工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究概述

引言

物聯(lián)網(wǎng)(InternetOfThings,IOT)是麻省理工學(xué)院Ashton教授在1999年最先提出來的；2005年，ITU發(fā)表了物聯(lián)網(wǎng)白皮書，首次在世界范圍內(nèi)提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念；2009年，美國將物聯(lián)網(wǎng)作為振興經(jīng)濟(jì)發(fā)展的兩大重點(diǎn)之一，為此,物聯(lián)網(wǎng)正式成為了繼互聯(lián)網(wǎng)后的下一個(gè)新型的產(chǎn)業(yè)革命。

自2009年溫家寶總理在無錫提出了“感知中國”的概念后，物聯(lián)網(wǎng)在我國進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的階段，2012年工信部發(fā)布了《“十二五”物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃》,自此物聯(lián)網(wǎng)成為了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一個(gè)新動力。我國作為一個(gè)工業(yè)大國，每年的工業(yè)生產(chǎn)總值占全國GDP總額的近一半，近年來，新型工業(yè)化的快速發(fā)展要求工業(yè)的智能化程度越來越高，因此物聯(lián)網(wǎng)給智能工業(yè)的發(fā)展提供了可行、便捷的服務(wù)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過將具有感知能力的智能終端、無處不在的移動計(jì)算模式、泛在的移動網(wǎng)絡(luò)通信方式應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高制造效率，把握產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本,減少污染，從而實(shí)現(xiàn)智能工業(yè)。當(dāng)前，業(yè)界對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)眾說紛紜，但是綜合來講，主要分為感知層、傳輸層以及應(yīng)用層，而北京郵電大學(xué)的馬華東教授將傳輸層進(jìn)一步分為了數(shù)據(jù)交換層和信息整合層田。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性對于智能工業(yè)的實(shí)現(xiàn)占有重要的作用，因此本文將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)整合層以及應(yīng)用服務(wù)層，具體如圖1所示。

圖1描述了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)以及在各個(gè)分層中主要的應(yīng)用技術(shù)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的差別在于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通常是在短程通信環(huán)境中進(jìn)行的，并且要求傳輸?shù)母呖煽啃砸约皩?shí)時(shí)性叫因此，常用的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要滿足以下幾點(diǎn)要求：其一是精確的時(shí)間同步要求；其二是通信的準(zhǔn)確性；其三是工業(yè)環(huán)境的高適應(yīng)性。

精確的時(shí)間同步要求是指在數(shù)據(jù)采集以及傳輸過程中必須保證時(shí)鐘的同步性。物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò),而傳感器自身的特點(diǎn)導(dǎo)致在采集與傳輸過程中造成時(shí)鐘的不

一致性，這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)中所面臨的關(guān)鍵問題之一。

圖1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

通信的準(zhǔn)確性是指在工業(yè)環(huán)境中，由于環(huán)境的特殊性,無線網(wǎng)絡(luò)在通信過程中常常會造成數(shù)據(jù)包的丟失，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要保證通信的高可靠性，從而避免在工業(yè)生產(chǎn)過程中可能造成的災(zāi)難性危害，因此無線網(wǎng)絡(luò)的可靠通信是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

工業(yè)環(huán)境的高適應(yīng)性是指在傳統(tǒng)的工業(yè)環(huán)境中，比如煤炭、冶金、石油等行業(yè)中，強(qiáng)腐蝕性、高溫等環(huán)境要求采集設(shè)備的特殊性，因此高性能傳感設(shè)備以及適應(yīng)性強(qiáng)的通信標(biāo)準(zhǔn)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

1工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)是感知技術(shù)，圖2所示是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)示意圖。

圖2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，國際上對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究主要有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn),即WirelessHart、ISAlOO.lla以及WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究也十分活躍，中科院沈陽自動化研究所牽頭制定了WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，使得我國在工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域里占據(jù)了一席地位，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)，北京科技大學(xué)［1］等都在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的領(lǐng)域中做出了大量的研究成果。

傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過程中起到了樞紐的作用。工業(yè)環(huán)境的特殊性，致使傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用必須考慮大型器械、金屬管道等對無線信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達(dá)、器械等運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生電磁噪聲對無線通信的干擾，如何保證傳輸?shù)目煽啃允莻鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重點(diǎn)。

中科院沈陽自動化研究所牽頭指定的WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種自組織、自治愈的MESH路由機(jī)制。所謂MESH路由機(jī)制，就是指通過自組織的方式將Sensor節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)相連接，該路由機(jī)制保證了鏈路在失效的情況下自動啟用備用鏈路，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃院蛷?qiáng)穩(wěn)定性，它兼容了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了短程的可靠通信。當(dāng)前，WIA-PA已應(yīng)用在石油開采、污水處理、冶金生產(chǎn)等行業(yè)。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)過程參數(shù)對于最終產(chǎn)品的形成起非常重要的作用，某一個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)變動可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品性能的改變，尤其在鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)過程中，整個(gè)工藝流程需要采集大量的參數(shù)數(shù)據(jù)，如何保證過程參數(shù)的準(zhǔn)確性是傳感器網(wǎng)絡(luò)在冶金工業(yè)應(yīng)用中最需要考慮的。圖3所示是在工業(yè)生產(chǎn)過程中一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)某時(shí)刻的檢測結(jié)果，圖中，在顯示某時(shí)刻所獲得參數(shù)超過了閾值時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)生產(chǎn)過程中的需求來選擇傳感器重傳或者放棄該數(shù)據(jù)等不同操作。

