全面解讀工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是由傳感設備、終端，信息處理中心和用戶(hù)組成網(wǎng)絡(luò )，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必定是物聯(lián)網(wǎng)的不可分割分支，且能率先實(shí)現產(chǎn)業(yè)化。概述了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及其關(guān)鍵技術(shù)、 實(shí)現難點(diǎn)以及關(guān)鍵應用。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和云計算的完美結合，便是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用成功的標志。

1. 物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指把物體用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，在中國，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已從實(shí)驗室階段走向實(shí)際應用，國家智能電網(wǎng)、機場(chǎng)安保、物流等領(lǐng)域已出現物聯(lián)網(wǎng)身影。物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節可以歸納為全面感知、可靠傳送、智能處理。全面感知是指利用射頻識別(RFID)、GPS、攝像頭、傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò )等感知、捕獲、測量的技術(shù)手段，隨時(shí)隨地對物體進(jìn)行信息采集和獲??；可靠傳送是指通過(guò)各種通信網(wǎng)絡(luò )、互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地進(jìn)行可靠的信息交互和共享；智能處理是指對海量的跨部門(mén)、跨行業(yè)、跨地域的數據和信息進(jìn)行分析處理，提升對物理世界、經(jīng)濟社會(huì )各種活動(dòng)的洞察力，實(shí)現智能化的決策和控制。相比互聯(lián)網(wǎng)具有的全球互聯(lián)．瓦通的特征，物聯(lián)網(wǎng)具有局域性和行業(yè)性特征，已被公認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。

而工業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要領(lǐng)域。具有環(huán)境感知能力的各類(lèi)終端、基于泛在技術(shù)的計算模式、移動(dòng)通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節，可大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統工業(yè)提升到智能工業(yè)的新階段。物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的主要應用環(huán)保監測及能源管理、工業(yè)安全生產(chǎn)管理、制造業(yè)供應鏈管理、生產(chǎn)過(guò)程工藝優(yōu)化、中國計算機報制圖等等面。物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)應用領(lǐng)域的應用，構成了“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”，它是廣域的物聯(lián)網(wǎng)的具體化的實(shí)例，也是最容易被世人接受的物聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是交叉學(xué)科的組合，涉及到信息安全、網(wǎng)絡(luò )通信、自動(dòng)化，是跨學(xué)科的，其特征為：嵌入式、互通和實(shí)時(shí)性、經(jīng)濟性和便利性。

2. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

01.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

按照工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )內數據的流向及處理方式將物聯(lián)網(wǎng)分為三個(gè)層次：

工業(yè)用傳感網(wǎng)絡(luò )層：即以二維碼、RFID、傳感器為主，實(shí)現對“物”或環(huán)境狀態(tài)的識別以及感知信號的攝入；

傳輸網(wǎng)絡(luò )層：即通過(guò)現有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或者下一代互聯(lián)網(wǎng)(1Pv6)，實(shí)現數據的傳輸和計算，尤其是現在流行的概念：云計算；

應用網(wǎng)絡(luò )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(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)還處于起步階段，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的真正達到實(shí)用化、大規模應用，必須解決如下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：　　

工業(yè)用傳感器：工業(yè)用傳感器是一種檢測裝置，能夠測量或感知特定物體的狀態(tài)和變化，并轉化為可傳輸、可處理、可存儲的電子信號或其他形式信息。工業(yè)用傳感器是實(shí)現工業(yè)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。在現代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，要用各種傳感器來(lái)監視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質(zhì)量?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有眾多質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的工業(yè)傳感器，就沒(méi)有現代化工業(yè)生產(chǎn)體系，更談不上工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)?！　?/span>

工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)：工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是一種由大量隨機分布的、具有實(shí)時(shí)感知和自組織能力的傳感器節點(diǎn)組成的網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò )，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，具有低耗自組、泛在協(xié)同、異構互連的特點(diǎn)。工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是繼現場(chǎng)總線(xiàn)之后工業(yè)控制系統領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統成本、提高工業(yè)測控系統應用范圍的革命性技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(cháng)點(diǎn)，已經(jīng)引起許多國家學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度鶯視?！　?/span>

工業(yè)過(guò)程建模：沒(méi)有模型就不可能實(shí)施先進(jìn)有效的控制，傳統的集中式、封閉式的仿真系統結構已不能滿(mǎn)足現代工業(yè)發(fā)展的需要。工業(yè)過(guò)程建模是系統設計、分析、仿真和先進(jìn)控制必不可少的基礎?！　?/span>

