關鍵典型技術

　　通過各種類型的傳感器實現物與物、物與人、人與人之間按需的信息獲取、傳遞、儲存、認知、分析和使用。

　　工業物聯網的關鍵技術主要包含全面感知、信息傳遞、智能處理、信息反饋等幾個方面。全面感知是指通過利用現代化的信息收集、采集技術手段，隨時隨地對物體進行信息采集和獲取；信息傳遞是指通過各種通信網絡、互聯網隨時隨地進行可靠的信息交互和共享；智能處理是指對收集到的海量數據和信息進行分析處理，提升對工業生產環境和市場的洞察力，實現智能化的決策和控制；信息反饋是指將處理完的信息，以程序指令的形式傳達給各生產環節，以優化生產結構和完成生產計劃。

　　概括來講，實際上工業物聯網關鍵技術也具有物聯網感、聯、知、控這四點特征。

　　（三）工業物聯網的典型特征

　　《工業物聯網白皮書（2017）》對工業物聯網的典型特征進行了描述，我與大家一起分享一下。

來源于-2017工業物聯網白皮書

　　1.智能感知

　　智能感知是工業物聯網的基礎。面對工業生產、物流、銷售等產業鏈環節產生的海量數據，工業物聯網是利用傳感器、射頻識別等感知手段獲取工業全生命周期內的不同維度的信息數據，具體包括：人員、機器、原料、工藝流程和環境等工業資源狀態信息。

　　感知層面有三個信息來源渠道。

　　（1）傳統系統。傳統信息系統采集的信息往往具有較高的價值，一方面原因是傳統信息系統采集的往往是結構化數據，易于統計和分析，另一方面原因是傳統信息系統采集的數據往往是比較重要的數據，對后續的數據分析有重要的參考價值。傳統信息系統包含的內容比較廣泛，比如常見的ERP系統。對于企業來說，傳統信息系統的建設應該是信息化建設的第一步。

　　（2）Web平臺。信息來源的另一個重要渠道是各種Web平臺，隨著Web應用的普及，尤其是Web2.0的普及應用之后，整個Web系統產生了大量的數據，這些數據也是大數據系統的重要數據來源之一。Web系統的數據具備幾個典型的特點，比如數量大、結構多樣性、真假難辨等等，這就需要通過數據分析來進一步體現其價值了。

　　（3）物聯網系統。與傳統信息系統和Web系統不同，物聯網的數據大部分都是非結構化數據和半結構化數據，要想對其進行分析需要采用特定的處理方式，比較常見的處理方式包括批處理和流處理。批處理比較常見的平臺包括Hadoop和Spark，而流處理通常采用Spark Streaming、Storm等。

　　2.泛在連接

　　泛在連接是工業物聯網的前提。工業資源通過有線或無線的方式彼此連接或互聯網相連，形成便捷、高效的工業物聯網信息通道，實現工業資源數據的互聯互通，拓展了機器與人、機器與環境之間連接的廣度與深度。

　　物聯網信息傳遞依托有線、無線等介質進行數據傳輸。當前移動互聯技術更多被用來實現工業物聯網信息傳輸過程。

　　傳輸介質包括有線、無線兩種類型。在這里，我們不談有線傳輸。就無線類型而言，采用的無線協議有LoRa、NB-IoT、eMTC、WirelessHART、WIA-PA、ISA100等。

　　這些協議分為兩大類。（1）低功耗短距離通信技術，如IEEE 802.15.4，節點間傳輸距離短：小于100m；多跳路由協議：CTP、RPL、LLN；（2）低功耗廣域網（LPWAN），代表性技術NB-IoT、LoRa、eMTC、SigFox等具有前景，但未必可以取代已有的技術。針對室外大范圍部署，LPWAN是一個很好的解決方案。NB-IoT是基于LTE的改進版本，具有技術成熟、可以復用已有基站的好處。LoRa需要部署LoRa基站，但也適用于智慧園區等場景中，而且LoRa技術開放程度更高，更容易二次開發。

