——工业物联网发展与应用探讨

文|陈志成

作者简介

陈志成，清华大学计算机学科博士后出站，英国布拉德福德大学访问学者。主要研究领域为：物联网与云计算、智能信息系统，重视跨学科领域的创新研究及应用实践。主持和参与多项课题，发表多篇论文，获得多项荣誉。先后担任北京邮电大学世纪学院计算机系学科带头人、教授；华为技术有限公司高级技术专家、软件飞虎队队长。现任中国人工智能学会基础专业委员会常务委员，中国通信学会云计算专家委员会委员，中国信息协会大数据分会理事，北京格分维科技有限公司总经理。

产业现状：达成共识并逐渐应用

近年来，国家政策大力扶持物联网，同时企业也在不断探索，从中国物联网产业发展过程来看，主要呈现如下几个特点：

认识层面：各行业专家对物联网的认识逐渐达成共识。物联网的概念起初是由美国、日本、欧洲等国家提出，这些国家的物流、智能家居做得较早，IBM提出了“智慧地球”的概念，我国2009年8月温家宝总理考察无锡时提出“感知中国”的概念。刚开始时，很多专家认为物联网的概念是虚的，不现实的；经过几年的发展，目前各个行业专家、各个地方政府都认识到了物联网是个很大的产业，它不仅仅是个概念和蓝图，只要结合到具体行业，物联网也是可以实际落地应用的。

政策层面：国内物联网发展的政策环境很好，可以说十分优越。自从2009年以来，国家层面、各个地方层面，均出台了很多政策来支持物联网技术的研究和产业化应用，很多地方都在建设物联网基地，尤其以无锡为代表的传感网基地，在政策和资金支持方面，力度很大，短短几年间成立了众多的物联网研究机构和公司企业，教育部也在2010年审批成立了“物联网工程”专业，首批几十所高校开办了这个专业，培养物联网人才。

技术层面：我国积极推进物联网自主基础技术研究。在物联网领域，我国技术研发攻关和创新能力在不断提升，尤其在传感器、M2M、RFID、工业控制等领域已经有明显进步，拥有一批具有自主知识产权的成果，其中部分技术已经实现产业应用；在物联网的通用基础架构、数据定义、语义分析、网络安全等方面也正在加紧研发布局。

应用层面：物联网产业体系正在逐步形成，应用发展进入实质性推进阶段。经过从2009年到2014的5年发展，目前物联网技术已经进入实质性应用阶段，比如智能家居、交通运输网、农业物联网、智能电网等。智慧城市将是物联网应用的承载体。随着应用的发展，产业体系也在逐步形成，以车联网为例，其产业链上下游涉及：传感器生产商、汽车厂家、4S店、保险公司、交通运输局、通信运营商、旅游公司、移动APP软件企业等，目前正在形成车联网产业链。

标准层面：物联网标准正在形成但仍不成体系。大家知道，从国家层面来讲，制定标准意味着占据话语权，从应用层面来讲，标准是实现互通互联的基础。我国在RFID和传感器的具体技术特征方面已经有比较完善的标准，但是在整个物联网的数据采集、通信协议、服务接口等方面，由于不同行业不同企业当前的信息化程度不同，即使在同一行业内，至今仍没有形成统一的标准体系。

发展趋势：与传统产业深度融合加剧

物联网与传统产业的深度融合正在加剧，在工业领域方面，物联网发展具有如下趋势 。

物联网与行业应用相结合的发展趋势。物联网是个总体概念，要充分发挥其作用，必须要与具体行业相结合，把物联网的理念、架构、技术应用于具体行业中，如：医联网、车联网、农联网、工业物联网等。

物联网加速了传统企业的网络化与移动化趋势。在网络信息时代，传统产业中的各种设备需要联网，以便有效地进行设备状态监控、数据分析、优化管理。同时，在移动互联网时代，这也使得其移动应用越来越多，企业领导可以通过手机来了解工厂的生产状况。

物联网与云计算结合的平台化趋势。云计算技术的出现，使得物联网向平台化方向发展。企业从进货——生产——数据采集——传输——存储——销售——服务的整个过程来看，很多行业均在开发自己的生产管理平台、电子商务平台。