工業(yè)環(huán)境的特殊性要求感知設(shè)備在其性能、體積、材質(zhì)等方面達(dá)到一定的指標(biāo)，當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)RFID以及各類傳感器的廠商成千上萬。成熟的MEMS、SOC以及新材料等技術(shù)使得傳感器滿足了多數(shù)行業(yè)的需求，而當(dāng)前工業(yè)所面臨的主要是成本控制以及性能高端傳感器的大量需求。RFID作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的主角，其低廉的價(jià)格以及使用的便捷性得到了企業(yè)的廣泛應(yīng)用，當(dāng)前多數(shù)企業(yè)在庫存管理方面采用了RFID，管理員定期定時(shí)掃描庫存設(shè)備，摒棄了以前逐個(gè)檢查的方式，從而大大提高了工作效率。

設(shè)備是工業(yè)生產(chǎn)的基石，如何保證設(shè)備正常運(yùn)行以及及時(shí)維修是企業(yè)保證生產(chǎn)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。例如，太原鋼鐵有限公司采用上海某公司研發(fā)的點(diǎn)檢系統(tǒng)，在各個(gè)需要點(diǎn)檢的設(shè)備部位安裝RFID，并且將該設(shè)備信息錄入到點(diǎn)檢系統(tǒng)中，點(diǎn)檢員定期通過手持PDA設(shè)備獲取設(shè)備某部位的溫度、側(cè)移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而為生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。當(dāng)前在冶金、石油、煤礦等高污染行業(yè)中均引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為環(huán)保監(jiān)測手段，以保證企業(yè)的和諧綠色發(fā)展。

環(huán)保作為21世紀(jì)最受關(guān)注的民生產(chǎn)業(yè)之一，環(huán)保監(jiān)測和能源管理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理的各個(gè)環(huán)節(jié)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通常在各個(gè)重點(diǎn)排污企業(yè)的污染源口安裝無線傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測排污數(shù)據(jù)，并且通過遠(yuǎn)程控制的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉排污口等功能，從而防止突發(fā)性的環(huán)境污染事件。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求大量的傳感設(shè)備，抗腐蝕性、高強(qiáng)度、耐高溫等特性的專用傳感器的發(fā)展將成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)推進(jìn)器。

兩化融合是世界工業(yè)化發(fā)展的一個(gè)趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給工業(yè)化帶動信息化、信息化促進(jìn)工業(yè)化提供了一個(gè)新的突破口。當(dāng)前，先進(jìn)制造企業(yè)基本上實(shí)行了信息化管理，如多數(shù)企業(yè)采用的基于ERP的現(xiàn)代企業(yè)管理制度，基本上實(shí)現(xiàn)了信息共享、實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)經(jīng)營情況等功能。如圖4所示為某企業(yè)基于ERP的現(xiàn)代企業(yè)管理平臺結(jié)構(gòu)圖。

ERP作為當(dāng)前企業(yè)應(yīng)用最為成熟的現(xiàn)代化企業(yè)管理解決方案，及時(shí)、高效地獲取生產(chǎn)經(jīng)營情況是企業(yè)管理決策人員所希望的，而現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展、電子商務(wù)平臺的運(yùn)用以及SCM和CRM等成熟解決方案的應(yīng)用，使得制造業(yè)從傳統(tǒng)的制造方式到真正實(shí)現(xiàn)了智造。

物聯(lián)網(wǎng)的提出給兩化融合的進(jìn)一步解決提供了一個(gè)新的突破口，新型制造業(yè)的發(fā)展是基于自動化技術(shù)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)自動化技術(shù)中被動的信息收集方式，實(shí)現(xiàn)了自動、準(zhǔn)確、及時(shí)地收集生產(chǎn)過程的生產(chǎn)參數(shù)。傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)采用M2M(MachinetoMachine)的通信模式，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器與機(jī)器間的通信，而物聯(lián)網(wǎng)通過ThingstoThings的通信方式實(shí)現(xiàn)人、機(jī)器和系統(tǒng)三者之間的智能化、交互式無縫連接，從而使得企業(yè)與客戶、市場的聯(lián)系更為緊密，企業(yè)可以感知到市場的瞬息萬變。例如在鋼鐵行業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)的存在，使得管理決策人員能夠?qū)崟r(shí)地掌握價(jià)格的漲幅變化以及原材料的變化，從而對生產(chǎn)做出準(zhǔn)確、合理的調(diào)節(jié)；基于ERP的管理理念使得管理理念得到了改變，從而提高了管理效率。

2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要解決的問題

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)跨學(xué)科的工程，它涉及自動化、通信、計(jì)算機(jī)以及管理科學(xué)等領(lǐng)域。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用還面臨著