　　3.數字建模

　　數字建模是工業物聯網的方法。數字建模將工業資源映射到數字空間中，在虛擬的世界里模擬工業生產流程，借助數字空間強大的信息處理能力，實現對工業生產過程全要素的抽象建模，為工業物聯網實體產業鏈運行提供有效決策。

　　4.實時分析

　　實時分析是工業物聯網的手段。針對所感知的工業資源數據，通過技術分析手段，在數字空間中進行實時處理，獲取工業資源狀態在虛擬空間和現實空間的內在聯系，將抽象的數據進一步直觀化和可視化，完成對外部物理實體的實時響應。

　　5.精準控制

　　精準控制是工業物聯網的目的。通過工業資源的狀態感知、信息互聯、數字建模和實時分析等過程，基于虛擬空間形成的決策，轉換成工業資源實體可以理解的控制命令，進行實際操作，實現工業資源精準的信息交互和無間隙協作。

　　6.迭代優化

　　迭代優化是工業物聯網的效果。工業物聯網體系能夠不斷地自我學習與提升，通過將工業資源數據處理、分析和存儲，形成有效的、可繼承的知識庫、模型庫和資源庫。面向工業資源制造原料、制造過程、制造工藝和制造環境，進行不斷迭代優化，達到最優目標。

　　7.物聯網安全

　　物聯網安全是工業物聯網的保障。事實上，信息系統的安全問題原本就十分突出。讓現狀更加惡化的是物聯網IoT（Internet of Things）的出現。IoT安全問題隨著其使用規模的擴大而凸顯，但本質上沒有發生變化：產品成本與安全性之間的矛盾。很多人認為IoT代表著無限的未來，但是事實上目前接入互聯網的IoT設備幾乎都非常不理想，甚至會引入新的安全問題。這些設備不足夠可靠的操作和安全模型是有可能影響到其他設備的，它們需要管理和檢查。但是在現實使用的過程中，人們往往會疏忽這一點。物聯網的設備也是建立在很多人開發的軟件層之上的，并且這些設備往往十分廉價。低廉的價格使得IoT設備很難保證安全。比如，如果對一個家用網絡攝像頭分析其安全模型，人們很可能會發現它完全不安全，使得監控內容有可能暴露在互聯網上。程序員很難不犯錯誤，軟件幾乎不可能完美無缺，它們將繼續存在漏洞。消費者需要關注這些IoT設備的安全性。但是目前的IoT市場，安全仍然在向廉價妥協。如何解決這個問題仍然困擾著人們。

　　（四）工業物聯網發展階段

　　第一個階段，智能的感知控制。工業物聯網感知控制階段主要實現物聯網泛在化的末端智能感知，由多樣化采集和控制模塊組成，包括各種類型傳感器、RFID以及中短距離的傳感器與無線傳感器網絡等，實現工業物聯網的數據采集和設備控制的智能化。

　　第二個階段，全面的互聯互通。工業物聯網借助各類傳感器、RFID等實現數據采集，通過工業網關、短距離無線通信、低功耗廣域網和OPC UA等互聯互通技術，將信息化共性技術與行業特征有效整合，實現無線通信網絡、工業以太網、移動通信網絡等異構網絡的安全、高效融合，充分發揮網絡基礎設施的應用價值，實現服務模式創新及流程優化。

　　第三個階段，深度的數據應用。利用數據挖掘、數據倉庫、分布式存儲等技術手段，基于云計算平臺技術，進行數據建模、分析和優化，實現多源異構數據的深度開發應用。通過對數據進行集成化收集和處理，不斷對數據進行整理，解決數據提取、集成及數據性能優化問題。從數據倉庫中提取隱藏的預測性信息，挖掘出數據間潛在的關系，快速而準確地找出有價值的信息，有效提高系統的決策支持能力。

