物聯(lián)網(wǎng)，為實(shí)施智能制造提供有力支撐

★本刊記者/曹銀平

物聯(lián)網(wǎng)，為實(shí)施智能制造提供有力支撐

★本刊記者/曹銀平

物聯(lián)網(wǎng)的核心概念是融合，是具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)作和自治等功能的統(tǒng)一體，其技術(shù)要點(diǎn)是物理進(jìn)程與計(jì)算進(jìn)程相互嵌入，在器件、系統(tǒng)、服務(wù)、全異網(wǎng)絡(luò)乃至控制系統(tǒng)等各個(gè)層面提供無縫的協(xié)同和連接。

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院院長劉飛教授

編者按：

隨著“全面感知”、萬物互聯(lián)的智能時(shí)代到來，物聯(lián)網(wǎng)作為超越虛擬世界與實(shí)體世界深度融合的全新體系，成為第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮、第四次工業(yè)革命的核心支撐，更被視作全球經(jīng)濟(jì)增長的新引擎。據(jù)預(yù)測未來幾年內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)量將會達(dá)數(shù)百億，一個(gè)全新的“萬物互聯(lián)”新世界即將到來。本期記者特別專訪了江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院院長劉飛教授，與他一起暢談智能制造背景下中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。

劉飛，男，1965年出生，浙江大學(xué)博士，現(xiàn)為江南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，先后擔(dān)任江南大學(xué)自動化研究所所長、通信與控制工程學(xué)院院長、物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院院長、輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。主要從事先進(jìn)控制理論及應(yīng)用、工業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控與診斷、過程工業(yè)智能裝備與控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)，是“工業(yè)感知與先進(jìn)控制”江蘇高等學(xué)校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。：您如何看待物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中國的應(yīng)用情況？中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)若想在未來取得更進(jìn)一步的發(fā)展，需要解決哪些問題？

物聯(lián)網(wǎng)概念緣起不是在中國，但物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的最大推動力無疑是中國。中國政府自2009年批準(zhǔn)無錫建設(shè)國家傳感網(wǎng)創(chuàng)新示范區(qū)，2010年將“物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”明確列入要大力培育的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，“物聯(lián)網(wǎng)”或稱“傳感網(wǎng)”逐漸進(jìn)入公眾視野，成為新一代信息技術(shù)的主要研究領(lǐng)域，也成為未來信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，可以預(yù)見將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。目前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在中國獲得政府、科研院所、企業(yè)的廣泛關(guān)注和參與，圍繞物聯(lián)網(wǎng)的政策探討、技術(shù)開發(fā)、學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用示范及推廣等都極其廣泛，事實(shí)上推動了信息技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)普及和蓬勃發(fā)展。但一般認(rèn)為尚未形成真正大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，究其原因，物聯(lián)網(wǎng)被用作承載眾多技術(shù)的“筐”，或與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)重疊，或被現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)覆蓋，模糊了其核心內(nèi)涵，外延豐富以及浮躁的繁榮反而弱化了產(chǎn)業(yè)內(nèi)生的創(chuàng)新動力。

物聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展應(yīng)該回歸初心，專注信息世界與物理世界的融合，在器件、系統(tǒng)、服務(wù)各個(gè)層面提供無縫的協(xié)同和連接，構(gòu)建融感知、智能、傳輸、控制于一體的信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System, CPS)，應(yīng)該在有機(jī)融合架構(gòu)下重新審視傳感器及儀表、通信與網(wǎng)絡(luò)、信息處理、人工智能、自動控制等技術(shù)，形成新的技術(shù)體系，而不是現(xiàn)有技術(shù)簡單組合。通俗地講，現(xiàn)有技術(shù)簡單組合只是實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的表象，只有當(dāng)嶄新的CPS體系結(jié)構(gòu)大大簡化、構(gòu)建成本大大降低，才是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)真正繁榮之時(shí)；當(dāng)然，中國眾多的應(yīng)用實(shí)踐為孕育CPS重大科學(xué)進(jìn)步和原理性突破提供了可能，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)能走在世界前列。

：您認(rèn)為未來中國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將在哪些領(lǐng)域有所突破？

在現(xiàn)有技術(shù)體系下，由互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)和云服務(wù)、低成本傳感器等核心技術(shù)的支撐，物聯(lián)網(wǎng)在中國已經(jīng)步入迅速發(fā)展的階段。從狹義的角度看物聯(lián)網(wǎng)，一些人關(guān)注的重點(diǎn)是“網(wǎng)”，主要是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)等，這方面國內(nèi)無論是研究還是應(yīng)用基本處于前列，特別在無線通信技術(shù)方面，開始改變Zigbee、Wi-Fi等短距離通信的瓶頸；例如，近期基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）就是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，其支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，覆蓋廣、功耗低、有海量連接能力、模塊成本較低，該技術(shù)的產(chǎn)品化目前還在進(jìn)行中，但國內(nèi)運(yùn)營商已經(jīng)在開始推動，這可能在一些垂直應(yīng)用行業(yè)帶來新突破。

