01 工業物聯網架構

我們從不同的角度闡述工業物聯網架構，以便更深入地把握其內涵。

1.1 基于系統概念的IIoT架構描述

從工業系統的角度，文獻[4]給出了比較簡潔的IIoT系統結構，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、執行器、制造設備、設施實用程序以及其它工業制造和自動化相關對象。

通信層

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

應用層

由各種工業應用組成，包括智能工廠、智能供應鏈等。這些智能工業應用利用眾多的傳感器和執行器，實現實時監控、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、網絡層、服務層以及接口層。

傳感層

傳感層是物聯網的基本特征，由傳感（例如RFID和智能傳感器等）以及相應的數據感知/采集協議構成。

物聯網可以看作是一個能夠在全球范圍內進行遠程連接和控制的網絡。這種對物體實現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網感知和識別物體或環境的能力。在某些工業中，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。

網絡層

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

網絡層能夠從現有的IT基礎設施（如商業系統、交通系統、電網、醫療系統、ICT系統等）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絡中，所有相關的設備都被引入到服務網絡中。此過程可能涉及QoS管理和滿足用戶應用的需求。另一方面，對于動態變化的網絡來說，自動發現網絡是非常重要的。設備需要自動分配角色來部署、管理和調度，并根據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的網絡層，設計者需要解決諸如異構網絡的網絡管理技術問題，能源有效性，QoS要求，服務發現和檢索，數據和信號處理，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網服務和應用程序的功能。中間件技術為物聯網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的中間件的服務規范。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、數據管理、搜索引擎和通信。

接口層

在IIoT中，大多數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同事件處理等方面存在著許多交互問題。此外，參與物聯網的設備不斷增加，使得動態連接、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。通用即插即用（UPnP），定義了一個規范，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絡連接到網關層。

大多數物聯網設備的資源有限，包括內存大小、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。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。

網關層

大多數公司和組織都部署自己的自定義網關來管理本地IIoT網絡，聚合數據，并充當通往云的橋梁。這些定制的網關通常是已部署的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據和服務不能被其他組織的設備共享或使用（由于不同的網絡協議，數據格式等），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，例如數據庫服務和應用服務，以管理本物聯網提供的數據。本地物聯網和云服務層共同構成了最常見的現有基于云的物聯網基礎設施。

02 工業物聯網的關鍵技術

2.1 識別和追蹤技術

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

為了進一步推動RFID技術的發展，RFID可以與無線傳感器網絡相結合，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，進一步促進了工業服務的實現。將智能傳感器獲取的數據與RFID數據集成，可以創建更適用于工業環境的物聯網應用。

2.2 通信技術

IIoT涉及到無線傳感器網絡、無線網狀網絡、無線局域網等多種異構網絡。這些網絡幫助工業物聯網交換信息。網關能夠促進網絡上各種設備之間的通信，網關還可以用來處理網絡上通信中涉及的復雜節點。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。工業物聯網中還涉及利用現有的互聯網協議，主要通信協議和標準如：RFID、NFC、IEEE802.11（WLAN）、IEEE 802.15.4（ZigBee）、IEEE 802.15.1（藍牙）、多跳無線傳感器網絡、機器對機器（M2M）、傳統IP技術如IP、IPv6等。

2.3 網絡技術

無線網絡有很多跨層協議，如無線傳感器或Ad Hoc網絡（AHNs）。由于工業互聯網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，在應用于工業互聯網之前，有的需要進行修改。相比之下，無線傳感器網絡中的節點通常對硬件和網絡通信有相同的要求，因此，不需要改變。此外，工業物聯網利用互聯網支持信息交換和實現數據通信，而無線傳感器網絡和AHNs不需要使用互聯網進行通信。

2.4 服務管理

工業互聯網服務管理是指為滿足用戶或應用需求而進行的優質物聯網服務管理。OSGi平臺是一個很好的例子，它應用了一個動態SOA（面向服務）架構來支持智能服務的部署。開發服務網關協議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境中（如移動應用、插件、應用服務器等）。在工業物聯網中，基于OSGi平臺的服務組合可以由Apache Felix iPoJo實現。服務可以分為兩種類型：主要服務和次要服務。在面向服務的工業物聯網中，可以按照以下步驟創建并部署服務：1）開發服務組合平臺；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。工業互聯網還可以為網絡中的每一個真實物體建造一面鏡子。工業互聯網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 工業物聯網與物聯網的對比

總體上，IIoT可看作是IoT的一個子集。

（1）服務類型不同

通常的物聯網仍然以人為中心，“物”是智能電子設備之間的互動、相互聯系，以增加人類對周圍環境感知和響應。一般來說，物聯網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）監視類應用，例如工廠生產過程的監視，和ii）對于自組織系統的創造應用，例如自動化的工業工廠。

