設備“智能”管理：企業準備好了嗎？
——工業物聯網發展與應用探討

文/陳志成

設備“智能”管理：企業準備好了嗎？
——工業物聯網發展與應用探討

文/陳志成

認識、政策、技術、應用、標準5個層面的發展助力中國物聯網產業快速推進

產業現狀：達成共識并逐漸應用

近年來，國家政策大力扶持物聯網，同時企業也在不斷探索，從中國物聯網產業發展過程來看，主要呈現如下幾個特點：

認識層面：各行業專家對物聯網的認識逐漸達成共識。物聯網的概念起初是由美國、日本、歐洲等國家提出，這些國家的物流、智能家居做得較早，IBM提出了“智慧地球”的概念，我國2009年8月溫家寶總理考察無錫時提出“感知中國”的概念。剛開始時，很多專家認為物聯網的概念是虛的，不現實的；經過幾年的發展，目前各個行業專家、各個地方政府都認識到了物聯網是個很大的產業，它不僅僅是個概念和藍圖，只要結合到具體行業，物聯網也是可以實際落地應用的。

政策層面：國內物聯網發展的政策環境很好，可以說十分優越。自從2009年以來，國家層面、各個地方層面，均出臺了很多政策來支持物聯網技術的研究和產業化應用，很多地方都在建設物聯網基地，尤其以無錫為代表的傳感網基地，在政策和資金支持方面，力度很大，短短幾年間成立了眾多的物聯網研究機構和公司企業，教育部也在2010年審批成立了“物聯網工程”專業，首批幾十所高校開辦了這個專業，培養物聯網人才。

技術層面：我國積極推進物聯網自主基礎技術研究。在物聯網領域，我國技術研發攻關和創新能力在不斷提升，尤其在傳感器、M2M、RFID、工業控制等領域已經有明顯進步，擁有一批具有自主知識產權的成果，其中部分技術已經實現產業應用；在物聯網的通用基礎架構、數據定義、語義分析、網絡安全等方面也正在加緊研發布局。

應用層面：物聯網產業體系正在逐步形成，應用發展進入實質性推進階段。經過從2009年到2014的5年發展，目前物聯網技術已經進入實質性應用階段，比如智能家居、交通運輸網、農業物聯網、智能電網等。智慧城市將是物聯網應用的承載體。隨著應用的發展，產業體系也在逐步形成，以車聯網為例，其產業鏈上下游涉及：傳感器生產商、汽車廠家、4S店、保險公司、交通運輸局、通信運營商、旅游公司、移動APP軟件企業等，目前正在形成車聯網產業鏈。

標準層面：物聯網標準正在形成但仍不成體系。大家知道，從國家層面來講，制定標準意味著占據話語權，從應用層面來講，標準是實現互通互聯的基礎。我國在RFID和傳感器的具體技術特征方面已經有比較完善的標準，但是在整個物聯網的數據采集、通信協議、服務接口等方面，由于不同行業不同企業當前的信息化程度不同，即使在同一行業內，至今仍沒有形成統一的標準體系。

發展趨勢：與傳統產業深度融合加劇

物聯網與傳統產業的深度融合正在加劇，在工業領域方面，物聯網發展具有如下趨勢 。

物聯網與行業應用相結合的發展趨勢。物聯網是個總體概念，要充分發揮其作用，必須要與具體行業相結合，把物聯網的理念、架構、技術應用于具體行業中，如：醫聯網、車聯網、農聯網、工業物聯網等。

物聯網加速了傳統企業的網絡化與移動化趨勢。在網絡信息時代，傳統產業中的各種設備需要聯網，以便有效地進行設備狀態監控、數據分析、優化管理。同時，在移動互聯網時代，這也使得其移動應用越來越多，企業領導可以通過手機來了解工廠的生產狀況。

物聯網與云計算結合的平臺化趨勢。云計算技術的出現，使得物聯網向平臺化方向發展。企業從進貨——生產——數據采集——傳輸——存儲——銷售——服務的整個過程來看，很多行業均在開發自己的生產管理平臺、電子商務平臺。

物聯網標準向具體行業領域發展趨勢。物聯網標準體系是一個漸進發展并成熟的過程，將呈現從成熟行業的應用方案中提煉出行業標準，以行業標準帶動關鍵技術標準，逐步演進形成標準化體系的趨勢。