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的大規模應用還面臨工業(yè)集成服務(wù)代理總線(xiàn)技術(shù)、工業(yè)語(yǔ)義中間件平臺等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

02.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信方式與技術(shù)標準難點(diǎn)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端通信接口技術(shù)與方式

盡管現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在中國工業(yè)控制領(lǐng)域應用十分普及，但由于其通信與交互的兼容性等問(wèn)題，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的終端通信接口不太可能再采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式，只可能采用公有協(xié)議的接口方式，　　

最有可能采用的通信接入方式有：工業(yè)以太網(wǎng)、WlFI、2G、3G等，有些智能終端可能具有上述兩種或兩種以上的接口：　　

工業(yè)以太網(wǎng)終端：具有工業(yè)以太網(wǎng)接口的終端一般應用在數據量傳輸較大、通信環(huán)境條件較好、現場(chǎng)很容易布線(xiàn)并具有連接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)通信環(huán)境。如工廠(chǎng)的固定設備檢測、機臺自動(dòng)化、物流分流自動(dòng)化等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)才會(huì )?！　?/span>

WlFI無(wú)線(xiàn)通信：一般應用在數據量傳輸較大、以太網(wǎng)條件較好，但終端部分布線(xiàn)不容易或不能布線(xiàn)的場(chǎng)合，在終端周?chē)茉OWlFI路由或WIFI網(wǎng)關(guān)等設備實(shí)現。一般應用在無(wú)線(xiàn)城市、智能交通、環(huán)境監測、污水處理等需要大數據無(wú)線(xiàn)傳輸的場(chǎng)合或其他應用中終端周?chē)贿m合布線(xiàn)但需要高數據量傳輸的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合?！　?/span>

2G終端：應用在小數據量移動(dòng)傳輸的場(chǎng)合或小數據量傳輸的野外工作場(chǎng)合，如乍載GPS定位、物流RFID手持終端、水庫水質(zhì)監測、污染環(huán)境監測等。該類(lèi)終端因具有移動(dòng)或野外條件下的聯(lián)網(wǎng)功能，能為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的深層次應用提供了更加廣闊的市場(chǎng)?！　?/span>

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(mǎn)足移動(dòng)圖像監控，下發(fā)視頻等應用場(chǎng)合，如：警車(chē)巡警圖像的同傳、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交通信息的監控等，在一些大數據量的傳感應用，如震動(dòng)量的采集或電力信號實(shí)施監測中也可以用到該類(lèi)終端。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準的難點(diǎn)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端推廣的最大障礙，就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端的標準化：　　

目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中國蓬勃發(fā)展，具有廣闊的市場(chǎng)強勁，據專(zhuān)家估計，未來(lái)3～5年內隨著(zhù)我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和普及，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也會(huì )隨之等到發(fā)展，終將形成一個(gè)萬(wàn)億級規模的大市場(chǎng)?，F今，制約物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大規模推廣的主要原因則是終端的不兼容問(wèn)題，不同廠(chǎng)商的設備和軟件無(wú)法在同一個(gè)平臺_卜使用，設備間的協(xié)議沒(méi)有統一的標準。因此，在物聯(lián)網(wǎng)的普及和終端的大規模推廣前必須解決標準化問(wèn)題，具體表現為以下幾個(gè)方面：　　

硬件接口標準化：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的傳感設備由不同廠(chǎng)商提供，如果每家的接口規則或通訊規則都不同，便會(huì )導致終端接口設計的不同，而終端不可能為每個(gè)廠(chǎng)商都預留接口，所以需要傳感設備廠(chǎng)商和終端廠(chǎng)商一同制定標準的物聯(lián)網(wǎng)傳感器與終端間的接口規范和通訊規范，以滿(mǎn)足不同廠(chǎng)商設備問(wèn)的硬件互通、互連需求?！　?/span>

數據協(xié)議標準化：數據協(xié)議指終端與平臺層的數據流交互協(xié)議，該數據流可以分為業(yè)務(wù)數據流和管理數據流。中國移動(dòng)與愛(ài)立信合作制定的WMMP協(xié)議就是一個(gè)很好的管理協(xié)議，它的推廣和普及必將帶動(dòng)數據協(xié)議的標準化進(jìn)程，方便新研發(fā)終端的網(wǎng)絡(luò )接入及管理。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要國家相關(guān)部門(mén)主導，相關(guān)行業(yè)聯(lián)合制定出類(lèi)似WMMP更完善的通用協(xié)議，以滿(mǎn)足各種應用和不同廠(chǎng)家終端的互聯(lián)問(wèn)題，擴大未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的推廣。如智能電網(wǎng)中統一采用IEC擊1850通信協(xié)議，對加速電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)一智能電網(wǎng)的實(shí)現必將起到了推波助瀾的催化劑的作用。

3. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵應用與未來(lái)

從當前技術(shù)發(fā)展和應用前景來(lái)看，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用主要集中在以下幾個(gè)方面：　

制造業(yè)供應鏈管理：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用于企業(yè)原材料采購、庫存、銷(xiāo)售等領(lǐng)域，通過(guò)完善和優(yōu)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(chē)(Airbus)、豐田汽車(chē)通過(guò)在供應鏈體系中應用傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，構建了全球制造業(yè)中規模最大、效率最高的供應鏈體系?！?/span>

生產(chǎn)過(guò)程工藝優(yōu)化：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用提高了生產(chǎn)線(xiàn)過(guò)程檢測、實(shí)時(shí)參數采集、生產(chǎn)設備監控、材料消耗監測的能力和水平。生產(chǎn)過(guò)程的智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業(yè)應用各種傳感器和通信網(wǎng)絡(luò )，在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現對加工產(chǎn)品的寬度、厚度、溫度的實(shí)時(shí)監控，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化了生產(chǎn)流程。

產(chǎn)品設備監控管理：各種傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合，實(shí)現了對產(chǎn)品設備操作使用記錄、設備故障診斷的遠程監控。

環(huán)保監測及能源管理：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與環(huán)保設備的融合實(shí)現對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理各環(huán)節關(guān)鍵指標的實(shí)時(shí)監控，支持其智能排污監控系統的建立與完善，實(shí)現智能排污自動(dòng)監控裝置、水質(zhì)數據監控裝置、水質(zhì)參數檢測儀等設備的集成應用。在重點(diǎn)排污企業(yè)排污口安裝無(wú)線(xiàn)傳感設備，不儀可以實(shí)時(shí)豁測企業(yè)排污數據，而且可以遠程關(guān)閉排污口，防止突發(fā)性環(huán)境污染事故的發(fā)生。電信運營(yíng)商已開(kāi)始推廣基于物聯(lián)網(wǎng)的污染治理實(shí)時(shí)監測解決方案?！　?/span>

工業(yè)安全生產(chǎn)管理：把感應器嵌入和裝備到礦山設備、油氣管道、礦工設備中，可以感知危險環(huán)境中工作人員、設備機器、周邊環(huán)境等方面的安全狀態(tài)信息，將現有分散、獨立、單一的網(wǎng)絡(luò )監管平臺提升為系統、開(kāi)放、多元的綜合網(wǎng)絡(luò )監管平臺，實(shí)現實(shí)時(shí)感知、準確辨識、快捷響應、有效控制?！　?/span>

石化設備智毹測控：將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應用到石油勘探、開(kāi)采、運輸等環(huán)節，建立油井生產(chǎn)智能遠程測控系統，實(shí)現對石化生產(chǎn)設備的智能測控和管理，促進(jìn)化工企業(yè)的安全生產(chǎn)和科學(xué)管理?！　?/span>

煤礦安全生產(chǎn)管理：重點(diǎn)應用傳感器、無(wú)線(xiàn)射頻識別、移動(dòng)通信等技術(shù)實(shí)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(wǎng)絡(luò )系統，提升煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程的監控和應急響應水平?！　?/span>

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)是最為典型的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用之一，但由于智能電網(wǎng)肩負著(zhù)國家工業(yè)所需能源輸送的重任與國民經(jīng)濟的基礎，考慮到安全性，電力工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可能僅為一張具有物聯(lián)網(wǎng)意義，但局部相對孤立的物聯(lián)網(wǎng)。例如：江西省電網(wǎng)對分布在全省范圍內的2萬(wàn)臺配電變壓器安裝傳感裝置，對運行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，實(shí)現用電檢查、電能質(zhì)量監測、負荷管理、線(xiàn)損管理、需求側管端研發(fā)等各個(gè)方面綜合分析，一年來(lái)降低電損1．2億千瓦時(shí)。 