物联网标准向具体行业领域发展趋势。物联网标准体系是一个渐进发展并成熟的过程，将呈现从成熟行业的应用方案中提炼出行业标准，以行业标准带动关键技术标准，逐步演进形成标准化体系的趋势。

物联网与互联网和大数据结合衍生创新商业模式的趋势。与大数据结合，物联网更能够充分体现其数据采集与分析的作用。如：通过GPS位置信息来分析人群流动，有针对性的推送不同的广告和服务，这个方面的发展空间很大。

产业升级：智造时代的未来已来

对于工业4.0概念而言，物联网至关重要，把该技术应用于工业流程型企业中，将带来生产和生活方式的深刻变革，生产企业已经开始向“智能制造”升级过渡，我们可以说：智能制造时代，未来已来。

从社会发展进程来看，已经开始迈入智能时代。人类社会的发展历经了农业材料时代、工业能源时代、电子信息时代，当前是大家公认的信息社会时代，互联网时代。在工业领域，目前也经历了三个时代：

一是基于蒸汽机驱动的机械与能源时代；

二是基于电力驱动的大规模生产时代；

三是基于电子信息技术的生产流程自动化时代。

随着人工智能与自动化及机器人技术在工业领域的应用，生产流程型企业已经逐步开始改造升级，迈向智能制造时代。

从中国人口红利减少来看，倒逼企业智能化升级。大家都知道，长三角、珠三角的众多企业，在较长一段时期内依靠中国的人口红利来发展，但是随着最近几年劳动力成本的快速提高、以及西部地区人口回流，导致很多工厂企业出现了“用工荒、用工难、成本高、纠纷多”等问题，这使得企业不得不淘汰落后设备，引进新的自动化设备，以此提升企业生产效率，保持行业竞争力。

从国内外自动化技术发展来看，基本具备了升级的基础。近些年来，无论是国外还是国内，先进制造技术与分布式控制技术等关键技术被逐渐突破，并开始逐渐应用。机器人技术逐渐开始普及，生产成本也大大降低，这为企业的自动化升级改造提供了条件，可以说当前初步具备了升级改造的基础。

从政府政策角度来看，为企业升级改造提供了有力支持。从2013年开始，为了有效促进企业的改造升级，长三角、珠三角的若干地区和省份相继出台了相关政策，对企业升级改造提供政策上的保障和资金上的扶持。浙江省提出了“机器换人”和“三个5工程”，即在5年之内拿出5000亿元资金，每年支持5000个项目，以帮助企业实施“机器换人”和升级改造，并于2013年9月发布了《关于开展企业“机联网”工程建设的意见》。广东东莞市政府于2014年8月发布了《东莞市推进企业“机器换人”行动计划（2014－2016年）》，印发了《东莞市“机器换人”专项资金管理办法》，设立“机器换人”专项扶持资金，积极推动“科技、金融、产业三融合”在“机器换人”中的有效实施，促进企业进口先进生产设备，支持本地工业机器人智能装备研发生产。在重庆、沈阳等地，目前也正在积极推进机器换人项目，这些都为工业企业的升级改造提供了良好的政策环境和资金支持。

从企业角度来看，需要做哪些工作呢？为推动工业转型升级，除了政策之外，从企业自身角度出发，主要从这几个方面来创新和提升：

一是行业信息化人才的培养，需要把行业专家与信息化专家结合起来，开展针对性的专题培训，从认识上、技术上都转变升级。

二是设备自动化水平的提高，要提高工业机械设备的自动化水平，比如研发适合本企业工艺流程的DCS分布式实时控制系统。

三是各个单点技术的突破，比如工业设备互联协议、云计算技术、大数据分析技术、满足具体场景和需求的高精度要求技术等。

解决方案：顶层设计与具体方案相结合

在推进工业物联网过程中，需要从高处着眼、低处着手，顶层设计与具体实施方案相结合。在总体设计中，需要给出机器设备联网及云计算服务平台的整体解决方案。

工业物联网分为三层结构，最下层是机联网层，即机器设备的传感器与数据采集层、中间层是网络服务与云平台层、最上层是终端应用层。在工业物联网的具体实施过程中，还有许多软硬件系统需要研发，主要包含如下方面。

