基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用實(shí)踐

楊靈運(yùn) 鄧生雄 張昌福 王文宣

[摘 ? ?要] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為國家推進(jìn)“中國制造2025”的主要方向，是制造強(qiáng)國和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國的重要支撐。然而，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新興技術(shù)，受限于建設(shè)可借鑒經(jīng)驗(yàn)少、實(shí)踐路線和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范欠缺等方面因素，國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)普遍存在建設(shè)應(yīng)用進(jìn)度緩慢等問題。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺核心競爭力的關(guān)鍵。文章提出一套以設(shè)備聯(lián)網(wǎng)為依托，以PaaS平臺為核心的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐架構(gòu)，基本明確了平臺宏觀架構(gòu)和解決了開放靈活的實(shí)施應(yīng)用問題。平臺在貴州省區(qū)域正得到積極的推廣和試用，希望可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供可行的參考。

[關(guān)鍵詞] 設(shè)備聯(lián)網(wǎng);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);微服務(wù)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 23. 063

[中圖分類號] G645;TP311 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2019）23- 0147- 03

0 ? ? ?前 ? ?言

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為推動制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、發(fā)展實(shí)體經(jīng)濟(jì)的新型基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是實(shí)體經(jīng)濟(jì)全要素連接的樞紐、資源配置的中心和智能制造的大腦，是我國工業(yè)實(shí)現(xiàn)換道超車的重要機(jī)遇[1]。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)和應(yīng)用實(shí)踐中，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)及云化智能管理，技術(shù)層級覆蓋了IIOT、IaaS、PaaS和SaaS，應(yīng)用層級涵蓋邊緣計算、數(shù)據(jù)存儲、建模預(yù)測分析、設(shè)備工控信息安全等，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心和關(guān)鍵技術(shù)之一。誠然，實(shí)現(xiàn)和普及設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，是工業(yè)制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)和運(yùn)營者實(shí)現(xiàn)合理高效運(yùn)營和推廣的關(guān)鍵手段和過程[2]。

1 ? ? ?設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的意義、挑戰(zhàn)及分析

1.1 ? 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的重要意義

設(shè)備聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)制造業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化、數(shù)字化、智能化的關(guān)鍵，也是推進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心，通過設(shè)備聯(lián)網(wǎng)可推進(jìn)企業(yè)在生產(chǎn)制造和運(yùn)營等環(huán)節(jié)的有效管控，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化利用及預(yù)測性維護(hù)、企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)決策、運(yùn)營及營銷等工作提供全方面、多維度的依據(jù)和參考[3]。在生產(chǎn)制造方面，一是實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源共享，盤活企業(yè)設(shè)備資產(chǎn)，提升資產(chǎn)利用率;二是實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)測性維護(hù)，縮短設(shè)備宕機(jī)時間，降低設(shè)備故障給企業(yè)帶來的生產(chǎn)影響;三是利用在線分發(fā)和版本控制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)研發(fā)和制造管理協(xié)同，加速企業(yè)設(shè)計研發(fā)。在業(yè)務(wù)運(yùn)營方面，一是實(shí)現(xiàn)企業(yè)設(shè)計、銷售等全生命周期的管控和提高生產(chǎn)運(yùn)營效率，優(yōu)化生產(chǎn)流程及規(guī)避“接私活”隱患;二是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備數(shù)據(jù)應(yīng)用，賦能人力資源;三是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備遠(yuǎn)程診斷、故障處理，以及多人協(xié)同式操控;四是通過多維度設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)采集和挖掘分析，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)營銷。

1.2 ? 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的問題和挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為業(yè)內(nèi)焦點(diǎn)，但也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)[4]。一是平臺及工控安全不可控，針對紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還缺乏可行的安全解決方案有效防御和解除攻擊[5];二是平臺規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不同統(tǒng)一，盡管工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺迎來了“百花齊放，百家爭鳴”的局面，但各自建設(shè)的API接口、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)備網(wǎng)關(guān)等互通共享難，開放性、可拓展性較差[6];三是設(shè)備和傳感器投入成本高，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行大量傳感器和、設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和存儲都是企業(yè)的消耗[7];四是設(shè)備和平臺請求及響應(yīng)延時性比較高，用戶體驗(yàn)較差，5G技術(shù)在硬件加速、平臺分布式、數(shù)據(jù)分布式等方面有一定普及和應(yīng)用前景[8]。

