简述工业物联网架构及关键技术

01 工业物联网架构

我们从不同的角度阐述工业物联网架构，以便更深入地把握其内涵。

1.1 基于系统概念的IIoT架构描述

从工业系统的角度，文献[4]给出了比较简洁的IIoT系统结构，分为三层：物理层、通信层和应用层。

物理层

由广泛部署的物理设备组成，如传感器、执行器、制造设备、设施实用程序以及其它工业制造和自动化相关对象。

通信层

由众多通信网络的集成，如无线传感器和执行器网络（WSANs）、5G、M2M、SDN等。在智能工业应用中，各种网络技术将必然支持相当数量的传感器和执行器的互连。

应用层

由各种工业应用组成，包括智能工厂、智能供应链等。这些智能工业应用利用众多的传感器和执行器，实现实时监控、精确控制和有效管理。

上述结构简单明了，便于理解IIoT的基本概念。

1.2 面向服务的IoT体系架构描述

文献[2]描述了面向服务（SOA）的IoT体系架构，这种体系架构强调异构设备之间的可扩展性、可伸缩性、模块化和使用不同技术的互操作性，便于从技术层面理解IIoT。该结构分为四层：传感层、网络层、服务层以及接口层。

传感层

传感层是物联网的基本特征，由传感（例如RFID和智能传感器等）以及相应的数据感知/采集协议构成。

物联网可以看作是一个能够在全球范围内进行远程连接和控制的网络。这种对物体实现远程连接与控制的基本需求是传感（感知）。在传感层，带有标签或传感器的无线智能系统能够在不同的设备之间自动感知和交换信息。这些技术显著提高了物联网感知和识别物体或环境的能力。在某些工业中，需要分配通用唯一标识符（UUID）给每个可能的服务或设备，具有UUID的设备可以很容易地识别和检索。

网络层

网络层的作用是实现所有物体的连接，并允许设备与连接的其它设备共享信息。网络层实际上由多种网络构成的异构网络。

网络层能够从现有的IT基础设施（如商业系统、交通系统、电网、医疗系统、ICT系统等）获取信息并聚合信息。在IIoT中，提供服务的设备通常部署在异构网络中，所有相关的设备都被引入到服务网络中。此过程可能涉及QoS管理和满足用户应用的需求。另一方面，对于动态变化的网络来说，自动发现网络是非常重要的。设备需要自动分配角色来部署、管理和调度，并根据需要随时切换到任何其它角色。这些功能使设备能够合作完成任务。为了设计IIoT的网络层，设计者需要解决诸如异构网络的网络管理技术问题，能源有效性，QoS要求，服务发现和检索，数据和信号处理，安全性和隐私性，等等。

服务层

服务层依赖于中间件技术，该技术提供了无缝集成物联网服务和应用程序的功能。中间件技术为物联网提供了一个低成本的平台，其中的硬件和软件平台可以重复使用。服务层主要提供一个由不同组织开发的中间件的服务规范。一个良好的服务层将能够识别通用的应用需求，并提供API和协议来支持和满足所需的服务、应用和用户需求。服务层还处理所有面向服务的问题，包括信息交换和存储、数据管理、搜索引擎和通信。

接口层

在IIoT中，大多数设备由不同的制造商/供应商制造，因此，它们可能遵循不同的标准/协议。由于异构性的存在，在信息交换、设备之间的通信以及不同设备之间的协同事件处理等方面存在着许多交互问题。此外，参与物联网的设备不断增加，使得动态连接、通信、断开连接和操作变得更加困难。接口层也有必要简化事物的管理和互联。通用即插即用（UPnP），定义了一个规范，用于促进提供的各种服务的交互。接口概要文件用于描述应用程序和服务之间的规范。

1.3基于云的IIoT基础架构描述

文献[5]描述了典型的基于云的IIoT基础架构，由三层组成：设备层，网关层和云服务层。

设备层

设备层包括异构IIoT设备，从功能强大的计算单元到极低功耗的微控制器，不一而足。这些设备通过各种有线和无线网络连接到网关层。

大多数物联网设备的资源有限，包括内存大小、计算能力和通信带宽等。此外，这些设备及其所采用的网络技术具有高度的异构性，给IIoT设备的互连带来了很大的挑战。由于异构性，设备之间的互操作性应当放在首位，以使得异构设备可以在语法和语义上以用户可接受的形式进行转换。

