物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別 基于系統(tǒng)概念的IIoT架構(gòu)描述

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在改變?nèi)藗兣c周圍事物互動(dòng)的方式。它不僅對(duì)消費(fèi)者應(yīng)用有吸引力，而且對(duì)工業(yè)領(lǐng)域也有吸引力，這就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT（Industrial IoT）。

IIoT連接所有工業(yè)資產(chǎn)，包括機(jī)器、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程。因此，大量的數(shù)據(jù)被收集以提供分析解決方案，以實(shí)現(xiàn)最佳的工業(yè)運(yùn)營(yíng)。IIoT影響著整個(gè)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈，是智能制造的必然要求。

“物聯(lián)網(wǎng)”是“互聯(lián)網(wǎng)”的擴(kuò)展，從概念上，物聯(lián)網(wǎng)離不開互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，前者以“感知”為核心，后者以“鏈接”為核心。事實(shí)上，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)正在從單純的“人上網(wǎng)”發(fā)展成為包含人和物的互聯(lián)。有理由相信，“物聯(lián)網(wǎng)”與“互聯(lián)網(wǎng)”的界限會(huì)越來(lái)越模糊。

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”可以看作是“互聯(lián)網(wǎng)”的子集。它是企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、營(yíng)銷與服務(wù)的“工業(yè)互聯(lián)”。而“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”又可看作是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的子集，感知（或傳感）是其基本特征。事實(shí)上，通俗地講（雖然不準(zhǔn)確但便于理解），工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重在“工業(yè)管理”，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則是“工業(yè)管理”中的“工業(yè)操作”。

不過(guò)，在有些場(chǎng)合，人們并沒有太注重區(qū)分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

1、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）可實(shí)現(xiàn)物物相連、物人相連、人與人之間任何時(shí)間、地點(diǎn)的有效連接。物聯(lián)網(wǎng)使得傳感器和設(shè)備可以在智能環(huán)境中無(wú)縫通信，并以方便的方式實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的信息共享。

在過(guò)去幾年中，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為一種新趨勢(shì)，移動(dòng)設(shè)備，交通設(shè)施，公共設(shè)施和家用電器都可以用作物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。日常生活中的電子設(shè)備（如：手表）以及家用電器（如冰箱）都可以連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器設(shè)備感知并傳送數(shù)據(jù)，設(shè)備和物體可以通過(guò)各種通信方式連接，例如，如藍(lán)牙、WiFi、ZigBee和GSM，上述設(shè)備接收遠(yuǎn)程控制設(shè)備的命令，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)與物理世界的集成，以提高了人們的生活水平。

1.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）涵蓋了機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M）和自動(dòng)化應(yīng)用的工業(yè)通信技術(shù)領(lǐng)域。IIoT讓人們更好地理解了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)高效和可持續(xù)的生產(chǎn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)旨在實(shí)現(xiàn)海量工業(yè)實(shí)體的智能化協(xié)作，改變工業(yè)生產(chǎn)形態(tài)的未來(lái)工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，需要運(yùn)用新一代技術(shù)理念，對(duì)不同種類工業(yè)實(shí)體乃至整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和管控，對(duì)工業(yè)和社會(huì)資源進(jìn)行高效整合，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)體的智能化發(fā)展[1]。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別與聯(lián)系

總體上，IIoT可看作是IoT的一個(gè)子集。

（1）服務(wù)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(shè)備之間的互動(dòng)、相互聯(lián)系，以增加人類對(duì)周圍環(huán)境感知和響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)通信可以分為機(jī)器對(duì)用戶通信和客戶機(jī)-服務(wù)器交互兩類。

IIoT中的通信是面向機(jī)器的，可橫跨各種不同的市場(chǎng)和應(yīng)用。IIoT場(chǎng)景包括：i）監(jiān)視類應(yīng)用，例如工廠生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視，和ii）對(duì)于自組織系統(tǒng)的創(chuàng)造應(yīng)用，例如自動(dòng)化的工業(yè)工廠。

（2）連接設(shè)備不同

物聯(lián)網(wǎng)更注重設(shè)計(jì)新的標(biāo)準(zhǔn)，以一個(gè)靈活的、用戶友好的方式將新的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。相比之下，目前的IIoT設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的是集成和連接工廠、機(jī)器，從而提供更高效的生產(chǎn)和新服務(wù)。基于這個(gè)原因，與物聯(lián)網(wǎng)相比，IIoT可以與其說(shuō)是一場(chǎng)革命，不如說(shuō)是一場(chǎng)進(jìn)化。

