物聯網和SCADA系統的發展、現狀與展望

宗子軒+諶海云+吉寧+張偉偉

摘 要：物聯網信息網絡技術發展非常迅速，他和SCADA系統應用于眾多行業和領域。首先介紹了物聯網和SCADA系統的基本概念和特征，其次介紹它們的現狀和現行應用中的問題，然后歸納它們的共同點，最后總結出它們的未來發展方向，以及對物聯網發展的期待。

關鍵詞：物聯網;射頻識別;RTU;SCADA系統;通訊網絡

中圖分類號：TP316 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-04

0 ?引 ?言

物聯網被看作信息領域一次重大的發展和變革，是繼計算機、互聯網和移動通信網之后的又一次信息產業浪潮。在物聯網之前，SCADA系統只是針對物理位置固定的過程進行數據采集和監控。從這點來看，物聯網在移動數據采集上面有很大的優勢，特別是不易布線的地方，物聯網更具有SCADA系統不可比的便捷。物聯網是SCADA系統的一種延伸，物聯網取代部分SCADA系統是必然的一個趨勢。在物聯網快速發展的時代，SCADA系統也必將支持對移動過程裝置和流程的數據采集和監控[1]。

1 ?概 ?述

1.1 ?物聯網系統概述

1.1.1 ?物聯網系統的概念

物聯網[2，3]（The Internet of Things， IoT），即通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統（GPS）、移動電話、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[4]。物聯網一般情況下作為無線網，我們每個人周圍的設備一般為1 000至5 000個，那么物聯網包含物體總數為500萬億至1 000萬億個。在物聯網上，每個人都能以應用電子標簽將真實的物體上網聯結，且在物聯網上都可以查找出它們的具體位置。通過物聯網可以用中心計算機對機器、設備、人員進行集中管理、控制，也可以對家庭設備、汽車進行遙控，以及搜尋位置、防止物品被盜等各種應用[5]。

物聯網將能現實世界數字化，且應用范圍十分廣泛。物聯網遍及智能交通、環境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業監測、環境監測、路燈照明管控、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場照明管控、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域，具有十分廣闊的市場和應用前景。

1.1.2 ?RFID射頻識別技術

RFID是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID技術興起于20世紀80年代，隨著超大規模集成電路的發展，到20世紀90年代進入了實用階段。RFID作為一種具備巨大發展前途的應用技術，不僅在物流領域具有強大的應用優勢，同時在商業、交通、醫療、軍事等領域也有著廣泛的發展前途[6]。

RFID具有快速掃描、體積小、抗污染能力和耐久性、重復使用、記憶容量大等特點，被認為是21世紀最有發展前途的信息技術之一。它被稱作四大物聯網關鍵技術（RFID、傳感器、智能技術、納米技術）之首，是物聯網的構建基礎和核心[7]。

1.1.3 ?物聯網的架構和特征

物聯網架構可分為三層：感知層、網絡層和應用層[8]。感知層由各種傳感器構成，包括溫濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、紅外線、GPS等感知終端。感知層是物聯網識別物體、采集信息的來源。網絡層由各種網絡，包括互聯網、廣電網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，是整個物聯網的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

和傳統的互聯網相比，物聯網有其鮮明的特征：物聯網是各種感知技術的廣泛應用;物聯網是一種建立在互聯網上的泛在網絡;物聯網本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制;物聯網的使用場景和時間更加自由，更貼合用戶的使用習慣，提供更好的用戶體驗。

1.2 ?SCADA系統概述

1.2.1 ?SCADA系統的概念

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監控與數據采集）系統是基于計算機通訊和控制技術發展起來的生產過程控制與調度自動化系統，它可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、測量、各類信號報警、設備控制以及參數調節等各項功能[9]。

SCADA系統分為三層架構。第一層為數據采集層，第二層為數據監控層，第三層為數據應用層[8]。

SCADA系統將先進的計算機技術、工業控制技術、顯示技術、通信技術（有線通信和無線通信等）、RTU（Remote Terminal Unit，遠程終端單元）/PLC（Programmable Logic Controller，可編程程序控制器）技術、測量技術、現場總線技術等結合在一起，采用N（N≥2）層客戶機/服務器結構或者瀏覽器/Web服務器/數據庫服務器軟件架構。一般來說，全部SCADA系統主要由位于監控調度中心的SCADA軟件系統、位于現場監控站的各遠程終端單元（RTU/PLC）以及連接它們的通訊系統（有線、無線、光纖、擴頻、微波、衛星等）組成[10]。

1.2.2 ?SCADA系統的特點和功能

SCADA系統具有實時性、多任務性、開放性、分布性、可靠性、安全性和維護性。其優勢在于網絡能力較強、RTU較靈活、價格較低[11]。

SCADA系統不僅要實現對現場生產過程的數據采集、處理與監控，而且是管理信息系統、辦公自動化、地理信息系統（GIS）、制造執行系統以及企業資源計劃等系統的實時數據源，這就需要SCADA系統具備良好的開放性，以實現與上述系統的數據交換和系統集成。