网关层

大多数公司和组织都部署自己的自定义网关来管理本地IIoT网络，聚合数据，并充当通往云的桥梁。这些定制的网关通常是已部署的IIoT基础设施的组成部分，直接导致“烟囱式”解决方案。这进一步导致了互操作性问题，即一个组织提供的数据和服务不能被其他组织的设备共享或使用（由于不同的网络协议，数据格式等），并且所采用的安全机制通常是专有的。

云服务层

云服务层提供与云相关的功能，例如数据库服务和应用服务，以管理本物联网提供的数据。本地物联网和云服务层共同构成了最常见的现有基于云的物联网基础设施。

02 工业物联网的关键技术

2.1 识别和追踪技术

工业物联网涉及的识别和跟踪技术包括RFID系统、条形码和智能传感器等。一个简单的RFID系统由一个RFID阅读器和一个RFID标签组成。RFID系统具有识别、跟踪和跟踪设备的能力，其越来越多地应用于物流、供应链管理和医疗服务监控等行业。RFID系统的还能提供所涉及设备的实时信息，降低人工成本，简化业务流程，提高库存信息的准确性，提高业务效率。基于RFID的应用仍有很大的发展空间应用。

为了进一步推动RFID技术的发展，RFID可以与无线传感器网络相结合，更好地实时跟踪物体。特别是新兴的无线智能传感器技术，如电磁传感器、生物传感器、船外传感器、传感器标签、独立标签和传感器设备等，进一步促进了工业服务的实现。将智能传感器获取的数据与RFID数据集成，可以创建更适用于工业环境的物联网应用。

2.2 通信技术

IIoT涉及到无线传感器网络、无线网状网络、无线局域网等多种异构网络。这些网络帮助工业物联网交换信息。网关能够促进网络上各种设备之间的通信，网关还可以用来处理网络上通信中涉及的复杂节点。不同的设备可能有不同的QoS需求，比如性能、能源效率和安全性。许多设备需要电池，因此，降低这些设备的能源消耗是一个首要问题。工业物联网中还涉及利用现有的互联网协议，主要通信协议和标准如：RFID、NFC、IEEE802.11（WLAN）、IEEE 802.15.4（ZigBee）、IEEE 802.15.1（蓝牙）、多跳无线传感器网络、机器对机器（M2M）、传统IP技术如IP、IPv6等。

2.3 网络技术

无线网络有很多跨层协议，如无线传感器或Ad Hoc网络（AHNs）。由于工业互联网中的设备通常具有不同的通信和计算能力，以及不同的QoS要求，因此，在应用于工业互联网之前，有的需要进行修改。相比之下，无线传感器网络中的节点通常对硬件和网络通信有相同的要求，因此，不需要改变。此外，工业物联网利用互联网支持信息交换和实现数据通信，而无线传感器网络和AHNs不需要使用互联网进行通信。

2.4 服务管理

工业互联网服务管理是指为满足用户或应用需求而进行的优质物联网服务管理。OSGi平台是一个很好的例子，它应用了一个动态SOA（面向服务）架构来支持智能服务的部署。开发服务网关协议OSGi （Open Services Gateway Initiative）作为一种有效的服务部署模块化平台，被广泛应用于各种环境中（如移动应用、插件、应用服务器等）。在工业物联网中，基于OSGi平台的服务组合可以由Apache Felix iPoJo实现。服务可以分为两种类型：主要服务和次要服务。在面向服务的工业物联网中，可以按照以下步骤创建并部署服务：1）开发服务组合平台；2）抽象设备的功能和通信能力；3）提供一套共同的服务。服务标识管理包括上下文管理和对象分类。工业互联网还可以为网络中的每一个真实物体建造一面镜子。工业互联网还具有面向服务和上下文感知的体系结构，其中每个虚拟和物理对象都可以彼此通信。