從廣義角度看物聯(lián)網(wǎng)，關(guān)注重點(diǎn)應(yīng)是“物聯(lián)”，即通過信息與物理的融合實(shí)現(xiàn)物體的智能，進(jìn)而物—物互連，雖然在智能處理、集成應(yīng)用方面有所發(fā)展，但在各類微傳感器和執(zhí)行器、低功耗處理與傳輸?shù)确矫孢€有更廣闊的空間；在信息與物理的融合結(jié)構(gòu)（多尺度多層面）和融合理論方面尚待突破。

從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的角度，中國在公共領(lǐng)域服務(wù)、城市管理、交通、環(huán)保、醫(yī)療、安防等民生領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新將不斷取得成效；但稍加分析可以看到，很多應(yīng)用或是政府支持引導(dǎo)，或是互聯(lián)網(wǎng)廠商和移動運(yùn)營商推動，有些應(yīng)用屬于錦上添花；其實(shí)面廣量大的工業(yè)企業(yè)特別是制造業(yè)本身有競爭力提升的需求，需要雪中送炭。一直以來從氣動、電動儀表、DDC控制、DCS及現(xiàn)場總線，到MES/ERP/ CIMS等系統(tǒng)，檢測、控制、管理的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)不斷為企業(yè)發(fā)展服務(wù)，未來面向工業(yè)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)突破值得期待，比如，我國學(xué)術(shù)界已提出了工業(yè)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、流程工業(yè)知識自動化；最近美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟發(fā)布了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)V1.8版本。

：在您看來推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要動力是？

從國家層面推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，簡而言之就是大力促進(jìn)信息技術(shù)向社會生活和生產(chǎn)的方方面面滲透，因此物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展就不是網(wǎng)絡(luò)或信息技術(shù)問題，而是應(yīng)用驅(qū)動問題。其實(shí)我國物聯(lián)網(wǎng)概念的提出和推動，無論是面向社會管理和民生服務(wù)領(lǐng)域，還是面向工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力等國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，都體現(xiàn)出應(yīng)用驅(qū)動、示范引領(lǐng)的特點(diǎn)。

現(xiàn)在隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0、智能制造、人工智能、深度學(xué)習(xí)等新一代信息技術(shù)發(fā)展，也許有人認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)將被替代；其實(shí)不然，物聯(lián)網(wǎng)關(guān)注的是多學(xué)科多技術(shù)的本質(zhì)融合和集成應(yīng)用，上述各類新技術(shù)的發(fā)展恰恰為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供支撐和條件。應(yīng)該說人類借助物聯(lián)網(wǎng)，以更加精準(zhǔn)、智能和定制的方式生產(chǎn)和生活、工作和享受；人類拓展時(shí)空限制，向往更美好的生活，甚至讓工作變成生活的需要，正是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要動力。

：如今大家都在談?wù)撝悄苤圃?，您認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)將在這場制造業(yè)變革中發(fā)揮怎樣的作用？

我國堅(jiān)持倡導(dǎo)的工業(yè)化與信息化“兩化融合”，實(shí)際上為現(xiàn)階段我國制造業(yè)變革指明了方向，同時(shí)也為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了充足的動力。記得幾年前國家工業(yè)部門談起物聯(lián)網(wǎng)有一種說法，就是物聯(lián)網(wǎng)更加重視物與物之間的信息，傳感器采集信息后送給傳感網(wǎng)，經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)再由計(jì)算機(jī)對這些信息進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，發(fā)出指令，通過互聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)，再反饋到實(shí)際檢測的物理單元中，然后去控制和調(diào)整生產(chǎn)線。這就是說物聯(lián)網(wǎng)本身包含了智能制造的一些要素，如對物理單元、機(jī)器或生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)感知、智能計(jì)算、動態(tài)反饋及調(diào)整等；因此物聯(lián)網(wǎng)可以為實(shí)施智能制造提供有力支撐。

此前國家、江蘇省及無錫市等諸多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，都重點(diǎn)提出推進(jìn)智能工業(yè)、智能物流、智能電網(wǎng)等應(yīng)用示范工程，也是說明物聯(lián)網(wǎng)在制造業(yè)變革中的重要作用。理想的未來一個(gè)制造工廠本身應(yīng)該按照一個(gè)CPS來設(shè)計(jì)和運(yùn)行；而目前對已有制造企業(yè)的改造和升級，可通過物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)結(jié)合來實(shí)施，例如德國工業(yè)4.0側(cè)重離散工業(yè)領(lǐng)域，對于流程工業(yè)領(lǐng)域則有智能優(yōu)化制造的需要，這其中物聯(lián)網(wǎng)的思維、架構(gòu)和技術(shù)都將發(fā)揮作用。

：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對自動化技術(shù)/產(chǎn)品提出了哪些新要求？

