工業(yè)物聯網關鍵技術及發(fā)展挑戰(zhàn)

湯敏賢 史勇民 李日南

一、引言

在過去幾十年中，無線通信技術的長足發(fā)展為物聯網的廣泛應用奠定了最基本技術基礎。物聯網作為一種技術范式最早是由Kevin Ashton于1998年提出，其主要內涵是在人人互聯的基礎上，進一步將各種事物或對象連接到互聯網上。目前，物聯網在智能家居、醫(yī)療保健、交通和環(huán)境等許多應用場景中得到了廣泛的應用，而在同樣甚至更加重要的工業(yè)領域，基于物聯網實時在線的傳感監(jiān)測和更加高效的控制，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)物聯網（IIoT） 的概念應運而生。IIoT系統(tǒng)在工業(yè)研發(fā)、生產、制造和銷售以及后續(xù)的全流程中收集和分析大量數據，這些數據可用于改善工業(yè)系統(tǒng)的整體性能，提供各種類型的服務，同時有效降低了工業(yè)系統(tǒng)的資本支出和運營費用。

在工業(yè)化信息化兩者結合不斷演進的過程中，學界、工業(yè)界提出了許多類似的術語和概念來描述工業(yè)中的物聯網概念，例如工業(yè)物聯網和智能制造等。所有這些術語背后的核心概念是使用先進技術和應用（例如物聯網、5G、云計算、邊緣/霧計算、機器學習等）專門針對工業(yè)過程進行優(yōu)化。

（一）工業(yè)物聯網的概念

工業(yè)物聯網（IIoT）是智能化、高度連接的工業(yè)組件網絡，通過實時監(jiān)控、高效管理來控制工業(yè)流程、資產和操作時間，實現高生產率和降低運營成本。工業(yè)物聯網是物聯網的一個子集，它需要更高級別的安全、可靠通信、處理和控制，確保整個工業(yè)流程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

（二） 工業(yè)物聯網的特征

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)場景， 通過小型環(huán)境傳感器、敏捷型供應鏈監(jiān)控和智能化數據分析等一系列工具和技術，實現最優(yōu)的業(yè)務決策以獲取競爭優(yōu)勢。IIoT主要表現為四大特征：一是智能感知。IIoT通過聲光電磁等各類傳感器技術，直接獲取產品從研發(fā)、生產、運輸直到銷售至終端用戶使用的各個階段信息數據。二是互聯互通。IIoT通過各類不同協議的專用網絡和互聯網相連的方式，使工業(yè)過程中各個階段、各類設備的信息實時、準確無誤傳遞出去。IIoT注重低延時、低帶寬和低功耗的通信能力，同時更注重數據交互。三是智能處理。IIoT利用云計算、云存儲、模糊識別及神經網絡等智能計算技術，對數據和信息進行分析處理，構建工業(yè)物聯網大數據，深挖數據的價值。四是自我迭代。IIoT通過將工業(yè)資源數據處理、分析和存儲，形成有效的可繼承的知識庫、模型庫和資源庫，經過不斷迭代自我優(yōu)化，不斷完善決策和控制能力，實現系統(tǒng)級的效率優(yōu)化。

二、工業(yè)物聯網關鍵技術

IIoT核心支柱是通過大量新興關鍵技術的協同、融合、創(chuàng)新，來實現其核心功能并不斷優(yōu)化和拓展，這些技術包括物聯網、區(qū)塊鏈、云計算、大數據分析、人工智能、網絡物理系統(tǒng)、增強現實、虛擬現實、人機交互（H2M）和M2M通信等等。

（一）物聯網（IoT）

在工業(yè)場景下，物聯網（IoT）設備是實現實時數據收集和驅動的基礎。作為 IIoT 的最基礎的組件，這些IoT設備可實現全球工廠狀態(tài)的實時跟蹤。通過物聯網設備監(jiān)控從原材料開始到成品結束的整個過程，可以顯著降低人工成本，縮減不必要的手動管理環(huán)節(jié)。在一個完整的 IIoT系統(tǒng)中， IoT 設備部署在從倉庫到生產設施和配送中心的所有工廠設施中，除了設備本身的可靠性、互聯互通能力之外，這些設備的配置、部署、監(jiān)控和維護是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，需要高素質的技術人員。