03 工业物联网与物联网的对比

总体上，IIoT可看作是IoT的一个子集。

（1）服务类型不同

通常的物联网仍然以人为中心，“物”是智能电子设备之间的互动、相互联系，以增加人类对周围环境感知和响应。一般来说，物联网通信可以分为机器对用户通信和客户机-服务器交互两类。

IIoT中的通信是面向机器的，可横跨各种不同的市场和应用。IIoT场景包括：i）监视类应用，例如工厂生产过程的监视，和ii）对于自组织系统的创造应用，例如自动化的工业工厂。

（2）连接设备不同

物联网更注重设计新的标准，以一个灵活的、用户友好的方式将新的设备连接到互联网生态系统。相比之下，目前的IIoT设计强调的是集成和连接工厂、机器，从而提供更高效的生产和新服务。基于这个原因，与物联网相比，IIoT可以与其说是一场革命，不如说是一场进化。

（3）网络要求不同

物联网更加灵活，允许临时和移动网络结构，具有较低的时序和可靠性要求（除医疗应用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的网络结构，节点固定、中心化网络管理。IIoT的通信是机器对机器的连接，必须满足严格的实时性和可靠性要求。

（4）数据量不同

物联网生成的数据来自于应用，因此，其传输的数据量中等或者大量。而IIoT目前更多的是大数据分析，例如预测工业维护，因此，在IIoT中，传输的数据量非常大。

04 工业物联网的应用

4.1 IIoT应用概述

工业物联网是物联网的重要分支，其应用很广阔，特别是在能源、交通运输（铁路和车站、机场、港口）、制造（采矿、石油和天然气、供应链、生产）等应用领域将发挥重要作用。

在谈到工业物联网的应用时，有两点值得注意：

一是类似物联网概念的工业应用已有较长的历史。例如，过程控制和自动化系统、工业以太网和无线局域网（WALN）、可编程逻辑控制器（PLC）、无线传感器和射频识别技术标签（RFID）等。但这些应用主要是基于“自动化”考虑，而且也不与企业外部连接。

二是工业物联网的概念和技术可以扩展应用到一些“非工业行业”，例如健康、安防、交通，等等。

在《工业物联网白皮书》（2017版，中国电子技术标准研究院）[5]中，描述了工业物联网的四个应用项目，包括：基于机床物联网的租赁应用、基于工业物联网的新保险模式、实现磨辊间轧辊流转的全程自动控制、基于工业物联网的物流自动化。但该白皮书没有给出IIoT更全面的应用描述。

4.2 IIoT的应用分类

工业物联网IIoT的应用可分为过程自动化（PA）应用和工厂自动化（FA）应用[4]。

4.2.1 过程自动化

过程自动化，其特征是一个工业过程，例如在化工、石油和发电厂的“自主”过程，在很少甚至没有人为干预的情况下实现控制和管理。过程自动化系统通常集成传感器、控制器和执行器，以实现信息收集、交互和过程驱动。

电力系统自动化（PSA）就是过程自动化的一个例子，其目的是通过各种仪表和控制装置对发电、配电和用户系统进行自动控制、监测和保护。PSA包含三个关键组件：数据采集、远程监控和控制。数据采集用于从各种传感和控制设备收集数据，这些设备可以在本地或数据中心进行处理；远程监控用于监控电力系统的状态，提醒操作中心异常情况，防止停电；PSA控制起到操作电力系统的作用，从操作中心控制变电站。

4.2.2 工厂自动化

工厂自动化，即制造过程的自动化，利用机器人系统和装配线机械来实现，以提高生产能力和效率。例如，机械臂的外观和驱动力通常与人类相似，并且能够作为人类操作员执行功能，但具有更强的鲁棒性、生产力、精度和效率。在相同的目标下，装配线通常将复杂的任务分解成更小的子任务，并根据设计的工作流程执行分步操作。

4.2.3 IIoT的基本性能特征

工业物联网的性能要求与面向消费者的物联网显着不同，特别是在时间、规模和可靠性方面。这三个基本的性能特征可以用循环时间（cycle time）、节点数和可靠性来描述。

