物聯網USN 體系與混合式架構應用

韓濟澤，張永林

（江蘇科技大學，江蘇鎮江 212003）

物聯網被稱為繼互聯網、個人PC之后第三個萬億級的信息技術產業。自提出以來，一直是各國爭相競爭的技術高點。能夠優先掌握先進的物聯網技術，不僅是提高我國船舶企業競爭力的重要途徑，也是實現我國船舶制造智能化、信息化、數字化的重要支撐。

文中主要研究并分析了當前常用物聯網的3 種標準體系和3 種架構，結合上海外高橋船舶分段制造車間實際的應用場景，研究船舶制造過程的物聯網接入需求，給出功能性采集數據；分析車間現有的網絡構成，將車間網絡分為無線傳感網絡、多業務高帶寬網絡和數控設備網絡3 類，給出各自特有的網絡形式與共性網絡，并設計了混合式網絡架構。最后，按生產設備的多寡，給出車間環境整體拓撲結構和基于USN 體系的物聯網架構方案。

1 物聯網標準體系

1.1 USN體系

泛在傳感器網絡（USN）是國際電信聯盟（ITU）提出的一種分層體系架構。ITU 在2005 年WSIS 大會上正式提出“Internet of Things(IoT)”的物聯網概念，緊接著，物聯網成了世界各國爭相發展的新一代信息技術。USN 逐漸發展成為重要的物聯網分層體系，最初的USN 體系由底向上劃分為三層構造：感知層、網絡層、應用層。底層的感知層是物聯網體系的核心，相當于人類的五官，實時感知、識別外部世界，是及時獲取數據信息的重要通道與來源。網絡層運用多種網絡形式、網絡介質將采集到的數據信息及時向上層傳輸，以便上層獲取與查看。應用層是整個體系架構的最上層，該層集中了大量的應用管理設備，滿足物聯網帶給人們的便捷，即在任何時間（Anytime）、任何地點（Anywhere），對任何事物（Anything）都能智能快捷地獲取并管理數據信息。隨著科學技術的進步，USN 體系得到發展與細化，比如出現了五層體系，甚至是六層體系[1-2]。

1.2 SWE體系

2005 年，開放地理空間聯盟（Open Geospatial Consortium,OGC）提出SWE（Sensor Web Enablement）訪問傳感器標準體系[3]。該體系主要通過Web 訪問連入互聯網的傳感器資源，定位于應用層，結合傳感觀測服務（Sensor Observation Service,SOS）、傳感器建模語言（Transducer Markup Languange,TML）等技術，提供基于XML 數據標準格式的傳感器建模語言，使得傳感器能夠實現自我感知的功能[3]。SWE 體系常用于構建傳感信息模型，重點在于對設備的發現與數據資源的共享[4]，并對頂層服務提供大量的統一接口，但缺乏對底層硬件設備服務的統一規范，企業大規模應用受到一定限制[3，5]。

1.3 RFID體系

射頻識別技術（RFID）是物聯網的核心技術之一，能夠通過非接觸式的方式對選定目標進行識別、跟蹤和管理，是物聯網實現智能化的重要方法之一[3]。目前，RFID 包括三大標準體系,分別是ISO/IEC體系、美國EPC（Electronic Product Code）global 體系和日本的UID（Ubiquitous Identification）體系[6]。當前，EPC（電子編碼）在全世界的應用范圍較為廣泛。ISO/IEC 體系主要基于ISO IEC14443、ISO IEC10536、ISO IEC15693，作為實現RFID 的主要標準[6-7]。UID 則限于兼容日本本土已有的編碼體系，有限支持ISO 標準，應用范圍較局限。

分析表1，對比USN 體系、SWE 體系與RFID 標準的結果可以發現：USN 體系適用于任何形式的物聯網架構設計，而且應用范圍覆蓋SWE 體系與RFID 標準，而且USN 體系架構的復雜性較SWE 體系更為全面，較RFID標準更為直觀明確。因此，應用USN體系標準設計物聯網網絡立體分層結構是個很好的選擇。

表1 USN、SWE和RFID體系比較

2 物聯網網絡架構

2.1 REST架構

表征狀態轉移（Representational State Transfer,REST），是由Roy Fielding 博士在其博士論文中首次提出的一種軟件架構概念[8]。REST 架構常基于HTTP、URI（Uniform Resource Identifier，統一資源標準符）和XML（可擴展標記語言）以及HTML 使用，是一種可以提高系統伸縮性且相對簡單的服務架構。REST 對所有的資源共享提供統一的操作接口（比如API 接口），接口有明確的功能定義和操作契約[8]。REST 還可以提供無狀態交互，幫助基于架構的基本服務，組合構建為更大的自由集合，得到理想的系統應用架構。

