01 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構

我們從不同的角度闡述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構，以便更深入地把握其內(nèi)涵。

1.1 基于系統(tǒng)概念的IIoT架構描述

從工業(yè)系統(tǒng)的角度，文獻[4]給出了比較簡潔的IIoT系統(tǒng)結構，分為三層：物理層、通信層和應用層。

物理層

由廣泛部署的物理設備組成，如傳感器、執(zhí)行器、制造設備、設施實用程序以及其它工業(yè)制造和自動化相關對象。

通信層

由眾多通信網(wǎng)絡的集成，如無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡（WSANs）、5G、M2M、SDN等。在智能工業(yè)應用中，各種網(wǎng)絡技術將必然支持相當數(shù)量的傳感器和執(zhí)行器的互連。

應用層

由各種工業(yè)應用組成，包括智能工廠、智能供應鏈等。這些智能工業(yè)應用利用眾多的傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)實時監(jiān)控、精確控制和有效管理。

上述結構簡單明了，便于理解IIoT的基本概念。

1.2 面向服務的IoT體系架構描述

文獻[2]描述了面向服務（SOA）的IoT體系架構，這種體系架構強調(diào)異構設備之間的可擴展性、可伸縮性、模塊化和使用不同技術的互操作性，便于從技術層面理解IIoT。該結構分為四層：傳感層、網(wǎng)絡層、服務層以及接口層。

傳感層

傳感層是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征，由傳感（例如RFID和智能傳感器等）以及相應的數(shù)據(jù)感知/采集協(xié)議構成。

物聯(lián)網(wǎng)可以看作是一個能夠在全球范圍內(nèi)進行遠程連接和控制的網(wǎng)絡。這種對物體實現(xiàn)遠程連接與控制的基本需求是傳感（感知）。在傳感層，帶有標簽或傳感器的無線智能系統(tǒng)能夠在不同的設備之間自動感知和交換信息。這些技術顯著提高了物聯(lián)網(wǎng)感知和識別物體或環(huán)境的能力。在某些工業(yè)中，需要分配通用唯一標識符（UUID）給每個可能的服務或設備，具有UUID的設備可以很容易地識別和檢索。

網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的作用是實現(xiàn)所有物體的連接，并允許設備與連接的其它設備共享信息。網(wǎng)絡層實際上由多種網(wǎng)絡構成的異構網(wǎng)絡。

網(wǎng)絡層能夠從現(xiàn)有的IT基礎設施（如商業(yè)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、電網(wǎng)、醫(yī)療系統(tǒng)、ICT系統(tǒng)等）獲取信息并聚合信息。在IIoT中，提供服務的設備通常部署在異構網(wǎng)絡中，所有相關的設備都被引入到服務網(wǎng)絡中。此過程可能涉及QoS管理和滿足用戶應用的需求。另一方面，對于動態(tài)變化的網(wǎng)絡來說，自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡是非常重要的。設備需要自動分配角色來部署、管理和調(diào)度，并根據(jù)需要隨時切換到任何其它角色。這些功能使設備能夠合作完成任務。為了設計IIoT的網(wǎng)絡層，設計者需要解決諸如異構網(wǎng)絡的網(wǎng)絡管理技術問題，能源有效性，QoS要求，服務發(fā)現(xiàn)和檢索，數(shù)據(jù)和信號處理，安全性和隱私性，等等。

服務層

服務層依賴于中間件技術，該技術提供了無縫集成物聯(lián)網(wǎng)服務和應用程序的功能。中間件技術為物聯(lián)網(wǎng)提供了一個低成本的平臺，其中的硬件和軟件平臺可以重復使用。服務層主要提供一個由不同組織開發(fā)的中間件的服務規(guī)范。一個良好的服務層將能夠識別通用的應用需求，并提供API和協(xié)議來支持和滿足所需的服務、應用和用戶需求。服務層還處理所有面向服務的問題，包括信息交換和存儲、數(shù)據(jù)管理、搜索引擎和通信。