　　第四個階段，創新的服務模式。工業物聯網服務模式的創新主要集中在定制服務、增值服務、運維服務、升級服務、培訓服務、咨詢服務和實施服務等方面，廣泛應用于智能工廠、智能交通、工業流程再造、環境監測、遠程維護、設備租賃等物聯網應用示范領域，全方位構建工業物聯網創新的服務模式生態，提升產業價值，優化服務資源。

　　三、工業物聯網應用實例

　　（1）iSESOL工業互聯網平臺

　　iSESOL工業互聯網平臺，是由智能云科信息科技有限公司打造的、工信部工業互聯網產業聯盟首批通過可信服務認證的工業互聯網平臺。以“中國制造2025”戰略與“互聯網+”理念為指導，以制造裝備互聯為基礎，基于“工業互聯+云服務+智能終端”創新模式，打造智能制造新生態，讓制造更簡單。由以下幾個模塊組成。

　　iSESOL BIZ智造在線，通過線上線下產能資源協同，面向機械加工領域企業提供訂單交易與多維度增值服務。通過詢盤報價、商機與交易管理、訂單智能篩選匹配等各項線上服務功能，實現供需雙方的商務接洽、商機評估、智能優選、打樣試制、遠程下單、支付存管、生產追溯等交易全流程服務模式。

　　iSESOL MALL（mall.isesol.com），隸屬于iSESOL工業互聯網平臺，是專業的B2B自營MRO工業品采購平臺，基于裝備互聯形成的工業互聯網大數據助力制造企業工業消耗品在線采購，完善供應鏈配套服務。

　　iSESOL WIS，由智能云科信息科技有限公司研發，是面向中小型企業的工廠數字化制造運營系統。為企業提供生產運行、維護運行、質量運行和庫存運行等通用云化管理模塊。通過使用iSESOL WIS， 制造企業可以獲得制造執行過程透明、有序與優化等能力。

　　iSESOL BOX，由智能云科信息科技有限公司自主研發，是服務于iSESOL工業互聯網的工業平臺級智能硬件，致力于協助中小型制造企業的端網升級、裝備智能化等一系列登云入網應用。

　　iSESOL供應鏈金融業務，是基于iSESOL工業互聯網的大數據增信，通過廣域物聯、信息透明來管理上下游中小企業的物流和資金流，并把單個企業的不可控風險轉為供應鏈企業整體的可控風險，將風險控制在最低的融資服務。

　　iSESOL裝備服務平臺，作為iSESOL工業大數據的核心數據來源之一，為機床設備終端用戶（工廠主）提供設備故障報修和追溯服務，為設備售后服務提供商（企業租戶）提供服務工程師的派工、設備的遠程系統故障診斷等核心服務流程，提升企業整體裝備服務管理水平，降低企業服務和運營成本。

　　iSESOL生產力租賃云服務平臺，通過平臺與租賃各利益方進行設備數字化信息傳遞，實現基于物聯網的智能裝備分享經濟，改變傳統租賃標準，真正做到租賃交易全過程信息透明化、風險可控、實時結算的新型價值分享經濟模式。

　　（2）金融領域創新——基于工業物聯網的新保險模式

　　基于使用的保險（UBI）是物聯網保險的主要商業模式，本項目以樹根互聯技術有限公司的工業物聯網平臺為基礎，實現以下數據服務：數據采集接入、數據存儲、數據管理、數據清洗、數據挖掘分析、數據服務與數據產品。

　　根據工業物聯網平臺的大數據能力，建立保險大數據解決方案，實現對海量數據（互聯網/車聯網）的存儲、快速信息提取（包括對非結構化數據的信息提取）及大數據分析，生成設備的綜合狀態評估，以及設備主及企業的運營狀況及信用風險等模型，為保險業務提供更加精準的服務。

