工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展挑戰(zhàn)

湯敏賢 史勇民 李日南

一、引言

在過去幾十年中，無線通信技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用奠定了最基本技術(shù)基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)作為一種技術(shù)范式最早是由Kevin Ashton于1998年提出，其主要內(nèi)涵是在人人互聯(lián)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將各種事物或?qū)ο筮B接到互聯(lián)網(wǎng)上。目前，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、醫(yī)療保健、交通和環(huán)境等許多應(yīng)用場(chǎng)景中得到了廣泛的應(yīng)用，而在同樣甚至更加重要的工業(yè)領(lǐng)域，基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)在線的傳感監(jiān)測(cè)和更加高效的控制，有效降低了成本，提升了效率，為工業(yè)發(fā)展帶來革命性的變革，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT） 的概念應(yīng)運(yùn)而生。IIoT系統(tǒng)在工業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、制造和銷售以及后續(xù)的全流程中收集和分析大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于改善工業(yè)系統(tǒng)的整體性能，提供各種類型的服務(wù)，同時(shí)有效降低了工業(yè)系統(tǒng)的資本支出和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

在工業(yè)化信息化兩者結(jié)合不斷演進(jìn)的過程中，學(xué)界、工業(yè)界提出了許多類似的術(shù)語和概念來描述工業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)概念，例如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能制造等。所有這些術(shù)語背后的核心概念是使用先進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用（例如物聯(lián)網(wǎng)、5G、云計(jì)算、邊緣/霧計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等）專門針對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行優(yōu)化。

（一）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是智能化、高度連接的工業(yè)組件網(wǎng)絡(luò)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控、高效管理來控制工業(yè)流程、資產(chǎn)和操作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率和降低運(yùn)營(yíng)成本。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)子集，它需要更高級(jí)別的安全、可靠通信、處理和控制，確保整個(gè)工業(yè)流程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（二） 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的特征

IIoT致力于有效改善制造業(yè)、物流、能源和航空等典型工業(yè)場(chǎng)景， 通過小型環(huán)境傳感器、敏捷型供應(yīng)鏈監(jiān)控和智能化數(shù)據(jù)分析等一系列工具和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的業(yè)務(wù)決策以獲取競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。IIoT主要表現(xiàn)為四大特征：一是智能感知。IIoT通過聲光電磁等各類傳感器技術(shù)，直接獲取產(chǎn)品從研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)輸直到銷售至終端用戶使用的各個(gè)階段信息數(shù)據(jù)。二是互聯(lián)互通。IIoT通過各類不同協(xié)議的專用網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相連的方式，使工業(yè)過程中各個(gè)階段、各類設(shè)備的信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確無誤傳遞出去。IIoT注重低延時(shí)、低帶寬和低功耗的通信能力，同時(shí)更注重?cái)?shù)據(jù)交互。三是智能處理。IIoT利用云計(jì)算、云存儲(chǔ)、模糊識(shí)別及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能計(jì)算技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，構(gòu)建工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)，深挖數(shù)據(jù)的價(jià)值。四是自我迭代。IIoT通過將工業(yè)資源數(shù)據(jù)處理、分析和存儲(chǔ)，形成有效的可繼承的知識(shí)庫、模型庫和資源庫，經(jīng)過不斷迭代自我優(yōu)化，不斷完善決策和控制能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的效率優(yōu)化。

二、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

IIoT核心支柱是通過大量新興關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同、融合、創(chuàng)新，來實(shí)現(xiàn)其核心功能并不斷優(yōu)化和拓展，這些技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、人工智能、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互（H2M）和M2M通信等等。

（一）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

在工業(yè)場(chǎng)景下，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)。作為 IIoT 的最基礎(chǔ)的組件，這些IoT設(shè)備可實(shí)現(xiàn)全球工廠狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤。通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控從原材料開始到成品結(jié)束的整個(gè)過程，可以顯著降低人工成本，縮減不必要的手動(dòng)管理環(huán)節(jié)。在一個(gè)完整的 IIoT系統(tǒng)中， IoT 設(shè)備部署在從倉庫到生產(chǎn)設(shè)施和配送中心的所有工廠設(shè)施中，除了設(shè)備本身的可靠性、互聯(lián)互通能力之外，這些設(shè)備的配置、部署、監(jiān)控和維護(hù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要高素質(zhì)的技術(shù)人員。