（二）區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈是將 IIoT 從理論變?yōu)楝F實的最重要技術之一。目前，學術界和工業(yè)界對區(qū)塊鏈技術在金融、醫(yī)療保健、供應鏈、汽車保險等各個領域進行了深入研究。工業(yè)物聯網中使用的物聯網設備會產生大量數據。這些物聯網設備生成的數據是多用途的，對這些數據進行分析和處理，進而用于設備性能監(jiān)控、異常檢測、診斷、預測性維護、資產監(jiān)控、從原材料到成品再到交付給最終消費者的整個產品生命周期的跟蹤。在這個過程中，如何以安全的方式與 IIoT 系統(tǒng)中涉及的所有實體共享這些重要數據是一項非常具有挑戰(zhàn)性的任務。而區(qū)塊鏈技術的獨特特性，如分布式、可追溯性、可生存性、信任、防篡改、安全性和固定的數據來源，使其適用于 IIoT。目前，區(qū)塊鏈技術已經被廣泛用于物聯網設備固件更新和訪問控制。

（三）云計算

IIoT 中不斷累積的大量數據需要高度分布式的高性能計算系統(tǒng)來管理、處理、分析和存儲數據。云計算技術為 IIoT 系統(tǒng)中的所有設施提供計算、網絡和存儲服務。所有連接的設備和應用程序都直接與云平臺連接。云服務模式可以私有（由 IIoT 員工單獨擁有和管理）、公共（由第三方云供應商單獨擁有和管理）或混合（混合使用兩種服務模型）。由于建立數據中心和招聘技術人員需要高額支出，因此私有云服務模式對于新進入者或中小型企業(yè)來說不是可行的選擇。而對于大型和成熟的跨國企業(yè)，則更偏向于部署私有云，以確保安全、保密和隱私。

（四）大數據技術

IIoT 中的設備和系統(tǒng)生成的大量數據流，需要高度復雜的高性能計算系統(tǒng)來進行大數據處理和分析。考慮到IIoT 系統(tǒng)中的延遲和實時性，指定何時、如何以及在何處處理和分析這些龐大的數據是非常具有挑戰(zhàn)性的。為了全面協調大數據分析服務，工業(yè)物聯網系統(tǒng)啟用了不同的技術來進行大數據收集、存儲、管理、處理和分析。數據收集技術提供了大量數據源的連接器，包括傳感器、智能設備、機載數據收集器、支持網絡的數據源和 IIoT 系統(tǒng)中的人機互動等。同樣，大數據存儲技術實現了云環(huán)境中的機載、內部、網絡和遠程數據存儲。數據管理和處理技術能夠處理傳感器附近、邊緣服務器和云數據中心中的大數據。數據分析技術為工業(yè)物聯網系統(tǒng)中不同層的數據挖掘、機器學習、深度學習和統(tǒng)計數據分析提供了不同的工具。復雜的大數據處理和分析技術也將在下一代 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）

人工智能技術確保工業(yè)物聯網系統(tǒng)自主和智能地運行，以最大限度地減少人為干預并提高效率。此外，通過啟用不同的搜索、優(yōu)化和預測算法，智能被嵌入到 IIoT系統(tǒng)的各個層，從傳感器到設備，再到邊緣服務器和云數據中心。為了最大限度地減少人力和干預，工業(yè)物聯網系統(tǒng)賦能不同的網絡物理系統(tǒng)，如制造系統(tǒng)和工業(yè)機器人。CPS 的本質在于板載嵌入式物聯網設備，它使不同的傳感器和執(zhí)行器能夠在工業(yè)環(huán)境中運行。這些板載嵌入式物聯網設備還促進了自主操作的智能數據處理，并提高了IIoT 系統(tǒng)的效率。

（六）增強現實（AR） 與虛擬現實（VR）

增強現實 （AR） 技術有助于在復雜的操作中幫助工業(yè)工人，例如組裝/拆卸機器、復雜的工業(yè)產品和關鍵任務系統(tǒng)。AR 技術能夠在操作期間監(jiān)控工人和機器，并立即生成更改或通知，以最大程度地減少錯誤。虛擬現實（VR） 技術有助于在 IIoT 系統(tǒng)中實際實施之前對工業(yè)功能和模塊的配置和重新配置進行可視化。VR的使用能夠減少（重新）配置時間并縮短工廠和機器的停機時間，從而實現成本的節(jié)約和效率的提升。

三、工業(yè)物聯面臨的挑戰(zhàn)

IIoT 系統(tǒng)的異構性和復雜性帶來了許多顯而易見的技術挑戰(zhàn)，例如互聯互通、安全性和隱私性、可擴展性、異構性、可靠性等等。這些挑戰(zhàn)限制了IToT的應用和效能，也是未來學界、工業(yè)界重點關注解決的重大方向。