接口層

在IIoT中，大多數(shù)設備由不同的制造商/供應商制造，因此，它們可能遵循不同的標準/協(xié)議。由于異構性的存在，在信息交換、設備之間的通信以及不同設備之間的協(xié)同事件處理等方面存在著許多交互問題。此外，參與物聯(lián)網(wǎng)的設備不斷增加，使得動態(tài)連接、通信、斷開連接和操作變得更加困難。接口層也有必要簡化事物的管理和互聯(lián)。通用即插即用（UPnP），定義了一個規(guī)范，用于促進提供的各種服務的交互。接口概要文件用于描述應用程序和服務之間的規(guī)范。

1.3基于云的IIoT基礎架構描述

文獻[5]描述了典型的基于云的IIoT基礎架構，由三層組成：設備層，網(wǎng)關層和云服務層。

設備層

設備層包括異構IIoT設備，從功能強大的計算單元到極低功耗的微控制器，不一而足。這些設備通過各種有線和無線網(wǎng)絡連接到網(wǎng)關層。

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設備的資源有限，包括內(nèi)存大小、計算能力和通信帶寬等。此外，這些設備及其所采用的網(wǎng)絡技術具有高度的異構性，給IIoT設備的互連帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于異構性，設備之間的互操作性應當放在首位，以使得異構設備可以在語法和語義上以用戶可接受的形式進行轉換。

網(wǎng)關層

大多數(shù)公司和組織都部署自己的自定義網(wǎng)關來管理本地IIoT網(wǎng)絡，聚合數(shù)據(jù)，并充當通往云的橋梁。這些定制的網(wǎng)關通常是已部署的IIoT基礎設施的組成部分，直接導致“煙囪式”解決方案。這進一步導致了互操作性問題，即一個組織提供的數(shù)據(jù)和服務不能被其他組織的設備共享或使用（由于不同的網(wǎng)絡協(xié)議，數(shù)據(jù)格式等），并且所采用的安全機制通常是專有的。

云服務層

云服務層提供與云相關的功能，例如數(shù)據(jù)庫服務和應用服務，以管理本物聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)。本地物聯(lián)網(wǎng)和云服務層共同構成了最常見的現(xiàn)有基于云的物聯(lián)網(wǎng)基礎設施。

02 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術

2.1 識別和追蹤技術

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及的識別和跟蹤技術包括RFID系統(tǒng)、條形碼和智能傳感器等。一個簡單的RFID系統(tǒng)由一個RFID閱讀器和一個RFID標簽組成。RFID系統(tǒng)具有識別、跟蹤和跟蹤設備的能力，其越來越多地應用于物流、供應鏈管理和醫(yī)療服務監(jiān)控等行業(yè)。RFID系統(tǒng)的還能提供所涉及設備的實時信息，降低人工成本，簡化業(yè)務流程，提高庫存信息的準確性，提高業(yè)務效率?；赗FID的應用仍有很大的發(fā)展空間應用。

為了進一步推動RFID技術的發(fā)展，RFID可以與無線傳感器網(wǎng)絡相結合，更好地實時跟蹤物體。特別是新興的無線智能傳感器技術，如電磁傳感器、生物傳感器、船外傳感器、傳感器標簽、獨立標簽和傳感器設備等，進一步促進了工業(yè)服務的實現(xiàn)。將智能傳感器獲取的數(shù)據(jù)與RFID數(shù)據(jù)集成，可以創(chuàng)建更適用于工業(yè)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)應用。

2.2 通信技術

IIoT涉及到無線傳感器網(wǎng)絡、無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡、無線局域網(wǎng)等多種異構網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡幫助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)交換信息。網(wǎng)關能夠促進網(wǎng)絡上各種設備之間的通信，網(wǎng)關還可以用來處理網(wǎng)絡上通信中涉及的復雜節(jié)點。不同的設備可能有不同的QoS需求，比如性能、能源效率和安全性。許多設備需要電池，因此，降低這些設備的能源消耗是一個首要問題。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中還涉及利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，主要通信協(xié)議和標準如：RFID、NFC、IEEE802.11（WLAN）、IEEE 802.15.4（ZigBee）、IEEE 802.15.1（藍牙）、多跳無線傳感器網(wǎng)絡、機器對機器（M2M）、傳統(tǒng)IP技術如IP、IPv6等。