　　這里我們總結一下。工業物聯網實際上是從感知數據出發，把感知數據通過泛在連通，用這些感知到的數據進行數字化建模；數字化建模之后進行實時分析，最后實現精準控制；在精準控制的過程中，要反復地進行迭代優化，最后形成一個完整的工業物聯網系統。整個工業物聯網的周期，從感知到連通，到數字化建模，到實時分析，到精準控制，到迭代優化，再把安全加進來，就形成了工業物聯網的關鍵的閉環環節。以上是我們介紹的工業物聯網的概況、主要技術、典型特征以及實際應用。

　　四、工業物聯網研究

　　物聯網和大數據迅速發展。制造業是國家綜合實力的象征，是全球化競爭中賴以生存的資本和保障。據IDC預測，2019年，IoT行業中，邊緣基礎設施將成為市場主流，多用于單個部門的業務板塊中。2020年，數字孿生、IoT平臺、資產管理和物聯網安全將成為市場主流，其中數字孿生、IoT平臺多應用于多部門協作的業務板塊當中，資產管理和安全將用于全公司戰略層面考慮。2021年前后，5G、物聯網數據分析、物聯網支出管理、區塊鏈、物聯網服務將成為市場主流，其中5G、物聯網支出管理適用于單個部門的業務板塊，物聯網服務、物聯網數據分析適用于多個部門協作的業務板塊，區塊鏈則用于整個公司的戰略層面。

　　在工業物聯網領域，現在平臺現狀如下。2016年，西門子推出Mindsphere平臺。2017年2月，發源于三一重工的樹根互聯在中國工業互聯網峰會上正式發布根云平臺。2017年3月，GE宣布與中國電信達成協議，將實現Predix工業互聯網平臺在中國的落地。2017年4月海爾發布了COSMO PLAT工業互聯網平臺。航天云網受到各界廣泛關注，各類物聯網平臺也十分活躍，如機智云、艾拉網絡等。BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）也在拓展物聯網云服務。中國移動早在2014年就推出開放的物聯網平臺OneNET。PTC的ThingWorx已成為業界廣泛關注的物聯網應用開發平臺。2017年3月，SAP在中國發布了Leonardo物聯網套件。中國工業互聯網的熱潮，由此可見一斑！

　　從研究層面來講，工業物聯網有這些難點。第一，工業物聯網的節點接入，包括智能感知、互連、精準控制等都是由大公司牽頭來做的。所以，不同的公司推出各自的產品，造成接入標準不統一，難以互聯互通。第二，海量資源尋址訪問難度大、監管要求高。對于工業物聯網來說，我們要管理的節點非常多。現在IPv4的地址已經耗盡，為了給更多的節點以標志，我們使用IPv6。如果把工業物聯網中的每一個節點都用IPv6來編制的話，數量是非常大的，監管要求高。第三，能效問題。我們在物聯網智能采集的節點上，往往使用能耗相對比較低，但變量存儲、計算能力也相對比較低，能效要求嚴苛，需要更高的安全需求。這些特點使我們在工業物聯網的研究中，要有一些新的研究領域來解決這些問題。比如說,在智能電網、智能交通、工業自動化、石油化工等領域，每一個領域都會有自己不同的設備和不同的固件。這些設備之間不能互通，各個行業之間不能互通。如果從監管的角度來講，就需要進一步研究怎么來做到統一。

　　我們比較一下現在工業物聯網已經形成的傳統標準有這三個（如下圖）。

　　對三個協議進行比較后，我們從工業物聯網的角度來看，存在這樣幾個問題：一是尋址體系結構效率較低且不利于監管；二是節點訪問如何提高能效和適應性；三是怎樣處理訪問便捷性與安全性的矛盾；四是怎樣解決多種協議標準共存以及互聯互通的問題。

　　針對這四個問題，我們進行了一些研究，解決思路如下。對于尋址訪問，運用海量小文件存儲思想，構建“扁平化”的尋址體系，提高訪問效率與監管便捷性。對于能效，采用多重壽命標準，評價其普適性、可靠性與網絡能耗的多目標優化之間的關系，利用凸優化變換與快速迭代算法來解決能效方面的問題。在安全方面，構建更加嚴格的多級訪問權限控制，引入嚴格的身份認證與加密機制。在多種協議的互通中，引入協議轉換網關，嵌入身份語義的編址與地址分配機制，參與提交CCSA標準協議草案。最后，我們形成一個驗證的工業物聯網系統，擁有“真實節點+路由器+高性能尋址服務器”，通過高精度功率監測統計能耗，通過“安全分析+大規模性能測試”進行驗證。