（二）區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)菍?IIoT 從理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的最重要技術(shù)之一。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在金融、醫(yī)療保健、供應(yīng)鏈、汽車保險(xiǎn)等各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)是多用途的，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)而用于設(shè)備性能監(jiān)控、異常檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)、資產(chǎn)監(jiān)控、從原材料到成品再到交付給最終消費(fèi)者的整個(gè)產(chǎn)品生命周期的跟蹤。在這個(gè)過程中，如何以安全的方式與 IIoT 系統(tǒng)中涉及的所有實(shí)體共享這些重要數(shù)據(jù)是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。而區(qū)塊鏈技術(shù)的獨(dú)特特性，如分布式、可追溯性、可生存性、信任、防篡改、安全性和固定的數(shù)據(jù)來源，使其適用于 IIoT。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備固件更新和訪問控制。

（三）云計(jì)算

IIoT 中不斷累積的大量數(shù)據(jù)需要高度分布式的高性能計(jì)算系統(tǒng)來管理、處理、分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。云計(jì)算技術(shù)為 IIoT 系統(tǒng)中的所有設(shè)施提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)。所有連接的設(shè)備和應(yīng)用程序都直接與云平臺(tái)連接。云服務(wù)模式可以私有（由 IIoT 員工單獨(dú)擁有和管理）、公共（由第三方云供應(yīng)商單獨(dú)擁有和管理）或混合（混合使用兩種服務(wù)模型）。由于建立數(shù)據(jù)中心和招聘技術(shù)人員需要高額支出，因此私有云服務(wù)模式對(duì)于新進(jìn)入者或中小型企業(yè)來說不是可行的選擇。而對(duì)于大型和成熟的跨國(guó)企業(yè)，則更偏向于部署私有云，以確保安全、保密和隱私。

（四）大數(shù)據(jù)技術(shù)

IIoT 中的設(shè)備和系統(tǒng)生成的大量數(shù)據(jù)流，需要高度復(fù)雜的高性能計(jì)算系統(tǒng)來進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理和分析?？紤]到IIoT 系統(tǒng)中的延遲和實(shí)時(shí)性，指定何時(shí)、如何以及在何處處理和分析這些龐大的數(shù)據(jù)是非常具有挑戰(zhàn)性的。為了全面協(xié)調(diào)大數(shù)據(jù)分析服務(wù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)啟用了不同的技術(shù)來進(jìn)行大數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、管理、處理和分析。數(shù)據(jù)收集技術(shù)提供了大量數(shù)據(jù)源的連接器，包括傳感器、智能設(shè)備、機(jī)載數(shù)據(jù)收集器、支持網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)源和 IIoT 系統(tǒng)中的人機(jī)互動(dòng)等。同樣，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了云環(huán)境中的機(jī)載、內(nèi)部、網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)能夠處理傳感器附近、邊緣服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心中的大數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析技術(shù)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中不同層的數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析提供了不同的工具。復(fù)雜的大數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)也將在下一代 IIoT 系統(tǒng)中發(fā)揮著主要作用。

（五）人工智能（A I）與物理信息融合系統(tǒng)（CPS）

人工智能技術(shù)確保工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)自主和智能地運(yùn)行，以最大限度地減少人為干預(yù)并提高效率。此外，通過啟用不同的搜索、優(yōu)化和預(yù)測(cè)算法，智能被嵌入到 IIoT系統(tǒng)的各個(gè)層，從傳感器到設(shè)備，再到邊緣服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心。為了最大限度地減少人力和干預(yù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)賦能不同的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，如制造系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人。CPS 的本質(zhì)在于板載嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，它使不同的傳感器和執(zhí)行器能夠在工業(yè)環(huán)境中運(yùn)行。這些板載嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還促進(jìn)了自主操作的智能數(shù)據(jù)處理，并提高了IIoT 系統(tǒng)的效率。