循环时间：接收控制中心发出的命令、并将传感器数据发送到控制中心所需的时间。循环时间取决于不同的应用。例如，一般过程自动化的循环时间约为数百毫秒。

节点数：工作区中一个控制器覆盖的节点数，它表示了系统的大小。

可靠性：其特征在于信息传输的质量，可以使用包错误率（PER，Packet Error Rate）度量。显然，IIoT对可靠性的要求很高，例如，对一些工业环境，要求PER≤10-9。

4.3 IIoT的行业应用

除了显而易见的工厂自动化应用外，本节简要介绍工业物联网在几个行业中的应用。

4.3.1 智能电网

电网包括三个基本功能：电能的产生（发电）、传输和分配。对于传统电网，由于许多因素，如消费者的低效电器和缺乏智能技术、低效的电能输送路由和分配、不可靠的通信和监测，尤其是缺乏储能机制，使得电网存在巨大的能源浪费。此外，电网还面临其它一些挑战，包括不断增长的能源需求、可靠性、安全性、新兴的可再生能源和老化的基础设施问题等等。为解决上述诸多问题，基于信息处理和通信技术的智能电网（Smart Grid）便应运而生，而工业物联网在智能电网中将扮演重要的角色。IIoT通过提供智能设备或IoT设备（例如传感器，执行器和智能仪表等）来监控、跟踪、分析和控制，将极大地改善智能电网的效能和安全性等。

4.3.2 交通

工业物联网在运输和物流领域将发挥越来越重要的作用。随着越来越多的物体配备条形码、RFID标签或传感器，运输和物流公司可以实现从产地到整个供应链的移动运输实时监控。此外，IIoT有望为交通系统和汽车制造业的转型提供有前景的解决方案。工业互联网技术可以跟踪交通车辆的当前位置、监测其运动并预测其未来位置。其它的应用，例如使用无人驾驶海上交通工具监控海底状况、穿越海洋收集数据等等。

4.3.3 矿业安全生产

由于地下矿山的工作条件，矿山安全问题受到越来越多的重视。为了预防和减少矿山事故的发生，需要利用IIoT对矿山灾害信号进行感知，从而进行灾害预测预警，以提高地下生产安全水平。通过在地表和地下使用RFID和无线通信技术，可以追踪地下矿工的位置，并分析从传感器收集到的关键数据来加强安全措施。另外，可以使用化学和生物传感器对地下矿工进行早期疾病检测和诊断。这些化学和生物传感器可以从人体和器官中提取信息生物信息，并检测有害粉尘、有害气体和其它会引起事故的环境危害。

4.3.4 食品供应链

由于食品供应链FSC具有较大的地理和时间尺度、复杂的运营流程，因此，食品供应链具有分散性和复杂性等特点。这种复杂性给食品质量管理、运营效率和公共食品安全带来了诸多问题。IIoT可以精确跟踪食品生产、加工、储存、配送和消费的整个流程。未来的FSC系统将更加安全、高效、可持续。一个典型的FSC工业物联网解决方案包括三个部分：现场设备，如WSN节点、RFID阅读器/标签、用户界面终端等；由分布式计算机网络连接的数据库、服务器、各种软小型计算机等骨干系统；无线局域网、蜂窝网络、卫星、电力线通信、以太网等通信基础设施。由于工业互联网系统提供了无处不在的联网能力，所有这些元素都可以分布在整个FSC中。此外，IIoT还提供了有效的传感功能，以跟踪和监测粮食生产过程。

4.3.5 健康服务

基于工业物联网中无处不在的识别、传感和通信能力，医疗系统中的所有对象（人、设备、药物等）都可以被跟踪并持续监测。通过全球互联互通，所有与医疗保健相关的信息，包括物流、诊断、治疗、康复、药物、管理、财务甚至日常活动等，都可以被有效收集、管理和共享。例如，病人的心率可以由传感器收集，然后发送到医生的办公室。使用个人终端及移动互联网接入等，基于工业物联网的医疗服务可以更具移动性和个性化。