（3）網(wǎng)絡(luò)要求不同

物聯(lián)網(wǎng)更加靈活，允許臨時(shí)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較低的時(shí)序和可靠性要求（除醫(yī)療應(yīng)用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)固定、中心化網(wǎng)絡(luò)管理。IIoT的通信是機(jī)器對(duì)機(jī)器的連接，必須滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)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(lái)自于應(yīng)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(yù)測(cè)工業(yè)維護(hù)，因此，在IIoT中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大。

2、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

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

2.1 基于系統(tǒng)概念的IIoT架構(gòu)描述

從工業(yè)系統(tǒng)的角度，文獻(xiàn)[4]給出了比較簡(jiǎn)潔的IIoT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為三層：物理層、通信層和應(yīng)用層。

物理層

由廣泛部署的物理設(shè)備組成，如傳感器、執(zhí)行器、制造設(shè)備、設(shè)施實(shí)用程序以及其它工業(yè)制造和自動(dòng)化相關(guān)對(duì)象。

通信層

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

應(yīng)用層

由各種工業(yè)應(yīng)用組成，包括智能工廠、智能供應(yīng)鏈等。這些智能工業(yè)應(yīng)用利用眾多的傳感器和執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、精確控制和有效管理。

上述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，便于理解IIoT的基本概念。

2.2 面向服務(wù)的IoT體系架構(gòu)描述

文獻(xiàn)[2]描述了面向服務(wù)（SOA）的IoT體系架構(gòu)，這種體系架構(gòu)強(qiáng)調(diào)異構(gòu)設(shè)備之間的可擴(kuò)展性、可伸縮性、模塊化和使用不同技術(shù)的互操作性，便于從技術(shù)層面理解IIoT。該結(jié)構(gòu)分為四層：傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層以及接口層。

圖2 面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[2]

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(yīng)的數(shù)據(jù)感知/采集協(xié)議構(gòu)成。

物聯(lián)網(wǎng)可以看作是一個(gè)能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程連接和控制的網(wǎng)絡(luò)。這種對(duì)物體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接與控制的基本需求是傳感（感知）。在傳感層，帶有標(biāo)簽或傳感器的無(wú)線智能系統(tǒng)能夠在不同的設(shè)備之間自動(dòng)感知和交換信息。這些技術(shù)顯著提高了物聯(lián)網(wǎng)感知和識(shí)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(biāo)識(shí)符（UUID）給每個(gè)可能的服務(wù)或設(shè)備，具有UUID的設(shè)備可以很容易地識(shí)別和檢索。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的作用是實(shí)現(xiàn)所有物體的連接，并允許設(shè)備與連接的其它設(shè)備共享信息。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)際上由多種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)層能夠從現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)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(wù)的設(shè)備通常部署在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，所有相關(guān)的設(shè)備都被引入到服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中。此過(guò)程可能涉及QoS管理和滿足用戶應(yīng)用的需求。另一方面，對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。設(shè)備需要自動(dòng)分配角色來(lái)部署、管理和調(diào)度，并根據(jù)需要隨時(shí)切換到任何其它角色。這些功能使設(shè)備能夠合作完成任務(wù)。為了設(shè)計(jì)IIoT的網(wǎng)絡(luò)層，設(shè)計(jì)者需要解決諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)問(wèn)題，能源有效性，QoS要求，服務(wù)發(fā)現(xiàn)和檢索，數(shù)據(jù)和信號(hào)處理，安全性和隱私性，等等。

服務(wù)層

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

接口層

在IIoT中，大多數(shù)設(shè)備由不同的制造商/供應(yīng)商制造，因此，它們可能遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議。由于異構(gòu)性的存在，在信息交換、設(shè)備之間的通信以及不同設(shè)備之間的協(xié)同事件處理等方面存在著許多交互問(wèn)題。此外，參與物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備不斷增加，使得動(dòng)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(jiǎn)化事物的管理和互聯(lián)。通用即插即用（UPnP），定義了一個(gè)規(guī)范，用于促進(jìn)提供的各種服務(wù)的交互。接口概要文件用于描述應(yīng)用程序和服務(wù)之間的規(guī)范。