物聯網與互聯網和大數據結合衍生創新商業模式的趨勢。與大數據結合，物聯網更能夠充分體現其數據采集與分析的作用。如：通過GPS位置信息來分析人群流動，有針對性的推送不同的廣告和服務，這個方面的發展空間很大。

產業升級：智造時代的未來已來

對于工業4.0概念而言，物聯網至關重要，把該技術應用于工業流程型企業中，將帶來生產和生活方式的深刻變革，生產企業已經開始向“智能制造”升級過渡，我們可以說：智能制造時代，未來已來。

從社會發展進程來看，已經開始邁入智能時代。人類社會的發展歷經了農業材料時代、工業能源時代、電子信息時代，當前是大家公認的信息社會時代，互聯網時代。在工業領域，目前也經歷了三個時代：

一是基于蒸汽機驅動的機械與能源時代；

二是基于電力驅動的大規模生產時代；

三是基于電子信息技術的生產流程自動化時代。

隨著人工智能與自動化及機器人技術在工業領域的應用，生產流程型企業已經逐步開始改造升級，邁向智能制造時代。

從中國人口紅利減少來看，倒逼企業智能化升級。大家都知道，長三角、珠三角的眾多企業，在較長一段時期內依靠中國的人口紅利來發展，但是隨著最近幾年勞動力成本的快速提高、以及西部地區人口回流，導致很多工廠企業出現了“用工荒、用工難、成本高、糾紛多”等問題，這使得企業不得不淘汰落后設備，引進新的自動化設備，以此提升企業生產效率，保持行業競爭力。

從國內外自動化技術發展來看，基本具備了升級的基礎。近些年來，無論是國外還是國內，先進制造技術與分布式控制技術等關鍵技術被逐漸突破，并開始逐漸應用。機器人技術逐漸開始普及，生產成本也大大降低，這為企業的自動化升級改造提供了條件，可以說當前初步具備了升級改造的基礎。

從政府政策角度來看，為企業升級改造提供了有力支持。從2013年開始，為了有效促進企業的改造升級，長三角、珠三角的若干地區和省份相繼出臺了相關政策，對企業升級改造提供政策上的保障和資金上的扶持。浙江省提出了“機器換人”和“三個5工程”，即在5年之內拿出5000億元資金，每年支持5000個項目，以幫助企業實施“機器換人”和升級改造，并于2013年9月發布了《關于開展企業“機聯網”工程建設的意見》。廣東東莞市政府于2014年8月發布了《東莞市推進企業“機器換人”行動計劃（2014－2016年）》，印發了《東莞市“機器換人”專項資金管理辦法》，設立“機器換人”專項扶持資金，積極推動“科技、金融、產業三融合”在“機器換人”中的有效實施，促進企業進口先進生產設備，支持本地工業機器人智能裝備研發生產。在重慶、沈陽等地，目前也正在積極推進機器換人項目，這些都為工業企業的升級改造提供了良好的政策環境和資金支持。

從企業角度來看，需要做哪些工作呢？為推動工業轉型升級，除了政策之外，從企業自身角度出發，主要從這幾個方面來創新和提升：

一是行業信息化人才的培養，需要把行業專家與信息化專家結合起來，開展針對性的專題培訓，從認識上、技術上都轉變升級。

二是設備自動化水平的提高，要提高工業機械設備的自動化水平，比如研發適合本企業工藝流程的DCS分布式實時控制系統。

三是各個單點技術的突破，比如工業設備互聯協議、云計算技術、大數據分析技術、滿足具體場景和需求的高精度要求技術等。

在推進工業物聯網過程中，

解決方案：頂層設計與具體方案相結合

需要從高處著眼、低處著手，頂層設計與具體實施方案相結合。在總體設計中，需要給出機器設備聯網及云計算服務平臺的整體解決方案。

工業物聯網分為三層結構，最下層是機聯網層，即機器設備的傳感器與數據采集層、中間層是網絡服務與云平臺層、最上層是終端應用層。在工業物聯網的具體實施過程中，還有許多軟硬件系統需要研發，主要包含如下方面。

7項關鍵技術：機聯網協議和物聯網、云計算、大數據、空間信息、多維呈現、移動終端技術。

3項標準協議：機聯網通信協議標準、行業企業數據組織標準、云應用服務接口標準。

3類硬件設備：新型傳感器研發、融合通信智能網關研發、云服務安全認知設備。

6個軟件子系統：機器聯網管理子系統、云基礎設置服務子系統、設備網絡管理子系統、應用集成服務子系統、大數據分析子系統、終端應用服務子系統。

綜合這些軟硬件系統才能組成工業物聯網的總體解決方案。

傳感器是工業物聯網數據采集的重要入口。傳感器的主要作用是監控和采集數據，對工廠設備運行狀態進行監控，并實時或定時采集相關數據，并傳輸給網關，通過網關把數據傳輸到后臺數據中心和云服務平臺。