2.3 網(wǎng)絡技術

無線網(wǎng)絡有很多跨層協(xié)議，如無線傳感器或Ad Hoc網(wǎng)絡（AHNs）。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的設備通常具有不同的通信和計算能力，以及不同的QoS要求，因此，在應用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之前，有的需要進行修改。相比之下，無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點通常對硬件和網(wǎng)絡通信有相同的要求，因此，不需要改變。此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用互聯(lián)網(wǎng)支持信息交換和實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而無線傳感器網(wǎng)絡和AHNs不需要使用互聯(lián)網(wǎng)進行通信。

2.4 服務管理

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務管理是指為滿足用戶或應用需求而進行的優(yōu)質物聯(lián)網(wǎng)服務管理。OSGi平臺是一個很好的例子，它應用了一個動態(tài)SOA（面向服務）架構來支持智能服務的部署。開發(fā)服務網(wǎng)關協(xié)議OSGi （Open Services Gateway Initiative）作為一種有效的服務部署模塊化平臺，被廣泛應用于各種環(huán)境中（如移動應用、插件、應用服務器等）。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，基于OSGi平臺的服務組合可以由Apache Felix iPoJo實現(xiàn)。服務可以分為兩種類型：主要服務和次要服務。在面向服務的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，可以按照以下步驟創(chuàng)建并部署服務：1）開發(fā)服務組合平臺；2）抽象設備的功能和通信能力；3）提供一套共同的服務。服務標識管理包括上下文管理和對象分類。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還可以為網(wǎng)絡中的每一個真實物體建造一面鏡子。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還具有面向服務和上下文感知的體系結構，其中每個虛擬和物理對象都可以彼此通信。

03 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的對比

總體上，IIoT可看作是IoT的一個子集。

（1）服務類型不同

通常的物聯(lián)網(wǎng)仍然以人為中心，“物”是智能電子設備之間的互動、相互聯(lián)系，以增加人類對周圍環(huán)境感知和響應。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)通信可以分為機器對用戶通信和客戶機-服務器交互兩類。

IIoT中的通信是面向機器的，可橫跨各種不同的市場和應用。IIoT場景包括：i）監(jiān)視類應用，例如工廠生產(chǎn)過程的監(jiān)視，和ii）對于自組織系統(tǒng)的創(chuàng)造應用，例如自動化的工業(yè)工廠。

（2）連接設備不同

物聯(lián)網(wǎng)更注重設計新的標準，以一個靈活的、用戶友好的方式將新的設備連接到互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。相比之下，目前的IIoT設計強調(diào)的是集成和連接工廠、機器，從而提供更高效的生產(chǎn)和新服務?；谶@個原因，與物聯(lián)網(wǎng)相比，IIoT可以與其說是一場革命，不如說是一場進化。

（3）網(wǎng)絡要求不同

物聯(lián)網(wǎng)更加靈活，允許臨時和移動網(wǎng)絡結構，具有較低的時序和可靠性要求（除醫(yī)療應用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的網(wǎng)絡結構，節(jié)點固定、中心化網(wǎng)絡管理。IIoT的通信是機器對機器的連接，必須滿足嚴格的實時性和可靠性要求。

（4）數(shù)據(jù)量不同

物聯(lián)網(wǎng)生成的數(shù)據(jù)來自于應用，因此，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量中等或者大量。而IIoT目前更多的是大數(shù)據(jù)分析，例如預測工業(yè)維護，因此，在IIoT中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大。