2.3基于云的IIoT基礎(chǔ)架構(gòu)描述

文獻(xiàn)[5]描述了典型的基于云的IIoT基礎(chǔ)架構(gòu)，由三層組成：設(shè)備層，網(wǎng)關(guān)層和云服務(wù)層，見圖3。

圖3?基于云的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[5]

設(shè)備層

設(shè)備層包括異構(gòu)IIoT設(shè)備，從功能強(qiáng)大的計(jì)算單元到極低功耗的微控制器，不一而足。這些設(shè)備通過(guò)各種有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)關(guān)層。

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的資源有限，包括內(nèi)存大小、計(jì)算能力和通信帶寬等。此外，這些設(shè)備及其所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有高度的異構(gòu)性，給IIoT設(shè)備的互連帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。由于異構(gòu)性，設(shè)備之間的互操作性應(yīng)當(dāng)放在首位，以使得異構(gòu)設(shè)備可以在語(yǔ)法和語(yǔ)義上以用戶可接受的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)關(guān)層

大多數(shù)公司和組織都部署自己的自定義網(wǎng)關(guān)來(lái)管理本地IIoT網(wǎng)絡(luò)，聚合數(shù)據(jù)，并充當(dāng)通往云的橋梁。這些定制的網(wǎng)關(guān)通常是已部署的IIoT基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，直接導(dǎo)致“煙囪式”解決方案。這進(jìn)一步導(dǎo)致了互操作性問(wèn)題，即一個(gè)組織提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)不能被其他組織的設(shè)備共享或使用（由于不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)格式等），并且所采用的安全機(jī)制通常是專有的。

云服務(wù)層

云服務(wù)層提供與云相關(guān)的功能，例如數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，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(wù)層共同構(gòu)成了最常見的現(xiàn)有基于云的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

?3、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ?識(shí)別和追蹤技術(shù)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及的識(shí)別和跟蹤技術(shù)包括RFID系統(tǒng)、條形碼和智能傳感器等。一個(gè)簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)由一個(gè)RFID閱讀器和一個(gè)RFID標(biāo)簽組成。RFID系統(tǒng)具有識(shí)別、跟蹤和跟蹤設(shè)備的能力，其越來(lái)越多地應(yīng)用于物流、供應(yīng)鏈管理和醫(yī)療服務(wù)監(jiān)控等行業(yè)。RFID系統(tǒng)的還能提供所涉及設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，降低人工成本，簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程，提高庫(kù)存信息的準(zhǔn)確性，提高業(yè)務(wù)效率。基于RFID的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間應(yīng)用。

為了進(jìn)一步推動(dòng)RFID技術(shù)的發(fā)展，RFID可以與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，更好地實(shí)時(shí)跟蹤物體。特別是新興的無(wú)線智能傳感器技術(shù)，如電磁傳感器、生物傳感器、船外傳感器、傳感器標(biāo)簽、獨(dú)立標(biāo)簽和傳感器設(shè)備等，進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)服務(wù)的實(shí)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(yīng)用。

3.2 通信技術(shù)

IIoT涉及到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)幫助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)交換信息。網(wǎng)關(guān)能夠促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)上各種設(shè)備之間的通信，網(wǎng)關(guān)還可以用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)上通信中涉及的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)。不同的設(shè)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(shè)備需要電池，因此，降低這些設(shè)備的能源消耗是一個(gè)首要問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)如：RFID、NFC、IEEE802.11（WLAN）、IEEE 802.15.4（ZigBee）、IEEE 802.15.1（藍(lán)牙）、多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）、傳統(tǒng)IP技術(shù)如IP、IPv6等。

3.3 網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有很多跨層協(xié)議，如無(wú)線傳感器或Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（AHNs）。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備通常具有不同的通信和計(jì)算能力，以及不同的QoS要求，因此，在應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之前，有的需要進(jìn)行修改。相比之下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常對(duì)硬件和網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和AHNs不需要使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。