不同行業不同工位需要的傳感器可能不同，有些地方只需安裝攝像頭進行監控就可以了，有些工作環節則需要安裝壓力傳感器、溫度傳感器等，有些地方則需要GPS定位信息等。比如：汽車、鋼鐵、機械、電子等行業的數控機床參數檢測控制傳感器；紡織、服裝、塑料、化工等領域的專用耐腐蝕傳感器等；工廠大型設備和輔助設備能耗監控的智能電表傳感器等。

我國的傳感器技術研究早，進展快，早在物聯網概念提出之前，我國就在研究傳感器技術，RFID技術等，只是當時沒有現在這樣普及，近幾年發展更加迅速，這為我國物聯網的應用奠定了良好的基礎。

云計算是工業物聯網的重要服務平臺。在工業物聯網中，云計算平臺所承載的主要功能是三個方面，覆蓋了IaaS(基礎設施服務)、PaaS(平臺即服務)、SaaS(應用軟件即服務)：一是提供基礎設施，支持云存儲，采集的數據統一保存到服務器上；二是云計算，即網絡計算，通過對數據的綜合分析，進行動態的資源調配、按需服務；三是提供應用軟件服務，在平臺上面提供各種功能的軟件模塊、應用程序等，企業客戶可以根據各自需要選擇服務。以電信行業的云計算機房和服務器為例：全國各地這么多人都用手機，手機與基站時時刻刻保持著通訊連接，手機可以把分布式的位置信息、電話信息等發送到云平臺服務器上，云平臺經過綜合分析，可以做出適當的調整，進行業務流的負荷分擔。比如朝夕效應，白天大家都在中關村上班，中關村基站很忙，而居住區回龍觀的基站很空閑，則云服務器可以把電話和流量的業務處理轉交給回龍觀的服務器處理，晚上相反。這就是負載均衡，即云計算對業務的動態遷移。

大數據分析為工藝流程的優化控制提供重要決策依據。大數據處于云計算平臺層，大數據是實現工業智能化的關鍵技術之一，可以說必不可少。大數據的作用在于：通過對企業數據，包括工廠內的各機床運行狀態、各工序占用時間、企業戶外設備的工作狀態等的分析，在局域范圍內，實現對機器設備的實時反饋控制；在全局范圍內，通過輸出各種可視化圖表，為企業領導給出工藝流程優化和企業管理的建議。

基于大數據的工業物聯網系統已經在部分領域得到實際應用，目前在電信行業、鋼鐵行業、石油礦井行業、物流運輸等行業，物聯網與大數據結合的系統已經有所應用。在電信機房中，實現了動力環境監測、設備實時業務量監控、分析、負荷分擔，主設備與空調設備的能耗監控與自動控制。在一些鋼鐵廠與水泥廠中，實現了DCS分布式實時反饋、工藝流程監控及優化、各設備能耗監控與管理。在石油礦井行業中，實現了基于工業物聯網協議與因特網相結合的遠程石油數據及現場圖像的采集、傳輸、分析、告警等。在物流運輸行業中，通過RFID標識技術實現了對集裝箱的自動貨物清點，通過運輸車輛GPS位置信息，實現了貨車運輸的聯網調度，避免往返空車浪費等。

基于大數據的工業物聯網系統已經在部分領域得到實際應用

行業標準：還需進一步統一

經過前幾年對物聯網概念的普及，可以說目前已經跨越了概念導入期，正在開始與行業結合，逐步應用，但是，在機器聯網通信協議、數據格式、服務接口等方面，目前尚未形成統一的標準體系。

由于不同行業不同企業的信息化程度不同，導致標準難以形成。盡管國內外也有不少的標準研究機構和組織，但當前確實還沒有成熟的技術標準、以及應用服務的標準。目前工業無線領域形成了ISA100.11a、WirelessHART、WIAPA等三個標準共存的局面，由此帶來了標準之間互通性差、多標準支持設備研發周期長、成本高等問題。為此，以NAMUR為首的用戶組織經過研究發布了NE133報告，希望三種工業無線國際標準能夠融合為單一的標準，我國的重慶郵電大學、北科大，中科院等單位參與。

