面向工業制造的物聯網技術

趙亮 蘇向上

摘 要：物聯網技術在工業制造領域應用的越來越廣泛，極大推動了智能制造的發展，已經成為各國研究熱點。本文研究了物聯網和工業制造的關系，國內外物聯網關鍵問題的研究現狀，最后分析了未來物聯網的研究方向。

關鍵詞：智能制造；無線通信；云計算；網絡安全

1 緒論

19世紀90年代開始美國相繼提出 “聰明加工系統研究計劃”，“先進制造聯盟計劃”，旨在運用先進的自動化技術和數字信息技術對美國工廠進行改造，以此拉動經濟增長；于此同時日本實施了智能制造系統（IMS）的國際合作計劃，研發出人工交互的智能生產系統；2013年在漢諾威工業博覽會上德國推出了高達2億歐元的工業4.0項目，該計劃為德國的先進制造業領先地位奠定了基礎；2015年中國政府提出《中國制造2025》戰略，標志著中國制造要進軍高端裝備制造市場[1][2]。 在工業4.0中，利用物聯網絡體系激活傳統制造，使工廠設備像人一樣“能說話，會思考”，實現人與機器，機器與產品，機器與機器甚至客戶與產品的互聯互通是關鍵和突破口。

2 工業制造背景下的物聯網

智能制造是一種創新的制造技術，它不僅實現了機器代替人工，提高生產效率，降低勞動成本的目標，而且還可以為客戶提供個性化，定制化的產品。在大量數據基礎上，利用帶有智能算法的網絡，有針對性的實現數據高效，有序，合理的分配和運行，并最終向最佳方案尋優。作為貫穿各個制造環節的物聯網利用自發感知，自發傳輸，自發學習，自診斷，自恢復等特點獲取產品在制造，銷售，維修等階段的信息，實現設備與網絡的數據交互，和機器，人，產品三者之間的互聯互通。

2.1 工業物聯網的結構體系

如上圖所示，在技術框架上物聯網分為感知層、網絡層和應用層。感知層是依靠各種傳感器、二維碼，RFID電子標簽等來采集信息；網絡層利用現有的互聯網，也可以依托專用通信網絡，來傳遞、管理和處理感知層產生的信息；應用層是對信息進行分析、處理、挖掘，從而對設備進行有效的監管、控制、決策，其主要涉及云計算技術、算法和軟件、信息隱私安全技術等多項關鍵技術[3]。

2.2 工業物聯網研究的核心問題

物聯網推動了工業的發展和轉型，但是隨著時代變化和技術的革新，工業制造對物聯網也提出了更高的要求，因此對物聯網的研究主要集中在以下四個方面[4]：第一，射頻識別技術（RFID）。該技術通過射頻信號空間耦合，不需要與被識別物品直接接觸即可完成數據的輸入和輸出；第二，網絡通信問題。靠物聯網連接在一起的機器，人，產品之間的信息傳輸有多種可以選擇，但是目前的物聯網傳感器網絡在智能化傳感節點技術，自身檢查診斷技術以及安全加密技術有待進一步的研究和加強。第三，納米技術。在傳感器中小體積，低功耗，高精度的微型傳感器越來越被重視，該技術優勢在于讓更多微小物體嵌入智能從而增強了物聯網的威力。第四，數據融合。物聯網上大量信息冗余，勢必會造成帶寬和資源的浪費，影響信息收集的時效性，因此要對信息融合，得到用戶滿意的信息使得物體能夠主動與用戶溝通。由此可見，要真正實現物聯網的智能，只有全面融合和研究以上熱點問題，物聯網才能得到市場的認可和接受。

3 研究現狀

特別是最近幾年日本、美國、德國等世界工業發達國家在物聯網無線通信技術，云計算技術，工業網絡安全技術等領域的做了深入研究，其研究工作走在世界前列[5]。工業無線通信技術方面，目前常被關注的無線通信標準有IS A100.11a，WirelessHART和WIA-PA，這三種標準是目前最成熟的技術標準，廣泛應用于在線監測、診斷、工業監控等領域；云計算方面，亞馬遜網絡服務（AWS）推出了其桌面即服務（DaaS）WorkSpaces，進一步擴展其云生態系統；思科與VMware合作推出DaaS產品，該產品利用思科Validated Design框架整合Deskone技術為用戶提供VDI服務；網絡安全方面，愛達荷國家實驗室（INL）建立SCADA安全發展實驗室和研究中心，重點研究開發信任錨，保護過程控制系統免受攻擊[6]；西北太平洋國家實驗室（PNNL）提出SSCP（安全SCADA通信協議）概念[7]。

4 未來研究方向

物聯網是一個新興產業，雖然目前在全球范圍內尚處于起步階段，但是未來的發展和市場是巨大的，要使這一新興產業繼續保持活力并換發生機，結合工業物聯網自身存在的問題和目前研究的現狀，本文認為未來物聯網的研究方向應該在以下幾方面展開：首先，統一的技術標準和協調機制。目前物聯網技術發展水平不高除了技術原因之外，技術標準不統一也嚴重制約其發展；第二，泛在計算，借助計算機交互設備主動接受信息服務，從根本上改變人去適應計算器計算被動思想模式。

5 結語

隨著生產力的不斷提高，工業物聯網改變了現有的生產制造方式，工業制造由原來的傳統制造邁向智能制造，加速了第四次工業革命的到來。但是應該看到目前的工業物聯網發展水平不高，存在的問題也很多，因此立足當前，著眼未來，加強工業物聯網重點技術研究，對其存在關鍵問題進行突破，促使工業物聯網形成產業化和規模化，推動智能制造向更高水平發展。

參考文獻：

[1]傅建中.智能制造裝備的發展現狀與趨勢[J].機電工程，2014，8（31）：959-962.

[2]孫柏林.未來智能裝備制造業發展趨勢述評[J].自動化儀器儀表，2013，1（34）：1-5.

[3]康世龍，杜中一，雷詠梅，張璟.工業物聯網研究概述[J].物聯網技術，2013，6（14）：80-85.

[4] 李悅君，周偉，候維巖.面向先進制造環境的工業物聯網關鍵技術研究[J].儀表技術，2017，3（4）：4-7.

[5]楊悅梅，宋執環.工業物聯網安全及防護技術研究[J].物聯網技術，2015，3（16）：64-66.

[6]吳云龍.論網絡技術背景下的工業網絡安全防護[J].創新技術與應用，2016，25（23）：123-124.

[7]何廷潤.物聯網物理空間與信息空間融合的業務信息特征分析[J].移動通信，2012，36（11）：20-24.

作者簡介：趙亮，碩士，研究方向復雜系統優化；蘇向上，碩士，研究方向控制理論與工程。