　　我們從四個方面進行研究：一是工業物聯網統一資源尋址定位技術；二是嵌入身份語義的工業物聯網編址及分配；三是工業物聯網的資源便捷和安全訪問；四是基于工業物聯網的高效資源訪問。

　　研究內容一：工業物聯網統一資源定位技術架構。我們現在借鑒分布式存儲系統的思想，構建扁平化的體系結構，減少尋址過程的跳轉次數，最終實現統一的定位。

　　研究內容二：嵌入身份語義的編址及分配方法。我們通過嵌入身份語義的編址形式，對每一個物聯網節點按照IPv6的地址格式進行編碼；在編碼過程中，兼顧傳統的信息采集節點短地址的特征，加上我們把它接入工業物聯網IPv6的地址形式對外，把身份語義嵌入每一個編碼地址中。在嵌入身份語義的編址和分配方法中，我們遵循這樣的原則：（1）局域網內用16位短地址通信避免帶寬浪費；（2）身份標識分級，可支持資源尋址聚類，有效降低尋址復雜度；（3）具有可壓縮特征，適用于帶寬資源受限的有損網絡和組播業務；（4）地址分配由網關自動完成，人工配置工作量較低。基于這樣的原則，我們把身份語義切入每一個節點的配置地址中，通過每一個節點的地址訪問，就可以識別出這個節點是在什么樣的生產線上，是哪一類傳感器，再進一步我們可以定位到是哪一個工廠。

　　研究內容三：工業物聯網高能效資源訪問方法。工業的無線傳輸有一個重要的不足，那就是每一個節點的能量是有限的。它不像有線節點那樣每個節點都有專門的供電方法。有些節點附近我們不方便連接有線電源，供電往往靠單個節點上自帶的電池，很受電池壽命的影響。所以，基于密度控制的數據傳輸，由于數據收發節點的能量最先耗盡，就會造成這個節點的“死亡”，導致全網生命周期縮短。因此，方法之一就是要盡量避免能量空洞。第二種方法是通過路由算法來提高每一個節點的壽命，適度地通過休眠算法，通過簇頭能量均衡調度，實現了剩余能量的流量分配。所以，基本上我們采用傳統的方法就是以上兩種：一是怎樣避免能量空洞；二是怎么進行節能路由及其調度。但是，不同的應用場景也許對于能量空洞的避免和節能路由的使用是不一樣的，我們在研究過程中引入了一種算法提高它的資源訪問效率，通過一個約束條件，看你是更關心生命周期長還是更關心第一個節點死亡時間短，不同的需求有不同的方法來調整，使得整個高效資源訪問更好地進行。

　　研究內容四：工業物聯網的資源訪問安全。主要研究統一資源細粒度安全訪問方法，為政府、企業、客戶等各類用戶提供定制化的資源分級服務。比如說，用戶使用尋址服務的時候，通過注冊用戶服務器來管理我們的合法用戶。在資源訪問節點這一部分，通過資源服務器管理這些節點，每一個節點的數據實際上要通過我們的安全網關再進入到資源服務器中，在安全網關和資源服務器之間增加安全連接，通過這兩級保障使得服務器中的數據相對來說更加安全。也就是說，用戶使用尋址服務進行資源訪問的時候，第一是采集數據是安全的，第二是在采集安全數據基礎上傳輸鏈路是安全的，第三是訪問的人是經過注冊和認證的是安全的。這樣的話，我們盡力保障訪問安全。

　　最終，我們形成一個多協議融合網關的原型。

　　作者：馬禮

　　北方工業大學信息學院院長