就物聯網整體產業而言，應該說當前正在逐步進入實質性應用階段。建議優先在技術產業相對成熟、發展潛力大的領域開展應用推廣工作，以規模化的物聯網應用市場帶動技術、標準、產業、政策等進一步完善。在行業應用實踐中提煉出行業標準。

針對工業物聯網而言，還需要加強三個方面的標準研究：一是M2M機聯網通訊協議標準，即工廠車間內不同設備與傳感器之間的通訊協議標準，要求支持設備的動態拔插、動態設備類型識別等；二是行業大數據的組織結構標準，針對同一行業，建議從政府監管需求和企業實際出發，自上而下和自下而上相結合，歸納制定出行業大數據的組織標準，包括采集哪些數據項目、如何打包傳輸、如何結構化和非結構化存儲等；三是云應用服務接口標準，企業哪些數據是私有的，哪些是需要對外公開的，政府和第三方企業如何訪問共享數據，服務器需要提供哪些接口，這些都是需要研究的問題。

系統安全：政企監管應到位

安全是互聯網連接工業系統的一個關鍵問題。戴爾公司作為工業互聯網聯盟的一員，突出強調了工業互聯網的安全問題，在其IIoT(工業物聯網)戰略列表頂部列出的就是安全性問題。我國很多企業從國外引進生產制造設備，在不掌握核心技術的情況下，要特別重視加強系統安全性的檢測，政府在此方面也應該出臺相應的監管措施。

安全始終是工業物聯網不可輕視的重要問題。在工業領域中，由于很多生產環節涉及到企業的私有數據，各企業在實施升級改造過程中，需要考慮整個系統的安全性。正如PC機上的電腦病毒一樣，在工業嵌入式系統中，也存在一些病毒入侵的案例。工業攻擊的威脅越來越嚴重，在很多SCADA系統中，曾發現類似BlackEnergy的惡意軟件。

企業層面應建立完善的安全管理機制。針對工業流程型企業，建議從如下方面加強安全管理：首先：建立健全網絡安全管理、檢查、評估機制； 第二：在能滿足功能的前提下，盡量采用具有自主知識產權的底層嵌入式系統、通信協議、接口標準；第三：在物聯網的各個環節(信息采集、傳輸、存儲、處理、銷售、服務等)均安裝相應的安全監測工具，軟硬件防火墻等。

政府層面應成立工業網絡安全方面的專業機構，對特定網絡設備實施網絡許可制度。對于涉及國計民生的重要領域，需要制定相應的安全測評、應急預案；需要做好網絡邊界、基礎設施、應用系統、桌面終端等相互之間的信息安全狀態監測、預警、防護；需要強化信息產品和服務的信息安全檢測和認證。比如：針對工業機器人而言，大批工廠引進國外的機器人，很多機器人都是可以聯網的，我們就需要了解其中的網絡通信協議、數據傳輸格式，也需要對機器人底層系統進行檢測，是否存在漏洞等，避免數據發送給情報機構，或者數據保存在某個不知道的地方，等到廠家維修時偷偷把數據拷貝拿走等。當前我國的機器人銷售和購買都是企業及個人的私人行為，還沒有政府強制性的要求，今后隨著機器人的大批量進口和使用，很有必要成立一個機器人系統安全檢測專業機構，就像手機一樣，每臺連接入網的自動化設備及其傳感器，都需要獲取進網許可證，否則不能聯網。

隨著我國“兩化”融合的推進、物聯網技術的快速發展及其在各行業的實踐應用，發達地區的工業流程型生產企業正在加速進行升級改造，這是社會發展的必然趨勢，也是技術進步的必然結果，我們唯有敞開胸懷，擁抱它的到來，接受它的挑戰，并在痛苦之后享受變革所帶來的成果與喜悅。

陳志成，清華大學計算機學科博士后出站，英國布拉德福德大學訪問學者。主要研究領域為：物聯網與云計算、智能信息系統，重視跨學科領域的創新研究及應用實踐。主持和參與多項課題，發表多篇論文，獲得多項榮譽。先后擔任北京郵電大學世紀學院計算機系學科帶頭人、教授；華為技術有限公司高級技術專家、軟件飛虎隊隊長。現任中國人工智能學會基礎專業委員會常務委員，中國通信學會云計算專家委員會委員，中國信息協會大數據分會理事，北京格分維科技有限公司總經理。