2 ?物聯網和SCADA系統發展及現狀

2.1 ?物聯網發展及現狀

物聯網的實踐最早可以追溯到1990年施樂公司的網絡可樂販售機，美國麻省理工學院（MIT）的Kevin Ashton教授首次提出物聯網的概念，且在1999年美國麻省理工學院建立了“自動識別中心（Auto-ID）”，提出“萬物皆可通過網絡互聯”，闡明了物聯網的基本含義。早期的物聯網是依托射頻識別（RFID）技術的物流網絡，隨著技術和應用的發展，物聯網的內涵已經發生了較大變化。2005年ITU在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上正式確定了“物聯網”的概念，國際電信聯盟（ITU）發布《ITU互聯網報告2005：物聯網》，引用了“物聯網”的概念。物聯網的定義和范圍已經發生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，并介紹了物聯網的特征、相關的技術、面臨的挑戰和未來的市場機遇，物聯網也不再只是指基于RFID技術的物聯網[12]。

國外的一些具有技術優勢和戰略優勢的國家和組織，比如美國、日本、韓國、歐盟等，物聯網的發展較為迅速，發展水平較為領先。

物聯網具有很大的發展空間。基于此，我國對物聯網的發展進行了詳細的規劃，政府也在政策扶持方面給予大力支持。在我國制定的“十二五”發展規劃中，將物聯網納入國家五大戰略性新興產業，相應標準也在制定中;物聯網還被列為《國家中長期科學與技術發展規劃（2006-2020年）》和“新一代寬帶移動無線通信網”重大專項中的重點研究領域。國家教育部已成立物聯網及相關專業教學指導小組，以江南大學、北京郵電大學、南京郵電大學、天津大學為代表的高校已經或正在申報申報物聯網相關專業。

2014年2月18日，全國物聯網工作電視電話會議在北京召開。國務院副總理馬凱在會議中強調，要搶抓機遇，應對挑戰，以更大決心、更有效措施，扎實推進物聯網有序健康發展，努力打造具有國際競爭力的物聯網產業體系，為促進經濟社會發展做出積極貢獻。

2.2 ?SCADA系統發展及現狀

第一代是基于專用計算機和專用操作系統的SCADA系統。第二代是基于通用計算機的SCADA系統。第三代是基于分布式計算機網絡以及關于數據庫技術的能夠實現大范圍聯網的SCADA系統[10]。第四代SCADA/EMS系統的基礎條件已經誕生。該系統的主要特征是采用Internet技術、面向對象技術、神經網絡技術以及JAVA技術等，繼續擴大SCADA/EMS系統與其它系統的集成，綜合安全經濟運行以及商業化運營的需要。

目前，國外和國內市場上應用較為普遍的SCADA上位機系統有：WondWare的InTouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等，這些系統較為全面的解決了傳統SCADA上位機系統功能的主要問題：數據采集與控制信息發送;報警處理;歷史趨勢顯示與記錄。

3 ?物聯網和SCADA系統存在的主要問題

物聯網和SCADA系統以及其它工業自動化系統，都屬于計算機網絡技術發展中的產物[10]，它們有許多共同的特點，比如體系架構結構、數據采集功能、對通訊網絡的依賴、數據處理等，但是物聯網和SCADA系統在發展和應用過程中也存在諸多問題。

3.1 ?物聯網存在的主要問題

（1）安全問題

在射頻識別（RFID）系統中，電子標簽會被大量、頻繁的使用，被植入電子標簽的任何物體都有可能會被掃描、追蹤，因此會涉及到個人隱私的泄露，從而影響社會安全。

（2）標準問題

物聯網在不同行業、領域的應用，沒有統一的標準。RFID系統廠商提供的都是專用系統，與其他廠商系統的頻率、協議都不盡相同。就猶如不同的3G、4G網絡通信協議，終端可能就不能同時支持不同的協議，這必然要耗費很多的人力、物力、財力。所以需要加強不同國家、不同地區的合作來解決標準不統一問題。

（3）實際應用問題

應用成本很高會使物聯網發展遇阻，需要企業、個人之間相互協調。

（4）政策法規

對于可能出現的安全問題，需要出臺相關法律法規作為物聯網發展的有力保障。

（5）技術問題

目前來看，技術雖已具備一定的理論，但還不夠成熟，特別是在功耗、安全、網絡可靠性和健壯性等方面還存在很多技術難題需要突破[13]。

3.2 ?SCADA系統存在的主要問題

部分SCADA系統可能存在以下問題。

（1）與企業MIS（Management Information System，管理信息系統）系統的結合性能差;

（2）不具備GIS（Geographic Information System，地理信息系統）功能;

（3）數據采集速度較慢，需要新一代的數據傳輸協議以適用高速傳輸;