1.3 ? 本文設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)分析

實(shí)際來看，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)和發(fā)展正在國家和各省區(qū)的政策制度的指引下得到一定推進(jìn)，處于方興未艾的狀態(tài)，還需行業(yè)領(lǐng)域的領(lǐng)航者積極去推動整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全向前發(fā)展。對于領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用、平臺的開發(fā)打造、網(wǎng)絡(luò)及安全的性能提升和保障等都一定程度上因可借鑒經(jīng)驗(yàn)少、行業(yè)領(lǐng)域解決方案輸出能力欠缺、中小微企業(yè)本身信息化數(shù)字化水平偏低等原因受到牽制和影響。本文結(jié)合實(shí)際區(qū)域工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的建設(shè)情況，提出了一個實(shí)踐架構(gòu)模型，不斷探索和試錯容錯的方式來為平臺建設(shè)提供參考，力求為區(qū)域行業(yè)領(lǐng)域企業(yè)提供平臺級線上+線下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

2 ? ? ?設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐架構(gòu)模型

基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺基礎(chǔ)，以平臺IIOT、IaaS、DaaS、PaaS和SaaS全覆蓋的業(yè)務(wù)和服務(wù)為目標(biāo)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)IOT系統(tǒng)的、面向電子信息行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)踐架構(gòu)，見圖1，通過平臺的服務(wù)和能力積極帶動電子信息企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化管理，為大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合、企業(yè)上云提供支撐。

結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺各層次相關(guān)技術(shù)，整合集成和規(guī)劃布局了平臺架構(gòu)、技術(shù)、服務(wù)及應(yīng)用主要包含如下：

（1）在底層實(shí)施設(shè)備、系統(tǒng)、企業(yè)的上云，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)、邊緣計算技術(shù)、系統(tǒng)交互API等采集其（非）啞設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)等關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)、系統(tǒng)核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)。

（2）利用計算資源、云基礎(chǔ)設(shè)施、存儲資源，以分布式云存儲方式進(jìn)行對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚存儲和備份，進(jìn)一步面向數(shù)據(jù)分析等提供DaaS的關(guān)鍵數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）打造PaaS運(yùn)行環(huán)境及數(shù)據(jù)分析關(guān)鍵能力，利用彈性伸縮、容器編排、微服務(wù)治理、中間件構(gòu)建容器和運(yùn)行環(huán)境，運(yùn)用行業(yè)領(lǐng)域機(jī)理模型、分布式技術(shù)和人工智能等構(gòu)建相關(guān)技術(shù)及業(yè)務(wù)服務(wù)，提供PaaS級組件和平臺服務(wù)。

（4）通過各類關(guān)鍵業(yè)務(wù)API接口、微服務(wù)組件，為工業(yè)生態(tài)APP提供業(yè)務(wù)及功能保障，不斷豐富和完善行業(yè)APP，并面向其行業(yè)用戶提供生產(chǎn)制造、管理經(jīng)營等生命周期的SaaS服務(wù)。

以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為核心依托，面向全產(chǎn)業(yè)鏈的企業(yè)提供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)，提升產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與資源優(yōu)化配置能力，形成行業(yè)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、服務(wù)型制造新模式，樹立行業(yè)標(biāo)桿，加速推進(jìn)企業(yè)工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展。本文設(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)及技術(shù)分析如下：

（1）微服務(wù)架構(gòu)及大數(shù)據(jù)分析模型。以微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)作為PaaS物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，充分、便捷地支持設(shè)備及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在申請和授權(quán)下可以快速進(jìn)行上下行操作，加速用戶和開發(fā)者對其設(shè)備或數(shù)據(jù)的管理及研究。同時也為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)二次開發(fā)和快速構(gòu)建定制化、個性化APP提供有力保障。集成和構(gòu)建大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)算法組件，通過設(shè)備歷史/實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的ETL后，開展訓(xùn)練學(xué)習(xí)和預(yù)測分析工作，進(jìn)一步豐富行業(yè)領(lǐng)域設(shè)備算法機(jī)理模型提供支撐，加速企業(yè)對設(shè)備相關(guān)業(yè)務(wù)的智能化管理。