2.2 集中式架構

集中式架構是物聯網物理架構常見的接入架構之一，是基于各類M2M等終端設備為代表，如Machine to Machine（機器-機器）；Machine to Man（機器-人），通過分析終端設備自帶的接口與接入方式，整合并設計開發一系列集成接口，使得機器設備能夠集中連接在一起，實現工業生產對加工設備的集中管理。集中式架構通過有線通訊方式，能夠提供穩定、可靠的網絡接入。但是在實際開發統一集成接口過程中，由于設備與設備間異構、兼容性較差，造成開發成本過高，而且開發好的集成接口，由于數量有限，設備接入數量與范圍等方面也存在局限性[3，9]。

2.3 分布式架構

分布式架構常見于各類傳感器網絡中[3],通過把眾多設備抽象為節點，并以自組網的形式，設計出星形、環形等形狀的分布式網絡，再將各節點通過不同的路由轉換策略進行整合通訊[10]。相較于接入設備受限的集中式架構，分布式架構以設備虛擬為節點，接入數量存在明顯優勢。而且節點開發成本低廉，使得接入范圍更廣，能夠滿足更多設備的接入需要。但分布式節點以小型、輕便設備為主，并網方式以無線方式為主，因而在通訊可靠性上存在明顯不足，易受到環境干擾造成通訊質量不佳，甚至中斷的不良影響。因而，文中將結合集中式和分布式架構特點，設計出滿足實際車間需求的混合式網絡架構[11-16]。

表2 REST架構、集中式架構、分布式架構比較

綜合分析比對REST 架構、集中式架構與分布式架構發現，REST 架構主要面向軟件系統開發，不適合船舶制造車間大型設備簡單化的模型設計。集中式架構僅是面向終端設備，比如便攜式終端，是實現人機交互的主要架構方案，而船舶車間不僅擁有終端設備，還有前端設備、中高端設備，設備接入有限，不適合做整個系統的架構設計。分布式架構和集中式架構一樣，存在對象單一的問題。可以將集中式架構與分布式架構整合在一起，構成混合式架構，更適合面向復雜系統整體的物聯網架構設計[17-18]。

3 實例設計

基于“工信部——外高橋船舶制造過程的物聯網技術研究”項目，設計船舶分段制造車間物聯網網絡架構與立體分層網絡架構方案。

3.1 物聯網接入需求

3.1.1 數據接入需求

物聯網系統接入需求分為功能性需求和非功能性需求兩大類[2]。功能性需求是指設備能夠提供給實際生產加工活動的自身能力與同時滿足不同用戶需求相匹配的業務能力，包括用戶管理、設備管理、數據信息管理等。非功能性需求作為功能需求的補充[7]，是指設備自身穩定性、可靠性、靈活性、兼容性等性能，并且支持系統整體穩定運行的能力。根據外高橋船舶分段制造過程物聯網接入需求，結合工藝過程、生產管理、設備管理等視角，給出需要通過物聯網采集的功能性數據需求，如圖1 所示。

圖1 船舶制造過程中的功能性數據需求

圖1 給出了船舶制造過程從生產工藝、生產材料、生產設備3 個方面的功能性數據需求。數據作為接入物聯網的基礎，通過不同方式獲取到的數據是構成物聯網感知層的核心內容，也是實現物聯網實時監控生產制造過程中數據交互的重要組成部分。因此給出生產制造的數據需求，是構建車間物聯網系統的第一步。

3.1.2 接入設備及其接入方式

由于船舶制造車間生產設備眾多，支撐的網絡形式迥異，因此數據類型也不盡相同。根據圖1 所示的數據需求，選擇能夠采集到這些數據的設備以及設備所連接的網絡形式，關系到是否能夠實現物聯網實時監控、查看的目的。

根據車間實際環境和數據種類，采用不同的接入設備搭配不同的接入方式：比如生產工藝的焊接精度、焊接品質是可以通過人工的方式，現場進行實時測量、評價，就可以獲取數據信息；而生產設備的產能則需要設備運行一定時間后，通過設備的重力傳感器來判斷這段時間重力改變的次數，因此在采集產能數據時，需要將重力傳感器接入PC 端，通過光纖網絡實時上傳數據，以便工作人員實時獲取數據信息。

3.2 物聯網網絡架構設計

3.2.1 生產車間現有網絡分析

因生產車間擁有眾多加工設備，而且每一臺設備由于生產廠商不同，所支持的網絡形式也存在差異。車間當前存在3 種主要網絡形式，分別是無線傳感網絡、多業務高帶寬網絡和數控設備網絡。無線傳感網絡，又稱無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network,WSN），主要包括4G、WiFi、ZigBee、WiMAX等網絡形式。多業務高帶寬網絡（Multi-service High-bandwidth Network,MHN）包括有線（比如工業PON、工業以太網、電力載波通訊PLC 等）和無線（比如WiFi、4G、WiMAX 等）兩類網絡。數控設備網絡（CNC Equipment Network,CNC-EN）包括串行總線（Universal Serial Bus,USB）、工業現場總線（Industrial Field Bus，IFB）、工業以太網（Industrial Ethernet，IE）、PLC 等通訊網絡。