7项关键技术：机联网协议和物联网、云计算、大数据、空间信息、多维呈现、移动终端技术。

3项标准协议：机联网通信协议标准、行业企业数据组织标准、云应用服务接口标准。

3类硬件设备：新型传感器研发、融合通信智能网关研发、云服务安全认知设备。

6个软件子系统：机器联网管理子系统、云基础设置服务子系统、设备网络管理子系统、应用集成服务子系统、大数据分析子系统、终端应用服务子系统。

综合这些软硬件系统才能组成工业物联网的总体解决方案。

传感器是工业物联网数据采集的重要入口。传感器的主要作用是监控和采集数据，对工厂设备运行状态进行监控，并实时或定时采集相关数据，并传输给网关，通过网关把数据传输到后台数据中心和云服务平台。

不同行业不同工位需要的传感器可能不同，有些地方只需安装摄像头进行监控就可以了，有些工作环节则需要安装压力传感器、温度传感器等，有些地方则需要GPS定位信息等。比如：汽车、钢铁、机械、电子等行业的数控机床参数检测控制传感器；纺织、服装、塑料、化工等领域的专用耐腐蚀传感器等；工厂大型设备和辅助设备能耗监控的智能电表传感器等。

我国的传感器技术研究早，进展快，早在物联网概念提出之前，我国就在研究传感器技术，RFID技术等，只是当时没有现在这样普及，近几年发展更加迅速，这为我国物联网的应用奠定了良好的基础。

云计算是工业物联网的重要服务平台。在工业物联网中，云计算平台所承载的主要功能是三个方面，覆盖了IaaS(基础设施服务)、PaaS(平台即服务)、SaaS(应用软件即服务)：一是提供基础设施，支持云存储，采集的数据统一保存到服务器上；二是云计算，即网络计算，通过对数据的综合分析，进行动态的资源调配、按需服务；三是提供应用软件服务，在平台上面提供各种功能的软件模块、应用程序等，企业客户可以根据各自需要选择服务。以电信行业的云计算机房和服务器为例：全国各地这么多人都用手机，手机与基站时时刻刻保持着通讯连接，手机可以把分布式的位置信息、电话信息等发送到云平台服务器上，云平台经过综合分析，可以做出适当的调整，进行业务流的负荷分担。比如朝夕效应，白天大家都在中关村上班，中关村基站很忙，而居住区回龙观的基站很空闲，则云服务器可以把电话和流量的业务处理转交给回龙观的服务器处理，晚上相反。这就是负载均衡，即云计算对业务的动态迁移。

大数据分析为工艺流程的优化控制提供重要决策依据。大数据处于云计算平台层，大数据是实现工业智能化的关键技术之一，可以说必不可少。大数据的作用在于：通过对企业数据，包括工厂内的各机床运行状态、各工序占用时间、企业户外设备的工作状态等的分析，在局域范围内，实现对机器设备的实时反馈控制；在全局范围内，通过输出各种可视化图表，为企业领导给出工艺流程优化和企业管理的建议。

基于大数据的工业物联网系统已经在部分领域得到实际应用，目前在电信行业、钢铁行业、石油矿井行业、物流运输等行业，物联网与大数据结合的系统已经有所应用。在电信机房中，实现了动力环境监测、设备实时业务量监控、分析、负荷分担，主设备与空调设备的能耗监控与自动控制。在一些钢铁厂与水泥厂中，实现了DCS分布式实时反馈、工艺流程监控及优化、各设备能耗监控与管理。在石油矿井行业中，实现了基于工业物联网协议与因特网相结合的远程石油数据及现场图像的采集、传输、分析、告警等。在物流运输行业中，通过RFID标识技术实现了对集装箱的自动货物清点，通过运输车辆GPS位置信息，实现了货车运输的联网调度，避免往返空车浪费等。

行业标准：还需进一步统一

经过前几年对物联网概念的普及，可以说目前已经跨越了概念导入期，正在开始与行业结合，逐步应用，但是，在机器联网通信协议、数据格式、服务接口等方面，目前尚未形成统一的标准体系。