3.4 服務(wù)管理

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)管理是指為滿足用戶或應(yīng)用需求而進(jìn)行的優(yōu)質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)管理。OSGi平臺(tái)是一個(gè)很好的例子，它應(yīng)用了一個(gè)動(dòng)態(tài)SOA（面向服務(wù)）架構(gòu)來(lái)支持智能服務(wù)的部署。開發(fā)服務(wù)網(wǎng)關(guān)協(xié)議OSGi （Open Services Gateway Initiative）作為一種有效的服務(wù)部署模塊化平臺(tái)，被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境中（如移動(dòng)應(yīng)用、插件、應(yīng)用服務(wù)器等）。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，基于OSGi平臺(tái)的服務(wù)組合可以由Apache Felix iPoJo實(shí)現(xiàn)。服務(wù)可以分為兩種類型：主要服務(wù)和次要服務(wù)。在面向服務(wù)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(wù)：1）開發(fā)服務(wù)組合平臺(tái)；2）抽象設(shè)備的功能和通信能力；3）提供一套共同的服務(wù)。服務(wù)標(biāo)識(shí)管理包括上下文管理和對(duì)象分類。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還可以為網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)真實(shí)物體建造一面鏡子。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還具有面向服務(wù)和上下文感知的體系結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)虛擬和物理對(duì)象都可以彼此通信。

4、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

4.1 IIoT應(yīng)用概述

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要分支，其應(yīng)用很廣闊，特別是在能源、交通運(yùn)輸（鐵路和車站、機(jī)場(chǎng)、港口）、制造（采礦、石油和天然氣、供應(yīng)鏈、生產(chǎn)）等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。

在談到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用時(shí)，有兩點(diǎn)值得注意：

一是類似物聯(lián)網(wǎng)概念的工業(yè)應(yīng)用已有較長(zhǎng)的歷史。例如，過(guò)程控制和自動(dòng)化系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)（WALN）、可編程邏輯控制器（PLC）、無(wú)線傳感器和射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)簽（RFID）等。但這些應(yīng)用主要是基于“自動(dòng)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(shù)可以擴(kuò)展應(yīng)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(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究院）[5]中，描述了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目，包括：基于機(jī)床物聯(lián)網(wǎng)的租賃應(yīng)用、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新保險(xiǎn)模式、實(shí)現(xiàn)磨輥間軋輥流轉(zhuǎn)的全程自動(dòng)控制、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的物流自動(dòng)化。但該白皮書沒有給出IIoT更全面的應(yīng)用描述。

4.2 IIoT的應(yīng)用分類

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的應(yīng)用可分為過(guò)程自動(dòng)化（PA）應(yīng)用和工廠自動(dòng)化（FA）應(yīng)用[4]。

4.2.1 過(guò)程自動(dòng)化

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

電力系統(tǒng)自動(dòng)化（PSA）就是過(guò)程自動(dòng)化的一個(gè)例子，其目的是通過(guò)各種儀表和控制裝置對(duì)發(fā)電、配電和用戶系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制、監(jiān)測(cè)和保護(hù)。PSA包含三個(gè)關(guān)鍵組件：數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。數(shù)據(jù)采集用于從各種傳感和控制設(shè)備收集數(shù)據(jù)，這些設(shè)備可以在本地或數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理；遠(yuǎn)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(dòng)化

工廠自動(dòng)化，即制造過(guò)程的自動(dòng)化，利用機(jī)器人系統(tǒng)和裝配線機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)，以提高生產(chǎn)能力和效率。例如，機(jī)械臂的外觀和驅(qū)動(dòng)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(qiáng)的魯棒性、生產(chǎn)力、精度和效率。在相同的目標(biāo)下，裝配線通常將復(fù)雜的任務(wù)分解成更小的子任務(wù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)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(fèi)者的物聯(lián)網(wǎng)顯著不同，特別是在時(shí)間、規(guī)模和可靠性方面。這三個(gè)基本的性能特征可以用循環(huán)時(shí)間（cycle time）、節(jié)點(diǎn)數(shù)和可靠性來(lái)描述。

循環(huán)時(shí)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(shí)間。循環(huán)時(shí)間取決于不同的應(yīng)用。例如，一般過(guò)程自動(dòng)化的循環(huán)時(shí)間約為數(shù)百毫秒。