（一）高效的數據管理方案

隨著技術發(fā)展，IIoT系統(tǒng)對于接入設備的種類和數量適應能力不斷增強，這些異構設備的大量接入導致數據量急劇增加。與工業(yè)設備集成的傳感器和執(zhí)行器以不斷產生越來越多的感知和控制數據。這些數據存儲在這些異構IIoT 設備上，本地網關/邊緣服務器和云服務器上，用于實時和未來決策。傳感數據的處理、傳輸、可用性和存儲是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，需要付出巨大的努力。為了應對這些挑戰(zhàn)，需要高效的數據管理模型。這些數據管理模型應該能夠有效地處理異構 IIoT 設備生成的大量原始數據。這些模型還應為數據管理服務提供高速數據處理、可靠安全的數據存儲、檢索和快速數據流。

（二）異構 IIoT 系統(tǒng)之間的協作

IIoT系統(tǒng)組件是不同異構和多供應商技術的集合，例如工業(yè)機器、機器人、物聯網設備、傳感器、執(zhí)行器、網關、邊緣節(jié)點、邊緣/云數據服務器（數據中心）、不同的有線/無線通信和蜂窩網絡（WiFi、5G、NB、Lora）。這些基于異構和多供應商技術的 IIoT 系統(tǒng)之間的集成和協作是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。同步、資源共享、數據共享、互操作性和數據隱私等不同因素使集成和協作更具挑戰(zhàn)性。靈活高效的協作和互操作性技術仍然需要更多的研究和開發(fā)工作。

（三）強大而靈活的大數據分析

為了從 IIoT 設備生成的大量數據中充分受益，強大而靈活的大數據分析技術必不可少。傳統(tǒng)的數據庫管理系統(tǒng)無法產生預期的結果，因為這些系統(tǒng)無法有效地處理和分析大量數據。實時處理 IIoT 數據是一項關鍵任務，因為這些數據處理的結果將用于關鍵的實時工業(yè)自動化操作，例如預測故障、預測性維護、增加產量、減少停機時間和異常檢測。為了滿足 IIoT 應用程序的不同需求（即數據速率、延遲和可靠性等），需要高效和實時的大數據分析技術，以穩(wěn)健高效地處理 IIoT 設備生成的數據。

（四）IIoT 系統(tǒng)的可信性

任何商用化技術的成功與消費者的接受和適應直接相關，其中對于技術的信賴度起到至關重要的作用。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，大量研究文獻都強調安全和隱私是這些系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)。技術的安全性和隱私性與其客戶的信任度密切相關，工業(yè)物聯網系統(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。在客戶信任模型領域進行更多研究，是技術層面外IIoT商業(yè)成功的重要課題。

（五）IIoT中無線技術和協議的共存

IIoT 中的通信對于信息交換是強制性的。因此，IIoT中的通信必須能夠連接大量異構設備，提供足夠的帶寬來傳輸數據。此外，一些工業(yè)應用對時序、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、協議和標準。其中無線系統(tǒng)（WLAN、IEEE 802.15（WSN））和無線設備越來越受到關注。無線通信也帶來了許多挑戰(zhàn)。不同無線系統(tǒng)和協議的共存是 IIoT 的主要挑戰(zhàn)。目前多種通信技術和協議并用的現實情況，主要原因是一種無線技術或協議無法提供適合 IIoT 中各種應用要求的所有功能和優(yōu)勢。因此，通信技術和通信協議的選擇和共存是一個很大的挑戰(zhàn)。

（六）IIoT 中的公共安全

IIoT 中發(fā)生緊急情況和災難時的公共安全應得到高度重視。在發(fā)生災難時，產業(yè)工人和設備的安全取決于事件的及時檢測、警報生成、現場定位以及向應急響應服務提供者（如消防部門、救護車、災害管理單位、交通警察和其他執(zhí)法機構）。然而，災區(qū)通信基礎設施的缺失或故障成為一個主要問題。此外，各種 IIoT 設備和其他通信系統(tǒng)之間的協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絡架構，利用無人機、SDN、邊緣計算和其他先進的通信技術，如LTE、4G/5G 等，用于物聯網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計災難環(huán)境下更加彈性、自治的通信架構，以在緊急情況下確保公共安全的災難恢復機制。

四、結語

工業(yè)物聯網 （IIoT） 系統(tǒng)允許行業(yè)收集和分析大量數據，這些數據可以被使用、貨幣化并提高系統(tǒng)的整體性能以提供新型服務。本文重點介紹了 IIoT 中最新的關鍵技術的發(fā)展趨勢以及IIoT發(fā)展所面臨的一些重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)在當下阻礙了IIoT 的廣泛應用和其效能的充分發(fā)揮，這些挑戰(zhàn)包括高效的數據管理方案、異構 IIoT 系統(tǒng)之間的協作、強大而靈活的大數據分析技術、對 IIoT 系統(tǒng)的信任、無線技術的共存，IIoT中的公共安全等等。隨著學界、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，推動工業(yè)體系的革新發(fā)展。

作者單位：中國移動通信集團山西有限公司