（4）缺少高效的控制能力和系統自診斷能力。

針對國內的需要，這些系統有明顯的弱點：

（1）本地化差。雖然部分系統已經推出中文版，但是與中國市場中一些行業的特殊需求，依然難以滿足需求;

（2）成本昂貴。從國外采購的SCADA系統，一般需要數萬美元，很多公司難以接受。

雖然國內的系統具有較高的性能價格比、本地化能力較強，但是其MIS、GIS、控制效率低，自診斷能力缺乏等不完善的地方，依然需要投入大量的人力和資金完善系統功能、修復系統漏洞、開發新型系統。

除此之外，SCADA系統的安全問題也備受業內專業人士的關注[10]。工業控制系統受到黑客制造的惡意代碼攻擊，SCADA系統的信息安全問題認識存在認識偏差[8]。隨著信息技術的發展和SCADA系統通信的網絡化，SCADA的通信也有可能會被黑客攻擊。

4 ?物聯網和SCADA系統未來發展的方向

4.1 ?物聯網未來發展的方向

我國的物聯網產業與歐美等發達國家相比，仍存在一定的差距，但已經具備一定的產業技術和應用基礎。以后，物聯網應從以下方面發展[14]。

（1）加大科研的投入，突破技術難題，掌握核心和關鍵技術;

（2）加快物聯網標準的制定，盡量統一標準;

（3）加快法律法規和政策的出臺，加快物聯網的發展，使其起到模范帶頭作用，帶動其他產業的良性發展;

（4）在完善功能的前提下，盡可能的給出較為低廉的價格;

（5）以用戶為核心，增強用戶體驗。

人類將進入物聯網時代[6]，物聯網將會推動社會的高速發展，也必將產生重大深遠的意義。

（1）物聯網提高生產效率，降低生產成本，推進經濟快速發展，為國家經濟做出貢獻;

（2）物聯網構建“智慧城市”，讓人類的生活邁入更高的臺階，推動人類的進步;

（3）物聯網使周圍的物體智能化，人和自然和諧共處，社會達到可持續發展。

4.2 ?SCADA系統未來發展的方向

因特網、擴頻無線電、網絡與數據高速公路[10]是SCADA系統發展的方向，其未來將實現以下功能：

（1）SCADA系統與其他系統的廣泛集成，具有更好的兼容性;

（2）專家系統、模糊決策、神經網絡等新技術與SCADA系統的融合;

（3）面向對象技術（OOT）是網絡數據庫設計、市場模型設計和站控系統分析[9]。

5 ?結 ?語

當今，物聯網作為一個非常熱門的智能發展項目，把傳統的信息網絡、通信網絡延伸到了更為廣泛的物理世界。物聯網的快速發展，很有可能會取代部分SCADA系統的功能，這也將是必然趨勢。物聯網的應用已經深入到了我們生活的方方面面，它提供的越來越便捷的生活服務，使我們的社會變得現代化、服務實現智能化，從而讓生活變得更加舒適、方便、高效、快捷。

參考文獻

[1]物聯網對SCADA系統的影響[J]. 金卡工程，2012（11）：50-52.

[2] International Telecommunication Union，Internet Reports 2005：The Internet of things[R]. Geneva： ITU，2005.

[3]朱洪波，楊龍祥，朱琦. 物聯網技術進展與應用[J].南京郵電大學學報：自然科學版.2011（1）：1-9.

[4]李如年. 基于RFID技術的物聯網研究[J]. 中國電子科學研究院學報.2009（6）：594-597.

[5] Tao Liu，Dongxin Lu. The Application and Development of IOT[C]. 2012 INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INFORMATION TECHNOLOGY IN MEDICINE AND EDUCATION，2012.

[6]王保云. 物聯網技術研究綜述[J]. 電子測量與儀器學報.2009（12）：1-7.

[7]司德亮，祁東婷，張文華，等.基于物聯網的光伏電站SCADA系統[J].可再生能源.2012（1）：102-105.

[8]曹茂春，馬龍. 物聯網在某城市燃氣管網數據采集與監視控制系統的應用[J]. 智能建筑與城市信息，2013（2）：27-30.

[9]彭國紅，李新國. SCADA系統如何過渡物聯網[J]. 自動化博覽，2011（9）：56-58.

[10]王振明.SCADA（監控與數據采集）軟件系統[M].北京：機械工業出版社，2009.

[11]賀國兵.SCADA系統在石油傳輸管道中的應用[J].甘肅科技，2011（12）：18-20.

[12]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010（3）：1-9.

[13]劉若冰.物聯網的研究進展與未來展望[J].物聯網技術，2011（5）：58-62.

[14]劉愛軍.物聯網技術現狀及應用前景展望[J].物聯網技術，2012，2（1）：69-73.

[15]楊揚.石油物聯網如何加速推動數字油田建設——訪北京雅丹石油技術開發公司副總經理 張杰[J].中國石油和化工，2011（2）：44-47.