節(jié)點(diǎn)數(shù)：工作區(qū)中一個(gè)控制器覆蓋的節(jié)點(diǎn)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|(zhì)量，可以使用包錯(cuò)誤率（PER，Packet Error Rate）度量。顯然，IIoT對(duì)可靠性的要求很高，例如，對(duì)一些工業(yè)環(huán)境，要求PER≤10-9。

4.3 IIoT的行業(yè)應(yīng)用

除了顯而易見的工廠自動(dòng)化應(yīng)用外，本節(jié)簡(jiǎn)要介紹工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在幾個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用。

4.3.1 智能電網(wǎng)

電網(wǎng)包括三個(gè)基本功能：電能的產(chǎn)生（發(fā)電）、傳輸和分配。對(duì)于傳統(tǒng)電網(wǎng)，由于許多因素，如消費(fèi)者的低效電器和缺乏智能技術(shù)、低效的電能輸送路由和分配、不可靠的通信和監(jiān)測(cè)，尤其是缺乏儲(chǔ)能機(jī)制，使得電網(wǎng)存在巨大的能源浪費(fèi)。此外，電網(wǎng)還面臨其它一些挑戰(zhàn)，包括不斷增長(zhǎng)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(chǔ)設(shè)施問(wèn)題等等。為解決上述諸多問(wèn)題，基于信息處理和通信技術(shù)的智能電網(wǎng)（Smart Grid）便應(yīng)運(yùn)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(guò)提供智能設(shè)備或IoT設(shè)備（例如傳感器，執(zhí)行器和智能儀表等）來(lái)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(yùn)輸和物流領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來(lái)越重要的作用。隨著越來(lái)越多的物體配備條形碼、RFID標(biāo)簽或傳感器，運(yùn)輸和物流公司可以實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)地到整個(gè)供應(yīng)鏈的移動(dòng)運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外，IIoT有望為交通系統(tǒng)和汽車制造業(yè)的轉(zhuǎn)型提供有前景的解決方案。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以跟蹤交通車輛的當(dāng)前位置、監(jiān)測(cè)其運(yùn)動(dòng)并預(yù)測(cè)其未來(lái)位置。其它的應(yīng)用，例如使用無(wú)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(wèn)題受到越來(lái)越多的重視。為了預(yù)防和減少礦山事故的發(fā)生，需要利用IIoT對(duì)礦山災(zāi)害信號(hào)進(jìn)行感知，從而進(jìn)行災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警，以提高地下生產(chǎn)安全水平。通過(guò)在地表和地下使用RFID和無(wú)線通信技術(shù)，可以追蹤地下礦工的位置，并分析從傳感器收集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來(lái)加強(qiáng)安全措施。另外，可以使用化學(xué)和生物傳感器對(duì)地下礦工進(jìn)行早期疾病檢測(cè)和診斷。這些化學(xué)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(cè)有害粉塵、有害氣體和其它會(huì)引起事故的環(huán)境危害。

4.3.4 食品供應(yīng)鏈

由于食品供應(yīng)鏈FSC具有較大的地理和時(shí)間尺度、復(fù)雜的運(yùn)營(yíng)流程，因此，食品供應(yīng)鏈具有分散性和復(fù)雜性等特點(diǎn)。這種復(fù)雜性給食品質(zhì)量管理、運(yùn)營(yíng)效率和公共食品安全帶來(lái)了諸多問(wèn)題。IIoT可以精確跟蹤食品生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存、配送和消費(fèi)的整個(gè)流程。未來(lái)的FSC系統(tǒng)將更加安全、高效、可持續(xù)。一個(gè)典型的FSC工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案包括三個(gè)部分：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如WSN節(jié)點(diǎn)、RFID閱讀器/標(biāo)簽、用戶界面終端等；由分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器、各種軟小型計(jì)算機(jī)等骨干系統(tǒng)；無(wú)線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、電力線通信、以太網(wǎng)等通信基礎(chǔ)設(shè)施。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了無(wú)處不在的聯(lián)網(wǎng)能力，所有這些元素都可以分布在整個(gè)FSC中。此外，IIoT還提供了有效的傳感功能，以跟蹤和監(jiān)測(cè)糧食生產(chǎn)過(guò)程。

4.3.5 健康服務(wù)