自動化科學(xué)和技術(shù)發(fā)展伊始，即以作為對象的“物”為出發(fā)點(diǎn)，維納劃時(shí)代的著作《控制論——關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，就是研究機(jī)器、動物等“物體”中控制和通訊的一般規(guī)律的科學(xué)，其思想和方法已廣泛滲透到自然科學(xué)和社會科學(xué)各領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)被提出，其功能目標(biāo)與自動化有相似之處，由自動化技術(shù)再看物聯(lián)網(wǎng)，其“物—物”相聯(lián)的本質(zhì)也更加清晰；并且，自動化技術(shù)所包含的系統(tǒng)、決策、優(yōu)化、反饋等思想，也為物聯(lián)網(wǎng)下的各類技術(shù)集成和應(yīng)用提供了方法論和工具。事實(shí)上，我國自動化學(xué)科所包含的控制理論與工程、檢測技術(shù)及裝置、系統(tǒng)工程、模式識別與智能系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)等方向內(nèi)容，在不同程度上體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、智能、控制等要素。

當(dāng)然，自動化不等于物聯(lián)網(wǎng)，但物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，借助廉價(jià)及泛在的感知、通信及計(jì)算，一方面將開拓自動化技術(shù)的新領(lǐng)域，引發(fā)新應(yīng)用；在物聯(lián)網(wǎng)背景下自動化技術(shù)應(yīng)能回歸本源，與人或機(jī)器深度融合，與被控對象共同構(gòu)成CPS，比如，人與物依存的可穿戴設(shè)備，基于知識自動化的生產(chǎn)等。另一方面也將帶動自動化產(chǎn)品的新發(fā)展，如檢測和執(zhí)行單元的數(shù)字化、微型化、分散化、智能化等，未來自動化技術(shù)/產(chǎn)品將是一個(gè)充滿機(jī)會的領(lǐng)域。

：未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將呈現(xiàn)出怎樣的發(fā)展趨勢？您如何看物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展？

物聯(lián)網(wǎng)的核心概念是融合，是具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)作和自治等功能的統(tǒng)一體，其技術(shù)要點(diǎn)是物理進(jìn)程與計(jì)算進(jìn)程相互嵌入，在器件、系統(tǒng)、服務(wù)、全異網(wǎng)絡(luò)乃至控制系統(tǒng)等各個(gè)層面提供無縫的協(xié)同和連接。從理論研究方面看，相關(guān)論著發(fā)文量自2009年后開始逐步增長，到2013年以后增長明顯；未來的發(fā)展趨勢，希望逐步形成面向物聯(lián)網(wǎng)（或CPS）的新突破，比如，信息空間與物理空間的融合滲透于所有尺度和層面，信息空間中的計(jì)算、通信、控制，如何對傳統(tǒng)物理空間中的物進(jìn)行定義并特性分析；需要新的模型化工具將具有時(shí)空屬性的物理空間，與離散的無時(shí)空屬性的信息空間進(jìn)行關(guān)聯(lián)；物聯(lián)網(wǎng)（或CPS）運(yùn)行過程中的動態(tài)自治和重組機(jī)理，人—物和物—物互動模式，以及各層面的反饋機(jī)制需要探討；傳輸、控制與網(wǎng)絡(luò)的耦合架構(gòu)，是依賴于網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)制設(shè)計(jì)，還是傳輸和網(wǎng)絡(luò)需要控制？從技術(shù)層面看未來的發(fā)展，一些難題或問題也將逐步解決，諸如，物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是并發(fā)的，時(shí)間同步問題引起對硬件和軟件、操作系統(tǒng)和編程語言的關(guān)系的重新考慮；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下完備的功能測試不具可能性，由此引出CPS的可預(yù)測性問題；信息空間中信息本身和傳輸處理的安全可信問題也不可回避。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷最初的躁動期到平緩期，最近兩年增速明顯，主要原因一是物聯(lián)網(wǎng)本身特有的融合性、滲透性和擴(kuò)展性決定其對其它產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的帶動作用，物聯(lián)網(wǎng)成為其它產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的觸發(fā)器和其它產(chǎn)業(yè)升級的倍增器，由此受到政府、企業(yè)和社會的重視；二是與之相關(guān)的技術(shù)發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)提供支撐，諸如集成電路、MEMS、移動通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、新材料等；三是經(jīng)過前幾年物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的摸索，企業(yè)更加務(wù)實(shí)，開始尋找到產(chǎn)業(yè)落腳點(diǎn)和盈利點(diǎn)；四是物聯(lián)網(wǎng)人才積累和培養(yǎng)正發(fā)揮作用，高校院所及企業(yè)研發(fā)人員在不斷的應(yīng)用實(shí)踐中思考研究、學(xué)習(xí)提高，同時(shí)一批掌握新科技的畢業(yè)生逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)，以江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院為例，每年就有700多本科生和近300研究生畢業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)具備持續(xù)發(fā)展的條件，未來前景廣闊。AP