04 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用

4.1 IIoT應用概述

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要分支，其應用很廣闊，特別是在能源、交通運輸（鐵路和車站、機場、港口）、制造（采礦、石油和天然氣、供應鏈、生產(chǎn)）等應用領域將發(fā)揮重要作用。

在談到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用時，有兩點值得注意：

一是類似物聯(lián)網(wǎng)概念的工業(yè)應用已有較長的歷史。例如，過程控制和自動化系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)（WALN）、可編程邏輯控制器（PLC）、無線傳感器和射頻識別技術標簽（RFID）等。但這些應用主要是基于“自動化”考慮，而且也不與企業(yè)外部連接。

二是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念和技術可以擴展應用到一些“非工業(yè)行業(yè)”，例如健康、安防、交通，等等。

在《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書》（2017版，中國電子技術標準研究院）[5]中，描述了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四個應用項目，包括：基于機床物聯(lián)網(wǎng)的租賃應用、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新保險模式、實現(xiàn)磨輥間軋輥流轉的全程自動控制、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的物流自動化。但該白皮書沒有給出IIoT更全面的應用描述。

4.2 IIoT的應用分類

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的應用可分為過程自動化（PA）應用和工廠自動化（FA）應用[4]。

4.2.1 過程自動化

過程自動化，其特征是一個工業(yè)過程，例如在化工、石油和發(fā)電廠的“自主”過程，在很少甚至沒有人為干預的情況下實現(xiàn)控制和管理。過程自動化系統(tǒng)通常集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，以實現(xiàn)信息收集、交互和過程驅動。

電力系統(tǒng)自動化（PSA）就是過程自動化的一個例子，其目的是通過各種儀表和控制裝置對發(fā)電、配電和用戶系統(tǒng)進行自動控制、監(jiān)測和保護。PSA包含三個關鍵組件：數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控和控制。數(shù)據(jù)采集用于從各種傳感和控制設備收集數(shù)據(jù)，這些設備可以在本地或數(shù)據(jù)中心進行處理；遠程監(jiān)控用于監(jiān)控電力系統(tǒng)的狀態(tài)，提醒操作中心異常情況，防止停電；PSA控制起到操作電力系統(tǒng)的作用，從操作中心控制變電站。

4.2.2 工廠自動化

工廠自動化，即制造過程的自動化，利用機器人系統(tǒng)和裝配線機械來實現(xiàn)，以提高生產(chǎn)能力和效率。例如，機械臂的外觀和驅動力通常與人類相似，并且能夠作為人類操作員執(zhí)行功能，但具有更強的魯棒性、生產(chǎn)力、精度和效率。在相同的目標下，裝配線通常將復雜的任務分解成更小的子任務，并根據(jù)設計的工作流程執(zhí)行分步操作。

4.2.3 IIoT的基本性能特征

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的性能要求與面向消費者的物聯(lián)網(wǎng)顯著不同，特別是在時間、規(guī)模和可靠性方面。這三個基本的性能特征可以用循環(huán)時間（cycle time）、節(jié)點數(shù)和可靠性來描述。

循環(huán)時間：接收控制中心發(fā)出的命令、并將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心所需的時間。循環(huán)時間取決于不同的應用。例如，一般過程自動化的循環(huán)時間約為數(shù)百毫秒。

節(jié)點數(shù)：工作區(qū)中一個控制器覆蓋的節(jié)點數(shù)，它表示了系統(tǒng)的大小。

可靠性：其特征在于信息傳輸?shù)馁|量，可以使用包錯誤率（PER，Packet Error Rate）度量。顯然，IIoT對可靠性的要求很高，例如，對一些工業(yè)環(huán)境，要求PER≤10-9。

4.3 IIoT的行業(yè)應用

除了顯而易見的工廠自動化應用外，本節(jié)簡要介紹工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在幾個行業(yè)中的應用。

4.3.1 智能電網(wǎng)