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中無(wú)處不在的識(shí)別、傳感和通信能力，醫(yī)療系統(tǒng)中的所有對(duì)象（人、設(shè)備、藥物等）都可以被跟蹤并持續(xù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)全球互聯(lián)互通，所有與醫(yī)療保健相關(guān)的信息，包括物流、診斷、治療、康復(fù)、藥物、管理、財(cái)務(wù)甚至日?；顒?dòng)等，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(gè)人終端及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入等，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療服務(wù)可以更具移動(dòng)性和個(gè)性化。

5、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

5.1 能源效率

許多IIoT應(yīng)用設(shè)備依靠電池持久運(yùn)行，而在很多應(yīng)用場(chǎng)合更換電池很困難甚至不可能，或者更換電池帶來(lái)的成本太高，為了在其使用壽命周期內(nèi)無(wú)需更換電池，必須對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)提出要求。此外，IIoT應(yīng)用設(shè)備通常需要密集部署，感測(cè)的數(shù)據(jù)需要以查詢的形式發(fā)送，或者以連續(xù)的形式發(fā)送，設(shè)備會(huì)消耗大量的能量。綜上，在IIoT中降低功耗和運(yùn)行成本，是IIoT的一個(gè)重要問(wèn)題。LPWAN是解決低能耗的有效途徑。它采用多種節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行：通常形成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效避免多路分組路由消耗能量；將復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到網(wǎng)關(guān)；使用窄帶通道，從而降低噪聲水平和擴(kuò)展傳輸范圍。

除了一些方法提高能源效率，比如使用輕量級(jí)通信協(xié)議或采用如上所述的低功耗無(wú)線電收發(fā)器，一種新的技術(shù)趨勢(shì)是能源收集。實(shí)際上，能源可以從環(huán)境資源中獲得，例如熱能、太陽(yáng)能、振動(dòng)和無(wú)線射頻（RF）能源，等等。

5.2 實(shí)時(shí)性

IIoT設(shè)備通常部署在嘈雜的環(huán)境中，并有嚴(yán)格的時(shí)間要求和可靠性要求，以能及時(shí)收集環(huán)境數(shù)據(jù)和作出控制決策。在IIoT中，時(shí)隙調(diào)度對(duì)于網(wǎng)絡(luò)所需的QoS至關(guān)重要。例如，許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源管理是通過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的。但是這個(gè)過(guò)程速度慢，不可擴(kuò)展，并且會(huì)帶來(lái)龐大的網(wǎng)絡(luò)開銷。然而，IIoT的爆炸式應(yīng)用增長(zhǎng)，特別是在其規(guī)模和復(fù)雜性方面，已大大增加了所需實(shí)時(shí)性的難度級(jí)別。

現(xiàn)有的一些處理方法大都建立在一個(gè)集中的體系結(jié)構(gòu)上，可伸縮性有限。最近，提出了一些混合的、完全分布式的IIoT資源管理方法。然而，如何保證以有限的響應(yīng)時(shí)間來(lái)處理并發(fā)干擾，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

5.3 共存性

隨著IIoT設(shè)備的大量增長(zhǎng)，許多設(shè)備使用相近頻譜，這就帶來(lái)了共存問(wèn)題。設(shè)備之間的臨頻干擾必須解決。此外，由于設(shè)備密集、規(guī)模大，每種技術(shù)的特性可能會(huì)給IIoT技術(shù)帶來(lái)額外的挑戰(zhàn)。

為了共存，未來(lái)的IIoT設(shè)備最好能夠檢測(cè)、分類和減少外部干擾。雖然已有一些頻譜感知和抑制干擾的技術(shù)，但時(shí)間采樣窗口長(zhǎng)，且要求內(nèi)存大。常規(guī)通信系統(tǒng)中的一些高效抗干擾技術(shù)，雖然有很好的性能，但一般都比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本也高。

可以從三個(gè)維度來(lái)解決IIoT中設(shè)備多樣性的問(wèn)題：多模射頻、軟件靈活性和跨技術(shù)通信。多模射頻允許不同的IIoT設(shè)備可以相互通信；軟件靈活性支持多種協(xié)議、連接框架和云服務(wù)。因此，未來(lái)需要研究如何在IIoT設(shè)備中實(shí)現(xiàn)跨技術(shù)通信。