另外，與未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)相結合將是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的生命力所在。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正在工業(yè)領(lǐng)域廣泛滲透和應用，并與未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)相結合，形成新的智能化的制造體系。這一制造體系仍在不斷發(fā)展和完善之中。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與先進(jìn)制造技術(shù)的結合主要體現在8個(gè)領(lǐng)域?！　?/span>

泛在感知網(wǎng)絡(luò )技術(shù)：建立服務(wù)于智能制造的泛在嘲絡(luò )技術(shù)體系，為制造中的設計、設備、過(guò)程、管理和商務(wù)提供無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。目前，面向未來(lái)智能制造的泛在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展還處于初始階段?！?/span>

泛在制造信息處理技術(shù)：建立以泛在信息處理為基礎的新型制造模式，提升制造行業(yè)的整體實(shí)力和水平。目前，泛在信息制造及泛在信息處理尚處于概念和實(shí)驗階段，各國政府均將此列入國家發(fā)展計劃，大力推動(dòng)實(shí)施?！　?/span>

虛擬現實(shí)技術(shù)：采用真三維顯示與人機自然交互的方式進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)一步提高制造業(yè)的效率。目前，虛擬環(huán)境已經(jīng)在許多重大工程領(lǐng)域得到了廣泛的應用和研究。未來(lái)，虛擬現實(shí)技術(shù)的發(fā)展方向是三維數字產(chǎn)品設計、數字產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程仿真、真三維顯示和裝配維修等?！　?/span>

人機交互技術(shù)：現代傳感技術(shù)、傳感器網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)以及新材料的發(fā)展，提高了人機交互的效率和水平。目前制造業(yè)處在一個(gè)信息有限的時(shí)代，人要服從和服務(wù)于機器。隨著(zhù)人機交互技術(shù)的不斷發(fā)展，我們將逐步進(jìn)入基于泛在感知的信息化制造人機交互時(shí)代?！　?/span>

空間協(xié)同技術(shù)：空間協(xié)同技術(shù)的發(fā)展目標是以泛在網(wǎng)絡(luò )、人機交互、泛在信息處理和制造系統集成為基礎，突破現有制造系統在信息獲取、監控、控制、人機交互和管理方面集成度差、協(xié)同能力弱的局限，提高制造系統的敏捷性、適應性、高效性?！　?/span>

平行管理技術(shù)：未來(lái)的制造系統將由某一個(gè)實(shí)際制造系統和對應的一個(gè)或多個(gè)虛擬的人工制造系統所組成。平行管理技術(shù)就是要實(shí)現制造系統與虛擬系統的有機融合，不斷提升企業(yè)認識和預防非正常狀態(tài)的能力，提高企業(yè)的智能決策和應急管理水平?！　?/span>

電子商務(wù)技術(shù)：目前制造與商務(wù)過(guò)程一體化特征日趨明顯，整體呈現出縱向整合和橫向聯(lián)合兩種趨勢。未來(lái)要建立健全先進(jìn)制造業(yè)中的電子商務(wù)技術(shù)框架，發(fā)展電子商務(wù)以提高制造企業(yè)在動(dòng)態(tài)市場(chǎng)中的決策與適應能力，構建和諧、可持續發(fā)展的先進(jìn)制造業(yè)?！?/span>

系統集成制造技術(shù)：系統集成制造是由智能機器人和專(zhuān)家共同組成的人機共存、協(xié)同合作的工業(yè)制造系統。它集自動(dòng)化、集成化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化于一身，使制造具有修正或重構自身結構和參數的能力，具有自組織和協(xié)調能力，可滿(mǎn)足瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)需求，應對激烈的市場(chǎng)競爭?！?/span>

當前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可在部分需求迫切、技術(shù)成熟、效益明顯、帶動(dòng)性強的工業(yè)領(lǐng)域，圍繞關(guān)鍵環(huán)節開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)的應用試點(diǎn)，必將會(huì )催生和推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在中國智能工業(yè)的發(fā)展。

4. 結論

從目前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展現狀、行業(yè)應用現狀、終端研發(fā)等各個(gè)方面綜合分析，當前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的商業(yè)模式、技術(shù)應用、通信互聯(lián)、數據云端處理、安全等等方面還不成熟。但是，隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)與云計算的結合及其逐步建立的更可靠和嚴謹的虛擬化數據中心(DC)，且通過(guò)對各種能力資源共享，必將會(huì )推動(dòng)我國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，也就能帶動(dòng)我國的工業(yè)向更高等級的水平發(fā)展，提高我國的工業(yè)水平以及國家綜合實(shí)力，實(shí)現中華民族的復興。