電網(wǎng)包括三個基本功能：電能的產(chǎn)生（發(fā)電）、傳輸和分配。對于傳統(tǒng)電網(wǎng)，由于許多因素，如消費者的低效電器和缺乏智能技術、低效的電能輸送路由和分配、不可靠的通信和監(jiān)測，尤其是缺乏儲能機制，使得電網(wǎng)存在巨大的能源浪費。此外，電網(wǎng)還面臨其它一些挑戰(zhàn)，包括不斷增長的能源需求、可靠性、安全性、新興的可再生能源和老化的基礎設施問題等等。為解決上述諸多問題，基于信息處理和通信技術的智能電網(wǎng)（Smart Grid）便應運而生，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中將扮演重要的角色。IIoT通過提供智能設備或IoT設備（例如傳感器，執(zhí)行器和智能儀表等）來監(jiān)控、跟蹤、分析和控制，將極大地改善智能電網(wǎng)的效能和安全性等。

4.3.2 交通

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在運輸和物流領域將發(fā)揮越來越重要的作用。隨著越來越多的物體配備條形碼、RFID標簽或傳感器，運輸和物流公司可以實現(xiàn)從產(chǎn)地到整個供應鏈的移動運輸實時監(jiān)控。此外，IIoT有望為交通系統(tǒng)和汽車制造業(yè)的轉型提供有前景的解決方案。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術可以跟蹤交通車輛的當前位置、監(jiān)測其運動并預測其未來位置。其它的應用，例如使用無人駕駛海上交通工具監(jiān)控海底狀況、穿越海洋收集數(shù)據(jù)等等。

4.3.3 礦業(yè)安全生產(chǎn)

由于地下礦山的工作條件，礦山安全問題受到越來越多的重視。為了預防和減少礦山事故的發(fā)生，需要利用IIoT對礦山災害信號進行感知，從而進行災害預測預警，以提高地下生產(chǎn)安全水平。通過在地表和地下使用RFID和無線通信技術，可以追蹤地下礦工的位置，并分析從傳感器收集到的關鍵數(shù)據(jù)來加強安全措施。另外，可以使用化學和生物傳感器對地下礦工進行早期疾病檢測和診斷。這些化學和生物傳感器可以從人體和器官中提取信息生物信息，并檢測有害粉塵、有害氣體和其它會引起事故的環(huán)境危害。

4.3.4 食品供應鏈

由于食品供應鏈FSC具有較大的地理和時間尺度、復雜的運營流程，因此，食品供應鏈具有分散性和復雜性等特點。這種復雜性給食品質量管理、運營效率和公共食品安全帶來了諸多問題。IIoT可以精確跟蹤食品生產(chǎn)、加工、儲存、配送和消費的整個流程。未來的FSC系統(tǒng)將更加安全、高效、可持續(xù)。一個典型的FSC工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案包括三個部分：現(xiàn)場設備，如WSN節(jié)點、RFID閱讀器/標簽、用戶界面終端等；由分布式計算機網(wǎng)絡連接的數(shù)據(jù)庫、服務器、各種軟小型計算機等骨干系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡、衛(wèi)星、電力線通信、以太網(wǎng)等通信基礎設施。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了無處不在的聯(lián)網(wǎng)能力，所有這些元素都可以分布在整個FSC中。此外，IIoT還提供了有效的傳感功能，以跟蹤和監(jiān)測糧食生產(chǎn)過程。

4.3.5 健康服務

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中無處不在的識別、傳感和通信能力，醫(yī)療系統(tǒng)中的所有對象（人、設備、藥物等）都可以被跟蹤并持續(xù)監(jiān)測。通過全球互聯(lián)互通，所有與醫(yī)療保健相關的信息，包括物流、診斷、治療、康復、藥物、管理、財務甚至日?；顒拥?，都可以被有效收集、管理和共享。例如，病人的心率可以由傳感器收集，然后發(fā)送到醫(yī)生的辦公室。使用個人終端及移動互聯(lián)網(wǎng)接入等，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療服務可以更具移動性和個性化。