圖2 給出了車間當前主要3 種網絡形式WSN、MHN、CNC-EN 的區別與聯系。可以看出，WSN 包含MHN 的WiMAX 網絡，MHN 與CNC-EN 共同支持PLC、IE 網絡，但是無線傳感網絡與數控設備網絡之間沒有共性網絡，彼此間網絡形式是獨立的。

圖2 WSN、MHN、CEN 3種網絡關系圖

3.2.2 物聯網網絡架構設計

根據2.2 節集中式架構與2.3 節分布式架構，結合現場車間設備資源分布，搭建如圖3 所示的混合式物聯網網絡架構（IoT Hybrid Network Architecture，IOT-HNA）。將整個生產車間劃分為兩個子部分，如圖4 所示。左半區域，主要用來存放按照切割標準生產好的待用鋼板，這部分區域大型設備很少，留有儲備加工原料的場地，適合利用無線技術、傳感器技術進行網絡設置。右半區域，主要將切割好的鋼板按照生產設計要求進行拼裝、焊接等制造工藝，這部分區域大型設備眾多，運行交織復雜，生產加工環境相對惡劣，同時重型加工設備對無線傳感網絡的通訊造成較強干擾，因此，這部分區域，使用多業務高帶寬網絡與數控設備網絡兼并的通訊組網方式，滿足這部分區域設備既能精準加工，又能實時傳輸數據的需要。

圖3 混合式物聯網網絡架構

圖4 車間現場平面左、右部分分布圖

圖3 是在圖4 的基礎上設計而來的。將圖4 分段制造組立車間分為左、右兩部分，左邊部分設計了如圖3 所示的核心模塊左半邊的網絡架構，由于該區域大型設備較少，因此可以使用車間設備屏蔽效果較弱的無線網絡形式；而右邊部分大型生產設備眾多且異構，會對無線信號的產生與接收造成較強的屏蔽效果，因此，在這部分應用統一的集成接口轉換器，使用穩定性較好的光纖網絡形式實時采集與查看生產制造過程的數據。

3.2.3 整體拓撲結構

拓撲結構是指網絡中各個節點相互連接的形式。主要有星形拓撲、環形拓撲、樹形拓撲、總線型拓撲等7 種形式，其中由總線型、星形和環形這3 種基本形式混合起來運用的稱為混合型結構。根據圖4 制造車間布局圖，文中基于星形、環形和總線型，設計了物聯網整體混合型拓撲結構，如圖5 所示。

圖5 是在圖3 的基礎上設計而來的。將圖3 中大型設備細化，得到包括六大工位在內的工業現場總線網絡形式的混合型拓撲結構圖。核心交換機的左邊，將各種便攜式設備連入路由器，實時訪問數據庫，使用便攜式設備的訪問記錄，同時也保存在數據庫中，方便實時查看與監控。右邊則將企業ERP 連入API 統一接口中，實現ERP 獲取各工位實時生產數據信息，方便工作人員、管理者隨時監控查看。

圖5 船舶制造車間物聯網整體拓撲結構

3.3 車間物聯網立體分層架構方案

設計船舶制造分段車間整體立體分層架構，基于物聯網USN 體系架構，結合RFID 技術、GPS 技術、條碼技術、Socket 服務等關鍵技術，結合車間實際情況，確定采用四層架構設計方案，分為數據感知層、網絡配置層、網絡處理層和實際應用層。整體分層架構方案如圖6 所示。

圖6 整體分層架構方案

圖6 是基于USN 體系拓展而來的四層架構方案。最低層是數據感知層，包含RFID 技術、GPS、EPC技術、條碼技術、生物識別技術、傳感器等先進技術，實現對人員分布、設備生產狀態等數據的及時獲取。接入大量物聯網設備，連入支持自身設備的網絡配置層，實現數據通過互聯網方式進行上傳與接收，再通過網絡處理層對虛擬的數據信息進行處理、分類，最后傳到應用層的各個終端、企業ERP，即實現物聯網技術在整個車間網絡架構系統中的應用。

4 結束語

文中重點設計了USN 體系及混合式架構在實際船舶制造車間的應用。首先，對現有常用的物聯網體系與架構進行了比較分析，得到USN 體系比SWE體系、RFID 標準更為廣泛、清晰的應用領域，也是目前物聯網架構設計最常用的體系。其次，對不同網絡架構進行對比分析，提出應用集中式與分布式相結合的混合式網絡架構，同時深入船舶制造車間，設計適合車間現有網絡分布的混合式網絡架構。然后，根據USN 體系感知層、網絡層與應用層，分別介紹了數據信息需求、現有網絡配置分析及內在關系。最后，設計了整體車間網絡立體架構方案，同時對應用層進行了說明。所設計的USN 體系分層方案與混合式網絡架構，能夠很好地滿足船舶制造車間對船舶制造過程智能化、信息化、數字化的需求,同時在不改變車間現有條件的基礎上設計的網絡架構方案也易實現。