（六）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR） 與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 技術(shù)有助于在復(fù)雜的操作中幫助工業(yè)工人，例如組裝/拆卸機(jī)器、復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品和關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)。AR 技術(shù)能夠在操作期間監(jiān)控工人和機(jī)器，并立即生成更改或通知，以最大程度地減少錯(cuò)誤。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR） 技術(shù)有助于在 IIoT 系統(tǒng)中實(shí)際實(shí)施之前對(duì)工業(yè)功能和模塊的配置和重新配置進(jìn)行可視化。VR的使用能夠減少（重新）配置時(shí)間并縮短工廠和機(jī)器的停機(jī)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約和效率的提升。

三、工業(yè)物聯(lián)面臨的挑戰(zhàn)

IIoT 系統(tǒng)的異構(gòu)性和復(fù)雜性帶來了許多顯而易見的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如互聯(lián)互通、安全性和隱私性、可擴(kuò)展性、異構(gòu)性、可靠性等等。這些挑戰(zhàn)限制了IToT的應(yīng)用和效能，也是未來學(xué)界、工業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注解決的重大方向。

（一）高效的數(shù)據(jù)管理方案

隨著技術(shù)發(fā)展，IIoT系統(tǒng)對(duì)于接入設(shè)備的種類和數(shù)量適應(yīng)能力不斷增強(qiáng)，這些異構(gòu)設(shè)備的大量接入導(dǎo)致數(shù)據(jù)量急劇增加。與工業(yè)設(shè)備集成的傳感器和執(zhí)行器以不斷產(chǎn)生越來越多的感知和控制數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這些異構(gòu)IIoT 設(shè)備上，本地網(wǎng)關(guān)/邊緣服務(wù)器和云服務(wù)器上，用于實(shí)時(shí)和未來決策。傳感數(shù)據(jù)的處理、傳輸、可用性和存儲(chǔ)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要付出巨大的努力。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，需要高效的數(shù)據(jù)管理模型。這些數(shù)據(jù)管理模型應(yīng)該能夠有效地處理異構(gòu) IIoT 設(shè)備生成的大量原始數(shù)據(jù)。這些模型還應(yīng)為數(shù)據(jù)管理服務(wù)提供高速數(shù)據(jù)處理、可靠安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和快速數(shù)據(jù)流。

（二）異構(gòu) IIoT 系統(tǒng)之間的協(xié)作

IIoT系統(tǒng)組件是不同異構(gòu)和多供應(yīng)商技術(shù)的集合，例如工業(yè)機(jī)器、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)關(guān)、邊緣節(jié)點(diǎn)、邊緣/云數(shù)據(jù)服務(wù)器（數(shù)據(jù)中心）、不同的有線/無線通信和蜂窩網(wǎng)絡(luò)（WiFi、5G、NB、Lora）。這些基于異構(gòu)和多供應(yīng)商技術(shù)的 IIoT 系統(tǒng)之間的集成和協(xié)作是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。同步、資源共享、數(shù)據(jù)共享、互操作性和數(shù)據(jù)隱私等不同因素使集成和協(xié)作更具挑戰(zhàn)性。靈活高效的協(xié)作和互操作性技術(shù)仍然需要更多的研究和開發(fā)工作。

（三）強(qiáng)大而靈活的大數(shù)據(jù)分析

為了從 IIoT 設(shè)備生成的大量數(shù)據(jù)中充分受益，強(qiáng)大而靈活的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)必不可少。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無法產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果，因?yàn)檫@些系統(tǒng)無法有效地處理和分析大量數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)處理 IIoT 數(shù)據(jù)是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)處理的結(jié)果將用于關(guān)鍵的實(shí)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化操作，例如預(yù)測(cè)故障、預(yù)測(cè)性維護(hù)、增加產(chǎn)量、減少停機(jī)時(shí)間和異常檢測(cè)。為了滿足 IIoT 應(yīng)用程序的不同需求（即數(shù)據(jù)速率、延遲和可靠性等），需要高效和實(shí)時(shí)的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以穩(wěn)健高效地處理 IIoT 設(shè)備生成的數(shù)據(jù)。