由于不同行业不同企业的信息化程度不同，导致标准难以形成。尽管国内外也有不少的标准研究机构和组织，但当前确实还没有成熟的技术标准、以及应用服务的标准。目前工业无线领域形成了ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA等三个标准共存的局面，由此带来了标准之间互通性差、多标准支持设备研发周期长、成本高等问题。为此，以NAMUR为首的用户组织经过研究发布了NE133报告，希望三种工业无线国际标准能够融合为单一的标准，我国的重庆邮电大学、北科大，中科院等单位参与。

就物联网整体产业而言，应该说当前正在逐步进入实质性应用阶段。建议优先在技术产业相对成熟、发展潜力大的领域开展应用推广工作，以规模化的物联网应用市场带动技术、标准、产业、政策等进一步完善。在行业应用实践中提炼出行业标准。

针对工业物联网而言，还需要加强三个方面的标准研究：一是M2M机联网通讯协议标准，即工厂车间内不同设备与传感器之间的通讯协议标准，要求支持设备的动态拔插、动态设备类型识别等；二是行业大数据的组织结构标准，针对同一行业，建议从政府监管需求和企业实际出发，自上而下和自下而上相结合，归纳制定出行业大数据的组织标准，包括采集哪些数据项目、如何打包传输、如何结构化和非结构化存储等；三是云应用服务接口标准，企业哪些数据是私有的，哪些是需要对外公开的，政府和第三方企业如何访问共享数据，服务器需要提供哪些接口，这些都是需要研究的问题。

系统安全：政企监管应到位

安全是互联网连接工业系统的一个关键问题。戴尔公司作为工业互联网联盟的一员，突出强调了工业互联网的安全问题，在其IIoT(工业物联网)战略列表顶部列出的就是安全性问题。我国很多企业从国外引进生产制造设备，在不掌握核心技术的情况下，要特别重视加强系统安全性的检测，政府在此方面也应该出台相应的监管措施。

安全始终是工业物联网不可轻视的重要问题。在工业领域中，由于很多生产环节涉及到企业的私有数据，各企业在实施升级改造过程中，需要考虑整个系统的安全性。正如PC机上的电脑病毒一样，在工业嵌入式系统中，也存在一些病毒入侵的案例。工业攻击的威胁越来越严重，在很多SCADA系统中，曾发现类似BlackEnergy的恶意软件。

企业层面应建立完善的安全管理机制。针对工业流程型企业，建议从如下方面加强安全管理：首先：建立健全网络安全管理、检查、评估机制； 第二：在能满足功能的前提下，尽量采用具有自主知识产权的底层嵌入式系统、通信协议、接口标准；第三：在物联网的各个环节(信息采集、传输、存储、处理、销售、服务等)均安装相应的安全监测工具，软硬件防火墙等。

政府层面应成立工业网络安全方面的专业机构，对特定网络设备实施网络许可制度。对于涉及国计民生的重要领域，需要制定相应的安全测评、应急预案；需要做好网络边界、基础设施、应用系统、桌面终端等相互之间的信息安全状态监测、预警、防护；需要强化信息产品和服务的信息安全检测和认证。比如：针对工业机器人而言，大批工厂引进国外的机器人，很多机器人都是可以联网的，我们就需要了解其中的网络通信协议、数据传输格式，也需要对机器人底层系统进行检测，是否存在漏洞等，避免数据发送给情报机构，或者数据保存在某个不知道的地方，等到厂家维修时偷偷把数据拷贝拿走等。当前我国的机器人销售和购买都是企业及个人的私人行为，还没有政府强制性的要求，今后随着机器人的大批量进口和使用，很有必要成立一个机器人系统安全检测专业机构，就像手机一样，每台连接入网的自动化设备及其传感器，都需要获取进网许可证，否则不能联网。

随着我国“两化”融合的推进、物联网技术的快速发展及其在各行业的实践应用，发达地区的工业流程型生产企业正在加速进行升级改造，这是社会发展的必然趋势，也是技术进步的必然结果，我们唯有敞开胸怀，拥抱它的到来，接受它的挑战，并在痛苦之后享受变革所带来的成果与喜悦。