眾多的問題，圖5所示為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所涉及的技術(shù)領(lǐng)域問題。

2.1設(shè)備兼容問題

如何解決物聯(lián)網(wǎng)中所用的傳感器能夠與原有設(shè)備已應(yīng)用的傳感器相兼容是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推廣所面臨的問題之一。設(shè)備兼容關(guān)鍵是標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，當(dāng)前工業(yè)無線的三大標(biāo)準(zhǔn)HART、ISA以及WIA-PA均兼容了IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但是相互之間的兼容性還存在一定問題。

2.2數(shù)據(jù)采集技術(shù)

價(jià)格低廉、性能良好的傳感器是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基石,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求更準(zhǔn)確的、更智能的、更高效的以及兼容性更強(qiáng)的傳感器技術(shù)。智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)新的方向，學(xué)術(shù)界涌現(xiàn)出一大批先進(jìn)智能采集系統(tǒng)，根據(jù)不同的思想設(shè)計(jì)了基于PC的人機(jī)交互的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，但是在不同行業(yè)的應(yīng)用中會存在不同的問題亟需解決。

2.3智能信息處理

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要求的實(shí)時(shí)性來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，當(dāng)前業(yè)界大數(shù)據(jù)處理技術(shù)有很多,如SAP的BW系統(tǒng)在一定程度上解決了大數(shù)據(jù)給企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營帶來的問題，但是伴隨著越來越大數(shù)據(jù)量的產(chǎn)生勢必會在

數(shù)據(jù)處理方面帶來困難，而企業(yè)的管理者需要實(shí)時(shí)掌握企業(yè)的運(yùn)營情況，所以如何處理越來越大的數(shù)據(jù)量是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)瓶頸間。

2.4工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全問題

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全主要涉及數(shù)據(jù)采集安全、網(wǎng)絡(luò)傳輸安全等過程[5]，信息安全對于企業(yè)運(yùn)營起到關(guān)鍵作用，例如在冶金、煤炭、石油等行業(yè)采集數(shù)據(jù)需要長時(shí)間的連續(xù)運(yùn)行，如何保證在數(shù)據(jù)采集以及傳輸過程中信息的準(zhǔn)確無誤是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的前提。

3結(jié)語

中國作為世界上最大的制造業(yè)國家，新型工業(yè)化的發(fā)展上升到了國家層面，而每年的工業(yè)生產(chǎn)總值占到了全國GDP總值的將近一半，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出給工業(yè)化的進(jìn)程提供了新術(shù)，并分析了當(dāng)前國內(nèi)外工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，最后歸結(jié)了當(dāng)前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)亟需解決的幾點(diǎn)關(guān)鍵問題。

限公司采用上海某公司研發(fā)的點(diǎn)檢系統(tǒng)，在各個(gè)需要點(diǎn)檢的設(shè)備部位安裝RFID，并且將該設(shè)備信息錄入到點(diǎn)檢系統(tǒng)中，點(diǎn)檢員定期通過手持PDA設(shè)備獲取設(shè)備某部位的溫度、側(cè)移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，從而為生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)行提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。當(dāng)前在冶金、石油、煤礦等高污染行業(yè)中均引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為環(huán)保監(jiān)測手段，以保證企業(yè)的和諧綠色發(fā)展。

環(huán)保作為21世紀(jì)最受關(guān)注的民生產(chǎn)業(yè)之一，環(huán)保監(jiān)測和能源管理物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種污染源及污染治理的各個(gè)環(huán)節(jié)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。通常在各個(gè)重點(diǎn)排污企業(yè)的污染源口安裝無線傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測排污數(shù)據(jù)，并且通過遠(yuǎn)程控制的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟、關(guān)閉排污口等功能，從而防止突發(fā)性的環(huán)境污染事件。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求大量的傳感設(shè)備，抗腐蝕性、高強(qiáng)度、耐高溫等特性的專用傳感器的發(fā)展將成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)推進(jìn)器。

兩化融合是世界工業(yè)化發(fā)展的一個(gè)趨勢，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給工業(yè)化帶動信息化、信息化促進(jìn)工業(yè)化提供了一個(gè)新的突破口。當(dāng)前，先進(jìn)制造企業(yè)基本上實(shí)行了信息化管理，如多數(shù)企業(yè)采用的基于ERP的現(xiàn)代企業(yè)管理制度，基本上實(shí)現(xiàn)了信息共享、實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)經(jīng)營情況等功能。如圖4所示為某企業(yè)基于ERP的現(xiàn)代企業(yè)管理平臺結(jié)構(gòu)圖。

ERP作為當(dāng)前企業(yè)應(yīng)用最為成熟的現(xiàn)代化企業(yè)管理解決方案，及時(shí)、高效地獲取生產(chǎn)經(jīng)營情況是企業(yè)管理決策人員所希望的，而現(xiàn)代物流業(yè)發(fā)展、電子商務(wù)平臺的運(yùn)用以及SCM和CRM等成熟解決方案的應(yīng)用，使得制造業(yè)從傳統(tǒng)的制造方式到真正實(shí)現(xiàn)了智造。

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