（四）IIoT 系統(tǒng)的可信性

任何商用化技術(shù)的成功與消費(fèi)者的接受和適應(yīng)直接相關(guān)，其中對(duì)于技術(shù)的信賴度起到至關(guān)重要的作用。商業(yè)客戶（例如特定行業(yè)的所有者）成功部署基于 IIoT 的系統(tǒng)也受到信任因素的影響。目前，IIoT 系統(tǒng)還處于起步階段，大量研究文獻(xiàn)都強(qiáng)調(diào)安全和隱私是這些系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。技術(shù)的安全性和隱私性與其客戶的信任度密切相關(guān)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成功部署和適配，必須通過有效的客戶信任模型妥善處理客戶信任。在客戶信任模型領(lǐng)域進(jìn)行更多研究，是技術(shù)層面外IIoT商業(yè)成功的重要課題。

（五）IIoT中無線技術(shù)和協(xié)議的共存

IIoT 中的通信對(duì)于信息交換是強(qiáng)制性的。因此，IIoT中的通信必須能夠連接大量異構(gòu)設(shè)備，提供足夠的帶寬來傳輸數(shù)據(jù)。此外，一些工業(yè)應(yīng)用對(duì)時(shí)序、可靠性、可用性和安全性要求有一定的限制。 IIoT 中使用了許多通信技術(shù)、協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。其中無線系統(tǒng)（WLAN、IEEE 802.15（WSN））和無線設(shè)備越來越受到關(guān)注。無線通信也帶來了許多挑戰(zhàn)。不同無線系統(tǒng)和協(xié)議的共存是 IIoT 的主要挑戰(zhàn)。目前多種通信技術(shù)和協(xié)議并用的現(xiàn)實(shí)情況，主要原因是一種無線技術(shù)或協(xié)議無法提供適合 IIoT 中各種應(yīng)用要求的所有功能和優(yōu)勢(shì)。因此，通信技術(shù)和通信協(xié)議的選擇和共存是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

（六）IIoT 中的公共安全

IIoT 中發(fā)生緊急情況和災(zāi)難時(shí)的公共安全應(yīng)得到高度重視。在發(fā)生災(zāi)難時(shí)，產(chǎn)業(yè)工人和設(shè)備的安全取決于事件的及時(shí)檢測(cè)、警報(bào)生成、現(xiàn)場(chǎng)定位以及向應(yīng)急響應(yīng)服務(wù)提供者（如消防部門、救護(hù)車、災(zāi)害管理單位、交通警察和其他執(zhí)法機(jī)構(gòu)）。然而，災(zāi)區(qū)通信基礎(chǔ)設(shè)施的缺失或故障成為一個(gè)主要問題。此外，各種 IIoT 設(shè)備和其他通信系統(tǒng)之間的協(xié)作和通信是具有挑戰(zhàn)性的問題。最近的許多研究提出了基于公共安全通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用無人機(jī)、SDN、邊緣計(jì)算和其他先進(jìn)的通信技術(shù)，如LTE、4G/5G 等，用于物聯(lián)網(wǎng)和未來智慧城市的公共安全通信。然而，仍需要更多的研究來設(shè)計(jì)災(zāi)難環(huán)境下更加彈性、自治的通信架構(gòu)，以在緊急情況下確保公共安全的災(zāi)難恢復(fù)機(jī)制。

四、結(jié)語

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 系統(tǒng)允許行業(yè)收集和分析大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以被使用、貨幣化并提高系統(tǒng)的整體性能以提供新型服務(wù)。本文重點(diǎn)介紹了 IIoT 中最新的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及IIoT發(fā)展所面臨的一些重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)在當(dāng)下阻礙了IIoT 的廣泛應(yīng)用和其效能的充分發(fā)揮，這些挑戰(zhàn)包括高效的數(shù)據(jù)管理方案、異構(gòu) IIoT 系統(tǒng)之間的協(xié)作、強(qiáng)大而靈活的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、對(duì) IIoT 系統(tǒng)的信任、無線技術(shù)的共存，IIoT中的公共安全等等。隨著學(xué)界、工業(yè)界的不斷嘗試和探索，這些挑戰(zhàn)在未來有望被克服，推動(dòng)工業(yè)體系的革新發(fā)展。

作者單位：中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)山西有限公司