（2）連接設備不同

物聯網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網生態系統。相比之下，目前的IIoT設計強調的是集成和連接工廠、機器，從而提供更高效的生產和新服務。基于這個原因，與物聯網相比，IIoT可以與其說是一場革命，不如說是一場進化。

（3）網絡要求不同

物聯網更加靈活，允許臨時和移動網絡結構，具有較低的時序和可靠性要求（除醫療應用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的網絡結構，節點固定、中心化網絡管理。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）數據量不同

物聯網生成的數據來自于應用，因此，其傳輸的數據量中等或者大量。而IIoT目前更多的是大數據分析，例如預測工業維護，因此，在IIoT中，傳輸的數據量非常大。

04 工業物聯網的應用

4.1 IIoT應用概述

工業物聯網是物聯網的重要分支，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）等應用領域將發揮重要作用。

在談到工業物聯網的應用時，有兩點值得注意：

一是類似物聯網概念的工業應用已有較長的歷史。例如，過程控制和自動化系統、工業以太網和無線局域網（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，而且也不與企業外部連接。

二是工業物聯網的概念和技術可以擴展應用到一些“非工業行業”，例如健康、安防、交通，等等。

在《工業物聯網白皮書》（2017版，中國電子技術標準研究院）[5]中，描述了工業物聯網的四個應用項目，包括：基于機床物聯網的租賃應用、基于工業物聯網的新保險模式、實現磨輥間軋輥流轉的全程自動控制、基于工業物聯網的物流自動化。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

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

電力系統自動化（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電、配電和用戶系統進行自動控制、監測和保護。PSA包含三個關鍵組件：數據采集、遠程監控和控制。數據采集用于從各種傳感和控制設備收集數據，這些設備可以在本地或數據中心進行處理；遠程監控用于監控電力系統的狀態，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，利用機器人系統和裝配線機械來實現，以提高生產能力和效率。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行功能，但具有更強的魯棒性、生產力、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，并根據設計的工作流程執行分步操作。

4.2.3 IIoT的基本性能特征

工業物聯網的性能要求與面向消費者的物聯網顯著不同，特別是在時間、規模和可靠性方面。這三個基本的性能特征可以用循環時間（cycle time）、節點數和可靠性來描述。

循環時間：接收控制中心發出的命令、并將傳感器數據發送到控制中心所需的時間。循環時間取決于不同的應用。例如，一般過程自動化的循環時間約為數百毫秒。

節點數：工作區中一個控制器覆蓋的節點數，它表示了系統的大小。

可靠性：其特征在于信息傳輸的質量，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，對一些工業環境，要求PER≤10-9。

4.3 IIoT的行業應用

除了顯而易見的工廠自動化應用外，本節簡要介紹工業物聯網在幾個行業中的應用。

4.3.1 智能電網

電網包括三個基本功能：電能的產生（發電）、傳輸和分配。對于傳統電網，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、不可靠的通信和監測，尤其是缺乏儲能機制，使得電網存在巨大的能源浪費。此外，電網還面臨其它一些挑戰，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（Smart Grid）便應運而生，而工業物聯網在智能電網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，執行器和智能儀表等）來監控、跟蹤、分析和控制，將極大地改善智能電網的效能和安全性等。

4.3.2 交通

工業物聯網在運輸和物流領域將發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從產地到整個供應鏈的移動運輸實時監控。此外，IIoT有望為交通系統和汽車制造業的轉型提供有前景的解決方案。工業互聯網技術可以跟蹤交通車輛的當前位置、監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控海底狀況、穿越海洋收集數據等等。

4.3.3 礦業安全生產

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據來加強安全措施。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、加工、儲存、配送和消費的整個流程。未來的FSC系統將更加安全、高效、可持續。一個典型的FSC工業物聯網解決方案包括三個部分：現場設備，如WSN節點、RFID閱讀器/標簽、用戶界面終端等；由分布式計算機網絡連接的數據庫、服務器、各種軟小型計算機等骨干系統；無線局域網、蜂窩網絡、衛星、電力線通信、以太網等通信基礎設施。由于工業互聯網系統提供了無處不在的聯網能力，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，以跟蹤和監測糧食生產過程。

4.3.5 健康服務

基于工業物聯網中無處不在的識別、傳感和通信能力，醫療系統中的所有對象（人、設備、藥物等）都可以被跟蹤并持續監測。通過全球互聯互通，所有與醫療保健相關的信息，包括物流、診斷、治療、康復、藥物、管理、財務甚至日常活動等，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，然后發送到醫生的辦公室。使用個人終端及移動互聯網接入等，基于工業物聯網的醫療服務可以更具移動性和個性化。