5.4 安全性

安全性也是IIoT的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，IIoT是一個(gè)資源受限的通信網(wǎng)絡(luò)，其很大程度上依賴于窄帶通信。因此，傳統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制不足以保護(hù)復(fù)雜的IIoT系統(tǒng)，如安全協(xié)議，輕量級(jí)密碼學(xué)和隱私保障。為了確保IIoT基礎(chǔ)設(shè)施的安全，可以在應(yīng)用IIoT安全協(xié)議之前，應(yīng)用工業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)。然而，一些加密算法對(duì)資源的要求比較高，例如，公鑰密碼（PKC）。這一問(wèn)題在實(shí)時(shí)需求的海量數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用中更為突出。

在設(shè)計(jì)安全的IIoT基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)安全特性:

1）IIoT設(shè)備需要具有防篡改能力，以抵抗?jié)撛诘奈锢砉簦?/p>

2）IIoT設(shè)備的存儲(chǔ)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以達(dá)到保密目的；

3）對(duì)IIoT設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保密和完整性保護(hù)；

4）IIoT基礎(chǔ)設(shè)施需要高效的標(biāo)識(shí)和授權(quán)機(jī)制，只有授權(quán)的實(shí)體才能訪問(wèn)IIoT資源；

5）即使受到惡意用戶對(duì)設(shè)備的物理?yè)p壞，系統(tǒng)還可正常運(yùn)行，以保證IIoT的魯棒性。

對(duì)稱密鑰密碼學(xué)可以為IIoT設(shè)備提供輕量級(jí)的解決方案。然而，如果使用對(duì)稱密鑰加密，尤其針對(duì)低容量設(shè)備時(shí)，密鑰存儲(chǔ)和密鑰管理都是大問(wèn)題。此外，如果IIoT中的一個(gè)設(shè)備被破壞，它可能會(huì)泄漏所有其他密鑰。公鑰密碼學(xué)通常提供更安全的特性和更低的存儲(chǔ)要求，但由于復(fù)雜的加密算法而帶來(lái)的高計(jì)算開銷也是一大問(wèn)題。橢圓曲線密碼學(xué)（ECC）是一個(gè)好的解決方案，它提供了更小的密鑰，減少了存儲(chǔ)和傳輸要求。

IIoT設(shè)備的數(shù)據(jù)應(yīng)該遵循用于交換/發(fā)布身份驗(yàn)證的特定模式和規(guī)則。雖然公鑰密碼系統(tǒng)提供了認(rèn)證和授權(quán)方案，但沒有提供全球根認(rèn)證機(jī)構(gòu)（global root CA），這在很大程度上阻礙了很多實(shí)際部署的方案。如果不提供全局根CA，那么，IIoT中設(shè)計(jì)一個(gè)安全的認(rèn)證系統(tǒng)將非常具有挑戰(zhàn)性。因此，如果打算為IIoT設(shè)備提供安全認(rèn)證，必須使用高成本的解決方案，那么，這與IIoT輕量級(jí)原則的主要目標(biāo)相沖突。此外, 由于對(duì)象的總數(shù)大，對(duì)IIoT中的每個(gè)對(duì)象頒發(fā)證書將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

5.5 隱私

隱私是一個(gè)非常廣泛和多樣化的概念。IIoT中的隱私主要面臨兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)收集過(guò)程和數(shù)據(jù)匿名化過(guò)程。由于信息的收集和存儲(chǔ)受到限制，因此，在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中可以保證隱私的保護(hù)。然而，考慮到數(shù)據(jù)匿名化的多樣性，可能會(huì)采用不同的加密方案，這對(duì)隱私保護(hù)是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，所收集的信息需要在IIoT設(shè)備之間共享，因此，加密數(shù)據(jù)的計(jì)算是數(shù)據(jù)匿名化的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

6 展望

物聯(lián)網(wǎng)通常被認(rèn)為是解決當(dāng)今很多問(wèn)題的顛覆性技術(shù)，例如智慧城市、智能交通、污染監(jiān)測(cè)、互聯(lián)醫(yī)療等等。作為物聯(lián)網(wǎng)的子集，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIpT為智能過(guò)程和智能制造開辟了新的道路。IIoT涵蓋了信息采集、傳輸與處理以及自動(dòng)化，未來(lái)融合人工智能、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈，將進(jìn)一步推動(dòng)IIoT的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)更高效、更安全和可持續(xù)的生產(chǎn)與管理。

編輯：黃飛