（2）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。支持邊緣計算功能，視頻H265壓縮算法、GPS+北斗雙模定位技術(shù)、全網(wǎng)通4G網(wǎng)絡(luò)等。支持CAN、RS485、IO總線等數(shù)據(jù)采集方式，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙和Wi-Fi無線信號傳輸;支持智能電源管理，提供低功耗休眠管理功能;內(nèi)嵌JavaScript引擎支持定制化應(yīng)用的開發(fā)。適用于作業(yè)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端控制指令的轉(zhuǎn)發(fā)，支持對智能終端硬件進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試、升級和測試等操作。

（3）規(guī)則引擎。物聯(lián)網(wǎng)規(guī)則引擎可高度定制和配置的數(shù)據(jù)組件，用于復(fù)雜的事件處理。使用規(guī)則引擎可以過濾，增強(qiáng)和轉(zhuǎn)換由物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)傳入的消息，同時還可以觸發(fā)各種聯(lián)動操作，如通知或與外部系統(tǒng)通信。

（4）時間序列數(shù)據(jù)庫。時序序列數(shù)據(jù)庫通過使用特殊的存儲方式，可高效存儲和快速處理海量時序數(shù)據(jù)，相對于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，其存儲空間可減半，查詢速度極大提高。

本文以區(qū)域工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為核心，整合和開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)IoT系統(tǒng)，以微服務(wù)開放架構(gòu)，打造建設(shè)PaaS層數(shù)據(jù)采集和分析、大數(shù)據(jù)模型組件、應(yīng)用管理環(huán)境、APP快速開發(fā)接口與組件，并面向企業(yè)、開發(fā)者提供SaaS層的綜合業(yè)務(wù)服務(wù)，面向行業(yè)領(lǐng)域、企業(yè)和用戶初步實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，已基本具備可行、可復(fù)制和可推廣的能力和支撐保障。

3 ? ? ?結(jié) ? ?語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺及設(shè)備聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的初衷和使命就是基于IIOT、IaaS、PaaS、SaaS等相關(guān)技術(shù)和理念研究和應(yīng)用，不斷打造和完善面向區(qū)域行業(yè)的、覆蓋全技術(shù)層次和全生命周期業(yè)務(wù)流程的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，以微服務(wù)、開放開發(fā)、機(jī)制模型、工業(yè)APP等多種技術(shù)和形式，提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、個性定制等綜合服務(wù)。后續(xù)將依托設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合工業(yè)信息安全、標(biāo)識解析的研究和應(yīng)用，一是進(jìn)一步研究、開發(fā)平臺級技術(shù)和應(yīng)用服務(wù)，保障和提升用戶體驗(yàn);二是大力發(fā)展平臺—網(wǎng)絡(luò)—安全協(xié)同、配套的能力建設(shè)和應(yīng)用，為打造可用好用的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供支撐。

主要參考文獻(xiàn)

[1]中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺標(biāo)準(zhǔn)化白皮書（2018）[Z].2018.

[2]呂弢華. NB-IoT在物聯(lián)網(wǎng)中部署重要性的探討[J]. 中國新通信，2017，19（8）：78-78.

[3]ATZORI，Luigi，IERA，et al. The Internet of Things：A Survey[J]. Computer Networks，2010，54（15）：2787-2805.

[4]Alharbi S， Rodriguez P， Maharaja R， et al. Secure the Internet of Things with Challenge Response Authentication in Fog Computing[C]// IEEE International Performance Computing & Communications Conference， 2017.

[5]張遠(yuǎn)晶，畢然. 我國物聯(lián)網(wǎng)安全及解決方案研究[J]. 信息通信技術(shù)與政策，2019，296（2）：35-39.

[6]王合. 物聯(lián)網(wǎng)安全體系和關(guān)鍵技術(shù)探索[J]. 數(shù)字通信世界， 2019（2）：108.

[7]趙廣曄. 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中的成本研究[J]. 中國電子商務(wù)， 2014（9）：53.

[8]王毅，王雨晗. 物聯(lián)網(wǎng)時代5G發(fā)展的挑戰(zhàn)與思考[J]. 廣西通信技術(shù)，2018，131（2）：5-8.